WO2004008546A1 - Halbleiterbauelement mit integriertem radialsymmetrischem widerstand - Google Patents

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WO2004008546A1
WO2004008546A1 PCT/EP2003/007059 EP0307059W WO2004008546A1 WO 2004008546 A1 WO2004008546 A1 WO 2004008546A1 EP 0307059 W EP0307059 W EP 0307059W WO 2004008546 A1 WO2004008546 A1 WO 2004008546A1
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WO
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resistance
semiconductor component
component according
inhomogeneities
radially symmetrical
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PCT/EP2003/007059
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Hans-Joachim Schulze
Franz-Josef Niedernostheide
Kellner-Werdehausen
Frank Pfirsch
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eupec Europäische Gesellschaft für Leistungshalbleiter mbH
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
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    • H01L29/70—Bipolar devices
    • H01L29/74—Thyristor-type devices, e.g. having four-zone regenerative action
    • H01L29/7404—Thyristor-type devices, e.g. having four-zone regenerative action structurally associated with at least one other device
    • H01L29/7408—Thyristor-type devices, e.g. having four-zone regenerative action structurally associated with at least one other device the device being a capacitor or a resistor
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    • H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/86—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable only by variation of the electric current supplied, or only the electric potential applied, to one or more of the electrodes carrying the current to be rectified, amplified, oscillated or switched
    • H01L29/8605—Resistors with PN junctions

Definitions

  • the present invention relates to a semiconductor component arranged in a semiconductor body and having at least one integrated lateral resistor.
  • Such semiconductor components can be of any design, that is to say they can be a thyristor, an IGBT, a MOSFET, a J-FET, a bipolar transistor or simply a resistance structure in a semiconductor layer of whatever type.
  • the structure and mode of operation of such semiconductor components is widely known, so that a detailed description of these semiconductor components can be dispensed with here.
  • a thyristor with a radially symmetrical resistance structure is to be assumed as an example of a semiconductor component, but without restricting the invention to this semiconductor component.
  • Integrated resistors play a major role in power semiconductor devices in general and in high voltage thyristors in particular. For example, you will be in
  • Thyristor structures with so-called amplifying gate structure implemented to limit the rate of current rise when the thyristor is switched on. Without integrated resistors, such thyristor structures risk being destroyed.
  • a thyristor with an amplifying gate structure is described, for example, in German Patent DE 42 15 378 Cl.
  • An exemplary further development of this thyristor structure is described in DE 196 50 762 AI, in particular there in FIGS. 1, 3 and 4.
  • high-performance thyrists and methods for realization are of integrated resistors in thyristors in an article by VAK Te ple, "Advanced Light Triggered Thyristor for Electric Power Systems", IEEE International Conference Thyristors and Variable and Static Equipment for AC and DC Transmission (1981).
  • Integrated resistors in thyristor structures have the purpose of limiting the current through one or more of the so-called amplifying gate stages in order to prevent possible destruction of the component under extreme switching conditions.
  • a thyristor with an amplifying gate structure is usually constructed with radial symmetry.
  • the main emitter is arranged concentrically around one or more auxiliary emitters which are contacted via auxiliary emitter electrodes or so-called amplifying gate electrodes.
  • An integrated lateral resistor for protecting the thyristor can be provided between one or more of these amplifying gate electrodes, which is arranged in a resistance range provided for this purpose.
  • the amplifying gate electrodes are typically circular.
  • the integrated lateral resistance is also preferably of a radially symmetrical shape.
  • the value of the integrated lateral position R depends on the one hand on the sheet resistance R s and on the other hand on the inner ri and outer radius r a of the resistance range. In the case of radially symmetrical resistance structures, the following applies for the integrated lateral resistance R:
  • the sheet resistance R s is dependent on the doping concentration and the mobility of the charge carriers in the semiconductor layer.
  • the layer resistance R s is set, for example, by doping and the selected diffusion parameters (temperature, duration of the diffusion). In the case of a homogeneously doped resistance structure, the sheet resistance is therefore constant.
  • Radially symmetrical lateral resistors however, often consist of an annular resistance area that contains one or more annular non-homogeneous resistance areas.
  • European patent EP 472 880 B1 discloses a thyristor with such a lateral inhomogeneous resistance structure and a method for its production. These radially symmetrical inhomogeneities are arranged at equidistant distances from one another and also have the same ring thickness.
  • Protective voltage affects. Since the values of the lateral resistance and the protective voltage depend on the temperature, de further temperature increase in the component itself to change these set values. In extreme conditions, that is to say with high currents and / or voltages, the lateral resistance is therefore overloaded there and thermally destroyed, which should understandably be avoided under all circumstances.
  • the present invention is therefore based on the object of realizing a preferably radial location dependence of the sheet resistance R s in such a way that, in addition to the requirement for the total resistance R, a further requirement for a second physically relevant parameter is fulfilled.
  • An implementation according to the invention comprises a generic semiconductor component with a location-independent differential resistance, that is to say, for example, a sheet resistance R s that is linearly dependent on r.
  • a differential resistance could be provided which is such that the power dissipated in the resistance no longer depends (or only weakly) on the radial component.
  • the temperature resistance is also significantly improved, since the radially inner resistance area is relieved by a greater resistance contribution from the outer areas.
  • the largely constant differential resistance is typically set by means of inhomogeneities arranged in the resistance range. These inhomogeneities are preferably arranged radially symmetrically in the resistance region and have e.g. a different electrically active doping concentration compared to the doping of the other, homogeneously doped resistance areas.
