DE3117202C2

DE3117202C2 -

Info

Publication number: DE3117202C2
Application number: DE3117202A
Authority: DE
Inventors: Dietmar Dr. 6900 Heidelberg De Berndt; Peter Dr. Neerach-Ried Ch Roggwiller
Original assignee: Asea Brown Boveri AG Germany
Current assignee: ABB AG Germany
Priority date: 1981-04-30
Filing date: 1981-04-30
Publication date: 1989-12-28
Also published as: DE3117202A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einstellen der Lebensdauer der Minoritätsladungsträger in Halbleiter schaltern, die aus Silizium hergestellt sind, durch Be strahlen der Halbleiterschalter mit Protonenstrahlen unter Bildung von lokalen Ladungsträger-Rekombinations zentren in einem Bereich, der an den blockierenden pn- Übergang angrenzt. Zu den Halbleiterschaltern zählen bei spielsweise Thyristoren.

Ein derartiges Verfahren ist aus der DE-OS 27 11 361 bekannt. Gemäß diesem bekannten Verfahren werden Halb leiterschalter nur von einer Seite bzw. Hauptflä che, und zwar von der Kathodenseite aus, mit Protonen bestrahlt. Die Energie der Protonen ist so eingestellt, daß das Maximum der im Silizium-Kristall gebildeten Git terfehlstellen, die später als Rekombinationszentren wirken, angrenzend zum blockierenden pn-Übergang zu lie gen kommt, und zwar in der Zone mit der höheren Dotie rungskonzentration. Dies gilt auch für den dort in Fig. 6 dargestellten Triac, da, bezogen auf einen einzelnen darin enthaltenen Thyristor ebenfalls nur eine Bestrahlung der Kathodenseite erfolgt. Ein etwaiger Tem pervorgang im Anschluß an die Bestrahlung, wie er in anderem Zusammenhang bei der Herstellung von Halblei ter-Bauelementen schon bekannt ist, wird bei dem Verfah ren der DE-OS 27 11 361 ausdrücklich ausgeschlossen.

Es ist ferner bekannt, die Lebensdauer der Minoritätsla dungsträger durch einen gezielten Einbau von Schwerme tallatomen, wie Gold oder Platin, in den Kristall einzu stellen. Ferner ist es bekannt, Störstellen im Kristall durch Bestrahlung mit schnellen Elektronen herzustellen. Nachteilig bei der Schwermetall-Diffusion ist die unge nügende Reproduzierbarkeit sowie die Tatsache, daß es sich dabei um einen Hochtemperaturprozeß handelt. Außer dem liefert die Schwermetall-Diffusion ebenso wie die Elektronenbestrahlung eine annähernd homogene Verteilung der Störstellen im Volumen mit einer starken Überhöhung an der Oberfläche.

Aus der DE-OS 29 17 786 ist ein Verfahren zur Verringe rung der Freiwerdezeit von Thyristoren durch Einstellung einer niedrigeren Trägerlebensdauer bekannt, bei der der Thyristor einer Elektronenstrahlung mit einer Energie <1MeV ausgesetzt wird. Die Thyristoren sind zuvor in herkömmlicher Technik mit Gold oder Platin diffundiert worden und die Bestrahlung mit Elektronen dient lediglich zur weiteren Herabsetzung der Ladungsträgerlebensdauer in lokal begrenzten Bereichen. Die Steuerung der Elektronenstrahlung soll dabei so getroffen werden, daß die betriebswirksamen pn-Übergänge zwischen p-Basis- und n-Basis-Zone sowie zwischen n-Basis- und p-Emitterzone nicht beeinflußt werden.

Demgegenüber hat die Verwendung von schweren Teilchen, wie Protonen, wesentliche Vorteile. Protonen haben eine scharf begrenzte energieabhängige Reichweite im Festkör per mit einem stark ansteigenden Ionisationsvermögen ge gen Ende der Eindringtiefe, Protonen im Energiebereich von einigen MeV werden beim Eindringen in den Festkörper hauptsächlich durch elastische Stöße mit den Gitterelek tronen abgebremst; ein kleiner Teil der Energie wird durch Coulomb-Wechselwirkung auf Rückstoßatome, die da bei den Gitterplatz verlassen, übertragen. Es ist des halb möglich, durch Protonenbeschuß ein Profil mit ver minderter Lebensdauer der Minoritätsladungsträger in einer vorgewählten Tiefe des Bauelementes zu erzeugen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, wel ches es erlaubt, die Sperrverzugsladung und die Rück stromspitze sowie die Sperrverzögerungszeit gezielt zu verringern, ohne daß andere elektrische Parameter, wie Sperrstrom, Durchlaßspannungsabfall und Zündfähigkeit verschlechtert werden, und das die Herstellung von langzeit stabilen Elementen gestattet.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die fertig dif fundierten und zur Kontaktierung metallisierten Halblei terschalter von der Anodenseite her mit Proto nendosen zwischen ca. 3 und ca. 13 × 10¹¹ H⁺/cm² und von der Kathodenseite mit Protonendosen zwischen ca. 1 und ca. 20 × 10¹¹ H⁺/cm² bestrahlt werden, daß die Energie der Protonen so eingestellt wird, daß die Konzentrationsmaxima der Rekombinationszentren hinter dem anoden- bzw. kathodenseitigen pn-Übergang in der niedrig dotierten Basiszone liegen, und daß die bestrahlten Elemen te abschließend in einer Inertgasatmosphäre getempert werden.

