DE4306320A1 - Method for increasing the dielectric strength of a multilayer semiconductor component - Google Patents
Method for increasing the dielectric strength of a multilayer semiconductor componentInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Erhöhung der Spannungsfestigkeit eines mehrschichtigen Halbleiterbauelements nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a method for increasing the Dielectric strength of a multilayer semiconductor component according to the preamble of claim 1.
Ein Verfahren dieser Art ist beispielsweise aus der US-Patent schrift 3,872,493 vom 18. März 1975 bekannt. Dabei wird eine für Elektronen undurchlässige Bestrahlungsmaske verwandt, die beispielsweise aus gewöhnlichem Stahl oder Wolfram besteht und eine Dicke von ca. 4 mm aufweist. Die infolge der Elektronen bestrahlung in der Bestrahlungsmaske erzeugte Bremsstrahlung (Gamma-Strahlung), im Bereich unterhalb der Bestrahlungsmaske, die die Ladungsträgerlebensdauer im Halbleiterbauelement ver ringert, bleibt dabei unberücksichtigt.A method of this type is known, for example, from the US patent publication 3,872,493 of March 18, 1975. Doing so related to electron-impermeable radiation mask that for example made of ordinary steel or tungsten and has a thickness of approx. 4 mm. The result of the electrons radiation generated by the radiation mask (Gamma radiation), in the area below the radiation mask, ver ver the charge carrier life in the semiconductor device struggles, is ignored.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, das gleichzeitig durch eine Bestrahlung mit Elektronen neben einer deutlichen Anhebung der Spannungsfestigkeit auch das gezielte Einstellen statischer und dynamischer elektrischer Parameter des Halbleiterbauelements, die von der Trägerlebensdauer im zentralen lateralen Bereich abhängen, gestattet. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich insbesondere dadurch aus, daß in einfacher Weise, namlich durch Wahlen des Materials und/oder der Dicke der Bestrahlungsmaske gleichzeitig mit der Erhöhung der Spannungsfestigkeit statische und dynamische elektrische Parameter des Halbleiterbauelements, wie beispielsweise die Durchlaßspannung oder die Freiwerdezeit, gezielt eingestellt werden können. The invention is based on the object, a method of Specify the type mentioned at the same time that by a Irradiation with electrons in addition to a significant increase in Dielectric strength also the targeted setting of static and dynamic electrical parameter of the semiconductor component, that of the carrier life in the central lateral area hang out, allowed. The method according to the invention stands out in particular from the fact that in a simple manner, namely by Choosing the material and / or thickness of the radiation mask static at the same time as the increase in dielectric strength and dynamic electrical parameters of the semiconductor component, such as the forward voltage or the release time, can be set specifically.
Die Patentansprüche 2 und 3 sind auf bevorzugte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens gerichtet.Claims 2 and 3 are for preferred further developments directed the method of the invention.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher er läutert. Dabei zeigtThe invention is based on the drawing he he purifies. It shows
Fig. 1 die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf ei nen Thyristor und Fig. 1 shows the application of the inventive method to egg NEN thyristor and
Fig. 2 die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf ei nen planaren Transistor. Fig. 2 shows the application of the inventive method to egg NEN planar transistor.
