DE4306320B4 - Method for increasing the dielectric strength of a multilayer semiconductor component - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Erhöhung der Spannungsfestigkeit eines Halbleiterbauelements,
bei dem eine Folge von Halbleiterschichten (1 bis 4) alternierender Leitungstypen vorgesehen sind, die durch pn-Übergänge (7, 8) voneinander getrennt sind,
bei dem Elektroden (5, 6) angebracht sind, über die eine Spannung 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 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 Spannungsfestigkeit im Randbereich (LBr) mit Hilfe der infolge der Bestrahlung mit Elektronen in der Bestrahlungsmaske entstehenden Bremsstrahlung statische und dynamische elektrische Parameter des Halbleiterbauelements, die von der Trägerlebensdauer im zentralen Bereich (LBz) abhängen, gezielt eingestellt...Method for increasing the dielectric strength of a semiconductor component,
in which a sequence of semiconductor layers (1 to 4) of alternating conductivity types is provided, which are separated from one another by pn junctions (7, 8),
to which electrodes (5, 6) are attached, 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 lifetime by direct irradiation with electrons (14) is reduced,
characterized,
that the thickness (19) and / or the material of the radiation mask is selected such that, at the same time as the dielectric strength in the edge region (LBr) increases, static and dynamic electrical parameters of the semiconductor component are generated with the help of the braking radiation resulting from the radiation with electrons in the radiation mask, that depend on the carrier life in the central area (LBz), specifically set ...

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Figure 00000001

Description

Verfahren zur Erhöhung der Spannungsfestigkeit eines mehrschichtigen Halbleiterbauelements.Method of increasing dielectric strength of a multilayer semiconductor device.

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 Procedure for raising the dielectric strength of a multilayer semiconductor component according to the preamble of claim 1.

Ein Verfahren dieser Art ist beispielsweise aus der US-Patentschrift 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 Elektronenbestrahlung in der Bestrahlungsmaske erzeugte Bremsstrahlung (Gamma-Strahlung), im Bereich unterhalb der Bestrahlungsmaske, die die Ladungsträgerlebensdauer im Halbleiterbauelement verringert, bleibt dabei unberücksichtigt.A method of this type is, for example, from the U.S. patent 3,872,493 of March 18, 1975 known. One for Electron impermeable Irradiation mask related, for example from ordinary Steel or tungsten exists and has a thickness of approx. 4 mm. The one generated as a result of electron radiation in the radiation mask Brake radiation (gamma radiation), in the area below the radiation mask the carrier lifetime reduced in the semiconductor device is not taken into account.

KULKE, B.; FRYE, R.; PENKO, F.: Effects of Irradiation on Hall Probe Sensitivity. In: Particle Accelerator Conference, 1989; Üproceedings of the 1898 IEEE. IEEE-Catalog Number 89CH2669-0 beschreibt den Einfluss von Bremsstrahlung auf die Trägerlebensdauer bei Hall-Sonden.KULKE, B .; FRYE, R .; PENKO, F .: Effects of Irradiation on Hall Probe Sensitivity. In: Particle Accelerator Conference, 1989; Üproceedings of the 1898 IEEE. IEEE Catalog Number 89CH2669-0 describes the Influence of brake radiation on the carrier life with Hall probes.

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, nämlich durch Wählen des Materials und/oder der Dicke der Bestrahlungsmaske gleichzeitig mit der Erhöhung der Spannungsfestigkeit im Randbereich statische und dynamische elektrische Pa rameter des Halbleiterbauelements im zentralen Bereich, wie beispielsweise die Durchlaßspannung oder die Freiwerdezeit, mit Hilfe der infolage der Bestrahlung mit Elektronen in der Bestrahlungsmaske entstehenden Bremsstrahlung gezielt eingestellt werden können.The object of the invention is now based on specifying a method of the type mentioned at the outset that at the same time by irradiation with electrons in addition to a clear one Increasing the dielectric strength also the targeted setting of static and dynamic electrical parameters of the semiconductor component, that of the vehicle life hanging in the central lateral area, allowed. The method according to the invention is particularly characterized in that in a simple manner, namely by Choose the material and / or the thickness of the radiation mask at the same time with the increase the dielectric strength in the edge area static and dynamic electrical parameters of the semiconductor component in the central area, such as forward voltage or the liberation time, with the help of the electron irradiation Braking radiation generated in the radiation mask is specifically set can be.

