DE69031935T2 - Druckkontakt-Halbleiteranordnung und Verfahren zum Herstellen derselben - Google Patents

Druckkontakt-Halbleiteranordnung und Verfahren zum Herstellen derselben

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Leistungs- Halbleitervorrichtung, und insbesondere eine durch Druck bondierte Halbleitervorrichtung, bei der eine Durchbruchspannung der Halbleitervorrichtung erhöht ist.
  • Bei einer herkömmlichen Leistungs-Halbleitervorrichtung wird zum Erfüllen von Bedingungen, wie beispielsweise einer Wärmeableitung, einer Stromkapazität, eines Durchbruchwiderstandes, eines Durchmessers einer Halbleiterpille, ein durch Druck bondiertes Paket, wie beispielsweise ein stehendes oder flaches Paket verwendet. Jedoch ist es deshalb, weil ein Randbereich für einen speziellen Übergang, wie beispielsweise eine abgeschrägte Struktur, als Übergangs- bzw. Verbindungsstruktur der Halbleiterpille verwendet wird, um eine höhere Durchbruchspannung zu erhalten, schwierig, die Pille an alle Oberflächen von Teilen zu drücken, die während einer Betriebszeit Wärme erzeugen. Gemäß dem oben beschriebenen durch Druck bondierten Paket ist in der Oberfläche der Halbleiterpille, die Wärme erzeugt, eine Wärmeableitung eines Teils, mit dem eine durch Druck bondierte Elektrode in engem Kontakt ist, ausgezeichnet, aber eine Wärmeableitung eines Teils, mit dem die durch Druck bondierte Elektrode nicht in Kontakt ist, ist sehr schlecht.
  • Bei einer herkömmlichen durch Druck bondierten Halbleitervorrichtung, bei der ein derartiges durch Druck bondiertes Paket verwendet wird, wird als Gegenmaßnahme für eine Wärmeableitung der Bereich eines Teils maximiert, wo eine externe Elektrode in Kontakt mit einer Halbleiterpille ist, oder eine Wärmepufferplatte aus Molybdän (Mo), Wolfram (W) oder ähnlichem, welche einen thermischen Expansionskoeffizienten in der Nähe von jenem der Halbleiterpille (der Siliziumpille) hat, wird an einer Oberfläche der Halbleiterpille durch einen Al-Si- Legierungsfilm fixiert.
  • Selbst wenn die obigen Strukturen verwendet werden, ist eine Wärmeableitung eines Teils, mit dem eine externe Elektrode nicht in Kontakt ist, schlecht, und ein Halbleiterelement kann zerstört werden.
  • Die Fig. 1A und 1B zeigen schematisch jeweils eine herkömmliche durch Druck bondierte Legierungsdiode und eine herkömmliche legierungsfreie durch Druck bondierte Diode. In den Fig. 1A und 1B bezeichnet das Bezugszeichen 10 eine Halbleiterpille (eine Siliziumpille), auf der eine p-n- Übergangsdiode gebildet ist, und Hauptelektroden sind jeweils auf einer (ersten) Hauptoberfläche und der anderen (zweiten) Hauptoberfläche ausgebildet. Ein Einhüllungselement (z.B. Siliziumgummi) 11 ist vorgesehen, um den Randoberflächenteil der Halbleiterpille 10 abzudecken.
  • Bei der in Fig. 1A gezeigten Legierungsstruktur ist eine Oberfläche der Halbleiterpille 10 auf einer Wärmepufferplatte (z.B. Mo) 12 durch eine Legierungsbondierung fixiert, und ein Elektrodenelement 13 ist an der anderen Oberfläche der Halbleiterpille 10 angeordnet. Die Halbleiterpille 10 wird von beiden Seiten durch Elektrodensäulen (z.B. Cu) 14 gedrückt bzw. komprimiert.
  • Bei der in Fig. 1B gezeigten legierungsfreien Struktur drücken Elektrodensäulen 14 die Elektrodenelemente 13, die wiederum die zwei Elektroden drücken, die jeweils auf der ersten und der zweiten Hauptoberfläche der Halbleiterpille 10 ausgebildet sind. Die Pille 10 wird zwischen den Elektrodenelementen 13 gedrückt, aber nicht daran befestigt. Eines der Elemente 13 wird zwischen der Pille 10 und der Elektrodensäule 14 gedrückt, aber nicht an der Pille 10 oder der Säule 14 fixiert.
  • Obwohl Teile von Randbereichen, die nicht mit den Elektroden 13 der Halbleiterpillen 10 bedeckt sind, die in den Fig. 1A und 1B gezeigt sind, und die durch Pfeile a (Teile der Oberflächen der Halbleiterpillen 10, mit denen externe Elektroden nicht in Kontakt sind) gezeigt sind, während einer Betriebszeit Wärme erzeugen, haben die Teile eine schlechte Wärmeableitung. Aus diesem Grund wird dann, wenn die Halbleiterpille 10 eine Diode ist, der Randbereich, der nicht mit der Elektrode 13 bedeckt ist und der durch den Pfeil a gezeigt ist, durch eine zurückkommende Leistung zu einer Sperrverzögerungszeit am einfachsten zerstört.
  • Wie es oben beschrieben worden ist, hat gemäß einer herkömmlichen durch Druck bondierten Halbleitervorrichtung ein Teil, mit dem eine externe Elektrode nicht innerhalb der Oberfläche einer Halbleiterpille in Kontakt ist, eine schlechte Wärmeableitung, und die Durchbruchspannung eines Halbleiterelements ist erniedrigt.
