DE4310444C2 - Schnelle Leistungsdiode - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine schnelle Leistungsdiode mit einem weichen Schaltverhalten für einen ein schaltbares Bauelement aufweisenden Kommutierungszweig nach den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 1 sowie ein Verfahren zu deren Herstellung.

Freilaufdioden zur Erzielung kleiner Rückstromspitzen bei der Kommutierung und weichem Rückstromabfall nach dem Maximum der Rückstromspitze und deren Herstellungsverfahren sind mehrfach in der Literatur beschrieben.

DE 38 23 795 A1 legt eine schnelle Leistungsdiode offen, die das angestrebte Recovery- Verhalten durch eine gezielte Herabsetzung der Dotierungskonzentration in der p-Zone erreicht. Hier wird auch bereits die Trägerlebensdauer über Diffusion von Gold oder Platin eingestellt.

DE 36 31 136 A1 beschreibt eine Diode mit weichem Abrißverhalten für den Einsatz in Kommutierungszweigen, bei der durch Einbringen von Strukturen auf der Kathodenseite ein weicher Rückstromabfall erreicht wird.

In DE 36 33 161 A1 wird eine zur Kommutierung geeignete schnelle Leistungsdiode beschrieben, bei der durch Einbau von zusätzlichen Strukturen auf der anodenseitigen p-Zone das gewünschte weiche Verhalten erzielt wird.

Die Optimierung der Parameter von Freilaufdioden wird auch in älteren Erfindungen der Anmelderin angestrebt. So beschreibt DE 41 35 259 C1 eine Freilaufdiodeneinrichtung bestehend aus zwei parallel geschalteten Dioden.

Rekombinationszentren zur Erzielung der kurzen Schaltzeiten werden vielfach durch Diffusion von Schwermetallen, vor allem Gold oder Platin, erzeugt. Eine weitere Methode ist das Erzeugen von Kristallschäden, welche die Eigenschaft der Bildung von Rekombinationszentren besitzen durch Bestrahlen mit hochenergetischen Teilchen. Einerseits ist es möglich, durch Elektronenbestrahlung des gesamten Halbleiterkörpers eine homogene Verteilung der Rekombinationszentren zu erzeugen. Durch Abdecken mit entsprechend geeigneten Masken, wie sie auch in der DE 39 27 899 C2 angewendet werden, sind einzelne Bezirke des Halbleitervolumens veränderbar, die Rekombinationszentren sind jedoch in vertikaler Richtung homogen verteilt.

Andererseits ist es möglich, durch Protonen oder Heliumkerne in dem Volumen des Halbleiterkörpers in definierten Tiefen zusätzliche Rekombinationszentren zu erzeugen. EPA 02 35 550 A1 beschreibt eine solche Methode, hier wird die Lebensdauer der Ladungsträger innerhalb eines axialen Profiles inhomogen in einem Teilbereich herabgesetzt, wobei dieser Teilbereich wenigstens teilweise in der n-Schicht liegt, also verfahrenstechnisch bedingt Teile der durchstrahlten p-Schicht und der pn-Übergang durch die Strahlung in ihrem Ausgangszustand geändert werden.

DE 33 39 393 C2 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung einer unterhalb einer äußeren hochdotierten Zone liegenden Zonenfolge einer Thyristor- Halbleiterstruktur aus Silizium, das zur Erzeugung einer n-Schicht bei Verminderung der dortigen Ladungsträgerlebensdauer Protonen verwendet.

Eine zusammenfassende Betrachtung der Physik und Technologie der durch Bestrahlen erzeugten Rekombinationszentren in Silizium gibt W. Wondrak in seiner Inauguraldissertation (Frankfurt am Main, 1985) unter dem Titel "Erzeugung von Strahlenschäden in Silizium durch hochenergetische Elektronen und Protonen".

Die vorgenannten Verfahren betreffen die Erzeugung eines vertikalen Trägerlebensdauerprofiles in der n⁻-Zone. Auch EP 02 35 550 A1 setzt durch Bestrahlen "wenigstens teilweise in der n⁻-Zone die Lebensdauer der Minotitätsträger in axialer Richtung zwischen Anode und Kathode" herab.

Wir haben überraschend herausgefunden, daß die Bestrahlung mit Heliumkernen oder Protonen in der p-Zone, also in einer geringeren Tiefe des Siliziumkristalles, als es der Lage des pn-Übergangs entspricht, wesentlich vorteilhafter die Parameter der Diode für den Einsatz in Kommutierungszweigen beeinflußt werden. Denn die dem Stand der Technik zuordenbare Bestrahlung der n⁻-Zone bewirkt auch eine Erhöhung der Durchlaßspannung in Abhängigkeit von der Eindringtiefe des Maximums der Strahlenschäden in der n⁻-Zone.