  • the radially symmetrical inhomogeneity can be designed as follows:
  • the inhomogeneities have a locally changed (preferably increased) sheet resistance due to radiation than the original resistance range.
  • the inhomogeneities have a changed, preferably higher, doping concentration than the resistance region.
  • Radially symmetrical inhomogeneities in which the resistance is locally reduced or the doping is locally increased, can be realized by one or more of the following measures:
  • the radially symmetrical inhomogeneities can take the following forms in the projection surface of the semiconductor body:
  • the inhomogeneities are designed as concentric circular rings.
  • the inhomogeneities are formed as points or circles, which are arranged concentrically around the center of the radially symmetrical semiconductor component. In principle, other geometries are also conceivable (apart from points, circles).
  • the semiconductor component itself is advantageously designed as a thyristor, in particular as a high-voltage thyristor. Furthermore, the thyristor is in a very advantageous
  • FIG. 1 shows a partial section of an amplifying gate structure of a thyristor with an integrated resistor according to the invention
  • FIG. 2 using partial sections (a) - (b), a first method for realizing an integrated lateral resistor with a location-independent differential resistor;
  • FIG. 3 shows, using partial sections (a) - (c), a second method for realizing an integrated lateral resistor with location-independent differential resistance.
  • Figure 1 shows a partial section of a thyristor known from the aforementioned DE 196 50 762 AI.
  • a semiconductor body for example a silicon wafer, contains an n ⁇ -doped anode-side base zone 2.
  • a p + -doped emitter zone 5 adjoins the base zone 2. Large contact is made with the emitter zone 5 on the rear side of the pane 13 via an anode electrode 6.
  • a p-doped base zone 3 follows on the cathode side.
  • the base zone 3 contains a cutout 4, the base zone 3 in the central region 8 of the thyristor defining an area with a reduced breakdown voltage via its geometry.
  • a region with a reduced breakdown voltage is also known to the person skilled in the art as a BOD region and is used in particular in the case of so-called overhead ignitable thristors.
  • n + -doped emitter zones 7 are embedded in the base zone 3, which can be, for example, the auxiliary emitter zones of auxiliary thyristors.
  • the emitter zones 7 are contacted by emitter electrodes 10.
  • the emitter electrodes 10 also contact the base zone 3 on the outside.
  • the semiconductor component is constructed rotationally symmetrically with respect to the axis 15 which is perpendicular to the two surfaces 13, 14 of the semiconductor body 1 and runs in the central region 9 'of the semiconductor component.
  • the cathode-side base zone 3 and the emitter zones 7 as well as the corresponding electrodes 10 are circular or annular in the plane of the surface of the semiconductor body 1.
  • the thyristor according to the invention is preferably a ring thyristor.
  • the shapes of the zones and layers 3 to 8 shown above are not mandatory. They can also deviate from the circular shape or circular ring shape and, for example, be polygonal.
  • the thyristor shown in the partial section in FIG. 1 furthermore has a customary amplifying gate structure and one integrated lateral resistor R arranged in a resistance region 9.
  • the integrated resistance region 9 is located between two auxiliary emitters of the amplifying gate structure, specifically between the third and fourth amplifying gates AG3, AG4.
  • the resistance region 9 has radially symmetrical, inhomogeneous resistance regions (not shown in FIG. 1) in such a way that the differential resistance of the lateral resistance R is thereby location-independent, ie constant.
  • the resistance area 9 consists of a plurality of annular resistance rings.
  • the resistance region 9 contains annular inhomogeneous regions which have an increased or decreased layer resistance compared to the other regions of the resistance region 9 and which have been produced by local doping, irradiation or etching.
  • FIG. 2 (a) shows a silicon layer 20 arranged in a semiconductor body 1, in which the radially homogeneously doped resistance region 9 is embedded.
  • Any mask 21, for example made of silicon dioxide or photoresist, has been applied to the surface of the semiconductor body 1 in the region of the resistance region 9.
  • the exposed areas of the mask 22 define radially symmetrical, circular ring-shaped areas.
  • FIG. 2 (b) shows the progress of the realization of the resistance area 9 according to the invention from FIG. 2 (a).
  • the radially symmetrical circular inhomogeneities 23 are generated within the resistance region 9. These inhomogeneities 23 either have an increased defect density generated by irradiation and thus a higher resistance, or alternatively they can have one by diffusion or
  • Ion implantation of doping elements of the same power type caused a higher doping concentration and thus a lower resistance.
  • a radially constant sheet resistance in the resistance range is assumed, the resistance range being irradiated with ions via a correspondingly structured mask.
  • defects are generated in the resistance region 9 at the locations of the irradiation, so that the conductivity is reduced at these locations.
  • a typical mask shape forms, for example, an arrangement with concentric rings, the width b of the inhomogeneities embedded therein increasing towards the outside and / or the ring spacing a decreasing towards the outside.
  • the respective widths b and distances a are adjusted so that the required properties are met according to the radially constant differential resistance.
  • the mask 21 it is also conceivable to design the mask 21 as a mask with corresponding spatial thickness variations, so that there is more absorption of the radiation at the locations of increased thickness than at locations of smaller thickness, which means that a lower defect density and thus a lower resistance is provided at the locations of greater thickness. is riert. While the shape of the mask is largely determined by the spatial course of the resistance, the absolute resistance value of the lateral resistance can moreover be set very precisely by means of an additional, spatially homogeneous radiation.
