DE4306320B4 - Verfahren zur Erhöhung der Spannungsfestigkeit eines mehrschichtigen Halbleiterbauelements - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Erhöhung der Spannungsfestigkeit eines Halbleiterbauelements,
bei dem eine Folge von Halbleiterschichten (1 bis 4) alternierender Leitungstypen vorgesehen sind, die durch pn-Übergänge (7, 8) voneinander getrennt sind,
bei dem Elektroden (5, 6) angebracht sind, über die eine Spannung anlegbar ist, welche wenigstens einen der pn-Übergänge (7, 8) in Sperrichtung vorspannt,
bei dem ein zentraler Bereich (LBz) des Bauelements mit einer Bestrahlungsmaske (15) abgedeckt wird und bei dem lediglich im Bereich (LBr) des Randabschlusses (12, 13) dieses pn-Übergangs (7, 8) die Trägerlebensdauer durch direkte Bestrahlung mit Elektronen (14) reduziert wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Dicke (19) und/oder das Material der Bestrahlungsmaske so gewählt wird, daß gleichzeitig mit der Erhöhung der Spannungsfestigkeit im Randbereich (LBr) mit Hilfe der infolge der Bestrahlung mit Elektronen in der Bestrahlungsmaske entstehenden Bremsstrahlung statische und dynamische elektrische Parameter des Halbleiterbauelements, die von der Trägerlebensdauer im zentralen Bereich (LBz) abhängen, gezielt eingestellt...

