DE2625856A1

DE2625856A1 - Halbleiterbauelement

Info

Publication number: DE2625856A1
Application number: DE19762625856
Authority: DE
Inventors: Karl Dipl Phys Dr Platzoeder
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1976-06-09
Filing date: 1976-06-09
Publication date: 1977-12-15
Also published as: US4115798A; DE2625856C3; FR2354636A1; JPS52150985A; DE2625856B2; FR2354636B1; CA1088214A; GB1569938A

Description

SIEMENS /JtTIENGESELLSCHAFT Unser Zeichen 2625856 Berlin und München ^ _ VPA 78 P 10 6 8 BRD

Halbleiterbauelement

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Halbleiterbauelement mit einem Halbleiterkörper mit mindestens zwei Zonen abwechselnd entgegengesetzten Leitungstyps, dessen äußere anodenseitige Zone auf der ganzen Fläche mit einer Anodenelektrode verbunden ist, mit Rekombinationszentren im Halbleiterkörper und mit mindestens einer die Rekombinationszentren getternden Schicht auf der äußeren kathodenseitigen Zone, wobei anöden- und kathodenseitig ein Abfall der Konzentration der Rekombinationszentren zu einem Mittelgebiet hin auftritt.
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Solche Halbleiterbauelemente, seien es beispielsweise Thyristoren oder Dioden, sind allgemein bekannt. Dar Halbleiterkörper eines Thyristors weist im allgemeinen vier Zonen abwechselnd entgegengesetzten Leitungstyps auf, wobei zwischen diesen Zonen je ein pn-Übergang liegt. Der zwischen äußerer und innerer anodenseitige Zone liegende pn-übergang wird als Sperr-pn-Übergang bezeichnet, da an ihm der größte Teil der Sperrspannung abfällt. Der Halbleiterkörper einer Leistungsdiode hat im wesentlichen zwei Zonen von entgegengesetztem Leitungstyp. Die Halbleiterkörper solcher Halbleiterbauelemente weisen im allgemeinen einen gewissen Gehalt an Rekombinationszentren auf, durch deren Wirkung maßgebliche elektrische Eigenschaften, beispielsweise die Freiwerdezeit, beeinflußt werden. Die genannten Rekombinationszentren sind meist Schwermetallatome wie Gold, Platin oder auch Mangan.

Hab 12 Dx / 8.6.1976 709850/0521

ρ u BP ί 0 68 BRD

Die beim Herstellen der oben genannten Halbleiterbauelemente verwendeten VerfeJiren. bringen es mit sich, daß ein gewisser Teil der eingebrachten Rekoinbi nations Zentren in oberflächennahen Bereichen gegettert wird. Als Getterschichten koiamen beispielsweise hochdotierte Zonen, insbesondere durch Bor oder Phosphor dotierte, in Frage oder auch oberflächennahe Bereiche, deren Kristallaufbau durch mechanische Bearbeitung stark gestört ist. Durch das Gettern verringert sich die Konzentration der Rekombiuationszentren unterhalb der getternden oberflächennahen Schicht« Sind sowohl anodenals auch kathodenseitig gleichmäßig getternde Schichten vorhanden, so zeigt der Verlauf der Konzentration der Rekombinationszentren über die Dicke des Halbleiterkörpers ein U-förmiges symmetrisches Profil. Ist dagegen anodenseitig nur eine schwächere Getterwirkung, zum Beispiel durch eine geringere Störung der Oberfläche, als kathodenseitig vorhanden, so liegt die Konzentration der·Rekombinationszentren anodenseitig höher als kathodenseitig.

Die absolute Höhe der Konzentration der Rekombinationszentren läßt sich durch die Menge der eindiffundierten Rekombinationszentren, zum Beispiel von Goldatomen, einstellen. Die Symmetrie des Profils der Konzentration der RekombinationsZentren kann jedoch praktisch weder durch Steuerung der Menge der Rekombinationszentren noch durch Steuerung der Diffusionsparameter beim Eindiffundieren der Rekombinationszentren wirksam beeinflußt werden. Für manche Anwendungszwecke ist es. jedoch erwünscht, diese Symmetrie zu beseitigen und einen definierten Gradienten der Konzentration der Rekombinationszentren im Mittelgebiet einzustellen. Unter "Mittelgebiet¹¹ wird dasjenige Gebiet im Halbleiterkörper verstanden, das zwischen den beiden Schenkeln des U-förmigen Profils liegt.

