DE2721912A1

DE2721912A1 - Verfahren zur herstellung von halbleitereinrichtungen, insbesondere dioden und thyristoren

Info

Publication number: DE2721912A1
Application number: DE19772721912
Authority: DE
Inventors: John Bartko; Joseph Johnson; Krishan Tarneja
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1976-05-17
Filing date: 1977-05-14
Publication date: 1977-12-01
Also published as: JPS5741107B2; IN147814B; FR2361743A1; JPS5448487A; FR2361743B1; BE853880A; BR7702975A; CA1085963A; GB1578258A; US4075037A

Description

Dr.-ing. Ernst Stratmann Patentanwalt

4 Düsseldorf 1 · Schadowplatz 9 £ / ·> I V I 4

Düsseldorf, 12. Mai 1977

Westinghouse Electric Corporation
Pittsburgh, Pa., V. St. A.

Verfahren zur Herstellung von Halbleitereinrichtungen, insbesondere Dioden und Thyristoren

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Halbleitereinrichtungen, insbesondere von Dioden und Thyristoren.

Seit der Erfindung von Dioden und Thyristoren mit Silizium-Übergängen wurden derartige Festkörper-Dioden und Thyristoren ständig hinsichtlich ihrer Leistungsfähigkeit bei Betrieb mit hohen Strömen und hohen Spannungen verbessert. Trotz der angestiegenen Nennwerte sehen sich die Schaltkreis-Konstrukteure jedoch ständig Situationen gegenübergestellt, bei denen Dioden und Thyristoren in Serie oder parallel angewendet werden müssen, um die für den Schaltkreis erforderlichen Hochspannungs- oder Hochstromeigenschaften zu liefern. Einer der wichtigsten Parameter bei der Serienschaltung derartiger Einrichtungen ist die Erholungsladung (Q ) der einzelnen Halbleitereinrichtungen. Die Erholungsladung einer jeden Diode bzw. eines jeden Thyristors in der Serienschaltung muß an die entsprechende Erholungsladung der anderen Dioden bzw. Thyristoren angepaßt sein, so daß jede Ha^bleitereinrichtung im wesentlichen die gleiche Spannungshöhe innerhalb bestimmter Grenzen aufzunehmen hat. Ist dies nicht der Fall, würde eine einzelne Halbleitereinrichtung der

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Telefon (0211) 32ΟΘ58 Telegramme Custopat

Serienschaltung, die eine zu hohe Erholungsladung besitzt, zuviel der Serienspannung aufnehmen und durchbrennen, wodurch der gesamte Serienschaltkreis defekt wird.

Bis jetzt wurde die Erholungsladung durch einen Gold-Diffusions-Verfahrensschritt gesteuert, nachdem die Struktur der Diode oder des Thyristors hergestellt wurde, typischerweise mit Hilfe von Diffusionsverfahren. Die Gold-Diffusion veränderte die Lebensdauer der Ladungsträger im Anoden-Basisbereich und damit wiederum die Erholungsladung der Einrichtung, während der Vorwärtsspannungsabfall der Einrichtung im wesentlichen unbeeinflußt blieb. Eines der Hauptprobleme bei diesem Verfahren war jedoch die Steuerbarkeit und die Reproduzierbarkeit, insbesondere bei Hochstromeinrichtungen (d. h. bei Strömen größer als 500 A), wo eine große aktive Fläche vorhanden ist.

Die vorliegende Anmeldung stellt eine Verbesserung eines Verfahrens dar, das in der US-Patentschrift 3 933 527 beschrieben wird. Außerdem sei noch auf die US-Patentschriften 3 809 582, 3 840 887, 3 852 612, 3 872 493, 3 877 977, 3 881 963, 3 881 und 3 888 701 verwiesen.

In der US-Patentschrift 3 933 527 wird die Bestrahlung von Leistungsdioden mit einer Strahlenquelle beschrieben, die allgemein eine Elektronenstrahlung liefert, vorzugsweise, um die Umkehr-Erholungszeit zu optimieren, während gleichzeitig der VorwärtsSpannungsabfall der Diode möglichst klein gemacht wird. Die Strahlendosishöhe entspricht vorzugsweise Werten von

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1 χ 10 bis 5 χ 10 Elektronen/cm bei einer Elektronenstrahlungsenergie von 2 MeV. Noch günstiger ist es nach dieser Patent-

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schrift, eine Strahlungsdosis zwischen 5 χ 10 und 2 χ 10

2
Elektronen/cm mit einer Energiehöhe von 2 MeV zu wählen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zu schaffen, um die Erholungsladung einer Diode oder eines Thyristors mittels Bestrahlung auf ganz bestimmte Werte zu bringen.

