DE1464703A1

DE1464703A1 - Kapazitaetsdiode

Info

Publication number: DE1464703A1
Application number: DE19631464703
Authority: DE
Inventors: Franz Erhardt; Scheffer Dipl-Phys Gerhard
Original assignee: Deutsche ITT Industries GmbH
Current assignee: TDK Micronas GmbH
Priority date: 1963-08-13
Filing date: 1963-08-13
Publication date: 1968-11-28
Also published as: FR1390594A; GB1042270A; DE1464703B2

Description

INTERMETALL

Gesellschaft für Metallur- Pat. Dr.St/Fo

gie und Elektronik m.b.H. 11.JuIi 1962 - Fl

Dr. Expl.

Kapazitätsdiode

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Der pn-übergang in Halbleiterbauelementen weist infolge der sich am pn-übergang ausbildenden Raumladungszone eine Kapazität auf. Die Größe der Raumladungszone und damit der Kapazität ist von der angelegten Spannung abhängig. Es sind Halbleiterdioden bekannt, bei denen diese Zusammenhänge ausgenutzt werden. Man bezeichnet derartige Dioden als Kapazitätsdioden. Sie sind auch unter der Bezeichnung Varicap bekannt. Die Größe des Kapazitätshubs, d.h. der Grenzen, in denen man die Kapazität in Abhängigkeit von der angelegten Spannung verändern kann, hängt u.a. von der Abbruchspannung der Diode ab. Für Kapazitätsdioden mit möglichst großem Hub muß demnach eine möglichst große Abbruchspannung gefordert werden.

Es sind auch Bedingungen denkbar, bei denen im Betrieb der Kapazitätsdiode keine großen Spannungen zur Verfügung stehen. Um dabei pro Spannungsänderung einen möglichst großen Kapazitätshub zu erhalten, nutzt man die Tatsache aus, daß eine größere räumliche Änderung der Raumladungszone erreicht wird, wenn sich diese in ein Gebiet abnehmender Verunreinigungskonzentration ausdehnt. Das bedeutet, daß der pn-übergang im Halbleiterkörper in einem Gebiet mit möglichst großem Verunreinigungsgradienten liegen muß. Man erreicht dies, indem man den pnübergang in einem mit einem Diffüsionsprofil versehenen Halbleiterkörper erzeugt.

Da Kapazitätsdioden in Sperrichtung betrieben werden, kommt als dritte Forderung hinzu, daß die Sperrströme möglichst klein sein müssen.

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Eine Möglichkeit, eine Kapazitätsdiode mit verhältnismäßig steilem Verunreinigungsgradienten am pn-übergang und verhältnismäßig hoher Abbruchspannung zu erhalten, besteht darin, daß in einen p-leitenden Halbleiterkörper nacheinander Akzeptor- und Donator-Material eindiffundiert werden. Man kann dann noch durch eine Mesa-ltzung die eigentliche Diode aus einem größeren Halbleiterkörper herauslösen. Eine derartige Anordnung ist in Figur 1 dargestellt. Sie würde einen befriedigend großen Kapazitätshub und auch eine genügend hohe Abbruchspannung aufweisen. Beides ist einstellbar durch die Tiefe der Diffusion des n-Materials und damit die Lage des pn-Überganges im p⁺-Diffusionsprofil. Nachteilig bei einer derartigen Anordnung sind jedoch die hohen Sperrströme, die dadurch entstehen, daß ein Teil des pn-Überganges an der Oberfläche des Halbleiterkörpers verläuft und damit den bekannten Oberflächeneinflüssen bei Halbleiteranordnungen ausgesetzt ist.

In Figur 2 ist eine Anordnung dargestellt, bei der die Oberflächeneinflüsse weitgehend vermieden werden. Man verwendet dazu die bekannte Planartechnik, bei der durch Oxydmaskierung und Eindiffundieren durch in der Oxydschicht vorhandene Fenster Gebiete unterschiedlicher Dotierung und Leitfähigkeit erzeugt werden. Im Einzelnen soll hierauf nicht näher eingegangen werden, da die Planartechnik als bekannt vorausgesetzt wird. In Figur 2 berührt der pn-übergang an keiner Stelle die freie Oberfläche der Halbleiteranordnung, da er durch die schraffierte Oxydschicht abgedeckt wird. Nachteilig bei einer derartigen Anordnung ist jedoch die verhältnismäßig niedrige Abbruchspannung. Diese wix-d bekanntlich dadurch herabgesetzt, daß der pn-übergang in der Nähe der abgedeckten Oberfläche A in einem Gebiet hoher Verunreinigungskonzentration liegt.