  • Patent Abstracts of Japan, Bd. 7, Nr. 162, (E-187) (1307), 15. Juli 1983 & JP-A-58 071 658, die derart angesehen werden, daß sie den relevantesten Stand der Technik darstellen, offenbaren eine Halbleitervorrichtung vom Druckkontakttyp, deren Zuverlässigkeit durch Reduzieren der Minoritätsträger- Lebensdauer eines Halbleiterelementsubstrats unter der Umgebung eines unter Druck kontaktierten metallischen Stempels verbessert wird.
  • Solid State Electronics, Bd. 30, Nr. 2, S. 185-188 (1987) offenbart einen Weg zum Reduzieren der Träger-Lebensdauer durch Protonenimplantation.
  • Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Menge an Wärmeerzeugung von einem Teil innerhalb einer Oberfläche einer Halbleiterpille zu reduzieren, die nicht in ausreichendem Maß Wärme zu einer externen Elektrode führt, und eine Durchbruchspannung eines Halbleiterelements zu erhöhen.
  • Diese Aufgabe wird durch eine durch Druckkontakt- Halbleitervorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst, welcher Halbleiter durch die Merkmale weiterentwickelt wird, wie es in den Ansprüchen 2 bis 13 angegeben ist. Weiterhin wird die Aufgabe durch ein Verfahren zum Ausbilden einer Druckkontakt- Halbleitervorrichtung gemäß Anspruch 14 gelöst, welches Verfahren durch die Merkmale gemäß den Ansprüchen 15 bis 19 weiterentwickelt ist.
  • Diese Erfindung kann besser aus der folgenden detaillierten Beschreibung in Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen verstanden werden, wobei:
  • Fig. 1A und 1B Teil-Schnittansichten sind, die jeweils schematisch eine Legierungsstruktur und eine legierungsfreie (legierungslose) Struktur von herkömmlichen Druckbondierungsdioden zeigen;
  • Fig. 2 eine Schnittansicht ist, die einen Hauptteil einer legierungsfreien druckbondierten Diode gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • Fig. 3 eine Kurve ist, die Werte zeigt, die durch Messen von rückwärts gerichteten Durchbruchspannungen VIJ der druckbondierten Diode in Fig. 2 und eine herkömmliche legierungsfreie druckbondierte Diode erhalten werden;
  • Fig. 4 eine Schnittansicht ist, die einen Hauptteil einer Modifikation der druckbondierten Diode in Fig. 2 zeigt;
  • Fig. 5 eine Schnittansicht ist, die einen Teil eines legierungsfreien umgekehrt blockierenden GTO- Thyristor zeigt, wobei eine Träger- Lebensdauer teilweise durch eine Elektronenstrahl-Bestrahlung gesteuert wird;
  • Fig. 6 eine Schnittansicht ist, die einen Teil eines legierungsfreien umgekehrt blockierenden GTO- Thyristors zeigt, wobei eine Träger- Lebensdauer teilweise durch eine Protonenstrahlung gesteuert wird;
  • Fig. 7A und 7B Schnittansichten sind, die einen Teil eines legierungsfreien umgekehrt leitenden GTO- Thyristors zeigen, wobei eine Träger- Lebensdauer teilweise durch eine Elektronenstrahl-Bestrahlung gesteuert wird;
  • Fig. 8 eine Schnittansicht ist, die einen Teil eines legierungsfreien umgekehrt leitenden GTO- Thyristors zeigt, wobei eine Träger- Lebensdauer teilweise durch eine Protonenstrahlung gesteuert wird;
  • Fig. 9 eine Schnittansicht ist, die einen Teil einer druckbondierten Diode mit einem nicht schrägen Übergangsrand zeigt;
  • Fig. 10 eine Schnittansicht ist, die einen Teil eines legierungsfreien MAGTO-Thyristors mit einer RESURF-Struktur zeigt;
  • Fig. 11 eine Schnittansicht ist, die einen Teil eines MOS-gesteuerten Thyristors mit einer RESURF- Struktur zeigt; und
  • Fig. 12 eine Schnittansicht ist, die einen Teil eines Doppelgate-MOS-gesteuerten Thyristors mit einer RESURF-Struktur zeigt.
  • Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
  • Fig. 2 ist eine Schnittansicht, die einen Hauptteil einer legierungsfreien druckbondierten Diode zeigt. In Fig. 2 bezeichnet das Bezugszeichen 20 eine Halbleiterpille (Siliziumpille), auf der eine Diode, die durch Bondieren von p-Typ-, n&supmin;-Typ- und n&spplus;-Typ-Schichten gebildet ist, ausgebildet ist. In der Halbleiterpille 20 sind Oxidfilme (SiO&sub2;-Filme) 21 an Randteilen einer (ersten) Hauptoberfläche einer Oberflächenseite und einer (zweiten) Hauptoberfläche der anderen Oberflächenseite ausgebildet, und Anoden- oder Kathoden-Elektroden 22, 22 sind auf der gesamten Oberfläche ausgebildet. Einhüllungselemente (z.B. Siliziumgummi) 23 überdecken die Randoberflächen der Halbleiterpille 20. Elektrodenelemente 24, die beispielsweise aus Mo hergestellt sind, sind in Kontakt mit den Elektroden 22 angeordnet. Elektronensäulen (nicht gezeigt), die beispielsweise aus Cu hergestellt sind, drücken die Elektrodenelemente 24, die die Halbleiterpille 20 von beiden Seiten einschließen und drücken. Die Halbleiterpille 20 wird durch die Elektrodenelemente 24 gedrückt, aber nicht daran fixiert. Die Elemente 24 werden durch die Elektronensäulen gedrückt, aber nicht daran befestigt. Somit können beliebige zwei benachbarte Bauteile, die einander kontaktieren, sich unabhängig voneinander zusammenziehen oder ausdehnen, wenn sie gekühlt oder erwärmt werden.