  • the depths t1, t2 of the inhomogeneities 23 and / or the resistance range 9 could also be varied in a suitable manner.
  • a homogeneous dopant coating 24 is applied to the surface of the silicon layer 20.
  • a structured mask 21, which has the function of an etching barrier, is in turn applied to this.
  • FIG. 3 (b) shows the progress of the realization of the resistance range 9 according to the invention from FIG. 3 (a), in which the semiconductor body 1 is subjected to an etching process - in the example in FIG. 3 (b) this is a wet chemical etching process.
  • the exposed areas 22 of the dopant covering 24 are etched away by the etching, the areas of the dopant covering 24 below the mask 21 remaining with the exception of a more or less severe undercut and forming a structured dopant covering 24 ′.
  • FIG. 3 (c) shows the progress of the implementation from FIG. 3 (b).
  • the silicon layer 20 is shown here after a diffusion process in which dopants diffuse from the structured dopant coating 24 ′ into the layer 20 and can form the spatially structured resistance region 9 there.
  • the integrated, approximately location-independent resistor with location-dependent sheet resistance sketched in FIG. 3 is advantageously the result of a relatively rapidly diffusing, doping element.
  • this element can, for example, by
  • the absolute resistance value can be set by the occupancy value, the selected diffusion time and the diffusion temperature.
  • the entire course of the process can of course be preceded by a preceding, unmasked doping process (diffusion or implantation) in order to generate a homogeneous basic doping.
  • An exemplary embodiment for producing a resistance curve with certain spatial properties consists in distributing the doping elements radially inhomogeneously in the semiconductor body 1 instead of by masking the dopant by masking ion implantation (or also diffusion).
  • a mask for example made of silicon dioxide (SiO 2 ), silicon nitride (Si 3 N) or photoresist, ensures that the dopant to be diffused can only penetrate locally into the semiconductor body 1 during the doping phase (implantation or diffusion). Local doping wells are thereby produced in the semiconductor body 1. The dopant is then further diffused into the semiconductor body 1.
  • an arrangement of concentric rings is again suitable for the structure of the etching mask 21, the width (b1) of which decreases towards the outside in order to achieve a radially constant differential resistance and / or in which the ring spacing (a1) towards the outside increases.
  • this measure modifies the radial course of the sheet resistance with radially unchanged parameters al and bl in such a way that one over the Electrical voltage drop across the resistor is distributed more evenly across the resistor and thus the power dissipated in the resistor is also better distributed radially.
  • the final course of resistance is produced by a final diffusion step.
  • the invention is not restricted exclusively to the exemplary embodiments shown in FIGS. 1 to 3. Instead, a large number of new variants can be specified, for example, by exchanging the conductivity types n for p and vice versa, and by varying the doping concentrations.
  • the different methods described above for producing a semiconductor component with an integrated, inhomogeneous resistance range can also be combined and can be applied to both n- and p-type resistance ranges.
  • the methods according to the invention can be used to implement any type of semiconductor component.
  • the methods described for producing a Thyristors used.
  • many other known methods for producing the radially symmetrical resistance structures with constant differential resistance could also be specified, which are within the scope of the technical knowledge of a person skilled in the art.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein in einem Halbleiterkörper (1) angeordnetes Halbleiterbauelement mit mindestens einem integrierten radialsymmetrischen Lateralwiderstand (9) mit ortsabhängigem Schichtwiderstand, dessen radiale Abhängigkeit vorzugsweise so gestaltet ist, dass der differentielle Widerstand dR radial konstant ist oder die im Widerstand dissipierte Leistung radial konstant ist.

Description

HALB ETITERBAUE EMENT MIT ITEGRIERTEM RADIA SYMETRISCHEM WIDERSTAND
Die vorliegende Erfindung betrifft ein in einem Halbleiterkorper angeordnetes Halbleiterbauelement mit mindestens einem integrierten Lateralwiderstand.
Solche Halbleiterbauelemente können beliebig ausgebildet sein, das heißt, es kann sich hier um einen Thyristor, einen IGBT, einen MOSFET, einen J-FET, einen Bipolartransistor oder schlicht um eine Widerstandsstruktur in einer wie auch immer ausgebildeten Halbleiterschicht handeln. Der Aufbau und die Funktionsweise solcher Halbleiterbauelemente ist vielfach bekannt, so dass hier auf eine detaillierte Beschreibung dieser Halbleiterbauelemente verzichtet werden kann. Im folgenden soll als Beispiel eines Halbleiterbauelementes von einem Thyristor mit einer radialsymmetrisch ausgebildeten Widerstands- Struktur ausgegangen werden, ohne jedoch die Erfindung auf dieses Halbleiterbauelement zu beschränken.
Integrierte Widerstände spielen in Leistungs-Halbleiterbauelementen im Allgemeinen und bei Hochspannungsthyristören im Besonderen eine große Rolle. Sie werden beispielsweise in
ThyristorStrukturen mit sogenannter Amplifying-Gate-Struktur implementiert, um die Stromanstiegsgeschwindigkeit beim Einschalten des Thyristors zu begrenzen. Ohne integrierte Widerstände riskieren solche Thyristorstrukturen zerstört zu wer- den .
