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Dokumentenidentifikation DE102005037573B4 31.05.2007
Titel Thyristor mit Freiwerdeschutz in Form eines Thyristorsystems und Verfahren zur Herstellung des Thyristorsystems
Anmelder Infineon Technologies AG, 81669 München, DE
Erfinder Schulze, Hans-Joachim, Dr., 85521 Ottobrunn, DE;
Niedernostheide, Franz-Josef, Dr., 48157 Münster, DE;
Kellner-Werdehausen, Uwe, 91359 Leutenbach, DE;
Barthelmess, Reiner, Dr., 59494 Soest, DE
Vertreter Westphal, Mussgnug & Partner, 80336 München
DE-Anmeldedatum 09.08.2005
DE-Aktenzeichen 102005037573
Offenlegungstag 15.03.2007
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 31.05.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 31.05.2007
IPC-Hauptklasse H01L 29/74(2006.01)A, F, I, 20050809, B, H, DE
IPC-Nebenklasse H01L 27/082(2006.01)A, L, I, 20050809, B, H, DE   H01L 23/62(2006.01)A, L, I, 20050809, B, H, DE   H01L 31/111(2006.01)A, L, I, 20050809, B, H, DE   H01L 21/332(2006.01)A, L, I, 20050809, B, H, DE   H03K 17/72(2006.01)A, L, I, 20050809, B, H, DE   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft einen (Haupt)-Thyristor (1) mit Freiwerdeschutz. Dabei ist der Freiwerdeschutz in einen Ansteuerthyristor (2) integriert, dessen n-dotierter Emitter (25) elektrisch mit einem Steueranschluss (140) des Hauptthyristors (1) verbunden ist. Außerdem ist der p-dotierte Emitter (28) des Ansteuerthyristors (2) elektrisch mit dem p-dotierten Emitter (18) des Hauptthyristors (1) verbunden. Dabei sind verschiedene optionale Maßnahmen zur Realisierung eines Freiwerdeschutzes vorgesehen.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Thyristorsystems mit einem Hauptthyristor und einem Ansteuerthyristor, wobei der Ansteuerthyristor (2) Anodenkurzschlüsse (211) aufweist. Bei dem Verfahren werden Teilchen (230) in ein Zielgebiet (225) des Halbleiterkörpers (200) des Ansteuerthyristors (2) eingebracht, wobei der Abstand des Zielgebietes (225) von einer der Rückseite (202) gegenüberliegenden Vorderseite (201) des Halbleiterkörpers (200) kleiner oder gleich dem Abstand zwischem dem p-dotierten Emitter (28) und der Vorderseite (201) ist.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft einen Thyristor mit Freiwerdeschutz in Form eines Thyristorsystems und ein Verfahren zur Herstellung der Thyristorsystems.

Beim Abschalten eines Thyristors befindet sich in dessen Halbleiterkörper noch eine relativ hohe Anzahl freier Ladungsträger, die erst innerhalb einer sogenannten Freiwerdezeit soweit abgebaut werden, bis der Thyristor schließlich zuverlässig sperrt.

Unterliegt der Thyristor jedoch innerhalb der Freiwerdezeit einer impulsartigen Spannungsbelastung, so kann es infolge einer noch zu hohen Anzahl freier Ladungsträger im Halbleiterkörper zu einem unkontrollierten Zünden des Thyristors kommen. Dabei können sich Stromfilamente bilden, die eine derart hohe Stromdichte aufweisen, dass der Thyristor zerstört werden kann.

Daher wird in der Regel versucht, Thyristoren derart zu konstruieren, dass sie gegenüber Spannungsstößen, die innerhalb der Freiwerdezeit in Vorwärtsrichtung auftreten, unempfindlich sind.

Aus der DE 199 47 028 A1 ist ein asymmetrisch sperrender Thyristor mit einer Treiberstufe bekannt. Die Treiberstufe umfasst einen n-dotierten Hilfsemitter, der eine Metallisierung der Treiberstufe kontaktiert. Dabei sind zur Verbesserung des Freiwerdeschutzes drei Varianten vorgesehen.

Bei einer ersten Variante ist der Transistorverstärkungsfaktor eines aus dem n-dotierten Hilfsemitter, der p-dotierten Basis und der n-dotierten Basis gebildeten Transistors unterhalb der Metallisierung der Treiberstufe größer als der Transistorverstärkungsfaktor eines unterhalb der Kathode des Thyristors aus dem n-dotierten Emitter, der p-dotierten Basis und der n-dotierten Basis gebildeten Transistors.

Bei einer zweiten Variante ist der Transistorverstärkungsfaktor eines aus der p-dotierten Basis, der n-dotierten Basis und dem p-dotierten Emitter gebildeten Transistors unterhalb der Metallisierung der wenigstens einen Treiberstufe größer als der Transistorverstärkungsfaktor eines unterhalb der Kathode des Thyristors aus der p-dotierten Basis, der n-dotierten Basis und dem p-dotierten Emitter gebildeten Transistors.

Eine dritte Variante sieht Anodenkurzschlüsse vor, die die n-dotierte Basis und die Anodenelektrode des Thyristors miteinander verbinden und deren elektrische Leitfähigkeit unterhalb der Metallisierung wenigstens einer Treiberstufe kleiner ist als unterhalb der Kathodenelektrode.

Aus der DE 1 935 164 A ist eine Einheit mit einem Hauptthyristor und einem Steuerthyristor bekannt, die gemeinsam in einem Halbleiterkristall integriert sind. In der Einheit sind aufeinanderfolgend eine erste p-dotierte Zone, eine n-dotierte Zone und eine p-dotierte Zone sowie zwei n-dotierte, ringförmig ausgebildete und koaxial ineinanderliegende Zonen angeordnet. Die äußere der ringförmigen Zonen bildet den n-dotierten Emitter des Hauptthyristors, die innere den n-dotierten Emitter des Steuerthyristors.

In der DE 33 08 689 A1 ist ein Thyristor beschrieben, bei dem ein Leistungsthyristorteil und ein Ansteuerthyristorteil in einem gemeinsamen Halbleiter angeordnet sind. Der Leistungsthyristorteil und der Ansteuerthyristorteil weisen eine gemeinsame p-Emitterschicht, eine gemeinsame n-Basisschicht sowie eine aus teilweise zusammenhängenden Bereichen gebildete p-Steuerbasisschicht auf. Weiterhin ist für den Leistungsthyristorteil und den Steuerthyristorteil jeweils eine n-Emitterschicht vorgesehen, die voneinander beabstandet sind. Die n-Emitterschicht des Ansteuerthyristors ist mittels einer Verbindungsleitung mit dem dem Leistungsthyristorteil zugeordneten Abschnitt der p-Steuerbasisschicht verbunden.

Die US 5,861,639 A zeigt ein als Zündstufenthyristor bezeichnetes Bauelement, bei dem ein Hauptthyristor zusammen mit einem Pilotthyristor in einem gemeinsamen Halbleiter integriert sind. Der Steueranschluss des Hauptthyristors ist elektrisch mit der Kathode des Pilotthyristors verbunden. Außerdem sind auch die Anoden des Hauptthyristors und des Pilotthyristors elektrisch miteinander verbunden. Der Hauptthyristor und der Pilotthyristor weisen eine gemeinsame n-dotierte Basis auf, die lokal mittels Zonen, welche stärker n-dotiert sind als die n-dotierte Basis, mit der anodenseitigen Oberfläche des Bauelements verbunden ist.

Aus H. J. Schulze et al.: "Thyristor with Integrated Forward Recovery Protection" Proc. ISPSD 2001 ist es zum Einen bekannt, bei einem symmetrisch sperrenden Thyristor mit einer drei oder vier Zündstufen aufweisenden Zündstufenstruktur die Ladungsträgerlebensdauer im Bereich der Zündstufenstruktur deutlich höher einzustellen als im Bereich der Hauptkathode.

Zum Anderen sind dort n-dotierte Inseln gezeigt, die in den p-dotierten Emitter eingelagert sind. Diese n-dotierten Inseln wirken als lokale Transistoren, die während der Sperrphase des Thyristors zusätzliche freie Ladungsträger zur Verfügung stellen.

