DE2837762C2

DE2837762C2 - Verfahren zur Herstellung von Triacs

Info

Publication number: DE2837762C2
Application number: DE2837762A
Authority: DE
Inventors: William Wing Auburn N.Y. Sheng; Yen Sheng Edmund Liverpool N.Y. Sun; Edward George Auburn N.Y. Tefft
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1977-09-02
Filing date: 1978-08-30
Publication date: 1985-01-10
Also published as: FR2402302A1; SE7806393L; US4134778A; GB1586396A; DE2837762A1; JPS5453873A; NL7808991A; FR2402302B1

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein derartiges Verfahren ist aus der US-PS 39 43 013 bekannt.

Eine der wichtigen Charakteristika von Triacs ist deren dv/dt-Fähigkeit. Die dv/df-Fähigkeit eines Triacs schließt das statische dv/dt, das wiederangelegte dv/df und das kommutierte dv/df ein.

Aus den eingangs genannten US-PS 39 43 013 ist ein Zweiwegthyristor (»Triac«) bekannt, bei dem zur Verbesserung des. dv/dt-Verhaltens Gold oder Platin in die Grenzbereiche zwischen den »Einzel-Thyristoren« sowie zwischen diesen und dem Gate-Bereich mittels Diffusion eingebracht wird. Die Diffusion muß dabei vor dem Aufbringen der Elektrodenkontaktierungsschichten erfolgen, da andernfalls aufgrund der relativ hohen Diffusionstemperatur gleichzeitig ein unerwünschtes Eindiffundieren des Elektrodenmaterials in den Thyristorkörper bei unkontrollierbarer Änderung mit der Folge einer Verschlechterung der Thyristor-Betriebseigenschaften erfolgen würde. Andererseits können die tatsächlichen Betriebseigenschaften eines fertiggestellten Thyristors erst nach Aufbringen der Elektrodenkontaktierungsschichten und Anbringen entsprechender Zuleitungen an diesen Elektrodenschichten geprüft t>o werden. Es ist also nicht möglich, mit Gold- oder Platindiffusion nachträglich die Eigenschaften der Thyristoren zu verändern.

Aus »IEEE Transactions on Electron Devices«, Vol. ED-24,No. 8, August 1977, Seiten 1103 bis 1108, sind 6·; Untersuchungsergebnisse bei der Elektronen- oder Gammabestrahlung von Silicium-Leistungsbauelementen d. h. Gleichrichtern und Thyristoren, bekannt. Diese Untersuchungsergebnisse werden dabei verglichen mit Ergebnissen, die durch Golddotierung erzielt werden. Die Energie der Elektroncnstrahlung liegt im Bereich zwischen 0,8 bis 12 MeV. die Bestrahlungsdosis bei 10¹³ Elektronen/cm².

Weiterhin ist aus der US-PS 40 43 837 ein Thyristor bekannt dessen Gate-Bereich zur Erhöhung des erforderlichen Zündstroms, d. h. zur Verringerung der Gate-Empfindlichkeit als Schutzmaßnahme gegen eine unerwünschte Thyristorzündung durch Störeinflüsse, einer Strahlungsbehandlung mittels- Elektronen bei Energien oberhalb 1 MeV unterzogen wird, während zur Erhöhung der zulässigen Biockierspannung und Verbesserung des dv/dl-Verhaltens im Kathoden-Emitter-Bereich punktförmig verteilte, Bor-dotierlc Bereiche cindiffundiert sind. Die auf diese Weise hergestellten Thyristoren sind jedoch nur für eine Stromleitung in einer einzigen Richtung geeignet, nicht aber für einen Betrieb, bei dem eine Stromsteuerung in beiden Stromrichtungen gewünscht ist

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 anzugeben, bei dem eine Verbesserung des kommutierenden dv/dt-Verhaltens ohne nachhaltige Auswirkungen auf die Größe des zur Zündung erforderlichen Zücdstromes auch bei bereits fertiggestellten Triacs auf einfache Weise ermöglicht wird.

