DE1464703B2

DE1464703B2 - Kapazitaetsdiode

Info

Publication number: DE1464703B2
Application number: DE19631464703
Authority: DE
Inventors: Franz 7803 Gundelfingen Scheffer Gerhard Dipl Phys 7800 Frei bürg Ehrhardt
Original assignee: Deutsche ITT Industries GmbH
Current assignee: TDK Micronas GmbH
Priority date: 1963-08-13
Filing date: 1963-08-13
Publication date: 1973-04-19
Also published as: DE1464703A1; GB1042270A; FR1390594A

Description

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 pn-Ubergang in einem mit einem Diffusionsprofil versehenen Halbleiterkörper erzeugt.

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

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-Ätzung die eigentliche Diode aus einem größeren Halbleiterkörper herauslösen. Eine derartige Anordnung ist in F i g. 1 dargestellt. Sie würde einen befriedigend großen Kapazitätshub und auch genügend hohe Abbruchspannung aufweisen. Beides ist einstellbar durch die Tiefe der Diffusion des η-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.

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In Fig. 2 ist eine Anordnung dargestellt, bei der gelegen vom pn-übergang von Halbleitermateria!

die Oberflächeneinflüsse weitgehend vermieden wer- geringerer Verunreinigungskonzentration gleichen

den. Man verwendet dazu die bekannte Planartech- Leitfähigkeitstyps umgeben ist. Ferner wird bei dem

nik, bei der durch Oxydmaskierung und Eindiffun- bekannten Verfahren weder ein in Sperrichtung be-

dieren durch in der Oxydschicht vorhandene Fenster 5 triebener pn-übergang hergestellt, noch eine Kapa-

Gebiete unterschiedlicher Dotierung und Leitfähig- zitätsdiode, sondern eine Vierschichtdiode, deren in

keit erzeugt werden. Im Einzelnen soll hierauf nicht Sperrichtung betriebener pn-übergang durch Diffu-

näher eingegangen werden, da die Planartechnik als sion von der entgegengesetzten Oberflächenseite des

bekannt vorausgesetzt wird. In F i g. 2 berührt der Halbleiterkörpers hergestellt wird und deren in Fluß-

pn-Übergang an keiner Stelle die freie Oberfläche io richtung betriebener pn-übergang beim Betrieb in

der Halbleiteranordnung, da er durch die schraffierte Sperrichlung keine in weiten Grenzen einstellbare

Oxydschicht abgedeckt wird. Nachteilig bei einer der- Kapazität aufweist.

artigen Anordnung ist jedoch die verhältnismäßig Die weiteren Vorteile und Merkmale der Erfinniedrige Abbruchspannung. Diese wird bekanntlich dung werden im folgenden an Hand eines in Fig. 3 dadurch herabgesetzt, daß der pn-übergang in der 15 dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Nähe der abgedeckten Oberfläche A in einem Gebiet Zur Vereinfachung der Erläuterung soll als Beihoher Verunreinigungskonzentration liegt. spiel eine Silizium-Diode mit einem p-Ieitenden HaIb-

