DE1297234B

DE1297234B - Verfahren zur Herstellung des Halbleiterelementes eines stossspannungsfesten Halbleitergleichrichters

Info

Publication number: DE1297234B
Application number: DEA50455A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Techn Dieter; Dipl-Ing Eduard; Eugster; Spickenreuther
Original assignee: BBC Brown Boveri France SA
Current assignee: BBC Brown Boveri France SA
Priority date: 1965-09-08
Filing date: 1965-10-11
Publication date: 1969-06-12
Also published as: DE6606125U; NL6610617A; GB1140139A; SE326769B; BE686485A; US3449826A; CH426020A; US3447826A

Description

Maßnahmen der Halbleitertechnologie, die bei der 15 spannungsfesten Halbleitergleichrichtern mit p-i-n-Herstellung von solchen Halbleiterelementen häufig Struktur.

benutzt werden, sind die Herstellung von sogenann- Das Verfahren gemäß der Erfindung ist dadurch

ten »ohmschen Kontakten«, z. B. bekannt aus dem gekennzeichnet, daß das Grundmaterial der HaIb-Buch von L. P. Hunter, »Handbook of Semi- leiterscheibe ΙΟ¹³ bis ΙΟ¹⁶Dotierungsatome/cm³ und conductor Electronics«, 1956 (Kapitel 8, S. 13, Ab- 20 die Diffusionszone ebenfalls weniger als 10¹⁶ Dotieschnitt 8.6), bei denen zur Formung von Elektroden rungsatome/cm³ enthalten, während der Dotierungsan den Halbleiterkörpern Metallfolien, die geeignete gradient des entstandenen p-n-Überganges weniger Dotierungsmaterialien enthalten, anlegiert werden, als 10¹⁴ Atome/cm³^m beträgt, daß an die n-leitende um so das Auftreten von unerwünschten p-n-Uber- Zone der mit dem diffundierten p-n-Übergang vergangen an den Elektroden zu verhindern, sowie das 25 sehenen Halbleiterscheibe, zur Bildung einer hoch-Vorsehen einer Trägerplatte für die Halbleiterscheibe dotierten n⁺-Zone mit einer Dotierungskonzentration von mehr als 10¹⁶ Donatoratome/cm³, eine eine Donatorsubstanz enthaltende Metallscheibe, die p-leitende Zone zur Bildung einer hochdotierten 30 p+-Zone mit einer Konzentration von mehr als 10¹⁶ Akzeptoratome/cm³, eine eine Akzeptorsubstanz enthaltende Metallscheibe anlegiert werden, wobei die Dicken der schwachdotierten Zonen so groß gewählt werden, daß im Betrieb an den p⁺-p- und

stattfindet. Die dadurch auftretende Überhitzung 35 n-n⁺-Übergängen bei einem Lawinendurchbruch die führt zu einem örtlichen Schmelzen des Halbleiter- elektrische Feldstärke kleiner als 1 kV/cm und der materials, wodurch seine Sperreigenschaft verschlech- Dotierungsgradient an ihnen größer als 10¹⁷ Atome/ tert wird oder ganz verlorengehen kann. Es sind αη³/μΐη ist, und daß eine Trägerplatte aus einem nun sogenannte stoßspannungsfeste Halbleiterventüe Metall mit im wesentlichen gleichen thermischen bekanntgeworden, die den genannten Nachteil nicht 40 Ausdehnungskoeffizienten wie das Halbleitermaterial aufweisen. Ein derartiges Halbleiterventil kann z. B. an jene Metallscheibe angelötet wird, die an die einmit Hilfe einer p+-i-n+-Struktur erreicht werden. diffundierte Zone anlegiert ist.
Dabei bedeuten p⁺ und n⁺ hochdotierte Halbleiter- Ein Vorteil der Erfindung liegt darin, daß die

zonen mit mehr als 10¹⁶ Dotierungsatome/cm³ und i Sperreigenschaften, die durch den p-n-Übergang eine hochohmige oder sehr schwachdotierte Zone mit 45 definiert werden, von den Injektionseigenschaften, weniger als 10¹³ Dotierungsatome/cm³. die durch die p⁺-p- bzw. n+-n-Übergänge bedingt

Da die Durchbruchspannung bei dieser Anordnung werden, unabhängig voneinander am günstigsten einpraktisch nur von der Dicke der i-Zone abhängt, gestellt werden können. Um die vorteilhaften Eigenmuß diese Dicke über die ganze Fläche des Ventils schäften zu erreichen, ist es notwendig, daß die eine sehr hohe Konstanz haben, wenn man erreichen 50 Dicken der schwachdotierten Zonen η bzw. ρ so will, daß sich der Durchbruchstrom möglichst gleich- groß gewählt werden, daß bei einem Lawinendurchmäßig über die ganze Fläche verteilt. Eine derartige bruch die elektrische Feldstärke an den p+-p+-n-n⁺- hohe Konstanz der Dicke läßt sich aber nur mit Übergängen den Wert von 1 kV/cm nicht übersteigt, großen technologischen Schwierigkeiten realisieren Durch die Dicke der schwachdotierten Zonen n⁺, p⁺ und das nur für Ventile mit relativ kleinen Flächen, 55 wird überdies erreicht, daß der Dotierungsz. B. kleiner als 10 mm². gradient am p-n-Übergang relativ klein (kleiner als