  • Beim ersten Ausführungsbeispiel ist eine Kristalldefektdichte innerhalb der Oberfläche der Halbleiterpille verteilt, so daß eine Träger-Lebensdauer von wärmeerzeugenden Teilen (Randbereichen der Pille) der Halbleiterpille, die angeordnete Außenteile sind, wo die Elektrodenelemente 24 die Elektroden 22 kontaktieren, und nicht in ausreichendem Maß Wärme zu den Elektrodenelementen führen können, kürzer als jene von wärmeerzeugenden Teilen ist, die in ausreichendem Maß Wärme zu den Elektrodenelementen 24 führen, und daß die Teile, die nicht in ausreichendem Maß Wärme zu den Elektrodenelementen 24 führen, einen Wert haben, der größer als jener der Teile ist, die in ausreichendem Maß Wärme zu den Elektrodenelementen 24 führen.
  • Nachfolgend wird ein Verfahren zum Ausbilden der Halbleiterpille 20 der druckbondierten Diode beschrieben. Ein erster Elektronenstrahl wird einheitlich auf die gesamte Oberfläche der Halbleiterpille 20 mit einer Beschleunigungsspannung von 10 MeV und einer Dosis von 5 x 10¹¹ cm&supmin;²gestrahlt, um die Träger-Lebensdauer der gesamten Pille in ausreichendem Maß zu verringern, und es können elektrische Eigenschaften eines Halbleiterelements nahe einem Sollwert erhalten werden. Es ist zu beachten, daß die Träger- Lebensdauer durch Anwendung einer Bestrahlung erniedrigt werden kann. Danach wird ein zweiter Elektronenstrahl mit einer Dosis von (5 x 10¹² cm²), was das Zehnfache von dem ist, mit welcher der Elektronenstrahl auf die gesamte Oberfläche gestrahlt wird, auf wenigstens Randteile der Pille gestrahlt, außer für einen Teil, der die Elektrodenelemente 24 in der Pille zum Erzeugen von Wärme durch Zuführen eines Stroms kontaktiert, um einen ausreichenden Wärmeableitungseffekt zu erhalten. Der zweite Elektronenstrahl kann mit einer Dosis angewendet werden, die gleich der oder größer als die Dosis des ersten Strahls ist. In diesem Fall wird als Maske, die zur selektiven Strahlung des Elektronenstrahls verwendet wird, eine Mo-Platte mit einer Dicke von etwa 3 bis 6 mm oder ähnliches verwendet. Da mit einem Elektronenstrahl bestrahlte Teile A (Bereiche, die durch gestrichelte schräge Linien gezeigt sind), an welchen eine Elektronenstrahlinjektion (EBI) durchgeführt wird, nicht in Kontakt mit dem Elektrodenelement 24 sind, haben die Teile A eine schlechte Wärmeableitung. Jedoch haben die Teile A eine Kristalldefektdichte, die als Rekombinationszentrum von Trägern dient, welche das 1,5-fache von wärmeerzeugenden Teilen oder mehr ist, die in ausreichendem Maß Wärme zu den Elektrodenelementen 24 in der Pille führen. In Abhängigkeit von den Elementen sind tatsächliche Kristalldefektdichten 1 x 10¹&sup0; cm&supmin;³ und etwa 1 x 10¹² bis 1 x 10&supmin;&sup4; cm&supmin;³ in wärmeerzeugenden Teilen, die in ausreichendem Maß Wärme zu den Elektrodenelementen führen bzw. in wärmeerzeugenden Teilen, die nicht in ausreichendem Maß Wärme zu den Elektrodenelementen führen.
  • Bei der druckbondierten Diode des obigen Ausführungsbeispiels wird Wärme effektiv vom wärmeerzeugenden Teil der Pille abgeleitet, die zwischen den Elektrodenelementen 24 gedrückt bzw. komprimiert wird. Gegensätzlich dazu wird, obwohl die Wärmeableitung von wärmeerzeugenden Teilen (d.h. durch einen Elektronenstrahl bestrahlte Teile A) von Pillen-Randteilen, die die Elektrodenelemente 24 nicht kontaktieren, schlecht ist, eine Träger-Lebensdauer der wärmeerzeugenden Teile verglichen mit jener der wärmeerzeugenden Teile erniedrigt, die die Elektrodenelemente 24 kontaktieren. Daher ist bestätigt, daß es schwierig ist, einen Strom durch den Teil fließen zu lassen, der die Elektrodenelemente 24 nicht kontaktiert, daß eine Stromaufteilung zu diesen Teilen abnimmt, wodurch ein Erzeugen einer Menge an Wärme unterdrückt wird, und daß eine Durchbruchspannung in Rückwärtsrichtung zu einer Sperrverzögerungszeit erhöht werden kann. Da eine Temperatur an einer Stelle erhöht wird, die dem äußeren Rand des Elektrodenelements 24 entspricht, und zwar aufgrund von Wärme, die von außerhalb übertragen wird, wird ein Elektronenstrahl vorzugsweise auf einen innerhalb angeordneten kleinen Teil vom äußeren Rand des Elektronenelements 24 aus gestrahlt.
