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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Halbleiter-Bauelementen der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 beschriebenen, aus der DE- OS 19 61 077 bekannten Art.
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Damit Halbleiter-Bauelemente, beispielsweise Dioden, Transistoren, Thyristoren und dergleichen, bei hohen Schaltgeschwindigkeiten arbeiten können, müssen die überschüssigen Minoritätsträger in dem Halbleiter- Bauelement so schnell wie möglich beseitigt werden. Die Geschwindigkeit, mit der die überschüssigen Minoritätsträger beseitigt werden, ist aus der Lebensdauer der Minoritätsträger in etwa bekannt. Um eine hohe Arbeitsgeschwindigkeit zu erreichen, muß daher die Lebensdauer der Minoritätsträger so kurz wie möglich gehalten werden.
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Üblicherweise wird die Lebensdauer der Minoritätsträger z. B. dadurch verkürzt, daß ein Schwermetall, beispielsweise Gold, verwendet wird, das im Halbleiter Rekombinationszentren bildet. Zum Dotieren des Halbleiters mit Goldatomen wird meist bei hohen Temperaturen diffundiert. Dabei wird jedoch die Verteilung der Goldatome im Halbleiterplättchen nicht gleichmäßig. Darüber hinaus ist die Reproduzierbarkeit und Steuerbarkeit der Goldatom-Konzentrationen nicht zufriedenstellend. Weiter ist dieses Verfahren mit dem großen Nachteil behaftet, daß der Leckstrom ansteigt, wenn der pn-Übergang in Sperr-Richtung vorgespannt wird.
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Zur Verkürzung der Lebensdauer der Minoritätsträger ist es weiter bekannt, die Tatsache auszunutzen, daß die durch Bestrahlung des Halbleiters mit Elektronenstrahlen, Gamma-Strahlen usw. erzeugten Gitterdefekte als Rekombinationszentren dienen (Siehe z. B. US-PS 38 09 582 und 38 88 701), wodurch der Nachteil der Verkürzung der Lebensdauer durch Golddiffusion vermieden werden soll, und daß die Konzentrationen der Rekombinationszentren eine ausgezeichnete Gleichmäßigkeit, Reproduzierbarkeit und Steuerbarkeit aufweisen, ohne daß der Leckstrom in Sperr-Richtung erhöht würde.
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Weiter ist aus der JA-OS 3 271/72 "Method of improving the radiation-resistivity of a silicon transistor", ein Verfahren bekannt, bei dem ein Siliciumtransistor mit einem Siliciumdioxidfilm auf Temperaturen zwischen 150° und 450°C gehalten und mit Elektronenstrahlen mit einer Energie von weniger als 1500 keV bestrahlt wird.
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Ferner ist aus der US-PS 35 07 709 die Erhitzung einer dielektrischen Schicht auf der Oberfläche eines Halbleiter-Bauelements und die gleichzeitige Bestrahlung der dielektrischen Schicht bekannt. Der Zweck der Bestrahlung bei einer Temperatur von beispielsweise 350°C besteht darin, unerwünschte Auswirkungen der positiven Ladungen zu verhindern, die durch Ionenimplantation in die dielektrische Schicht eingeleitet werden.
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Außerdem ist es bekannt, eine Feineinstellung der Erholzeit einer Diode durch Bestrahlung mittels Elektronenstrahlen vorzunehmen (US Published Patent Application B 3 39 699).
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Zur Erhöhung der Sperrspannung und der Zuverlässigkeit des Halbleiter-Bauelements muß außerdem das Material für die Oberflächenpassivierung sorgfältig gewählt werden. So ist aus der eingangs erwähnten DE- OS 19 61 077 bekannt, daß freie Ende eines pn-Übergangs mit einem von Alkalimetallionen freien Glas zu beschichten. In ähnlicher Weise ist aus der US-PS 37 78 242 ein Verfahren und eine Glaszusammensetzung bekannt, die der dichten Verbindung zweier oder mehrerer keramischer Bauteile dienen. Das Glasmaterial wird durch Erhitzen auf eine Temperatur oberhalb von 400°C gesintert.