Die Patentansprüche 2 und 3 sind auf bevorzugte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens gerichtet.Claims 2 and 3 are preferred Developments of the method according to the invention directed.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigtThe invention is described below closer to the drawing explained. It shows

1 die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf einen Thyristor und 1 the application of the method according to the invention to a thyristor and

2 die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf einen planaren Transistor. 2 the application of the method according to the invention to a planar transistor.

In 1 ist ein Thyristor mit einem aus dotiertem Halbleitermaterial, zum Beispiel Silizium, bestehenden Halbleiterkörper 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-leitende 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-Emitter ist mit einer kathodenseitigen Elektrode 6 versehen, die die Teilschichten 1 kontaktiert und mit einem Anschluß K versehen 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 1 shows a thyristor with a semiconductor body consisting of doped semiconductor material, for example silicon. It has four successive layers of alternate line types. These are called the n-type sub-layers 1 existing layer as the n-emitter, the p-type layer 2 than the p-base, the n-type layer 3 as the n base and the p type layer 4 than the p-emitter. The p-emitter has an anode-side electrode 5 made of electrically conductive material, for example aluminum, which has a connection A. The n-emitter has a cathode-side electrode 6 provided that the sub-layers 1 contacted and provided with a connection K. Contacted in the illustrated embodiment 6 also the layer 2 for the formation of 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 vorgespannt. Um eine hohe Spannungsfestigkeit des Thyristors zu gewährleisten, muß dafür Sorge getragen werden, daß ein oberflächenseitiger Durchbruch der pn-Übergänge 7 und 8 erst bei hohen Sperrspannungen eintritt. Zu diesem Zweck wird der Thyristorrand zum Beispiel, wie in 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 Bereich 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 herabgesetzt wird.If a voltage is connected to the connections A and K, the electrode 5 has a more positive potential than the electrode 6 , then the pn transition 7 between layers 2 and 3 biased in the reverse direction. On the other hand, when a voltage is turned on at A and K, the electrode 5 has a more negative potential than the electrode 6 , then the pn transition 8th between layers 3 and 4 biased in the reverse direction. In order to ensure a high dielectric strength of the thyristor, care must be taken to ensure that the pn junctions break through on the surface 7 and 8th only occurs at high reverse voltages. For this purpose, the thyristor edge, for example, as in 1 shown, both from the top major surface 9 as well as from the lower main area 10 starting with a positive angle. This reduces the surface field strength in the area of the lateral boundary surface 11 horizontal side edges 12 and 13 of the pn junctions 7 and 8th reached, by which the risk of breakthrough is reduced at this point.

