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Verfahren zur Herstellung eines stossspannungsfesten Halbleiterventils
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines stossspannungsfesten Halbleiterventils, wobei zur Bildung des sperrenden p-n Überganges in eine Scheibe aus schwach dotiertem Halbleitermaterial vom n (-oder p) Leitungstyp zur Bildung einer oberflächigen Zone vom p (-oder n) Leitungstyp Dotierungssubstanz eindiffundiert wird, und diese oberflächige Zone von den Seitenflächen und einer Stirnfläche der Scheibe entfernt wird.
Derlei Verfahrensschritte zur Herstellung eines p-n Überganges in einer Halbleiterscheibe sind z. B. aus der franz. Patentschrift Nr. 1. 273. 633 bekannt. Zur Kontaktierung solcher Halbleiterscheiben werden vorteilhaft an die Frontflächen der Halbleiterscheibe Metallfolien, die ein entsprechendes Dotierungsmaterial enthalten, anlegiert. Nach diesem Legierungsvorgang bleibt zwischen jeder Metallfolie und der benachbarten Zone der Halbleiterscheibe eine auskristallisierte Zone hoher Dotierung vom gleichen Leitungstyp, wie diese benachbarte Halbleiterzone zurück. Solche Legierungsverfahren zur sperrschichtfreien Kontaktierung eines Halbleiterkörpers mit Elektroden sind übrigens sehr alt und z. B. schon aus der deutschen Patentschrift Nr. 940368 bekannt.
Diese einer sperrschichtfreien Kontaktierung dienenden hochdotierten Zonen können übrigens, wie in der oben genannten franz. Patentschrift erwähnt, auch mit Hilfe eines zusätzlichen Diffusionsvorganges aufgebracht werden. In einem solchen Falle wird das Elektrodenmaterial vorteilhaft durch Aufdampfen im Vakuum aufgebracht.
Bis jetzt war es aber nicht gelungen, durch solche Verfahrensschritte stossspannungsfeste Halbleiterventile, nämlich solche, die, ohne Schaden zu nehmen, wenigstens angenähert die gleichen Belastungen und Überlastungen in Sperr- wie in Durchlassrichtung zulassen, herzustellen.
Bisher sind als stossspannungsfest nur Halbleiterventile bekanntgeworden, die eine p+-i-n+ Struktur aufweisen. Dabei bedeuten p+ und n+ hochdotierte Halbleiterzonen mit mehr als 1016 Dotierungs- atomen/cm3 und i eine hochohmige oder sehr schwach dotierte Zone mit weniger als 1013 Dotierungs- atomen/cm3.
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scheibe zur Erhöhung des Kriechweges eine kegelstumpfförmig ausgebildete Randfläche aufweist. Im Zusammenhang mit solchen kegeligen Randflächen an Halbleiterscheiben von Halbleiterelementen wird noch auf die franz. Patentschrift Nr. 1. 336. 183 hingewiesen.
Da die Durchbruchspannung bei Elementen mit p+-i-n+ Halbleiterstruktur praktisch nur von der Dicke der i-Zone abhängt, muss bei stossspannungsfesten Ventilen dieser Art diese Dicke über die ganze Ventilfläche eine sehr hohe Konstanz aufweisen. Nur dann kann man nämlich erreichen, dass sich der Durchbruchstrom möglichst gleichmässig über die ganze Ventilfläche verteilt. Die notwendige hohe Konstanz der Dicke lässt sich aber nur mit grossen technologischen Schwierigkeiten realisieren und das nur für Ventile mit relativ kleinen Flächen, z. B. kleiner als 10 mm2.
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Das Ziel der Erfindung ist ein einfaches und billiges Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterventils mit p+-p-n-n+ Struktur, bei dem durch geeignete Dimensionierung erreicht wird, dass in dem resultierenden Halbleitervenül sich die Verlustleistungsdichte bei Lawinendurchbruch weitgehend gleichmässig über die Halbleiterscheibe verteilt und dabei örtliche Zerstörungen der Halbleiterstruktur vermieden werden, ohne dass bei der erzeugten p+-p-n-n+ Struktur eine hohe Konstanz des Abstandes der hochdotierten p+-Zone von der hochdotierten n+ -Zone nötig wäre.
