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PATENTANSPRÜCHE
1. Leistungshalbleiterbauelement mit mindestens einem pn-Übergang (6) und eindiffundierten Rekombinationszentren zur Einstellung der Trägerlebensdauer, sowie mindestens einer höher dotierten Zone (2, 2', 4,4') im durch die Hauptelektroden (1, 3) bestimmten Aktivbereich (A), dadurch gekennzeichnet, dass ausserhalb des Aktivbereichs (A) mindestens eine Getterschicht (10) vorgesehen ist.
2. Leistungshalbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Getterschicht (10) in einer Störung des Kristallgitters besteht
3. Leistungshalbleiterbauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Getterschicht (10) in einer Aufrauhung der Oberfläche des Halbleiterkörpers in einem Bereich ausserhalb der Elektrodenmetallisierung besteht.
4. Leistungshalbleiterbauelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Rauhtiefe der Aufrauhung mindestens 0,5 llm beträgt.
5. Leistungshalbleiterbauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Getterschicht (Iû) in einer durch Bestrahlung mit geladenen Teilchen erzeugten Störung des Kristallgitters besteht.
6. Leistungshalbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Getterschicht (10) eine Zone ist, die mindestens so hoch dotiert ist, wie die höher dotierte Zone (2, 2', 4,4').
7. Leistungshalbleiterbauelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die höher dotierte Zone (2,2', 4, 4') durch eine Hauptelektrode (1, 3) kontaktiert ist, und dass die Getterschicht (10) sich neben der höher dotierten Zone (2,2', 4,4') und unmittelbar unter der Oberfläche des Bauelementes befindet.
8. Leistungshalbleiterbauelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der höher dotierten Zone (2, 2', 4, 4') und der Getterschicht (10) ein Bereich niedrigerer Dotierung vorgesehen ist.
9. Leistungshalbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 6, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Getterschicht (10) mit Phosphor dotiert ist.
10. Verfahren zur Herstellung eines Leistungshalbleiterbauelements nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Getterschicht (10) nach der Diffusion der Rekombinationszentren im Rahmen der Randkonturierung teilweise entfernt wird.
Die Erfindung bezieht sich auf ein Leistungshalbleiterbauelement nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Bauelementes.
Ein solches Bauelement ist aus der Praxis bekannt. Zum Beispiel aus Solid-State Electronics (1966), Vol. 9, Seiten 143¯168 ist bekannt, dass Rekombinationszentren wie Gold für die Einstellung der Trägerlebensdauer sehr geeignet sind.
Auch in der FR-A-2 406 301 wird gelehrt, die Lebensdauer der Minoritätsträger und damit auch die Abschaltzeit des Bauelements durch Golddiffusion, kombiniert mit einer Elektronenbestrahlung, einzustellen.
Eine starke Verringerung der Trägerlebensdauer hat jedoch einen hohen Sperrstrom im Bauelement zur Folge. Dieser Sperrstrom heizt das Bauelement auf, im Extremfall bis zur Zerstörung. Bei der Untersuchung zerstörter Bauelemente hat sich herausgestellt, dass die Sperrstromdichte in der Randzone viel höher ist als im Aktivbereich des Bauelementes.
Die Randzone reagiert auch gerade sehr empfindlich auf hohe Sperrströme, da eine statische Belastung des Bauelements, insbesondere an den Randbereichen, zu einer zusätz lichen Erwärmung des schlecht gekühlten vorstehenden Randes führen kann, und durch dynamische Belastung¯ insbesondere beim Erreichen des Sperrzustandes - in der Nähe des anodenseitigen Randes eine lokal erhöhte Dichte beweglicher Ladungsträger erzeugt wird, die die Raumladung und damit das Sperrverhalten verändert.
Das bekannte Bauelement besitzt daher den grossen Nachteil, dass bei hohen statischen undloder dynamischen Belastungen das Bauelement instabil wird oder sogar zerstört werden kann.
Aus der FR-A-2 191 272 ist ein Verfahren bekannt, bei einer integrierten Transistorstruktur durch Einführung bestimmter Fremdatome in exponierte Bereiche der Struktur lokale Spannungen zu erzeugen und zur Getterung von Metallatomen zu verwenden. Auf diese Weise lässt sich die Bildung von Kanälen und softjunctions unterbinden.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ausgehend vom Stand der Technik ein Leistungshalbleiterbauelement anzugeben, bei dem die hohe Sperrstromdichte in der Randzone auf einen Wert reduziert ist, der etwa gleich oder geringer ist als jener im Aktivbereich des Bauelements.
