DE3037316C2 - Verfahren zur Herstellung von Leistungsthyristoren - Google Patents

Verfahren zur Herstellung von Leistungsthyristoren

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Description

g)
Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Ein Verfahren dieser Art ist in dem »Japanese Journal of Applied Physics«, Band 17 (1978), Ergänzung 17—1, Seiten 275 bis 281 offenbart. Bei diesem bekannten Verfahren wird zunächst durch beidseitiges Eindiffundieren von P-Dotierstoffen in ein /V-leitendes Substrat ein P/VP-Aufbau gebildet. Als nächstes wird dann ein Phosphor als iV-Dotierstoff enthaltender Film auf eine Seite der PNP-Scheibe aufgebracht. Durch Eindiffundieren von Phosphor in die zugehörige P-Diffusionsschicht wird
ίο dann ein P/VP/V-Aufbau mit einer P-Anodenschicht, einer /V-Basisschicht, einer P-Basisschicht und einer W-Kathodenschicht erzeugt. Aus der Druckschrift geht hervor, daß bei diesen Thyristoren die Lebensdauer der Minoritätsladungsträger in der P-Basis-Schicht ausreichend groß und jene in der /V-Basisschicht ausreichend gering sein soll, weil die zulässigen Anodenströme der Thyristoren mit zunehmender Ladungsträgerlebensdauer in der P-Basisschicht zunehmen und sich das Schaltverhalten mit abnehmender Ladungsträgerlebensdauer in der /V-Basisschicht verbessert. Zur Verringerung der Ladungsträgerlebensdauer in der /V-Basisschicht wird bei dem bekannten Verfahren nach der Phosphordiffusion zur Herstellung der /V-Kathodenschicht Gold in die Scheibe, insbesondere in die Λ'-Basisschicht diffundiert.
Wenn bei dem bekannten Verfahren der Phosphor enthaltende Film während des Diffusionsvorgangs zur Herstellung der /V-Kathodenschicht auf dem Substrat bleibt, dann läßt sich der /V-Dotierungsgradient in der N-Kathodenschicht sehr schwer einstellen. Wenn dabei zuviel Phosphor in die P-Basisschicht eindiffundiert, dann nimmt infolge eines Ansteigens des Dotierungsgradienten die Durchbruchsspannung des Übergangs zwischen der P-Basisschicht und der N-Kathodcnschicht ab. Zur Erzielung eines gewünschten Dotierungsgradienten erweist es sich daher als zweckmäßig, vor dem eigentlichen Diffusionsvorgang von Phosphor den Phosphor enthaltenden
to Film zu entfernen. Da Phosphor andererseits eine Getterwirkung auf Metallverunreinigungen wie Gold und Kupfer in Silicium hat und diese Getierwirkung mit E.itfcrncn des Phosphor enthaltenden Films entfällt, stellen sich die Erzielung eines gewünschten Dotiemngsgradienten einerseits und der Wunsch nach einer hohen Ladungsträgerlebensdauer in der P-Basisschicht andererseits als einander widersprechende Forderungen dar.
Die DE-AS 15 64 251 beschreibt ein Verfahren
so zur Herstellung von Thyristoren, in deren beide mittlere Zonen Rekombinationszentren so eingebaut sind, daß ihre Konzentration an der P/V-Übergangsfläche des durch die beiden mittleren Zonen gebildeten PN-Ubergangs einen maximalen Wert besitzt und innerhalb jeder der beiden mittleren Zonen um mindestens eine Zehnerpotenz abnimmt. Hiermit soll einerseits eine kurze Freiwerdezeit und damit ein besseres Schaltverhalten des Thyristors und zum anderen ein relativ kleiner Durchlaßspannungsabfall erreicht werden. Bei einer Ausführungsform des bekannten Verfahrens wird zunächst von einer P/VP-Zonenfolge ausgegangen, und durch Eindiffusion von Gold über sehr lange Zeit im Inneren dieses Halbleiterkörpers eine nahezu homogene Goldkonzentration erzeugt. Anschließend wird durch Ausdiffusion oder Getterung der Goldatome in einer glasigen Phosphorpentoxid- oder Bortrioxid-Schicht auf der SiIiciumoberfläche eine von innen nach außen abfal-
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lende Goldkonzentration eingestellt. Bei einem nach diesem Verfahren hergestellten Thyristor wird man eine annähernd gleiche mittlere Ladungsträgerlebensdauerkonzentration in den beiden mittleren Zonen voraussetzen dürfen. Wie erwähnt, erfolgt bei diesen Verfahren notwendigerweise die Getterung nach der Golddiffusion. Es bleibt offen, auf welche Weise bei diesem Verfahren die Kathodenzone erzeugt wird und was mit den Getterfilmen passiert.