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Durch Versuche wurde jedoch festgestellt, daß, wenn ein Halbleiter-Bauelement mit den freiliegenden Enden seines mit Glasschichten bedeckten pn-Überganges bei Raumtemperatur bestrahlt wird, der Leckstrom des Halbleiter-Bauelements in Sperr-Richtung ansteigt. Durch Versuche wurde ferner festgestellt, daß ein derartiger Anstieg des Leckstroms sich besonders dann bemerkbar macht, wenn als Oberflächen-Passivierungsmaterial ein Glasisolator Verwendung findet, daß jedoch der Leckstrom kaum ansteigt, wenn eine an sich bekannte Passivierungsschicht aus SiO2 oder Harz verwendet wird. Ferner haben die Versuche gezeigt, daß der Anstieg des Leckstroms in Sperr-Richtung von der Energie der Strahlungsquelle und ihrer Strahlungsdosierung abhängig ist und daß der Leckstrom unter einer solchen Bestrahlungsbedingung ansteigt, daß die Lebensdauer der Minoritätsträger im Halbleiter-Bauelement wesentlich verkürzt wird. Der Anstieg des Leckstromes muß sicher verhindert werden, da er eine Erhöhung des Leistungsverbrauchs des Halbleiter-Bauelements und ein thermisches Ausdriften zur Folge hat, das zur Zerstörung des Halbleiter-Bauelements führt.
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Weiterhin beschreibt die DE-OS 27 36 250 ein Verfahren zu Herstellung eines mit einer Glasschicht passivierten Halbleiterelements, bei dem der Halbleiterkörper bei Raumtemperatur durch eine aus alkalifreiem Glas bestehende Passivierungsschicht hindurch bestrahlt und nach der Bestrahlung strahlung auf eine Temperatur von beispielsweise 250°C bis 350°C erhitzt wird, um den während des Bestrahlungsvorganges verschlechterten elektronischen Eigenschaften des Halbleiter-Bauelements, insbesondere der Erhöhung des Sperr- Leckstroms, entgegenzuwirken.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, das gattungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Halbleiter-Bauelementen derart weiterzubilden, daß eine hohe Schaltgeschwindigkeit erzielt werden kann, wobei die Lebensdauer der Träger verkürzt und der Leckstrom in Sperr- Richtung jedoch nicht erhöht wird.
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Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 beschriebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen hiervon sind Gegenstand der Patentansprüche 2 bis 5.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:
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Fig. 1 den Querschnitt einer erfindungsgemäß zu bestrahlenden, mit einem Glasisolator beschichteten Halbleiterdiode;
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Fig. 2 den Querschnitt einer Vorrichtung zur erfindungsgemäßen Bestrahlung eines Halbleiter-Bauelements;
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Fig. 3 im Diagramm die Abhängigkeit zwischen der Temperatur und dem Leckstrom in Sperr-Richtung vor und nach der Bestrahlung des Halbleiter-Bauelements;
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Fig. 4 im Diagramm die Abhängigkeit von Temperatur und Sperr-Erholungszeit vor und nach der Bestrahlung des Halbleiter-Bauelements und
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Fig. 5 den Querschnitt eines Thyristors, dessen pn- Übergang eine freiliegende, mit einem Glasisolator beschichtete Kante aufweist, während der erfindungsgemäßen Bestrahlung.
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Erfindungsgemäß können zur Bestrahlung Elektronen- und Gammastrahlen verwendet werden. Elektronenstrahlen werden aus praktischen Gründen bevorzugt, weil Elektronenstrahlen emittierende Strahlungsquelle leicht zu handhaben sind und bei ihnen die Strahlungsdosierung leicht gesteuert werden kann. Die Energie der Strahlungsquelle muß so groß sein, daß in dem zu bestrahlenden Halbleiter zumindest Gitterdefekte vom Frenkel-Typ entstehen. Beispielsweise sollte die Strahlungsenergie über etwa 0,5 MeV liegen, wenn die Elektronenstrahlen direkt auf ein Siliciumsubstrat emittiert werden, und noch höher, wenn die Elektronenstrahlen durch eine Metallelektrode oder eine Glas-Isolierschicht auf das Substrat projiziert werden.