Description

  • Verfahren zur Erhöhung der Spannungsfestigkeit eines mehrschichtigen Halbleiterbauelements.
  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Erhöhung der Spannungsfestigkeit eines mehrschichtigen Halbleiterbauelements nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • Ein Verfahren dieser Art ist beispielsweise aus der US-Patentschrift 3,872,493 vom 18. März 1975 bekannt. Dabei wird eine für Elektronen undurchlässige Bestrahlungsmaske verwandt, die beispielsweise aus gewöhnlichem Stahl oder Wolfram besteht und eine Dicke von ca. 4 mm aufweist. Die infolge der Elektronenbestrahlung in der Bestrahlungsmaske erzeugte Bremsstrahlung (Gamma-Strahlung), im Bereich unterhalb der Bestrahlungsmaske, die die Ladungsträgerlebensdauer im Halbleiterbauelement verringert, bleibt dabei unberücksichtigt.
  • KULKE, B.; FRYE, R.; PENKO, F.: Effects of Irradiation on Hall Probe Sensitivity. In: Particle Accelerator Conference, 1989; Üproceedings of the 1898 IEEE. IEEE-Catalog Number 89CH2669-0 beschreibt den Einfluss von Bremsstrahlung auf die Trägerlebensdauer bei Hall-Sonden.
    •
  • Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, das gleichzeitig durch eine Bestrahlung mit Elektronen neben einer deutlichen Anhebung der Spannungsfestigkeit auch das gezielte Einstellen statischer und dynamischer elektrischer Parameter des Halbleiterbauelements, die von der Trägerlebensdauer im zentralen lateralen Bereich abhängen, gestattet. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich insbesondere dadurch aus, daß in einfacher Weise, nämlich durch Wählen des Materials und/oder der Dicke der Bestrahlungsmaske gleichzeitig mit der Erhöhung der Spannungsfestigkeit im Randbereich statische und dynamische elektrische Pa rameter des Halbleiterbauelements im zentralen Bereich, wie beispielsweise die Durchlaßspannung oder die Freiwerdezeit, mit Hilfe der infolage der Bestrahlung mit Elektronen in der Bestrahlungsmaske entstehenden Bremsstrahlung gezielt eingestellt werden können.
  • Die Patentansprüche 2 und 3 sind auf bevorzugte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens gerichtet.
    •
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt
  • 1 die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf einen Thyristor und
  • 2 die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf einen planaren Transistor.
  • In 1 ist ein Thyristor mit einem aus dotiertem Halbleitermaterial, zum Beispiel Silizium, bestehenden Halbleiterkörper dargestellt. Er weist vier aufeinanderfolgende Schichten abwechselnder Leitungstypen auf. Von diesen bezeichnet man die aus den n-leitenden Teilschichten 1 bestehende Schicht als den n-Emitter, die p-leitende Schicht 2 als die p-Basis, die n-leitende Schicht 3 als die n-Basis und die p-leitende Schicht 4 als den p-Emitter. Der p-Emitter ist mit einer anodenseitigen Elektrode 5 aus elektrisch leitendem Material, zum Beispiel Aluminium, versehen, die einen Anschluß A aufweist. Der n-Emitter ist mit einer kathodenseitigen Elektrode 6 versehen, die die Teilschichten 1 kontaktiert und mit einem Anschluß K versehen ist. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel kontaktiert 6 auch die Schicht 2 zur Bildung von Emitterkurzschlüssen. Der Anschluß G einer Gateelektrode GE, die die p-Basis kontaktiert, wird zum Zünden des Thyristors in an sich bekannter Weise mit einem positiven Zündstromimpuls beaufschlagt.
  • Wird an die Anschlüsse A und K eine Spannung geschaltet, die die Elektrode 5 auf ein positiveres Potential legt als die Elektrode 6, so wird der pn-Übergang 7 zwischen den Schichten 2 und 3 in Sperrichtung vorgespannt. Wenn andererseits bei A und K eine Spannung angeschaltet ist, die die Elektrode 5 auf ein negativeres Potential legt als die Elektrode 6, so wird der pn-Übergang 8 zwischen den Schichten 3 und 4 in Sperrichtung vorgespannt. Um eine hohe Spannungsfestigkeit des Thyristors zu gewährleisten, muß dafür Sorge getragen werden, daß ein oberflächenseitiger Durchbruch der pn-Übergänge 7 und 8 erst bei hohen Sperrspannungen eintritt. Zu diesem Zweck wird der Thyristorrand zum Beispiel, wie in 1 dargestellt, sowohl von der oberen Hauptfläche 9 als auch von der unteren Hauptfläche 10 ausgehend jeweils mit einem positiven Winkel abgeschrägt. Damit wird eine Absenkung der Oberflächenfeldstärke der im Bereich der seitlichen Begrenzungsfläche 11 liegenden seitlichen Randabschlüsse 12 und 13 der pn-Übergänge 7 und 8 erreicht, durch die die Gefahr des Durchbruchs an dieser Stelle herabgesetzt wird.
  • Zur Erhöhung der Spannungsfestigkeit wird nun lediglich im lateralen Bereich LBr der seitlichen Randabschlüsse 12 und 13 die Trägerlebensdauer durch eine Bestrahlung mit Elektronen reduziert, was in 1 durch vertikale Pfeile 14 angedeutet ist. Durch eine Abdeckung des lateralen Bereichs LBz, also des zentralen Bereichs des Halbleiterbauelements, mit einer Bestrahlungsmaske 15 zum Beispiel aus einer ca. 2 cm dicken Scheibe aus gewöhnlichem Stahl, Wolfram, Eisen, Molybdän, Blei aber auch Silizium wird erreicht, daß sich die Reduzierung der Trägerlebensdauer, die unmittelbar aus der Bestrahlung mit Elektronen herrührt, lediglich innerhalb von LBr vollzieht und sich die Trägerlebensdauer zum Beispiel von 200 ms auf 10 ms verringert. Damit verringert sich innerhalb von LBr auch der Stromverstärkungsfaktor αpnp erheblich was eine erhöhte Spannungsfestigkeit in diesem Bereich zur Folge hat.
  • Vielfach besteht bei Halbleiterbauelementen, wie beispielsweise Thyristoren und Transistoren, der Wunsch neben der Erzielung einer hohen Sperrspannung statische und dynamische elektrische Parameter, wie beispielsweise die Durchlaßspannung und die Freiwerdezeit des Halbleiterbauelements, gezielt einzustellen.
  • Die elektrischen Parameter, die von der Trägerlebensdauer im zentralen Bereich LBz abhängen, wie beispielsweise die Freiwerdezeit, können hierzu beispielsweise durch auf den zentralen Bereich LBz gerichtete Gammastrahlen eingestellt werden, wobei infolge der zusätzlich erzeugten Energieniveaus im Atomgitter die Rekombinationsrate erhöht wird und somit Speicherladungen schneller entfernt werden, womit beispielsweise die Freiwerdezeit des Halbleiterbauelements verkürzt wird.
  • Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird nun die in der Bestrahlungsmaske durch die Elektronenbestrahlung erzeugte Bremsstrahlung (Gammastrahlung) dazu benutzt, um gleichzeitig mit der infolge der direkten Bestrahlung mit Elektronen erhöhten Spannungsfestigkeit im Randbereich LBr auch die statischen und dynamischen elektrischen Parameter die von der Trägerlebensdauer im zentralen Bereich LBz abhängen, zum Beispiel die Freiwerdezeit, gezielt einzustellen. Durch die Gammastrahlung wird auch im zentralen Bereich LBz die Sperrfähigkeit der pn-Übergänge erhöht, allerdings ist dieser Effekt nicht so stark ausgeprägt wie die Erhöhung der Sperrfähigkeit im Randbereich LBr, da die Erniedrigung der Trägerlebensdauer durch die Gammastrahlung geringer ist als durch die direkte Elektronenstrahlung. Da die Energie der Elektronen mindestens ein MeV betragen sollte, damit im wesentlichen nicht nur elastische Stöße im Atomgitter auftreten, wird eine Elektronenenergie zwischen 1 und 16 MeV und bevorzugt eine Elektronenenergie von 5 MeV gewählt. Die verwandte Elektronendichte beträgt dabei in der Regel zwischen 1013 und 1015 Elektronen/cm2. Um nun die geeignete Dosis von Gammastrahlen, von beispielsweise 1012 cm2, zur Einstellung der dynamischen elektrischen Parameter, die von der Trägerlebensdauer im zentralen Bereich abhängen, zu erhalten, werden das Material und/oder die Dicke 19 der Bestrahlungsmaske 15 in entsprechender Weise gewählt. Bevorzugt werden hierfür Bestrahlungsmasken aus einer 1 bis 2 cm dicken Stahl- oder Molybdän-Scheibe verwandt.
  • 2 zeigt die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf einen planaren Transistor. Dieser besteht zum Beispiel aus einer n-leitenden Schicht 20, einer in diese eingebetteten p-leitenden Schicht 21 und einer in diese eingefügten n-leitenden Schicht 22, die jeweils den Kollektor, die Basis und den Emitter darstellen. Der Emitter ist mit einer Emitterelektrode 23 versehen, der Kollektor mit einer Kollektorelektrode 24 und die Basis mit einer Basiselektrode 25, wobei die Anschlüsse dieser Elektroden aus Gründen einer einfachen Darstellung nicht gezeigt sind. Die erste Hauptfläche 26 ist zum Beispiel zwischen den Elektroden 23 und 25 mit einer Isolationsschicht 27, zum Beispiel aus Siliziumdioxid, versehen. Nach Anbringung einer Bestrahlungsmaske 15, die den zentralen Bereich LBz des Transistors abdeckt, erfolgt eine durch die Pfeile 14 angedeutete Bestrahlung mit Elektronen, die in der Bestrahlungsmaske 15 auf den zentralen Bereich LBz des Transistors gerichtete Bremsstrahlung (Gammastrahlung) 18 auslösen. Die Elektronen bewirken im Bereich LBr des Randabschlusses 30 des pn-Übergangs 31 zwischen dem Kollektor 20 und der Basis 21 eine erhebliche Reduzierung der Trägerlebensdauer und damit eine deutliche Erhöhung der Spannungsfestigkeit des Transistors gegenüber einer bei 23 und 24 anliegenden Spannung, die die Kollektorelektrode 24 auf ein positivertes Potential legt als die Emitterelektrode 23 und die den pn-Übergang 31 in Sperrichtung vorspannt. Wie beim Thyristor von 1 werden durch die Bremsstrahlung zusätzliche Energiezustände im Atomgitter bewirkt, die eine erhöhte Rekombinationsrate zur Folge haben und somit zum Beispiel Speicherladungen schneller abgebaut werden können als in einem unbestrahlten zentralen Bereich LBz.

