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Verfahren zur Herstellung eines pn-Übergangs mit teilweise ebener
Begrenzungsfläche durch Legieren
Bekanntlich kann man, insbesondere unter Ausnutzung gewisser kristallographischer Eigentümlichkeiten von einkristallinem Silizium oder Germanium bzw. auch anderer Halbleiterstoffe, beim-Einlegieren von aktivatorhaltigen Elektroden sehr ebene pn-Übergänge erhalten, die lediglich am Rand bzw. an einer den Rand des pn-Überganges umschliessenden Zone nicht eben, sondern oftmals stark gekrümmt sind.
Die Verhältnisse können z. B. den in Fig. l dargestellten entsprechen. In die Oberfläche eines Sili-
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verwendet, der während des Legierens, beispielsweise nach dem Pulververfahren, gegen die Halbleiter- oberfläche 1 gedrückt ist, so erhält man, wenn der Kristall so geschnitten ist, dass die Oberfläche 1 einer 111-Ebene entspricht, eine vollkommen ebene Legierungsfront und damit auch ebene Grenze der
Rekristallisationszone zum Grundmaterial des Halbleiters. Lediglich im Randbereich, der mit 4A be- zeichnet ist, tritt eine deutliche Krümmung bzw. Kante des pn-Übergangs auf.
Wie gemäss der Erfindung erkannt wurde, führen solche Spitzen und verhältnismässig stark gekrümmte
Rundungen, wie sie am Rand einlegierter pn-Übergänge häufig erhalten werden, zu schmälerer Raumla- dungszone in diesem Bereich als in den an den ebenen Teilen des pn-Übergangs angrenzenden Gebieten.
Deshalb sind die Stellen starker Krümmung des pn-Übergangs, also d) e Randteile, bei Belastung des pn-Übergangs in weit höherem Masse als die ebenen Teile beansprucht. Daher wird sich ein Durchbruch über den pn-Übergang zunächst an den stark gekrümmten Teilen, also am Rand des pn-Übergangs, ein- stellen. Die Erfindung beschäftigt sich mit einem Legierungsverfahren zur Herstellung von pn- Übergängen mit ebenen Bereichen, bei dem die genannte Störung vermieden ist.
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines pn-Übergangs mit teilweise ebener
Begrenzungsfläche durch Legieren und ist dadurch gekennzeichnet, dass das am Randbereich des pn- Über- gangs angrenzende Halbleitergebiet mindestens an einer Seite des pn-Übergangs durch Diffusion von ent- sprechendem Störstellenmaterial im Vergleich zu mindestens einem Teil des ebenen Bereichs des pn-Über- gangs in-insbesondere um den Faktor 2 oder mehr-hochohmigeren Zustand versetzt wird.
Dabei ist der Gedanke der Erfindung dadurch gegeben, dass man die durch die Krümmung des pn-Übergangs in seinen Randgebieten bedingte höhere Feldstärke beim Vorliegen einer bestimmten, am pn-Übergang liegenden Spannung und die damit bedingte auf das Randgebiet lokalisierte höhere Durch- bruchsneigung bei homogener Dotierung der Bereiche beiderseits eines pn-Übergangs durch eine solche
Dotierungsverteilung kompensiert, die den Wert derDurchbruchsfeldstärke an diesen gefährlichen Stellen lokaler starker Krümmung des pn-Übergangs erhöht.
Damit besteht die Möglichkeit, auch den ebenen
Bereich des pn-Übergangs viel stärker an die Belastbarkeitsgrenze des ebenen Teils des pn-Übergangs heranzutreiben als dies bisher wegen der Anwesenheit eines stark gekrümmten Teils des pn- Übergangs
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nungen mit solchen pn-Übergängen erheblich zu vergrössern.
Schliesslich ist es vorteilhaft, den Unterschied der Dotierung zwischen dem Randgebiet und dem ebenen Teil des pn-Übergangs so unterschiedlich zu wählen, dass der Durchbruch bevorzugt am ebenen Teil des pn-Übergangs bei Belastung der Anordnung auftreten muss.
Bevorzugt wird man in Ausführung des Verfahrens gemäss der Erfindung denHalbleiterkristall vor dem Legierungsprozess einer Diffusionsbehandlung unterziehen, bei der ein dem gewünschten Umfang des herzustellendenpn-Übergangs entsprechend bemessenes und lokalisiertes Randgebiet an der Halbleiteroberfläche der Wirkung eines dotierenden Gases ausgesetzt wird, während der übrige Teil der Halbleiteroberfläche einschliesslich der übrigen Oberfläche an der Legierungsstelle der Berührung durch das dotierende Gas entzogen wird.
Dieses dotierende Gas, das so gewählt wird, dass mindestens auf einer Seite des später zu erzeugenden
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stand als im ebenen Teil auf der gleichenseite des pn-Übergangs herrscht, wird dann zum Eindiffundieren in die freigelassene Oberfläche des Ringgebietes gebracht und beeinflusst die elektrischen Eigenschaften des besagten Ringgebietes.
