DE2448015C2

DE2448015C2 - Verfahren zum Herstellen von Zweiwegthyristortrioden

Info

Publication number: DE2448015C2
Application number: DE2448015A
Authority: DE
Inventors: Richard William Skaneateles N.Y. Kennedy; Edward George Auburn N.Y. Tefft
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1973-10-11
Filing date: 1974-10-09
Publication date: 1984-04-19
Also published as: IE41527B1; FR2247823B1; DE2448015A1; GB1480116A; US3943013A; SE7412776L; FR2247823A1; JPS5080088A; IE41527L

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Seit ihrer Einführung haben die Zweiweg-Thyristortrioden eine steigende Popularität bei den Gestaltern von Stromkreisen erfahren. Die Gründe hierfür sind augenscheinlich; da eine einzelne Komponente in vielen Stromkreisen mehrere Komponenten ersetzen kann, bringen solche auch als Triac bezeichnete Thyristortrioden Verbesserungen hinsichtlich des Gewichts, der Größe und der Kosten mit sich. Es wird jedoch noch versucht, die Leistungsfähigkeit von Triac hinsichtlich einiger Eigenschaften zu verbessern. Man betrachte z. B. den üblichen Stromkreis, in welchem ein Triac zwei entgegengesetzt geschaltete parallele gesteuerte Siliziumgleichrichter (nachfolgend kurz SCR genannt) ersetzt, um selektiv Wechselstrom passieren zu lassen.

Setzt man die SCR ein, dann hat jedes Element einen ganzen Halbcyclus mit in Sperrichtung gepciter Vorspannung, um abzuschalten. Daher ist ein falsches Zünden, bedingt durch die Anwesenheit beweglicher Träger bei erneutem Anlegen von Durchlaßspannung, kaum ein Problem. Betrachtet man jedoch den entsprechenden Stromkreis mit einem Triac, dann ist ein Bereich des Triacpellets während eines Halbcyclus leitend und ein anderer Bereich ist während des folgenden Halbcyclus leitend (siehe z. B. die US-PS bo 32 75 909). Demgemäß ist bei Wechselstromanwendung ein Teil des Triac immer in leitendem Zustand, ausgenommen während der kurzen Perioden bei der Überschneidungen (crossovers) des Wechselstrom-Eingangssignals. Wenn mobile Ladungsträger vom leiten- nden Teil in den nicht-leitenden Teil hinüberfließen, dann kann der nicht-leitende Teil durch diese Träger unbeabsichtigt auf die Umkehrung der angelegter.

Spannung gesteuert werden. Dieser Effekt hat die Frequenzen begrenzt, bei denen Triacs eingesetzt werden können.

Es ist nun bekannt (DE-OS 21 28 304), zur Vermeidung des genannten Effektes in die Übergänge zwischen den beiden Teilbereichen ein Dotiermaterial, wie Gold, zur schnelleren Ladungsträgerrekombination einzudiffundieren. Durch die Rekombinationszentren bildenden Störstellen, die durch das Dotierungsmaterial eingebracht wurden, verschwinden die Ladungsträger innerhalb eines sehr kurzen Zeitraums, so daß Fehlerdurchschaltungen in den gerade als gesperrt angesteuerten Bereich nicht mehr erfolgen.

Es ist weiterhin ein Verfahren bekannt (DE-OS 20 21 691), bei dem eine Vielzahl von Halbleiterelementen gleichzeitig auf einer Halbleiterscheibe hergestellt werden. Bei diesen Halbleiterelementen sind diejenigen Flächen, die nicht von Kontaktierungselektroden abgedeckt werden, mit einer Metalloxidschicht als Schutzschicht beschichtet Bevor die Halbleiterscheibe in einzelne Halbleiterelemente aufgetrennt wird, werden Rillen in sie eingeätzt, innerhalb denen dann das Austrennen erfolgt. Vor dem Auftrennen wird noch eine Glaspassivierungsschicht in die Rillen eingeschmolzen, um die durch die Einbringung der Rillen freigelegte Randfläche der Halbleiterelemente gegen Umgebungseinflüsse zu schützen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1 zu schaffen, durch das Thyristortrioden mit guten Betriebseigenschaften in wenigen Verfahrensschritten hergestellt werden.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichnungsteil des Patentanspruchs 1 angegebenen Maßnahmen gelöst.