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Die Erfindung wird durch die Merkmale des Hauptanspruchs gelöst, besteht also allgemein gesagt aus einem Verfahren zur Herstellung von zumindest einer Diode oder eines Thyristors, bei der die Erholungsladung von zumindest einem ursprünglichen Halbleiterkörper eines Dioden-Überganges oder eines Thyristors maßgeschneidert wird, bei dem folgende Verfahrensschritte angewendet werden: Anordnen einer Hauptoberfläche des Halbleiterkörpers der Diode oder des Thyristors in der Nähe der Strahlungsquelle, danach Bestrahlen des Halbleiterkörpers mit der

Strahlenquelle bis zu einer Dosishöhe, die zwischen etwa 1 χ

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und 8 χ 10 Strahlungsteilchen/cm liegt, wobei die Strahlungsteilchen so festgelegt werden, daß sie die Erholungsladung des bestrahlten Körpers vermindern.

Damit wird ein Verfahren geschaffen, um die Erholungsladung von Halbleitereinrichtungen nach Wunsch anzupassen. Die Halbleitereinrichtungen können Dioden oder Thyristoren umfassen, insbesondere solche, die für eine Serienschaltung aneinander angepaßt werden müssen. Dabei werden die übrigen elektrischen Eigenschaften, insbesondere der Vorwärtsspannungsabfall nicht wesentlich beeinflußt. Die Umkehr-Schaltzeit wird bei den meisten Einrichtungen ebenfalls im wesentlichen unbeeinflußt bleiben. Leistungsdioden und Leistungstyhristoren können gemäß dem vorliegenden Verfahren hergestellt werden, wobei die höchste mögliche durch Diffusionsverfahren erreichbare Minoritäten-Lebensdauer erreicht wird, trotzdem kann die Erholungsladung leicht und genau auf den gewünschten niedrigen Wert gebracht werden, und zwar in den letzten Verfahrensstufen während des Herstellungsprozesses.

Das erfindungsgemäße Verfahren besteht gemäß einer besonders günstigen Ausführungsform aus dem Anordnen eines eine Diode oder einen Thyristor darstellenden Halbleiterkörpers mit seiner einen Hauptoberfläche in der Weise, daß diese Fläche einer Strahlenquelle ausgesetzt ist, wonach durch diese Strahlenquelle eine Bestrahlung bis zu einer Dosis erfolgt, die zwischen

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1 χ 10 und 8 χ 10 Elektronen/cm , vorzugsweise zwischen

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1 χ 10 und 5 χ 10 Elektronen/cm liegt, wobei die Energie der Strahlung 2 MeV beträgt.

Elektronenbestrahlung wird vorgezogen, da eine derartige Strahlenquelle leicht erhältlich und billiger ist. Es kann aber auch jede andere Strahlungsart verwendet werden, die in der Lage ist, die Atomgitterstruktur zu zerbreuhen und Energiepegel zu schaffen, die die Minoritätenträger-Lebensdauer wesentlich vermindern, ohne daß eine entsprechende Erhöhung der Träger-Regenerationsrate auftritt.

Günstigerweise umfaßt das Verfahren auch die folgenden Verfahrensschritte: zunächst Messen der Erholungsladung einer jeden Einrichtung einer Gruppe von Dioden oder Thyristoren bestimmter Art, dann Aufteilen der Einrichtungen zu Gruppen gemäß der jeweiligen gemessen Erholungsladung einer jeden Einrichtung. Einrichtungen von zumindest einer Untergruppe, vorzugsweise von mindestens zwei Untergruppen werden dann mit einer bestimmten Strahlenquelle bis zu Dosierungen bestrahlt, die 1 χ 10 bis

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8 χ 10 Elektronen/cm betragen, vorzugsweise 1 χ 10 bis

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5 χ 10 Elektronen/cm , mit einer Energiehöhe von 2 MeV. Die Erholungsladung einer jeden bestrahlten Einrichtung einer jeden Untergruppe wird dann wiederum gemessen, um die inkrementelle Änderung der Erholungsladung als Funktion der Bestrahlungsdosierung festzustellen. Besonders günstig ist es, das Verfahren dann dadurch fortzusetzen, daß die Erholungsladung einer anderen Einrichtung dieser Dioden- oder Thyristorart gemessen wird. Diese Einrichtung wird dann mit der Strahlenquelle bis zu einer vorbestimmten Dosierung bestrahlt, die der gewünschten inkrementellen Änderung der Erholungsladung entspricht, um die Erholungsladung dieser Einrichtung genau auf den gewünschten Wert zu bringen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, die in den Zeichnungen dargestellt sind.