Die DE-AS 17 64180 beschreibt ein Verfahren zum Einstellen der Ladungsträgerlebensdauer in einer örtlich begrenzten Zone eines Halbleiterkörpers. Bei diesem Verfahren wird davon ausgegangen, daß Metallfremdatume, etwa Gold selektiv in einen Halbleiterkörpei eindiffundiert werden, um an ausgewählten Stellen die Ladungsträger-Rekombinationsgeschwindigkeit zu erhöhen. Um dies zu erreichen, wird auf eine Oberfläche des Halbleiterkörpers ein dünner Goldfilm aufgebracht und dann bei einer Temperatur von 950° bis 1150° während 15 bzw. 3 Minuten eine Golddiffusion ausgeführt. Vor oder nach diesem Golddiffusionsschritt wird auf der gegenüberliegenden Oberfläche des Halbleiterkörpers in einem ausgewählten Bereich eine Getterzone mit eindiffundiertem Phosphor, Arsen oder Antimon ausgebildet. Infolge ihrer Getterwirkung tritt in einem annähernd halbkugelförmigen Bereich unterhalb der Getterzone eine Verarmung an Goldatomen und damit eine höhere Ladungsträgerlebensdauer als in den übrigen Bereichen auf, in denen keine Getterung des diffundierten Goldes stattfindet. Die Ausbildung der Getterzone erfolgt dadurch, daß in die den Halbleiterkörper abdeckende Oxidschicht an ausgewählter Stelle ein Fenster geätzt wird. Durch dieses Fenster wird zum Beispiel Phosphor in den Halbleiterkörper hineindiffundiert, indem man das Fenster Dämpfen von Phosphorpentoxid bei erhöhter Temperatur aussetzt. Hierbei bildet sich in dem Halbleiterkörper eine N*-Zone mit einem Phosphorsilikatglasüberzug. Die so hergestellte Getterzone bleibt im bzw. auf dem Halbleiterkörper.
Ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleiteranordnung, bei dem ebenfalls von einer Getterung Gebrauch gemacht wird, ist auch aus der DE-OS 21 62 445 bekannt. Dieses bekannte Verfahren dient zur Lösung des Problems, daß bei einer Getterung durch eine dünne Isolierschicht hindurch eine Beschädigung dieser Isolierschicht auftritt. Das bekannte Verfahren sieht vor, daß ein Getterfilm bei einer derartigen Temperatur, daß noch keine Getter- so wirkung auftritt, auf dem gesamten Halbleiterkörper einschließlich der gefährdeten Isolierschicht ausgebildet wird. Über der Isolierschicht wird der Getterfilm dann weggeätzt und der eigentliche Getterschritt danach erst als letzter Schritt unter hoher Temperatur ausgeführt, das heißt alle nachfolgenden Schritte werden bei einer Temperatur durchgeführt, bei der keine nennenswerte Getterwirkung mehr auftritt.
Aus der DE-AS 22 15 982 ist eine Thyristortriode mit mindestens zwei parallel zueinander verlaufenden Zonenfolgen bekannt, welche jeweils eine erste Emitterzone, eine mit dem Steueranschluß kontaktierte Steuerzone, eine Basiszone und eine zweite Emitterzone umfassen, wobei die Ladungsträgerlebensdauer in der Basiszone der ersten Zonenfolge höher ist als in der dieser entsprechenden Basiszone der zweiten Zonenfolge. Zur Erzeugung der geringeren Lebensdauer der Ladungsträger in der zweiten
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60 Zonenfolge werden Rekcmbinationszentren, etwa in Form von Gold, eindiffundiert.
Aus der DE-OS 27 18 894 ist ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleiteranordnung bekannt, bei dem zur Erzeugung einer //-dotierten Zone in einer P-Piffusionsschicht wie folgt vorgegangen wird. Auf die P-Diffusionsschicht wird zunächst eine den N-Dotierstoff in Form von Phosphoratomen enthaltende Dotierungsschicht aufgebracht und mit einer undotierten Oxidschicht überzogen. Nachfolgend wird die Anordnung in einer oxidierenden Atmosphäre erhitzt, wobei ein Teil des Phosphors aus der Dotierungsschicht in die P-Diffusionsschicht eindiffundiert und dort eine hochdotierte //-leitende Zone bildet. Dabei wird durch thermische Oxidation zwischen der Oberfläche der P-Diffusionsschicht und der Dotierungsschicht eine Siliciumoxidschicht gebildet. Die Dotierungsschicht und die auf ihr liegende undotierte Oxidschicht werden danach weggeätzt. Anschließend wird ein Passivierungs- oder Getterschritt durchgeführt, in dem eine undotierte Siliciumoxidschicht pyrolitisch niedergeschlagen und die Anordnung etwa 30 Minuten in einer PH3 enthaltenden Atmosphäre auf etwa 1000° C erhitzt wird. Während eines sich daran anschließenden weiteren Erhitzungsi Schrittes werden die Phosphoratome aus den hochdotierten ty-Zonen weiter in die P-Diffusionsschicht eindiffundiert, um den Endzonen ihre endgültige Form und Tiefe zu verleihen. Dieser Erhitzungsschritt erfolgt bei etwa 1050° C.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs angegebenen Art zu schaffen, bei dem einerseits die Dotierung der TV-Kathodenschicht gut steuerbar ist und sich andererseits die gewünschte hohe Ladungsträgerlebensdauer in der P-Basisschicht erreichen läßt.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Damit keine unkontrollierte Diffusion des .V-Dotierstoffs, zum Beispiel in Form von Phosphor, in die P-Basisschicht auftritt, wird der den N-Dotierstoff enthaltende erste Film vor dem eigentlichen Eindiffundieren des //-Dotierstoffs wieder entfernt. Bei dem nachfolgenden unter relativ hoher Temperatur durchgeführten Diffusionsschritt diffundieren auch Schwermetall-Fremdatome bzw. -ionen in die P-Basisschicht und führen dort als Rekombinationszentren zu einer Verringerung der Ladungsträgerlebensdauer. Diese Rekombinationszentren werden mit Hilfe von Phosphor enthaltenden Getterfilmen entfernt, bevor mit Hilfe der Golddiffusion die Ladungsträgerlebensdauer in der N-Basisschicht eingestellt wird.
Untersuchungen am eingangs zuerst genannten Verfahren gemäß dem Stand der Technik haben gezeigt, daß in dem bei jenem Verfahren vorgesehenen Phosphor enthaltenden Getterfilm nur ein Teil der Schwermetallverunreinigungen gefangen wird, während der überwiegende Teil dieser Verunreinigungen nur während der Ablagerung des Getterfilms auf der P-Basisschicht im Oberflächenbereich des Halbleitersubstrats gehalten wird. Wenn damn nach Entfernen des Getterfilms die N-Dotierstoffe unter hoher Temperatur in das Halbleitersubstrat eingetrieben werden, diffundieren auch die im Oberflächenbereich des Substrats gesammelten Schwermetallverunreinigungen erneut in die P-Basisschicht, wodurch die Ladungsträger-Lebensdauer in dieser P-Basisschicht
nicht wesentlich erhöht werden kann. Durch den erfindungsgemäß nach diesem bei hoher Temperatur erfolgenden Eintreiben des /V-Dotieirstoffs aufgebrachten Getterfilm werden die zurückdiffundierten Schwermetallverunreinigungen erneut und zuverlässig gegettert.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet:.
Alisführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens werden nachfolgend im Vergleich zum Stand der Technik an Hand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 bis 11 Querschnittsansichten eines Halbleitersubstrats nach jeweiligen Schritten einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens,
Fig. 12 und 13 Ouerschnittsansichten längs den Unien A—A bzw. B—B in Fig. 11,
Fig. 14 die Änderung der Ladungsträger-Lebensdauer in der /V-Basisschicht vergleichsweise für den Fall der Herstellung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung nach den Fig. 1 bis 11 und einem herkömmlichen Verfahren,
Fig. 15 die Strom-Spannungskennlinie des mit einer Spannung in Durchlaßrichtung beaufschlagten aber ausgeschalteten (Sperrspannung) Thyristors, und zwar einmal für den nach den Fig. 1 bis 11 hergestellten Thyristors und zum anderen für den auf bekannte Weise hergestellten Thyristor,
Fig. 6 die Strom-Spannungskennlinie des mit einer Spannung in Durchlaßrichtung beaufschlagten und eingeschalteten (Durchlaßspannung) Thyristors, und zwar einmal für den nach den Fig. 1 bis 11 hergestellten Thyristor und zum anderen für den auf bekannte Weise hergestellten Thyristor,
Fig. 17 bis 27 Querschnittsansichten eines Halbleitersubstrats bei jeweiligen Schritten einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfah
Beispiel 1
Eine Ausführungsform der Erfindung in Form eines Verfahrens zur Herstellung eines abschaltbaren Thyristors (GTO) soll nun im einzelnen unter Bezug auf die Fig. 1 bis 11 erläutert werden.
Zunächst wird gemäß Fig. 1 ein /V-Siliciumsubstrat 1, das Phosphor enthält, mit einem Durchmesser von 40 mm, einer Dicke von 500 μΓΠ und einem spezifischen Widerstand von 110 Ω-cm vorbereitet. Gemäß Fig. 2 wird dann beidseitig in das Substrat 1 bei einer Temperatur von 1250° C während annähernd 30 Stunden Gallium eindiffundiert, wobei Gallium als Diffusionsquelle verwendet wird. Dabei werden P-Schichten 2 und 3 mit einer Oberflächenstörstellenkonzentration von 2 χ 1018 cm~3 und einer Diffusionstiefe von 50 μΐη gebildet. Bei diesem Verfahrensschritt kann auch Bor anstelle von Gallium als Diffusionsquelle verwendet werden. Die P-Schicht 2 stellt eine P-Basisschicht dar, während die P-Schicht 3 eine P-Anodenschicht darstellt. Die zwischen diesen P-Schichten 2 und 3 gelegene TV-Schicht 4 stellt eine TV-Basisschicht dar.
Gemäß Fig. 3 werden danach thermische Oxidationsfilme 5 und 6 aus Siliciumdioxid auf die jeweiligen Oberflächen des Substrats 1 in einem aus Dampf und Sauerstoff gemischten Gas bei einer Temperatur von 10000C für annähernd zwei Stunden aufgewachsen. Die Dicke der Oxidationsfilme 5 und 6 liegt jeweils bei 0,5 μΐη. Nachdem der Oxidationsfilm 5 entfernt wurde, werden auf beide Seiten des Substrats 1 Phosphorsilikatglasfilme 7 und 8 aufgebracht. Diese Phosphorsilikatglasablagenmg wird bei einer Temperatur von 1100° C während annähernd 2 Stunden unter Verwendung von Phosphoroxychlorid (POCl3) als Quelle durchgeführt. Irgendein Film, der ein Element wie Antimon oder Arsen enthält, kann anstelle der Phosphorsilikatglasfilme 7 und 8
ίο aufgebracht werden. Zu der Zeit, wenn die Ablagerung beendet ist, ist eine Ty"-Schicht 10 mit einer hohen Störstellenkonzentration und einer Dicke von 3 μπι im Oberflächenbereich der P-Basisschicht 2 ausgebildet und die Ladungsträger-Lebensdauer in der Schicht 2 erhöht (Fig. 4). Als nächstes werden die Phosphorsilikatglasfilme 7 und 8 und der thermische Oxidationsform 6 entfernt. Danach wird Tv-Dotierstoff, d.h. Phosphoratome, bei einer Temperatur von 1200° C für etwa 8 Stunden in die P-Basisschicht 2 eingetrieben, was zu einer TV-Schicht 13 von ΙΟμίη Dicke führt (Fig. 5). Hierbei wird die Ladungsträger-Lebensdauer der P-Basisschicht 2 erheblich geringer. Dann wird auf die /V-Schicht 13 ein Resistfilm aufgebracht und zur Bildung eines Resistmuster 11 selektiv belichtet und entwickelt. Unter Verwendung dieses Resistmusters 11 als Maske werden dann die ./V-Schicht 13 und der Oberflächenbereich der P-Schicht 2 durch herkömmliche Trockenoder Naßätzung unter Bildung einer Mesa-Form geätzt, wobei die /V-Schicht 13 durch Vertiefungen 12 in mehrere /V-Kathodenschichten 13 unterteilt wird (Fig. 6).
Danach werden die beiden Seiten des Substrats 1 in einem Gasgemisch aus Dampf und Sauerstoff bei einer Temperatur von 10000C für etwa 2 Stunden thermisch oxidiert und thermische Oxidationsfilme in einer Dicke von 0,5 μπι erzeugt. Der Oxidationsfilm auf der Seite der Anodenschicht 3 wird entfernt, während der Oxidationsfilm 14 auf der Seite der Kathodenschicht 13 bleibt wie er ist (F i g. 7).
Erneut werden Phosphorsilikatglasfilme IS bzw. 16 auf die beiden Seiten des Substrats 1 unter Verwendung von Phosphoroxychlorid (POCl3) als Quelle bei einer Temperatur von 1000° C für etwa 1 Stunde aufgebracht. Diese Phosphorsilikatglasfilme 15 und 16 können Dotierstoffe wie Gallium enthalten. Nach Bildung der Filme 15 und 16 wird im Oberflächenbereich der Anodenschicht 3 eine /»/-Schicht 17 mit hoher Störstellenkonzentration und einer Dicke von etwa 1 μίτι ausgebildet (F i g. 8). Schwermetallverunreinigungen wie Kupfer, Eisen und Gold werden in den Phosphorsilikatglasfilmen 15 und 16 gefangen oder im Oberflächenbereich des Substrats ί gesammelt und als Folge davon die Ladungsträger-Lebensdauer der P-Basisschicht 2 erhöht.
Als nächstes werden die Phosphorsilikatglasfilme 15 und 16 und die TV-Schicht 7 entfernt und danach ein Goldfilm 19 als Material zur Unterstützung einer Ladungsträger-Rekombination, sozusagen als Lebensdauer-Verringerungsatome auf die Oberfläche der Anodenschicht 3 aufgedampft. Bei einer Temperatur von 8000C wird während etwa 1 Stunde die Diffusion von Gold durchgeführt, so daß die Ladungsträger-Lebensdauer der /V-Basisschicht 4 gees steuert bzw. eingestellt wird (F i g. 9). Anstelle von Gold kann zur Einstellung der Ladungsträger-Lebensdauer auch Platin verwendet werden.
Nach Entfernen des Goldfilms 19 wird der Oxida-
tionsfilm 14 mit Hilfe eines Photoätzverfahrens selektiv weggeätzt und sowohl Kontaktlöcher ,20 für Kathodenelektroden als auch Kontaktlöcher 21 für Gateelektroden hergestellt. Danach wird das Substrat 1 mit einem gewissen Druck unter Zwischenramscheibe 23 befestigt. Die ganze Anordnung wird dann etwa 2 Stunden auf eine Temperatur von 700° C erhitzt und Silicium, Aluminium und Wolfram legiert (F i g. 10). Auf die gesamte Oberfläche der Kathodenseite des Substrats 1 wird dann ein AIumiumfilm aufgedampft und zur Bildung von Kathodenelektroden 24 und Gateelektroden 25 selektiv abgeätzt. Das Substrat 1 wird dann bei einer Temperatur von 5000C für etwa 15 Minuten einer Wärmebehandlung unterzogen, um die jeweiligen ohmschen Eiekirodenkontakte zu erzielen. Wie aus Fig. 11 ersichtlich, wird der Rand des Substrats 1 dann abgeschrägt und außerdem zur Passivierung der abgeschrägten Oberfläche in Silikongummi 26 eingekapselt. Mit den Gateelektroden 25 werden dann mit Hilfe der Bondtechnik Gateleitungsdrähte 27 aus Aluminium verbunden und mit den Kathodenelektroden 24 unter einem gewissen Druck eine Molybdän-Kathodenscheibe 28 in Kontakt gebracht. Damit ist ein abschaltbarer Thyristor fertiggestellt.
Fig. 12 zeigt den Querschnitt des Substrats 1 längs der Linie A—A in Fig. 11. Fig. 13 zeigt den Querschnitt des Substrats 1 längs der Linie B—B in Fig. 11. Der Querschnitt längs der Linie C—C von Fig. 12entspricht Fig. 11.
In Fig. 14 zeigen Pfeile 94, die mit ausgezogenen Linien gezeichnet sind, die Prozeßfolge des anhand der Fig. 1 bis 13 beschriebenen Verfahrens, wobei die runden Marken die Werte der Minoritätsladungsträger-Lebensdauer der yV-Basisschicht 4 bei den jeweiligen Verfahrensschritten angeben. Die gestrichtelten Pfeile 95 in Fig. 14 zeigen die Prozeßfolge eines herkömmlichen Verfahrens, wobei die Dreiecksmarken die Werte der Minoritätsladungsträger-Lebensdauer der /V-Basisschicht bei den jeweiligen Verfahrensschritten kennzeichnen. In Fig. 14 ist Schritt 2 der Zeitpunkt, zu dem die Galliumdiffusion beendet wurde (F i g. 2). Schritt 4 ist der Zeitpunkt, bei dem das Aufbringen des Phosphorsilikatglasfilms beendet wurde (F i g. 4). Schritt 5 ist der Zeitpunkt, zu dem die Phosphordiffusion unter hoher Temperatur beendet wurde (Fig. 5). Schritt 8 ist der Zeitpunkt, nachdem der neue Phosphorsilikatglasfilm aufgebracht wurde (F i g. 8). Dieser Schritt ist bei keinem herkömmlichen Verfahren vorhanden. Schritt 9 entspricht dem Zeitpunkt nach Beendigung der Golddiffusion.
Bei dem beschriebenen Verfahren ist die Lebensdauer der Ladungsträger der N-Basisschicht bei Schritt 9 1,1 bis 1,3 μβ und wird mit geringer Toleranz eingestellt verglichen mit Werten von 0,6 bis 1,1 μβ, die sich beim herkömmlichen Verfahren ergeben. Die Ladungsträger-Lebensdauer wurde auf bekannte Weise über die Diodenspannungsabnahme gemessen. Die Minoritätsladungsträger-Lebensdauer der P-Basisschicht kann, aus der Minoritätsladungsträger-Lebensdauer der /V-Basisschicht errechnet oder aus den elektrischen Eigenschaften des hergestellten Thyristors geschätzt werden. Hier soll die erstere Möglichkeit erläutert werden.
Falls X die Tiefe der P-Basisschicht, trH(X) die Ladungsträger-Lebensdauer der P-fiasisschicht als Funktion von X, tNB die Ladungsträger-Lebensdauer der /V-Bäsisschicht und Cp11(X) ;.die !potierungskonder TV-Basissschicht iund CFn(X) die ■Dotierungskonzentration !der ,P-B.asisschicht als 'Funktion von X sind, :dann gilt ...
Eine durchschnittliche Lebensdauer in der /'-Basisschicht tPB wird annähernd durch folgende Formel ausgedrückt, in der CPB die durchschnittliche 'Störstellenkonzentration in der P-Basisschicht ist:
'PB ~ ',VB '
Beim obigen
4XlO13Cm-3, C
etwa:
'^ = W1OO
' PB
Herstellungsverfahren
»B = 4x 10ί7ατΓ3. Daraus ergibt sich
waren CNB =
Man kann aber die Ladungsträger-Lebensdauer tPB lage eines dünnen Aluminiumfilms 22 an einer WoIfnach der Golddiffusion nicht unter Verwendung der obigen Formel erhalten. Der Grund liegt darin, daß Ladungsträger-Lebensdauer der /V-Basisschicht nach der Golddiffusion niedriger als vor der Golddiffusion wird. Auf der anderen Seite wird die Ladungsträger-Lebensdauer der P-Basisschicht von der Golddiffusion kaum beeinflußt und bleibt wie vor dieser Diffusion. Folglich wird die Minoritätsladungs-Lebensdauer der P-Basisschicht sehr hoch. Tatsächlich war der Minoritätsladungsträger-Lebensdauer der P-Basisschicht nahezu vierzig Mal so hoch wie die nach dem herkömmlichen Verfahren.
F i g. 15 zeigt die Strom-Spannungskennlinie des abgeschalteten und mit einer Spannung in Durchlaßrichtung beaufschlagten abschaltbaren Thyristors, und zwar einmal für den gemäß F i g. I bis 13 hergestellten Thyristor (Kurve 96) und zum anderen für den auf herkömmliche Weise hergestellten Thyristor (Kurve 97). Die Kennlinien wurden bei einer Temperatur aller übergänge von ! 15° C und einem jeweiligen Nebenschlußwiderstand RGr zwischen Kathode und Gate von 20 Ω aufgenommen. Wie aus Fig. 15 offensichtlich, ist die bei abgeschaltetem Thyristor in Durchlaßrichtung anliegende Sperrschaltung bei der gemäß Fig. 1 bis 13 hergestellten Ausführungsform etwa 2 Mal so groß wie die eines auf herkömmliche Weise hergestellten Thyristors.
so Fig. 16 zeigt die Strom-Spannungskennlinie bei eingeschaltetem Thyristor mit in Durchlaßrichtung angelegter Spannung, und zwar einmal für den gemäß der beschriebenen Ausführungsform der Erfindung hergestellten abschaltbaren Thyristor (Kurve 98) und zum anderen für einen nach einem herkömmlichen Verfahren hergestellten Thyristor (Kurve 99). Die Kennlinien wurden für den Fall aufgenommen, daß die jeweilige Kathoden-Gesamtfläche 3,02 cm2 war und daß jedes Strom-Spannungs-Wertepaar durch eine Einzyklus-Sinusspitzenwert-Messung bei 50 Hz erhalten wurde.
Wie aus Fig. 16 ersichtlich, ist die Vorwärts-Durchlaßspannung bei einem Anodenstrom von 1000 A beim gemäß Fig. 1 bis 13 hergestellten Thyristor nur halb so groß wie die bei einem auf herkömmliche Weise hergestellten Thyristor, woraus folgt, daß auch die Leistungsverluste im Einschalizustand entsprechend verringert sind. Zusätzlich zu
diesen Vorteilen verbessert die Ausführungsform der Erfindung verglichen mit dem herkömmlichen Verfahren die Stoßstromverträglichkeit von 3000 A auf 5000 A und den Haltestrom von 10 A auf 2 A.
Beispiel 2
Als nächstes wird als weitere Ausführungsform der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Thyristors im einzelnen unter Bezug auf die Fig, 17 bis 27 erläutert. Gemäß Fig. 17 wird zunächst ein /V-SiIiciumsubstrat 31, das Phosphor enthält, mit einem Durchmesser von 40 mm und 500 μΐη Dicke sowie einem spezifischen Widerstand von 110 Ω-cm vorbereitet.
Als nächstes wird Gallium von beiden Seiten her in das Substrat 31 bei einer Temperatur von 12500C während ungefähr 30 Stunden diffundiert, wobei Gallium als Diffusionsquelle dient. Dabei werden P-Schichten 32 und 33 einer Oberflächenstörstellenkonzentration von 2xl018cnr3 und einer Diffusionstiefe von 50μΐη ausgebildet (Fig. 18). Bei diesem Schritt kann anstelle von Gallium auch Bor als Diffusionsquelle verwendet werden. Die P-Schicht 32 stellt eine P-Basisschicht dar. Die P-Schicht 33 stellt eine P-Anodenschicht dar. Die zwischen diesen P-Schichten 32 und 33 gelegene /V-Schicht 34 stellt eine /V-Basisschicht dar.
Hiernach werden auf den jeweiligen Oberflächen des Substrats 31 thermische Oxidationsfilme 35 und
36 aus Siliciumdioxid in einem aus Dampf und Sauerstoff gemischten Gas bei einer Temperatur von 1000° C während etwa 2 Stunden aufgewachsen (Fig. 19). Die Dicke der thermischen Oxidationsfilme 35 und 36 liegt jeweils bei etwa 0,5 μΐη. Danach wird der thermische Oxidationsfilm 35 mittels eines bekannten Photoätzprozesses selektiv entfernt. Danach werden Phosphorsilikatglasfilme 37 und 38 auf beide Seiten des Substrats aufgebracht.
Dieses Aufbringen der Phosphorsilikatglasfilme wird bei einer Temperatur von 1100° C während ungefähr 2 Stunden durchgeführt, wobei Phosphoroxychlorid (POCl3) als Quelle verwendet wird. Am Schluß dieses Aufbringens ist im Oberflächenbereich der P-Basisschicht 32 eine /V-Schicht 40' mit einer hohen Störstellenkonzentration und einer Dicke von 3 μΐη ausgebildet und ist ferner die Ladungsträger-Lebensdauer der Schicht 32 erhöht (F i g. 20).
Als nächstes werden die Phosphorsilikatglasfilme
37 und 38 und die thermischen Oxidationsfilme 35 und 36 entfernt. Anschließend wird ein /V-Dotierstoff (N-Fremdatom':), d. h. Phosphoratome, in die P-Basisschicht 32 bei einer Temperatur von 1200° C während ungefähr 8 Stunden eingetrieben, wobei eine /V-Schicht 40 mit einer Dicke von ΙΟμίη ausgebildet wird (Fig. 21). Hierbei wird die Ladungsträger-Lebensdauer der P-Basisschicht 32 sehr viel kürzer. Danach werden beide Oberflächen des Substrats 31 in einem aus Dampf und Sauerstoff gemischten Gas bei einer Temperatur von 1000° C während ungefähr 2 Stunden thermisch oxidiert und thermische Oxidationsfilme einer Dicke von 0,5 μΐη gebildet. Der thermische Oxidationsfilm auf Seiten der Anode wird entfernt und der thermische Oxidationsfilm 44 auf Seiten der Kathode belassen wie er ist (F i g. 22).
Erneut werden Phosphorsilikatglasfilme 45 und 46 auf beiden Seiten des Substrats 31 unter Verwendung
von Phosphoroxychlorid (POCl3) als Quelle bei einer Temperatur von JOOO0C während ungefähr einer Stunde aufgebracht. Gleichzeitig wird in dem Oberflächenbereich der Anodenschicht 33 eine ZV-Schicht 47 hoher Störstellenkonzentration und einer Dicke von etwa 1 μπι ausgebildet (Fig. 23). Nach diesem Prozeß ist die Ladungsträger-Lebensdauer in der P-Basisschicht 32 erhöht.
Die Phosphorsilikatglasfilme 45 und 46 und die N-Schicht 47 werden dann entfernt. Danach wird ein Goldfilm 49 auf die Oberfläche der Anodenschicht 33 aufgedampft und dient als Material zur Unterstützung einer Ladungsträger-Rekombination, d. h. die Goldatome wirken als Lebensdauer-Verringerungsatome.
Bei einer Temperatur von 800° C wird während etwa einer Stunde die Golddiffusion ausgeführt, so daß die Ladungsträger-Lebensdauer in der ZV-Basisschicht 34 gesteuert bzw. eingestellt wird (F i g. 24).
Der Goldfilm 49 wird dann entfernt und der Oxidationsfilm 44 mittels eines Photoätzprozesses selektiv weggeätzt, um Kontaktlöcher 50 für Kathodenelektroden und Kontaktlöcher 51 für Gateelektroden herzustellen (Fig. 25). Danach wird das Substrat 31 unter Zwischenlage eines Aluminiumfilms 52 mit einigem Druck an einer Wolframscheibe 53 befestigt. Das Ganze wird dann bei einer Temperatur von 700° C während ungefähr 2 Stunden einer Wärmebehandlung unterzogen und Silicium, Aluminium und Wolfram legiert (F i g. 26).
Kathodenseitig wird dann auf die gesamte Oberfläche des Substrats 31 ein Aluminiumfilm aufgedampft und zur Bildung von Kathodenelektroden 54 und Gateelektroden 55 selektiv weggeätzt. Dann wird das Substrat 31 bei der Temperatur von 500° C während ungefähr 15 Minuten einer Wärmebehandlung unterzogen und der Thyristor fertiggestellt (Fig. 27).