Diese Aufgabe wird bei einem Leistungshalbleiterbauelement der obengenannten Art durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Die Erfindung basiert im wesentlichen auf der neuen Erkenntnis, dass die höher dotierte Zone, die sich im Aktivbereich der mit Rekombinationszentren versehenen Zone befindet, eine getternde Wirkung auf die Rekombinationszentren ausübt. Davon ausgehend wird erfindungsgemäss durch die ausserhalb des Aktivbereichs angeordneten Getterschichten die Sperrstromdichte im äusseren Bereich mindestens auf den Wert des Aktivbereichs beschränkt. Die Lebensdauer des erfindungsgemässen Bauelementes ist deshalb wesentlich höher und auch die geschalteten Leistungen können beträchtlich grösser sein.
Nachstehend wird die Erfindung anhand von in Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Dabei zeigt:
Fig. 1 den Schnitt einer Diode mit erfindungsgemässen Getterschichten;
Fig. 2 den Schnitt eines Thyristors mit Randanschrägungen mit erfindungsgemässen Getterschichten, und
Fig. 3 erfindungsgemässe Getterschichten bei einem rückwärtsleitenden Thyristor.
In Fig. list eine Diode mit erfindungsgemässen Getterschichten 10 dargestellt. Die Diode besitzt den üblichen Aufbau aus einer höher dotierten p +-Zone 2, einer p-dotierten Zone 5, einem pn-Übergang 6, einer n-dotierten Zone 7 und einer höher dotierten n+-Zone 4. Der Aktivbereich Ader Diode wird im wesentlichen bestimmt von den Hauptelektroden, der Anode 1 und der Kathode 3. Im Randbereich B sind die Getterschichten 10 vorgesehen.
In Fig. 2 werden die erfindungsgemässen Getterschichten 10 bei einem Thyristor mit Randanschrägungen 11 gezeigt.
Der Thyristor besteht aus einer höher dotierten Zone n Zone 4', einer p-dotierten Zone 5, einem pn-Übergang 6, einer niedriger dotierten n--Zone, einer p-dotierten Zone 9 und einer höher dotierten p +-Zone 2'. Das Bauelement ist, wie üblich, eine Scheibe, weshalb auch hier der Aktivbereich A im wesentlichen von den Hauptelektroden, der Anode 1 und der Kathode 3, bestimmt wird. In der Mitte auf der Rotationsachse ist das Gate 8 auf einer höher dotierten p + Zone 2' angeordnet.
Fig. 3 zeigt einen rückwärtsleitenden Thyristor mit Getterschichten 10. Das Element besteht in bekannter Weise (vgl. z.B. Brown Boveri Mitt. 1 - 79, Seiten 5-10) aus ei
nem Thyristorteil T und einem integrierten, antiparallelen Diodenteil D. Der Thyristorteil T und der Diodeteil D sind durch niedriger dotierte Bereiche getrennt. Im übrigen sind die Bezeichnungen identisch mit denen der Fig. 1 und 2.
Die Dotierungen der Zonen der drei gezeigten Elemente (Fig. 1¯3) sind wie folgt: Die höher dotierten n +- und p+ Zonen 2, 2', 4, 4' weisen etwa 1019 Fremdatome pro cm3 oder mehr auf, die p-dotierten Zonen 5 und 9 enthalten etwa 1016 Fremdatome pro cm3 oder mehr, die niedriger dotierte n - - Zone 7 etwa 1013 bis 1015 Fremdatome pro cm3.
Die Getterschicht 10 kann durch mechanisches Aufrauhen, z. B. durch Sandstrahlen oder Läppen der Oberfläche des Halbleiterkörpers in einem Bereich ausserhalb der Elektrodenmetallisierung erzeugt werden (Fig. 1). Dabei beträgt die Rauhtiefe mindestens 0,5 #m. Die Randbreite beträgt etwa 2 mm oder mehr.
Die Getterschicht 10 kann auch durch Bestrahlung mit geladenen Teilchen, insbesondere durch Ionenimplantation, erzeugt werden. Die Bestrahlung erfolgt z. B. mit Siliziumionen von mindestens 20 keV Energie.
Die Getterschicht 10 besteht jedoch vorzugsweise aus einer höher dotierten n+-Zone, insbesondere mit Phosphor (Fig. 2 und 3). Die Dotierung solcher Getterschichten ist mit Vorteil mindestens so hoch wie die höher dotierten n Zonen 4,4', besitzt also etwa 10191020 Fremdatome pro cm3.
Die Funktionsweise eines erfindungsgemässen Bauelementes ist wie folgt:
In der p-Zone 5 und der n-Zone 7 der Diode gemäss Fig. 1 und in den p-Zonen 5 und 9 des Thyristors bzw. des Thyristorteils gemäss den Fig. 2 und 3 sind Rekombinationszentren eindiffundiert, mit denen der gewünschte Wert der Lebensdauer der Ladungsträger eingestellt wird. Das am häufigsten verwendete Rekombinationszentrum ist Gold (vgl. Solid State Electronics, 1966, Vol. 9, Seiten 149¯153).
Da das dominante Energieniveau von Au in Si etwa in der Bandmitte liegt, ist die Injektions-Lebensdauer ToD, die für den Durchlasszustand und den Abschaltvorgang massgebend ist, in der Grössenordnung der Generations-Lebensdauer Tg, die ihrerseits für den Sperrzustand massgebend ist.
Letztere ist bei richtiger Dimensionierung für die Sperrstromdichte j5 verantwortlich:
EMI2.1
wobei q = Elementarladung n; = intrinsische Ladungsträgerdichte w = Breite der Raumladungszone (Vgl. Solid State Electronics, 1974, Vol. 17, Seiten 1099- 1 106).
Auf der anderen Seite ist es bekannt, dass gewisse Schichten Getterwirkung auf verschiedene als Rekombinationszentren wirkende Verunreinigungen haben können.
Dies bedeutet, dass solche Zentren im getternden Bereich in elektrisch unwirksamer Form angelagert werden. Eine besonders effektive Getterung von Au erfolgt durch Anlagerung von Au in phosphorhaltigen Glasschichten (vgl. J.
Electrochem. Soc.: Solid State Science and Technology, Juni 1975, Seiten 786¯796). Die Getterschichten werden aber vor allem von verspannten und beschädigten Bereichen gebildet, wie sie von hochdotierten Zonen in einem Silizium-Kristall hervorgerufen werden.
Nun befinden sich im Aktivbereich A des Leistungshalbleiterbauelementes unterhalb der Elektroden 1, 3 und 8 hochdotierte Zonen mit Getterwirkung. Zum Beispiel ist die Kathodenseite der Diode mit einer stark phosphordotierten Zone 4 versehen. Dadurch ist die Wirkung der gezielt eingebrachten Rekombinationszentren im Bereich dieser Zone, dem Aktivbereich A, schwächer als im Randbereich B.
Der Sperrstrom fliesst nun nach Gleichung (1) in den Bereichen mit geringerer Generations-Lebensdauer Tg, was bedeutet, dass im Randbereich B eine höhere Sperrstromdichte vorhanden ist.
Erfindungsgemäss wird dieser erhebliche Nachteil durch die speziellen Getterschichten 10 ausserhalb des Aktivbereichs A behoben. Da der Randbereich B einerseits nicht zur Stromleitung beiträgt, und andererseits nach Einbringen der Rekombinationszentren zu einem wesentlichen Teil mechanisch entfernt wird, um die Randgeometrie herzustellen (Fig. 2), kann eine lokalisierte Getterschicht ohne Störung der normalen Funktion und der üblichen 1 Herstellungsver- fahren angebracht werden. Es ist sogar besonders vorteilhaft, bei einer dotierten Getterschicht die gleiche Dotierung zu verwenden, wie bei der höher dotierten n +-Zone, so dass die Getterschicht zum Teil im gleichen Verfahrensschritt angebracht werden kann.
Die Getterschichten 10 sind vorzugsweise nicht mit den höher dotierten n +- und p+-Zonen 2, 2', 4, 4' verbunden, so dass neben der Getterwirkung keine elektrische Beeinflussung stattfindet. Wenn nur eine Getterschicht 10 vorgesehen ist, kann durch eine höhere Dotierung oder eine grössere Eindringtiefe als die der n+- Zone 4, 4' eine ähnlich hohe Konzentration der Rekombinationszentren wie im stromführenden Teil des Bauelementes erzielt werden.
Bei asymmetrischen Bauelementen wie dem rückwärtsleitenden Thyristor gemäss Fig. 3 wird schon bei geringer Spannung annähernd die maximale Breite der Raumladungszone erreicht. Bei solchen Bauelementen ist die Erfindung deshalb besonders vorteilhaft.
Die technische Anwendung der Erfindung ist mit sehr geringem Zusatzaufwand bei allen Leistungshalbleiterbauelementen möglich. Die zu verwendende Diffusionsmaske braucht einzig leicht geändert zu werden, höchstenfalls ist eine Hilfsmaske erforderlich.