Die Konzentration von Rekombinationszentren am Sperr-pn-Übergang eines Thyristors beziehungsweise am pn-übergang einer Diode bestimmt beispielsweise wesentlich das Rückstromverhalten eines solchen Halbleiterbauelements. Durch Wahl des Gradienten der Konzentration der Rekombinationszentren im Mittelgebiet lassen sich Halbleiterbauelemente herstellen, die bei vorgegebenem Durchlaß-

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Spannungsabfall entweder eine kleinere Freiwerdezeit oder ein günstigeres Rückstromverhalten als Bauelemente mit symmetrischem Profil der Konzentration eier Rekombinationszontren haben.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Halbleiterbauelement der eingangs erwähnten Art so weiterzubilden, daß ein Gradient der Konzentration der Rekombinationszentren definiert eingestellt werden kann, derart, daß die Konzentration im Mittelgebiet anrdenseitig höher .als kathodenseitig ist.

Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß mindestens der äußere anodenseitige Bereich des Mittelgebietes in Flächenelemente rait unterschiedlich hoher Konzentration an Rekombinationszentren aufgeteilt ist und daß das Verhältnis der Flächenelemente so eingestellt ist, daß im Mittelgebiet der Mittelwert der Konzentration der Rekombinationszentren höher als der kathodenseltige Mittelwert ist.

Damit kann auf einfache Weise durch Bemessung der Große der Flächenöleiasnte der gewünschte Gradient der mittleren Konzentration der Rekombinationszentren im Mittel gebiet definiert eingestellt werden.

Die Flächenelemente können vorzugsweise ein regelmäßiges Muster bilden. Vorteilhafterweise bilden die Flächenelemente mit vergleichsweise hoher Konzentration ein Netzmuster. Es können jedoch auch die Flächenelemente mit niedriger Konzentration ein Netzmuster bilden. Das Verhältnis der Flächen der Flächenelemente mit hoher Konzentration zu denen mit niedriger Konzentration sollte zwischen 0,9 : 0,1 und 0,1 : 0,9 liegen. Die größte Entfernung zwischen Flächenelementen mit geringer Konzentration sollte zweckmäßigei'weise kleiner als die Dicke des Halbleiterkörpers sein.

Die Erfindung wird an Hand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Fig. 1 bis 5 näher erläutert. Es zeigen:

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ORiQlNAL INSPECTED

Fig. 1 einen Schnitt durch einen Teil eines Halbleiterkörpers eines Thyristors,

Fig. 2 ein Diagramm mit der Konzentration der Rekombinationszentren C_R über die Dicke χ des Halbleiterkörpers, Fig. 3 den Schnitt durch einen Teil des Halbleiterkörpers eines Thyristors gemäß der Erfindung vor dem Anbringen der anodenseitigen Elektrode,

Fig. 4 die anodenseitige Ansicht eines Ausschnittes eines Halbleiterkörpers gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel und Fig. 5 die anodenseitige Ansicht eines Ausschnittes eines Halbleiterkörpers gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel det Erfindung.

Der Halbleiterkörper nach Fig. 1 weist vier Zonen 1, 2, 3, 4 auf» Der Leitungstyp, von Zone 4 ausgehend, sei beispielsweise npnp.

Die kathodenseitige Außenzone 4 und die anodenseitige Außenzone 3 wirken als Emitter und die an diese Außenzonen angrenzenden Zonen 1, 2 als Basis. Die Zone 4 ist mit nicht näher bezeichneten Durchbrüchen zur Verbesserung des du/dt-Verhaltens versehen und mit einer Kathodanelektrode 5 bedeckt und elektrisch verbunden. Die anodenseitige Außenzone 3 ist auf ihrer ganzen Fläche mit einer Anodenolektrode 6 bedeckt und mit dieser elektrisch verbunden. In den Halbleiterkörper sind Rekombinationszentron, zum Beispiel Gold, eindiffundiert worden. Auf Grund der üblicherweise hohen Botierung der Außenzone 4 werden die Goldatome in der kathodenseitigen äußeren Schicht stark gegettert, so daß auf der Kathodenseite von außen her ein starker Abfall der Goldkonzentration auftritt. Hierbei wirken die Dotierstoffβ der Zone 4, im vorliegenden Fall zum Beispiel Phosphor, als Getter. An der Außenseite der anödenseitigen Zone 3 ist die Getterwirkung im allgemeinen schwächer, so daß der in Fig. 2 dargestellte, mit Kurve 1 bezeichnete Verlauf der Konzentration an RekombinationsZentren auftritt. E3 ist deutlich zu sehen, daß die Goldkonzentration am pn-übergang zwischen den Zonen 2 und 3» dem Sperr-pn-Übergang·, relativ hoch ist. Das eingangs erwähnte Mittelgebiet des Konzentrationsprofils der· Rekombinationszentren ist in Fig. 2 mit M bezeichnet. Es liegt im wesentlichen zwischen dem kathoden- und anodenseitigen Steilabfall der Goldkonzentration. 709850/0521

Werden an der Außenseite der Zone 3 gleichstarke Getterschichten wie an der Außenseite der Kathode vorgesehen, so ergibt sich der mit 2 bezeichnete Verlauf der Goldkonzentration mit der Konzentration C2 am Sperr-pn-Übergang. Zwischenwerte des Gradienten der mittleren Konzentration der Rekombinationszentren im Mittelgebiet konnten bisher in einfacher und reproduzierbarer Weise nicht eingestellt v/erden.