Die Erfahrung hat überdies gezeigt, daß bei stoß- 10¹⁴ Atome/cm³^m) ist, was einerseits günstig für spannungsfesten Halbleiterventilen dieses Typs eine die Sperreigenschaften ist und überdies eine relativ unerwünschte Veränderung ihrer Sperreigenschaften breite Spitze des Feldstärkenprofils zur Folge hat, mit fortschreitender Betriebszeit auftritt, die sich be- 60 was sich in einer Einleitung des Lawinendurchbruchs sonders in einer Erhöhung des Stromes in Sperrich- über eine relativ breite Zone auswirkt. Dadurch er-

aus einem Material mit im wesentlichen gleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten wie das Halbleitermaterial; diese Maßnahme ist z. B. aus der deutschen Auslegeschrift 1 018 557 bekannt.

Die üblichen Halbleitergleichrichterelemente haben den Nachteil, daß beim Auftreten von Stoßspannungen in Sperrichtung ein Lawinendurchbruch oft bevorzugt an den Rändern der Halbleiterscheibe

tung auswirkt. Diese Halbleiterventile können außerdem nur relativ geringen Überlastungen ausgesetzt werden, ohne daß sie ihre Gleichrichtereigenschaften verlieren.

Das Ziel der Erfindung ist ein Verfahren zur Erzeugung eines stoßspannungsfesten Halbleitergleichrichters, welcher unter Verwendung einer Reihe

gibt sich aber die hohe Belastbarkeit in Sperrichtung.
Da der p-n-Übergang durch tiefe Diffusion hergestellt
ist, ist er auch geometrisch sehr genau definiert, da
sich die vor der Diffusion bestehenden Oberflächenfehler des Kristalls nicht mehr so stark auswirken.

Die Erfindung wird an Hand der Figuren beispielsweise erläutert: Bei dem nachstehend beschriebenen

Beispiel geht man von einer schwach dotierten Siliziumscheibe 1 vom η Leitungstyp mit einer Dicke von etwa 300 μΐη aus. Die Dotierung des Siliziums kann dabei zwischen 10¹³ bis 10¹⁶ Donatoratome/cm³ betragen. Zur Bildung eines p-n-Uberganges in der Siliziumscheibe 1 wird Aluminium bei etwa 1300° C auf an sich bekannte Weise eindiffundiert, so daß, wie in F i g. 1 angedeutet, in der Siliziumscheibe eine oberflächige, schwach dotierte Zone vom ρ Leitungstyp mit einer Dicke von etwa 80 μπι und einer Dotie- rung von weniger als 10^ie Akzeptoratome entsteht. Diese Zone vom ρ Leitungstyp wird danach von einer der Stirnflächen und von den Seitenflächen z.B. durch Läppen abgetragen. Fig. 2 zeigt die so entstandene Siliziumscheibe mit p-n-Übergang.

Zur Bildung einer hochdotierten η+-Zone auf der schwachdotierten Zone vom η Leitungstyp und einer hochdotierten p⁺-Zone auf der schwachdotierten Zone vom ρ Leitungstyp wird in zwei weiteren Verfahrensschritten das Legierungsverfahren benutzt, welches an Hand der F i g. 3 bis 5 illustriert wird.

F i g. 3 zeigt die Siliziumscheibe 1 mit dem n-p-Übergang, die zusammen mit einer Scheibe 2 aus einer Gold-Antimon-Legierung für einige Minuten auf eine Temperatur gebracht wird, bei der die flüssig gewordene Legierung eine bestimmte Menge Silizium ablöst. Die Menge des gelösten Siliziums hängt dabei von der Temperatur und der Menge der aufgebrachten Legierung ab. Beim Abkühlen wird das gelöste Silizium wieder abgeschieden und scheidet sich im wesentlichen wieder einkristallin auf der Siliziumscheibe 1 ab. Entsprechend ihrer Löslichkeit im festen Silizium bleiben gewisse Mengen der Legierungskomponenten in der Rekristallisationszone eingebaut. F i g. 4 zeigt das System nach erfolgter Abkühlung. Da die Löslichkeit von Gold im festen Silizium zu vernachlässigen ist, bleibt praktisch nur eine gut definierte Menge Antimon als Donatorsubstanz in der Rekristallisationszone zurück, die auf diese Weise eine hochdotierte η+-Zone mit mehr als 10^1β Donatoratome/cm³ bildet.

