DE3742638A1 - Gto-thyristor - Google Patents

Gto-thyristor

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Description

Die Erfindung betrifft einen GTO-Thyristor mit den Merkmalen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und weiter ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Thyristors.
Außer GTO-Thyristoren mit symmetrischen Diffusions­ profil für Sperrspannungsbelastbarkeit in beiden Richtungen, wobei die Abschaltbarkeit durch eine hohe Dichte an Rekombinationszentren erreicht wird, sind Bauformen bekannt, bei welchen die Abschaltbedingungen durch Kurzschließen des pn-Übergangs zwischen n- Basiszone und Anodenemitterzone erzielt werden, und welche nur in Vorwärtsrichtung Sperrspannung aufnehmen können. Letztere weisen im Vergleich zu den Erstgenannten bessere Durchlaßeigenschaften auf.
Die Erfindung betrifft einen nur in einer Richtung sperrenden GTO-Thyristor, wie er aus der DE-PS 29 06 721 bekannt ist. Bei dem bekannten Thyristor werden nach der Ausbildung der pnp-Schichtenfolge die Anodenemitter- Kurzschlußbereiche durch einen ersten Photoprozeß strukturiert und anschließend durch Diffundieren herge­ stellt. In einem zweiten Photoprozeß werden die Öffnungen in der Abdeckung der p-Basiszone zur Anordnung von Kathodenemitter-Abschnitten gebildet, und danach wird durch Diffundieren die Struktur dieser Emitterabschnitte erzeugt. Hierbei wie bei anderen bekannten Verfahren wird die Struktur der einen Hauptfläche der Schichtenfolge nach einer zuvor an der anderen Hauptfläche hergestellten Struktur justiert.
Nun wird insbesondere durch die geometrische Zuordnung von Kathodenemitterzone und Anodenemitter-Kurzschluß­ bereichen das Abschaltverhalten derartiger GTO-Thyristoren maßgeblich beeinflußt. Bei dem bekannten Thyristor hat die Trennung der Verfahrensschritte zur Ausbildung der anodenseitigen und der kathodenseitigen Emitterabschnitte einen sehr hohen Aufwand für die Justierung, d. h. für die gegenseitige Anordnung dieser Abschnitte, und außerdem eine unerwünschte Beschränkung der Justiergenauigkeit zur Folge. Ferner kann jeder Justierschritt im Fertigungsverlauf zu einem das Fertigungsergebnis mindernden Justierfehler führen. Schließlich weisen die bekannten Bauformen Ausschaltverluste auf, welche die Ausschaltleistung und damit das Ausschaltverhalten in vielen Anwendungsfällen unerwünscht beeinträchtigen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen GTO- Thyristor mit Anodenemitter-Kurzschlußbereichen anzugeben, bei dem die Nachteile der bekannten Anordnungen vermieden sind, d. h. der ein sowohl durch optimierte geometrische Zuordnung von Kathodenemitter- und Anodenemitter-Abschnitten als auch durch Reduzierung der Ausschaltverluste verbessertes Ausschaltverhalten aufweist. Die Lösung der Aufgabe besteht bei einem GTO-Thyristor der eingangs genannten Art in den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 und weiter in einem Verfahren zum Herstellen eines solchen Thyristors wie es durch die Maßnahmen des Anspruchs 6 gekennzeichnet ist. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 5 und 7 bis 12 angegeben.
Anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungs­ beispiels wird die Zeichnung erläutert.
Fig. 1 zeigt im Querschnitt und schematisch den Aufbau des Halbleiter­ körpers eines GTO-Thyristors, und in Fig. 2 ist im Blockschaltbild der Ablauf des Herstellungsverfahrens eines solchen Halbleiterkörpers dargestellt.