Weiterhin weisen so hergestellte Dioden einen höheren Sperrstrom auf, offensichtlich wirken einige der durch Bestrahlen erzeugten Rekombinationszentren bei Anlegen eines elektrischen Feldes gleichzeitig als Generationszentren, was sich besonders bei höheren Temperaturen bemerkbar macht. Zudem wird die Wirtschaftlichkeit negativ durch die notwendige höhere Energie zur Beschleunigung der Ionen beeinflußt.

Deshalb besteht die Aufgabe der Erfindung darin, das soft­ recovery-Verhalten der Freilaufdiode durch lokale, nur im Volumen der p-Zone liegende Veränderung der sonst homogenen Trägerlebensdauer des Dioden-Halbleiter-Körpers zu verbessern, ohne die Flußspannung und den Sperrstrom wesentlich zu erhöhen.

Die Lösung der Aufgabe besteht bei einer Leistungsdiode der eingangs genannten Art in den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 sowie einem Verfahren zum Herstellen einer sol­ chen Diode in den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 9. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen 2 bis 8 angegeben.

Nach der Erfindung hergestellte Musterdioden mit einer Eindringtiefe der bordotierten p-Zone von 32µm wurden mit Heliumkernstrahlen mit einer Energie von 5,4 MeV behandelt, was einer Eindringtiefe der Störstellen von 17µm entspricht. Hier war ein deutlicher Effekt im Vergleich mit nicht bestrahlten Dioden zu erkennen. Bei sonst gleichen Verfahrensparametern sind überraschende Veränderungen sichtbar, wie sie in der nachfolgenden Tabelle dargestellt sind.

Tabelle 1

Weitere Versuche ergaben, daß in dem Bereich, der in einer Tiefe von 60% bis 95% der p-Eindringtiefe liegt, derselbe Vorteil erreicht werden kann.

Weitere Einzelheiten und Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Figuren und aus dem Verfahrensablauf, wie er für die Herstellung der Freilaufdioden gewählt wurde.

Fig. 1 zeigt einen Querschnitt eines erfindungsgemäßen Diodenausschnittes.

Fig. 2 stellt den Verlauf des Störstellenprofiles eines Diodenausschnittes dar.

Fig. 3 zeigt das Schaltverhalten der in Tabelle 1 ausgewerteten Dioden.

In Fig. 1 ist die Schichtenfolge einer erfindungsgemäßen Diode in nicht maßstabsgerechter Skizze als Ausschnitt dargestellt.

Als Ausgangsmaterial für die Herstellung der Freilaufdiode dient ein hochohmiges n-dotiertes Silizium, es bildet die Zone (3) der späteren Diode. Der Widerstand ist der späteren Sperrspannungsbelastung angepaßt. Durch Diffusion schließt sich eine hochdotierte n⁺-Zone (4) an, die zur Kontaktierung metallisiert (5) wurde. Die gegenüberliegende Fläche wird beispielhaft einer Bordiffusion (2) unterworfen, wodurch der pn-Übergang der Diode gebildet wird, auch diese Oberfläche wird zur Kontaktierung metallisiert (1). Die Störstellenkonzentration der einzelnen Schichten und die Trägerlebensdauer der Minoritätsträger sind früher (DE 38 23 795) beschrieben.

Bei planarem Aufbau der Diode wird eine Randstruktur ausgebildet, wie sie in einer älteren Patentanmeldung DE 42 36 557.0-33 der Anmelderin beschrieben ist. Erfolgt die Ausbildung der Grund-Trägerlebensdauer der Diode mittels Schwermetalldiffusion, so geschieht das vor der Metallisierung, wird die Störstellenkonzentration durch Elektronenbestrahlung bewirkt, dann erfolgt das nach der Metallisierung.

Die erfindungsgemäße Erzeugung zusätzlicher in der p-Zone (2) positionierter lokaler Rekombinationszentren, wie sie durch Strich-Punkte (6) angedeutet sind, erfolgt nach Abschluß aller Hochtemperaturprozesse an der vollständig passivierten und metallisierten Siliziumscheibe. Verwendet werden dazu Ionen, deren Eindringtiefe in Silizium über die Beschleunigungsenergie einstellbar ist. Dazu eignen sich Protonen oder Heliumkerne, es können aber auch Ionen von Elementen höherer Ordnungszahl verwendet werden, allerdings ist die notwendige Beschleunigungsenergie entsprechend wesentlich höher.