Das Verfahren gemäss der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Grundmaterial der Halb- leiterscheibe 1013 bis 10 Dotierungsatome/cm und die eindiffundierte Zone weniger als 1016Do- tierungsatome/cm enthält, während der Dotierungsgradient dieses p-n Überganges weniger als 1014 Atome/cm/pm beträgt, dass an die Zone vom n Leitungstyp der mit diffundiertem p-n Übergang versehenen Halbleiterscheibe zur Bildung einer hochdotierten n+ Zone von mehr als 10 Donatorato-
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enthaltende Metallscheibe anlegiert werden, wobei die Dicken der schwachdotierten Zonen so gross gewählt werden, dass im Betrieb an den p+-p und n-n+ Übergängen bei Lawinendurchbruch die elektri- sche Feldstärke leiner als lkV/cm und der Dotierungsgradient an ihnen grösser als 10"Atome/cm'jim ist,
und dass schliesslich die Trägerplatte aus einem Metall mit im wesentlichen gleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten wie das Halbleitermaterial an jene Metallscheibe angelötet wird, die an die eindiffundierte Zone anlegiert ist.
Die Erfindung wird an Hand der Figuren beispielsweise erläutert :
Bei dem nachstehend beschriebenen Beispiel geht man von einer schwach dotierten Siliciumscheibe
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kannte Weise eindiffundiert, so dass, wie in Fig. l angedeutet, in der Siliciumscheibe eine oberflächi- ge, schwachdotierte Zone vom p Leitungstyp mit einer Dicke von zirka 80 m und einer Dotierung von weniger als 1016 Akzeptoratomen entsteht.
Diese Zone vom p Leitungstyp wird danach von einer der Stirnflächen und von den Seitenflächen z. B. durch Läppen abgetragen. Fig. 2 zeigt die so entstandene Siliciumscheibe mit p-n Übergang.
Zur Bildung einer hochdotierten n+ Zone auf der schwachdotierten Zone vom n Leitungstyp und einer hochdotierten p+ Zone auf der schwachdotierten Zone vom p Leitungstyp wird in zwei weiteren Verfahrensschritten das sogenannten Anlegierungsverfahren benutzt, welches anHandderFig. 3bis5 illustriert wird.
Fig. 3 zeigt die Siliciumscheibe --1-- mit dem n-p Übergang, die zusammen mit einer Scheibe - aus einer Gold-Antimon-Legierung für einige Minuten auf eine Temperatur gebracht wird, bei der die flüssig gewordene Legierung eine bestimmte Menge Silicium ablöst. Die Menge des gelösten Siliciums hängt dabei von der Temperatur und der Menge der aufgebrachten Legierung ab. Beim Abkühlen wird das gelöste Silicium wieder abgeschieden und setzt sich im wesentlichen wieder einkristallin auf der Siliciumscheibe-l-ab. Entsprechend ihrer Löslichkeit im festen Silicium bleiben gewisse Mengen der Legierungskomponente in der Rekristallisationszone eingebaut. Fig. 4 zeigt das System nach erfolgter Abkühlung.
Da die Löslichkeit von Gold im festen Silicium zu vernachlässigen ist, bleibt praktisch nur eine gut definierte Menge Antimon als Donatorsubstanz in der Rekristallisationszone zurück, die auf diese Weise eine hochdotierte n+ Zone mit mehr als 1016 Donatoratomen/ms bildet.
Durch eine auf analoge Weise erfolgte Anlegierung einer Aluminiumscheibe --3-- bildet man eine hochdotierte p+ Zone mit mehr als 1016 Akzeptoratomen/cm3 in Form einer Rekristallisationszone in der Aluminium als Akzeptorsubstanz zurückbleibt. Fig. 5 zeigt das Zwischenprodukt nach den beiden Anlegierungsprozessen.