In der DE 10 2004 042 163 A1 und der DE 10 2004 047 626 A1 ist jeweils ein Thyristor mit einer Anzahl ringförmiger Zündstufen genannt, von denen jede einen durch eine Elektrode kontaktierten n-dotierten Zündstufenemitter aufweist, und die koaxial zueinander sowie koaxial zu einem im Wesentlichen ringförmigen, die Zündstufen umgebenden n-dotierten Hauptemitter in einem gemeinsamen Halbleiterkörper angeordnet sind. Der Thyristor der DE 10 2004 042 163 A1 weist zudem noch eine Anzahl von Anodenkurzschlüssen auf, in denen sich die n-dotierte Basis bis an die anodenseitige Oberfläche des Halbleiterkörpers erstreckt.

Die US 5,223,442 A zeigt einen Thyristor mit stark n-dotierten Anodenkurzschlüssen, die in den p-dotierten Emitter eingebettet sind und sich ausgehend von der anodenseitigen Oberfläche des Halbleiterkörpers des Thyristors bis zur n-dotierten Basis erstrecken. Die stark n-dotierten Anodenkurzschlüsse werden durch anodenseitige Eindiffusion n-dotierender Dotierstoffe erzeugt.

Auch die JP 52-5566 A zeigt einen Thyristor mit stark n-dotierten Anodenkurzschlüssen, die durch anodenseitige selektive Eindiffusion von Phosphor in den Halbleiterkörper des Thyristors hergestellt wurden.

Die DE 37 33 100 C3 sowie die EP 0 430 237 A1 zeigen jeweils Thyristoren mit einer Zone reduzierter Ladungsträgerlebensdauer, die von Anodenkurzschlüssen beabstandet in den n-dotierten Basen der Thyristoren angeordnet sind. Die Zonen mit reduzierter Ladungsträgerlebensdauer werden mittels einer Implantation von Protonen oder Argon bzw. mittels einer Implantation hochenergetischer Teilchen wie z.B. Protonen oder Ionen von Wasserstoff oder schwerem Wasserstoff erzeugt.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Freiwerdeschutz für einen Thyristor, bei dem die Freiwerdeschutzeigenschaften möglichst unabhängig und entkoppelt von den elektrischen Eigenschaften der Hauptkathode des Thyristors eingestellt werden können, sowie ein Herstellungsverfahren hierzu, bereitzustellen.

Diese Aufgabe wird durch ein Thyristorsystem gemäß Patentanspruch 1 sowie durch ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Thyristorsystems gemäß Patentanspruch 22 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen eines solchen Thyristorsystems sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Das erfindungsgemäße Thyristorsystem umfasst einen Hauptthyristor und einen Ansteuerthyristor. Die Zündung des Thyristorsystems erfolgt dadurch, dass zunächst der Ansteuerthyristor, beispielsweise mittels Licht, gezündet wird und dieser den Zündstrom für den Hauptthyristor liefert.

Der Hauptthyristor umfasst einen Halbleiterkörper, in dem ausgehend von einer Rückseite aufeinanderfolgend ein p-dotierter Emitter, eine n-dotierte Basis, eine p-dotierte Basis und ein n-dotierter Emitter angeordnet sind. Des Weiteren umfasst der Hauptthyristor einen Zündstufenbereich mit wenigstens einer Zündstufe, sowie einen sich in lateraler Richtung an den Zündstufenbereich anschließenden Hauptkathodenbereich.

Der Ansteuerthyristor weist einen Halbleiterkörper auf, in dem ausgehend von einer Rückseite aufeinanderfolgend ein p-dotierter Emitter, eine n-dotierte Basis, eine p-dotierte Basis und ein n-dotierter Emitter angeordnet sind. Der Ansteuerthyristor umfasst einen Zündstufenbereich mit wenigstens einer Zündstufe und einem sich in lateraler Richtung an den Zündstufenbereich anschließenden Hauptkathodenbereich.

Zur Verschaltung des Hauptthyristors und des Ansteuerthyristors ist der n-dotierte Emitter des Ansteuerthyristors elektrisch mit einem Steueranschluss des Hauptthyristors verbunden. Außerdem sind die p-dotierten Emitter des Hauptthyristors und des Ansteuerthyristors elektrisch miteinander verbunden.

Um den Hauptthyristor vor einer Beschädigung infolge eines während seiner Freiwerdezeit auftretenden Zündimpulses zu schützen und damit einen Freiwerdeschutz zu realisieren, ist es vorgesehen, den Ansteuerthyristor mit einem Freiwerdeschutz zu versehen. Zusätzlich oder alternativ kann der Ansteuerthyristor noch eine Durchbruchstruktur aufweisen.

Zur Realisierung eines Freiwerdeschutzes für den Ansteuerthyristor sind gemäß bevorzugter Ausführungsformen verschiedene Maßnahmen vorgesehen, die auch in geeigneter Weise miteinander kombiniert werden können.

Gemäß einer ersten Maßnahme ist es vorgesehen, dass die Ladungsträgerlebensdauer der n-dotierten Basis des Ansteuerthyristors, die vorzugsweise im Zündstufenbereich und/oder im Hauptkathodenbereich wenigstens 300 &mgr;s beträgt, größer als die Ladungsträgerlebensdauer der n-dotierten Basis des Hauptthyristors zu wählen. Diese Maßnahme führt dazu, dass – bei ansonsten gleichem Design der Hauptkathode des Ansteuerthyristors und des Hauptthyristors und gleichen Betriebsbedingungen – die Hauptkathode des Ansteuerthyristors deutlich länger eingeschaltet bleibt als die des Hauptthyristors. Sind das Design der Hauptkathode und die Betriebstemperaturen der beiden Thyristoren – bei gleicher Ladungsträgerlebensdauer in den jeweiligen n-Basiszonen der Thyristoren – so gewählt, dass die Hauptkathode des Hauptthyristors länger eingeschaltet bleibt als die des Ansteuerthyristors, so kann durch eine entsprechend große Differenz der Ladungsträgerlebensdauern in den beiden Thyristoren auch hier eine Umkehrung der Verhältnisse erreicht werden.

Gemäß einer zweiten Maßnahme ist es vorgesehen, die Ladungsträgerlebensdauer der n-dotierten Basis des Ansteuerthyristors, z.B. im Bereich von dessen Zündstruktur größer als die Ladungsträgerlebensdauer der n-dotierten Basis des Ansteuerthyristors im Hauptkathodenbereich zu wählen, vorzugsweise mindestens doppelt so groß und in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform für Silizium-basierte Systeme größer als 800 &mgr;s.

Gemäß einer dritten Maßnahme weist der Ansteuerthyristor n-dotierte Inseln auf, die im Zündstufenbereich in den p-dotierten Emitter des Ansteuerthyristors eingelagert sind. Diese n-dotierten Inseln des Ansteuerthyristors sind vorzugsweise stärker dotiert als bei Bedarf implementierte, entsprechende n-dotierte Inseln im Zündstufenbereich des Hauptthyristors.

Eine vierte Maßnahme sieht vor, dass der p-dotierte Emitter im Zündstufenbereich des Ansteuerthyristors eine Dotierstoffkonzentration aufweist, die stärker ist, als die Dotierstoffkonzentration des p-dotierten Emitters des Hauptthyristors in dessen Hauptkathodenbereich.

Gemäß einer fünften Maßnahme weist der p-dotierte Emitter im Zündstufenbereich des Ansteuerthyristors eine Dotierstoffkonzentration auf, die stärker ist, als die Dotierstoffkonzentration des p-dotierten Emitters des Ansteuerthyristors in dessen Hauptkathodenbereich.

Die vierte und fünfte Maßnahme sowie alle im Folgenden erläuterten Maßnahmen eignen sich insbesondere für den Fall asymmetrisch sperrender Thyristoren, die Anodenkurzschlüsse aufweisen. Grundsätzlich eignen sich die vierte und fünfte Maßnahme aber auch für symmetrisch sperrende Thyristoren.

Gemäß einer sechsten Maßnahme weist der Ansteuerthyristor Anodenkurzschlüsse auf, deren Querschnittsflächenverhältnis im Zündstufenbereich geringer ist als im Hauptkathodenbereich.

Als Querschnittsflächenverhältnis eines vorgegebenen Bereichs, in dem Kurzschlussgebiete angeordnet sind, wird dabei das Verhältnis zwischen der Summe aller innerhalb dieses Bereichs befindlichen Querschnittsflächenanteile der Kurzschlussgebiete und der Fläche des Bereichs definiert.