Durch ein auf analoge Weise erfolgtes Anlegieren einer Aluminiumscheibe 3 bildet man eine hochdotierte p+-Zone mit mehr als 10¹⁶ Akzeptoratome/ cm³ in Form einer Rekristallisationszone in der Aluminium als Akzeptorsubstanz zurückbleibt. F i g. 5 zeigt das Zwischenprodukt nach den beiden Legierungsprozessen.

Danach wird das Halbleiterbauelement auf an sich bekannte Weise vervollständigt. F i g. 6 zeigt die Randzone des fertigen Halbleiterelements im Schnitt. Auf die Aluminiumscheibe 3 des in F i g. 5 illustrierten Zwischenprodukts wird eine Trägerplatte 4 aus Molybdän aufgelötet, die zur mechanischen Verstärkung des Halbleiterkörpers 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 Kegelstumpfmantels ausgebildet, die an alle Zonen des Halbleitermaterials anschließt. Diese mechanische Bearbeitung geschieht vorzugsweise mit Hilfe von Ultraschall. Bei der Ausbildung der Fläche 5 entsteht überdies eine ringförmige Zone 6, die eine erhöhte mechanische Festigkeit der Randzone 7 gewährleistet.

In einer zweiten Variante des Herstellungsverfahrens geht man von einer Halbleiterscheibe vom ρ Leitungstyp aus, wonach die Zone vom η 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 p+-p und n-n+ sind für die Leitungsfunktion maßgeblich. Sie besitzen auf Grund des Legierungsverfahrens einen großen Dotierungsgradienten von mehr als 10¹⁷ Dotierungsatome/cm³^m, was zu einer guten Injektion von Minoritätsträgern führt.

Der p-n-Übergang der Struktur dient der Sperrfunktion. Auf Grund des angewandten Diffusionsverfahrens ist hier der Dotierungsgradient kleiner als 10¹⁴ Dotierungsatome/cm^s^m, wodurch eine gute 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 zur Folge, daß bei einem Lawinendurchbruch die Verlustleistung in einer relativ breiten, den p-n-Übergang einschließenden Zone aufgenommen wird.

Das Diffusionsverfahren gewährleistet überdies ein über die Halbleiterfläche gleichmäßig gut definiertes Dotierungsprofil, was zu einer gleichmäßigen Verteilung der Verlustleistung über gesamte Halbleiterfläche führt.

Diese Eigenschaften des p-n-Überganges haben zur Folge, daß bei gegebener zulässiger Verlustleistungsdichte 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/cm nicht übersteigen. Um dies zu erreichen, genügt es, die Dicke der schwachdotierten Zonen genügend groß zu wählen.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung eines stoßspannungsfesten Halbleitergleichrichters, bei dem in eine Scheibe aus schwach dotiertem Halbleitermaterial eines ersten Leitungstyps zur Bildung einer Oberflächenzone mit einem zweiten, vom ersten verschiedenen Leitungstyp Dotierungssubstanz eindiffundiert wird, und diese oberflächige Diffusionszone von den Seitenflächen und einer Stirnfläche der Scheibe entfernt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Grundmaterial der Halbleiterscheibe (1) 10¹³ bis 10¹⁶ Dotierungsatome/cm³ und die Diffusionszone ebenfalls weniger als 10¹⁶ Dotierungsatome/ cm³ enthalten, während der Dotierungsgradient des entstandenen p-n-Überganges weniger als 10¹⁴ Atome/cm³^m beträgt, daß an die n-leitende Zone der mit dem diffudierten p-n-Übergang versehenen Halbleiterscheibe (1) zur Bildung einer hochdotierten n+-Zone mit einer Dotierungskonzentration von mehr als 10^1β Donatoratome/cm³ eine eine Donatorsubstanz enthaltende Metallscheibe (2) und an die p-leitende Zone zur Bildung einer hochdotierten ρ+-Zone mit einer Konzentration von mehr als 10¹⁶ Akzeptoratome/cm³ eine eine Akzeptorsubstanz enthaltende Metall-

scheibe (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 einem Lawinendurchbruch die elektrische Feldstärke kleiner als 1 kV/cm und der Dotierungsgradient an ihnen größer als 10¹⁷ Atome/cm³/V.m ist, und daß eine Trägerplatte (4) aus einem Metall mit im wesentlichen gleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten wie das Halbleitermaterial an jene Metallscheibe angelötet wird, die an die eindiffundierte Zone anlegiert ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Abtragung von Halbleitermaterial, insbesondere mit Hilfe von Ultraschall, zur BiI-dung einer an alle Zonen des Halbleitermaterials angrenzenden Randfläche (5) in Form eines Kegelstumpf mantels, dessen Basis der Trägerplatte (4) zugewandt ist.

3. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleitergleichrichter einen Halbleiterkörper aus Silizium besitzt.

4. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Akzeptorsubstanz enthaltende Metallscheibe (3) aus Aluminium besteht.

5. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Donatorsubstanz enthaltende Metallscheibe (2) aus einer Gold-Antimon-Legierung besteht.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen