DE2448014A1 - Gesteuerter silizium-gleichrichter und verfahren zu dessen herstellung - Google Patents

Gesteuerter silizium-gleichrichter und verfahren zu dessen herstellung

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DE2448014A1 DE19742448014 DE2448014A DE2448014A1 DE 2448014 A1 DE2448014 A1 DE 2448014A1 DE 19742448014 DE19742448014 DE 19742448014 DE 2448014 A DE2448014 A DE 2448014A DE 2448014 A1 DE2448014 A1 DE 2448014A1
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Description

Gesteuerter Silizium-Gleichrichter und Verfahren zu dessen Herstellung
Die Erfindung betrifft glaspassivierte gesteuerte Siliziumgleichrichter, die eine Hilfsverunreinigung enthalten, um die Trägerrekombination anzuregen.
Seit ihrer Einführung sind die gesteuerten Silizxumgleichrichter populärer geworden, da die Gestalter von Stromkreise'n sie' weiter in neuer und verschiedener Weise eingesetzt haben. Mit der Entwicklung neuer Anwendungen für gesteuerte Silizxumgleichrichter
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wurde größerer Nachdruck auf die Verbesserung der Leiatungsfänigkeit der Elemente unter geforderten Betriebsbedingungen gelegt. Verschiedene Anwendungen erfordern, daß der Nachdruck auf verschiedene Eigenschaften des Elementes gelegt wird. So können einige potentielle Anwendungen erst dann kommerziell möglich werden, wenn die Kosten der gesteuerten Siliziumgleichrichter reduziert werden können. Andere Anwendungen erfordern, daß die Elemente höheren Sperrspannungen standhalten können oder daß sie rascher von einem leitenden zu einem nicht-leitenden Zustand umschalten. So steht der Gestalter des Elementes einem vielseitigen Problem gegenüber.
Eines der Hauptprobleme, denen der Gestalter der Elemente gegenübersteht, ist die wechselseitige Abhängigkeit zwischen den verschiedenen Eigenschaften des Elementes. So ist es z. B. bekannt, daß man durch Eindiffundieren von Gold in den inneren n-dotierten Bereich eines gesteuerten Siliziumgleichrichters die Minoritätsträger-Lebensdauer in diesem Bereich verringert und so die Ausschaltzeit reduziert. Es muß jedoch auch die Wirkung der Golddiffusionsstufe auf die Kosten des Elementes in Erwägung gezogen werden. Es ist auch bekannt, daß die Glaspassivierung der Halbleiterpellets, die die gesteuerten Siliziumgleichric Jiter bilden, viele vorteilhafte Wirkungen mit sich bringt. So wird mit der Verbesserung der Sperrspannung auch die Zuverlässigkeit des Elementes verbessert. Weiter verbessert die Glaspassivierung die Herstellungsausbeute und vermindert so die Kosten. Demgemäß sollte ein gesteuerter Siliziumgleichrichter mit brauchbaren Eigenschaften hergestellt werden können, wenn man sowohl die Golddiffusion als auch die Glaspassivierung anwendet. Dies ist jedoch bisher aus folgendem Grunde nicht möglich gewesen. Das Glas schmilzt bei einer geringeren Temperatur als der für die Durchführung der Golddiffusion erforderlichen Temperatur. Daher muß die Glaspassivierung nach der Golddiffusion ausgeführt werden. Die Glaspassivierung schließt jedoch eine Stufe zum Erzeugen eines Oxydes ein, die bei einer so hohen Temperatur ausgeführt wird, daß sie eine unkontrollierbare Bewegung und Neuverteilung des Goldes verursacht. Es wurden daher selektiv lokalisierte Golddotierungen und Glas-
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passivierung als miteinander unvereinbare Maßnahmen angesehen. Demgemäß wurden die golddotierten gesteuerten Siliziumgleichrichter im allgemeinen n-ach einem Verfahren hergestellt, bei dem nach der Diffusion einer Goldabdeckung in eine ganze Scheibe ein Aufteilen in Pellets und eine individuelle Passivierung mit Silikonkautschuk erfolgte.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen gesteuerten Siliziumglei.chrichter zu schaffens der eine Hilfsverunreinigung für die Anregung der Träge.rrekombination enthält und außerdem eine Glaspassivierung aufweist. Weiter soll die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Elementes schaffen.
