DE2527191B2 - Verfahren zur Herstellung eines Thyristors - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Thyristors mit einer ausgebreiteten, eine Vielzahl von langgestreckten Armen aufweisenden Steuerelektrode und zwischen diesen Armen befindlichen Emitterbereichen, bei dem die Emitterbereiche mit einer Vielzahl von Kurzschlußpunkten versehen werden.

Aus der DE-OS 20 28 010 sowie der DE-OS 23 39 440 ist es bekannt einen Thyristor mit einem sogenannten, »kurzgeschlossenen Emitter« zu versehen, um z. B. die Abschaltzeit des Thyristors zu verbessern. Bei einem solchen kurzgeschlossenen Emitter erstreckt sich die der Steuerelektrode zugeordnete Halbleiterschicht unter der den Emitter des Thyristors bildenden Halbleiterschicht hindurch und durchstößt die Emitterschicht in einer Vielzahl von kleinen Bereichen zur Oberfläche der Halbleiteranordnung hin, so daß sie dort mit der Emitter-Elektrode in elektrisch leitenden Kontakt kommt. Aus diesem Grund werden diese die Emitterschicht durchstoßenden kleinen Bereiche auch als Kurzschlußpunkte bezeichnet.

Soll nun mit Hilfe des eingangs erwähnten Verfahrens nicht nur ein kleinflächiger, in seinem Emitterbereich mit einer verhältnismäßig geringen Zahl von Kurzschlußpunkten versehener Thyristor, wie er z. B. in der DE-OS 20 28 010 oder der DE-OS 23 39 440 beschrieben ist, sondern ein für hohe Schaltgeschwindigkeiten geeigneter Thyristor für große Leistungen hergestellt werden, so muß über eine im Verhältnis zur Größe der einzelnen Kurzschlußpunkte extrem große Emitterfläche (nahezu gleich der gesamten Thyristorfläche) eine sehr große Anzahl von Kurzschlußpunkten verteilt werden. Dabei ergeben sich zwei wesentliche Probleme, da es darauf ankommt, daß einerseits diese Kurzschlußpunkte möglichst dicht beieinander liegen una daß andererseits ihre Anordnung auch über große Distanzen hinweg streng regelmäßig ist. Diese beiden

ίο Forderungen konnten bisher nur in sehr unzureichendem Maße gleichzeitig erfüllt werden, und im allgemeinen gingen Versuche, die Dichte der Kurzschlußpunkte zu steigern, zu Lasten der Regelmäßigkeit ihrer Anordnung.

Auf diesen Stand der Technik aufbauend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, das es ermöglicht, die durch die Arme der Steuerelektrode voneinander getrennten, großflächigen Emitterbereiche mit einer sehr großen Zahl von äußerst dicht beieinanderliegenden und streng regelmäßig angeordneten Kurzschlußpunkten zu versehen.

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung vor, daß eine Gaindmaske verwendet wird, auf der nur eine kleine Zahl von eine Untereinheit der gesamten Kurzschlußpunkt-Anordnung bildenden Kurzschlußpunkten vorgesehen wird, und daß die Gesamtheit der in den einzelnen Emitterbereichen in einer großen Zahl von Reihen und Spalten regelmäßig angeordneten Kurzschlußpunkte mittels eines Step- und Repeatverfahrens unter Verwendung der Grundmaske gebildet wird.

Beim ersten Schritt dieses erfindungsgemäßen Verfahrens können zunächst einmal die die Untereinheit bildenden Kurzschlußpunkte mit hoher Genauigkeit in dem erforderlichen geringen gegenseitigen Abstand angeordnet werden. Da es sich hierbei nur um eine sehr kleine Zahl von Kurzschlußpunkten handelt, kann zur Erzielung der erforderlichen Präzision ein sehr großer Aufwand getrieben werden, ohne daß hierdurch die Kosten des Gesamtverfahrens erheblich gesteigert wurden. Durch den zweiten Schritt, nämlich die Anwendung eines Step- und Repeatverfahrens zur Erzeugung der Gesamtheit der Emitter-Kurzschlußpunkte wird dann mit einem relativ geringen Aufwand die hohe Dichte und Präzision der Untereinheit auf die gesamte Anordnung übertragen und als Endprodukt ein Thyristor erzielt, der hinsichtlich der angestrebten Eigenschaften allen bisher erreichbaren ähnlichen Strukturen deutlich überlegen ist.

Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist darin zu sehen, daß sich die Erstellung der Grundmaske insbesondere auch deshalb äußerst einfach gestaltet, weil bei ihrem Entwurf die eigentliche Thyristor-Geometrie nur eine untergeordnete Rolle spielt. Zwar besteht ein gewisser Zusammenhang zwischen dem geometrischen Aufbau der Untereinheit und z. B. den Winkeln, unter denen die Arme der Steuerelektrode abgeknickt sein sollen, doch läßt sich mit ein und derselben Untereinheit eine Vielzahl von äußerst unterschiedlichen Thyristorgeometrien einfach dadurch erzeugen, daß man die im Step- und Repeatverfahren durchgeführte Translation dieser Untereinheit variiert.

Zwar ist es z. B. aus dem Buch »Einführung in die Mikroelektronik« von Andreas L e w i c k i bekannt, für die Herstellung von Halbleiter-Bauelementen Step- und Repeatverfahren anzuwenden. Das geschah jedoch

bisher lediglich in der Weise, daß mehr oder weniger komplexe, in sich abgeschlossene Strukturen mit entsprechender Häufigkeit in Reihen und Spalten nebeneinander abgebildet wurden. Die aus diesen Strukturen hervorgehenden Halbleiter-iiauelemente bzw. Halbleiter-Schaltungen sind nach dem Stand der Technik, aber in ihrer Funktion voneinander völlig unabhängig und werden dementsprechend nach der Fertigstellung voneinander getrennt. Aufgrund die::er funktionsmäßigen Unabhängigkeit der mittels eines Step- und Repeatverfahrens vervielfachten Strukturen spielten beim Stand der Technik absolute Fehler, die beim Step- und Repeatvorgang z. B. hinsichtlich des Abstandes der einzelnen Systeme untereinander auftraten und sich über eine längere Reihe hinweg addierten, keine Rolle. Es war lediglich von Bedeutung, daß bei der Herstellung mehrerer in hoher Genauigkeit aufeinanderpassender Masken mit Hilfe eines solchen Step- und Repeatverfahrens sich von Maske zu Maske die gleichen absoluten Fehler innerhalb sehr en^er Grenzen wiederholten.

Ganz anders liegen demgegenüber die Verhältnisse bei der Erfindung, bei der mit Hilfe eines Step- und Repeatverfahrens aus einer Grundstruktur eine einzige, komplexe, nur als Ganzes funktionstüchtige Gesamtstruktur erzeugt werden soll, wobei es darauf ankommt, daß die sie bildenden Kurzschlußpunkte einen sehr kleinen und über große Strecken hinweg innerhalb enger Toleranzgrenzen konstanten gegenseitigen Abstand aufweisen. Die Erfindung zeigt, daß es trotz dieser völlig unterschiedlich gelagerten Voraussetzungen möglich ist, ein Step- und Repeatverfahren auch zur Herstellung einer solchen komplexen, nur als Ganzes funktionstüchtigen Gesamtstruktur zu verwenden.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des e rf in Jungsgemäßen Verfahrens sind in den kennzeichnenden Teilen der Unteransprüche 2 bis 5 niedergelegt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden beispielsweise an Hand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigt

Fig. 1 in schematischer Darstellung einen Querschnitt durch einen nach dem beanspruchten Verfahren hergestellten Thyristor,

F i g. 2 eine perspektivische Ansicht der Steuerelektroden- und Emitter-Elektroden-Anordnungen des Thyristors nach F i g. 1 und

F i g. 3 eine schematische Draufsicht auf denselben Thyristor.