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Bs zeigt:

Fig. 1 in geschnittener Seitenansicht einen Hochleistungs-Thyristor, der erfindungsgemäß bestrahlt wird;

Fig. 2 eine grafische Darstellung zur Erläuterung des Bereiches der Erholungsladung (Q_rr) von unterschiedlichen Thyristortypen vor und nach der erfindungsgemäßen Bestrahlung;

Fig. 3 eine geschnittene Seitenansicht einer Hochleistungs-Silizium-Ubergangs-Diode, die erfindungsgemäß bestrahlt wird;

Fig. 4 eine grafische Darstellung zur Erläuterung der typischen Verteilung .der Erholungsladung (Q_rr) einer Gruppe einer gegebenen Bauart von Silizium-Übergangs-Leistungs-Dioden, die aus einer Produktionscharge entnommen wurde; und

Fig. 5 eine schematische Darstellung, die die Untergruppierung von Silizium-Ubergangs-Leistungs-Dioden einer gegebenen Diodenbauart vor und nach der Bestrahlung zeigt, um die inkrementelle Änderung der Erholungsladung als Funktion der Bestrahlungsdosis zu bestimmen.

In Fig. 1 ist ein zentralgefeuerter Silizium-Thyristor dargestellt, der in einem Halbleiter-Plättchen oder -Körper 10 angeordnet ist, welcher gegenüberliegende Hauptflächen 11 und 12 und abge schrägte Seitenflächen 13 besitzt. Der Halbleiter-Körper 10 besteht typischerweise aus η-artigem Fließzonen-Silizium mit > einen Widerstandswert von 10 bis 250 Ohm/cm und einer Dicke von 0,25 bis 0,75 mm. Der Thyristor umfaßt einen Kathoden-Emitter- bere'ich 14 und einen Anoden-Emitterbereich 17 mit Dotierungen von entgegengesetzter Leitfähigkeit, angrenzend zu den Hauptoberflächen 11 bzw. 12. Der Thyristor besitzt auch einen Kathoden-Basisbereich 15 und einen Anoden-Basisbereich 16 mit einer Dotie-

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rung von entgegengesetzter Leitfähigkeitsart innerhalb des Körpers 10 zwischen den Emitter-Bereichen 14 und 17. Der Kathoden-Emitterbereich 14 und der Kathoden-Basisbereich 15 wie auch der Anoden-Basisbereich 16 und der Anoden-Emitterbereich 17 sind ebenfalls von entgegengesetzter Leitfähigkeitsart. Durch diese Anordnung wird ein Thyristor geschaffen, der eine Vierschicht-Dotierungsstruktur besitzt, wodurch drei PN-Ubergänge 18, 19 und 20 an den Stoßstellen dieser Regionen entgegengesetzter Leitfähigkeitsart gebildet werden.

Kathoden-Basisbereich und Anoden-Emitterbereich 15 bzw. 17 werden vorzugsweise gleichzeitig mittels selektiver Diffusion von beispielsweise Bor, Gallium oder Aluminium durch die Hauptoberflächen 11 und 12 mittels herkömmlicher Diffusionsverfahren gebildet. Jedoch kann der Kathoden-Basisbereich 15 dicker als der Anoden-Emitterbereich 17 sein, indem die Diffusion des Anoden-Emitterbereichs verlängert wird oder indem die Hauptoberfläche 12 nachfolgend geätzt wird. Die sich ergebende Diffusion des Kathoden-Basisbereichs 15 erfolgt typischerweise mit

1 7 einer Oberflächen-Dotierungs-Konzentration von 1 χ 10 bis

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5 χ 10 Atome/cm und einer Dicke zwischen 50 und 100 ,u. Der Anoden-Emitterbereich 17 wird ebenfalls vorzugsweise mit einer

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Oberflächen-Dotierungs-Konzentration von 1 χ 10 bis 5 χ 10 Atomen/cm und einer Dicke zwischen 50 und 100 ,u gebildet. Der Kathoden-Emitterbereich 14 wird danach gebildet, vorzugsweise durch selektive Diffusion von beispielsweise Phosphor durch die Hauptoberfläche 11, typischerweise bis zu einer Oberflächen-Dotierungs-Konzentration von 1 χ 10 bis 5 χ 10 Atome/cm und bis zu einer Dicke von 5 bis 25 /U.