Die in Fig. 2 dargestellten Konzentrationsverläufe können auch beim Halbleiterkörper einer Diode auftreten. Der Halbleiterkörper einer Diode uaterscheidet sich von dem eines Thyristors im wesentlichen nur darin, daß bei diesem die Zone 4 nicht vorgesehen ist und die Zone 1 gleichen Leitfäiiigkeitstyp wie die Zone 2 aufweist. Zwisehen den Zonen 2 und 3 liegt dann der pn-übergang der Diode.

Der Halbleiterkörper nach Fig. 3 ist mit gleichen Bezugszeichen wie der nach Fig. 1 versehen. Es handelt sich auch hier um einen Halbleiterkörper eines Thyristors. Gemäß der Erfindung ist mindestens die äußere anodenseitige Zone 3 in Flächenelemente mit unterschiedlich hoher Konsentration dar Rekoisbinationszentren aufgeteilt. Die Flächenelemente mit hoher Konzentration sind mit 8 und die Flächenelemente mit niedriger Konzentration mit 9 bezeichnet. Die Flächenelemente S, 9 haben definierte Flächen, deren Größenverhältnis den Gradienten des Mittelwertes der Konzentration, das heißt den gevTünschten einzustellenden Konzentrationswert, der Rekombinationsaentren am und in der Nähe des Sperr-pn-Übergangs zwischen den Zonen 2 und 3 bestimmt. Die Zonen relativ hoher Konzentration laufen zum Innern des Halbleiterkörpers, das heißt auch zum eingangs definierten Mittelgebiet hin auseinander, so daß sich insbesondere dann am pn-übergang zwischen den Zonen 1 und 2 eine angenähert homogene laterale Verteilung der Rekombinationszentren ergibt, wenn der Abstand der Zone 9 klein gegen die Dicke des Halbleiterkörpers ist.

Eine merkliche Änderung des Gradienten gegenüber den Kurven 1, 2 (Fig. 2) erhält man, wenn das Verhältnis der Flächen der Bereiche 8, 9 zwischen 0,1 : 0,9 und 0,9 : 0,1 liegt. Liegt das Verhältnis

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der Flächen der Flächenelemente nahe bei 0,9 : 0,1, so stellt sich am Sporr-pn-Übergang ein Gradient ein, der etwas niedriger ist als die Kurve 1 in Fig. 2. Mit kleiner werdendem Verhältnis der Flächen der Flächenelemente wird der Gradient der Konzentration der
Rekombinationszentren am sperrenden pn-übergang immer kleiner. Bei einem Flächenverhältnis nahe bei 0,1 : 0,9 ist der Gradient etwas
größer als bei der Kurve 2 nach Fig. 2. Durch geeignete Wahl des
Verhältnisses der Flächen ist es somit auf einfache und reproduzierbare Weise möglich, am sperrenden pn-übergang beziehungsweise
am pn-übergang der Diode einen definierten Gradienten der Konzentration an Reivombinationszentren einzustellen. Dieser Gradient ist zum Beispiel durch die Kurve 3 in Fig. 2 dargestellt.

Die Flächenelemente vergleichsweise niedriger Konzentration können beispielsweise durch anodenseitig aufgebrachte Getterschichten erzeugt werden, deren Flächen im Verhältnis zu den nicht von Getterschichten bedeckten Flächen im oben angegebenen Verhältnis, das
heißt zwischen 0,1 : 0,9 und 0,9 : 0,1, liegt. Diese in Fig. 3 mit 7 bezeichneten Getterschichten können beispielsweise durch auf bekannte Weise hergestellte, hoch (einige 10 ^? bis einige 10
Atome/cm ) mit Phosphor oder Bor dotierte Schichten oder auch
durch Schichten mit stark gestörter Kristalloberfläche hergestellt werden. Stark gestörte Oberflächen erhält man beispielsweise durch Sandstrahlen. Die Flächenelemente werden unter Verwendung geeigneter bekannter Masken hergestellt. Es genügt, wenn die Zonen 7 eine Dicke von einigen Zehnteln bis einige /um aufweisen.