Erst durch eine Energie von mehr als 0,4 MeV werden ausreichende Gitterstömngen erzeugt durch die die Lebensdauer der Minoritätsträger verringert wird. Die gleichzeitige Verwendung der Elektroden zur Maskierung ermöglicht eine einfache Handhabung bei der Bestrahlung. Es ist nicht mehr erforderlich, gesonderte Masken aufzubringen und genau zu justieren.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens gehen aus den Untcransprüchen hervor.

Im folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. Im einzelnen zeigt

Fig. 1 eine Draufsicht auf ein Triac-Bauelemcnt, auf das die Erfindung angewendet wird.

Fig.2 und 3 Seitenansichten des Bauelementes nach Fig. 1,

Fi g. 4 eine Schnittansicht eines Triacs. bei dem eine Maskierung mit einem Lot hohen Bleigchaltcs vorgenommen worden ist.

Der in F i g. 1 gezeigte Thyristor 10 weist einen ersten Hauptstrom-tragt-nden Teil 12 und einen zweiten Hauptstromtragendcn Teil 14 auf. Der Hauptstrom-tragende Teil 12 besteht aus p-leitendem Halbleitermaterial, während der Teil 14 aus n-lcitendem Material besteht. Der Thyristor 10 weist in den F i g. 2 und 3 dargestellte Elektroden 16 auf, die in F i g. 1 weggelassen ist, um die stromtragcndcn Bereiche 12 und 14 zu zeigen. Der Thyristor 10 weist weiter einen Gatebereich 18 auf, der ebenfalls aus n-lcitcndem Halbleitermaterial besteht.

Der Thyristor 10 kann in einer Scheibe 20 aus Halbleitermaterial mit n-Leitfähigkeit gebildet werden. Die p-leitenden Bereiche 22 und 24 werden durch Eindiffundieren eines Dotierungsniittcls in die Scheibe 20 gebildet. Danach bildet man in ähnlicher Weise die n-lcitcndcn Bereiche 14 und 28 sowie den Gatebercich 18. Die Elektrode 26 stellt den ohmschen Kontakt /um Gatebercich 18 her. Die Hauptstrom-führenden Teile 12 und 14 befinden sich in einem seitlichen Abstand zueinander und sind durch den Grenzbereich 30 voneinander getrennt, der in Fig. I gestrichelt gezeigt ist In ähnlicher

Weise sind die Bereichel2 und 14 vom Gatebereich 18 durch einen zweiten Grenzbereich 32 getrennt, der in F i g. 1 gestrichelt gezeigt ist. In ähnlicher Weise sind die Bereiche 12 und 14 vom Gatebereich 18 durch einen zweiten Grenzbereich 32 getrennt, der in Fig. 1 ebenfalls gestrichelt gezeigt ist. Der Thyristor 10 der Fig. 1 bis 3 wird üblicherweise als einer einer Anzahl solcher Elemente auf einer großen Halbleiterscheibe gebildet. Nach der Bildung der Thyristoren wird die Scheibe in eine Anzahl von Halbleiterpellets zerteilt, die dann einzeln verpackt werden. Obwohl in der Zeichnung nur ein einzelnes Pellet dargestellt ist, wird das erfindungsgemäße Verfahren vorzugsweise auf das Halbleitermaterial angewandt, bevor die Zerteilung in die einzelnen Elemente stattfindet Auf diese Weise kann eine große Anzahl von Elementen mit im wesentlichen der gleichen Hers'.ellungsgeschichte gleichzeitig fabriziert und der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens zu außerordentlich geringen Kosten erhalten werden.