Die Erfindung gibt den Aufbau einer Diode mit in weiten Grenzen veränderbaren Kapazität des pn-Überganges an, mit dem sowohl eine hohe Abbruchspannung als auch geringe Sperrströme erreicht werden können. ErfindungsgemäS'"ist die Diode dadurch ausgezeichnet,

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daß im Innern des Halbleiterkörpers ein Gebiet gleichen Leitfähigkeitstyps aber größerer Verunreinigungskonzentration als das umgebende Material angeordnet ist und daß die Zone des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps beide Gebiete des Halbleiterkörpers derart berührt, daß ein innerer Teil des an den Berührungsflächen gebildeten pn-Oberganges im Gebiet größerer Verunreinigungskonzentration des Halbleiterkörpers verläuft, der von einem äußeren, im Gebiet niedriger Verunreinigungskonzentration verlaufenden Teil des pn-Übergangs umgeben ist.

Die weiteren Vorteile und Merkmale der Erfindung werden im folgenden anhand eines in Figur 3 dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Zur Vereinfachung der Erläuterung soll als Beispiel eine Silizium-Diode mit einem p-leitenden Halbleiterkörper beschrieben ijrerdjen. Sinngemäß gilt das gleiche für andere Halbleitermateria- _;;lien und andere Leitfähigkeitsanordnungen. Es wird von einem einkristallinen p-leitenden Siliziumkörper verhältnismäßig hohen spezifischen Widerstandes ausgegangen. Man kann dazu z.B. auch eine hochohmige epitaktisch aufgewachsene Schicht auf einem niederohmigen p-leitenden Einkristall verwenden. Die eine Oberfläche der hochohmigen p-Schicht wird maskiert. Zu diesem Zweck kann in an sich bekannter 'A'eise die Oberfläche mit einem Oxydüberzug versehen werden, in den mittels der bekannten photolithographischen Technik ein Fenster eingebracht wird, an dem die Oberfläche der p-leitenden Schicht frei liegt. Durch diese freie Oberfläche wird p-dotierendes Material eingebracht. Man kann zu diesem Zweck z.B. Bor eindiffundieren. Besonders geeignet ist dafür das Pulver-Diffusionsverfahren, bei dem der zu diffundierende Halbleiterkörper in ein Pulver aus dem gleichen Halbleitermaterial eingebettet wird, das mit einer bestimmten Dotierung versehen ist. Mit diesem Verfahren ist es insbesondere möglich, die Oberflächenkonzentration der eindiffundierten niederohmigen p-leitenden Zone genau einzustellen. Es liegt damit

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die in Figur 3a dargestellte Halbleiteranordnung vor, bei der eine niederohmige, p⁺-leitende Zone in hochohmigem p-leitendem Material eingebettet ist.

Zum weiteren Aufbau der Diode wird die gleiche Oberfläche des Halbleiterkörpers erneut dotiert*. Zu diesem Zweck kann wieder eine Oxydierung der Oberfläche durchgeführt werden, die die Reste der zuerst aufgebrachten Oxydschicht mit überdeckt. Es wird wieder ein Fenster in der Oxydschicht eingebracht, das konzentrisch zu dem ersten Fenster liegt, dieses aber in seinen Begrenzungen an allen Seiten überragt. Es liegt somit nunmehr ein größerer Teil der Oberfläche des Halbleiterkörpers frei. An diese Oberfläche grenzt der niederohmige ρ -Teil und auch Teile des hochohmigen p-Materials. Zum Herstellen des pn-Übergangs wird nun in das Fenster η-dotierendes Material eingebracht, so daß eine n⁺-leitende Zone entsteht.

Zum Erzeugen der n⁺-leitenden Zone kann z.B. das Legierungsverfahren angewendet werden, bei dem η-dotierendes Legierungsmaterial auf das Fenster gelegt und durch Erhitzen einlagiert wird. Die n⁺-leitende Zone kann außerdem auch durch Eindiffundieren von η-leitendem Dotierungsmaterial, z.B.Phosphor, erhalten werden. In beiden Fällen wird das Einbringen des n-dotierenden Materials so gesteuert, daß der entstehende pn-übergang teilweise noch innerhalb der p⁺-leitenden Zone verläuft. Das Material wird also nicht so tief eingebracht wie zuvor das p-dotierende Material. Man erhält eine Anordnung wie sie in Figur 3b dargestellt ist.

Eine ähnliche Anordnung kann auch erhalten werden, wenn man anstelle des Difxusions- oder Legierungsverfahrens die einzelnen Zonen epitaktisch aufwachsen läßt, indem man die Teile, auf denen kein Material aufwachsen soll, entsprechend maskiert.