Zur Lösung der obigen Aufgaben wird gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ein gesteuertes Halbleiter-Gleichrichterpellet geschaffen, das einen Körper aus Halbleitermaterial aufweist, der zwei Hauptoberflächen hat und eine Vielzahl von Schichten aus halbleitendem Material mit abwechselnder p- und η-Leitfähigkeit umfaßt, die eine Vielzahl von pn-übergängen bilden, von denen jeder im allgemeinen parallel zu den Hauptoberflächen verläuft» und der Körper eine Hilfsverunreinigung zur Anregung der Trägerrekombination enthält, wobei diese Hilfsverunr reinigung in einer vorausgewählten Verteilung in dem Körper aus Halbleitermaterial angeordnet .ist und auf der Peripherie des Körpers aus halbleitendem Material eine Glaspassivierungsschicht vorhanden ist, welche die pn-übergangsbereiche schneidet.
Die vorliegende Erfindung ist charakterisiert durch ein gesteuertes Silizium-Gleichrichterpellet aus halbleitendem Material, das zwei Hauptoberflächen aufweist und eine Vielzahl von Schichten abwechselnder p- und η-Leitfähigkeit einschließt, die eine Vielzahl von pn-Ubergangsbereichen bilden. Eine Hilfsverunreinigung wie Gold oder Platin, welche die Trägerrekombination anregt, ist selektiv in das Pellet diffundiert und vorzugsweise im inneren Bereich der η-Leitfähigkeit enthalten. Für jeden der pn-übergangsbereiche ist eine Glaspassivierung vorhanden. Der gesteuerte
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Siliziumgleichrichter weist daher eine Zuverlässigkeit im betrieb und eine Wiederholbarkeit und Wirtschaftlichkeit bei der Herstellung auf, die mit glaspassivierten Elementen verbunden ist, und er zeigt weiter die raschen Ausschalteigenschaften, die mit golddotierten Elementen verbunden sind.
Ein bevorzugtes Verfahren zum Herstellen des erfindungsgemäßen gesteuerten Siliziumgleichrichters schließt die Stufen des thermischen Aufwachsens eines Oxydes auf mindestens einer der beiden Hauptoberflächen einer Halbleiterscheibe ein, die in geeigneter Weise dotiert wurde, um sie zu einer Anzahl von gesteuerten SiIizium-Gleichrichterpellets zerteilbar zu machen. Teile des Oxydes, entsprechend den gesteuerten Silizium-Gleichrichterpellets, werden selektiv unter Bildung von Fenstern entfernt. Gold oder ein anderes Dotierungsmittel, das die Rekombination der Ladungsträger anregt, wird durch die Fenster in einen inneren η-dotierten Bereich eindiffundiert. Auf diese Weise wird eine Halbleiterscheibe geschaffen, die in geeigneter Weise dotiert ist, um eine Vielzahl von gesteuerten Silizium-Gleichrichterpellets zu bilden, wobei die Scheibe mit einer HilfsVerunreinigung, wie Gold, dotiert worden ist. Weiter bleibt das Oxyd auf der Scheibe an den Stellen, in denen Rillen gebildet werden sollen. Es ist daher nicht erforderlich, weiteres Oxyd aufzuwachsen, um das Ätzen von Rillen zu erleichtern und die Glaspassivierung und die Zerteilung in Pellets zu erleichtern.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Im einzelnen zeigen:
Figur 1 einen seitlichen Querschnitt eines Teiles einer Halbleiter-Kristallscheibe,
Figur 2 eine Ansicht der in Figur 1 gezeigten Scheibe nach einigen im folgenden zu beschreibenden Diffusionsstufen,
Figur 3 eine Ansicht der in den Figuren 1 und 2 abgebildeten Scheibe nach einer Oxydationsstufe,
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ι I t ι * ι · · ·
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Figur 4 eine Draufsicht auf die untere Oberfläche der Scheibe, nachdem öffnungen in das Oxyd geätzt worden sind,
Figur 5 eine Seitenansicht der in Figur 4 gezeigten Scheibe,
Figur 6 eine Draufsicht auf die Scheibe von unten während einer späteren llerstellungsstufe und
Figur 7 eine Seitenansicht der in Figur 6 gezeigten Scheibe.