Bei der Bestrahlung mittels Protonen muß weiterhin beachtet werden, daß neben der Schaffung von Rekombinationszentren auch eine Beeinflussung der Dotierung erfolgt, diese überlagert die vorhandene und kann selbst zu einer Veränderung auch anderer Bauelementeeigenschaften führen.

Fig. 2 zeigt den Verlauf der Dotierstoffkonzentration der p- Zone der Dioden, deren erfindungsrelevante elektrische Parameter in Tabelle 1 zusammengefaßt worden sind. Der Verlauf der Bordotierung in Abhängigkeit von der Eindringtiefe ist in bezug gesetzt zu der Lage der durch eine Bestrahlung mit Heliumkernen erzeugten Rekombinationszentrendichte in der p-Zone. (Die straffierte Fläche gibt die Lage der Trägerlebensdauer-Senke für die Minotitätsträger an). Das durch Bestrahlen geschädigte Volumen des Diodenkristalles kann sich in dem Raum der p-Zone von 60% bis 95% der p- Eindringtiefe befinden.

In Fig. 3 ist der zeitliche Verlauf der meßtechnisch erfaßten Rückstromspitze der Prüflinge zum Zeitpunkt der Kommutierung bei der in der Tabelle 1 niedergeschriebenen Belastung dargestellt. Bei sonst praktisch gleichbleibenden Parametern führt die Bestrahlung zu einer Reduzierung der Rückstromspitze (Kurvenverlauf 1) und zu einem weicheren Schaltverhalten. Der Kurvenverlauf 2 zeigt die Rückstromspitze der Leistungsdioden vor dem Bestrahlen.

Der p⁺-Emitter weist dotierungsbedingt eine hohe Störstellenkonzentration (10¹⁷ bis 10¹⁹ cm^-3) auf und somit eine niedrige Trägerlebensdauer. Daher war auf den ersten Blick ein Einfluß durch eine Bestrahlung in diesem Bereich nicht zu erwarten. Bei niedrigen Stromdichten (3A/cm²) zeigt sich auch kein Unterschied zwischen bestrahltem und unbestrahltem Bauelement. Hingegen bei hohen Stromdichten von 150A/cm², wie sie unter Einsatzbedingungen auftreten, zeigt sich die erwähnte Reduzierung des Rückstromes. Dies kann dadurch erklärt werden, daß bei hohen Stromdichten die zusätzlichen Rekombinationszentren im p⁺-Emitter doch einen starken Einfluß haben.

Hervorzuheben sei hier der Sperrstrom, denn bei Proben mit einer Heliumkern- Bestrahlung mit Eindringtiefen über den pn- Übergang hinaus bis in die n⁻-Zone hinein weisen einen Anstieg des Sperrstromes auf <10mA auf.

Im Falle der Bestrahlung nach Fig. 2 erreicht die Raumladungszone, die sich bei Sperrpolung ausbildet, bei ihrem Eindringen in die p-Zone nicht den Bereich der zusätzlichen Rekombinationszentren. Dadurch wird ein gleichzeitiges Wirken der Rekombinationszentren als Generationszentren vermieden, wodurch die Lage der relevanten Ausgangsparameter praktisch nicht verändert wird.

Die Verfahrenstechnik zur Herstellung der Freilaufdiode nach der Erfindung ist weitestgehend Stand der Technik, wie er u. a. in DE 38 23 795 A1 und DE 42 36 557.0-33 beschrieben wurde. Einige erfindungsrelevante Besonderheiten werden hier näher erläutert. Der pn-Übergang kann in der erfindungsgemäßen Diode tiefer in das Volumen eingebettet werden. In DE 38 23 795 A1 wurde ein bevorzugter Bereich von 10µm bis 20µm angegeben, er kann in einer Diode nach der Erfindung tiefer gelegt werden, sofern das für das Passivierungs­ verfahren Vorteile bringt. Bei einer planaren Passivierung werden weiterhin Eindringtiefen von <20µm bevorzugt.

Während die Schwermetalldiffusion zur Einstellung der Grundlebensdauer vor der Metallisierung ausgeführt werden muß, kann die homogene Trägerlebensdauer auch noch durch Bestrahlen mittels Elektronen nach der Metallisierung "eingestellt" werden. Erfindungsgemäß kann die Trägerlebensdauer in der n- Zone homogen sein.