In Fig. 1 ist in stark vereinfachter Form ein Querschnitt durch einen Thyristor dargestellt. Wie üblich umfaßt der Thyristor vier Schichten 1, 2,3 und 4 aus Halbleiter-Material, in diesem Fall Silizium, wobei die Schicht I vom n+-Typ, Schicht 2 und 4 vom p-Typ und Schicht 3 vom η-Typ ist. Die Schicht 2 erstreckt sich zu der Oberfläche der Anordnung in der Gegend einer Steuerelektrode 5. Kleine Bereiche des p-Typ-Materials von Schicht 2 erstrecken sich durch die Schicht I₁ und diese kleinen Bereiche stehen mit einer Emitter-Elektrode 7 in Verbindung, die sich auf der Oberfläche der Schicht 1 befindet. Da die kleinen p-Typ-Bereiche an der Oberfläche durch die Elektrode 7 mit der n-Typ-Schicht 1 kurzgeschlossen sind, werden diese kleinen Bereiche Emitter-Kurzschlüsse bzw. Kurzschlußpunkte 8 genannt, und ihr Vorhandensein vergrößert die Abschaltgeschwindigkeit des Thyristors und ebenso die Geschwindigkeit, mit der Spannung an den Thyristor angelegt werden kann, ohne eine Beschädigung zu verursachen. Letztere Eigenschaft wird üblicherweise als der dv/dt-Wert bezeichnet.

Der oben beschriebene Thyristor kann mittels der üblichen Diffusions-Techniken in einem Silizium-Substrat hergestellt werden.

Die Größe und der Abstand der Kurzschlußpunkte 8 beeinflussen neben anderen Eigenschaften, die Abschaltzeit des Thyristors; in dem vorliegenden Beispiel ist jeder Punkt kreisförmig und hat einen Oberflächendurchmesser von ungefähr 0,05 mm und einen Mitte-Mitte-Abstand von ungefähr 0,25 mm. Diese Abmessungen sind äußerst klein und verursachen Schwierigkeiten bei der Herstellung, wenn eine große Zahl dieser Kurzschlußpunkte in einem einzelnen Element untergebracht werden muß, um einen stark kurzgeschlossenen Emitter zu erzeugea

Ebenso besteht ein besonderes Problem darin, einen Thyristor für hohe Leistungen herzustellen, der eine hohe Dichte von Kurzschlußpunkten 8 aufweist, die genügend nahe bei der Steuerelektrode 5 angebracht sind, und es wird in der Erfindung von einem Untereinheiten-Muster von Kurzsch/ußpunkten 8 Gebrauch gemacht, das einerseits wiederholt werden kann, um eine große Schar von Kurzschlußpunkten zu bilden, und das andererseits mit der Form der Steuerelektrode 5 vereinbar ist.

F i g. 2 zeigt eine perspektivische Ansicht, in der die Schar der Kurzschlußpunkte deutlicher überblickt werden kann, und die Querschnittsdarstellung aus Fig. 1 entspricht der Linie A-A. In Fig. 2 ist natürlich

jo die Emitter-Elektrode 7 weggelassen, damit man die Kurzschlußpunkte 8 sieht, aber ihre Begrenzungslinien sind durch die Linien 9 angegeben. Das Untereinheiten-Muster kann jede geeignete Form annehmen, und in Fig.2 sind die Kurzschlußpunkte in Reihen ausgerichtet, die horizontal und unter einem Winkel von 60° zur Horizontalen verlaufen, was die Bildung von Untereinheiten erleichtert, die auf einer Sechseckstruktur basieren. Jede Untereinheit enthält eine große Zahl von Punkten 8. Zu Darstellungszwecken ist eine kleine Untereinheit 10 eingezeichnet, die nur eine kleine Zahl von Kurzschlußpunkten 8 enthält. Die Grenzlinien des Emitter-Bereiches, der die Kurzschlußpunkte 8 enthält, verlaufen nicht notwendigerweise geradlinig, sondern können regelmäßig Stufen oder Knicke aufweisen, die den Grenzen einzelner Untereinheiten entsprechen; durch die Linien 9 werden jedoch die geradlinig verlaufenden Grenzen der Emitter-Elektrode dargestellt. Die Steuerelektrode 5 hat einen kleinen Abstand zur Emitter-Elektrode 7, so daß sie von ihr elektrisch getrennt ist, und die Grenzlinien der Steuer-Elektrode 5 sind durch die Linien 11 gekennzeichnet. Um sicherzustellen, daß sich die beiden Elektroden 5 und 7 nicht berühren, und um zu ermöglichen, daß eine flache Platte benützt werden kann, um einen Druckkontakt mit der Emitter-Elektrode 7 herzustellen, ist es gegebenenfalls während der Fertigung möglich, einen Bereich mit einer niederer liegenden Oberfläche bzw. eine Wanne in der Schicht 2 zu erzeugen, und die Steuerelektrode auf dem Boden dieser Wanne vorzusehen, so daß die Wandteile des Troges eine elektrische Trennung gegenüber der Emitter-Elektrode sicherstellen. Diese Alternative ist nicht dargestellt.