In Figur 1 ist eine Seitenansicht eines Körpers aus Halbleitermaterial 21 gezeigt, die nur ein Teil einer größeren Halbleiterscheibe ist, wie sie üblicherweise bei der Herstellung von Halbleiterprodukten verwendet werden. Das Material 21 ist mit einer Verunreinigung, wie Arsen oder Phosphor, dotiert, so daß es n-Leitfähigkeit zeigt, und die Scheibe hat zwei llauptoberflachen 22 und 23. ' -
Bei der in Figur 2 gezeigten Scheibe ist eine andere Verunreinigung, wie Gallium oder Bor, in den Körper 21 von jeder der Hauptoberflächen 22 und 23 aus eindiffundiert worden und dies führt zur Bildung einer Schicht 24 mit p-Leitfähigkeit benachbart der riauptoberfläche 22 und einer weiteren Schicht 25 mit p-Leitfähigkeit benachbart der Hauptoberfläche 2 3. Als nächstes wird die riauptoberfläche 22 in geeigneter Weise maskiert und man diffundiert eine Verunreinigung, wie Phosphor oder Arsen, in den nicht maskierten Teil, um eine Schicht 26 mit η -Leitfähigkeit in einem vorausgewählten Bereich der Hauptoberfläche 22 zu bilden, wie dies bei der Herstellung gesteuerter Siliziumgleichrichter üblich ist. Der Körper aus halbleitendem Material weist nun die drei pn-übergangsbereiche 27, 28 und 29 auf, von denen jeder im wesentlichen parallel zu den Hauptoberflächen 22 und 23 verläuft.'
Der Körper aus halbleitendem Material 21 wird dann einer Temperatur von oberhalb etwa 1100 0C ausgesetzt, um Oxydschichten 31 und 32 auf der oberen und der unteren iiauptoberfläche 22 und 23 zu bilden. Das Ergebnis dieses Verfahrens ist in Figur 3 gezeigt. Es
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ist lediglich erforderlich, daß die Oxydschicht 32 gebildet wrrd. Aus noch näher zu erläuternden Gründen ist es jedoch vorteilhaft, auch· die Oxydschicht 31 auf der ob. eren Ilauptoberfläche 22 zu bilden.
In Figur Ί ist ein kleines Teilstück der Scheibe 33 gezeigt, von der der Körper 21 ein Teil ist. Eine Vielzahl von öffnungen oder Fenstern 34 wurde in die untere Oxydschicht 32 eingeätzt, wie in Figur 4 ersichtlich. Teilstücke der unteren Hauptoberfläche 23 wurden auf diese Weise freigelegt. Ein Fenster 31* ist dort angeordnet, wo jedes gesteuerte Silizium-Gleichrichterpellet von der Scheibe 33 abgeschnitten werden soll. Die Fenster 3^ erstrecken sich jedoch vorzugsweise nicht über die ganze Fläche des Pellets, wie im folgenden näher begründet werden wird. Der untere Teil der Scheibe 33 wird dann mit einer Hilfsverunreinigung beschichtet. Die Hilfsverunreinigung ist eine solche, die die Rekombination von Ladungsträgern anregt. Bei dem bevorzugten Verfahren wird eine Hilfsverunreinigung wie Gold auf die gesamte untere Oberfläche aufgedampft. Wie in Figur 5 gezeigt, ist das Gold 35 auf dem verbleibenden Oxyd 32 und den Teilstücken der unteren Oberfläche 23 niedergeschlagen, die durch die Fenster 3^ freigelegt sind. ,
Als nächstes wird der Körper 21 einer Temperatur im Bereich von etwa 750 bis 950 0C ausgesetzt, um die Hilfsverunreinigung 35 in einer vorausgewählten Verteilung in die Scheibe einzudiffundieren. Temperatur und Zeit werden vorzugsweise so ausgewählt, daß das Gold mindestens in die innere n-Schicht 20 diffundiert. Nach der Diffusion werden die Fenster bei relativ geringer Temperatur mit einer Schutzschicht maskiert. Nach einem bevorzugten Verfahren wird ein Lack oder ein Wachs aufgebracht.
In den Figuren Ί und 6 ist ersichtlich, daß die Fenster 3^ durch breite Oxydstreifen definiert bzw. begrenzt werden. Diese Streifen sind breit genug, so daß zum Herstellen von Rillen kein neues Oxyd aufgewachsen werden muß. Durch Photoresist-Techniken werden einander schneidende langgestreckte Bereiche J>6 in den Streifen
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lokalisiert. Das Oxyd 32 in den -lancßestreckten Bereicnen 36 wird entfernt. Man sollte sich darüber klar sein, daß, obwohl die Pigur 6 nur die untere Oberfläche der Scheibe 33 zeigt, die ausgerichteten langgestreckten Bereiche 36 auch auf der oberen Oberfläche 22 angeordnet werden und daß das Oxyd 31 daraus entfernt wird. Dann werden Rillen in die freigelegten Bereiche 36 geätzt. Der Lack schützt die untere Hauptoberfläche 23.in den Fenstern und durch die Fenster hindurch -findet daher kein Ätzen statt.