Der Thyristor wird mit einem zentralgefeuerten Gate versehen, indem der Kathoden-Basisbereich 15 an der Hauptoberfläche 12 in deren mitteleren Bereich angrenzt. Der Kathoden-Emitterbereich 14 erstreckt sich somit um die Oberflächenteile des Bereiches 15 herum. Um elektrische Verbindungen zum Thyristor herzustellen, werden Metallkontakte 21 und 22 vorgesehen, die an der Hauptoberfläche 11 zum Kathoden-Basisbereich 15 bzw.

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zum Kathoden-Emitterbereich 14 einen ohmschen Kontakt herstellen, während eine stützende Metallelektrode 23 an der Hauptoberfläche zum Anoden-Emitterbereich 17 einen ohmschen Kontakt herstellt. Die Metallkontakte 21 und 22 werden vorzugsweise durch selektive Metallisierung mit einem geeigneten Metall wie Aluminium, Molybdän, Gold, Silber, Tantal und Basislegierungen dieser Metalle bis zu einer Dicke von typischerweise 40.000 A hergestellt, oder alternativ durch unterschiedsloses Metallisieren mit einem derartigen geeigneten Metall, gefolgt durch selektive Entfernung von Teilen des abgelagerten Metalles mittels herkömmlicher fotolithografischer und Ätzverfahren. Die Elektrode 23 wird vorzugsweise durch Anlegieren eines Metallsubstrats mit einer typischen Dicke von 2 mm z. B. aus Molybdän an der Hauptoberfläche 12 hergestellt. Um Tunnelungseffekte und atmosphärische Einflüsse auf den Betrieb des Thyristors zu vermindern, werden die Seitenoberflächen 13 abgeschrägt, geätzt und mit einem geeigneten Passivierungsharz 24 beschichtet, wie beispielsweise mit Silikon, Epoxi oder Lack.

Die Bestrahlung des Thyristors erfolgt erfindungsgemäß dadurch, daß die Hauptoberfläche 11 des Körpers 10 einer geeigneten Strahlenquelle ausgesetzt wird, wie beispielsweise einem van de Graaff-Beschleuniger, siehe Fig. 1. Der Thyristor wird danach

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bis zu einer Dosis bestrahlt, die etwa 1 χ 10 bis 8 χ 10

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Elektronen/cm entspricht, bei 2 MeV Elektronenstrahlungsenergie,

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vorzugsweise 1 χ 10 bis 5 χ 10 Elektronen/cm bei 2 MeV Elektronenstrahlungsenergie.

Die für diese Bestrahlungen verwendete Strahlungsquelle stellt vorzugsweise eine Elektronenstrahlungsquelle dar, weil eine derartige Quelle leichter erhältlich und billiger ist. Außerdem wird Elektronenbestrahlung (oder Gammabestrahlung) bei solchen Anwendungen vorzuziehen sein, wo die gewünschte Beschädigung am Halbleitergitter sich auf einzelne Atome oder kleine Gruppen von Atomen beschränkt. Im Gegensatz dazu verursachen Neutronen, Protonen und Alphateilchen stärker lokalisierte Störungen, die aber von größerem Ausmaß sind und jeweils mehrere

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hundert Atome in dem Halbleiterkristall erfassen können. Eine Strahlenquelle der letztgenannten Art kann jedoch bei bestimmen Anwendungen günstig sein, weil durch diese Bestrahlung eine genauere Bereichsfestlegung und eine besser steuerbare Tiefe der Gitterbeschädigung möglich wird. Es ist zu vermuten/ daß jede Art von Bestrahlung geeignet ist, vorausgesetzt, daß sie in der Lage ist, die Atomgitterstruktur zu unterbrechen und Energiepegel zu erzeugen, die die Minoritäts-Träger-Lebensdauer wesentlich vermindert, ohne gleichzeitig eine entsprechende Steigerung der Träger-Regenerationsrate zu bewirken.

Elektronenstrahlung wird gegenüber Gammastrahlung auch vorgezogen, weil die erforderlichen Dosierungen bei Elektronenstrahlung in kommerziell praktikabler Zeit leichter zu erreichen

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sind. Beispielsweise führt eine Dosis von 1 χ 10 Elektronen/cm bei 2 MeV zu im wesentlichen der gleichen Gitterzerstörung, wie sie von einer Dosis von 1 χ 10 Rad an Gammastrahlung erzeugt wird. Eine solche Gammastrahlungsdosis würde jedoch eine Bestrahlung von einer Stunde und mehr, gewöhnlich sogar eine Bestrahlungsdauer von mehreren Wochen erfordern, während die gleiche Dosis Elektronenstrahlung innerhalb von Minuten zugeführt werden kann.