Zur Erhöhung der Spannungsfestigkeit wird nun lediglich im lateralen Bereich LBr der seitlichen Randabschlüsse 12 und 13 die Trägerlebensdauer durch eine Bestrahlung mit Elektronen reduziert, was in 1 durch vertikale Pfeile 14 angedeutet ist. Durch eine Abdeckung des lateralen Bereichs LBz, also des zentralen Bereichs des Halbleiterbauelements, mit einer Bestrahlungsmaske 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 Trägerlebensdauer, die unmittelbar aus der Bestrahlung mit Elektronen herrührt, lediglich innerhalb von LBr vollzieht und sich die Trägerlebensdauer zum Beispiel von 200 ms auf 10 ms verringert. Damit verringert sich innerhalb von LBr auch der Stromverstärkungsfaktor αpnp erheblich was eine erhöhte Spannungsfestigkeit in diesem Bereich zur Folge hat.To increase the dielectric strength, the lateral edge closures are now only in the lateral region LBr 12 and 13 the carrier life is reduced by irradiation with electrons, which in 1 by vertical arrows 14 is indicated. By covering the lateral region LBz, that is to say the central region of the semiconductor component, with an irradiation mask 15 For example, from a disc about 2 cm thick made of ordinary steel, tungsten, iron, molybdenum, lead but also silicon, the reduction of the carrier life, which results directly from the irradiation with electrons, only takes place and takes place within LBr the carrier lifespan to the Game reduced from 200 ms to 10 ms. The current amplification factor α pnp thus also drops considerably within LBr, which results in increased dielectric strength 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 devices such as For example, thyristors and transistors, the desire in addition to the Achieve a high reverse static and dynamic electrical voltage Parameters such as the forward voltage and the release time of the semiconductor component to be set specifically.

Die elektrischen Parameter, die von der Trägerlebensdauer im zentralen Bereich LBz abhängen, wie beispielsweise die Freiwerdezeit, 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 Freiwerdezeit des Halbleiterbauelements verkürzt wird.The electrical parameters by the carrier life depend in the central area LBz how for example, the time off, for example adjusted by gamma rays directed at the central area LBz be, as a result of the additional generated energy levels in the atomic lattice the recombination rate is increased and thus storage charges are removed more quickly, for example the free time of the semiconductor component is shortened.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird nun die in der Bestrahlungsmaske durch die Elektronenbestrahlung erzeugte Bremsstrahlung (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 Trägerlebensdauer im zentralen Bereich LBz abhängen, zum Beispiel die Freiwerdezeit, gezielt einzustellen. Durch die Gammastrahlung wird auch im zentralen Bereich LBz die Sperrfähigkeit der pn-Übergänge erhöht, allerdings ist dieser Effekt nicht so stark ausgeprägt wie die Erhöhung der Sperrfähigkeit im Randbereich LBr, da die Erniedrigung der Trägerlebensdauer durch die Gammastrahlung 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 Trägerlebensdauer im zentralen Bereich abhängen, zu erhalten, werden das Material und/oder die Dicke 19 der Bestrahlungsmaske 15 in entsprechender Weise gewählt. Bevorzugt werden hierfür Bestrahlungsmasken aus einer 1 bis 2 cm dicken Stahl- oder Molybdän-Scheibe verwandt.According to the method according to the invention, the braking radiation (gamma radiation) generated in the radiation mask by the electron radiation is used to simultaneously, along with the increased dielectric strength in the edge region LBr due to the direct radiation with electrons, also the static and dynamic electrical parameters related to the carrier life in the central region Depend on LBz, for example, to set the free time in a targeted manner. 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 the blocking ability in the edge area LBr, since the gamma radiation reduces the carrier lifetime less than by 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 suitable 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 area, the material and / or the thickness 19 the radiation mask 15 chosen accordingly. Irradiation masks made of a 1 to 2 cm thick steel or molybdenum disk are preferably used for this.

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 Emitter 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 gezeigt 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 Transistors abdeckt, erfolgt eine durch die Pfeile 14 angedeutete Bestrahlung mit Elektronen, die in der Bestrahlungsmaske 15 auf den zentralen Bereich LBz des Transistors gerichtete Bremsstrahlung (Gammastrahlung) 18 auslösen. Die Elektronen bewirken im Bereich LBr des Randabschlusses 30 des pn-Übergangs 31 zwischen dem Kollektor 20 und der Basis 21 eine erhebliche Reduzierung 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 positivertes Potential legt als die Emitterelektrode 23 und die den pn-Übergang 31 in Sperrichtung vorspannt. Wie beim Thyristor von 1 werden durch die Bremsstrahlung zusätzliche Energiezustände im Atomgitter bewirkt, die eine erhöhte Rekombinationsrate zur Folge haben und somit zum Beispiel Speicherladungen schneller abgebaut werden können als in einem unbestrahlten zentralen Bereich LBz. 2 shows the application of the inventive method to a planar transistor. This consists, for example, of an n-type layer 20 , a p-type layer embedded in this 21 and an n-type layer inserted into this 22 , each representing the collector, the base and the emitter. The emitter is with an emitter electrode 23 provided, the collector with a collector electrode 24 and the base with a base electrode 25 , the connections of these electrodes are not shown for reasons of simple illustration. The first main area 26 is for example between the electrodes 23 and 25 with an insulation layer 27 , for example made of silicon dioxide. After applying a radiation mask 15 , which covers the central region LBz of the transistor, is done by the arrows 14 indicated radiation with electrons in the radiation mask 15 Braking radiation directed at the central region LBz of the transistor (gamma radiation) 18 trigger. The electrons cause in the area LBr of the edge termination 30 of the pn transition 31 between the collector 20 and the base 21 a significant reduction in carrier life and thus a significant increase in the dielectric strength of the transistor compared to one 23 and 24 applied voltage to the collector electrode 24 has a more positive potential than the emitter electrode 23 and the pn junction 31 biased in the reverse direction. Like the thyristor from 1 are caused by the braking radiation additional energy states in the atomic lattice, which result in an increased recombination rate and thus, for example, storage charges can be reduced faster than in an unirradiated central area LBz.

Claims (3)

Verfahren zur Erhöhung der Spannungsfestigkeit eines Halbleiterbauelements, bei dem eine Folge von Halbleiterschichten (1 bis 4) alternierender Leitungstypen vorgesehen sind, die durch pn-Übergänge (7, 8) voneinander getrennt sind, bei dem Elektroden (5, 6) angebracht sind, über die eine Spannung 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 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 Spannungsfestigkeit im Randbereich (LBr) mit Hilfe der infolge der Bestrahlung mit Elektronen in der Bestrahlungsmaske entstehenden Bremsstrahlung statische und dynamische elektrische Parameter des Halbleiterbauelements, die von der Trägerlebensdauer im zentralen Bereich (LBz) abhängen, gezielt eingestellt werden.Method for increasing the dielectric strength of a semiconductor component, in which a sequence of semiconductor layers ( 1 to 4 ) alternating line types are provided, which are replaced by pn junctions ( 7 . 8th ) are separated from each other, in which electrodes ( 5 . 6 ) are attached, via which a voltage can be applied, which at least one of the pn junctions ( 7 . 8th ) in the reverse direction, in which a central area (LBz) of the component with an irradiation mask ( 15 ) is covered and where only in the area (LBr) of the edge seal ( 12 . 13 ) this pn transition ( 7, 8 ) the lifetime of the carrier by direct irradiation with electrons ( 14 ) is reduced, characterized in that the thickness ( 19 ) and / or the material of the radiation mask is selected such that, at the same time as the dielectric strength in the edge region (LBr) is increased, static and dynamic electrical parameters of the semiconductor component, which depend on the carrier life in the central area (LBz) depend, be set specifically. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß gleichzeitig mit der Erhöhung der Spannungsfestigkeit die Freiwerdezeit des Halbleiterbauelements gezielt eingestellt wird.A method according to claim 1, characterized in that simultaneously with the increase in the Dielectric strength, the release time of the semiconductor component is specifically set. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestrahlungsmaske aus Stahl, Eisen, Blei, Molybdän oder Wolfram besteht und eine Dicke (19) von mindestens 1 cm und höchstens 2 cm aufweist.A method according to claim 1 or 2, characterized in that the radiation mask consists of steel, iron, lead, molybdenum or tungsten and a thickness ( 19 ) of at least 1 cm and at most 2 cm.
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