Danach wird das Halbleiterelement auf an sich bekannte Weise komplettiert. Fig. 6 zeigt die Randzone des fertigen Halbleiterelementes im Schnitt. Auf die Aluminiumscheibe --3-- des in Fig. 5 illustrierten Zwischenproduktes wird eine Trägerplatte --4-- aus Molybdän aufgelötet, die zur mechanischen Verstärkung des Halbleiterelementes dient. Statt Molybdän kann auch Wolfram als Material für die Trägerplatte verwendet werden. Zur Verlängerung des Kriechweges an der Randzone der Halbleiterscheibe wird schliesslich durch mechanische Bearbeitung eine Fläche --5-- in Form eines Kegelstumpfmantel ausgebildet, die an alle Zonen des Halbleitermaterials anschliesst. Diese mechanische Bearbeitung geschieht vorzugsweise mit Hilfe von Ultraschall.
Bei der Ausbildung der Fläche --5-- ent- steht überdies eine ringförmige Zone --6--, die eine erhöhte mechanische Festigkeit der Randzone
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- gewährleistet.
In einer zweiten Variante des Herstellungsverfahrens geht man von einer Halbleiterscheibe vom p Leitungstyp aus, wonach die Zone vom n Leitungstyp durch Eindiffundieren von Donatorsubstanz gebildet wird. Die übrigen Verfahrensschritte ergeben sich auf analoge Weise.
Die derart gebildete p+-p-n-n+ Struktur weist mehrere Vorteile auf. Die beiden Übergänge
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te Sperreigenschaft gewährleistet wird.
Die durch das Dotierungsprofil bestimmte Raumladungsverteilung erzeugt ein elektrisches Feld, dessen Feldstärke am p - n Übergang ein Maximum aufweist. Wegen des relativ kleinen Dotierungsgradienten ändert sich die elektrische Feldstärke in der Nähe ihres Maximums nur relativ wenig. Dies hat
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einschliessenden Zone aufgenommen wird.
Das Diffusionsverfahren gewährleistet überdies ein über die Halbleiterfläche gleichmässig gut definiertes Dotierungsprofil, was zu einer gleichmässigen Verteilung der Verlustleistung über die gesamte Halbleiterfläche führt.
Diese Eigenschaften des p - n Überganges haben zur Folge, dass bei gegebener zulässiger Verlust- leistungsdichte das Halbleiterelement eine Verlustleistung in Sperrichtung aufnehmen kann, die mindestens so gross ist als die Verlustleistung in Durchlassrichtung.
Um jeden Einfluss der p+-p und n-n+ Übergänge auf die Einleitung des Lawinendurchbruchs zu vermeiden, darf die elektrische Feldstärke an diesen Übergängen den Wert von 1 kV/em nicht übersteigen. Um dies zu erreichen, genügt es die Dicke der schwachdotierten Zonen genügend gross zu wählen.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Herstellung eines stossspannungsfesten Halbleiterventils, wobei zur Bildung des sperrenden p - n Überganges in eine Scheibe aus schwachdotiertem Halbleitermaterial vom n (-oder p) Leitungstyp zur Bildung einer oberflächigen Zone vom p (-oder n) Leitungstyp Dotierungssubstanz eindiffundiert wird, und diese oberflächige Zone von den Seitenflächen und einer Stirnfläche der Scheibe
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Metallscheibe (3) anlegiert werden, wobei die Dicken der schwachdotierten Zonen so gross gewählt werden, dass im Betrieb an den p+-p und n-n+ Übergängen bei Lawinendurchbruch die elektrische Feldstärke kleiner als 1 kV/cm und der Dotierungsgradient an ihnen grösser als 1017 A tome/cm S/p.
m ist, und dass schliesslich die eine Trägerplatte (4) aus einem Metall mit im wesentlichen gleichen thermi- schen Ausdehnungskoeffizienten wie das Halbleitermaterial an jene Metallscheibe angelötet wird, die an die eindiffundierte Zone anlegiert ist.