Besonders günstig ist es auch, wenn die Energie der Elektronenbestrahlung größer als 1 MeV ist, wobei eine Energie von 2 MeV oder mehr am günstigsten ist. Strahlung von niedrigerer Energie führt vermutlich im wesentlichen nur zu elastischen Kollisionen mit dem Atomgitter und liefert daher nicht die erforderliche Gitterzerstörung in ausreichend kurzer Zeit.

Die optimale Dosis innerhalb des vorgeschriebenen Bereiches wird empirisch ausgewählt. Diese genaue Dosis wird von der Art des Thyristors, der Art der Strahlung, der Energie der Strahlung und von der gewünschten inkrementellen Änderung der Erholungsladung abhängen.

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Um den Betrieb der Erfindung zu illustrieren, wurden die Erholungsladungen von 50 Stck. T92N-Thyristoren (1.200 V, 100 A) und von 50 Stck. T92N-Thyristoren (3.000 V, 600 A) erfindungsgemäß beeinflußt. Die Erholungsladung (Q_rr) eines jeden Thyristors wurde gemessen, wobei ein Verfahren benutzt wurde, das in der Zeitschrift "Electronic Design", Band 5, Seiten 50 - 53, 1. März 1976, beschrieben wird. Es sollte in diesem Zusammenhang bemerkt werden, daß "Erholungsladung" manchmal auch anders genannt wird, z. B. "Umkehr-Erholungsladung" oder "wiedergewonnene Ladung".

Der Bereich der gemessenen Erholungsladung der Thyristoren T92N (1.200 V) lag im Bereich von 100 Microcoulomb bis über 300 Microcoulomb. Der festgelegte Bereich für die Erholungsladung zur Serienschaltung dieser Thyristorart liegt zwischen 100 und 200 Microcoulomb. Demzufolge wurden alle Thyristoren der 50er Gruppe, die mehr als 200 Microcoulomb aufwiesen, mit einer Dosis von

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4 χ 10 Elektronen/cm bei 2 MeV Energie mittels eines van de Graaff-Beschleunigers bestrahlt und die Erholungsladung wiederum gemessen, wobei das gleiche Verfahren angewendet wurde, wie bei der ursprünglichen Messung. 95 % der bestrahlten 1.200 V-Thyristoren ergaben eine Erholungsladung, die zwischen 1OO und 200 Microcoulomb lag. Die Thyristoren mit einer Erholungsladung von weniger als 200 Microcoulomb wurden nicht bestrahlt, weil ihre Q -Werte bereits innerhalb der Spezifizierung lagen.

In ähnlicher Weise wurde der Bereich der gemessenen Erholungsladung der 3.000 V-Thyristoren T92N gemessen und festgestellt, daß sie zwischen 400 und über 9OO Microcoulomb lag. Der festgelegte Bereich für die Erholungsladung zur Serienschaltung dieser Thyristor-Bauart liegt zwischen 400 und 5OO Microcoulomb. Entsprechend wurden'allen Thyristoren der 50er Gruppe, die mehr als 500 Microcoulomb aufwiesen, in Untergruppen von jeweils 200 Microcoulomb pro Untergruppe aufgeteilt. Das heißt, eine erρte Untergruppe enthielt alle Thyristoren, deren Erholungsladung zwischen 500 und 700 Microcoulomb lag. Eine zweite Untergruppe enthielt alle Thyristoren, die eine gemessene Erholungsladung von 700 bis 900 Microcoulomb aufwiesen, während eine

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dritte Untergruppe alle Thyristoren mit gemessener Erholungsladung von mehr als 900 Microcoulomb enthielt. Die erste Unter-

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gruppe wurde mit einer Dosis von 1 χ 10 Elektronen/cm bei 2 MeV mittels eines van de Graaff-Beschleunigers bestrahlt. Die zweite Untergruppe wurde mit einer Dosis von 2 χ 10 Elektro-

2
nen/cm mit dem 2 MeV van de Graaff-Beschleuniger bestrahlt,

während die dritter Untergruppe mit einer Dosis von 3 χ 10

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Elektronen/cm mit dem 2 MeV van de Graaff-Beschleuniger bestrahlt wurde. Die Erholungsladung eines jeden bestrahlten Thyristors wurde dann unter Verwendung des gleichen Verfahrens wie bei der ursprünglichen Messung festgestellt. Wiederum ergab sich, daß 95 % der gesamten bestrahlten Gruppe eine Erholungsladung im Bereich von etwa 400 bis 500 Microcoulomb aufwies. Die Thyristoren mit einer gemessenen Erholungsladung von weniger als 500 Microcoulomb wurden nicht bestrahlt, weil ihre Q -Werte innerhalb der Spezifikation lagen.