Der Aufbau eines Thyristors mit einer Amplifying-Gate- Struktur ist beispielsweise in dem Deutschen Patent DE 42 15 378 Cl beschrieben. Eine beispielhafte Weiterentwicklung die- ser Thyristor-Struktur ist in der DE 196 50 762 AI, insbesondere dort in den Figuren 1, 3 und 4, beschrieben. Weiterhin sind Hochleistungsthyristören und Verfahren zur Realisierung von integrierten Widerständen in Thyristoren in einem Artikel von V.A.K. Te ple, "Advanced Light Triggered Thyristor for Electric Power Systems", IEEE International Conference Thyristors and Variable and Static Equipment for AC and DC Transmission (1981) beschrieben.
In Thyristorstrukturen haben integrierte Widerstände den Zweck, den Strom durch eine oder mehrere der sogenannten Amplifying-Gatestufen zu begrenzen, um damit einer möglichen Zerstörung des Bauelements unter extremen Schaltbedingungen vorzubeugen. Ein Thyristor mit Amplifying-Gatestruktur ist meist radialsymmetrisch aufgebaut. Der Hauptemitter ist konzentrisch um eine oder mehrere Hilfsemitter angeordnet, die über Hilfsemitterelektroden bzw. sogenannte Amplifying-Gate- Elektroden kontaktiert sind. Zwischen einer oder mehreren dieser Amplifying-Gate-Elektroden kann ein integrierter Lateralwiderstand zum Schutz des Thyristors vorgesehen sein, der in einem eigens dafür vorgesehenen Widerstandsbereich angeordnet ist. Die Amplifying-Gate-Elektroden sind typischerwei- se kreisringfδrmig ausgebildet. Dadurch bedingt ist auch der integrierte Lateralwiderstand vorzugsweise von radialsymmetrischer Form. Der Wert des integrierten Lateralstandes R hängt zum einen vom Schichtwiderstand Rs und zum anderen vom Innen- ri und Außenradius ra des Widerstandsbereiches ab. Bei radialsymmetrischen Widerstandsstrukturen gilt also für den integrierten Lateralwiderstand R:
Figure imgf000004_0001
Für den differentiellen Widerstand dR(r) einer radialsymmetrischen Widerstandsstruktur gilt dann:
dR(r) = -^-dr. (2) Der Schichtwiderstand Rs ist abhängig von der Dotierungskonzentration sowie der Beweglichkeit der Ladungsträger in der Halbleiterschicht. Bei einer durch Diffusion erzeugten Widerstandsschicht wird der Schichtwiderstand Rs z.B. durch eine Dotierungsbelegung sowie die gewählten Diffusionsparameter (Temperatur, Dauer der Diffusion) eingestellt. Bei einer homogen dotierten Widerstandsstruktur ist somit der Schichtwiderstand konstant .
Radialsymmetrische Lateralwiderstände bestehen jedoch häufig aus einem kreisringförmigen Widerstandsbereich, der eine oder mehrere kreisringförmige inhomogene WiderStandsbereiche enthält. In dem Europäischen Patent EP 472 880 Bl, insbesondere deren Figuren 1 und 2, ist ein Thyristor mit einer solchen lateralen inhomogenen WiderstandsStruktur sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung offenbart. Diese radialsymmetrischen Inhomogenitäten sind dort in äquidistanten Abständen zueinander angeordnet und weisen auch eine gleiche Ringdicke auf .
Das Problem bei einer solchen radialsymmetrischen Widerstandsstruktur besteht darin, dass der differentielle Widerstand dR(r) bei ortsunabhängigem Schichtwiderstand mit wachsendem Radius r immer kleiner wird. Eine solche radiale Abhängigkeit des differentiellen Widerstands dR ist dann beson- ders gravierend, wenn der Lateralwiderstand R unter bestimmten Schaltbedingungen, insbesondere bei hohen Strömen und/oder Spannungen, extrem stark belastet wird. Aufgrund der Ortsabhängigkeit des differentiellen Widerstandes wird in den inneren Widerstandsbereichen, die gegenüber den äußeren Wi- derstandsbereichen einen signifikant höheren differentiellen
Widerstand aufweisen, eine entsprechend höhere Leistung dis- sipiert. Die höhere dissipierte Leistung führt an diesen Stellen zu einer zusätzlichen Temperaturerhöhung, die sich auf das Temperaturverhalten sowohl des Lateralwiderstandes selbst als auch der durch den BOD-Bereich eingestellten
SchutzSpannung auswirkt. Da die Werte des Lateralwiderstandes und der SchutzSpannung von der Temperatur abhängen, führt je- de weitere Temperaturerhöhung im Bauelement selbst zu einer Veränderung dieser eingestellten Werte. Bei extremen Bedingungen, das heißt bei hohen Strömen und/oder Spannungen, wird der Lateralwiderstand daher dort überlastet und thermisch zerstört, was verständlicherweise unter allen Umständen vermieden werden sollte.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine vorzugsweise radiale Ortsabhängigkeit des Schichtwider- Standes Rs derart zu realisieren, dass neben der Anforderung an den Gesamtwiderstand R eine weitere Anforderung an einen zweiten physikalisch relevanten Parameter erfüllt ist.
Die Aufgabe wird durch ein Halbleiterbauelement gemäß An- spruch 1 gelöst. Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Erfindungsgedankens sind in Unteransprüchen gekennzeichnet.
