DE3708651A1 - Abschaltthyristor und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents
Abschaltthyristor und verfahren zu seiner herstellungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Abschaltthyristor und ein
Verfahren zur Herstellung eines derartigen Abschaltthyristors,
insbesondere ein Diffusionsverfahren zur Ausbildung der
P-Typ Basisschicht bei einem derartigen Abschaltthyristor.
Die Fig. 3 bis 8 zeigen Schnitte bzw. Diffusionsprofile
zur Erläuterung eines herkömmlichen Verfahrens zur Herstellung
eines Abschaltthyristors. In diesen Figuren der Zeichnung
bezeichnet das Bezugszeichen 1 ein Siliziumplättchen bzw.
einen Siliziumwafer, das Bezugszeichen 1 a bezeichnet eine
N-Typ Basisschicht, das Bezugszeichen 1 b bezeichnet eine
P-Typ Basisschicht, das Bezugszeichen 1 c bezeichnet eine
N-Typ Emitterschicht, das Bezugszeichen 2 bezeichnet eine
Aluminiumschicht, das Bezugszeichen 3 bezeichnet einen
Oxidfilm, das Bezugszeichen 4 bezeichnet ein Gate oder eine
Steuerelektrode, das Bezugszeichen 5 bezeichnet eine Kathode,
und die Bezugszeichen 6 und 7 bezeichnen Übergänge.
Ein herkömmlicher Abschaltthyristor wird in der nachstehend
beschriebenen Weise hergestellt. Zunächst wird, während der
N-Typ Siliziumwafer 1 auf einer Temperatur von 1250°C gehalten
wird, Gallium (Ga) bei einer Diffusionsquellentemperatur von
980°C für eine Dauer von 35 Stunden eindiffundiert, um dadurch
die P-Typ Basisschicht 1 b zu bilden. Eine bei dieser
Gelegenheit entstehende Anordnung ist im Schnitt Fig. 3
dargestellt, während das Profil der Verunreinigungskonzentration
in Fig. 4 angegeben ist. Bei der folgenden Erläuterung
des Herstellungsverfahrens im Zusammenhang mit den Figuren
der Zeichnung wird im wesentlichen auf die für die Erfindung
wesentliche P-Typ Basisschicht Bezug genommen, während die
anderen Komponenten nicht so detailliert erläutert werden.
Anschließend wird die Oberfläche der P-Typ Basisschicht 1 b
teilweise markiert, und Phosphor wird selektiv eindiffundiert,
um dadurch die N-Typ Emittierschicht 1 c zu bilden. Ein Schnitt
der bei dieser Gelegenheit entstehenden Anordnung ist in
Fig. 5 dargestellt, während das Profil der Verunreinigungskonzentration
in Bezug auf die X-Achse in Fig. 6 dargestellt
ist. Anschließend werden, wie in Fig. 7 dargestellt, die
N-Typ Emitterschicht 1 c und die P-Typ Basisschicht 1 b mit
abgestuften Bereichen ausgebildet, und zwar durch selektives
Ätzen des Siliziumkörpers.
Diese Maßnahme wird aus dem Grunde ergriffen, damit, weil
der Abschaltthyristor der hier diskutierten Art eine
flache Struktur hat, bei der die Elektroden im Preßkontakt
angeordnet werden, die Mehrfach-Emitterstruktur, bei der
zahlreiche inselförmige Emitter vorgesehen sind, eine solche
Konfiguration hat, daß ein elektrischer Kurzschluß zwischen
der Kathode 5 und der Steuerelektrode 4 verhindert wird. Wie in
Fig. 8 dargestellt, erscheint zu diesem Zeitpunkt der
Übergang 7 zwischen der N-Typ Emitterschicht 1 c und der
P-Typ Basisschicht 1 b (vom planaren Typ) in der Oberfläche
des Siliziumwafers 1. Daher wird der Oxidfilm 3 ausgebildet,
um diesen Übergang 7 zu schützen. Danach wird die Aluminiumschicht
2 aufgedampft und bearbeitet, um die Elektrode 5
der N-Typ Emitterschicht 1 c und die Elektrode 4 der
P-Typ Basisschicht 1 b zu bilden, die jeweils als Kathode
bzw. als Steuerelektrode verwendet werden.
Als nächstes wird die Wirkungsweise des Abschaltthyristors
unter Bezugnahme auf Fig. 2 näher erläutert. Diese Fig. 2
zeigt die Anordnung gemäß Fig. 8 in vergrößertem Maßstab.
Die Symbole P 0, P 1, P 2 und P 3 bezeichnen Punkte mit den
Koordinaten (X 0, Y 0), (X 1, Y 0), (X 2, Y 0) und (X 0, X 1).
In Fig. 2 sind identische oder äquivalente Komponenten wie
in Fig. 8 mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
Wie aus Fig. 2 ersichtlich, fließt in dem Abschaltthyristor,
der vorher "eingeschaltet" worden ist, ein Anodenstrom I A
von der Anodenseite zur Kathode 5. Wenn der Betrieb des
Thyristors zu einem Abschaltvorgang übergeht, wird eine
entgegengesetzte Vorspannung V GR , die an der Steuerelektrode 4
"minus" und an der Kathode 5 "plus" ist, an die Steuerelektrode
4 und die Kathode 5 angelegt. Dann beginnt der
Anodenstrom I A , der zur Kathode 5 fließt, abzunehmen, während
ein Strom I GR von der Anode zur Steuerelektrode 4 durch die
P-Typ Basisschicht 1 b zu fließen beginnt und allmählich
hinsichtlich seiner Stromstärke zunimmt.
Wenn eine bestimmte feste Zeitspanne (Speicherzeit) verstrichen
ist, seitdem die umgekehrte Vorspannung an die Steuerelektrode 4
und die Kathode 5 angelegt worden ist, so nimmt der zur
Kathode 5 fließende Anodenstrom I A plötzlich ab und wird
vollständig durch den Strom I GR ersetzt, der einen Umweg
nimmt und durch die P-Typ Basisschicht 1 b zur Steuerelektrode 4
fließt. Die Stromstärke dieses Stromes I GR wird kleiner, da
die Überschußträger innerhalb der Anordnung weiter abgezogen
werden. Somit endet der Abschaltvorgang.
Diesbezüglich ist es bekannt, daß ein steuerbarer Anodenstrom
I TGQ , welcher der Anodenstrom ist, bei dem der Abschaltthyristor
"abgeschaltet" werden kann, stark von der
Stromstärke des Steuerelektrodenstromes I GR abhängt, der durch
die P-Typ Basisschicht fließt, und daß dann, wenn ein Steuerelektrodenstrom
I GR , der groß genug ist, um die Überschußträger
innerhalb der Anordnung abzuziehen, zum Fließen
gebracht werden kann, auch der steuerbare Anodenstrom I TGQ
auf einen großen Wert gesetzt werden kann (vgl. die japanische
Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 58 788/1982).
Dieser Steuerelektrodenstrom I GR kann durch die nachstehende
Formel (1) ausgedrückt werden, wobei ρ s den Ausbreitungswiderstand
(Flächenwiderstand oder Schichtwiderstand der P-Typ Basisschicht
1 b unter der N-Typ Emitterschicht 1 c) bezeichnet,
und V BJ 3 die Lawinenspannung des Überganges 7 bezeichnet,
der zwischen der Steuerelektrode 4 und der Kathode 5 ausgebildet
ist:
I GR ∝V BJ 3/p s (1)
Im allgemeinen wird daher beim Abschaltthyristor ein Hilfsmittel
verwendet, wobei der Flächenwiderstand oder Schichtwiderstand
p s der P-Typ Basisschicht 1 b geringer gemacht
wird, indem man ihre Verunreinigungskonzentration also die
Gallium-Konzentration höher macht als bei herkömmlichen
Thyristoren (siliziumgesteuerte Gleichrichter usw.).
Wenn jedoch die Verunreinigungskonzentration der P-Typ Basisschicht
1 b größer gemacht wird, nimmt die Lawinenspannung V BJ 3
des Überganges 7 ab. Es ist daher unmöglich, die Verunreinigungskonzentration
der P-Typ Basisschicht 1 b sehr hoch zu machen.
Infolgedessen wird es schwierig, den Wert des steuerbaren
Anodenstromes I TGQ zu vergrößern.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Abschaltthyristor
und ein Verfahren zu seiner Herstellung anzugeben, bei dem
auch dann, wenn die Verunreinigungskonzentration der
P-Typ Basisschicht 1 b vergrößert wird, um seinen Flächenwiderstand
zu verringern, der steuerbare Anodenstrom auf
einen großen Wert gebracht werden kann, ohne die Lawinenspannung
des Überganges zu verringern, so daß die Abschaltkapazität
des Thyristors vergrößert und verbessert wird.
Gemäß der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines
Abschaltthyristors angegeben, bei dem eine P-Typ Basisschicht
in einem N-Typ Wafer ausgebildet ist, wobei das Verfahren
folgende Schritte beinhaltet: Einen Schritt der Eindiffundierung
von P-Typ Verunreinigungsatomen in den Wafer bei einer vorgegebenen
Temperatur, und den Schritt des Ausdiffundierens
von P-Typ Verunreinigungsatomen, während nur der resultierende
Wafer auf einer vorgegebenen Temperatur gehalten wird, ohne
irgendwelche neuen P-Typ Verunreinigungsatome einzudiffundieren.
Bei dem erfindungsgemäßen Thyristor kann die Lawinenspannung
zwischen einer Kathode und einer Steuerelektrode groß gemacht
werden, während der Schichtwiderstand oder Flächenwiderstand
der P-Typ Basisschicht, die unter einer N-Typ Emitterschicht
liegt, auf einen niedrigen Wert heruntergedrückt werden kann,
so daß sich die Abschaltkapazität des Thyristors erheblich
steigern läßt.
Die Erfindung wird nachstehend, auch hinsichtlich weiterer
Merkmale und Vorteile, anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen
und unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung
näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in
Fig. 1 ein Diagramm des Verunreinigungskonzentrations-Diffusionsprofils
zur Erläuterung
einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens zur Herstellung eines
Abschaltthyristors;
Fig. 2 einen Schnitt durch einen Abschaltthyristor;
Fig. 3, 5, 7 und 8 Schnittansichten zur Erläuterung von
verschiedenen Herstellungsphasen eines
herkömmlichen Abschaltthyristors;
Fig. 4 ein Diffusionsprofil der Verunreinigungskonzentration
eines Wafers gemäß Fig. 3;
und in
Fig. 6 ein Diffusionsprofil der Verunreinigungskonzentration
in der X-Achse bei einem
Wafer gemäß Fig. 5.
In den verschiedenen Figuren der Zeichnung werden durchgehend
gleiche Bezugszeichen für gleiche oder entsprechende Teile
verwendet.
Ein Verunreinigungskonzentrationsprofil zur Erläuterung einer
Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung
eines Abschaltthyristors ist in Fig. 1 dargestellt.
Diese Fig. 1 zeigt das Verunreinigungskonzentrationsprofil
des Siliziumwafers 1 in dem Falle, wo in der in Fig. 2
dargestellten Weise die P-Typ Basisschicht 1 b hergestellt
wird, indem man Gallium (Ga) als P-Typ Verunreinigungsatome
in den N-Typ Siliziumwafer 1 eindiffundiert.
Als nächstes wird ein derartiges Verfahren für das Eindiffundieren
von Gallium (Ga) näher erläutert. Zunächst
wird, wie beim Stande der Technik, Gallium (Ga) bei einer
Galliumdiffusionsquellentemperatur von 990°C für eine Dauer
von 30 Stunden eindiffundiert, während der Siliziumwafer 1
auf einer Temperatur von 1250°C gehalten wird. Dann wird
das Ausdiffundieren der eindiffundierten Gallium-Atome in
der Weise durchgeführt, daß nur der Siliziumwafer 1 für eine
Dauer von 10 Stunden auf einer Temperatur von 1250°C gehalten
wird, ohne erneut Gallium-Atome von einer externen Quelle
einzudiffundieren. Die Dimensionen, Parameter usw. für die
verschiedenen Teile des Wafers für die Behandlung bei den
oben erwähnten Temperaturen waren wie folgt:
Wenn der Wafer eine Dicke von 900 µm und einen Durchmesser
von 65 mm für den Abschaltthyristor hatte, der eine Durchbruchspannung
von 4500 V und einen steuerbaren "Einschaltstrom"
von 2000 A hatte, so wurde die Abschaltkapazität
um etwa 300 A bis 500 A mit der obigen Behandlung erhöht.
(Üblicherweise wird ein Wafer mit einer Dicke von 300 bis
1000 µm und einem Durchmesser von 20 bis 80 mm für einen
Abschaltthyristor verwendet, dessen Durchbruchspannung und
steuerbarer Strom die Werte von 1600 bis 4500 V bzw. 450
bis 3000 A haben.)
Bei dieser Gelegenheit erhielt die Übergangstiefe X J (vgl.
Fig. 1) der P-Typ Basisschicht 1 b im wesentlichen den gleichen
Wert wie bei einer herkömmlichen Ausführungsform. Somit wurde
das kegelförmige Diffusionsprofil der P-Typ Basisschicht 1 b
mit dem Spitzenwert P BP der Verunreinigungskonzentration
bei einer Tiefe von X =X BP von der vorderen Oberfläche
des Siliziumwafers 1 erhalten.
Anschließend wurde die vordere Oberfläche des Siliziumwafers 1
teilweise maskiert, und Phosphor wurde selektiv eindiffundiert,
um die Übergangstiefe X 2 ungefähr gleich X BP zu machen. Außerdem
wurde die selektive Diffusion so eingestellt, daß das
X-axiale Diffusionsprofil in dem Wafer 1, bei tieferen Werten
als der Tiefe X =X₂ des Überganges 7 gemäß Fig. 2, im
wesentlichen das gleiche wie bei der herkömmlichen
Ausführungsform. Somit zeigt der Flächenwiderstand ρ s der
P-Typ Basisschicht 1 b, die unter der N-Typ Emitterschicht 1 c
liegt, im wesentlichen den gleichen Wert wie beim Stande der
Technik. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 2 hatten die
Abstände zwischen den jeweiligen Punkten folgende Werte:
Beim Stande der Technik hat die P-Typ Basisschicht 1 b eine
höhere Verunreinigungskonzentration, da ihre Oberfläche näher
liegt, und die Verunreinigungskonzentration P B 2 dieser
P-Typ Basisschicht 1 b in der Nähe von X =X 1 und Y =Y 1
(die Siliziumoberfläche des stufenförmigen Teiles) ist
höher als ihre Verunreinigungskonzentration P B 1 in der Nähe
von X =X 2 und Y =Y 0 (Schnittpunkt zwischen dem Übergang 7
und der X-Achse), so daß die Beziehung P B 2<P B 1 gilt. Somit
wird die Lawinenspannung V BJ 3 zwischen der Steuerelektrode 4
und der Kathode 5 durch die Verunreinigungskonzentration P B 2
bestimmt.
Im Gegensatz dazu ist gemäß der Erfindung die Verunreinigungskonzentration
P B 2 der P-Typ Basisschicht 1 b in der Nähe von
X =X 1 und Y =Y 1 niedriger als ihre Verunreinigungskonzentration
P B 1 in der Nähe von X =X 2 und Y =Y 0, so daß umgekehrte
Verhältnisse vorliegen. Somit ist die Lawinenspannung V BJ 3
zwischen der Steuerelektrode 4 und der Kathode 5 durch die
Verunreinigungskonzentration P B 1 bestimmt. Da die Verunreinigungskonzentration
P B 1 auf den gleichen Wert wie beim
Stande der Technik eingestellt ist, nimmt die Lawinenspannung
V BJ 3 zwischen der Steuerelektrode 4 und der Kathode 5 einen
größeren Wert an als beim Stande der Technik. Genauer gesagt,
der Wert der Lawinenspannung V BJ 3 bei der angegebenen Ausführungsform
der Erfindung wurde um ungefähr 30% größer
als beim Stande der Technik.
Auf diese Weise konnte bei dem Abschaltthyristor, der sonst
in gleicher Weise hergestellt war wie beim Stande der Technik,
der steuerbare Anodenstrom um ungefähr 300 bis 500 A im
Vergleich zum Stande der Technik erhöht werden, so daß sich
eine verbesserte Abschaltkapazität erzielen läßt.
Wie oben erwähnt, ist es gemäß der Erfindung wesentlich,
daß bei der Herstellung einer P-Typ Basisschicht die P-Typ
Verunreinigungsatome eindiffundiert und danach einem Ausdiffusionsvorgang
unterzogen werden, so daß ein kegelförmiges
Diffusionsprofil gebildet werden kann, wobei die Lawinenspannung
zwischen einer Kathode und einer Steuerelektrode
vergrößert werden kann, während der Ausbreitungswiderstand
der P-Typ Basisschicht unter einer N-Typ Emitterschicht auf
einen niedrigen Wert heruntergedrückt werden kann. Damit ergibt
sich in vorteilhafter Weise, daß der steuerbare Anodenstrom
vergrößert werden kann.
Claims (2)
1. Abschaltthyristor, mit einem N-Typ Wafer (1), in dem
eine P-Typ Basisschicht (1 b) ausgebildet ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß die P-Typ Basisschicht (1 b) durch Eindiffundieren
von P-Typ Verunreinigungsatomen und anschließendes Ausdiffundieren
von P-Typ Verunreinigungsatomen ohne
Eindiffundieren von irgendwelchen neuen P-Typ Verunreinigungsatomen
hergestellt ist.
2. Verfahren zur Herstellung eines Abschaltthyristors, bei
dem eine P-Typ Basisschicht in einem N-Typ Wafer ausgebildet
wird,
gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:
- - Eindiffundieren von P-Typ Verunreinigungsatomen in den Wafer bei einer vorgegebenen Temperatur und
- - Ausdiffundieren der P-Typ Verunreinigungsatome, während der resultierende Wafer auf einer vorgegebenen Temperatur gehalten wird, ohne irgendwelche neuen P-Typ Verunreinigungsatome einzudiffundieren.
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| JP61063494A JPS62219572A (ja) | 1986-03-19 | 1986-03-19 | ゲ−トタ−ンオフサイリスタの製造方法 |
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1987
- 1987-03-17 DE DE19873708651 patent/DE3708651A1/de not_active Withdrawn
- 1987-03-18 IT IT8767212A patent/IT1207543B/it active
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| US5387806A (en) * | 1993-03-25 | 1995-02-07 | Siemens Aktiengesellschaft | GTO-thyristor |
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| Publication number | Publication date |
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| IT8767212A0 (it) | 1987-03-18 |
| JPS62219572A (ja) | 1987-09-26 |
| IT1207543B (it) | 1989-05-25 |
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