In Fig. 1 ist ein Thyristor mit einem aus dotiertem Halblei termaterial, zum Beispiel Silizium, bestehenden Halbleiterkör per dargestellt. Er weist vier aufeinanderfolgende Schichten abwechselnder Leitungstypen auf. Von diesen bezeichnet man die aus den n-leitenden Teilschichten 1 bestehende Schicht als den n-Emitter, die p-leitende Schicht 2 als die p-Basis, die n-lei tende Schicht 3 als die n-Basis und die p-leitende Schicht 4 als den p-Emitter. Der p-Emitter ist mit einer anodenseitigen Elektrode 5 aus elektrisch leitendem Material, zum Beispiel Aluminium, versehen, die einen Anschluß A aufweist. Der n-Emit ter ist mit einer kathodenseitigen Elektrode 6 versehen, die die Teilschichten 1 kontaktiert und mit einem Anschluß K verse hen ist. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel kontaktiert 6 auch die Schicht 2 zur Bildung von Emitterkurzschlüssen. Der Anschluß G einer Gateelektrode GE, die die p-Basis kontaktiert, wird zum Zünden des Thyristors in an sich bekannter Weise mit einem positiven Zündstromimpuls beaufschlagt.In Fig. 1, a thyristor with a semiconductor material consisting of doped semiconductor, for example silicon, is shown by semiconductor body. It has four successive layers of alternate line types. Of these, the layer consisting of the n-type sublayers 1 is referred to as the n-emitter, the p-type layer 2 as the p-base, the n-type layer 3 as the n-base and the p-type layer 4 as the p-emitter. The p-emitter is provided with an anode-side electrode 5 made of electrically conductive material, for example aluminum, which has a connection A. The n-Emit ter is provided with a cathode-side electrode 6 , which contacts the sub-layers 1 and is hen with a terminal K verses. In the illustrated embodiment, 6 also contacts layer 2 to form emitter short circuits. The terminal G of a gate electrode GE, which contacts the p base, is acted upon in a manner known per se with a positive ignition current pulse in order to ignite the thyristor.
Wird an die Anschlüsse A und K eine Spannung geschaltet, die die Elektrode 5 auf ein positiveres Potential legt als die Elektrode 6, so wird der pn-Übergang 7 zwischen den Schichten 2 und 3 in Sperrichtung vorgespannt. Wenn andererseits bei A und K eine Spannung angeschaltet ist, die die Elektrode 5 auf ein negativeres Potential legt als die Elektrode 6, so wird der pn- Übergang 8 zwischen den Schichten 3 und 4 in Sperrichtung vor gespannt. Um eine hohe Spannungsfestigkeit des Thyristors zu gewährleisten, muß dafür Sorge getragen werden, daß ein ober flächenseitiger Durchbruch der pn-Übergänge 7 und 8 erst bei hohen Sperrspannungen eintritt. Zu diesem Zweck wird der Thyri storrand zum Beispiel, wie in Fig. 1 dargestellt, sowohl von der oberen Hauptfläche 9 als auch von der unteren Hauptfläche 10 ausgehend jeweils mit einem positiven Winkel abgeschrägt. Damit wird eine Absenkung der Oberflächenfeldstärke der im Be reich der seitlichen Begrenzungsfläche 11 liegenden seitlichen Randabschlüsse 12 und 13 der pn-Übergänge 7 und 8 erreicht, durch die die Gefahr des Durchbruchs an dieser Stelle herabge setzt wird.If a voltage is switched to the connections A and K, which puts the electrode 5 at a more positive potential than the electrode 6 , the pn junction 7 between the layers 2 and 3 is biased in the reverse direction. If, on the other hand, a voltage is switched on at A and K, which puts the electrode 5 at a more negative potential than the electrode 6 , then the pn junction 8 between the layers 3 and 4 is biased in the reverse direction. In order to ensure a high dielectric strength of the thyristor, care must be taken to ensure that an upper surface-side breakdown of the pn junctions 7 and 8 only occurs at high reverse voltages. For this purpose, the Thyri storrand is, for example, as shown in Fig. 1, both from the upper main surface 9 and from the lower main surface 10 starting beveled with a positive angle. This results in a reduction in the surface field strength of the lateral edge ends 12 and 13 of the pn junctions 7 and 8 lying in the area of the lateral boundary surface 11 , by which the risk of breakdown is reduced at this point.