Eine erfindungsgemäße Realisierung umfasst ein gattungsgemäßes Halbleiterbauelement mit einem ortsunabhängigen differen- tiellen Widerstand, also beispielsweise einem linear von r abhängigem Schichtwiderstand Rs. Alternativ könnte ein diffe- rentieller Widerstand vorgesehen werden, der so beschaffen ist, dass die im Widerstand dissipierte Leistung nicht mehr (oder nur noch schwach) von der Radialkomponente abhängt. In beiden vorgeschlagenen Fällen ist auch die Temperaturbelastbarkeit deutlich verbessert, da der radial innen liegenden Widerstandsbereich durch einen stärkeren Widerstandsbeitrag der außen liegenden Bereiche entlastet wird.
Die folgenden Ausführungen beziehen sich auf die Realisierung eines gattungsgemäßen Halbleiterbauelementes, bei dem der differentielle Widerstand dR des Laterialwiderstandes ortsunabhängig ausgebildet ist. Es gilt:
dR/dr « K, wobei mit dr der differentielle Radius des Lateralwiderstandes bezeichnet ist und K eine beliebige Konstante darstellt.
Die Einstellung des weitestgehend konstanten differentiellen Widerstandes erfolgt typischerweise mittels im Widerstandsbereich angeordneten Inhomogenitäten. Diese Inhomogenitäten sind in dem Widerstandsbereich vorzugsweise radialsymmetrisch angeordnet und weisen z.B. gegenüber der Dotierung der übrigen, homogen dotierten Widerstandsbereiche eine unterschied- liehe elektrisch aktive Dotierungskonzentration auf.
Die radialsymmetrischen Inhomogenität können wie folgt ausgebildet sein:
- Die Inhomogenitäten weisen durch Bestrahlung einen lokal veränderten (vorzugsweise erhöhten) Schichtwiderstand auf als der ursprüngliche Widerstandsbereich.
- Die Inhomogenitäten weisen durch Dotierung, beispielsweise Diffusion oder Implantation, eine veränderte, vorzugsweise höhere Dotierungskonzentration als der Wider- Standsbereich auf.
Radialsymmetrische Inhomogenitäten, bei denen der Widerstand lokal erniedrigt bzw. die Dotierung lokal erhöht ist, können durch eine oder mehrere der nachfolgenden Maßnahmen reali- siert sein:
- Die Breite oder der Durchmesser der Inhomogenitäten nimmt mit zunehmendem Radius ab .
- Der Abstand der Inhomogenitäten zueinander nimmt in radialer Richtung mit zunehmendem Radius zu. - Die elektrisch aktive Dotierungskonzentration der Inhomogenitäten nimmt mit zunehmendem Radius ab.
Wird mit ansteigender Tiefe, mit der die Bereiche mit Inhomogenitäten in den Halbleiterkorper hineinragen, der Schichtwi- derstand an den jeweiligen Inhomogenitäten lokal erhöht (z.B. durch lokales Bestrahlen oder Ätzen) , so nimmt diese Tiefe mit zunehmendem Radius zu. Die radialsymmetrischen Inhomogenitäten können in der Projektion Oberfläche des Halbleiterkörpers die folgenden Formen annehmen : - Die Inhomogenitäten sind als konzentrische Kreisringe ausgebildet . - Die Inhomogenitäten sind als Punkte oder Kreise ausgebildet, die konzentrisch um den Mittelpunkt des radialsymmetrischen Halbleiterbauelementes angeordnet sind. Prinzipiell denkbar sind auch andere Geometrien (außer Punkte, Kreise) .
Das Halbleiterbauelement selbst ist vorteilhafterweise als Thyristor, insbesondere als Hochspannungsthyristor, ausgebil- det. Ferner ist der Thyristor in einer sehr vorteilhaften
Ausgestaltung radialsymmetrisch ausgebildet und weist insbesondere radialsymmetrische Emitterbereiche auf.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der in den Figuren der Zeichnung angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert: Es zeigt dabei:
Figur 1 einen Teilschnitt einer Amplifying-Gate Struktur eines Thyristors mit erfindungsgemäßem integriertem Widerstand;
Figur 2 anhand von Teilschnitten (a) - (b) ein erstes Verfahren zur Realisierung eines integrierten Lateral - Widerstands mit ortsunabhängigem differentiellen Wi- derstand;
Figur 3 anhand von Teilschnitten (a) - (c) ein zweites Verfahren zur Realisierung eines integrierten Lateral - Widerstands mit ortsunabhängigem differentiellen Wi- derstand. Figur 1 zeigt einen Teilschnitt eines aus der eingangs genannten DE 196 50 762 AI bekannten Thyristors. Ein Halbleiterkorper 1, beispielsweise eine Siliziumscheibe, enthält eine n~-dotierte anodenseitige Basiszone 2. Anodenseitig grenzt eine p+ -dotierte Emitterzone 5 an die Basiszone 2 an. Die Emitterzone 5 ist an der Scheibenrückseite 13 großflächig ü- ber eine Anodenelektrode 6 elektrisch kontaktiert. Kathoden- seitig schließt sich eine p-dotierte Basiszone 3 an. Die Basiszone 3 enthält eine Aussparung 4, wobei die Basiszone 3 im zentralen Bereich 8 des Thyristors über seine Geometrie einen Bereich mit reduzierter Durchbruchspannung definiert. Ein solcher Bereich mit reduzierter Durchbruchspannung ist dem Fachmann auch als BOD-Bereich bekannt und wird insbesondere bei sogenannten Überkopfzündbaren Thristoren verwendet.