Vorzugsweise ist dabei daran gedacht, den Dotierungsstoff einzudiffundieren, der einen zu dem des Grundmaterials entgegengesetzten Leitungstyp, also bei p-leitendem Grundmaterial r. -Leitungstyp, bei n-leitendem Grundmaterial p-Leitungstyp, erzeugt. Das dann einzulegierende, den gleichen Leitungstyp erzeugende Metall wird derart in der Halbleiteroberfläche einlegiert, dass sich der pn-Übergang mit seinen Randteilen starker Krümmung vollständig innerhalb des durch die Vordiffusion vorbehandelten Ringgebietes befindet, während das von diesem Ringgebiet umschlossene, an den ebenen Teilen des durch die Legierung hergestellten pn-Übergangs angrenzende Gebiet des Grundmaterials als auch die durch den Legierungsvorgang bedingte Rekristallisationszone auf der andern Seite des pn-Übergangs möglichst nicht durch die Vordiffusion beeinflusst werden.
Das Verfahren gemäss der Erfindung soll an Hand eines Halbleitergrundkristalls aus p-Silizium oder auch ausp-SiC beschrieben werden. Der scheibenförmige Grundkristall wird zunächst in an sich bekannter
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gangs von der Oxydschicht befreit, so dass durch nachfolgendes Eindiffusionieren von n-Leitung erzeugendem Material, insbesondere von Phosphor, die in Fig. 2 dargestellte Struktur erreicht wird. Dabei entsteht, wenn man in üblicher Weise Phosphoroxyde, z. B. P. Og, als Diffusionsmaterial verwendet, eine Oxydschicht an der Oberfläche des Halbleitermaterials am freigelegten ringförmigen Fenster.
Dies ist in Fig. 2 dargestellt. Der p-leitende Siliziumkristall 1 ist an seiner Oberfläche'durch Oxydation mit einer SiO-Schicht 5 überzogen, die an der Stelle 4A des beabsichtigten Randgebietes des pn-Übergangs 4, mit einem ringförmigen Fenster 6 versehen ist. Durch die Phosphordiffusion ist ein ringförmiger Bereich 7 n-leitenden Materials in dem sonst p-leitenden Silizium 1 erzeugt. Diesel n-leitende Bereich 7 ist bis zu einer Tiefe Tl in den Halbleiterkristall 1 eindiffundiert. Zur Erzeugung des ringförmigen Fensters 6 können an sich bekannte Methoden wiePhotolithographie (Verwendungvonphotoempfindlichem Lack) sowie andere Methoden, z. B. A bdeckung mit einer Maske usw., herangezogen werden.
Will man mit einem nicht siliziumhaitigen Kristall arbeiten, so empfiehlt es sich, die die Diffusion auf den ringförmigen Bereich 7 beschränkende Maskierung dadurch zu erzeugen, dass man die Oberfläche des Halbleiterkristalls 1 entweder mit Si02 oder mit Si bedampft und im zweiten Falle das aufgedampfte Si zu Si02 oxydiert.
Bevor die eigentliche Legierung in Angriff genommen wird, muss der für die Legierung vorgesehene Teil der Halbleiteroberfläche, also der mit 1A bezeichnete, vom ringförmigen Fenster 6 umschlos- seneTeil der SiO -Schicht 5 und vorzugsweise auch das sich an der Oberfläche des Halbleiters (Zone 7) im Fenster 6 gebildete Oxyd mindestens zum Teil entfernt werden. Hiezukann wieder eine Maskierung mit photoleitendem Lack zur exakten Bemessung der vom Oxyd zu befreienden Fläche wertvolle Dienste
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Man erhält auf diese Weise die in Fig. 3 dargestellte Struktur an der Oberfläche des Halbleiterkri- stalls. Das p-leitende Silizium des Grundkristalls 1 gelangt in dem durch Vordiffusion erzeugten, vom ringförmigen n-leitenden Bereich umschlossenen Gebiet an die Oberfläche, während der übrige Teil der Oberfläche des Grundmaterials noch von der SiO -Schicht bedeckt ist. Anschliessend erfolgt das Aufsetzen des Legierungsmetalls 2, z.
B. einer Gold-Antimon-Legierung,
Es empfiehlt sich, das Legierungsmetall 2 in Form einer flachen Scheibe zu verwenden, deren
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Durchmesser so gewählt wird, dass sich durch Einlegieren eine Rekristallisationszone bildet, die mit Si- cherheit in das vordiffundierten-leitendeGebiet 7 hineinragt und sich auf jeden Fall längs seines gan- zenUmfanges mit diesem Gebiet überlappt, ohne es vollständig einzunehmen.