Zur Erhöhung der Spannungsfestigkeit wird nun lediglich im la teralen Bereich LBr der seitlichen Randabschlüsse 12 und 13 die Trägerlebensdauer durch eine Bestrahlung mit Elektronen redu ziert, was in Fig. 1 durch vertikale Pfeile 14 angedeutet ist. Durch eine Abdeckung des lateralen Bereichs LBz, also des zen tralen Bereichs des Halbleiterbauelements, mit einer Bestrah lungsmaske 15 zum Beispiel aus einer ca. 2 cm dicken Scheibe aus gewöhnlichem Stahl, Wolfram, Eisen, Molybdän, Blei aber auch Silizium wird erreicht, daß sich die Reduzierung der Trä gerlebensdauer, die unmittelbar aus der Bestrahlung mit Elek tronen herrührt, lediglich innerhalb von LBr vollzieht und sich die Trägerlebensdauer zum Beispiel von 200 ms auf 10 ms verrin gert. Damit verringert sich innerhalb von LBr auch der Strom verstärkungsfaktor αpnp erheblich, was eine erhöhte Spannungs festigkeit in diesem Bereich zur Folge hat.To increase the dielectric strength, the carrier life is now reduced by irradiation with electrons only in the la teral area LBr of the lateral edge terminations 12 and 13 , which is indicated in FIG. 1 by vertical arrows 14 . By covering the lateral area LBz, i.e. the central area of the semiconductor component, with a radiation mask 15, for example from an approximately 2 cm thick disk made of ordinary steel, tungsten, iron, molybdenum, lead but also silicon, it is achieved that the reduction of the carrier life, which results directly from the irradiation with electrons, only takes place within LBr and the carrier life is reduced, for example, from 200 ms to 10 ms. This means that the current gain factor α pnp is also reduced considerably within LBr, which results in increased voltage stability in this area.
Vielfach besteht bei Halbleiterbauelementen, wie beispielsweise Thyristoren und Transistoren, der Wunsch neben der Erzielung einer hohen Sperrspannung statische und dynamische elektrische Parameter, wie beispielsweise die Durchlaßspannung und die Freiwerdezeit des Halbleiterbauelements, gezielt einzustellen. Often there are semiconductor components such as Thyristors and transistors, the desire in addition to achieving a high reverse voltage static and dynamic electrical Parameters such as forward voltage and Free time of the semiconductor component to be set specifically.
Die elektrischen Parameter, die von der Trägerlebensdauer im zentralen Bereich LBz abhängen, wie beispielsweise die Freiwer dezeit, können hierzu beispielsweise durch auf den zentralen Bereich LBz gerichtete Gammastrahlen eingestellt werden, wobei infolge der zusätzlich erzeugten Energieniveaus im Atomgitter die Rekombinationsrate erhöht wird und somit Speicherladungen schneller entfernt werden, womit beispielsweise die Freiwerde zeit des Halbleiterbauelements verkürzt wird.The electrical parameters that depend on the carrier life in the depend on the central area LBz, such as the Freiwer dezeit, you can do this, for example, on the central Area LBz directed gamma rays can be set, where due to the additional energy levels generated in the atomic lattice the recombination rate is increased and thus storage charges are removed more quickly, which frees them up, for example time of the semiconductor device is shortened.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird nun die in der Be strahlungsmaske durch die Elektronenbestrahlung erzeugte Brems strahlung (Gammastrahlung) dazu benutzt, um gleichzeitig mit der infolge der direkten Bestrahlung mit Elektronen erhöhten Spannungsfestigkeit im Randbereich LBr auch die statischen und dynamischen elektrischen Parameter, die von der Trägerlebens dauer im zentralen Bereich LBz abhängen, zum Beispiel die Frei werdezeit, gezielt einzustellen. Durch die Gammastrahlung wird auch im zentralen Bereich LBz die Sperrfähigkeit der pn-Über gänge erhöht, allerdings ist dieser Effekt nicht so stark aus geprägt wie die Erhöhung der Sperrfähigkeit im Randbereich LBr, da die Erniedrigung der Trägerlebensdauer durch die Gammastrah lung geringer ist als durch die direkte Elektronenstrahlung. Da die Energie der Elektronen mindestens ein MeV betragen sollte, damit im wesentlichen nicht nur elastische Stöße im Atomgitter auftreten, wird eine Elektronenenergie zwischen 1 und 16 MeV und bevorzugt eine Elektronenenergie von 5 MeV gewählt. Die verwandte Elektronendichte beträgt dabei in der Regel zwischen 1013 und 1015 Elektronen/cm2. Um nun die geeignete Dosis von Gammastrahlen, von beispielsweise 1012 cm2, zur Einstellung der dynamischen elektrischen Parameter, die von der Trägerlebens dauer im zentralen Bereich abhängen, zu erhalten, werden das Material und/oder die Dicke 19 der Bestrahlungsmaske 15 in ent sprechender Weise gewählt. Bevorzugt werden hierfür Bestrah lungsmasken aus einer 1 bis 2 cm dicken Stahl- oder Molybdän- Scheibe verwandt. According to the method of the invention, the braking radiation (gamma radiation) generated in the radiation mask by the electron radiation is used to simultaneously with the static and dynamic electrical parameters resulting from the life of the wearer due to the increased dielectric strength in the edge region LBr as a result of the direct radiation with electrons depend on the duration in the central area LBz, for example, to set the free time specifically. The gamma radiation also increases the blocking ability of the pn junctions in the central area LBz, but this effect is not as pronounced as the increase in blocking ability in the peripheral area LBr, since the gamma radiation reduces the carrier life by less than that due to the gamma radiation direct electron radiation. Since the energy of the electrons should be at least one MeV, so that essentially not only elastic collisions occur in the atomic lattice, an electron energy between 1 and 16 MeV and preferably an electron energy of 5 MeV is selected. The related electron density is usually between 10 13 and 10 15 electrons / cm 2 . In order to obtain the appropriate dose of gamma rays, for example 10 12 cm 2 , for setting the dynamic electrical parameters, which depend on the carrier life in the central region, the material and / or the thickness 19 of the radiation mask 15 become corresponding Chosen way. Irradiation masks made of a 1 to 2 cm thick steel or molybdenum disk are preferably used for this purpose.
Fig. 2 zeigt die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf einen planaren Transistor. Dieser besteht zum Beispiel aus einer n-leitenden Schicht 20, einer in diese eingebetteten p leitenden Schicht 21 und einer in diese eingefügten n-leitenden Schicht 22, die jeweils den Kollektor, die Basis und den Emit ter darstellen. Der Emitter ist mit einer Emitterelektrode 23 versehen, der Kollektor mit einer Kollektorelektrode 24 und die Basis mit einer Basiselektrode 25, wobei die Anschlüsse dieser Elektroden aus Gründen einer einfachen Darstellung nicht ge zeigt sind. Die erste Hauptfläche 26 ist zum Beispiel zwischen den Elektroden 23 und 25 mit einer Isolationsschicht 27, zum Beispiel aus Siliziumdioxid, versehen. Nach Anbringung einer Bestrahlungsmaske 15, die den zentralen Bereich LBz des Tran sistors abdeckt, erfolgt eine durch die Pfeile 14 angedeutete Bestrahlung mit Elektronen, die in der Bestrahlungsmaske 15 auf den zentralen Bereich LBz des Transistors gerichtete Brems strahlung (Gammastrahlung) 18 auslösen. Die Elektronen bewirken im Bereich LBr des Randabschlusses 30 des pn-Übergangs 31 zwi schen dem Kollektor 20 und der Basis 21 eine erhebliche Redu zierung der Trägerlebensdauer und damit eine deutliche Erhöhung der Spannungsfestigkeit des Transistors gegenüber einer bei 23 und 24 anliegenden Spannung, die die Kollektorelektrode 24 auf ein positiveres Potential legt als die Emitterelektrode 23 und die den pn-Übergang 31 in Sperrichtung vorspannt. Wie beim Thyristor von Fig. 1 werden durch die Bremsstrahlung zu sätzliche Energiezustände im Atomgitter bewirkt, die eine er höhte Rekombinationsrate zur Folge haben und somit zum Beispiel Speicherladungen schneller abgebaut werden können als in einem unbestrahlten zentralen Bereich LBz. Fig. 2 shows the application of the method according to the invention shows a planar transistor. This consists, for example, of an n-type layer 20 , a p-type layer 21 embedded therein and an n-type layer 22 inserted therein, each of which represents the collector, the base and the emitter. The emitter is provided with an emitter electrode 23 , the collector with a collector electrode 24 and the base with a base electrode 25 , the connections of these electrodes not being shown for reasons of simple illustration. The first main surface 26 is provided, for example, between the electrodes 23 and 25 with an insulation layer 27 , for example made of silicon dioxide. After attaching an irradiation mask 15 , which covers the central region LBz of the transistor, an irradiation with electrons is indicated by the arrows 14 , which in the irradiation mask 15 triggers brake radiation (gamma radiation) 18 directed towards the central region LBz of the transistor. The electrons in the region LBr of the edge termination 30 of the pn junction 31 between the collector 20 and the base 21 significantly reduce the carrier life and thus significantly increase the dielectric strength of the transistor compared to a voltage at 23 and 24 , which is the collector electrode 24 sets to a more positive potential than the emitter electrode 23 and which biases the pn junction 31 in the reverse direction. As with the thyristor of FIG. 1, additional energy states are caused in the atomic lattice by the bremsstrahlung, which results in an increased recombination rate and thus, for example, storage charges can be reduced more quickly than in an unirradiated central region LBz.
Claims (3)
bei dem eine Folge von Halbleiterschichten (1 bis 4) alternie render Leitungstypen vorgesehen sind, die durch pn-Übergänge (7, 8) voneinander getrennt sind,
bei dem Elektroden (5, 6) angebracht sind, über die eine Span nung anlegbar ist, welche wenigstens einen der pn-Übergänge (7, 8) in Sperrichtung vorspannt,
bei dem ein zentraler Bereich (LBz) des Bauelements mit einer Bestrahlungsmaske (15) abgedeckt wird und
bei dem lediglich im Bereich (LBr) des Randabschlusses (12, 13) dieses pn-Übergangs (7, 8) die Trägerlebensdauer und somit der Verstärkungsfaktor durch direkte Bestrahlung mit Elektronen (14) reduziert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke (19) und/oder das Material der Bestrahlungsmaske so gewählt wird, daß gleichzeitig mit der Erhöhung der Span nungsfestigkeit im Randbereich (LBr) mit Hilfe der infolge der Bestrahlung mit Elektronen in der Bestrahlungsmaske entstehen den Bremsstrahlung statische und dynamische elektrische Para meter des Halbleiterbauelements, die von der Trägerlebensdauer im zentralen Bereich (LBz) abhängen, gezielt eingestellt wer den.1. A method for increasing the dielectric strength of a semiconductor component,
in which a sequence of semiconductor layers ( 1 to 4 ) alternie render line types are provided, which are separated from one another by pn junctions ( 7 , 8 ),
are attached to the electrodes ( 5 , 6 ), via which a voltage can be applied, which biases at least one of the pn junctions ( 7 , 8 ) in the reverse direction,
in which a central area (LBz) of the component is covered with an irradiation mask ( 15 ) and
in which only in the area (LBr) of the edge termination ( 12 , 13 ) of this pn junction ( 7 , 8 ) the carrier life and thus the gain factor is reduced by direct irradiation with electrons ( 14 ), characterized in that the thickness ( 19 ) and / or the material of the radiation mask is selected so that at the same time as the voltage resistance in the edge region (LBr) with the help of the radiation radiation generated by the irradiation with electrons in the radiation mask static and dynamic electrical parameters of the semiconductor component, which of the Dependent on the carrier life in the central area (LBz), who can be set specifically.
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