Kathodenseitig sind in der Basiszone 3 n+-dotierte Emitterzonen 7 eingebettet, die beispielsweise die Hilfsemitterzonen von Hilfsthyristoren sein können. Die Emitterzonen 7 werden durch Emitterelektroden 10 kontaktiert. Außerdem kontaktieren die Emitterelektroden 10 an der Außenseite auch die Basiszone 3.
Das Halbleiterbauelement ist rotationssymmetrisch bezüglich der senkrecht auf den beiden Oberflächen 13, 14 des Halblei- terkörpers 1 stehenden Achse 15, die im zentralen Bereich 9» des Halbleiterbauelementes verläuft, aufgebaut. Die kathoden- seitige Basiszone 3 und die Emitterzonen 7 sowie die entsprechenden Elektroden 10 sind in der Ebene der Oberfläche des Halbleiterkörpers 1 kreisförmig oder kreisringförmig ausge- bildet. Der erfindungsgemäße Thyristor ist vorzugsweise ein Ringthyristor. Die dargestellten Formen der oben genannten Zonen und Schichten 3 bis 8 sind jedoch nicht zwingend. Sie können auch von der Kreisform bzw. Kreisringform abweichen und beispielsweise polygonal ausgeformt sein.
Der in dem Teilschnitt in Figur 1 dargestellte Thyristor weist ferner eine übliche Amplifying-Gate-Struktur und einen in einem Widerstandsbereich 9 angeordneten integrierten Lateral-Widerstand R auf. Der integrierte Widerstandsbereich 9 befindet sich zwischen zwei Hilfsemittern der Amplifying- Gate-Struktur und zwar zwischen dem dritten und vierten Amplifying-Gate AG3 , AG4. Der Widerstandsbereich 9 weist in Figur 1 nicht dargestellte radialsymmetrische, inhomogene Widerstandsbereiche derart auf, dass der differentielle Widerstand des Lateralwiderstandes R dadurch ortsunabhängig, d. h. konstant ist.
Solche inhomogenen Widerstandsbereiche, die nachfolgend auch als Inhomogenitäten innerhalb des Widerstandsbereiches 9 bezeichnet werden, können beispielsweise wie folgt ausgebildet sein: - Der Widerstandsbereich 9 besteht aus einer Mehrzahl kreisringförmiger Widerstandsringe .
Der Widerstandbereich 9 enthält kreisringförmige inhomogene Bereiche, die gegenüber den übrigen Bereichen des Widerstandbereichs 9 einen erhöhten oder erniedrigten Schichtwiderstand aufweisen und durch lokales Dotieren, Bestrahlen oder Ätzen erzeugt worden sind.
Nachfolgend wird anhand zweier Ausführungsbeispiele beschrieben, wie dieser erfindungsgemäße Widerstandsbereich 9 mit konstantem differentiellen Widerstand hergestellt werden kann.
Ausführungsbeispiel 1:
Figur 2 (a) zeigt eine in einem Halbleiterkorper 1 angeordnete Siliziumschicht 20, in den der radial homogen dotierte Widerstandsbereich 9 eingebettet ist. Auf die Oberfläche des Halbleiterkörpers 1 im Bereich des Widerstandsbereiches 9 ist eine beliebige Maske 21, beispielsweise aus Siliziumdioxid oder Photolack, aufgebracht worden. Die freigelegten Bereiche der Maske 22 definieren radialsymmetrische, kreissringförmige Bereiche. Die Figur 2 (b) zeigt den Fortgang der Realisierung des erfindungsgemäßen Widerstandsbereiches 9 aus Figur 2 (a) . Nach einem geeigneten Prozessschritt, beispielsweise einer Bestrah- lung, einer Diffusion, einer Implantation oder dergleichen, werden die radialsymmetrischen kreissringförmigen Inhomogenitäten 23 innerhalb des Widerstandsbereiches 9 erzeugt. Diese Inhomogenitäten 23 weisen entweder eine durch Bestrahlung erzeugte erhöhte Defektdichte und somit einen höheren Wider- stand auf oder können alternativ eine durch Diffusion oder
Ionenimplantation von Dotierelementen gleichen Leistungstyps bewirkte höhere Dotierungskonzentration und damit einen niedrigeren Widerstand aufweisen.
Im ersteren Falle wird zur Erzielung eines räumlich inhomogenen Lateralwiderstands von einem radial konstanten Schichtwiderstand im Widerstandsbereich ausgegangen, wobei der Widerstandsbereich über eine entsprechend strukturierte Maske mit Ionen bestrahlt wird. Dadurch werden an den Stellen der Be- Strahlung Defekte im Widerstandsbereich 9 erzeugt, so dass die Leitfähigkeit an diesen Stellen abgesenkt wird. Eine typische Maskenform bildet im Falle eines ringförmigen Widerstandsbereiches beispielsweise eine Anordnung mit konzentrischen Ringen, wobei die Breite b der darin eingebetteten In- homogenitäten 23 nach außen hin zunimmt und/oder bei denen der Ringabstand a nach außen hin abnimmt. Dabei werden die jeweiligen Breiten b und Abstände a so angepasst, dass die geforderten Eigenschaften nach dem radial konstanten diffe- rentiellen Widerstand erfüllt werden. Durch diese Maßnahme wird im Gegensatz zu der in der Deutschen Patentanmeldung DE 19 640 311.1 (von H.-J. Schulze) beschriebenen radial homogenen Absenkung des Schichtwiderstandes der radiale Verlauf des Schichtwiderstandes derart modifiziert, dass eine über dem Widerstand abfallende elektrische Spannung gleichmäßiger über den Widerstand verteilt wird und somit auch die im Widerstand dissipierte Leistung radial besser verteilt wird. Außer den genannten ringförmigen Geometrien sind eine Reihe weiterer Maskengeometrien wie beispielsweise entsprechend angeordnete Lochmasken denkbar, die ebenfalls in etwa radialsymmetrisch angeordnet sind. Denkbar ist auch, die Maske 21 als Maske mit entsprechend räumlichen Dickenvariationen auszulegen, so dass an den Stellen erhöhter Dicke eine stärkere Absorption der Strahlung als an Stellen geringerer Dicke stattfindet, wodurch an den Stellen höherer Dicke eine geringere Defektdichte und somit ein geringerer Widerstand gene- riert wird. Während die Maskenform wesentlich durch den räumlichen Verlauf des Widerstandes bestimmt wird, kann der absolute Widerstandswert des Lateralwiderstandes darüber hinaus durch eine zusätzliche räumliche homogene Bestrahlung sehr genau eingestellt werden.