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herste!- leiterkörper beschrieben werden. Sinngemäß gilt das len einer als Kapazitätsdiode mit einem in Sperr- gleiche für andere Halbleitermaterialien und andere richtung betriebenen pn-übergang von in weiten 20 Leitfähigkeitsanordnungen. Es wird von einem ein-Grenzen einstellbarer Kapazität zwischen zwei Zonen kristallinen p-leitenden Siliziumkörper verhältnisentgegengesetzten Leitfähigkeitstyps, wie sie aus der mäßig hohen spezifischen Widerstandes ausgegangen, französischen Patentschrift 1 290 783 bekannt war. Man kann dazu z. B. auch eine hochohmige epitak-Der Kapazitätshub wird erfindungsgemäß dadurch tisch aufgewachsene Schicht auf einem niederohmigen erweitert, daß ein zentrales Gebiet mit relativ grö- 25 p-leitenden Einkristall verwenden. Die eine Oberßerer Verunreinigungskonzentration der einen Zone fläche der hochohmigen p-Schicht wird maskiert. Zu des in Sperrichtung betriebenen pn-Übergangs durch diesem Zweck kann in an sich bekannter Weise die Eindiffundieren von Verunreinigungsmaterial des Oberfläche mit einem Oxydüberzug versehen werden, einen Leitfähigkeitstyps in einen Halbleiterkörper des in den mittels der bekannten photolithographischen gleichen Leitfähigkeitstyps von einem Oberflächen- 30 Technik ein Fenster eingebracht wird, an dem die teil des Halbleiterkörpers erzeugt wird und daß an- Oberfläche der p-leitenden Schicht frei liegt. Durch schließend zur Herstellung der anderen Zone Verun- diese freie Oberfläche wird p-dotierendes Material reinigungsmaterial des entgegengesetzten Leitfähig- eingebracht. Man kann zu diesem Zweck z. B. Bor keitstyps von einem größeren, den ersten Oberflä- eindiffundieren. Besonders geeignet ist dafür das chenteil allseitig überragenden Teil derselben Ober- 35 Pulver-Diffusionsverfahren, bei dem der zu diffundiefiäche in den Halbleiterkörper eingebracht oder auf rende Halbleiterkörper in ein Pulver aus dem gleiden Halbleiterkörper aufgebracht wird, so daß im chen Halbleitermaterial eingebettet wird, das mit Innern des Halbleiterkörpers das zentrale Gebiet einer bestimmten Dotierung versehen ist. Mit diesem größerer Verunreinigungskonzentration abgelegen Verfahren ist es insbesondere möglich, die Obervom pn-übergang von Halbleitermaterial geringerer 40 flächenkonzentration der eindiffundierten niederohmi-Verunreinigungskonzentration gleichen Leitfähigkeits- gen p-leitenden Zone genau einzustellen. Es liegt datyps umgeben ist und der innere Teil des an den Be- mit die in Fig. 3a dargestellte Halbleiteranordnung rührungsflächen gebildeten pn-Überganges im Ge- vor, bei der eine niederohmige, ρ+-leitende Zone in biet größerer Verunreinigungskonzentration des Halb- hochohmigem p-leitendem Material eingebettet ist. leiterkörpers verläuft und von einem äußeren im Ge- 45 Zum weiteren Aufbau der Diode wird die gleiche biet niedrigerer Verunreinigungskonzentration ver- Oberfläche des Halbleiterkörpers erneut dotiert. Zu laufenden Teil des pn-Überganges umgeben ist. diesem Zweck kann wieder eine Oxydierung der

Aus der deutschen Auslegeschrift 1 090 330 war Oberfläche durchgeführt werden, die die Reste der zwar ein Verfahren zum Herstellen eines pn-Über- zuerst aufgebrachten Oxydschicht mit überdeckt. Es ganges zwischen zwei Zonen entgegengesetzten Leit- 50 wird wieder ein Fenster in der Oxydschicht eingefähigkeitstyps bekannt, von denen eine Zone im zen- bracht, das konzentrisch zu dem ersten Fenster liegt, tralen Gebiet eine größere Verunreinigungskonzen- dieses aber in seinen Begrenzungen an allen Seiten tration besitzt als in ihrem äußeren Gebiet. Bei die- überragt. Es liegt somit nunmehr ein größerer Teil sem Verfahren wird zwar auch das zentrale Gebiet der Oberfläche des Halbleiterkörpers frei. An diese mit relativ größerer Verunreinigungskonzentration 55 Oberfläche grenzt der niederohmige p⁺-Teil und der einen Zone des pn-Überganges durch Eindif- auch Teile des hochohmigen p-Materials. Zum Herfundieren von Verunreinigungsmaterial des einen stellen des pn-Uberganges wird nun in das Fenster Leitfähigkeitstyps in einen Halbleiterkörper des glei- η-dotierendes Material eingebracht, so daß eine n⁺- chen Leitfähigkeitstyps von einem Oberflächenteil leitende Zone entsteht.

des Halbleiterkörpers erzeugt und anschließend zur 60 Zum Erzeugen der n+-leitenden Zone kann z. B.