Eine siebte Maßnahme sieht vor, dass auch der Hauptthyristor Anodenkurzschlüsse aufweist, wobei die Anodenkurzschlüsse im Hauptkathodenbereich des Ansteuerthyristors ein Querschnittsflächenverhältnis aufweisen, das geringer ist als das Querschnittsflächenverhältnis der Anodenkurzschlüsse im Hauptkathodenbereich des Hauptthyristors.

Gemäß einer achten Maßnahme weist der Ansteuerthyristor eine n-dotierte Feldstoppzone auf, die unmittelbar vor oder beabstandet zum p-Emitter angeordnet ist. Diese Feldstoppzone ist entweder lokal im Zündstufenbereich oder im gesamten Ansteuerthyristor so ausgelegt, dass der p-Emitter in diesen Bereichen bessere Injektionseigenschaften aufweist als der p-Emitter des Hauptthyristors. Das lässt sich z.B. durch eine Reduzierung der maximalen Dotierung und/oder durch eine Reduzierung der Dosis der Feldstoppzone erreichen.

Eine neunte Maßnahme sieht vor, die Dotierstoffkonzentration der p-dotierten Basis des Ansteuerthyristors im Zündstufenbereich lokal anzuheben. Die p-Basis bildet nämlich zusammen mit der n-Basis und den n+-Anodenkurzschlussbereichen eine pnn+-Diode, die bei Anlegen einer Thyristorsperrspannung in Flussspannung vorgepolt ist und damit Ladungsträger in den AG-Bereich injiziert. Diese Ladungsträgerinjektion wiederum lässt sich vorteilhaft für die Integration des Freiwerdeschutzes ausnutzen, da am gesamten Thyristorsystem während der so genannten Freiwerdephase üblicherweise eine Sperrspannung anliegt und somit die pnn+-Diode in Flussrichtung vorgespannt ist. Durch die Anhebung der p-Dotierung der Basis des Ansteuerthyristors im Zündstufenbereich wird nun diese lokale pnn+-Diode der Ansteuerdiode vorteilhafterweise so ausgelegt, dass ein möglichst großer Teil des Sperrstromes der in Serie zum Ansteuer- und Hauptthyristor liegenden Diode, die den größten Teil der am gesamten Thyristorsystem anliegenden Sperrspannung aufnimmt, durch eben diese lokale pnn+-Diode der Ansteuerdiode fließt.

Im Allgemeinen nicht geeignet für eine Anhebung der p-Dotierungskonzentration sind

  • • die Bereiche der p-Basis unterhalb der Emitter der einzelnen Zündstufen,
  • • Bereiche in der Umgebung der ersten Zündstufe, in denen die Dotierung der p-Basis für die Integration einer so genannten dU/dt-Schutzfunktion lokal verringert ist,
  • • Bereiche der p-Basis, in denen ein Widerstand integriert ist,
  • • Bereiche innerhalb der Zündstufe, in denen eine Überspannungsschutzfunktion in Form einer Durchbruchsstruktur integriert ist.

Alle anderen Bereiche der p-Basiszone im Zündstufenbereich des Ansteuerthyristors sind prinzipiell für eine lokale Erhöhung der p-Dotierungskonzentration geeignet.

Eine zehnte Maßnahme, die ebenfalls geeignet ist, den Strom durch die gerade beschriebene parasitäre pnn+-Diode im Zündstufenbereich des Ansteuerthyristors während der Freiwerdephase unter Sperrbelastung des Thyristors zu erhöhen, bildet eine lokale Vergrößerung der Tiefe der entsprechenden n+-Emitterkurzschlussgebiete. Dieses lässt sich z.B. durch eine zusätzliche, ggf. maskierte Implantation von Protonen und einen nachfolgenden Ausheilprozess (typisch: T zwischen 220°C und 500°C, t zwischen 30 min und 10 h) erreichen, wobei die Beschleunigungsenergie der Protonen so gewählt wird, dass sich eine Eindringtiefe ergibt, die die Tiefe der n+-Anodenkurzschlüsse übersteigt. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, einen zusätzlichen, gegebenenfalls maskierten Diffusionsprozess mit einem schnell diffundierenden Donator, wie z.B. Schwefel oder Selen durchzuführen. Die einfachste Realisierungsmöglichkeit besteht darin, die vorhandenen Anodenkurzschlüsse im Ansteuerthryristor, die üblicherweise durch eine Phosphordotierung hergestellt werden, tiefer als im Hauptthyristor einzudiffundieren.

Gemäß einer elften Maßnahme weist der Ansteuerthyristor n-dotierte Anodenkurzschlüsse auf, die in dem stark p-dotierten Emitter angeordnet sind und die die Anodenelektrode des Ansteuerthyristors mit dessen n-dotierter Basis verbinden. In einem senkrecht zur vertikalen Richtung verlaufenden Querschnitt durch den Halbleiterkörper des Ansteuerthyristors weisen die Anodenkurzschlüsse ein Querschnittsflächenverhältnis auf, das im Zündstufenbereich vorzugsweise geringer ist als im Hauptkathodenbereich.

Die Herstellung der Anodenkurschlüsse erfolgt vorzugsweise mittels eines maskierten Diffusionsprozesses, bei dem n-dotierende Dotierstoffe, beispielsweise Phosphor, ausgehend von der Rückseite in den Halbleiterkörper des Haupt- bzw. Ansteuerthyristors eindiffundiert werden. Dabei ist die Diffusionstiefe der Anodenkurzschlüsse im Ansteuerthyristor vorzugsweise größer gewählt als im Hauptthyristor.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf Figuren näher erläutert. In den Figuren zeigen:

1 einen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes, symmetrisch sperrendes Thyristorsystem,

2 einen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes, asymmetrisch sperrendes Thyristorsystem, zu dem eine Diode in Reihe geschaltet ist,

3a ein Schaltbild eines Thyristorsystems gemäß 2, zu dem eine Diode in Reihe geschaltet ist,

3b ein Schaltbild eines Thyristorsystems mit einem symmetrisch sperrenden Hauptthyristor, zwischen dessen Anode und Gate-Anschluss ein symmetrisch sperrendes Ansteuersystem angeschlossen ist, das durch Reihenschaltung eines asymmetrisch sperrenden Ansteuerthyristors und einer Diode gebildet ist,

4 einen Querschnitt durch einen Ansteuerthyristor eines erfindungsgemäßen Thyristorsystems mit Anodenkurzschlüssen und Kathodenkurzschlüssen sowie mit einer Feldstoppzone, die zwischen der schwach n-dotierten Basis und dem stark p-dotierten Emitter angeordnet ist,

5 einen Horizontalschnitt durch den Halbleiterkörper des Ansteuerthyristors gemäß den 2 und 4 im Bereich des p-dotierten Emitters,

6 einen Querschnitt durch einen Halbleiterkörper des Ansteuerthyristors gemäß den 2 und 4 im Bereich des n-dotierten Emitters,

7 einen Querschnitt durch Abschnitte eines Ansteuerthyristors und eines Hauptthyristors, die jeweils Anodenkurzschlüsse aufweisen, wobei die Anodenkurzschlüsse des Ansteuerthyristors tiefer in den Halbleiterkörper des Ansteuerthyristors hineinragen als die Anodenkurzschlüsse des Hauptthyristors in den Halbleiterkörper des Hauptthyristors, und

8 ein Verfahren zur Erhöhung der Tiefe von Anodenkurzschlüssen eines Ansteuerthyristors.

In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Teile mit gleicher Bedeutung.

1 zeigt einen Querschnitt durch ein Thyristorsystem mit einem Hauptthyristor 1 und einem Ansteuerthyristor 2. Der Hauptthyristor 1 weist einen Halbleiterkörper 100 auf, in dem ausgehend von einer Rückseite 102 aufeinanderfolgend ein p-dotierter Emitter 18, eine n-dotierte Basis 17, eine p-dotierte Basis 16 und ein n-dotierter Emitter 15 angeordnet sind. Der Rückseite 102 gegenüberliegend weist der Halbleiterkörper 100 eine Vorderseite 101 auf.

Zur elektrischen Kontaktierung sind eine auf die Vorderseite 101 aufgebrachte metallische Kathodenelektrode 14 sowie eine auf die Rückseite 102 aufgebrachte Anodenelektrode 19 vorgesehen. Die Kathodenelektrode 14 kontaktiert den stark n-dotierten Emitter 15, die Anodenelektrode 19 den stark p-dotierten Emitter 18.