Die Zonen 7 verschwinden, wenn nach der Herstellung der Getterschichten und Eindiffusion der Rekombinationszentren die anodenseitige Elektrode 6 anlegiert wird. Das Anlegieren geschieht üblicherweise mit Aluminium, das heißt einem stark p-dotierenden Material. Dadurch werden die Bereiche 7, falls sie durch Phosphor oder Bor bereits hoch dotiert sind, überdotiert. Werden die Zonen 7
nicht durch Legieren überdotiert, so können sie auch nach dem Einbringen der Rekombinationszentren und vor dem Kontaktieren zum
Beispiel durch Abätzen entfernt werden.

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In Pig, 4 und 5 sind zwei praktische Beispiele für die Aufteilung der anodenseitigen Zone 3 des Halbleiterkörpers in Bereiche hoher und vergleichsweise niedriger Konzentration der Rekombinationszentren dargestellt. Die Fig. 4 und 5 zeigen Ausschnitte des Halbleiterkörpers. In Fig. 4 sind die Flächenelemente 9 mit niedriger Konzentration als Aussparungen in einer Zone 8 hoher Konzentration angeordnet. Die Zone 8 bildet ein Netzmuster. Die Flächenelemente 9 können aber beispielsweise auch auf konzentrischen Ringen liegen. In Fig. 5 ist der umgekehrte Fall dargestellt, wo die Flächenolernente 9 ein Netzmuster bilden, das die Flächenelemente S einschließt. Die Flächenelemente beziehungsweise die Zone 8 sind zur besseren Hervorhebung schraffiert.

In Fig. 4 und 5 wurde der Deutlichkeit halber ein relativ grobes Muster dargestellt. Um die Schwankungen des Mittelwertes zur Kathodenseite hin klein zu halten, wird man ein feineres Muster mit kleinen Flächen vorziehen. Bewährt hat sich beispielsweise, die Anodenseite in Flächenelemente mit jeweils 150 /um Kantenlänge aufzuteilen. Damit ergibt sich für den Fall des Netzmusters, daß sich kreuzende Linien von 150 /um Breito zwischen sich Fenster von 150 /Uin Kantenlänge einschließen.

Der Konzentrationsunterschied der Golddotierung beider Arten von Flächenelementen beträgt im Mittelgebiet zum Beispiel 2:1. Variiert man die Flächenverhältnisse innerhalb der oben angegebenen Grenzen, so ergeben sich deutliche Änderungen des Gradienten der Konzentration von Rekombinationszentren im Mittelgebiet und im Rückstromverhalten. So wurde zum Beispiel bei hochsperrenden Thyristoren mit gleichen Sperr- und Durchlaßeigenschaften und einem Verhältnis der Flächen von 0,5 : 0,5 eine Verringerung der Speicherladung, die für das Rückstromverhalten verantwortlich ist, um 20 % erzielt im Vergleich zu einem Thyristor mit symmetrischem Profil der Dotierungskonzentration der Rekombinationszentren.

6 Patentansprüche - 8 -

5 Figuren

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Claims

- rf - 70 P f O 6 8 ORD P a t e η t an s ρ rüche „ .—

1. j Halblei terbsiuelomont mit einem Halbleiterkörper mit mindestens

zwei Zonen abwechselnd entgegengesetzten Leitungstyps, dessen äußere aiiodenseitige Zone auf der ganzen Fläche mit einer Anodenelektrode verbunden ist, mit Rekombinationszentren im Halbleiterkörper und mit mindestens einer die Rekombinationszentren getternden Schicht auf der äußeren kathodsnseitigen Zone, woboi anöden- und kathodenseitig ein Abfall der Konzentration der Rekombinationszentron zu einem Mittelgebiet hin auftritt, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens der äußere anodenseitige Bereich des Mittelgebietes in Flächenelemente (8, 9) mit unterschiedlich hoher Konzentration an Rekombinationszentren, aufgeteilt ist und daß das Verhältnis der Flächenelemente so eingestellt ist, daß im Mittelgebiet der Mittelwert der Konzentration der Rekombinationszentren höher als der kathodenseitige Mittelwert ist.

2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch ge~ kennzeichnet , daß die Flächenelemente ein regelmäßigen Muster bilden.

35. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Flächenelemente mit vergleichsweise hoher Konzentration ein Netzmuster bilden.

k. Halbleiterbauelemünt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Flächenelemente mit vergleichsweise niedriger Konzentration ein Netzmuster bilden.

5. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß das Verhältnis der Flächen der Flächenelemente mit hoher Konzentration zu denen mit niedriger Konzentration zwischen 0,9 : 0,1 und 0,1 : 0,9 liegt.

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6. Halbleiterbauelement nach eliiepa der Ansprüche 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß die größte Ent-.fcirmmg zwischen Fläcbenelementen mit geringer Konzentration kleiner als die Dicke des Halbleiterkörper ist.

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