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Die Strahlungsdosierung sollte je nach der durch die Bestrahlung zu erreichenden Lebensdauer und der Lebensdauer vor der Bestrahlung gewählt werden; sie liegt für normale Halbleiter-Bauelemente über 1 x 1013 Elektronen/cm2. Eine Dosierung von mehr als 1 x 1013 Elektronen/cm2 sollte jedoch vermieden werden, da sich hierbei der Spannungsabfall des Halbleiter-Bauelements in Durchlaßrichtung in unzulässigem Maße erhöhen kann.
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Bei Bestrahlung mit Gammastrahlen sollte die Bestrahlungsdosierung über 2,5 Mrad liegen.
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Einschließlich der Dotierung und Passivierung werden der Strahlung auszusetzende Halbleiter-Bauelemente auf herkömmliche Weise hergestellt. Erfindungsgemäß wird mit einem von Alkalimetallionen freien Glas passiviert, dessen linearer Wärmedehnungskoeffizient gleich etwa dem des verwendeten Halbleitersubstrats ist. Zur Passivierung des Halbleiters wurde ein Vielzahl von Glaszusammensetzungen vorgeschlagen (s. US-PS 34 86 871, 35 51 171, 37 78 242, 36 50 788, 37 52 701 und 36 74 520). Bevorzugte Systeme der Glaszusammensetzung als passivierende Glasschicht für die erfindungsgemäßen Bauelemente sind ein (1)ZnO- B2O3-SiO2-, (2)B2O3-PbO-SiO2- und (3)ZnO- B2O3-SiO2-PbO-System. Die Glaszusammensetzung wird so gewählt, daß ihr linearer thermischer Wärmedehnungskoeffizient im Temperaturbereich von 100 bis 350°C etwa 100 x 10-7/°C oder weniger, vorzugsweise 80 x 10-7/°C oder weniger beträgt. Die Zusammenseti0 zung der Glas-Systeme ist vorzugsweise folgendermaßen:
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Bevorzugte Gläser können mit folgender Zusammensetzung gewählt werden:
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Wenn ein Halbleiter-Bauelement, bei dem die freiliegenden Kanten seines pn-Überganges mit einem der oben ausgeführten Glasisolatoren beschichtet ist, vollständig bestrahlt und dabei auf Temperaturen von mehr als 300°C gehalten wird, kann die Erhöhung des Leckstroms infolge der Bestrahlung danach verhindert werden. Dies wurde durch Versuche bestätigt. Die Temperatur, bei der das Halbleiter-Bauelement während der Bestrahlung gehalten werden sollte, sollte höher als 300°C, vorzugsweise über 350°C liegen, um den Effekt der Erfindung weiter zu unterstützen. Das Halbleiter- Bauelement sollte jedoch während der Bestrahlung nicht auf extrem hohen Temperaturen gehalten werden, da hierdurch andere Eigenschaften des Bauelements verschlechtert werden können. Z. B. können gewisse Halbleiter-Bauelemente nach der Bestrahlung eine Sperr-Erholungszeit haben, die nicht wesentlich kürzer als die Sperr-Erholungszeit vor der Bestrahlung ist, wenn das Bauelement während der Bestrahlung auf Temperaturen von mehr als etwa 450°C gehalten wird. Weiter muß die obere Temperaturgrenze berücksichtigt werden, falls das Halbleiter-Bauelement beispielsweise mit Elektroden versehen ist, daß das Elektrodenmaterial nicht oxidiert oder mit dem Halbleiter legiert oder das Lötmaterial nicht erweicht wird. Beispielsweise wird oft Aluminium als Elektrodenmaterial und Lötmaterial für Siliciumelemente verwendet. Da seine eutektische Temperatur mit Silicium 577°C beträgt, sollte das Halbleiter-Bauelement nicht auf Temperaturen von mehr als 577°C gehalten werden. Die Temperatur, bei der das Halbleiter-Bauelement während der Bestrahlung gehalten wird, sollte daher unter Berücksichtigung der obigen Risiken gewählt werden. Bei gleicher Strahlungsdosierung wird die Lebensdauer bei höheren Temperaturen größer als bei niedrigeren Temperaturen. Bei gleicher Temperatur nimmt der Wert mit steigender Strahlungsdosierung ab. Demzufolge sollten die Temperatur während der Bestrahlung und die Strahlungsdosierung je nach dem gewünschten Lebensdauerwert gewählt werden.