  • Fig. 3 zeigt einen resultierenden Wert, der durch Messen von rückwärts gerichteten Durchbruchspannungen Vij der druckbondierten Diode des obigen Ausführungsbeispiels (I) und eine herkömmliche legierungsfreie druckbondierte Diode (II) erhalten wird. Wie es aus Fig. 3 klar wird, beträgt die rückwärts gerichtete Durchbruchspannung Vij des obigen Ausführungsbeispiels etwa das 1,5-fache von jener des Standes der Technik.
  • Als Verfahren zum teilweisen Steuern der Träger-Lebensdauer, das oben beschrieben ist, kann nicht nur ein Elektronenstrahl verwendet werden, sondern eine Bestrahlung mit beispielsweise α-Strahlen, oder es kann Schwermetall diffundiert werden. Ein Fall, bei dem ein Protonenstrahl verwendet wird, ist in Fig. 4 gezeigt. Bei einer druckbondierten Diode, die in Fig. 4 gezeigt ist, wird anstelle des Elektronenstrahls ein Protonenstrahl auf einen Pillen-Randteil gestrahlt, um mit Protonen bestrahlte Teile B (Bereiche, die durch gestrichelte schräge Linien gezeigt sind) in der Tiefenrichtung auszubilden, in der eine Träger-Lebensdauer lokal kurz ist. Gemäß dieser Steuerung einer Träger-Lebensdauer durch ein Bestrahlen mit dem Protonenstrahl kann eine Kristalldefektdichte nicht nur innerhalb der Oberfläche der Halbleiterpille 40 gesteuert werden, sondern auch in der Tiefenrichtung. Daher kann der oben beschriebene Effekt auf einfache Weise erhalten werden. Die Position in der Tiefenrichtung wird in Abhängigkeit von Anwenderelementen geändert, und nicht nur eine einzelne Elementenposition kann vorgesehen sein, sondern eine Vielzahl von Elementenpositionen. Als Maske zum selektiven Strahlen des Protonenstrahls kann eine Al-Platte mit einer Dicke von etwa 0,2 bis 1 mm auf zufriedenstellende Weise verwendet werden. Diese Dicke ist 1/2 bis 1/10 so groß wie jene der Maske, durch die der Elektronenstrahl angewendet wird. Wenn die Position in der Tiefenrichtung an einem flachen Teil mit einer Tiefe von 200 µm oder weniger von einer Hauptoberfläche aus ausgebildet wird, kann eine Polyimid-Maske, eine Schutzschichtmaske, eine metallische Maske oder ähnliches, die bei einem herkömmlichen Schritt verwendet wird, als Maske verwendet werden. In diesem Fall kann die Maske auf dieselbe Weise ausgebildet werden, wie bei anderen herkömmlichen Maskierungsprozessen für Halbleiterelemente. Daher ist es bei einer Herstellungstechnik sehr nützlich, daß ein Bereich mit einer hohen Kristalldefektdichte an der flachen Position mit einer Tiefe von 200 µm oder weniger ausgebildet wird.
  • Bei einer in Fig. 4 gezeigten druckbondierten Diode bezeichnen dieselben Bezugszeichen in Fig. 4 dieselben Teile wie bei der in Fig. 1 gezeigten druckbondierten Diode.
  • Obwohl bei jedem der obigen Ausführungsbeispiele eine druckbondierte Diode als Beispiel gezeigt ist, kann die vorliegende Erfindung auf alle druckbondierten Halbleitervorrichtungen, wie beispielsweise zusammengesetzte Elemente, z.B. herkömmliche.Thyristoren, einen GTO-(Gate- Ausschalt-)Thyristor, einen SI-(Statikinduktions-)Thyristor, einen IGBT-(einen Bipolartransistor mit isoliertem Gate), einen MAGT-(MOS-unterstützten Gatetrigger-)Thyristor, einen MAGTO-(MOS-unterstützten Gate-Ausschalt-)Thyristor, einen umgekehrt blockierenden GTO-Thyristor, einen umgekehrt leitenden GTO-Thyristor, einen MCT (MOS-gesteuerten Thyristor), angewendet werden.
  • Fig. 5 ist eine Schnittansicht, die einen Teil eines legierungsfreien umgekehrt blockierenden GTO-Thyristors zeigt, in dem eine Träger-Lebensdauer teilweise durch eine Elektronenstrahl-Bestrahlung gesteuert wird, und Fig. 6 ist eine Schnittansicht, die einen Teil eines legierungsfreien umgekehrt blockierenden GTO-Thyristors zeigt, in dem eine Träger-Lebensdauer teilweise durch eine Protonenstrahl- Bestrahlung gesteuert wird. Beide Halbleiterpillen 50 und 60 haben eine X-förmige doppelt abgeschrägte Struktur.
  • In dem Fall der Pille 50 wird ein Elektronenstrahl an wenigstens den wärmeerzeugenden Teil angelegt, der nicht ausreichende Wärme zu den Elektronenelementen 24 übertragen kann, wodurch ein durch einen Strahl bestrahlter Teil C gebildet wird.
  • In dem Fall der Pille 60 wird ein Protonenstrahl an wenigstens den wärmeerzeugenden Teil angelegt, der nicht ausreichend Wärme zum Elektronenelement übertragen kann, wodurch ein durch einen Strahl bestrahlter Teil D gebildet wird. Es ist möglich, einen durch einen Strahl bestrahlten Teil D' mit einer unterschiedlichen Tiefe auszubilden, wenn es nötig ist, und zwar durch Verändern einer Beschleunigungsstrahlung des Protonenstrahls. Es ist zu beachten, daß das Bezugszeichen 23 ein Einhüllungselement bezeichnet; 24 Elektrodenelemente; 25 Elektrodensäulen (z.B. Cu), die angeordnet sind, um beide Oberflächen der Halbleiterpillen 50 und 60 über die Elektrodenelemente 24 zu komprimieren; 26 eine Anoden-Elektrode; und 27 eine Gate- Elektrode.