Herstellung der anderen Zone Verunreinigungsmate- das Legierungsverfahren angewendet werden, bei dem

rial des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps von η-dotierendes Legierungsmaterial auf das Fenster

einem größeren den ersten Oberflächenteil allseitig gelegt und durch Erhitzen einlegiert wird. Die n⁺-

überragenden Teil derselben Oberfläche in den Halb- leitende Zone kann außerdem auch durch Eindiffun-

leiterkörper eingebracht. Beim bekannten Verfahren 65 dieren von η-leitendem Dotierungsmaterial, z. B.

wird aber das zentrale Gebiet mit relativ größerer Phosphor, erhalten werden. In beiden Fällen wird das

Verunreinigungskonzentration nicht derartig eindif- Einbringen des η-dotierenden Materials so gesteuert,

fundiert, daß es im Innern des Halbleiterkörpers ab- daß der entstehende pn-übergang teilweise noch in-

nerhalb 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 F i g. 3 b dargestellt ist.

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

Bei einer Diode, wie sie in Fig. 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-Überganges an hochohmiges Material angrenzt und somit eine wesentlich höhere Abbruchspannung besitzt. Der pnübergang grenzt also im Gegensatz zu der Anordnung in F i g. 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 F i g. 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-Überganges innerhalb des ρ+ -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 umleitenden epitaktischen Schicht die gewünschte Verunreinigungskonzentration des p ⁺ -Gebietes an der Oberfläche erhält.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herstellen einer Kapazitätsdiode mit einem in Sperrichtung betriebenen pnübergang von in weiten Grenzen einstellbarer Kapazität zwischen zwei Zonen entgegengesetzter. Leitfähigkeitstyps, dadurch gekennzeichnet, daß ein zentrales Gebiet mit relativ größerer Verunreinigungskonzentration der einen Zone des in Sperrichtung betriebenen pn-Übergangs durch Eindiffundieren von Verunreinigungsmaterial des einen Leitfähigkeitstyps in einen Halbleiterkörper des gleichen Leitfähigkeitstyps von einem Oberflächenteil des Halbleiterkörpers erzeugt wird und daß anschließend zur Herstellung der anderen Zone Verunreinigungsmaterial des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps von einem größeren, den ersten Oberflächenteil allseitig überragenden Teil derselben Oberfläche in den Halbleiterkörper eingebracht oder auf den Halbleiterkörper aufgebracht wird, so daß im Innern des Halbleiterkörpers das zentrale Gebiet größerer Verunreinigungskonzentration abgelegen vom pnübergang von Halbleitermaterial geringerer Verunreinigungskonzentration gleichen Leitfähigkeitstyps umgeben ist und der innere Teil des an den Berührungsflächen gebildeten pn-Überganges im Gebiet größerer Verunreinigungskonzentration des Halbleiterkörpers verläuft und von einem äußeren im Gebiet niedrigerer Verunreinigungskonzentration verlaufenden Teil des pn-Überganges umgeben ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verunreinigungsmaterial des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps durch Legieren eingebracht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verunreinigungsmaterial des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps durch Diffundieren, insbesondere durch Pulverdiffusion, eingebracht wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Verunreinigungsmaterial des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps durch epitaktisches Aufwachsen aufgebracht wird.

5. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 3, 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 Leitfähigkeitstyps gebildete pn-Ubergang teilweise noch im Gebiet erhöhter Verunreinigungskonzentration verläuft.

6. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 4, 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.

7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zum Erzeugen des niederohmigen Gebietes (p+) 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.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zum Maskieren der Oberfläche des Halbleiterkörpers nacheinander mehrere Isolierschichten aufgebracht werden und in diesen Isolierschichten jeweils mit Hilfe der photolithographischen Technik gewünschte Öffnungen erzeugt werden, in denen die Oberfläche des Halbleiterkörpers frei liegt.