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Fig. 1 zeigt den Querschnitt einer in Glas vergossenen Diode, an der das erfindungsgemäße Verfahren angewendet wird. Die Diode 100 enthält ein Siliciumplättchen 1, eine Anode und eine Kathode 2&min; bzw. 3&min;, die auf die beiden Hauptflächen des Plättchens 1 gelötet sind, Anschlußdrähte 2 und 3, die an die Anode 2&min; bzw. die Kathode 3&min; angeschlossen sind, und einen Glasisolator 4 zur Passivierung des Siliciumplättchens 1. Das Siliciumplättchen 1 besteht aus einer p&spplus;-leitenden Diffusionsschicht 11, einer n-leitenden Schicht 12 mit hohem spezifischem Widerstand und einer n&spplus;-leitenden Diffusionsschicht 13. Zwischen der p&supmin;-leitenden Diffusionsschicht 11 und der n-leitenden Schicht 12 mit hohem spezifischem Widerstand befindet sich ein pn-Übergang. Das in Fig. 1 gezeigte Halbleiter-Bauelement wird folgendermaßen hergestellt. In die beiden Hauptflächen eines n-leitenden Siliciumplättchens mit einem spezifischen Widerstand von 30 Ω x cm und einer Stärke von etwa 270 Ω werden in dieser Reihenfolge Bor und Phosphor eindiffundiert. Hierbei entstehen die p&spplus;-leitende Schicht 11 und die n&spplus;-leitende Schicht 13. Darauf wird zur Bildung der Elektroden-Verbindungsschichten 14 und 15 Aluminium aufgedampft. Darauf wird das Plättchen in Chips mit einem Durchmesser von je 1,4 mm angerissen. An dem Plättchen werden die Anschlüsse 2&min; und 3&min; und die Anschlußdrähte 2 und 3 aus Wolfram befestigt, dessen Wärmedehnungskoeffizient ebenso groß ist wie der von Silicium. Ferner wird, wie in Fig. 1 gezeigt, der kugelförmige Glasisolator 4 rings um das Plättchen 1 gebildet. Dabei wurde ein Zink-Borsilikatglas der folgenden Zusammensetzung verwendet: Tabelle
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Das Glasmaterial wird in Wasser verteilt, so daß ein Glasbrei entsteht, der wenigstens auf die Umfangsflächen des Siliciumplättchens 1 und die Anschlüsse 2&min; und 3&min; aufgebracht wird. Darauf wird die abgelagerte Glasaufschlemmung geschmolzen, wodurch die Oberfläche des pn-Überganges des Bauelements 100 passiviert und das Plättchen gleichzeitig gegen mechanische Beschädigung geschützt wird.
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Fig. 2 zeigt die erfindungsgemäße Bestrahlung der Diode der Fig. 1 mit Elektronenstrahlen. Gemäß Fig. 1 besteht eine Vorrichtung 200 zur Erhitzung der Diode aus einem Block 201 aus nicht-rostendem Stahl, einer von diesem umschlossenen Heizpatrone 202 zur Erhitzung des Blocks 201 und einem Gehäuse 203 aus wärmeabschirmendem Material, beispielsweise Asbest. In der oberen Wand des Mantels 203 befindet sich eine Öffnung 204, durch die die Elektronenstrahlen 300 auf die Diode 100 gelangen. Die Öffnung 204 ist mit einer Aluminiumfolie 205 abgedeckt, um die Wärmeverluste durch die Öffnung zu vermindern. Die Stärke der Aluminiumfolie 205 beträgt etwa 100 µ, so daß die Elektronenstrahlen leicht durch die Aluminiumfolie 205 hindurchtreten können.