Es wird als vorteilhaft angesehen, die Bereiche, durch die die Rillen geätzt werden sollen, mit einer Oxydschicht zu begrenzen, da dann die entsprechende Anordnung genauer bestimmt und genauer dargestellt werden kann. Der Vorteil, der damit verbunden ist, die Fenster 31I nicht bis zu den Peripherien der gesteuerten Silizium-Gleichrichterpellets auszudehnen, ist daher klar. Weiter wird als vorteilhaft erkannt, die Oxydschicht 31 auf der oberen Oberfläche 22 zu erzeugen.
In Figur 7» in der eine Seitenansicht ähnlich den Figuren 1-3 und 5 abgebildet ist, sind die Rillen auf der oberen und der unteren Hauptoberfläche 22 und 23 gezeigt. Jeder der pn-übergangsbereiche 27, 28 und 29 wird durch -eine Rille geschnitten. Durch Vergleich der Figuren 6 und 7 wird deutlich, daß die Übergangsbereiche 28 und 29 auf allen Seiten von Rillen durchschnitten sind. Dies ist von Bedeutung, da die inneren Bereiche die Sperrschicht in einem funktionierenden gesteuerten Siliziumgleichrichter aufrechterhalten. So ist es von Vorteil, daß die Übergangsbereiche 27, 28 und 29 passiviert werden, und ihr Durchschneiden' mit den Rillen erleichtert die Passivierung.
Die Passivierung wird folgendermaßen ausgeführt: Zuerst wird der Lack von den Fenstern 34 entfernt, da er eine organische Substanz ist und Dämpfe abgeben könnte, die nachteilig für das Passivierungsverfahren sein könnten. Als nächstes wird Glas in Festkörperteilchenform und suspendiert in Alkohol auf die Oberflächen der Scheibe 33 aufgebracht. Das Glas haftet nicht an den Oxydschichten 31 und 32. Durch Bedecken der oberen Hauptoberfläche 22 mit
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dem Oxyd 31 wird daher die Wirtschaftlichkeit gefördert, da das Glas nicht an der ganzen Oberfläche haftet, sondern nur an den Rillen darin. Nach dem Aufbringen des teilchenförmigen Glases in den Rillen wird eine relativ geringe Temperatur angewandt, um den Alkohol zu verdampfen. Nach Verdampfen des Alkohols wird die Scheibe 33 einer Temperatur von etwa 700 C ausgesetzt, um das Glas zu einer passivierenden Schicht 37» wie sie in Figur 7 gezeigt ist, zu verschmelzen.
Dann werden an der Scheibe in konventioneller Weise Kontakte angebracht. Die Zerteilung der Scheibe 33 wird nach einem konventionellen Verfahren durchgeführt, wie einem Laser-Anreißen entlang den Rillen, wie durch die unterbrochenen Linien in Figur 6 gezeigt. Nachdem die Scheibe 33 in einzelne gesteuerte Silizium-Gleichrichterpellets zerteilt ist, sind solche Pellets, wie sie in Figur 7 gezeigt sind, gebildet. Ein Vergleich der Figuren 6 und 7 macht klar, daß sich die Passivierungsschicht um die gesamte Peripherie jedes gesteuerten Silizium-Gleichrichterpellets erstreckt.
Das Gold diffundiert ausreichend seitlich, so daß es in der gesamten Leitfläche der inneren kontaktlosen n-ßasisregion 20 angeordnet ist und nicht nur benachbart den öffnungen 31I. Die Trägerlebensdauer wird daher über die gesamte Leitfläche des Pellets reduziert und der erhaltene gesteuerte Siliziumgleichrichter zeigt daher die gewünschte rasche Abschalteigenschaft. Weiter zeigt eine überprüfung des oben beschriebenen Verfahrens, daß die frühere Unverträglichkeit zwischen selektiver·Golddiffusion und Glaspassivierung eliminiert worden ist, da jede Erhitzungsstufe bei einer geringeren Temperatur als die vorhergehende ausgeführt wird. Die Scheibe 33 wird zuerst bei 1100 0C oxydiert. Die Golddiffusion findet bei einer wesentlich geringeren Temperatur von nur 800 bis 900 0C statt und schließlich wird das Glas bei 700 0C geschmolzen, einer Temperatur, die gering genug ist, so daß die selektive Goldverteilung in der n-ßasisregion nicht merklich beeinflußt wird.