Verglichen mit einem nach einem herkömmlichen
Verfahren hergestellten Thyristor ist auch bei dem auf voranstehende Weise hergestellten Thyristor die Ladungsträger-Lebensdauer der P-Basisschicht sehr viel besser. Weiterhin eignet sich der erfindungsgemäß hergestellter Thyristor für den Einsatz bei hohen Strömen.
Es sei noch angemerkt, daß die Temperatur zur Bildung der erwähnten Phosphorsilikatglasfilme 15, 45 vorzugsweise im Bereich zwischen 7000C und 11000C liegen soll. Der Grund ist folgender. Die Temperaturabhängigkeit des Diffusionskoeffizienten von Kupfer, Eisen und Gold, die metallische Fremdatome im Halbleitersubstrat sind, muß zunächst untersucht werden. Der Diffusionskoeffizient von Kupfer oder Eisen ist 6 χ lO^cms/s bei einer Temperatur von 500° C, wird jedoch erheblich, nämlich auf mehr als 10"6Cm2Zs bei einer Temperatur von mehr als 900° C erhöht. Der Diffusionskoeffizient von Gold ist 10~n cm2/s bei der Temperatur von 500° C und wird auf mehr als 10"7 cm2/s bei einer Temperatur von mehr als 900° C erhöht
Bei einer Temperatur von mehr als 900° C wird demzufolge die Diffusion der Schwermetall-Fremdatome begünstigt und diese Schwermetall-Fremdatome im Halbleitersubstrat in ausreichender Weise vom Phosphorsilikatglasfilm absorbiert Ist die Temperatur zur Bildung des Phosphorsilikatglasfilms höher als 1100° C, wird Phosphor aus dem Phosphorsilikatglasfilm in das Halbleitersubstrat diffundieren, so daß sich die Verteilung der Störstellenkonzentration im Substrat ungünstig ändert.
Dies ist der Grund dafür, daß die Temperatur zur Bildung der Phosphorsilikatglasfilme günstigerweise im Bereich zwischen 700° C und 11000C liegen sollte. Bei dieser Temperatur werden Kristallfehler in einem Halbleitersubstrat durch den Glüheffekt ver-
ringen. Durch Erhitzen auf eine Temperatur von 10000C während etwa einer Stunde wird beispielsweise die Anzahl von Kristallfehlern im Substrat auf ungefähr Vioo der Anzahl vor Erhitzen des Substrats verringert.
Hierzu 8 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

c) d) Patentansprüche:
1. Verfahren zur Herstellung von Leistungsthyristoren umfassend folgende Schritte:
a) Ausbilden einer jeweiligen P-Diffusionsschicht (2, 3; 32, 33) auf beiden Seiten eines /V-Siliciumsubstrats (I; 31) derart, daß die beiden P-Diffusionsschichten zwischen sich eine erste /V-Schicht (4; 34) einschließen,
b) Aufbringen eines ersten, einen /V-Dotierstoff enthaltenden Films (7; 37) auf die eine der P-Diffusionsschichten (2; 32), wobei sich eine mit diesem Dotierstoff angereicherte /V-Oberflächenzone (10; 40') in dieser P-Diffusionsschicht (2; 32) bildet,
Erhitzen der Anordnung zum Zwecke des tieferen Eindiffundierens des N-Dotierstoffs in die eine P-Diffusionsschicht (2; 32), wobei eine zweite /V-Schicht (13; 40) gebildet wird und
Eindiffundieren von Fremdafomen, insbesondere Goldatomen, in die erste TV-Schicht (4; 34) zur Verringerung der Lebensdauer der Minoritätsladungsträger in dieser Schicht,
dadurch gekennzeichnet, daß
e) vor Schritt c) der erste Film (7; 37) entfernt wird),
nach Schritt c) eine Diffusionssperrschicht (14; 44) auf der zweiten N-Schicht (10 bzw. 13; 40) ausgebildet wird und
nach Schritt f) und vor Schritt d) ein jeweiliger zweiter, Phosphor enthaltender Film (15, 16; 45, 46) auf der Oxidschicht (14; 44) einerseits und auf der anderen P-Diffusionsschicht (3; 33) andererseits zur Erhöhung der Lebensdauer der Minoritätsladungsträger in der einen P-Diffusionsschicht (2, 32) als Getterschicht ausgebildet und anschließend wieder entfernt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Schritt g) bei einer Temperatur im Bereich von 700° C bis 1100° C vorzugsweise bei 1000° C durchgeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß die Diffusionssperrschicht (14; 44) eine Oxidschicht ist.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Dotierstoff des ersten Films (7; 37) Phosphor, Arsen oder Antimon ist.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Film (15, 16; 45. 46) ein Phosphorsilikalglasfilm ist.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Phosphorsilikatglasfilm einen Dotierstoff enthält.
f)
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