Die bisher vorgenommene Eindiffusion von Gold oder einer ähnlichen Verunreinigung bzw. Dotierung der Grenzbereiche eines Elementes weist verschiedene Schwierigkeiten auf. So kann eine solche Üiffusion nicht ausgeführt werden, nachdem Metallkontakte an dem Element angebracht sind, aufgrund der hohen Temperaturen, die üblicherweise nicht nur für die Diffusion erforderlich sind, sondern auch für das Wachsen einer Oxidschicht zum Maskieren. Außerdem diffundiert das Gold sehr rasch in die Siliziumelemente, und zwar nicht nur vertikal sondern auch seitlich. Die durch die selektive Diffusion des Goldes in die Grenzbereiche bewirkte Verringerung der Trägerlebensdauer erfolgt daher nicht nur in den erwünschten Bereichen, sondern auch in einem Teil des Elementes, wo die Träger-Lebensdauerverringerung nicht erwünscht und tatsächlich nachteilig ist. Dies führt zu einer Zunahme des Spannungsabfalls des Elementes in Durchlaßrichtung und zu einer Abnahme der Gateempfindlichkeit. Durch die selektive Elektronenbe«:trahlung werden diese Schwierigkeiten im wesentlichen vollständig überwunden. Die Bestrahlung bewirkt eine Verringerung der Trägerlebensdauer in einem Bereich, der im wesentlichen vertikal verläuft und der seitlich benachbarte Bereiche nicht beeinflußt.

Wird der Thyristor mit Wechselstrom beaufschlagt, dann befinden sich die beiden leitenden Teile des Elementes — die im wesentlichen von gleicher Ausdehnung sind wie die Bereiche 12 und 14 nach Fig. 1 und den darunter liegenden Teilen des Elementes — in abwechselnd leitendem und jnerrendem Zustand. Da der eine leiteride Abschnitt abschaltet und der andere anschaltet, ist es erwünscht, die Wh kung des einen stroniiragenden Bereiches auf den anderen so gering wie möglich zu halten. Im schlimmsten Falle, in dem ein Teil des Elementes rasch schaltet, wird genug Ladung zu dem anderen Teil des Elementes hinüber fließen, um diesen vorzeitig anzuschalten. Diese Wirkung, für die das kommutierende dv/dt ein Maß ist, verringert die Geschwindigkeit, bei der das Element arbeiten kann und bestimmt infolgedessen die wirksame Frequenzbeschränkung des Elementes. Um die kömmutierende dv/di-Fähigkeit des Elementes zu erhöhen und damit ein Element zu schaffen, das rascher und bei einer höheren Frequenz betrieben werden kann, muß die Wechselwirkung zwischen den Thyristorabichnitten verringert werden. Zu diesem Zwecke wird die Lebensdauer im Grenzbereich zwi sehen den stromtrage.cden Teilen des Thyristors durch Elektronenbestrahlung des Grenzbereichs verringert.

Es wurde festgestellt, daß Elektronen mit Energien von 300 KeV oder weniger im wesentlichen keine Gitterschäden verursachen, verglichen mit Elektronen mit Energien von 400 bis 500 KeV und mehr. Das Energieniveau der Elektronenstrahlungsquelle ist zu einem gewissen Ausmaß bestimmt durch die Art der angewendeten Maskierung durch die Elektroden. Die Energiemenge, die beim Hindurchgehen durch eine Maske verlorengeht, kann nach der folgenden Gleichung bestimmt werden:

Dabei ist dE/axdie Energieänderung über die Distanz gemessen in MeV/cm, K der »Beschädigungskoeffizient«, der eine relativ konstante Funktion der Energie und des Elementes ist, Z ist die Atomnummer des Elementes, N ist die Zahl der Atome/cm³ und Φο ist gleich

Dabei ist es erwünscht, daß d?- Unterschied des Be-Schädigungskoeffizienten der Strahlung, die auf die

Elektroden als Maske und die unmaskierten Teile des Elementes, die selektiv bestrahlt werden sollen, fällt, in der Größenordnung von 10 liegt

Wenn Elektronen mit einer Energie von z. B. 400 KeV benützt werden, dann wird ein Unterschied im Beschädigungskoeffizienten von etwa 20 dadurch erhalten, daß man die Energie der Teilchen im maskierten Bereich des Elementes auf 300 KeV verringern