Die Grenzlinien 9 der Emitter-Elektrode 7 sind so angeordnet, daß alle Kurzschlußpunkte 8 vollständig bedeckt sind, d.h., keine Grenzlinie verläuft quer über einen Punkt selbst.

F i g. 3 zeigt einen kreisförmigen Thyristor in Draufsicht. Dieser Thyristor ist aus einer kreisförmigen

.Siliziumscheibe 12 hergestellt, da dies die am meisten verwendete Form für ein Bauelement für hohe Leistungen ist, bei der eine ganze Scheibe für einen einzelnen Thyristor verwendet wird. Die Steuerelektrode 5 hat einen großen mittleren Bereich 13, von dem ausgehend sich eine Vielzahl von ausgedehnten Armen 14 erstreckt. Diese sind mit abgewinkelten Abschnitten längs ihrer Länge versehen, um den Abstand zwischen beliebigen Punkten der Emitter-Schicht 1 und der Steuerelektrode möglichst kleinzuhalten. In dem vorliegenden Fall, bei dem der Bereich des kurzgeschlossenen Emitters aus einer Vielzahl von einzelnen sechseckigen

Untereinheiten zusammengesetzt ist, ist es am bequem sten, die ausgedehnten Arme der Steuerelektrode mi hierzu passenden Winkeln zu versehen. Die Grenzlinier der einzelnen Untereinheiten sind in dieser Figur nich dargestellt, da sie von der Emitter-Elektrode bedeck werden, deren Grenzlinien, wie in Fig. 2, von der Grenzlinien der Steuerelektrode durch einen kleinen ziemlich konstanten Abstand getrennt sind.

Die Steuerelektrode selbst wird unter Verwendung eines photolithographischen, Step- und Repeatverfah rens aufgebracht, das sowohl auf rechtwinkeligen al; auch auf Polar-Koordinaten beruhen kann.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung eines Thyristors mit einer ausgebreiteten, eine Vielzahl von langgestreckten Armen aufweisenden Steuerelektrode und zwischen diesen Armen befindlichen Emitterbereichen, bei dem die Emitterbereiche mit einer Vielzahl von Kurzschlußpunkten versehen werden, d a durch gekennzeichnet, daß eine Grundmaske verwendet wird, auf der nur eine kleine Zahl von eine Untereinheit der gesamten Kurzschlußpunkt-Anordnung bildenden KurzschluQpunkten vorgesehen wird, und daß die Gesamtheit der in den einzelnen Emitterbereichen in einer großen Zahl von Reihen und Spalten regelmäßig angeordneten Kurzschlußpunkte mittels eines Step- und Repeatverfahrens unter Verwendung der Grundmaske gebildet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die den Grenzlinien der Steuerelektrode unmittelbar benachbarten Untereinheiten bei dem Step- und Repeatverfahren mit einem konstanten Abstand zu diesen Grenzlinien angeordnet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurzschlußpunkte durch eine einzige Emitter-Elektrode verbunden werden, deren Grenzlinien einen konstanten Abstand zu den Grenzlinien der Steuerelektrode aufweisen.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Grenzlinien der Emitter-Elektrode so angeordnet werden, daß sie nicht quer über einem Kurzschlußpunkt verlaufen.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abmessungen der langgestreckten Arme der Steuerelektrode in etwa ein Vielfaches der Gesamtabmessungen einer Untereinheit sind.