Die Verminderung der Erholungsladung der einzelnen Thyristoren und die Streubreite der Erholungsladung der Gruppe von Thyristoren wird in Fig. 2 sehr deutlich. Die Bestrahlung vermindert die Erholungsladung eines jeden Thyristors und die Streubreite der Erholungsladung einer jeden Thyristor-Bauart auf einen vorgeschriebenen Wert, und zwar mit einer Zuverlässigkeit von 95 %. Dieses Ergebnis wurde mit geringer Änderung des Vorwärtsspannungsabfalles beim Thyristor erreicht, die Änderung betrug nur 0,2 mV

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pro 1 χ 10 Elektronen/cm Dosiserhöhung. Beispielsweise zeigte der 1.200 V-T92N-Thyristor eine Verminderung der Erholungsladung von mehr als 200 Microcoulomb zum Bereich von 100 bis 200 Microcoulomb, während die Vorwärtsspannung sich bei 1.500 A von 1,3 auf 1,3 bis 1,4 änderte. Es ergab sich auch nur eine leichte Änderung in der Abschaltzeit bei den bestrahlten Thyristoren. Fig. 2 zeigt auch die erwartete Verminderung der Erholungsladung bei einem 2.000 V/800 A/T92N-Thyristor, wenn er in der oben beschriebenen Weise bestrahlt wird, sowie auch die entsprechenden Werte für einen T92N-Thyristor (3.000 V, 600 A).

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In den Fig. 3 bis 5 wird das erfindungsgemäße Verfahren und seine Wirkung hinsichtlich Leistungs-Dioden beschrieben und erläutert.

Das Verfahren beginnt damit, daß eine Gruppe von Leistungs-Dioden mit einer Struktur, wie sie in Fig. 3 wiedergegeben ist, von einem Produktionslauf nach Passivierung entnommen und die Erholungsladung gemessen wird.

In Fig. 3 ist die Struktur von Leistungs-Dioden wiedergegeben. Jede Diode befindet sich auf einem Halbleiterkörper oder -plättchen 30, das sich gegenüberliegende Hauptoberflächen 31 und 32 sowie abgeschrägte Seitenflächen 33 besitzt. Der Halbleiterkörper 30 besteht typischerweise aus η-artigem Fließzonen-Silizium mit einem Widerstandswert von 10 bis 250 Ohm-cm und einer Dicke von 0,2 bis 0,75 mm. Die Diode besitzt einen Kathoden-Bereich und einen Anoden-Bereich 3 5 mit Dotierungen von entgegengesetzter Leitfähigkeitsart, die an die Hauptoberflächen 31 bzw. 32 angrenzen. Am Übergang zwischen den Bereichen 34 und 35 im Inneren des Körpers 30 wird ein PN-Übergang 36 gebildet. Kathoden-Bereich 34 und PN-Übergang 36 werden typischerweise durch selektive Diffusion einer typischen Dotierung wie Bor, Gallium oder Aluminium durch die Hauptoberfläche 11 gebildet.

Um die Diode mit elektrischen Anschlüssen zu versehen, werden Metallkontakte 37 und 38 angeordnet, die zum Kathoden-Bereich bzw. zum Anoden-Bereich 35 an den Hauptoberflächen 31 bzw. 32 einen ohmschen Kontakt herstellen. Der Metallkontakt 37 wird vorzugsweise durch Metallisierung mittels eines geeigneten Metalles wie Aluminium, Molybdän, Gold, Silber, Tantal oder Basislegierungen davon auf die Hauptoberfläche 11 bis zu einer typischen Dicke von etwa 40.000 S hergestellt, während der Metallkontakt 38 vorzugsweise durch Anlegieren eines Metallsubstrates beispielsweise aus Molybdän an die Hauptoberfläche gebildet wird. Um Tunnelungseffekte und atmosphärische Effekte auf den Diodenbetrieb zu vermindern, werden die Seitenflächen abgeschrägt, geätzt und mit einem geeigneten Passivierungsharz

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wie Silikon, Epoxi oder Lack abgedeckt.