Die Bestrahlungszeit hängt selbstverständlich auch noch von der Flußgröße ab. Der Fluß ist proportional zum Strahlstrom. Werden hohe Ströme benutzt, dann kann die Bestrahlungszeit verkürzt werden. Der Grad der Veränderung in der Lebensdauer kann nach folgender Gleichung bestimmt werden:

worin t die Lebensdauer nach der Bestrahlung, ίο die anfängliche Lebensdauer, K der Beschädigungskoeffirient und Φ der Fluß in Elektronen/cm² ist. Werden außerordentlich große Flußstärken angewandt, dann ist es häufig erwünscht, den Elektronenstrahl über die maskierenden Elektroden hin- und herzuführen, um das Erhitzen über eine gewünschte Temperatur zu verhindern.

In Bezug auf die vorstehende Gleichung ist es erwünscht, daß in dem maskierten Bereich l/fo größer ist als ΚΦ, während in dem unmaskierten Bereich 1/ to kleiner sein soll als ΚΦ.
Fig.4 veranschaulicht die Anwendung eines Lotes mit hohem Bleigehalt auf das Thyristor-Element 10 zum Selbstmaskieren gegen Bestrahlung. Da der Bereich der Kontaktmetallisierung auf den Bereichen 12, 14 und 18 im wesentlichen den Bereichen entspricht, die gegen die Auswirkung der Schäden verursachenden Bestrahlung maskiert werden sollen, werden solche Kontakte als Maske benutzt. Diese Kontakte sind üblicherweise von ausreichender Dicke, um die erforderliche Energieverringerung für ei..e erfolgreiche selektive Bestrahlung zu bewirken. Zu diesem Zwecke wird daher eine Lotschicht, die vorzugsweise einen hohen Bleigehalt hat, auf die Kontakte aufgebracht und das element danach bestrahlt. Die Lotschichten 44 und 46 werden in einer Dicke auf die Elektroden 16 und 26 aufgebracht, die im Einklang steht mit den obigen Ausführungen hinsichtlieh der Energieverringerung der Elektronenstrahlung.

Außerhalb der angegebenen Bereiche wird eine selektive Elektronen-Bestrahlung in einem Energiebereich von 0,4 bis Ii! MeV wirksam suseeführt. Rei hp-

reits verpackten Elementen können selbst höhere Knergien bis zu 25 MeV oder mehr angewendet werden. Auch kann die Bestrahlung auf die Thyristor-Elemente einer Halbleiterscheibe beschränkt werden, wo durch Tests festgestellt ist, daß sie ein zu geringes kommutierendes d v/d / aufweisen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

IO

20

bO

65

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung von Triacs mit einem ersten stromleitenden Bereich zum Leiten in einer ersten Richtung, einem zweiten stromleitenden Bereich zum Leiten in einer der ersten Richtung entgegengesetzten zweiten Richtung, sowie mit einem Gatebereich, wobei diese drei Bereiche in seitlichem Abstand zueinander angeordnet sind und zwischen sich eine Grenzschicht bilden, wobei in der Grenzschicht Gitterstörstellen erzeugt werden, die die Lebensdauer der Minoritätsträger vermindern, und mit Elektroden zur Bildung der ohmschen Kontakte mit den drei Bereichen, dadurch gekennzeichnet, daß die Grenzschicht (30, 32) mit Elektronen mit einer Energie von mehr als 0,4 MeV bestrahlt wird und daß die Elektroden (16, 26) die drei Sereiche (12,14J8) maskieren und gegen die ElektronenbesirahlüRg abschirmen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Maskieren das Überziehen der Elektroden (16, 26) mit Lotschichten (44, 46) hohen Bleigehaltes umfaßt

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestrahlungsenergie kleiner als 12 MeV ist

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet daß die Bestrahlungsdosis im Bereich zwischen 10¹² bis 10¹⁵ Elektronen/cm² jo liegt.