Das erlindungsgemäße Verfahren ist darin besonders vereinfacht, daß nur eine einzige Oxidschicht verwendet wird, die sowohl zur Bildung der Diffusionsmaske zum Eindif^fundieren des Dotiermaterials zur schnelleren Ladungstirägerrekombination verwendet wird, als auch als Maske zum Ätzen der Rillen. Daß dabei die Diffusionsöffnungen als Bezug verwendet werden, vereinfacht die Justierungsarbeit für Positionierung der Rillen. Durch die erfindungsgemäße Reihenfolge — thermisches Aufwachsen der Oxidschicht, Eindiffundieren des genannten Dotiermaterials, Einschmelzen der Glaspassivierungsschicht — wird erreicht, daß eine gegenseitige Beeinträchtigung der Ergebnisse des jeweils vorangegangenen Verfahrensschritt durch den folgenden Verfahrensschritt vermieden wird. Das Aufwachsen der Oxidschicht findet nämlich bei ca. 1100⁰C statt und das Eindiffundieren des genannten Dotiermaterials (beispielsweise Gold) bei ca. 800°C — 900⁰C. Die letztere Temperatur hat keinen Einfluß auf die Oxidschicht. Diese wird weder beschädigt, noch dicker oder dünner gemacht, da hierfür die genannte Temperatur von 800—900⁰C nicht ausreicht. Das nachfolgende Einschmelzen des Glases findet bei ca. 700⁰C statt. Dies hat auch keinen Einfluß mehr auf das Dotierungsprofil, da eine Bewegung des Dotiermaterials erst ab 80O⁰C erfolgt.

In einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Glas in Teilchenform in die Rillen eingebracht, bevor es eingeschmolzen wird. Dabei wird gewöhnlich ein Träger, wie Alkohol zugefügt.

Ein Ausführungsbeispiel de- hrfindung wird in folgenden anhand schematischer Zeichnungen naher

erläutert Es zeigt

F i g. 1 einen Querschnitt einer Halbleiterscheibe,

F i g. 2 eine Draufsicht auf den in F i g. 1 dargestellten Teil in einer späteren Herstellungsstufe,

F i g. 3 eine Draufsicht auf einen Teil eier Scheibe in einer noch späteren Herstellungsstufe jnd

F i g. 4 einen Querschnitt einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Thyristortriode.

In F i g. 1 ist ein Körper 21 aus halbleitendam Maerial gezeigt der Teil einer Halbleiterscheibe ist welche eine erste Haup!oberfläche 22 und eine zweite Hauptoberfläche 23 aufweist und die einen Durchmesser von etwa 2,5 bis etwa 7,5 cm aufweist, wie dies bei der Halbleiterherstellung üblich ist Bei einem bevorzugten Herstellungsverfahren wird der Körper 21 zuerst mit einer Verunreinigung dotiert, die in ihm n-Leitfähigkeit erzeugt und dann wird ein Dotierungsmittel, das p-Leitfähigkeit verursacht, durch die obere Hauptoberfläche 22 eindiffundiert, um einen p-leitenden Bereich 24 nachbart dieser oberen Hauptoberfläche "il zu schaffen, und durch die untere Hauptoberfläche 23, um einen p-leitenden Bereich 25 benachbart dieser unteren Hauptoberfläche 23 zu erzeugen.