Anhand von Ausführungsbeispielen und der Zeichnung soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigt

Fig. 1 die Abhängigkeit des Durchlaßspannungsabfalls U _T von der Sperrverzögerungszeit t _q von nach ver schiedenen Verfahren hergestellten Schwellen-Thy ristoren,

Fig. 2 die Abhängigkeit der Sperrverzugsladung Q _rr vom Durchlaßspannungsabfall U _T bei nach verschiedenen Verfahren hergestellten Netz-Thyristoren,

Fig. 3 die Abhängigkeit der Rückstromspitze I _rr vom Durchlaßspannungsabfall U _T für nach verschiedenen Verfahren hergestellten Netz-Thyristoren,

Fig. 4 einen auszugsweisen Querschnitt durch einen Thy ristor und

Fig. 5 den Einfluß der Temperbehandlung bei verschie denen Temperaturen auf die durch die Protonen strahlung gebildeten Rekombinationszentren.

Beispiel 1

Die Einstellung der Sperrverzögerungszeit t _q an schnellen Thyristoren wurde wie folgt vorgenommen: Die Thyristoren wurden im fertig diffundierten und zur Kontaktierung metalli sierten Zustand von der Anodenseite her mit Protonendosen von 5 bis 12,5 × 10¹¹ H⁺/cm² bestrahlt. Die Protonenenergie war derart gewählt, daß das Konzentrationsmaximum der Re kombinationszentren ca. 10 bis 20 µm hinter dem anoden seitigen pn-Übergang in der niedrig dotierten Basiszone der Thyristoren zu liegen kam. Dies entsprach in dem kon kreten Fall einer Tiefe von ca. 90 µm und damit einer Strahlenenergie von ca. 3,0 MeV. Von der Kathodenseite her wurden die Elemente mit Protonen derselben Energie bestrahlt. Die kathodenseitig applizierten Dosen lagen im Bereich von 8 bis 20 × 10¹¹ H⁺/cm². Daran anschließend wurde eine Temperbehandlung bei 400°C während einer Stunde unter Inertgas durchgeführt.

Man erkennt, daß die mit Protonen bestrahlten Thyristoren bei gleicher Sperrverzögerungszeit t _q einen niedrigeren Durchlaßspannungsabfall U _T bzw. bei gleichem Durchlaßspan nungsabfall U _T eine geringere Sperrverzögerungszeit t _q aufweisen.

Beispiel 2

An Netz-Thyristoren wurden Einstellungen der Sperrver zugsladung Q _rr und der Rückstromspitze I _rr wie folgt vor genommen: Die Thyristoren wurden im fertig diffundierten und zur Kontaktierung metallisierten Zustand von der Anoden seite her mit Protonendosen von 3,5 bis 13 × 10¹¹ H⁺/cm² bestrahlt.

Kurve 0 zeigt die Meßergebnisse unmittelbar nach der Pro tonenbestrahlung ohne vorherige Temperung, Kurve 1 zeigt die Ergebnisse nach einer einstündigen Temperung bei 250°C, Kurve 2 nach einer einstündigen Temperung bei 350°C und Kurve 3 nach einer einstündigen Temperung bei 400°C. Man erkennt, daß die Zahl der Rekombinationszentren wie erwartet mit steigender Tempertemperatur abnimmt. Negative Auswir kungen der steigenden Tempertemperaturen auf die elektri schen Parameter der Thyristoren konnten jedoch nicht fest gestellt werden, so daß durch zu hohe Protonendosen ausge löste Kristalldefekte nachträglich wieder auszuheilen sind.

Claims

1. Verfahren zum Einstellen der Lebensdauer der Mi noritätsladungsträger in Halbleiterschaltern, die aus Silizium hergestellt sind, durch Bestrahlung der Halblei terschalter mit Protonenstrahlen unter Bildung von loka len Ladungsträger-Rekombinationszentren in einem Be reich, der an den blockierenden pn-Übergang angrenzt, dadurch gekennzeichnet, daß die fertig diffundierten und zur Kontaktierung metallisierten Halbleiterschalter von der Anodenseite (A) her mit Protonendosen zwischen ca. 3 × 10¹¹ H⁺/cm² und ca. 13 × 10¹¹ H⁺/cm² und von der Kathodenseite (K) her mit Protonendosen zwischen ca. 1 × 10¹¹ H⁺/cm² und ca. 20 × 10¹¹ H⁺/cm² bestrahlt werden, daß die Energie der Protonen so eingestellt wird, daß die Konzentrationsmaxima (10, 9) der Rekombina tionszentren hinter dem anoden- bzw. kathodenseitigen pn-Übergang (6, 4) in der niedrig dotierten Basiszone (5) liegen, und daß die bestrahlten Halbleiterschalter abschließend in einer Inertgasatmosphäre getempert wer den.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die Konzentrationsmaxima (9, 10) etwa 10 bis 20 µm hinter den pn-Übergängen (4, 6) liegen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge kennzeichnet, daß die Halbleiterschalter etwa 1 Stunde bei ca. 400°C getempert werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterschalter in Helium ge tempert werden.

5. Anwendung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 4 zur Einstellung der Sperrverzögerungszeit (t _q) bei schnellen Thyristoren, gekennzeichnet durch eine Be strahlung der Anodenseite (A) der Thyristoren mit Dosen von 5 bis 12,5 ×10¹¹ H⁺/cm² und der Kathodenseite (K) mit Dosen von 8 bis 20 × 10¹¹ H⁺/cm².

6. Anwendung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 4 zur Einstellung der Sperrverzugsladung (Q _rr) und der Rückstromspitze (I _rr) bei Netz-Thyristoren, gekenn zeichnet durch eine Bestrahlung der Anodenseite (A) der Netz-Thyristoren mit Dosen von 3,5 bis 13 × 10¹¹ H⁺/cm² und der Kathodenseite (K) mit Dosen von 1 bis 2 × 10¹¹ H⁺/cm².