DE1514187A1

DE1514187A1 - Halbleiter mit Hilfsuebergang zur Erhoehung der Durchbruchsspannung des Hauptuebergangs

Info

Publication number: DE1514187A1
Application number: DE19651514187
Authority: DE
Inventors: Lesk Israel Arnold; Clark Lowell Eugene
Original assignee: Motorola Inc
Current assignee: Motorola Solutions Inc
Priority date: 1963-11-13
Filing date: 1965-01-26
Publication date: 1969-05-14
Also published as: CH423000A; BE655472A; BE658633A; FR1421136A; NL6501004A; NL6412823A; GB1076371A; GB1030050A; CH419355A

Description

PATENTANWALT' * . "^f'

DIPUNG. ICI 0

UNG.

HELMUT GDRT

Frankfurt α. Main
SAn*d(enhofstr. 27-Tel.olcO44 ·

18.1.1965 Gzl/goe

MOTOROIA, Inc., 9&01 West Grand Avenue, Franklin Park /Illinois

U.S.A.

Halbleiter mit HilfsÜbergang zur Erhöhung der Durchbruchaspanjmn des Hauptübergangs«

Die Erfindung betrifft Verfahren und die Ausbildung von Halbleitern zur Verminderung der Auswirkungen der auf die Halbleiteroberfläche einwirkenden Bedingungen, die zu einer Verminderung der Durchbruchsspannung des Übergangs beitragen.

Ea ist bekannt, daß der Lawinendurchbruch gleichrichtender Übergänge von Halbleitern stark durch die Bedingungen auf und in der Nachbarschaft der Oberfläche des Halbleitereleinentes beeinflußt wird. Selbst wenn die Halbleiter auf ihre Oberfläche mit einer Oxydschicht oder einem Qlasüberzug versehen sind, d.h. also, wenn sie paasiviert sind, wird der Durchbruch infolge · der Überflächenbedingungen manchmal zu niedrigeren Werten verschoben. Dies gilt insbesondere, wenn der Übergang so ausgelegt ist, daß der Durchbruch nicht in dem ganzen Material erfolgt, bis über dem Obergang eine relativ hohe Sperrspannung anliegt. Venn das elektrische Feld an der Oberfläche höher ist als im Material, dann tritt der Durchbruch an der Oberfläche bei einer niedrigeren Spannung aus als im Material· Selbst wenn das elektrische Fold an der Oberfläche nicht höher als iia Material ist, kann das einwirkende Feld eine Wanderung von Ionen zur Oberfl»· ehe oder sogar eine Gasentladung in der Umgebung dea Halbleiters bewirken} der Übergang zeigt daher eine Durchbruchsspannungi die niedriger ist als die bei der der Durchbruch in dem Materiell

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- 2 auftreten sollt··

Einige Verfahren zur Verringerung des elektrischen Feldes an der Oberfläche von Übergängen sind bereite vorgeschlagen vor· den· So ist die Verwendung einer Oberflächenschicht Mit hohem spezifischen Widerstand Gegenstand der deutschen Patentanmeldung M 5β 355 vom 27. 9*1963 der Motorola Inc. Hier schließt die Oberflächenschicht hohen spezifischen Widerstandes an den Übergang an und für eine gegebene Sperrspannung am Übergang dringt die Verarmungezone weiter in die Oberflächenschicht ein als in das Hauptmaterial mit dem niedrigeren spezifischen Wider stand«Daher ist das elektrische Feld an der Oberfläche niedriger als in der Hauptstasse des Materials, so daß der Durchbruch hier eher als an der Oberfläche eintritt·

Bei Siliziumhalbleitern, bei denen die Dotierung des Halblei· terkörpers an der Oberfläche geringer wird« ist die Durch· bruchsspannung in der Regel geringer als 200 V· Man vermutet, daß diese Begrenzung vom Zustand der Oberfläche herrührt· Obgleich es möglich erseheint, diesen Oberflächenzustand durch •ine entsprechende Oberflächendotierung zu kompensieren, um «inen hohen scheinbaren spezifischen Widerstand an der Oberfläeh· JBU erhalten, ist ein« entsprechend genaue Kontrolle und Steuerung schwierig durchzuführen.

Sine besondere Behandlung ist erforderlich, um an der Oberfläohe eines Halbleiterelementes «ine derartig· "eingebaute" Schicht hohen spezifischen Widerstandes auszubilden. Obgleich besondere Verfahrensaohritte für manche Anwendungen gerechtfertigt sein können, ist es doch wünschenswert, die Felder auf der Oberfläche durch geeignet· Ausbildung und Methoden zu erreichen, die keine besonderen Verfahrensschritte erfordern.