  • Gemäß dem umgekehrt blockierenden GTO-Thyristor nimmt deshalb, weil eine Träger-Lebensdauer an wenigstens Pillen- Randteilen ausreichend groß ist, eine Stromaufteilung zu den Randteilen in Pillenoberflächen ab, wodurch eine Wärmeerzeugung unterdrückt wird. Folgender zusätzliche Effekt kann erhalten werden. Das heißt, daß dann, wenn ein Betrag einer Trägerinjektion verringert ist, eine Ausschaltzeit verkürzt wird.
  • Fig. 7A ist eine Schnittansicht, die einen Teil eines legierungsfreien umgekehrt leitenden GTO-Thyristors zeigt, wobei eine Träger-Lebensdauer teilweise durch eine Elektronenstrahl-Bestrahlung gesteuert wird, und Fig. 8 ist eine Schnittansicht, die einen Teil eines legierungsfreien umgekehrt leitenden GTO-Thyristors zeigt, wobei eine Träger- Lebensdauer teilweise durch eine Protonenstrahl-Bestrahlung gesteuert wird. Ein GTO-Thyristor 71 ist in der Mitte einer Pille (70, 80) ausgebildet, wie es in den Fig. 7A und 8 gezeigt ist, und ein Schwungrad-Diodenteil 72 ist am Rand der Pille ausgebildet. Ein Isolierbereich 72 ist zwischen dem GTO-Thyristor 71 und dem Schwungrad-Diodenteil 72 ausgebildet.
  • In dem Fall der Pille, die in Fig. 7A gezeigt ist, wird ein Elektronenstrahl an wenigstens den wärmeerzeugenden Teil angelegt, der keine ausreichende Wärme zu den Elektronenelementen 24 übertragen kann, wodurch ein durch einen Strahl bestrahlter Teil E gebildet wird, der durch gestrichelte schräge Linien gezeigt ist.
  • In dem Fall der in Fig. 8 gezeigten Pille wird ein Protonenstrahl an wenigstens den wärmeerzeugenden Teil angelegt, der keine ausreichende Wärme zum Elektronenelement übertragen kann, wodurch ein durch einen Strahl bestrahlter Teil F gebildet wird, der durch gestrichelte schräge Linien gezeigt ist. Es ist zu beachten, daß im GTO-Teil 71 Bezugszeichen 74 Kathoden-Elektroden bezeichnen, die auf einer Vielzahl von Emitterbereichen mit Mikromustern ausgebildet sind; 75 Gate-Elektroden, die derart angeordnet sind, daß sie die Kathoden-Elektroden 74 umgeben; 78 eine Kathoden-Elektrode des Diodenteils 72; und 77 eine gemeinsame Anoden-Elektrode, die auf einer Oberfläche der Pille ausgebildet ist.
  • Im in Fig. 7A gezeigten Thyristor wird, wie es in Fig. 7B gezeigt ist, dann, wenn ein Teil 76' eines Emittermusters 76 der Halbleiterpille von einem Teil versetzt ist, der direkt unter den Elektrodenelementen 74 ist und durch nur die Kathoden-Elektroden 74 angeschlossen ist, Wärme selbst von dem Teil 76' erzeugt, und das Element kann zerstört werden. Daher wird gemäß der vorliegenden Erfindung ein radioaktiver Strahl auf den Teil gestrahlt, in welchem ein Emittermuster angeordnet ist, und welches von der Position direkt unterhalb der Elektrodenelementen der Halbleiterpille versetzt ist, die keine Wärme zu dem Elektrodenelement 24 in ausreichendem Maß leiten, und eine Zerstörung des Elements kann verhindert werden. In diesem Fall ist die vorliegende Erfindung sehr nützlich.
  • Obwohl beim obigen Ausführungsbeispiel eine Kompressions- Halbleitervorrichtung mit einer abgeschrägten Struktur gezeigt ist, kann selbst dann, wenn die vorliegende Erfindung auf eine kompressionsbondierte Halbleitervorrichtung angewendet wird, wie beispielsweise einen Schutzring, RESURF, oder einen Schutzschicht-Feldplatten-(RFP)-Halbleiter, bei dem Übergangsränder verwendet werden, die andere als der abgeschrägte Übergangsrand des Hauptübergangs sind, derselbe Effekt erhalten werden, wie er oben beschrieben ist.
  • Fig. 9 zeigt eine kompressionsbondierte Diode mit einem nicht abgeschrägten Übergangsrand. Diese Diode weist einen n&spplus;-Typ- Bereich 91, einen n&supmin;-Typ-Bereich 92 und einen p&spplus;-Typ-Bereich 93 auf, und der p&spplus;-Typ-Bereich 93 ist auf der Oberfläche des n&supmin;-Typ-Bereichs 92 in Wannenform ausgebildet. Ein p-n- Übergang ist an der oberen Oberfläche der Halbleiterpille freigelegt. Bei dieser Diode ist eine Vielzahl von Schutzringen 94, die durch p&spplus;-Typ-Bereiche ausgebildet sind, an der oberen Oberfläche der Halbleiterpille derart ausgebildet, daß sie den p-n-Übergang umgeben.