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Claims (13)

  1. Patentansprüche
    Gesteuertes Halbleiter-Gleichrichterpellet mit einem Körper aus halbleitendem Material, der zwei Hauptoberflächen aufweist und eine Vielzahl von Schichten aus halbleitendem Material mit abwechselnder p- und η-Leitfähigkeit umfaßt, wobei diese Schichten eine Vielzahl von pn-übergangsbereichen definieren, deren jeder im allgemeinen parallel den Hauptoberflächen verläuft, dadurch gekennzeichnet , daß eine Hilfsverunreinigung zur Anregung der Trägerrekombination in einer vorausgewählten Weise in dem Körper aus Halbleitermaterial verteilt ist und eine Glaspassivierungsschicht auf der Peripherie des Körpers aus halbleitendem Material vorhanden ist, welche die pn-übergangsbereiche kreuzt.
  2. 2. Pellet nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Körper eine Schicht aus thermisch gewachsenem, glaslokalisierendem Oxyd aufweist, die mindestens eine der Hauptoberflächen teilweise bedeckt.
  3. 3. Pellet nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Hilfsverunreinigung in einer inneren kontaktlosen Schicht des Halbleitermaterials vorhanden ist.
  4. 4. Pellet nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsverunreinigung Gold ist.
  5. 5. Pellet nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es eine Schicht aus thermisch gewachsenem Oxyd auf der anderen der beiden Hauptoberflächen aufweist.
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  6. 6. Verfahren zum Herstellen eines gesteuerten Siliziumgle-Lchrichters gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine Scheibe aus halbleitendem Material mit zwei Haupt/oberflachen geschaffen wird, die vier Schichten abwechselnder p- und η-Leitfähigkeit enthält, die drei pn-Übergangsbereiche definieren, die'im wesentlichen parallel zu den Hauptoberflächen verlaufen, eine Oxydschicht thermisch auf einer der Hauptoberflächen der Scheibe aufgewachsen und das Oxyd selektiv von einer Vielzahl vorausgewählter Teilstücke der einen Hauptoberfläche entfernt wird, um Fenster zu bilden, dadurch gekennzeichnet, daß eine Hilfsverunreinigung durch die Fenster in einer vorausgewählten Verteilung in die Scheibe eindiffundiert wird, wobei die Hilfsverunreinigung die Trägerrekombination in der Scheibe anregt.
  7. 7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß das Eindiffundieren der Verunreinigung in eine innere kontaktlose Schicht erfolgt.
  8. 8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet , daß das thermische Aufwachsen eines Oxyds auf beiden Hauptoberflächen erfolgt.
  9. 9. Verfahren nach den Ansprüchen 6bis 8, dadurch gekennzeichnet , daß nach dem Eindiffundieren einer Hilfsverunreinigung die Fenster durch Aufbringen einer Schutzschicht bei relativ geringer Temperatur bedeckt werden, daß selektiv mehr von dem Oxyd aus anderen vorausgewählten Bereichen der einen Hauptoberfläche entfernt wird, um einander kreuzende langgestreckte Öffnungen in dem Oxyd zu schaffen, welche die Fenster voneinander trennen, daß das Oxyd von den ausgerichteten ausgewählten Teilen der anderen Hauptoberfläche entfernt wird und daß man Rillen an den vorausgewählten Teilen in die Scheibe ätzt, wobei die Rillen die pn- übergangsbereiche schneiden und man die Übergangsbereiche durch Beschichten der Rillen mit Glas passiviert.
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  10. 10. Verfahren nach Anspruch 9,. dadurch gekennzeichnet , daß vor dem Passivieren die Schutzschicht von den Penstern entfernt wird.
  11. 11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet , daß die Passivierung durch Einbringen von festkörperteilchenformigem Glas in die Rillen mit nachfolgendem Schmelzen des Glases erfolgt.
  12. 12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das thermische Aufwachsen einer Oxydschicht bei einer Temperatur von etwa 1100 C, das Eindiffundieren der Verunreinigung bei einer Temperatur von etwa 800 bis 900 0C und das Schmelzen des Glases bei einer Temperatur von etwa 700 0C ausgeführt wird.
  13. 13. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet , daß die Verunreinigung Gold ist.
    lh. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 13, dadurch gekennzeichnet , daß die Scheibe entlang den Rillen in eine Vielzahl passivierter Halbleiterpellets zerteilt wird.
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