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Bei der vorliegenden Erfindung wird ein Hilfeübergang benutzt, der die Oberflächenfelder vermindert und die Durchbruchβspannung einee primären Überganges erhöht« Per Hilfeübergang wird vor· zugsweise um den Haupt- oder primären Übergang her um ausgebildet. Beide Übergänge lassen sich in dem Halbleitermaterial durch denselben Verfahrensechritt herstellen _t beispielsweise durch einen einsigen Masken-Diffusionssehritt< Der HilfaÜbergang soll dicht genug beim Hauptübergang liegen,, um die Ausbreitung der Verarraungezone.vcm Hauptübergang in den Hilfsübergang bei Anlegen einer Sperrspannung* die wenig unterhalb der (durch die Oberfläche begrenzten) DurchbrUchsspannung dee Hauptübergange liegt« zu erlauben· Für Spannungen, die über derjenigen liegen, bei der die Verarmungβzone den HilfsÜbergang erreicht, breitot sich die Verartnungszone aufgrund des letzterwähnten Übergangs mehr an der Oberfläche als in Hauptamt er ial aus und verringert die elektrischen Felder an der Oberfläche· Daher kann ein Durchbruch in der Hauptmasse des Materials eher als an der Oberfläche eintreten und es ist Möglich, die Halbleiter £ür höhere Durchbruchsspannungen auszulegen, als wenn diese Spannung durch Oberflächenbedingungen begrenztist· Bs haben sich in der Praxis höhere Durchbruchsspannungen erreichen las-« sen, als sie mit Hilfβ anderer Techniken *ur Verringerung der Oberflächenfelder Bsöglich gewesen sind·

Man kann auch mehr als einen HilfsÜbergang verwenden, üb die Ausbreitung der Oberflächenfelder zu vergrößern und erhält auf diese Weise'noch höhere Durchibrüchsapannungen als sie mit nur einem HilfsÜbergang zu erreichen sind« Die geometrische Ausbildung kann so gewählt werden, daß der Gesantdurchhruch nicht ehör auftritt_t als bis in jedem HilfsÜbergang der Durchbruch eingetreten 1st, und da die Durchbruchsspannungen dieser HilfsÜbergänge sich addieren, steigt die Geaantdurchbruchsspannung beträchtlich an.

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6AD ORIGINAL

Die Erfindung ist im einzelnen anhand der beiliegenden Zeichnungen beschrieben;
es zeigt:

Figu*. l:

eine vergrößerte perspektivische Ansicht eines Transistors, bei dem zur Veranschaulxchung des Inneren ein Teil 'der Deckkappe fortgebrochen ist;

Figur 2;

eine stark vergrößerte geschnittene perspektivische Darstellung des Halbleiters nach Figur 1;

Figur 3:

ein vergrößerter Teilschnitt eines Teiles des Halbleiters« der dem in Figur 2 dargestellten ähnlich ist,zur Veranschaulichung der Ausbreitung der Verarmungezone vom Basis-Kollektor-Übergang aus und der verstärkten Ausbreitung an der Halbleiteroberfläche aufgrund des Hilfsübergangs;

Figur 4t

ein Diagramm der Verteilung des elektrischen Feldes im Raum eines pn-Überganges wie im Basis<rKollektor«>Ubergang «ines npn-Transistors;

Figur -S ₁ ? - - "■■■■."-·

ein Diagram)» ähnlich der Figur 4 für den Fall, daß ein einziger besonderer pn-übergang den Hauptübergang, der in Figur 3 dargestellt ist, umgibt;

Figur 6t

für den Fall, daß mehr als ein Hilfeübergang um den Primärübergang vorgesehen sind;

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Figur 71

schematisch einige mögliche Ausbildungen des Primär-und des . Hilfstiberganges}

-8«

einen Herstellungsgang zur Ausbildung der Übergänge nach der Erfindung· '

Die Erfindung ermöglicht die Fabrikation passivierter Halbleiter mit höherer Durehbruchsspannung als sie bisher möglich war. Man sieht hierfür einen besonderen Übergang um den Hauptübergang des Halbleiters vor und diese beiden Übergänge lassen sich im gleichen Verfahrensschritt ausbilden. Die Anwendung der Erfindung ist nicht auf irgendeinen bestimmten Halbleiter oder auf ein besonderes Herstellungsverfahren beschränkt. Sie läßt sich bei Dioden« Transistoren, gesteuerten Gleichrichtern, um nur wenige Beispiele au nennen, ausführen·