  • Bei dieser Diode wird zum Erhöhen der Durchbruchspannung der Schutzringteile ein Elektronenstrahl auf einen Bereich gestrahlt, der den oberen Rand des p-n-Übergangs des Pillenrandteils enthält, um eine Träger-Lebensdauer zu steuern, wodurch ein durch einen Elektronenstrahl bestrahlter Teil G ausgebildet wird.
  • Fig. 10 zeigt einen Teil eines legierungsfreien MAGTO- Thyristors nicht mit einer abgeschrägten Struktur, sondern mit einer RESURF-Struktur an einem Übergangsrand. In diesem Fall bezeichnet das Bezugszeichen 100 eine Halbleiterpille; 24 bezeichnet Elektrodenelemente und 25 bezeichnet Elektrodensäulen (z.B. Cu), die derart angeordnet sind, daß sie beide Oberflächen der Halbleiterpille 100 über die Elektrodenelemente 24 komprimieren.
  • Unter Bezugnahme auf Fig. 10 bezeichnet das Bezugszeichen 1001 eine Anoden-Elektrode; 1002 bezeichnet einen p-Typ- Emitter-(Anoden-)Bereich; 1003 bezeichnet eine n&spplus;-Typ- Pufferschicht; 1004 bezeichnet eine n&supmin;-Typ-Basisschicht; 1005 bezeichnet p-Typ-Basisbereiche; 1006 bezeichnet eine n&spplus;-Typ- Emitterschicht; 1007 bezeichnet Gate-Isolierfilme; 1008 bezeichnet Gate-Elektroden; 1009 bezeichnet Basis-Elektroden; 1010 und 1011 bezeichnen Isolierfilme; 1012 bezeichnen Kathoden-Elektroden; 1013 bezeichnet einen p&spplus;-Typ-Bereich; 1014 bezeichnet einen p&supmin;-Typ-RESURF-Bereich; 1015 bezeichnet eine n&spplus;-Typ-Stopperschicht; 1016 bezeichnet einen Oxidfilm; und 1017 bezeichnet einen SIPOS-Film.
  • Wie es beschrieben worden ist, ist die RESURF-Struktur im Übergangsrand ausgebildet. Die RESURF-Struktur, die zum Erhöhen der Durchbruchspannung des Übergangsrandes dient, wird nun detailliert beschrieben. Das bedeutet, daß der p&spplus;- Typ-Bereich 1013 außerhalb des äußersten p-Typ-Basisbereichs 1005 ausgebildet ist, um ein Intervall zu bilden, und daß der RESURF-Bereich 1014, der als p&supmin;-Typ-Bereich 1013 dient, außerhalb des p&spplus;-Typ-Bereichs 1013 derart ausgebildet ist, daß er in Kontakt mit ihm ist. Der n&spplus;-Typ-Stopperbereich 1015 ist am Randteil der Pille ausgebildet. Der Isolier-Oxidfilm 1016 ist an der Halbleiteroberfläche zwischen dem RESURF- Bereich 1014 und dem Stopperbereich 1015 ausgebildet, und eine Schicht mit hohem Widerstandswert, die SIPOS-Schicht genannt wird und von der beide Seiten mit dem p&spplus;-Typ-Bereich 1013 und dem Stopperbereich 1015 verbunden sind, ist an dem Isolier-Oxidfilm 1016 ausgebildet. Daher wird ein elektrisches Feld der Oberfläche durch ein elektrisches Feld entsprechend einem Spannungsabfall zwischen der Anode und der Kathode in der SIPOS-Schicht derart gesteuert, daß eine Anderung bezüglich des elektrischen Feldes der Halbleiteroberfläche zwischen dem p&spplus;-Typ-Bereich 1013 und dem n&spplus;-Typ-Stopperbereich 1015 abgeschwächt wird, wodurch eine Durchbruchspannung des Übergangsrandteils erhöht wird. Da diese Struktur flacher als die obige Schutzringstruktur ist, ist sie insbesondere für einen Fall geeignet, in welchem eine dünne Pille, wie beispielsweise ein MAGTO-Thyristor, verwendet wird.
  • Bei diesem Ausführungsbeispiel wird gemäß der vorliegenden Erfindung ein Elektronenstrahl auf einen Übergangsrandbereich 100' des Pillenrandteils gestrahlt, der als wärmeerzeugender Teil dient, der außerhalb des Bereichs angeordnet ist, der die Kathoden-Elektrode 1012 kontaktiert, die direkt mit den Elektrodenelementen 24 verbunden ist, um eine Träger- Lebensdauer teilweise zu steuern und um ein durch einen Elektronenstrahl bestrahlten Teil H in einem Bereich auszubilden, der durch gestrichelte schräge Linien gezeigt ist, um dadurch die Durchbruchspannung zu erhöhen.