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Vor der Bestrahlung der Diode 100 mit Elektronenstrahlen betrug der Leckstrom 2 x 10-9 bis 9 x 10-8 A (Bei einer Vorspannung in Sperr-Richtung von 400 V), der Spannungsabfall in Durchlaßrichtung etwa 1,0 V (bei einem Strom in Durchlaßrichtung von 4 A), die Erholungszeit in Sperr-Richtung 7 bis 9 µs, die Lebensdauer der Minoritätsträger etwa 8 bis 10 µs und die Sperrspannung etwa 900 V. Die Diode 100 mit den beschriebenen Kennwerten wurde in der geeigneten Stellung in den Ofen 200 gelegt und mittels der von einer Spannungsquelle 400 außerhalb des Ofens 200 gespeisten Heizpatrone 202 auf eine vorbestimmte Temperatur erhitzt. Die Temperatur der Diode 100 wurde mittels eines in der Nähe der Diode 100 angeordneten Thermoelements 206 erfaßt. Weicht die tatsächliche Temperatur der Diode 100 stark von dem vorbestimmten Wert ab, so wird sie durch Regelung der von der Spannungsquelle 400 zur Heizpatrone 202 abgegebenen Spannung korrigiert.
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Während die Diode 100 auf der vorbestimmten Temperatur gehalten wurde, wurde sie mit den Elektronenstrahlen 300 bestrahlt, und zwar mit einer Energie von 2 MeV, bis die Strahlungsdosierung den Wert von 1 x 1015s Elektronen/cm2 erreichte. Die für die Bestrahlung erforderliche Zeit betrug etwa 5 min. Nach der Bestrahlung wurde die Diode 100 aus dem Ofen 200 entnommen und es wurden die Erholungszeit in Sperr-Richtung und der Leckstrom gemessen.
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Fig. 3 zeigt im Diagramm den Leckstrom in Sperr- Richtung in Abhängigkeit von der Temperatur nach Behandlung der Diode 100 in der beschriebenen Weise. Gemäß Fig. 3 erhöht sich der Leckstrom bei Bestrahlung bei Raumtemperatur (25°C) bis 300°C um das 10bis 100-fache gegenüber dem Wert vor der Bestrahlung. Nach Bestrahlung bei einer Temperatur von mehr als 300°C nimmt jedoch der Leckstrom ab. Bei Bestrahlung bei Temperaturen von mehr als etwa 350°C nimmt der Leckstrom in beträchtlichem Maße ab, nämlich auf einen Wert, der annähernd gleich ist dem Wert vor der Bestrahlung.
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Fig. 4 zeigt im Diagramm die Abhängigkeit der Sperr-Erholungszeit von der Temperatur bei der Bestrahlung der Diode 100. Nach Fig. 4 wird die Sperr-Erholungszeit für sämtliche Temperaturen nach der Bestrahlung kürzer als vor der Bestrahlung. Obwohl nämlich die Sperr-Erholungszeit bei Bestrahlung oberhalb 300°C etwas größer ist als bei Bestrahlung unterhalb dieses Werts, verdeutlichen die Werte von 0,3 µs (bei 300°C) und 2 µs (bei 450°C), was den Maximalwert bei diessem Ausführungsbeispiel darstellt, die gegenüber vor der Bestrahlung gemessenen Werten von 7 bis 9 µs erzielte Verbesserung. Die Bestrahlungsdosierung betrug bei dieser Ausführungsform 1 x 1015 Elektronen/ cm2; der gleiche Effekt kann jedoch unabhängig von der Strahlungsdosierung erzielt werden. Beispielsweise wurden bei einer Strahlungsdosierung von 5 x 1014 Elektronen/cm2 bei sonst unveränderten Bedingungen fast die gleichen Ergebnisse erzielt. Es wurde weiter festgestellt, daß bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens an einem Halbleiter-Bauelement vor Befestigung der Elektroden der durch die Erfindung erzielte Effekt gegenüber der Erhitzung zur Befestigung der Elektroden unverändert bleibt.