Figur 1 aeigt einen Transistor 10 mit einem Halbleiterelement 11, das gemäß der Erfindung ausgebildet ist. Zur VeransehauXichung eines erfindungsgemäßen Beispiels ist ein vollständiger Transistor dargestellt, von. dessen Kappe 12 und dessen Zuleitungen 13t l4 und 15 Stücke weggelassen sind» Das Halbleiterelement 11 iat auf einem Montagesockel l6 aufgebaut, der den tragenden Teil bildet. Die Emitter· und Basis-Zuführungen 13 und 14 sind von diesem Montageboden isoliert und sind mit Emitter und Basis des Halbleiterelementes 11 über die durch Thermokompression befestigten Kontaktdrähte 17 verbunden· Die mit dem Kollektor verbundene abgebogene Zuleitung 15 ist mit dem Metall des Montagesockel^ verschweißt , auf den die Kollektorseite des Halblei« terelementes 11 aufgesehmolsen ist·

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Figur 2 sseigt die innere und äußere Konstruktion des Halbleiter elementes 11 genauer. Bei dieser Ausführung sind der Emitter 21, die Basis 22 und der Kollektor 23 in einer Halbleitersehicht 2k auegebildet, die epitaxial auf einem Halbleiter-Kristallträger 25 gewachsen ist« Die Epitaxialschicht 24 und der Träger 25 sind vom gleichen Leitfähigkeitstyp und haben die gleiche Kristallstruktur, jedoch ist der Träger stärker dotiert, so daß die Sättigungsspannung ^VCE(SAT) ^niedriS^e** ist.

Der Transistor kann ein npn- oder auch ein pnp-Transistor sein·

Bin Hilfsübergang 26 umgibt den Basis-Kollektor-Übergang 27t von dem er jedoch getrennt ist· Der HilfsÜbergang und ebenso der Emitter-Basis- und der Baeis-Kollektor-Übergang sind durch selektive Diffusion von Dotiermaterial in das Halbleiterelement 11 von der Oberfläche her gebildet worden· Die Oberfläche ist mit einem isolierenden Material 29 übersogen, das die Übergänge abdeckt und dazu beiträgt« den Transistor zu passivieren. Bei einem Silizium-Transistor besteht der Überzug 29 gewöhnlich aus Siliziumdioxyd oder einem Silizlumglas; es sind jedoch auch schon andere Passivlerungsmaterialien vorgeschlagen worden· Die Kontakte 31* 32 und 33 für Emitter, Basis und Kollektor bestehen aus Metall. Der diffundierte Bereich, der sich an den HilfsÜbergang 26 anschließt β erhält kein besonderes Potential und kann durch den in Figur 2 gezeigten Überzug 29 vollständig bedeckt werden· . ·

Figur 3 stellt einen stark vergrößerten Schnitt dar, zur sehematiachen Veranschaulichung,wie dar HilfsÜbergang 26 das elektrische Feld der Überfläche «Ines Hauptüberganges 27 verringert. Im Vergleich auj Figur 2 ist Figur 3 aus Klarheitsgründen vereinfacht dargestellt· Sie besieht eich auf einen npn-Transistor oder ein· pn-Diodej die Erfindung kann jedoch, wie bereits erwähnt , genauso auf einen pnp-Transistor, np-Dioden, gesteuerte Gleichrichter undoati4«jr«f^ilblAlter Anwandung finden·

Wimum

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Wenn über dea primären übergang 27 eine anwachsende Sperrspannung liegt, se breitet sich eine Veraraungesane von Übergang 27 in beide Richtungen aus« Die Ausmaße der Teraraungscone ist in Figur 3 durch gestrichelte Linien in frei gewählten Maß der Ausbreitung in die n-leltende Hauptmasse des n-leltenden Materials angedeutet· Bei einer geringen Sperrspannung erstreckt sich die Yararaungssone in dea n-leitenden Material bis nur gestrichelten Linie Α« Wächst die Sperrspannung, so erreicht die Verarmungesone die Linie B und alt weiterem Anwachsen dehnt sie sich.bis su den Linien D, E und F aus· Wenn die Verarnungszone die Linie '™ C erreicht, so wird der HilfsÜbergang 26 asua größten Teil in Sperrichtung vorgespannt, da das Potential in der n-leitenden Hauptaasse des Materials positiver als in der p+-Zone auf der anderen Seite des Übergangs ist· Für schrittweise anwachsende Sperrspannungen breitet sich die Veraraungszone un den Übergang 26 aus und wird in swei Bereiche aufgeteilt· Ss ergibt sich aus Figur 3» daß die Verarmung*sone sieh aehr an der oberseitigen Oberfläche des Transistorelementes ausbreitet als in der Hauptmasse des Materials neben dea übergang 2? und daß daher das elektrische Feld an dieser Oberfläche niedriger ist als das Feld in Hauptaaterial· Daraus folgt, daß der lawinenartige Durchbruch in Hauptaaterial eher als an der Oberfläche eintreten kann· μ