  • Fig. 11 zeigt eine Struktur eines MOS-gesteuerten Thyristors (MCT) mit einer RESURF-Struktur auf dieselbe Art, wie es oben beschrieben ist. Dieser Thyristor hat folgenden Aufbau. Das bedeutet, daß eine gestapelte Struktur aus einer Anoden- Elektrode 1101, einem p-Typ-Emitterbereich 1102 und einem n- Typ-Basisbereich 1103 besteht, und daß ein p-Typ-Wannen- Basisbereich 1104 und ein n-Typ-Emitterbereich 1105, die darin ausgebildet sind, im oberen Oberflächenbereich des n- Typ-Basisbereichs 1103 vorgesehen sind. Eine Kathoden- Elektrode 1106 ist in Kontakt mit der Oberfläche des n-Typ- Emitterbereichs 1105. Zusätzlich ist ein p&spplus;-Typ-Bereich 1107 im n-Typ-Emitterbereich 1105 ausgebildet. Eine Gate-Elektrode 1108 ist auf der Halbleiterpillenoberfläche zwischen den p- Typ-Wannen-Basisbereichen durch einen dünnen Oxidfilm ausgebildet, und die Gate-Elektrode 1108 erstreckt sich zwischen Oberflächen der p&spplus;-Typ- Bereiche 1107. Eine Gate- Elektrode 1109 ist auf der Oberfläche zwischen den n-Typ- Emitterbereichen 1105 ausgebildet, die im p-Typ-Wannen- Basisbereich 1104 ausgebildet sind, und eine Gate-Elektrode 1109 erstreckt sich zwischen Oberflächen der p&spplus;-Typ-Bereiche 1107, die an beiden Seiten des n-Typ-Emitterbereichs 1105 angeordnet sind, auf dieselbe Weise, wie es oben beschrieben ist.
  • Dieser Thyristor wird durch Anlegen eines positiven Impulses an die Gate-Elektrode 1108 eingeschaltet, und durch Anlegen eines negativen Impulses an die Gate-Elektroden 1108 und 1109 ausgeschaltet.
  • Wie in Fig. 10 sind ein p-Typ-Bereich 1110, ein p-Typ-RESURF- Bereich 1111 und ein n&spplus;-Typ-Stopperbereich 1112 auf einem Bereich nahe der oberen Oberfläche des Randteils des Thyristors ausgebildet. Eine SIPOS-Schicht 1114 mit hohem Widerstandswert ist auf der Oberfläche durch eine SiO&sub2;- Schicht 1113 ausgebildet. Die obere Oberfläche der SIPOS- Schicht ist mit der CVD-Isolierschicht 1115 überzogen. Da der Betrieb dieses Teils derselbe wie in Fig. 10 ist, wird eine Beschreibung dieses Betriebs weggelassen.
  • Bei dieser Vorrichtung wird gemäß der vorliegenden Erfindung ein Elektronenstrahl auf einen Übergangs-Randbereich 110' des Pillenrandteils gestrahlt, der als wärmeerzeugender Teil dient, der außerhalb eines Bereichs angeordnet ist, der die Kathoden-Elektrode 1106 kontaktiert, die direkt mit den Elektrodenelementen 24 verbunden ist, um teilweise eine Träger-Lebensdauer zu steuern, und um einen durch einen Elektronenstrahl bestrahlten Teil F in einem Bereich auszubilden, der durch gestrichelte schräge Linien gezeigt ist. Daher kann die Durchbruchspannung erhöht werden.
  • Fig. 12 zeigt ein Beispiel, bei dem die vorliegende Erfindung auf einen Doppel-Gate-MCT mit einer RESURF-Struktur angewendet ist.
  • Die p-Typ-Emitterbereiche, die die untersten Schichten des Doppelgate-MCT sind, sind p-Typ-Wannen-Emitterbereiche 1201, die im n&spplus;-Typ-Bereich begraben sind. Zwei n&spplus;-Typ-Bereiche 1202 sind in jedem der p-Typ-Wannen-Emitterbereiche 1201 ausgebildet. Weiterhin ist eine Gate-Elektrode 1203 auf der unteren Hauptoberfläche der Pille und auch auf der oberen Hauptoberfläche davon vorgesehen. Diese strukturellen Eigenschaften unterscheiden sich von dem in Fig. 11 gezeigten Ausführungsbeispiel Negative und positive Impulsspannungen werden jeweils an die Gate-Elektrode 1204 auf der oberen Oberfläche und an die Gate-Elektrode 1203 auf der unteren Oberfläche angelegt, wenn der Thyristor ausgeschaltet ist. Somit kann eine Ausschalt-Operation mit hoher Geschwindigkeit durchgeführt werden.
  • Bei diesem MCT ist dieselbe RESURF-Struktur wie in Fig. 11 in bezug auf den Randteil vorgesehen, und ein Elektronenstrahl wird auf einen Bereich H' gestrahlt, auf dem die RESURF- Struktur ausgebildet ist. Somit kann eine Träger-Lebensdauer verringert werden, und eine Durchbruchsspannung kann erhöht werden.
  • Wenn die vorliegende Erfindung auf eine legierungsfreie kompressionsbondierte Halbleitervorrichtung angewendet wird, wie sie in den obigen Ausführungsbeispielen beschrieben ist, ist die vorliegende Erfindung effektiv. Selbst dann, wenn die vorliegende Erfindung auf eine Legierungs-Kompressions- Halbleitervorrichtung angewendet wird, kann natürlich derselbe Effekt erhalten werden, wie er oben beschrieben ist.
  • Bei dem obigen Ausführungsbeispiel kann, obwohl eine kompressionsbondierte Halbleitervorrichtung mit einer Struktur unter Verwendung einer einzelnen Halbleiterpille oben beschrieben ist, selbst dann, wenn die vorliegende Erfindung auf eine kompressionsbondierte Halbleitervorrichtung mit einer Struktur unter Verwendung einer Vielzahl von Halbleiterpillen angewendet wird, derselbe Effekt erhalten werden, wie er oben beschrieben ist.

Claims (19)

1. Kompressionskontaktierte Halbleitervorrichtung, die folgendes aufweist: erste und zweite Hauptelektroden (22), die jeweils auf ersten und zweiten gegenüberliegenden Hauptoberflächen eines Halbleiterchips (20) mit wenigstens einem pn-Übergang ausgebildet sind, ein Elektrodenelement (24), das auf wenigstens einer der Hauptelektroden angeordnet ist, um somit eine geschichtete Einheit zusammen mit dem Chip auszubilden, und ein Paar von Elektrodensäulen, die die geschichtete Einheit von beiden Seiten umgeben, um somit die Elektroden zu komprimieren, die auf jeder Hauptoberfläche des Chips ausgebildet sind, wobei das Elektrodenelement zwischen wenigstens einer der Elektrodensäulen und den Hauptelektroden angeordnet ist, wobei die erste Hauptoberfläche einen Randteil (A) aufweist, der sich von der Peripherie der ersten Hauptelektrode zum Rand des Halbleiterchips erstreckt; dadurch gekennzeichnet, daß die Kristalldefektdichte innerhalb der Oberfläche des Chips (20) innerhalb eines Bereichs, der den gesamten Randteil überspannt, höher als die Kristalldefektdichte des Chips unterhalb der Hauptelektroden ist, so daß die Träger-Lebensdauer innerhalb des Randteilbereichs (A) kürzer als die Träger- Lebensdauer unterhalb der Hauptelektroden ist.
2. Kompressionskontaktierte Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die erste und die zweite Hauptelektrode dieselbe Größe aufweisen.
3. Kompressionskontaktierte Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die erste Hauptelektrode kleiner ist.
4. Kompressionskontaktierte Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kristalldefektdichte des Randteilbereichs (A) nicht kleiner als etwa das 1,5-fache der Kristalldefektdichte unterhalb der Hauptelektroden ist.
5. Kompressionskontaktierte Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der Hauptelektroden des Halbleiterchips (70) als Emittermuster (76) ausgebildet ist, und ein Teil (76') des Emittermusters (76) innerhalb des Randteilbereichs angeordnet ist.
6. Kompressionskontaktierte Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verteilung der Kristalldefektdichte in der Richtung der Tiefe des Halbleiterchips gesteuert wird.
7. Kompressionskontaktierte Halbleitervorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Position der maximalen Defektdichte bei einer Tiefe von weniger als 200 µm von einer Hauptoberfläche angeordnet ist.
8. Kompressionskontaktierte Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, welche eine legierungsfreie Struktur hat, wobei
der Halbleiterchip, das Elektrodenelement und die Elektrodensäulen in Kontakt aber nicht aneinander fixiert sind.
9. Kompressionskontaktierte Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die kompressionskontaktierte Halbleitervorrichtung eine kompressionsbondierte Diode ist.
10. Kompressionskontaktierte Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die kompressionskontaktierte Halbleitervorrichtung aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus einem Thyristor, einem Gate-Ausschalt-Thyristor, einem Statikinduktions- Thyristor, einem Bipolartransistor mit isoliertem Gate, einem MOS-unterstützten Gate-Trigger-Thyristor, einem MOS-unterstützten Gate-Ausschalt-Thyristor, einem umgekehrt blockierenden Gate-Ausschalt-Thyristor, einem umgekehrt leitenden Gate-Ausschalt-Thyristor und einem MOS-gesteuerten Thyristor besteht.
11. Kompressionskontaktierte Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Übergang eine Hauptoberfläche der kompressionskontaktierten Halbleitervorrichtung schneidet.
12. Kompressionskontaktierte Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die kompressionskontaktierte Halbleitervorrichtung eine abgeschrägte Struktur hat.
13. Kompressionskontaktierte Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die kompressionskontaktierte Halbleitervorrichtung ein legierungsfreier MOS-unterstützter Gate-Ausschalt- Thyristor ist, wobei der Chip, die Elektrodenelemente und die Elektrodensäulen in Kontakt aber nicht aneinander fixiert sind.
14. Verfahren zum Ausbilden einer kompressionskontaktierten Halbleitervorrichtung, das folgende Schritte aufweist: Ausbilden eines Halbleiterchips (20) mit einer vorbestimmten Träger-Lebensdauer durch einheitliches Richten eines Ladungspartikelstrahls auf eine gesamte Hauptoberfläche des Halbleiterchips (20), wobei der Chip wenigstens einen pn-Übergang und erste und zweite gegenüberliegende Hauptoberflächen mit jeweiligen ersten und zweiten Hauptelektroden darauf aufweist; wobei ein Randteil (A) sich von der Peripherie der ersten Hauptelektrode zum Rand des Halbleiterchips erstreckt; selektives Ausbilden einer Maske auf dem Halbleiterchip (20) außer für den Randteil;
Ausbilden eines Bereichs über dem gesamten Randteil mit einer Defektdichte, die größer als die Defektdichte unterhalb der Hauptelektroden ist, auf denen die Maske nicht ausgebildet ist, um die Träger-Lebensdauer im Randteilbereich zu verringern; und Entfernen der Maske vom Halbleiterchip.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der geladene Partikelstrahl zum Ausbilden des Bereichs mit höherer Defektdichte verwendet wird.
16. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß eine Diffusion von Schwermetall zum Bilden des Bereichs mit einer höheren Defektdichte verwendet wird.
17. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß der geladene Partikelstrahl ein Elektronenstrahl ist.
18. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß der geladene Partikelstrahl ein geladener Partikelstrahl mit einer Masse ist, die größer als ein Elektron ist.
19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß der geladene Partikelstrahl aus einer Gruppe ausgewählt wird, die aus einem Protonenstrahl (H&spplus;) und einem Heliumstrahl (He&spplus;) besteht.
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