In dem vorstehenden Absatz wurden jeweils die Inhomogenitäten durch die Erzeugung von Defekten bewirkt. Bei durch Implantation oder Diffusion erzeugten Inhomogenitäten, bei denen die Dotierung lokal erhöht ist, ist hinsichtlich der Abstände a der Kreisringe zueinander bzw. deren Breite b umgekehrt zu verfahren .
Zur Erzeugung eines konstanten differentiellen Widerstandes könnten darüber hinaus auch die Tiefen tl, t2 der Inhomogeni- täten 23 und/oder des Widerstandsbereiches 9 in geeigneter Weise variiert werden.
Ausführungsbeispiel 2:
In Figur 3 (a) ist auf der Oberfläche der Siliziumschicht 20 eine homogene Dotierstoffbelegung 24 aufgebracht. Auf dieser ist wiederum eine strukturierte Maske 21, die die Funktion einer Ätz-Barriere inne hat, aufgebracht.
Die Figur 3 (b) zeigt den Fortgang der Realisierung des erfindungsgemäßen Widerstandsbereiches 9 aus Figur 3 (a) , bei der der Halbleiterkorper 1 einem Ätzprozess - im Beispiel in Figur 3 (b) ist dies ein nasschemischer Ätzprozess - ausgesetzt wird. Durch das Ätzen werden die freiliegenden Bereiche 22 der Dotierstoffbelegung 24 weggeätzt, wobei die Bereiche der Dotierstoffbelegung 24 unterhalb der Maske 21 mit Ausnahme einer mehr oder weniger starken Unterätzung bestehen bleiben und eine strukturierte Dotierstoffbelegung 24' bilden.
Die Figur 3 (c) zeigt den Fortgang der Realisierung aus Figur 3 (b) . Hier ist die Siliziumschicht 20 nach einem Diffusions- prozess dargestellt, bei dem Dotierstoffe aus der strukturierten Dotierstoffbelegung 24' in die Schicht 20 diffundieren und dort den räumlich strukturierten Widerstandsbereich 9 bilden kann.
Der in Figur 3 skizzierte integrierte näherungsweise ortsunabhängige Widerstand mit ortsabhängigem Schichtwiderstand ist vorteilhafterweise das Ergebnis eines relativ schnell diffundierenden, dotierenden Elements. Bei einem p-dotierten Widerstandsbereich kann dieses Element beispielsweise durch
Aluminium gebildet sein.
Der absolute Widerstandswert kann durch den Belegungswert, die gewählte Diffusionszeit und die Diffusionstemperatur ein- gestellt werden. Zusätzlich kann natürlich dem gesamten Prozessverlauf ein vorhergehender, nicht maskierter Dotierpro- zess (Diffusion oder Implanation) zur Erzeugung einer homogenen Grunddotierung vorausgehen.
Eine weitere alternative Möglichkeit im Rahmen des zweiten
Ausführungsbeispiels zur Herstellung eines Widerstandsverlaufs mit bestimmten räumlichen Eigenschaften besteht darin, die Dotierungselemente statt durch eine maskierte Dotier- stoffbelegung durch eine maskierte Ionenimplantation (oder auch Diffusion) radial inhomogen im Halbleiterkorper 1 zu verteilen. Hierbei wird durch eine Maske, beispielsweise aus Siliziumdioxid (Siθ2) , Siliziumnitrid (Si3N ) oder Photolack, dafür gesorgt, dass der zu diffundierende Dotierstoff während der Dotierphase (Implantation oder Diffusion) nur lokal in den Halbleiterkorper 1 eindringen kann. Es werden dadurch lokale Dotierwannen im Halbleiterkorper 1 erzeugt . Anschließend wird der Dotierstoff weiter in den Halbleiterkorper 1 eindiffundiert .
Im Falle eines ringförmigen Widerstandsbereiches 9 bietet sich für die Struktur der Ätzmaske 21 wiederum eine Anordnung konzentrischer Ringe an, deren Breite (bl) zur Erzielung eines radial konstanten differentiellen Widerstands nach außen hin abnimmt und/oder bei denen der Ringabstand (al) nach außen hin zunimmt. Durch diese Maßnahme wird im Gegensatz zu der in der Europäischen Patentanmeldung EP 0 472 880 (von Kuhnert, Mitlehner, Schulze, Pfirsch) beschriebenen Einstellung des Schichtwiderstandes mit radial unveränderten Parametern al und bl, der radiale Verlauf des Schichtwiderstandes derart modifiziert, dass eine über dem Widerstand abfallende elektrische Spannung gleichmäßiger über den Widerstand ver- teilt wird und somit auch die im Widerstand dissipierte Leistung radial besser verteilt wird. Der endgültige Widerstandsverlauf wird durch einen abschließenden Diffusionsschritt hergestellt .