Die in Figur 3 veranschaulichte Erscheinung soll weiter in Zusammenhang alt den Diagrammen nach Figur % und 5 erläutert werden. Die Poisson'sche Gleichung für η-leitendes oder p-leitendes Material der Hetto-Ladungsdichte (net charge density)β und der Dielektrizitätskonstante £ ,lautet:

wobei E das elektrische Feld und ac der Abstand ist· Das Dlagraaa nach Figur 4 eeigt die elektrische Feldverteilung in Bereich eines p+n-Üherganges, wenn, die Sperrspannung von "aⁿ nach "f"

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In Figur 5 ist die Betrachtung für einen p+n-Aufbau dargestellt Die Figur veranschaulicht die Verhältnisse längs der Oberfläche einer Diode mit einem p+n-Übergang und einem einzigen Hilfsp+n-Übergang um den Hauptübergang, wie er in Figur 3 dargestellt ist.

In ertster Näherung kann das elektrische Feld ain Hilf s-pn-Üb erg* wo er bei χ an die Oberfläche tritt, als klein angenommen werden. Bei angelegten Spannungen« die kleiner als die zum Aufbau der Feldverteilung c nach Figur 3 sind, verteilt sich das elektrische Feld nach den Kurven d, e und f für allmählich anwachsenden Spannungene Dies bedeutet, daß sich an der Oberfläche der Haupt- und der HilfsÜbergang so auswirken, als wenn sie in Reihe geschaltet wären, d.h«, Oberflächendurchbrüche mit hohen Strömen können nur auftreten, wenn die Spannung am Hauptübergang genügend hoch ist, um beide Übergänge zu durchbrechen Legt man eine hohe Sperrspannung an, so ist daher die Ausdehnung der gesamten Verarmungszone auf der Oberfläche größer und die Spitzenwerte des elektrischen Feldes sind kleiner als bei einem einzigen Übergang« Dadurch liegt der Oberflächendurchbruch höher, so daß ein Durchbruch in der Hauptmasse des Materials eintreten kanne

Figur 6 stellt einen Schnitt durch eine pn-Diode 36 dar, bei der der Hauptübergang 37 von zwei HilfsÜbergängen 38 und 39 umgeben ist. Diese Darstellung veranschaulicht wie mehr ein Hilfsübergang verwendet werden kann, damit das elektrische Feld an der Oberfläche gemäß der Erfindung noch weiter verringert werden kann· Die Zahl der verwendbaren HilfsÜbergänge ist in erster Linie durch Gegebenheiten bei der praktischen Herstellung begrenzt· Damit die besonderen Hilfeübergänge wirksam sind, müssen sie dicht genug am Hauptübergang liegen, so daß die Verartnungszone jeden HilfsÜbergang erreicht, ehe der Oberflächendurchbruch

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-greintritt· Bein gegenwärtigen Stand der Ilerstellungstechnik haben sich awei HilfsÜbergänge unter Berücksichtigung dieser Abstandserfordernisse mit Erfolg verwirklichen lassen« aber mit weiter fortschreitender Technologie steht zu erwarten« daß auch noch mehr Übergänge unter Einhaltung der erwähnten Dimensionsgesichtspunkte realisierbar werden· _f

Figur 7 zeigt schematische Ansichten mehrerer möglicher alternativer Ausführungen für den Primär· und den HilfsÜbergang oder ■ ■ ' die -Übergänge. Die quadratische, kreisförmige, rechteckige, ™

unsymmetrische und mehrfache Ausbildung der von oben nach unten in Figur 7 dargestellten Ausführungsformen sprechen für sich selbst» In jedem Pail ist der Hilfsübergang mit 26 und der Hauptübergang mit 27 bezeichnet« Die unsymmetrische an vierter Stelle gezeigte Form steht für eine Gruppe, bei der der Oberflächenbereich, in dem der Durchbruch beginnt, kontrolliert werden kann α