Zur Zündung des Hauptthyristors 1 weist dessen Halbleiterkörper 100 eine auf der Vorderseite 101 angeordnete Steuerelektrode 140 auf, die auch als Gate-Anschluss bezeichnet wird.

Des Weiteren umfasst der Hauptthyristor 1 eine Zündstufenstruktur, die in lateraler Richtung r1 des Halbleiterkörpers 100 zwischen der Steuerelektrode 140 und dem stark n-dotierten Emitter 15 angeordnet ist. Die Zündstufenstruktur umfasst wie dargestellt eine oder alternativ mehrere Zündstufen AG11, die in lateraler Richtung r1 voneinander beabstandet sind. Jede Zündstufe AG11 umfasst vorzugsweise einen stark n-dotierten Zündstufenemitter 151, der sich ausgehend von der Vorderseite 101 in den Halbleiterkörper hinein erstreckt und den eine auf der Vorderseite 101 angeordnete Elektrode 141 kontaktiert.

Der Halbleiterkörper 100 ist vorzugsweise rotationssymmetrisch um eine in vertikaler Richtung v1 verlaufende Symmetrieachse A1-A1' ausgebildet. In diesem Fall sind vorzugsweise auch die Kathodenelektrode 14, die eine oder mehrere Zündstufenelektroden 141, der Steueranschluss 140, der oder die Zündstufenemitter 151, der Hauptemitter 15 und die Anodenelektrode 19 rotationssymmetrisch und damit kreisscheibenförmig ausgebildet.

Anstelle einer Rotationssymmetrie kann der Hauptthyristor 1 andere Symmetrieen aufweisen. Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Achse A1-A1' eine vierzählige Symmetrieachse des Halbleiterkörpers des Hauptthyristors 1, d.h. nach einer Drehung des Halbleiterkörpers um 90°, 180° oder 270° wird dieser auf sich selbst abgebildet. In diesem Fall weisen der Halbleiterkörper 100 und/oder die Anodenelektrode 19 und gegebenenfalls die Steuerelektrode 140 in einer zur vertikalen Richtung v1 senkrechten Ebene einen quadratischen Querschnitt auf. Die Kathodenelektrode 14 und die Zündstufenelektroden 141 weisen im Fall einer vierzähligen Symmetrieachse A1-A1' vorzugsweise quadratringförmige Querschnitte auf.

Der Hauptthyristor 1 umfasst einen Zündstufenbereich 3, der sich in lateraler Richtung r1 ausgehend von der Symmetrieachse A1-A1' bis zum n-dotierten Emitter 15 erstreckt. Der Zündstufenbereich 3 umfasst insbesondere die Steuerelektrode 140 sowie alle Zündstufen AG11.

In lateraler Richtung r1 schließt sich an den Zündstufenbereich 3 ein Hauptkathodenbereich 5 an, der den n-dotierten Emitter 15 und die Hauptkathodenelektrode 14 umfasst.

Der Ansteuerthyristor 2 besitzt einen Grundaufbau, der dieselben Merkmale aufweisen kann wie der bisher erläuterte Grundaufbau des Hauptthyristors 1.

Im Einzelnen umfasst der Ansteuerthyristor 2 einen Halbleiterkörper 200, in dem ausgehend von einer Rückseite 202 aufeinanderfolgend ein p-dotierter Emitter 28, eine n-dotierte Basis 27, eine p-dotierte Basis 26 und ein n-dotierter Emitter 25 angeordnet sind. Die p-dotierte Basis 26 umfasst Abschnitte 261, 262 und 263.

Auch der Ansteuerthyristor 2 ist vorzugsweise rotationssymmetrisch ausgebildet. Die Symmetrieachse ist in 1 mit A2-A2' bezeichnet. Alternativ kann der Ansteuerthyristor 2auch eine andere Symmetrie, vorzugsweise eine vierzählige Rotationssymmetrie um die Achse A2-A2', aufweisen.

Der Ansteuerthyristor 2 weist in lateraler Richtung r2 seines Halbleiterkörpers 200 einen Zündstufenbereich 4 auf, der sich ausgehend von der Symmetrieachse A2-A2' bis zum n-dotierten Emitter 25 erstreckt. An den Zündstufenbereich 4 schließt sich in der lateralen Richtung r2 ein Hauptkathodenbereich 6 an, der den n-dotierten Emitter 25 und eine diesen kontaktierende Kathodenelektrode 24 umfasst.

Im Zündstufenbereich 4 weist der Ansteuerthyristor 2 eine Durchbruchstruktur 210 auf, die dadurch gebildet ist, dass sich zwischen den Abschnitten 261, 262 der p-dotierten Basis 26 ein Abschnitt 271 der n-dotierten Basis 27 weiter in Richtung der Vorderseite 201 des Halbleiterkörpers 200 erstreckt, als in den übrigen Bereichen.

Infolge einer Krümmung des pn-Übergangs zwischen der p-dotierten Basis 26 und der n-dotierten Basis 27 weist der Ansteuerthyristor 2 im Bereich der Durchbruchstruktur 210 eine gegenüber den anderen Bereichen des Thyristors reduzierte Durchbruchspannung auf, so dass der Ort des ersten Spannungsdurchbruchs auf den Bereich der Durchbruchstruktur 210 festgelegt ist. Durch eine geeignete Ausbildung der Durchbruchstruktur 210, insbesondere der Krümmung des pn-Übergangs zwischen der p-dotierten Basis 26 und der schwach n-dotierten Basis 27, aber auch durch deren Dotierstoffkonzentrationen im Bereich der Durchbruchstruktur 210, lässt sich die Durchbruchspannung des Ansteuerthyristors 2, d.h. die Spannung, bei der es zur Überkopfzündung des Ansteuerthyristors 2 kommt, definiert einstellen.

In der lateralen Richtung r2 sind zwischen der Durchbruchstruktur 210 und dem n-dotierten Emitter 25 beispielhaft zwei Zündstufen AG21, AG22 angeordnet. Die Anzahl der Zündstufen AG21, AG22 ist jedoch prinzipiell beliebig, d. h. der Ansteuerthyristor 2 kann eine, zwei, drei oder mehrere Zündstufen AG21, AG22 aufweisen.

Jede der Zündstufen AG21, AG22 umfasst einen stark n-dotierten Zündstufenemitter 251 sowie eine Zündstufenelektrode 241, die auf der Vorderseite 201 des Halbleiterkörpers 200 angeordnet ist und den betreffenden Zündstufenemitter 251 kontaktiert. Auch beim Ansteuerthyristor 2 sind alle vorhandenen Zündstufen AG21, AG22 im Zündstufenbereich 4 angeordnet.

Die Zündung des Ansteuerthyristors 2 erfolgt bevorzugt durch elektromagnetische Strahlung, insbesondere infrarotes oder sichtbares Licht, die auf die Vorderseite 201 im Bereich der Durchbruchstruktur 210 eingestrahlt wird.

Optional oder alternativ hierzu kann der Ansteuerthyristor 2 auch eine nicht dargestellte Steuerelektrode aufweisen, die entsprechend der Steuerelektrode 140 des Hauptthyristors 1 oder entsprechend der Zündstufenelektrode 241 der vom n-dotierten Emitter 25 am weitesten beabstandeten Zündstufe AG21 ausgebildet sein kann.

Zur elektrischen Verschaltung des Hauptthyristors 1 und des Ansteuerthyristors 2 sind der Steueranschluss 140 des Hauptthyristors 1 und der n-dotierte Emitter 25 des Ansteuerthyristors 2 mittels einer Verbindungsleitung 31 zwischen der Kathodenelektrode 24 des Ansteuerthyristors 2 und dem Steueranschluss 140 des Hauptthyristors 1 elektrisch miteinander verbunden. Des Weiteren sind die p-dotierten Emitter 18, 28 des Hauptthyristors 1 bzw. des Ansteuerthyristors 2 mittels einer weiteren Verbindungsleitung 32 zwischen den Anodenelektroden 18, 28 des Ansteuerthyristors 2 und des Hauptthyristors 1 elektrisch miteinander verbunden.

Diese Verschaltung ermöglicht es, den Hauptthyristor 1 durch Zünden des Ansteuerthyristors 2 zu zünden. Dabei liefert der Ansteuerthyristor 2 den Zündstrom für den Hauptthyristor 1.