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PATENT CLAIMS
1. Power semiconductor component with at least one pn junction (6) and diffused-in recombination centers for setting the carrier life, and at least one more highly doped zone (2, 2 ', 4,4') in the active region (A, 3) determined by the main electrodes (1, 3) ), characterized in that at least one getter layer (10) is provided outside the active region (A).
2. Power semiconductor component according to claim 1, characterized in that the getter layer (10) consists in a fault in the crystal lattice
3. Power semiconductor component according to claim 2, characterized in that the getter layer (10) consists in roughening the surface of the semiconductor body in a region outside the electrode metallization.
4. Power semiconductor component according to claim 3, characterized in that the roughness of the roughening is at least 0.5 llm.
5. Power semiconductor component according to claim 2, characterized in that the getter layer (Iû) consists in a disturbance of the crystal lattice generated by irradiation with charged particles.
6. Power semiconductor component according to claim 1, characterized in that the getter layer (10) is a zone which is at least as highly doped as the more highly doped zone (2, 2 ', 4,4').
7. Power semiconductor component according to claim 6, characterized in that the more highly doped zone (2,2 ', 4, 4') is contacted by a main electrode (1, 3), and that the getter layer (10) next to the more highly doped zone (2,2 ', 4,4') and immediately below the surface of the component.
8. Power semiconductor component according to claim 7, characterized in that a region of lower doping is provided between the more highly doped zone (2, 2 ', 4, 4') and the getter layer (10).
9. Power semiconductor component according to one of claims 6, 7 or 8, characterized in that the getter layer (10) is doped with phosphorus.
10. The method for producing a power semiconductor component according to one of the preceding claims, characterized in that the getter layer (10) is partially removed after the diffusion of the recombination centers as part of the edge contouring.
The invention relates to a power semiconductor component according to the preamble of claim 1, and a method for producing such a component.
Such a component is known from practice. For example from Solid-State Electronics (1966), Vol. 9, pages 143-168 it is known that recombination centers such as gold are very suitable for adjusting the carrier life.
FR-A-2 406 301 also teaches how to adjust the service life of the minority carriers and thus also the switch-off time of the component by means of gold diffusion, combined with electron radiation.
However, a sharp reduction in the carrier service life results in a high reverse current in the component. This reverse current heats up the component, in extreme cases until it is destroyed. When examining destroyed components, it was found that the reverse current density in the edge zone is much higher than in the active area of the component.
The edge zone is also very sensitive to high reverse currents, since a static load on the component, especially at the edge areas, can lead to additional heating of the badly cooled protruding edge, and due to dynamic stress, especially when the blocking state is reached - nearby of the anode-side edge a locally increased density of movable charge carriers is generated, which changes the space charge and thus the blocking behavior.
The known component therefore has the major disadvantage that the component becomes unstable or can even be destroyed at high static and / or dynamic loads.
From FR-A-2 191 272 a method is known to generate local voltages in an integrated transistor structure by introducing certain foreign atoms into exposed areas of the structure and to use it for gettering metal atoms. In this way, the formation of channels and soft junctions can be prevented.
The invention is based on the object, based on the prior art, of specifying a power semiconductor component in which the high reverse current density in the edge zone is reduced to a value which is approximately equal to or less than that in the active region of the component.
This object is achieved in a power semiconductor component of the type mentioned above by the features of claim 1.
The invention is essentially based on the new finding that the higher doped zone, which is located in the active area of the zone provided with recombination centers, has a gettering effect on the recombination centers. Based on this, according to the invention, the getter layers arranged outside the active region limit the reverse current density in the outer region at least to the value of the active region. The service life of the component according to the invention is therefore considerably longer and the switched powers can also be considerably greater.
The invention is explained in more detail below on the basis of exemplary embodiments illustrated in the drawings.
It shows:
1 shows the section of a diode with getter layers according to the invention;
Fig. 2 shows the section of a thyristor with bevels with getter layers according to the invention, and
3 getter layers according to the invention in a reverse conducting thyristor.
FIG. 1 shows a diode with getter layers 10 according to the invention. The diode has the usual structure of a more highly doped p + zone 2, a p-doped zone 5, a pn junction 6, an n-doped zone 7 and a more highly doped n + zone 4. The active area of the diode is in the essentially determined by the main electrodes, the anode 1 and the cathode 3. The getter layers 10 are provided in the edge region B.
2 shows the getter layers 10 according to the invention in the case of a thyristor with beveled edges 11.
The thyristor consists of a higher doped zone n zone 4 ', a p-doped zone 5, a pn junction 6, a lower doped n - zone, a p-doped zone 9 and a higher doped p + zone 2' . The component is, as usual, a disk, which is why the active region A is essentially determined by the main electrodes, the anode 1 and the cathode 3. In the middle on the axis of rotation, the gate 8 is arranged on a higher doped p + zone 2 '.