Claims (3)

  1. Verfahren zur Erhöhung der Spannungsfestigkeit eines Halbleiterbauelements, bei dem eine Folge von Halbleiterschichten (1 bis 4) alternierender Leitungstypen vorgesehen sind, die durch pn-Übergänge (7, 8) voneinander getrennt sind, bei dem Elektroden (5, 6) angebracht sind, über die eine Spannung anlegbar ist, welche wenigstens einen der pn-Übergänge (7, 8) in Sperrichtung vorspannt, bei dem ein zentraler Bereich (LBz) des Bauelements mit einer Bestrahlungsmaske (15) abgedeckt wird und bei dem lediglich im Bereich (LBr) des Randabschlusses (12, 13) dieses pn-Übergangs (7, 8) die Trägerlebensdauer durch direkte Bestrahlung mit Elektronen (14) reduziert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke (19) und/oder das Material der Bestrahlungsmaske so gewählt wird, daß gleichzeitig mit der Erhöhung der Spannungsfestigkeit im Randbereich (LBr) mit Hilfe der infolge der Bestrahlung mit Elektronen in der Bestrahlungsmaske entstehenden Bremsstrahlung statische und dynamische elektrische Parameter des Halbleiterbauelements, die von der Trägerlebensdauer im zentralen Bereich (LBz) abhängen, gezielt eingestellt werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß gleichzeitig mit der Erhöhung der Spannungsfestigkeit die Freiwerdezeit des Halbleiterbauelements gezielt eingestellt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestrahlungsmaske aus Stahl, Eisen, Blei, Molybdän oder Wolfram besteht und eine Dicke (19) von mindestens 1 cm und höchstens 2 cm aufweist.
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US3872493A (en) * 1972-08-25 1975-03-18 Westinghouse Electric Corp Selective irradiation of junctioned semiconductor devices

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