Die von dem Produktionslauf entnommene Gruppe von Leistungs-Dioden wurde zunächst hinsichtlich ihrer einzelnen Werte der Erholungsladung (Q__) gemessen, wobei vorzugsweise das in "Electronic Design" Band 5, Seiten 50 - 53 (1. März 1976) beschriebene Verfahren angewendet wurde. Eine typische Verteilung der Meßwerte für die Erholungsladung ist in Fig. 4 wiedergegeben, gemäß der die Erholungsladung stark variiert. Fig. 4 zeigt die Verteilung der Erholungsladung für eine Gruppe von 300 SiIizium-Ubergangsdioden des Typs R70N (3.000 V, 500 A), die zum Zwecke der Erläuterung der Erfindung verwendet wurden. Die Erholungsladung dieser Dioden schwankt, wie dargestellt ist, zwischen 300 Microcoulomb bis auf Werte von über 1.200 Microcoulomb. Dies ist eine viel zu große Schwankungsbreite für eine Serienanpassung der Diode.

Alle Dioden mit einer gemessenen Erholungsladung von mehr als 900 Microcoulomb, das waren ungefähr 60 bis 70 der Gruppe aus

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300 Dioden, wurden mit einer Dosis von 1 χ 10 Elektronen/cm mit Hilfe eines 2 MeV van de Graaff-Beschleuniger bestrahlt. Die Bestrahlung einer jeden Diode wurde gemäß Fig. 3 durchgeführt. Die Bestrahlung wird an der Diode dadurch erreicht, daß der Körper 30 mit seiner Hauptoberfläche 31 derart angeordnet wird, daß sie mittels einer geeigneten Strahlenquelle bestrahlt werden kann. Die Diode wird danach mit Hilfe einer Strahlenquelle mit einer Strahlung 40 bis zu einer Dosis bestrahlt, die gemäß der vorstehenden Beschreibung ausgewählt wird. Wiederum ist die Strahlung vorzugsweise eine Elektronenstrahlung, die von einem van de Graaff-Beschleuniger ausgeht, der vorzugsweise eine Teilchenenergie von mehr als 1 MeV, typischerweise 2 MeV aufweist.

Dann wurde die Erholungsladung der bestrahlten Diode mit dem gleichen Verfahren gemessen, das auch für die anfängliche Messung der Erholungsladung verwendet wurde. Die bestrahlten Einrichtungen mit einer anfänglich gemessenen Erholungsladung zwischen

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900 und 1.200 Microcoulomb zeigten nach der Bestrahlung eine gemessene Erholungsladung zwischen 600 und 900 Microcoulomb, und zwar mit einer Zuverlässigkeit von 95 %, während die bestrahlten Einrichtungen mit einer ursprünglich gemessenen Erholungsladung von mehr als 1.200 Microcoulomb nach der Bestrahlung Erholungsladungen zwischen 900 und 1.200 Microcoulomb mit 95 %iger Zuverlässigkeit aufwiesen. Darauffolgend wurden die bestrahlten Einrichtungen einer ursprünglichen Erholungsladung von mehr als 1.200 Microcoulomb ein zweites Mal bis zu einer Dosis von

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1 χ 10 Elektronen/cm (was einer Gesamtdosis von 2 χ 10

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Elektronen/cm entspricht) mittels des 2 MeV van de Graaff-Beschleunigers bestrahlt und die Erholungsladungen wiederum durch das Verfahren gemessen, das auch für die anfängliche Messung der Erholungsladung verwendet wurde. Es zeigte sich, daß die Erholungsladung auf Werte zwischen 600 und 900 Microcoulomb mit einer Zuverlässigkeit von 95 % ermäßigt war.

Entsprechend wurde geschlossen, daß die inkrementelle Änderung der Erholungsladung eine Funktion der Bestrahlungsdosis ist und daß die Verminderung 300 Microcoulomb für eine Dosis von

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jeweils 1 χ 10 Elektronen/cm für die gegebene Strahlenquelle betrug. Diese Änderung wurde dann schematisch aufgetragen, siehe Fig. 5, um die inkrementelle Änderung der Erholungsladung als Funktion der Strahlendosis für den jeweiligen Diodentyp aufzuzeichnen, dessen Erholungsladung mit einem bestimmten Zuverlässigkeitsfaktor von z. B. 95 % maßgeschneidert werden soll. Diese Funktion wurde nachfolgend durch die Bestrahlung der Einrichtung mit gemessenen Erholungsladungen zwischen

12 und 600 Microcoulomb mit Dosisleistungen von 1 χ 10 Elektronen/

cm von der gleichen Strahlenquelle überprüft. Die Erholungsladung der Dioden wurde nachträglich mit dem gleichen Verfahren gemessen, das auch zur Messung der ursprünglichen Erholungsladung verwendet wurde, und ermittelt, daß wiederum mit einem Zuverlä^sigkeitsfaktor von 95 % die Erholungsladungen zwischen und 600 Microcoulomb lagen.