Geeignete Verfahreneschritte zur Herstellung von Halbleitern gemäß der Erfindung sind in Figur ö dargestellt· Sie zeigt die Schritte zur Herstellung eines einzigen Halbleiters aber es versteht sich, daß bei der tatsächlichen Herstellung hundert oder Λ noch mehr Halbleiterelemente gewöhnlich zur gleichen Zeit auf einem einzigen Halbleiterplättchen oder Träger hergestellt werden, der im Verlaufe des Verfahrens in einzelne Halbleiterelement'» unterteilt wird· Dieses Verfahren umfaßt Festkörperdiffusion zur Ausbildung der Übergänge; selbstverständlich können alternativ auch andere Verfahren, wi<a Legierung oder epitaxiales 1/achstum zur Ausbildung des primären und dos Hilfs-Übergangs benutzt werden·

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Zur Ausbildung des Basis-Kollektor-Überganges 27 und des Hilfeüberganges 26 werden VerfahrenssehrItte der selektiven Abdeckung und Diffusion (Figuren ÖA und 8B) benutzte Ein p-Dotiermaterial wird durch die Öffnungen 37 und 38 in einem Siliziumdioxydfilu 39 auf der Oberfläche des Siliziumelementes diffundiert· Während dieses Diffusionsschrittes wächst an den Öffnungen 37 und 38 ein Oxydfilm über die Siliziumoberfläche und bedeckt beide der diffundierten Zonen 4ö und 4l.

Zn den Siliziumdioxydfilm (Figur 8C) wird eine neue Öffnung &2 geschnitten! durch die ein n-Dotiermaterial diffundiert wird, so daß die Emitterzone 43 entsteht» Während dieser Emitterdiffundierung wächst eine zusätzliche Oxydschicht auf der Oberfläche· In die Siliziumdioxydschicht werden durch geeignete Techniken Öffnungen gemacht, durch die hindurch Ohmsehe Kontakte 44 und zur Bildung der Basis?» und Emitter-Kontakte metallisiert werden* Zur Vervollständigung des Halbleiters wird das Element auf einer Tragplatte, die in Figur 1 mit l6 bezeichnet ist, befestigt und zwischen den Metallkontakten und den Tragplattenzuleitungen werden Drähte angebracht, und anschließend wird der Halbleiter verschlossen·

Nach der Erfindung hergestellte Halbleiter zeigen verbesserte Eigenschaften gegenüber bekannten Halbleitern, da sie bei höheren Spannungen betrieben werden können· Sie können so ausgelegt werden« daß sie höhere Durchbruchsspannungen als bekannte Halbleiter aufweisen· Wie erwähnt, kann der Hilfsübergang im Halbleiterelement zur gleichen Zeit und mit Hilfe des gleichen Verfahransschrittes ausgebildet werden wie der Hauptübergang· D&x· Herst.ellungsprozeß ist Im Gesamten nicht wesentlich schwieriger wenn die Erfindung bei der Fabrikation ausgeführt wird.

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Claims

- 11 Patentansprüche

1. Halbleiterelement, g e k ennzeichnet d u r c h eine erste und eine zweite Zone» zwischen denen sich ein Haupt» übergang zur Oberfläche des Halbleiterkörpers erstreckt, und durch eine dritte Zone im Halbleiterkörper, zwischen der und der zweiten Zone sich ein Hilfeübergang zur Oberfläche des Halbleiterkörpers erstreckt, wobei die dritte Zone und der HilfsÜbergang die erste Zone und den Hauptübergang mit Abstand außen umgeben·

2. Halbleiterelement nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k β η nz e ic h η e t, daß die erste Zone eine Emitterzone und eine Basiszone enthält, zu der elektrische Kontakte geführt sind und daß die zweite Zone eine Kollektorzone ist, zu der elektrische Kontakte geführt sind«

3· Halbleiter nach Anspruch !,gekennzeichnet du rc h einen HilfsÜbergang, der bei Anlegen einer Sperrspannung an die erste Zone das elektrische Feld an der Oberfläche des Halbleiterkörpers herabsetzt und die Durchbruchsspannung an ihr erhöht·

<, Halbleiter nach Anspruch !,gekennzeichnet durch mindestens eine weitere außerhalb ω die dritte Zone herumlaufende Zone und mindestens einen weiteren an der Oberfläche Im Abstand vom primären Übergang verlaufenden HilfsÜbergang »

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Halbleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und zweite Zone verschiedenen Leitfähigkeitstyp und die dritte Zone den gleichen Leitfähig* keitstyp wie die erste Zone haben_o

Halbleiter nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen HilfsÜbergang, der bei Anlegen einer Sperr» spannung an den Hauptübergang die von diesem ausgehende Verarmungezone im Halbleiterkörper ausbreitet»

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