Um zu vermeiden, dass der Hauptthyristor 1 in seiner Freiwerdezeit gezündet und damit zerstört werden kann, weist der Ansteuerthyristor 2 eine oder mehrere Freiwerdeschutz-Maßnahmen auf.

Eine erste Maßnahme, die sowohl bei einem symmetrisch sperrenden Thyristorsystem gemäß 1 als auch bei einem asymmetrisch sperrenden Thyristorsystem (siehe 2) angewendet werden kann, besteht darin, die Ladungsträgerlebensdauer in der n-dotierten Basis 27 des Ansteuerthyristors 2 größer als die Ladungsträgerlebensdauer in der n-dotierten Basis 17 des Hauptthyristors 1 zu wählen.

Bevorzugt ist die Ladungsträgerlebensdauer der n-dotierten Basis 27 des Ansteuerthyristors 2 im Zündstufenbereich 4 und/oder im Hauptkathodenbereich 6 größer oder gleich 300 &mgr;s. Diese Maßnahmen führen dazu, dass im Fall einer auftretenden Stoßspannung der Ansteuerthyristor 2 schneller wieder einschaltet als der Hauptthyristor 1 und diesen wieder sicher zündet.

Die Ladungsträgerlebensdauer im Hauptkathodenbereich 6 des Ansteuerthyristors 2 kann dabei durch eine vorderseitige Elektronenbestrahlung eingestellt werden, bei der der Zündstufenbereich 4 durch eine geeignete Maske abgedeckt ist. Durch die Elektronenbestrahlung wird die Ladungsträgerlebensdauer im Hauptkathodenbereich mit zunehmender Bestrahlungsdosis abgesenkt.

Eine Absenkung der Ladungsträgerlebensdauer wird bevorzugt dann vorgenommen, wenn aufgrund prozessbedingter Verunreinigungen oder aufgrund von Verunreinigungen des Ausgangsmaterials des Halbleiterkörpers eine Homogenisierung der Ladungsträgerlebensdauerverteilung erforderlich ist. Im Falle keiner oder nur sehr geringer Verunreinigungen kann auf eine Absenkung der Ladungsträgerlebensdauer verzichtet werden.

Eine weitere Maßnahme zur Realisierung eines Freiwerdeschutzes bei einem symmetrisch sperrenden Thyristorsystem besteht darin, in den p-dotierten Emitter 28 des Ansteuerthyristors 2 n-dotierte Inseln 23 einzulagern.

Durch diese n-dotierten Inseln 23 werden lokale npn-dotierte Transistoren erzeugt, die im Fall einer am Ansteuerthyristor 2 anliegenden Sperrspannung zusätzliche Ladungsträger injizieren und den Freiwerdeschutz verbessern. Die n-dotierten Inseln des Ansteuerthyristors 2 können dabei stärker dotiert werden, als entsprechende n-dotierte Inseln eines (Haupt) Thyristors, der nicht von einem Ansteuerthyristor angesteuert wird.

2 zeigt eine Anordnung eines einen Hauptthyristor 1 und einen Ansteuerthyristor 2 umfassenden, asymmetrisch sperrenden Thyristorsystems, dessen Grundaufbau und elektrische Verschaltung dem Grundaufbau und der elektrischen Verschaltung des Thyristorsystems gemäß 1 entsprechen. und die in der gleichen Weise verschaltet sind. Um dieses Thyristorsystem zu einem symmetrisch sperrenden Gesamtsystem zu erweitern, kann gemäß 2 eine Diode 9 mit dem Thyristorsystem 1, 2 in Reihe geschaltet werden.

Im Sinne der vorliegenden Anmeldung bezieht sich der Ausdruck "Thyristorsystem" lediglich auf einen Hauptthyristor und einen Ansteuerthyristor, die in der beschriebenen Weise elektrisch miteinander verschaltet sind. Eine zur Herstellung eines symmetrisch sperrenden Gesamtsystems eingesetzte Diode 9 wird hierbei nicht dem Thyristorsystem zugeordnet.

3a zeigt ein Schaltbild mit einem Thyristorsystem 10 gemäß den 1 und 2. Das Thyristorsystem 10 weist einen Hauptthyristor 1 sowie einen lichtzündbaren Ansteuerthyristor 2 auf. Die Kathode des Ansteuerthyristors 2 ist elektrisch mit dem Steueranschluss des Hauptthyristors 1 verbunden. Weiterhin sind die Anoden des Hauptthyristors 1 und des Ansteuerthyristors 2 elektrisch miteinander verbunden.

Im Falle eines asymmetrisch sperrenden Thyristorsystems 10 kann zu diesem eine optionale Diode 9 in Reihe geschaltet werden, um ein symmetrisch sperrendes Gesamtsystem aus Thyristorsystem 10 und Diode 9 zu erhalten.

Eine alternative Anordnung für ein symmetrisch sperrendes Thyristorsystem zeigt 3b. Das Thyristorsystem umfasst einen symmetrisch sperrenden Hauptthyristor 1, der durch ein symmetrisch sperrendes Ansteuersystem angesteuert wird, das aus einem asymmetrisch sperrenden Ansteuerthyristor 2 und einer zu diesem in Reihe geschalteten Diode 9 besteht.

Bei dieser Anordnung ist die Anode der Diode 9 mit der Anode des Hauptthyristors 1, die Kathode der Diode 9 mit der Anode des Ansteuerthyristors 2 und die Kathode des Ansteuerthyristors 2 mit dem Gate-Anschluss des Hauptthyristors 1 verbunden.

Alternativ dazu kann in der Reihenschaltung des Ansteuersystems die Reihenfolge des Ansteuerthyristors 2 und der Diode 9 auch vertauscht sein, so dass die Anode des Ansteuerthyristors 2 mit der Anode des Hauptthyristors 1, die Kathode der Ansteuerthyristors 2 mit der Anode der Diode 9 und die Kathode der Diode 9 mit dem Gate-Anschluss des Hauptthyristors 1 verbunden ist.

Im Ansteuerthyristor 2 bilden die p-dotierte Basis 26, die schwach n-dotierte Basis 27 und die stark n-dotierten Anodenkurzschlüsse eine pnn+-Diode, die bei Anlegen einer Sperrspannung an den Ansteuerthyristor in Flussrichtung vorgepolt ist und damit Ladungsträger in den Zündstufenbereich 4 injiziert. Da während der Freiwerdephase üblicherweise eine Sperrspannung am Thyristorsystem anliegt, lässt sich über eine Verstärkung der Ladungsträgerinjektion durch diese pn+-Diode der Freiwerdeschutz verstärken. Dazu wird die lokale pn+-Diode bevorzugt so ausgelegt, dass ein möglichst großer Teil des Sperrstromes der in Serie zum Thyristorsystem geschalteten Diode 9, die den größten Teil der am gesamten Thyristorsystem auftretenden Sperrspannung aufnimmt, durch diese lokale pnn+-Diode des Ansteuerthyristors 2 fließt.

Bei dem asymmetrisch sperrenden Thyristorsystem gemäß 2 weisen sowohl der p-dotierte Emitter 18 des Hauptthyristors 1 als auch der p-dotierte Emitter 28 des Ansteuerthyristors 2 stark n-dotierte Bereiche 111 bzw. 211 auf, die sich ausgehend von den Rückseiten 102 bzw. 202 bis zu einer Tiefe in den betreffenden Halbleiterkörper 100 bzw. 200 erstrecken, die größer oder gleich ist als die Dicke der jeweiligen p-dotierten Emitter 18 bzw. 28. Diese n-dotierten Bereiche 111, 211 werden nachfolgend auch als "Anodenkurzschlüsse" bezeichnet.

In entsprechender Weise können, wie in 4 gezeigt, auch im Bereich des stark n-dotierten Emitters 25 p-dotierte Bereiche 212 vorgesehen sein, die sich ausgehend von der Vorderseite 201 bis zu einer Tiefe in den Halbleiterkörper 2 des Ansteuerthyristors 2 hinein erstrecken, die größer oder gleich ist als die Dicke des stark n-dotierten Emitters 25. Diese p-dotierten Bereiche 212 werden nachfolgend auch als "Kathodenkurzschlüsse" bezeichnet.

Des Weiteren weist der Ansteuerthyristor 2 gemäß 4 eine n-dotierte Feldstoppzone 214 auf, die zwischen der schwach n-dotierten Basis 27 und dem stark p-dotierten Emitter 28 angeordnet ist. Die Feldstoppzone 214 kann sowohl unmittelbar an den stark p-dotierten Emitter 28 angrenzen als auch von diesem beabstandet sein. Zur Realisierung oder Verstärkung einer integrierten Freiwerdeschutzfunktion kann die Feldstoppzone 214 innerhalb des Zündstufenbereiches 4 des Ansteuerthyristors 2 eine geringe Dotierungskonzentration oder eine geringere Dotierungsdosis oder eine geringere Eindringtiefe aufweisen als die Feldstoppzone 214 im Hauptkathodenbereich 6 des Ansteuerthyristors 2.

Auch der Hauptthyristor 1 kann solche Anoden- und/oder Kathodenkurzschlüsse sowie eine Feldstoppzone aufweisen.

5 zeigt einen Querschnitt in einer zur vertikalen Richtung v2 senkrechten Schnittebene B2-B2' durch die n-dotierten Anodenkurzschlüsse 211 des Ansteuerthyristors 2 gemäß den 2 und 4. Hierbei ist zu erkennen, dass die stark Anodenkurzschlüsse 211 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen. Grundsätzlich ist die Form des Querschnitts jedoch beliebig.

Die Anodenkurzschlüsse 211 weisen Querschnittsflächen F211 auf. Die Gesamtfläche des Zündstufenbereichs 4 einschließlich der darin enthaltenen Querschnittsflächen F211 wird nachfolgend mit F4 bezeichnet. Entsprechend wird die Fläche des Hauptkathodenbereichs 6 einschließlich der Flächen F211 der im Hauptkathodenbereich 6 angeordneten Anodenkurzschlüsse 211 mit F6 bezeichnet.

Der nachfolgend verwendete Begriff "Querschnittsflächenverhältnis" gibt das Verhältnis zwischen der in einem bestimmten Bereich liegenden Flächenanteile der Querschnittsflächen F211 der Anodenkurzschlüsse 211 und der Gesamtfläche dieses Bereichs an.

Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist das Querschnittsflächenverhältnis der Anodenkurzschlüsse 211 im Zündstufenbereich 4 gleich 24 × F211 : F4. Dabei müssen die Flächen der einzelnen Kurzschlüsse F211 in den 4 und 6 nicht notwendigerweise übereinstimmen.

Als weitere Maßnahme zur Herstellung eines Freiwerdeschutzes ist es vorgesehen, dass die Anodenkurzschlüsse 211 des Ansteuerthyristors 2 im Zündstufenbereich 4 ein Querschnittsflächenverhältnis aufweisen, das geringer ist als das Querschnittsflächenverhältnis im Hauptkathodenbereich 6 des Ansteuerthyristors 2.

6 zeigt einen Querschnitt durch die in 4 dargestellte, zur vertikalen Richtung v2 senkrechte und durch den n-dotierten Emitter 25 sowie die p-dotierten Kathodenkurzschlüsse 212 verlaufende Ebene C2-C2'.

In dieser Ansicht ist zu erkennen, dass die Kathodenkurzschlüsse 212 lediglich im Hauptkathodenbereich 6 angeordnet sind. Die Kathodenkurzschlüsse 212 weisen Querschnittsflächen F212 auf. Das Querschnittsflächenverhältnis der im Kathodenbereich 6 angeordneten Kathodenkurzschlüsse 212 wird entsprechend dem Querschnittsflächenverhältnis der Anodenkurzschlüsse 211 berechnet.

In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist das Querschnittsflächenverhältnis der Anodenkurzschlüsse 212 gleich dem Verhältnis zwischen der Gesamtfläche der im Hauptkathodenbereich 6 angeordneten Kathodenkurzschlüsse 212 und der Fläche F6.

Für einen vorgegebenen Bereich kann ein Querschnittsflächenverhältnis der Anodenkurzschlüsse bzw. der Kathodenkurzschlüsse in entsprechender Weise auch für den Hauptthyristor ermittelt werden.

Als Maßnahme zur Herstellung eines Freiwerdeschutzes ist es vorgesehen, dass das Querschnittsflächenverhältnis der Anodenkurzschlüsse 211 des Ansteuerthyristors 2 im Zündstufenbereich geringer ist als das Querschnittsflächenverhältnis der Anodenkurzschlüsse 211 des Ansteuerthyristors 2 im Hauptkathodenbereich 6.

Eine andere Maßnahme zur Realisierung eines Freiwerdeschutzes besteht darin, bei einem asymmetrisch sperrenden Thyristorsystem, bei dem der Hauptthyristor 1 und der Ansteuerthyristor 2 jeweils Anodenkurzschlüsse 111 bzw. 211 aufweisen, das Querschnittsflächenverhältnis der Anodenkurzschlüsse 211 im Haupkathodenbereich 4 des Ansteuerthyristors 2 geringer zu wählen als das Querschnittsflächenverhältnis der Anodenkurzschlüsse 111 im Hauptkathodenbereich 5 des Hauptthyristors 1.

Eine weitere Maßnahme zur Realisierung eines Freiwerdeschutzes besteht darin, die Tiefe der Anodenkurzschlüsse 211 in vertikaler Richtung v2 im Ansteuerthyristor 2, vorzugsweise lokal im Zündstufenbereich 4, zu vergrößern. Hierzu eignet sich eine vorzugsweise maskierte Implantation von Protonen gefolgt von einem Ausheilprozess, bei dem der Halbleiterkörper 200 für eine Zeit von 30 Minuten bis 10 Stunden auf eine Temperatur von 220°C bis 500°C erhitzt wird. Bei der Bestrahlung wird die Beschleunigungsenergie der Protonen so gewählt, dass deren Eindringtiefe mindestens die Tiefe der Anodenkurzschlüsse 211 beträgt.

Eine weitere Möglichkeit zur Herstellung solcher Anodenkurzschlüsse 211 besteht darin, mittels eines vorzugsweise maskierten Diffusionsprozesses ausgehend von der Rückseite 202 einen schnell diffundierenden Donator, beispielsweise Schwefel oder Selen, rückseitig in den Halbleiterkörper 200 einzubringen.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform werden die Anodenkurzschlüsse 211 des Ansteuerthyristors 2, beispielsweise mittels einer Phosphordotierung, tiefer in den Halbleiterkörper 200 eindiffundiert, als die Anodenkurzschlüsse 111 in den Halbleiterkörper 100 des Hauptthyristors 1 eindiffundiert werden.

Bezugnehmend auf das asymmetrisch sperrende Thyristorsystem gemäß den 2 und 4 kann ein Freiwerdeschutz auch dadurch realisiert oder verbessert werden, dass die Dotierstoffkonzentration der p-dotierten Basis 26 des Ansteuerthyristors 2 im Zündstufenbereich 4 lokal erhöht wird.

7 zeigt jeweils einen Ausschnitt aus einem Hauptthyristor 1 und einem Ansteuerthyristor 2 eines Thyristorsystems. Die Ausschnitte zeigen jeweils einen Anodenkurschluss 111, 211, wobei der Anodenkurzschluss 211 des Ansteuerthyristors 2 eine Diffusionstiefe t2 aufweist, die größer ist, als die Diffusionstiefe t1 des Anodenkurzschlusses 111 des Hauptthyristors 1.

Als Dotierstoff zur Herstellung der Anodenkurzschlüsse 111, 211 wird vorzugsweise Phosphor verwendet. Das Eindiffundieren der Dotierstoffe zur Herstellung der Anodenkurzschlüsse 111, 211 erfolgt vorzugsweise unter Verwendung strukturierter Maskenschichten 121 bzw. 221, die auf die betreffenden Rückseiten 102 bzw. 202 der jeweiligen Halbleiterkörper 100 bzw. 200 des Hauptthyristors 1 bzw. des Ansteuerthyristors 2 aufgebracht sind. Die Einstellung der Diffusionstiefen t1 bzw. t2 erfolgt in erster Linie durch geeignet gewählte Diffusionszeiten und Diffusionstemperaturen.

Da bei einem erfindungsgemäßen Thyristorsystem die Vorwärts-Sperrfähigkeit des Hauptthyristors vorzugsweise größer gewählt ist als die Vorwärts-Sperrfähigkeit des Ansteuerthyristors, ist es vorteilhaft, die n-dotierte Basis 27 des Ansteuerthyristors 2 in der vertikalen Richtung v2 dicker zu wählen als die n-dotierte Basis 17 des Hauptthyristors 1 in dessen vertikaler Richtung v1. Dies ermöglicht es, trotz der unvermeidlichen technologisch bedingten Streuungen der Vorwärts-Sperrfähigkeiten bei der Herstellung einer Vielzahl von Hauptthyristoren und Ansteuerthyristoren bei relativ geringer Differenz zwischen der Durchbruchspannung der Ansteuerthyristoren und der Randsperrfähigkeit der Hauptthyristoren aufeinander abgestimmte Paare aus jeweils einem Haupt- und einen Ansteuerthyristor zu erhalten und damit die Ausbeute zu erhöhen. Vor allem kann durch diese Maßnahme die Randsperrfähigkeit des Ansteuerthyristors spürbar erhöht werden, so dass die Durchbruchspannung der Durchbruchstruktur 210 sicher unter der Randdurchbruchspannung des Ansteuerthyristors liegt.

Vorteilhafter Weise werden in den Ansteuerthyristor neben der erwähnten Möglichkeit zur Lichtzündung und dem integrierten Freiwerdeschutz zusätzlich noch Maßnahmen zum Überspannungsschutz sowie eine sogenannte dU/dt-Schutzfunktion integriert, wie dies beispielsweise in dem eingangs erwähnten Artikel "Thyristor with Integrated Forward Recovery Protection" erwähnt ist.

8 zeigt eine weitere Maßnahme zur Erzeugung bzw. Einstellung eines Freiwerdeschutzes eines Thyristorsystems. Hierzu wird auf die Rückseite 202 des Ansteuerthyristors 2 eine strukturierte Maskenschicht 220 aufgebracht, durch deren Öffnungen Teilchen 230 in den Halbleiterkörper 200 implantiert werden. Die Teilchen 230 werden in ein Zielgebiet 225 implantiert, das sich vorzugsweise ausgehend von der Rückseite 202 des Halbleiterkörpers 200 in den Halbleiterkörper 200 hinein erstreckt.

Als zu implantierende Teilchen 230 können beispielsweise Protonen verwendet werden. Nach der Implantation wird der Halbleiterkörper für eine Dauer zwischen 30 Minuten und 10 Stunden auf eine Temperatur von 220°C bis 500°C erhitzt. Die Beschleunigungsenergie der zu implantierenden Teilchen 230 ist bevorzugt so gewählt, dass sie mindestens bis zur Tiefe t3 der Anodenkurzschlüsse 211 in den Halbleiterkörper 200 eindringen.

Die Implantation der Teilchen 230 kann – wie in 8 dargestellt ist – durch die Anodenelektrode 29 hindurch erfolgen. Alternativ (nicht dargestellt) kann die Implantation selbstverständlich auch vor der Herstellung der Anodenelektrode 29 erfolgen.

1
Hauptthyristor
2
Ansteuerthyristor
3
Zündstufenbereich des Hauptthyristors
4
Zündstufenbereich des Ansteuerthyristors
5
Hauptkathodenbereich des Hauptthyristors
6
Hauptkathodenbereich des Ansteuerthyristors
9
Diode
10
Thyristorsystem
14
Kathodenelektrode (Hauptthyristor)
15
n-dotierter Emitter des Hauptthyristors (Kathode)
16
p-Basis des Hauptthyristors
17
n-Basis des Hauptthyristors
18
p-Emitter des Hauptthyristors (Anode)
19
Kathodenelektrode (Hauptthyristor)
23
n-dotierte Insel (Ansteuerthyristor)
24
Kathodenelektrode (Ansteuerthyristor)
25
n-Emitter des Ansteuerthyristors (Kathode)
26
p-Basis des Ansteuerthyristors
27
n-Basis des Ansteuerthyristors
28
p-Emitter des Ansteuerthyristors (Anode)
29
Anodenelektrode (Ansteuerthyristor)
31, 32
Verbindungsleitung
100
Halbleiterkörper (Hauptthyristor)
101
Vorderseite des Halbleiterkörpers (Hauptthyristor)
102
Rückseite des Halbleiterkörpers (Hauptthyristor)
111
Anodenkurzschluss (Hauptthyristor)
112
Kathodenkurzschluss (Hauptthyristor)
121
Maskenschicht
140
Steuerelektrode (Hauptthyristor)
141
Elektrode des Zündstufenemitters (Hauptthyristor)
151
Zündstufenemitter (Hauptthyristor)
200
Halbleiterkörper (Ansteuerthyristor)
201
Vorderseite des Halbleiterkörpers (Ansteuerthyristor)
202
Rückseite des Halbleiterkörpers (Ansteuerthyristor)
210
Durchbruchstruktur (Ansteuerthyristor)
211
Anodenkurzschluss (Ansteuerthyristor)
212
Kathodenkurzschluss (Ansteuerthyristor)
214
Feldstoppzone (Ansteuerthyristor)
220
Maskenschicht
221
Maskenschicht
225
Zielgebiet
230
Teilchen, die – ggf. nach einem Temperschritt – eine
n-Dotierung induzieren, z.B. Protonen
241
Elektrode des Zündstufenemitters (Ansteuerthyristor)
251
Zündstufenemitter (Ansteuerthyristor)
261
erster Abschnitt der p-Basis (Ansteuerthyristor)
262
zweiter Abschnitt der p-Basis (Ansteuerthyristor)
263
dritter Abschnitt der p-Basis (Ansteuerthyristor)
271
Abschnitt der n-Basis
A1-A1'
Achse (Hauptthyristor)
A2-A2'
Achse (Ansteuerthyristor)
B2-B2'
horizontale Achse durch p-Emitter (Ansteuerthyristor)
C2-C2'
horizontale Achse durch n-Emitter (Ansteuerthyristor)
AG11
erste Zündstufe (Hauptthyristor)
AG21
erste Zündstufe (Ansteuerthyristor)
AG22
zweite Zündstufe (Ansteuerthyristor)
F211
Querschnittsfläche der Anodenkurzschlüsse
F4
Fläche des Zündstufenbereiches (Ansteuerthyristor)
F6
Fläche des Hauptkathodenbereiches (Ansteuerthyristor)
r1
laterale Richtung (Hauptthyristor)
r2
laterale Richtung (Ansteuerthyristor)
t1
Diffusionstiefe Anodenkurzschluss (Hauptthyristor)
t2
Diffusionstiefe Anodenkurzschluss (Ansteuerthyristor)
t3
Tiefe des Anodenkurzschlusses (Ansteuerthyristor)
v1
vertikale Richtung (Hauptthyristor)
v2
vertikale Richtung (Ansteuerthyristor)


Anspruch[de]
Thyristorsystem mit folgenden Merkmalen:

– einem Hauptthyristor (1) mit einem ersten Halbleiterkörper (100), in dem ausgehend von einer Rückseite (102) aufeinanderfolgend ein p-dotierter Emitter (18), eine n-dotierte Basis (17), eine p-dotierte Basis (16) und ein n-dotierter Emitter (15) angeordnet sind, und der einen Zündstufenbereich (3) mit wenigstens einer Zündstufe (AG11) und einen sich in lateraler Richtung (r) an den Zündstufenbereich (3) anschließenden Hauptkathodenbereich (5) aufweist,

– einem Ansteuerthyristor (2) mit einem zweiten Halbleiterkörper (200), in dem ausgehend von einer Rückseite (202) aufeinanderfolgend ein p-dotierter Emitter (28), eine n-dotierte Basis (27), eine p-dotierte Basis (26) und ein n-dotierter Emitter (25) angeordnet sind, und der einen Zündstufenbereich (4) mit wenigstens einer Zündstufe (AG21, AG22) und einen sich in lateraler Richtung (r) an den Zündstufenbereich (4) anschließenden Hauptkathodenbereich (6) aufweist, wobei

– der n-dotierte Emitter (25) des Ansteuerthyristors (2) mittels einer ersten Verbindungsleitung (31) elektrisch mit einem Steueranschluss (140) des Hauptthyristors (1) verbunden ist,

– der p-dotierte Emitter (28) des Ansteuerthyristors (2) mittels einer zweiten Verbindungsleitung (32) elektrisch mit dem p-dotierten Emitter (18) des Hauptthyristors (1) verbunden ist, und wobei

– der Ansteuerthyristor (2) eine Maßnahme zum Freiwerdeschutz und/oder eine Durchbruchstruktur (210) aufweist.
Thyristorsystem nach Anspruch 1, bei dem die Maßnahme zum Freiwerdeschutz das Merkmal umfasst, dass die Ladungsträgerlebensdauer der n-dotierten Basis (27) des Ansteuerthyristors (2) größer oder gleich der Ladungsträgerlebensdauer der n-dotierten Basis (17) des Hauptthyristors (1) gewählt ist. Thyristorsystem nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Ladungsträgerlebensdauer der n-dotierten Basis (27) des Ansteuerthyristors (2) im Zündstufenbereich (4) und/oder im Hauptkathodenbereich (6) größer oder gleich 300 &mgr;s ist. Thyristorsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Ladungsträgerlebensdauer der n-dotierten Basis (27) des Ansteuerthyristors (2) im Zündstufenbereich (4) größer oder gleich der Ladungsträgerlebensdauer der n-dotierten Basis (27) des Ansteuerthyristors (2) im Hauptkathodenbereich (6) gewählt ist. Thyristorsystem nach Anspruch 4, bei dem die Ladungsträgerlebensdauer der n-dotierten Basis (27) des Ansteuerthyristors (2) im Zündstufenbereich (4) zumindest das 1,5-fache der Ladungsträgerlebensdauer der n-dotierten Basis (27) des Ansteuerthyristors (2) im Hauptkathodenbereich (6) beträgt. Thyristorsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Maßnahme zum Freiwerdeschutz das Merkmal umfasst, dass der Ansteuerthyristor (2) n-dotierte Inseln (23) aufweist, die im Zündstufenbereich (4) in den p-dotierten Emitter (28) des Ansteuerthyristors (2) eingelagert sind. Thyristorsystem nach Anspruch 6, bei dem die n-dotierten Inseln (23) des Ansteuerthyristors (2) stärker dotiert sind als n-dotierte Inseln (23), die im Zündstufenbereich (3) des Hauptthyristors (1) angeordnet sind. Thyristorsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der p-dotierte Emitter (28) im Zündstufenbereich (4) des Ansteuerthyristors (2) eine Dotierstoffkonzentration aufweist, die stärker ist, als die Dotierstoffkonzentration des p-dotierten Emitters (18) des Hauptthyristors (1) in dessen Hauptkathodenbereich (5). Thyristorsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der p-dotierte Emitter (28) im Zündstufenbereich (4) des Ansteuerthyristors (2) eine Dotierstoffkonzentration aufweist, die stärker ist, als die Dotierstoffkonzentration des p-dotierten Emitters (28) des Ansteuerthyristors (2) in dessen Hauptkathodenbereich (6). Thyristorsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der Ansteuerthyristor (2) eine n-dotierte Feldstoppzone (214) aufweist, deren Dotierungskonzentration und/oder Dotierungsdosis und/oder vertikale Ausdehnung im Zündstufenbereich (4) kleiner als im Hauptkathodenbereich (6) ist. Thyristorsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Maßnahme zum Freiwerdeschutz das Merkmal umfasst, dass die Dotierstoffkonzentration der p-dotierten Basis (26) des Ansteuerthyristors (2) im Zündstufenbereich (4) an ausgewählten Stellen größer ist als im Hauptkathodenbereich (6). Thyristorsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die n-dotierte Basis (27) des Ansteuerthyristors (2) eine größere Dicke aufweist als die n-dotierte Basis (17) des Hauptthyristors (1). Thyristorsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der Ansteuerthyristor (2) eine Durchbruchstruktur (210) mit einer vorgegebenen Durchbruchspannung aufweist. Thyristorsystem nach Anspruch 13, bei dem der Hauptthyristor (1) eine Vorwärts-Sperrfähigkeit aufweist, die größer ist als die Durchbruchspannung der Durchbruchstruktur (210) des Ansteuerthyristors (2). Thyristorsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der Ansteuerthyristor (2) lichtzündbar ausgebildet ist. Thyristorsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der Ansteuerthyristor (2) p-dotierte Kathodenkurzschlüsse (212) aufweist, die die p-dotierte Basis (26) mit der Kathodenelektrode (24) des n-dotierten Emitters (25) verbinden. Thyristorsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der Ansteuerthyristor (2) Anodenkurzschlüsse (211) aufweist, deren Querschnittsflächenverhältnis im Zündstufenbereich (4) geringer als im Hauptkathodenbereich (6) ist. Thyristorsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der Hauptthyristor (1) und der Ansteuerthyristor (2) jeweils Anodenkurzschlüsse (111, 211) aufweisen, wobei die Anodenkurzschlüsse (211) im Hauptkathodenbereich (4) des Ansteuerthyristors (2) ein Querschnittsflächenverhältnis aufweisen, das geringer ist als das Querschnittsflächenverhältnis der Anodenkurzschlüsse (111) im Hauptkathodenbereich (5) des Hauptthyristors (1). Geänderte Patentansprüche Thyristorsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem sowohl der Hauptthyristor (1) als auch der Ansteuerthyristor (2) Anodenkurzschlüsse (111, 211) aufweisen, in denen die Dotierung der n-dotierten Basis (17, 27) anodenseitig lokal erhöht ist und bei dem sich die Anodenkurzschlüsse (211) des Ansteuerthyristors (2) ausgehend von der Rückseite (202) in den zweiten Halbleiterkörper (200) in eine Tiefe (t2) hinein erstrecken, die größer ist als die Tiefe (t1), in die sich die Anodenkurzschlüsse (111) des Hauptthyristors (1) ausgehend von der Rückseite (102) des ersten Halbleiterkörpers (100) in den ersten Halbleiterkörper (100) hinein erstrecken. Thyristorsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem eine Diode (9) zur Laststrecke des Hauptthyristors (1) in Reihe geschaltet ist. Thyristorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 19, bei dem zwischen die Anode des Hauptthyristors (1) und den Gate-Anschluss des Hauptthyristors (1) die Laststrecke einer Diode (9) und die Laststrecke des Ansteuerthyristors (2) in Reihe geschaltet sind. Verfahren zur Herstellung eines Thyristorsystems nach einem der vorangehenden Ansprüche mit folgenden Schritten:

– Bereitstellen eines Hauptthyristors (1) mit einem ersten Halbleiterkörper (100), in dem ausgehend von einer Rückseite (102) aufeinanderfolgend ein p-dotierter Emitter (18), eine n-dotierte Basis (17), eine p-dotierte Basis (16) und ein n-dotierter Emitter (15) angeordnet sind, und der einen Zündstufenbereich (3) mit wenigstens einer Zündstufe (AG11) und einen sich in lateraler Richtung (r) an den Zündstufenbereich (3) anschließenden Hauptkathodenbereich (5) aufweist,

– Bereitstellen eines Ansteuerthyristors (2) mit einem zweiten Halbleiterkörper (200), in dem ausgehend von einer Rückseite (202) aufeinanderfolgend ein p-dotierter Emitter (28), eine n-dotierte Basis (27), eine p-dotierte Basis (26) und ein n-dotierter Emitter (25) angeordnet sind, und der einen Zündstufenbereich (4) mit wenigstens einer Zündstufe (AG21, AG22) und einen sich in lateraler Richtung (r) an den Zündstufenbereich (4) anschließenden Hauptkathodenbereich (6), sowie Anodenkurzschlüsse (111) aufweist,

– elektrisches Verbinden des n-dotierten Emitters (25) des Ansteuerthyristors (2) mittels einer ersten Verbindungsleitung (31) mit einem Steueranschluss (140) des Hauptthyristors (1),

– elektrisches Verbinden des p-dotierten Emitters (28) des Ansteuerthyristors (2) mittels einer zweiten Verbindungsleitung (32) mit dem p-dotierten Emitter (18) des Hauptthyristors (1),

– Einbringen von Teilchen (230) in ein Zielgebiet (225) des zweiten Halbleiterkörpers (200), wobei der Abstand des Zielgebietes (225) von einer der Rückseite (202) gegenüberliegenden Vorderseite (201) des zweiten Halbleiterkörpers (200) kleiner oder gleich dem Abstand zwischen dem p-dotierten Emitter (28) des zweiten Halbleiterkörpers (200) und der Vorderseite (201) ist.






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