Die Verhältnisse nach dem
Einlegieren in den Halbleiter 1 sind in Fig. 4 dargestellt, deren Bezugszeichen, soweit sie mit den Bei zugszeichen der bisherigen Figuren übereinstimmen, dieselbe Bedeutung wie dort besitzen, während das
Legierungsmetall 2 Anlass zur Entstehung einer Rekristallisationszone 3 mit weitaus ebener Begren- zungsfläche gibt, die ebenfalls n-leitend u. zw. in weitaus stärkerem Masse als das durch die Vordiffusion erzeugte n-leitende Gebiet 7 ist.
Bei Anwendung des erfindungsgemässen Verfahrens liegt das Gebiet starker Krümmung des sonst ebenen pn-Übergangs und die mit ihm zusammenhängenden Randstörungen in dem durch die Vordiffusion hochohmig gemachten Halbleitergebiet 7, das eine höhere Durchbruchspannung als der ebene legier- te pn-Übergang hat. Dabei gelingt es ohne weiteres, zu erreichen, dass infolge der im ringförmigen Be- reich 7 erzielten Vergrösserung der Durchbruchsfeldstärke bei Überbelastung des pn-Übergangs der
Durchbruch nicht mehr im gekrümmten Teil des resultierenden pn-Übergangs, sondern im ebenen Teil i des pn-Übergangs einsetzt.
Verwendet man n-leitendes Grundmaterial, so wird als Legierungsmaterial und auch als Material zur
Vordiffusion p-Leitung erzeugendes Material verwendet. Als Diffusionsmaterial wird dann zweckmässig gasförmiges B, 03, als Legierungsmaterial Aluminium oder eine Gold-Bor-Legierung verwendet, wenn es sich um Silizium oder SiC als Grundmaterial handelt.
Generell ist bei der Bemessung der Eindringtiefen folgendes zu beachten :
1. Der gesamte Randbereich des später einlegierten pn-Übergangs muss innerhalb der durch die Vor-
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sichtlich ist.
3. Die Oberflächenkonzentration des Diffusionsbereiches 7 wird zweckmässigerweise niedriger ein- gestellt als die sich beim Legierungsprozess ergebende Konzentration an den Leitungstyp bestim- mendem Dotierungsstoff der Randzone der Rekristallisationsschicht 3.
Die in Fig. 4 dargestellten Verhältnisse an der Legierungsstelle können weiter verbessert werden, in- dem der durch Vordiffusion erhaltene ringförmigen-Bereich von einem zweiten ringförmigen Bereich umgeben ist, der eine zusätzliche p-Leitung aufweist. Dies ist in Fig. 5 dargestellt. Ausserdem ist die Oxydschicht 5 mit einem weiteren ringförmigen Fenster 8 versehen, durch welches p-leitendes Material, z. B. Bor, insbesondere unter Verwendung von gasförmigem B Og als Ausgangsmaterial eindiffundiert wurde. Der sich auf diese Weise ergebende p+-leitende Bereich 9 unterbindet die Ausbildung störender Channels.
An sich ist es gleichgültig, ob die zur Entstehung der Zone 7 oder die zur Zone 9 führende Gasdiffusion zuerst durchgeführt wird. Es ist jedoch dann auf jedenFall erforderlich, dass das für die vorangegangene Diffusion verwendete Fenster wieder, am besten durch eine neue Oxydschicht, z. B. die Oxydschicht 10 (die sich bei den genannten für die Diffusion verwendeten Gasen von selbst bildet), bedeckt wird.
Falls man, wie es in den meisten Fällen zutreffen wird, die Tiefe T, des dem Legierungsmaterial unmittelbar benachbarten ringförmigen Vordiffusionsbereiches 7 bereits während der Vordiffusion einstellt, so ist es günstiger, zunächst den äusseren Bereich 9 herzustellen, da dessen Tiefe nicht kritisch ist. Die Tiefe der Diffusionsbereiche 7 und 9 wird durch denLegierungsvorgang bekanntlich wenig beeinflusst, da dieser bei niedrigeren Temperaturen stattfindet. Die zur Erzielung ebener, insbesondere auch grossflächiger pn-Übergänge, zweckmässigen Massnahmen entnimmt man z. B. der Literaturstelle "Bell Syst. techn. Journal" Mai 1954, S. 517 - 533, oder der deutschen Patentanmeldung S 70132 VIIIe/21g (=PA 60/2684 a).
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Herstellung eines pn-Übergangs mit teilweise ebener Begrenzungsfläche durch Legieren, dadurch gekennzeichnet, dass das am Randbereich (4A) des pn-Übergangs (4) angrenzende Halbleitergebiet (7) mindestens an einer Seite des pn-Übergangs (4) durch Diffusion von entsprechendem Störstellenmaterial im Vergleich zu mindestens einem Teil des ebenen Bereiches des pn-Übergangs in hochohmigeren Zustand versetzt wird.