Die Scheibe wird durch Eindiffundieren einer anderen Verunreinigung in einer vorausgewählten Verteilung in jedes Teilstück effektiv in Teilstücke aufgeteilt. Eine Draufsicht auf einen kleinen Teil der oberen Hauptoberfläche 22 mit zwei Teilstücken und dem Diffusionsmuster darauf ist in F i g. 2 gezeigt In jedem Teilstück sind ein großer Emitter 26 mit in η+-Leitfähigkeit und ein Übergangsbereich-Steueremitter 27 mit n+-Leitfphigkeit und ein Kontrollbereich 28 ebenfalls mit n+-Leitfähigkeit eindiffundiert. Zusätzlich ist ein zweiter Emitterbereich 29 mit η+ -Leitfähigkeit in den unteren Bereich

25 mit p-Leitfähigkeit eindiffundiert. Einer der zweiten Emitterbereiche 29 mit n⁺-Leitfähigkeit ist mit gestrichelten Linien in F i g. 2 gezeigt, so daß seine Nebeneinanderstellung erkennbar ist. Der Übersichtlichkeit halber ist nur ein Bereich 29 gezeigt. Wie deutlicher in Fig.4 ersichtlich, sind die n⁺-Bereiche 26, 27 und 29 nur etwa halb durch den oberen p-Bereich 24 und den unteren p-Bereich 25 diffundiert. Auf diese Weise kann jeder Teil der Scheibe ein Triacpellet 31 bilden. Weitere Informationen hinsichtlich der Diffusion von Triacpellets bis zu dieser Herstellungsstufe können der oben genannten US-PS 32 75 909 entnommen werden.

Wie in F i g. 3 ersichtlich, umfaßt jedes Teilstück oder Pellet 31 wie dies bei Triacs üblich ist, einen ersten leitenden Bereich 32, der sich im wesentlichen über den gleichen Bereich erstreckt, wie der erste Emitterbereich

26 mit η+ -Leitfähigkeit und das Pellet hat weiter einen zweiten leitenden Bereich 33, der sich über den größten Teil des zweiten Emitterbereiches 29 mit n + -Leitfähigkeit erstreckt. Ein Steuerbereich 34 ist benachbart dem Übergangsbereich-Steueremitter 27 mit η+ -Leitfähigkeit vorhanden. Wird ein Triac für selektives Durchlassen von Wechselstrom eingesetzt, dann leitet der erste leitende Bereich 32 während einer Hälfte des Wechselstromcyclus und der zweite leitende Bereich 33 leitet während des folgenden Halbcyclus. Das oben erwähnte unerwünschte »Überfließen« ist die Trägerbewegüng über die Grenzfläche zwischen den Bereichen 32 und 33.

Um diese Trägerbewegung zu verhindern, wird das folgende Verfahren angewandt. Die erste Hauptoberfläehe 22 wird selektiv maskiert unter Freilassung nur der Bereichsgrenzen. Eine geeignete und wirksame Methode zum Maskieren besteht darin, daß man die Scheibe einer Temperatur von mindestens 1100° C aussetzt, um eine Oxydschicht auf den Oberflächen aufwachsen zu lassen. Für das Maskieren ist es lediglich erforderlich, daß das Oxyd auf einer Hauptoberfläche vorhanden ist Aus im folgenden noch näher zu erläuternden Gründen wird jedoch das Oxyd auf jeder der Hauptoberflächen aufgewachsen. Nach dem Oxydwachstum wird ein im allgemeinen Y-förmiger Bereich des Oxydes entferni, wie er durch die gestrichelten Linien in F i g. 3 gezeigt ist Diese Y-förmige öffnung wird natürlich über jeder der verschiedenen Teilstückt ?n der Platte hergestellt Die öffnung wird vorzugswe^:se mit konventionellen Techniken, wie Ätzen erzeugt.

Dann diffundiert man eine Hilfsverunreinigung, welche die Trägerrekombination anregt, durch die öffnungen. Solche Verunreinigungen schließen z. B. Gold und Platin ein. So kann man z. B. Gold auf die erste Hauptoberfläche 22 aufdampfen. Danach setzt man die Scheibe einer Temperatur im Bereich von 800 bis 900° C aus. Das Gold steht nur in den Y-förmigen öffnungen in Kontakt mit dem Halbleitermaterial. Daher diffundiert das Gold nur in den öffnungen in den Kristall, wie in F i g. 4 gezeigt. Vorzugsweise werden Temperatur und Zeit der Diffusion so gesteuert, daß das Gold bis in die inneren Schichten diffundiert. Auf diese Weise wird ein Goldatome enthaltender Bereich an den Grenzflächen zwischen den ersten und den zweiten Leitfähigkeitsbereichen und dem Steuerbereich geschaffen, und die Trägerbewegung über diese Grenzflächen ist verhindert. Der erste und der zweite leitende Bereich bleiben im wesentlichen goldfrei.