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Bei einer Diode, wie sie in Figur 3b dargestellt ist, besteht der pn-übergang aus 2 Teilen. Der innere Teil 3 grenzt an ein Gebiet hoher Verunreinigungskonzentration (p⁺) der p-leitenden Zone an und ist allseitig von einem Teil 4- umgeben, der an das hochohmige Gebiet (p) des p-leitenden Materials angrenzt. Der innere in einem Gebiet hoher Verunreinigungskonzentration befindliche Teil des pn-Überganges liegt somit für einen großen Kapazitätshub günstig. Er ist ausserdem maßgebend für die Abbruchspannung, da der umgebende Ring 4 des pn-Ubergangs an hochohmiges Material angrenzt und somit eine wesentlich höhere Abbruchspannung besitzt. Der pn-übergang grenzt also im Gegensatz zu der Anordnung in Figur 2 an keiner Stelle an Material mit sehr hoher Verunreinigungskonzentration, was z.B in den oberflächennahen Teilen der p⁺-Zone vorliegt. Der pn-übergang liegt aber auch im Gegensatz zu der Anordnung in Figur 1 an keiner Stelle frei an der Oberfläche, da er durch die Schutzschicht 2 abgedeckt ist.

Es ist bei der Anordnung nach der Erfindung in einfacher Weise möglich, die Höhe der Abbruchspannung und die Größe des Kapazitätshubs durch die Lage des pn-Übergangs innerhalb des p⁺-Gebietes im Halbleiterkörper festzulegen. Beim Erzeugen der n⁺-Zone mittels des Legierungsverfahrens oder durch Diffusion kann das in einfacher Weise durch die Legierungs- bzw.Diffusionstiefe erreicht werden. Wenn man das Verfahren des epitaktischen Aufwachsens anwendet, muß vorher die Oberfläche so weit abgetragen werden, bis man zum Aufwachsen der n⁺-leitenden epitaktischen Schicht die gewünschte Verunreinigungskonzentration des p⁺-Gebietes an der Oberfläche erhält.

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Claims

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PATENTANSPRÜCHE

1; Diode mit in weiten Grenzen veränderbarer Kapazität des — in einem Halbleiterkörper eines Leitungstyps an der Berührungsfläche mit einer Zone des entgegengesetzten Leitungstyps gebildeten pn-Überganges, dadurch gekennzeichnet, daß im Innern des Halbleiterkörpers ein Gebiet gleichen Leitfähigkeitstyps aber größerer Verunreinigungskonzentration als das umgebende Material angeordnet ist, und daß die Zone des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps beide Gebiete des Halbleiterkörpers derart berührt, daß ein innerer Teil des an den Berührungsflächen gebildeten pn-Überganges im Gebiet größerer Verunreinigungskonzentration des Halbleiterkörpers verläuft und von einem äußeren im Gebiet niedriger Verunreinigungskonzentration verlaufenden Teil des pn-Überganges umgeben ist.
2. Verfahren zum Herstellen einer Diode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Halbleiterkörper eines Leitfähigkeitstyps durch Eindiffundieren eines den gleichen Leitfähigkeitstyp erzeugenden Verunreinigungsmaterials von einem Teil der Oberfläche des Halbleiterkörpers ein Gebiet höherer Verunreinigungskonzentration erzeugt wird und daß anschließend Verunreinigungsmaterial des entgegengesetzten

■ Leitfähigkeitstyps von einem größeren, den ersten Teil allseitig überragenden Teil der Oberfläche in den Halbleiterkörper eingebracht oder auf den Halbleiterkörper aufgebracht wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verunreinigungsmaterial des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps durch Legieren eingebracht wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verunreinigungsmaterial des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps durch Diffundieren insbesondere durch Pulverdiffusion

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eingebracht wird.
5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Verunreinigungsmaterial des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps durch epitaktisches Aufwachsen aufgebracht wird.
6. Verfahren nach Ansprüchen 2-4, dadurch gekennzeichnet, daß das Verunreinigungsmaterial des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps nur bis zu einer solchen Tiefe in den Halbleiterkörper eingebracht wird, daß der im Halbleiterkörper zwischen den Zonen entgegengesetzten Leitfahigkeits-■fcyps gebildete pn-übergang teilweise noch im Gebiet erhöhter Verunreinigungskonzentration verläuft.
7. Verfahren nach Ansprüchen 2 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Aufbringen des epitaktisch aufgewachsenen Materials die Oberfläche des Halbleiterkörpers so weit abgetragen wird, bis die gewünschte Verunreinigungskonzentration an der Oberfläche erreicht ist.
8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 2-7, dadurch gekennzeichnet, daß zum Erzeugen des niederohmigen Gebietes Cp⁺) im Halbleiterkörper und der Zone entgegengesetzter Leitfähigkeit (n⁺) die Oberfläche des Halbleiterkörpers maskiert wird und die öffnungen in der Maske so eingestellt werden, daß das niederohmige Gebiet an der Oberfläche einen geringeren Flächenteil einnimmt als die Zone entgegengesetzter -Leitfähigkeit.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zum Maskieren der Oberfläche des Halbleiterkörpers nacheinander mehrere Isolierschichten aufgebracht werden und in diesen Isolierschichten Jeweils mit Hilfe der photolithographischen Technik gejvünschte öffnungen erzeugt werden, in denen die Oberfläche des Hälbleiterkörpers freiliegt.

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