Gemäß Fig. 1 weist der Halbleiterkörper eine Schichtenfolge mit einer n-leitenden, hochohmigen Mittelzone (1) als n-Basiszone, einer daran angrenzenden, höher dotierten, p-leitenden Zone (2) als Steuerbasiszone oder p-Basiszone, einer in der Steuerbasiszone (2) versenkt angeordneten, mit dieser eine gemeinsame Oberfläche bildenden, hoch dotierten Kathodenemitterzone (4) und einer an der anderen Seite der Mittelzone (1) angrenzenden, p-leitenden Anodenemitterzone (3) auf. Die Kathodenemitterzone (4) ist in vorzugsweise streifenförmige Abschnitte (4′) unterteilt, die, zusammen mit zwischen­ liegenden Abschnitten (2 a) der Steuerbasiszone (2), jeweils fingerförmig ineinandergreifend angeordnet, eine fein unterteilte kathodenseitige Struktur darstellen. Die Breite der Kathodenemitter-Abschnitte (4′) kann z. B. 300 µm betragen. Anodenseitig sind in der Emitterzone (3) in einer durch die Geometrie der kathodenseitigen Struktur bestimmten Anordnung hochdotierte, bis in die n-Basiszone (1) verlaufende, n-leitende Abschnitte, als Anodenemitter- Kurzschlußbereiche (5) bezeichnet, vorgesehen. Diese bilden mit der Anodenemitterzone (3) eine gemeinsame Oberfläche und dienen durch Kurzschließen des pn-Übergangs zwischen Mittelzone (1) und n-Basiszone (3) zur Ableitung von Ladungsträgern aus der Mittelzone nach dem Abschalten des Thyristors in den sperrenden Zustand.
Die Steuerbasiszone (2), die Kathodenemitter-Abschnitte (4′) und die hochohmige Mittelzone (1) sind im wesentlichen wie die entsprechenden Zonen bei üblichen GTO-Thyristoren bemessen.
Die Eindringtiefe b der Anodenemitterzone (3) ist kleiner als die Eindringtiefe a der Kathodenemitterzone (4). Erfindungsgemäß ist die Eindringtiefe der Anodenemitter- Kurzschlußbereiche (5) dieselbe wie diejenige der Kathoden­ emitter-Abschnitte (4′). Sie liegt im Bereich von 5 µm bis 30 µm und beträgt vorzugsweise 10 bis 20 µm. Die Eindring­ tiefe b kann dabei wenigstens 10% geringer sein als die Eindringtiefe der Anodenemitter-Kurzschlußbereiche (5).
Weiter ist die Störstellenkonzentration der Kathoden­ emitter-Abschnitte (4′) dieselbe wie diejenige der Anodenemitter-Kurzschlußbereiche (5). Sie kann im Bereich 1018 cm-3 bis 1021 cm-3 liegen, wobei mit Konzentrationen im Bereich von 1019 cm-3 bis 1020 cm-3 günstige Ergebnisse erzielt wurden.
Die Störstellenkonzentrationen der Anodenemitterzone (3) ist jeweils kleiner als die Hälfte der Störstellen­ konzentration der Anodenemitter-Kurzschlußbereiche (5) und kann demzufolge im Bereich 1017 cm-3 bis 1020 cm-3 liegen.
Die Störstellenkonzentration der Mittelzone (1) und der Steuerbasiszone (2) entsprechen im wesentlichen derjenigen üblicher GTO-Thyristoren. Für die geometrische Zuordnung von Kathodenemitterstruktur und Anodenemitter-Kurzschluß­ bereichen gilt die bekannte Forderung, daß jeweils einem Kathodenemitter-Abschnitt (4′) ein Anodenemitter-Kurzschluß­ bereich (5) auf gemeinsamer Symmetrieachse gegenüberliegt.
Bei der Herstellung eines GTO-Thyristors nach der Erfindung wird gemäß der Darstellung in Fig. 2 zunächst an einer hochohmigen Halbleiterausgangsscheibe vom n- Leitungstyp die p-leitende Steuerbasiszone (2) gebildet. Dies kann durch einseitiges Eindiffundieren z. B. Bor oder Gallium als Störstellenmaterial enthaltenden Substanzen oder aber durch beidseitiges entsprechendes Diffundieren und anschließendes Abtragen einer der beiden erzeugten p-Zonen erfolgen. Eine andere Methode ist die Ionen- Implantation. Die genannten Verfahren sind bekannt und nicht Teil der Erfindung.
Nach der Herstellung der pn-Schichtenfolge werden in einem doppelseitigen Photoprozeß die Voraussetzungen für die gleichzeitige Erzielung von Kathodenemitter-Abschnitten (4′) und Anodenemitter-Kurzschlußbereichen (5) geschaffen. Von entscheidender Bedeutung ist bei diesem Teil der Fertigung des GTO-Thyristors die einwandfreie, räumliche Zuordnung der beiden Belichtungsmasken. Die Verwendung von Photomasken und von Mask-Alignern ist bekannter Stand der Technik. Die Photomasken können mit hoher Genauigkeit (bis zu 1 µm) zueinander justiert werden. Damit wird beim Belichtungsprozeß die aufgabengemäße Zuordnung von Kathodenemitter-Abschnitten und Anodenemitter-Kurzschluß­ bereichen gewährleistet, wobei die Lage der Silizium- Ausgangsscheibe zu den Photomasken unkritisch ist. Im Herstellungsprozeß genügt eine automatische Justierung über Scheibenrandkonturen. Damit werden Justierfehler, welche die Funktion des Bauelements beeinträchtigen, vermieden.
In dem nachfolgenden Prozeß der simultanen Diffusion werden nun in einem ersten Verfahrensschritt auf der einen Seite die Kathodenemitter-Abschnitte (4′) und auf der anderen Seite die Anodenemitter-Kurzschlußbereiche (5) jeweils mit gewünschter Störstellenkonzentration ausgebildet. In einem zweiten Verfahrensschritt wird dann die gewünschte Eindringtiefe der jeweiligen Zonen erzielt. Der erste Verfahrensschritt wird bevorzugt bei Temperaturen zwischen 1050°C und 1150°C durchgeführt. Als Diffusionsmethode ist die Trägergasdiffusion vorgesehen, wobei Phosphoroxidchlorid als Trägergas verwendet werden kann. Der zweite Verfahrensschritt als Nachdiffusion erfolgt bei Temperaturen zwischen etwa 1100°C und 1250°C. Weitere geeignete Methoden sind die Phosphorfeststoffquellen-Diffusion oder die Ionen- Implantation.
Im Anschluß an das Diffundieren zur Erzielung der beidseitigen, hochdotierten, n-leitenden Außenzonen- Abschnitte wird die auf der Anodenseite entstandene Oxidschicht ganzflächig entfernt. Es folgt die ganz­ flächige Belegung der Anodenseite mit Akzeptormaterial. Die Störstellenkonzentration dieser p+-leitenden Schicht wird dergestalt eingestellt, daß eine ausreichende Injektion an der Anodenemitterzone (3) erfolgt, daß aber andererseits die Funktion der Anodenemitter-Kurzschluß­ bereiche (5) nicht beeinträchtigt wird. Die Störstellen­ konzentration liegt erfindungsgemäß unter der Hälfte der­ jenigen der Kathodenemitter-Abschnitte (4′). Sie kann demzufolge im Bereich 5 × 1017 cm-3 bis 1020 cm-3 liegen. Eine Justierung ist somit im beschriebenen Ablauf des Verfahrens nicht erforderlich.
Zur Herstellung der Anodenemitterzone (3) eignet sich Bor als Störstellenmaterial. Die Diffusion kann in einem Schritt oder aber in einem ersten Verfahrensschritt mit sogenannter Vorbelegung und in einem zweiten Verfahrens­ schritt als sogenannter Eintreibdiffusion erfolgen. Ein gesonderter Maskierschritt ist nicht notwendig.
Damit wird bei der Herstellung der aktiven Bereiche des GTO-Thyristors eine durch Justierschritte bedingte Ungenauigkeit vermieden.
In einem letzten Verfahrensschritt können von der Anodenseite her Schwermetallionen in den Halbleiterkörper eingebracht werden. Das Bauelement ist auch ohne solche Schwermetallionen funktionsfähig, dieselben dienen jedoch dazu, die durch den sogenannten Schweifstrom verursachten Abschaltverluste zu reduzieren. Die Konzentration der Schwermetallionen wird vergleichsweise gering gehalten, um das Einschaltverhalten und den Durchlaßspannungsabfall nicht zu beeinträchtigen. Sie wird mit Hilfe einer Temperaturbehandlung im Bereich von 845°C bis 870°C eingestellt.