Die Erfindung sei nicht ausschließlich auf die gezeigten Ausführungsbeispiele der Figuren 1 bis 3 beschränkt. Vielmehr können dort beispielsweise durch Austauschen der Leitfähigkeitstypen n gegen p und umgekehrt sowie durch Variation der Dotierungskonzentrationen eine Vielzahl neuer Varianten ange- geben werden. Die oben beschriebenen unterschiedlichen Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements mit integriertem, inhomogenen Widerstandsbereich können auch kombiniert werden und lassen sich sowohl auf n- als auch auf p- leitende Widerstandsbereiche anwenden. Grundsätzlich können die erfindungsgemäßen Verfahren zur Realisierung jeder Art von Halbleiterbauelement angewendet werden. Besonders bevorzugt werden die beschriebenen Verfahren zur Herstellung eines Thyristors eingesetzt. Ferner ließen sich selbstverständlich noch viele andere bekannte Verfahren zur Erzeugung der radialsymmetrischen Widerstandstrukturen mit konstantem differen- ziellen Widerstand angeben, die im Rahmen des handwerklichen Wissens eines Fachmanns liegen.
Bezugszeichenliste :
1 Halbleiterkorper 2 anodenseitige Basiszone
3 kathodenseitig Basiszone
4 Aussparung
5 anodenseitig Emitterzone
6 Anodenelektrode 7 kathodenseitig Emitterzonen, Hilfsemitterzonen
8 zentraler Bereich, BOD-Bereich
9 Widerstandsbereich
10 Emitterelektroden 12 Gateelektrode 13 Oberfläche, Scheibenrückseite
15 Achse
20 Siliziumschicht
21 Maske
22 freigelegte Bereiche in der Maske 23 Inhomogenitäten
24 Dotierstoffbelegung
24' strukturierte Dotierstoffbelegung
a, al Abstände AG1 - AG5 Amplifying-Gate
HE Hauptemitter b, bl Breite
R Lateralwiderstand r Radius tl, t2 Tiefe

Claims

Patentansprüche :
1. In einem Halbleiterkorper (1) angeordnetes Halbleiterbauelement mit mindestens einem integrierten radialsymmetrischen Lateralwiderstand, dadurch gekennzeichnet, dass der differentielle Widerstand dR des Lateralwiderstandes
R ortsunabhängigen derart ausgebildet ist, dass gilt:
dR/dr * K,
wobei dr der differentielle Radius des Lateralwiderstands und K eine beliebige Konstante ist.
2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Schichtwiderstand Rs radial ortsabhängig gestaltet ist .
3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 2 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der differentielle Widerstand dR radial konstant ist.
4. Halbleiterbauelement nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c hn e t , dass die im Widerstand dissipierte Leistung radial konstant ist .
5. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , dass der Lateralwiderstand R in einem homogen dotierten Widerstandsbereich (9) des Halbleiterbauelementes angeordnet ist, wobei der Widerstandsbereich (9) radialsymmetrische In- homogenitäten (23) aufweist, die eine gegenüber der Dotierung des Widerstandsbereiches (9) unterschiedliche elektrisch aktive Dotierungskonzentration aufweisen.
6. Halbleiterbauelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die radialsymmetrischen Inhomogenitäten (23) eine durch Bestrahlung erzeugten erhöhten Schichtwiderstand als der Widerstandsbereich (9) aufweisen.
7. Halbleiterbauelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die radialsymmetrischen Inhomogenitäten (23) eine durch zusätzliche Dotierung erzeugte höhere Dotierungskonzentration als der Widerstandsbereich (9) aufweisen.
8. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite (b) oder der Durchmesser der räumlichen Inhomogenitäten (23) mit zunehmendem Radius r abnimmt.
9. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (a) der radialsymmetrischen Inhomogenitäten (23) in radialer Richtung mit zunehmendem Radius r zunimmt.
10. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch aktive Dotierungskonzentration der radialsymmetrischen Inhomogenitäten mit zunehmendem Radius r abnimmt .
11. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefe (tl) , mit der die radialsymmetrischen Inhomogenitäten (23) in den Halbleiterkorper (1) eingebracht worden sind, so dass der Schichtwiderstand lokal erhöht wird, mit zunehmendem Radius r zunimmt .
12. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefe (t2) , mit der der Widerstandsbereich (9) in den Halbleiterkorper (1) eingebracht worden sind, mit zunehmendem Radius r abnimmt .
13. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 5 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die radialsymmetrischen Inhomogenitäten (23) in der Projektion der Oberfläche (14) des Halbleiterbauelementes als konzentrische Kreisringe ausgebildet sind.
14. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 5 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Inhomogenitäten (23) in der Projektion der Oberflä- ehe (14) des Halbleiterbauelementes als Punkte oder Kreise ausgebildet sind, die konzentrisch angeordnet sind.
15. Halbleiterbauelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterbauelement als Thyristor, insbesondere als Hochspannungsthyristor, ausgebildet ist.
16. Halbleiterbauelement nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Thyristor radialsymmetrisch ausgebildet ist und insbesondere radialsymmetrische Emitterbereiche (7) aufweist.
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