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Wie in Fig. 5 dargestellt ist, können nachfolgende Einrichtungen von R70N-Leistungsdioden hinsichtlich ihrer Erholungsladung auf jeden gewünschten Wert innerhalb des durch die 300 Microcoulomb-Untergruppen gelieferten Tolranzbereiches maßgeschneidert werden. Die Verteilung der Erholungsladung für jede Untergruppe hängt von der Präzision ab, mit der die Erholungsladung der Dioden aneinander angepaßt werden sollen, während die Erholungsladungsstreuung einer jeden Untergruppe auf den Toleranzen beruht, die für die fertigen Dioden spezifiziert sind.

Durch dieses Verfahren können die höchstmöglichen Lebensdauern für den Anoden- oder Anoden-Basisbereich erhalten werden, die die Blockierspannung in der Diode oder in dem Thyristor während des Diffusionsverfahrens stützen, und die Erholungsladung kann leicht auf einen niedrigen, angepaßten Wert in der endgültigen Verfahrensstufe maßgeschneidert werden. Erholungsladungswerte können somit genau, gleichförmig und reproduzierbar erhalten werden, selbst bei Einrichtungen mit großer Fläche, die erforderlich sind, um hohe Stromkapazitäten von 500 A und mehr zu erhalten. Typischerweise liegen 95 % der bestrahlten Einrichtungen durch die erfindungsgemäße Bestrahlung in festgelegten Bereichen. Trotzdem werden der Vorwärtsspannungsabfall, die Schaltzeit (das ist die Umkehr-Erholungszeit oder Abschaltzeit) sowie andere elektrische Eigenschaften durch die Bestrahlung nicht wesentlich verändert.

Vorstehend wurden lediglich besonders günstige Ausführungsformen dargestellt und beschrieben. Es sei ausdrücklich betont, daß die Erfindung auch auf andere Weise verwirklicht werden kann. Beispielsweise wurde die Erfindung insbesondere hinsichtlich von Silizium-Halbleitereinrichtungen beschrieben. Sie kann aber genau so gut für andere Halbleitermaterialien wie Germanium und Gallium-Arsenid angewendet werden, obwohl dann die jeweilige Strahlungsart und deren Energie sowie die Wirksamkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens von dem jeweiligen Halbleitermaterial abhängen wird.

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Claims

Drying. Ernst Stratmann

Patentanwalt

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Düsseldorf, 12. Mai 1977

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Westinghouse Electric Corporation
Pittsburgh, Pa., V. St. A.

Patentansprüche :

Verfahren zur Herstellung von zumindest einer Diode oder eines Thyristors durch Maßschneidern der Erholungsladung von zumindest einem ursprünglichen Übergangs-Dioden- oder Thyristor-Halbleiterkörper, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte: Anordnen einer Hauptoberfläche des ursprünglichen Halbleiterkörpers in der Nähe der Strahlenquelle und danach Bestrahlen des oder der Halbleiterkörper mit der Strahlenquelle bis zu einer Dosishöhe, die in der Lage ist, die Erholungsladung des oder der bestrahlten Körper zu vermindern.

Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte: Messen der Erholungsladung eines jeden ursprünglichen Halbleiterkörpers einer Gruppe von Diodentypen oder Thyristortypen und Aufteilen der gemessenen Halbleiterkörper in Untergruppen gemäß der gemessenen Erholungsladung eines jeden Halbleiterkörpers; Bestrahlen der Halbleiterkörper von zumindest einer Untergruppe mit den Strahlungsteilchen, die eine Strahlungsenergiehöhe von 2 MeV besitzen; Messen der Erholungsladung eines jeden bestrahlten Körpers einer jeden Untergruppe zur Bestimmung der inkrementellen Änderung der Erholungsladung als Funktion der Bestrahlungsdosis; und danach Bestrahlen eines bestrahlten oder unbestrahlten Halbleiterkörpers bis zu einer vorbestimmten Dosis, die der gewünschten inkrementellen Änderung der Erholungsladung entspricht, um dadurch die Erho-

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^OR'GINAL INSPECTED

lungsladung des bestrahlten oder unbestrahlten Halbleiterkörpers auf einen gewünschten Wert maßzuschneidern.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,

daß die Dosishöhe zwischen 1 χ 10¹² und 8 χ 10¹² Strah-

2
lungsteilchen/cm liegt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der oder jeder Halbleiterkörper bis zu

12 12

einer Dosishöhe von 1 χ 10 bis 5 χ 10 Strahlungsteil-

2
chen/cm bestrahlt wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchenstrahlung einen Energiepegel von mehr als 1 MeV besitzt.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsteilchen Elektronen sind.

Beschreibung:

7098A8/1000