Fig. 3 shows a reverse conducting thyristor with getter layers 10. The element consists of egg in a known manner (see e.g. Brown Boveri Mitt. 1-79, pages 5-10)
nem thyristor part T and an integrated, anti-parallel diode part D. The thyristor part T and the diode part D are separated by less doped regions. Otherwise, the designations are identical to those of FIGS. 1 and 2.
The doping of the zones of the three elements shown (FIG. 1¯3) are as follows: The more highly doped n + - and p + zones 2, 2 ', 4, 4' have about 1019 foreign atoms per cm3 or more, the p- doped zones 5 and 9 contain approximately 1016 foreign atoms per cm3 or more, the less doped n - - zone 7 contains approximately 1013 to 1015 foreign atoms per cm3.
The getter layer 10 can be roughened mechanically, e.g. B. by sandblasting or lapping the surface of the semiconductor body in an area outside the electrode metallization (Fig. 1). The roughness depth is at least 0.5 #m. The edge width is about 2 mm or more.
The getter layer 10 can also be produced by irradiation with charged particles, in particular by ion implantation. The irradiation takes place e.g. B. with silicon ions of at least 20 keV energy.
However, the getter layer 10 preferably consists of a more highly doped n + zone, in particular with phosphorus (FIGS. 2 and 3). The doping of such getter layers is advantageously at least as high as the higher doped n zones 4, 4 ', that is to say has approximately 10191020 foreign atoms per cm 3.
The functioning of a component according to the invention is as follows:
In p-zone 5 and n-zone 7 of the diode according to FIG. 1 and in p-zones 5 and 9 of the thyristor or the thyristor part according to FIGS. 2 and 3, recombination centers are diffused with which the desired value of the Life of the load carrier is set. The most frequently used recombination center is gold (see Solid State Electronics, 1966, Vol. 9, pages 149-153).
Since the dominant energy level of Au in Si lies approximately in the middle of the band, the injection lifetime ToD, which is decisive for the on state and the shutdown process, is of the order of magnitude of the generation lifetime Tg, which in turn is decisive for the blocked state.
If dimensioned correctly, the latter is responsible for the reverse current density j5:
EMI2.1
where q = elementary charge n; = intrinsic charge carrier density w = width of the space charge zone (cf. Solid State Electronics, 1974, Vol. 17, pages 1099-1 106).
On the other hand, it is known that certain layers can have a gettering effect on various impurities acting as recombination centers.
This means that such centers are deposited in the gettering area in an electrically ineffective form. Au is particularly effectively gettered by the addition of Au in phosphorus-containing glass layers (cf. J.
Electrochemical. Soc .: Solid State Science and Technology, June 1975, pages 786-796). The getter layers, however, are mainly formed by strained and damaged areas, such as those caused by highly doped zones in a silicon crystal.
Now there are highly doped zones with getter effect in the active area A of the power semiconductor component below the electrodes 1, 3 and 8. For example, the cathode side of the diode is provided with a heavily phosphorus-doped zone 4. As a result, the effect of the specifically introduced recombination centers in the area of this zone, the active area A, is weaker than in the peripheral area B.
The reverse current now flows according to equation (1) in the areas with a shorter generation life Tg, which means that a higher reverse current density is present in the peripheral area B.
According to the invention, this considerable disadvantage is eliminated by the special getter layers 10 outside the active region A. Since the edge area B on the one hand does not contribute to the current conduction and, on the other hand, after the recombination centers have been introduced, a substantial part is mechanically removed in order to produce the edge geometry (FIG. 2), a localized getter layer can be used without disturbing the normal function and the usual 1 manufacturing processes be attached. It is even particularly advantageous to use the same doping for a doped getter layer as for the more highly doped n + zone, so that the getter layer can be applied in part in the same process step.
The getter layers 10 are preferably not connected to the higher doped n + and p + zones 2, 2 ', 4, 4', so that in addition to the getter effect there is no electrical influence. If only one getter layer 10 is provided, a higher doping or a greater penetration depth than that of the n + zone 4, 4 'can achieve a similarly high concentration of the recombination centers as in the current-carrying part of the component.
In the case of asymmetrical components such as the reverse conducting thyristor according to FIG. 3, the maximum width of the space charge zone is almost reached even at low voltage. The invention is therefore particularly advantageous in such components.
The technical application of the invention is possible with very little additional effort for all power semiconductor components. The diffusion mask to be used only needs to be changed slightly, at most an auxiliary mask is required.