Claims (13)

1. GTO-Thyristor mit einem Halbleiterkörper, der
  • - eine Folge von wenigstens vier schichtförmigen Zonen (1, 2, 3, 4) abwechselnd entgegengesetzten Leitungstyp,
  • - an jeder der beiden, die Emitterzonen bildenden Außenzonen eine Laststromelektrode (6, 7)
  • - an der mit der Kathodenemitterzone (4) eine gemeinsame Oberfläche bildenden Steuerbasiszone (2) eine Steuerstromelektrode (8) und
  • - von der n-Basiszone (1) zur Anodenemitterober­ fläche durchgreifende Anodenemitter-Kurzschluß­ bereiche (5) aufweist und
  • - dessen Kathodenemitterzone (4) in Abschnitte (4′) unterteilt ist, die in vorbestimmter Lage und Ausdehnung den Anodenemitter-Kurzschlußbereichen (5) gegenüberliegend angeordnet sind,
dadurch gekennzeichnet, daß
  • - die Kathodenemitterzone (4) bzw. deren Abschnitte (4′) und die Anodenemitter-Kurzschlußbereiche (5) übereinstimmende Störstellenkonzentration auf­ weisen und
  • - die Störstellenkonzentration der Kathodenemitter­ zone (4) wenigstens das Zweifache derjenigen der Anodenemitterzone (3) beträgt.
2. GTO-Thyristor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Störstellenkonzentration von Kathodenemitterzone (4) und Anodenemitter-Kurzschlußbereichen (5) wenigstens 1019 cm-3 beträgt.
3. GTO-Thyristor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Eindringtiefe von Kathodenemitterzone (4) und Anodenemitter-Kurzschlußbereichen (5) im Bereich von 5 bis 30 µm liegt.
4. GTO-Thyristor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Eindringtiefe von Kathodenemitterzone (4) und Anodenemitter-Kurzschlußbereichen (5) vorzugsweise 10 bis 20 µm beträgt.
5. GTO-Thyristor nach Anspruch 1 oder einem der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Eindringtiefe der Anodenemitterzone (3) geringer als diejenige der Anodenemitter-Kurzschlußbereiche (5), vorzugsweise wenigstens 10% geringer ist.
6. Verfahren zum Herstellen eines GTO-Thyristors nach den Ansprüchen 1 bis 5, bei dem in einer hochohmigen Ausgangsscheibe des ersten Leitungstyps mittels Diffusion und Maskierungsschritt an einer Seite eine durchgehende Steuerbasiszone (2) und an der anderen Seite die Anodenemitterzone (3) sowie in der Steuerbasiszone (2) die Kathodenemitter- Abschnitte (4′) und in der Anodenemitterzone (3) die den Kathodenemitter-Abschnitten (4′) geometrisch vorbestimmt zugeordneten Anodenemitter-Kurzschlußbereiche (5) erzeugt werden, dadurch gekennzeichnet, daß gleichzeitig Anodenemitter-Kurzschlußbereiche (5) und Kathodenemitter-Abschnitte (4′) in einem Diffusionsprozeß hergestellt werden mit einem ersten Verfahrensschritt zur Erzielung der gewünschten Störstellenkonzentration und mit einem zweiten Verfahrensschritt zur Erzielung der gewünschten Eindringtiefe,
die verfahrensbedingte Oberflächenoxidschicht entfernt und danach
die Anodenemitterzone (3) erzeugt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Anodenemitterzone (3) durch Diffusion in einem Verfahrensschritt erzeugt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Anodenemitterzone (3) durch Diffusion mit einem ersten Verfahrensschritt zur Erzielung der Störstellen­ konzentration und mit einem zweiten Verfahrensschritt zur Erzielung der Eindringtiefe erzeugt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine Störstellenkonzentration der Anodenemitterzone (3) erzeugt wird, die weniger als die Hälfte derjenigen der Kathodenemitterzone (4) beträgt.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Störstellenkonzentration größer als 5 × 1017 cm-3 eingestellt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Herstellen der Anodenemitterzone (3) an dieser zur Reduzierung der Abschaltverluste im Anoden­ bereich Schwermetallionen in die Schichtenstruktur eingebracht werden.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentration der Schwermetallionen mit Hilfe einer Temperaturbehandlung im Bereich 845°C bis 870°C eingestellt wird.
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