Die Bestrahlung z. B. mit Heliumkernen zur Erzielung der Trägerlebensdauer-Senke in der p-Zone wird über die Implantationsenergie gesteuert. Bei 5,4MeV wird eine Eindringtiefe von 25µm erreicht. Da diese Dioden mit einer 8µm dicken Metallisierung aus Aluminium versehen waren und das Abbremsen der Heliumkerne in Aluminium mit der Abbremsung in Silizium vergleichbar ist, sind also die zusätzlichen Störstellen bis zu einer Tiefe von 17µm in die p-Zone eingedrungen.

Bei der Verwendung von Protonen zur Bestrahlung ist die dotierende Wirkung zu beachten. Bei Dioden mit planarer Passivierung findet gerade in dem Bereich, in dem die höchsten Feldstärken auftreten, eine Veränderung der Dotierung statt, was die Sperrfähigkeit beeinträchtigt. Dies kann vermieden werden durch Maskierung des kritischen Bereiches. Vorteilhaft ist es, He⁺⁺-Ionen zu verwenden, da diese keine dotierende Wirkung zeigen.

Es versteht sich auch, daß bei der Berechnung der erwünschten Eindringtiefe der zusätzlichen inhomogenen Störstellen die oberhalb des Siliziums liegenden Schichten , wie Planarschichten, Metallisierungen und Passivierungsschichten anderer Stoffgrundlagen berücksichtigt werden müssen.

Zur Vermeidung von Ausheilprozessen, müssen die erfindungsgemäßen Strahlenschäden in der p-Zone (6) in Fig. 1 nach allen Hochtemperaturprozessen abschließend durchgeführt werden. Vorteilhaft ist es, nach der Bestrahlung mit hochenergetischen Ionen einen gezielten Ausheilprozeß bei Temperaturen zwischen 300°C und 400°C durchzuführen. Dadurch werden die bei niederen Temperaturen ausheilenden Strahlenschäden beseitigt, die Gesamteigenschaften des Diodenchips günstig beeinflußt und bei den Sekundärkontaktierungen der Montagetechnik, dem Löten, findet kein weiteres Ausheilen von Strahlenschäden statt.

Claims (9)

1. Schnelle Leistungsdiode mit einem weichen Schaltverhalten für einen ein schaltbares Bauelement aufweisenden Kommutierungszweig mit einem Halbleiterkörper,

• - der eine Folge schichtförmiger Zonen aufweist, von welchen die hochohmige, mittlere Zone (3) einen ersten Leitungstyp besitzt,
• - der an der einen Seite mit einer hochdotierten ersten Außenzone vom ersten Leitungstyp (4) versehen ist,
• - der an der anderen Seite mit einer zweiten Außenzone (2) vom zweiten Leitungstyp einen np-Übergang einschließt,
• - bei dem die mittlere Zone (3) durch Wahl der Dicke und Dotierungskonzentration die definierte Sperrspannungs­ belastbarkeit aufweist und
• - bei dem die mittlere Zone (3) eine durch Rekombinationszentren eingestellte Trägerlebensdauer aufweist,

dadurch gekennzeichnet, daß zusätzliche Rekombinationszentren (6) in einer Teilschicht der zweiten Außenzone (2), der p-Zone, eingebracht sind.

2. Schnelle Leistungsdiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzlichen Rekombinationszentren (6) durch Bestrahlen mit Ionen, welche im Halbleiterkörper eine eingestellte Reichweite aufweisen, erzeugt wurden.

3. Schnelle Leistungsdiode nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zum Bestrahlen Wasserstoffkerne angewendet werden.

4. Schnelle Leistungsdiode nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zum Bestrahlen Heliumkerne angewendet werden.

5. Schnelle Leistungsdiode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Maximum der Rekombinationszentren (6) in einer Tiefe von 60% bis 95% der p-Schicht (2) liegt.

6. Schnelle Leistungsdiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rekombinationszentren in der mittleren Zone (3) durch Schwermetalldiffusion mittels Platin oder Gold ausgebildet werden.

7. Schnelle Leistungsdiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rekombinationszentren in der mittleren Zone (3) durch Elektronenbestrahlung erzeugt werden.

8. Schnelle Leistungsdiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper planare Passivierungsstrukturen aufweist und die zusätzlichen Rekombinationszentren (6) in der p-Zone (2) sowie im Bereich der Planarstrukturen mittels Bestrahlen durch Heliumkerne erzeugt werden.