Um die Herstellung abzuschließen, muß die Scheibe in Triacpellets aufgeteilt werden. Ein vorteilhafter Weg hierzu ist der folgende: Zuerst werden die Y-förmigen öffnungen mit einer Schutzschicht bei relativ geringer Temperatur bedeckt. Zum Beispiel kann ein Wachs oder ein Lack auf die Öffnung aufgebracht werden. Dann werden nach konventionellen Techniken, wie Fotoresisttechniken Bereiche lokalisiert, in die Rillen eingeätzt werden sollen, um die Pellets zu trennen. Die Rillen werden vorzugsweise von beiden Hauptoberflächen aus eingeätzt und von daher ergibt sich, daß es erwünscht ist, die Oxydbeschichtung auf beiden Hauptoberflächen 22 und 23 uufwachsen zu lassen. Die Rillen werden vorzugsweise tief genug eingeätzt, um alle p-n-Übergangsbereiche zu durchschneiden.

Ein Vorteil dieses Verfahrens ist es, daß es die Glaspassivierung der Pellets gestattet. Zur Herstellung der Glaspassivierung sollte das Wachs oder der Lack von den Y-förmigen öffnungen entfernt werden, da diese organischen Substanzen während der Passivierung Dämpfe abgeben können, die eine nachteilige Wirkung auf das weitere Verfahren haben. Nach der Entfernung des Wachses wird Glas in Teilchenform und in einem Träger wie Alkohol suspendiert in die Rillen eingebracht. Der Alkohol wird bei einer geringen Temperatur rasch verdampft und dann setzt man die Scheibe einer Temperatur von etwa 700⁰C aus. Bei dieser Temperatur schmilzt das Glas unter Bildung einer Passivierungsschicht 35 in den Rillen. Die während der Passivierung angewendete Temperatur von 700°C ist geringer als die zur Bewegung der Goldatome erforderliche Temperatur. Auf diese Weise wird die vorner erzeugte Goldverteilung nicht gestört.

Nach dem Passivieren mit Glas wird die Scheibe entlang den Rillen unter Bildung von Pellets 31 zerteilt, wie in den F i g. 3 und 4 gezeigt. Diese Zerteilung erfolgt nach konventionellen Verfahren.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

1 Patentansprüche:

1. Verfahren zum gleichzeitigen Herstellen einer Vielzahl gleichartiger Zweiweg-Thyristortrioden aus einer Halbleiterscheibe, bei dem in die Übergänge zwischen den Teilthyristorbereichen ein Dotiermaterial zur schnelleren Ladungsträgerrekombination eindiffundiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Eindiffundieren über Öffnungen einer vorher thermisch aufgewachsenen ίο Diffusionsmaske aus einer Oxidschicht erfolgt, die bei den fertigen Thyristortrioden als Passivierungsschicht wirkt, daß ferner Rillen für die Auftrennung der Halbleiterscheibe in einzelne Thyristortrioden in bezug auf die Diffusionsöffnungen positioniert werden und daß schließlich eine an die Oxidschicht anschließende Glaspassivierangsschicht in die Rillen eingeschmolzen wird, woraufhin die Halbleiterscheibe in die einzelnen Thyristortrioden aufgetrennt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung der Glaspassivierungsschicht Glas in Teilchenform in die Rillen eingebracht und dann eingeschmolzen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das thermische Aufwachsen der Oxidschicht bei einer Temperatur oberhalb von etwa 1100⁰C, das Diffundieren des Dotiermaterials bei einer Temperatur von etwa 800—900^cC und das Schmelzen des Glases bei einer Temperatur von etwa 700⁰C ausgeführt wird.