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Fig. 5 zeigt den Querschnitt eines Thyristors, an dem das erfindungsgemäße Verfahren angewendet wird. Ein Siliciumsubstrat 500 enthält eine p&spplus;-leitende Emitterschicht 501. eine n-leitende Basisschicht 502, eine p-leitende Basisschicht 503 und eine n&spplus;-leitende Emitterschicht 504, zwischen denen jeweils ein pn-Übergang gebildet ist. Die Kante des zwischen der n&spplus;-leitenden Emitterschicht 504 und der p-leitenden Basisschicht 503 gebildeten pn-Überganges liegt in einer Hauptfläche des Siliciumsubstrats 500 frei. Sie ist mit einem Oberflächen-Passivierungsfilm 53 aus SiO2 abgedeckt. Der Oberflächen-Passivierungsfilm 53 wird hergestellt, indem ein SiO2-Film auf die gesamte Hauptfläche des Siliciumsubstrats 500 aufgedampft und dann mit Ausnahme der für die Passivierung notwendigen Stellen weggeätzt wird.
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Der aktive Bereich des Thyristors wird mit einer kreisförmigen Nut 51 umgeben, deren Boden wenigstens die n-leitende Basisschicht 502 erreicht. Die Nut 51 wird mit Glas 52 aufgefüllt. Als Glas 52 kann das zur Abdeckung der Siliciumdiode der Fig. 1 verwendete Glas benutzt werden. Die Zusammensetzung dieses Glases ist vorzugsweise wie folgt: Tabelle
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Das Glas wird zu Pulver geschliffen und in Wasser zu einer Aufschlemmung dispergiert. Die Glasaufschlemmung wird in die Nut 51 gefüllt und bei einer Temperatur zwischen 670 und 710°C, beispielsweise bei 685°C gesintert. Infolgedessen werden die Kanten des pn- Übergangs zwischen der n-leitenden Basisschicht 502 und der p-leitenden Basisschicht 503 und zwischen der p&spplus;-leitenden Emitter-schicht 51 und der n-leitenden Basisschicht 502 zur Oberflächen-Passivierung mit Glas 52 bedeckt.
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Auf dem nicht vom SiO2-Film 53 bedeckten Teil der Oberfläche der n&spplus;-leitenden Emitterschicht 504 wird eine Kathoden-Elektrode 55, auf dem nicht vom SiO2-Film 53 und dem Glas 52 bedeckten Teil der Oberfläche der p-leitenden Basisschicht 503 eine Gate-Elektrode 56 und auf der Oberfläche der p-leitenden Emitterschicht 501 eine Anoden-Elektrode 54 ausgebildet.
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Der so hergestellte Thyristor wird in der richtigen Stellung in den Ofen 200 der Fig. 2 eingesetzt, auf eine vorbestimmte Temperatur erhitzt und mit den Elektronenstrahlen 300 bestrahlt.
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Die Erfindung ist ebenfalls anwendbar bei Halbleiter- Bauelementen, bei denen die freiliegenden Kanten der pn-Übergänge nicht mit Glas abgedeckt sind. Um das Bauelement vor Feuchtigkeit zu schützen und die Sperrspannung in Sperr-Richtung zu erreichen, sollten erfindungsgemäß die freiliegenden Kanten wenigstens des für die Sperrspannung des Bauelements bestimmenden pn-Überganges mit Glas abgedeckt werden. Falls notwendig, ist es jedoch auch möglich, die freiliegenden Kanten der anderen pn-Übergänge mit anderem Passivierungsmaterial, beispielsweise SiO2 und Harz zu beschichten. Beispielsweise trägt bei dem in Fig. 5 gezeigten Thyristor der pn-Übergang zwischen der n&spplus; -leitenden Emitterschicht 504 und der p-leitenden Basisschicht 503 nicht wesentlich zur Bestimmung der Sperrspannung in Durchlaß- oder Sperr-Richtung bei; daher ist die Kante des pn-Überganges mit dem SiO2-Film 53 bedeckt.
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Statt gemäß den vorstehenden Ausführungsbeispielen auf Dioden und Thyristoren läßt sich die Erfindung gleichermaßen auf andere Bauelemente anwenden, beispielsweise auf durch ein elektrisches feld gesteuerte Thyristoren und Transistoren.