DE1589453A1 - Halbleiteranordnung - Google Patents

Halbleiteranordnung

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DE1589453A1 DE19671589453 DE1589453A DE1589453A1 DE 1589453 A1 DE1589453 A1 DE 1589453A1 DE 19671589453 DE19671589453 DE 19671589453 DE 1589453 A DE1589453 A DE 1589453A DE 1589453 A1 DE1589453 A1 DE 1589453A1
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Description

Halbleiteranordnung
Die Erfindung betrifft eine Halbleiteranordnung, z.B. eine Diode oder einen Thyristor mit einem Körper aus halbleitendem Material eines gewissen Leitungstyps, der in der Hauptsache als verhältnismäßig dünne Scheibe mit zwei im wesentlichen ebenen und parallelen Flächen ausgeführt ist und einen mittels Diffusion durch eine der genannten Flächen eingeführten Störstoff von entgegengesetztem Leitungstyp enthält.
Wenn einem in einem Halbleiterkörper befindlichen pn-übergang eine hohe Sperrspannung aufgedrückt wird, entstehen gewöhnlich an der Oberfläche des Körpers in der Nähe des Überganges so hohe Feldstärken, daß ein Durchbruch früher an der Oberfläche als innerhalb des Halbleitermaterials auftritt. Wenn z.B. dem Skyx in Fig. 1 der Zeichnung dargestellten Thyristor eine Blockspannung aufgedrückt wird, sperrt der mittlere pn-übergang (in der Pig. mit 1 bezeichnet). Die Verhältnisse bei dem mib a bezeichneten Teil der Randfläche des Thyristors werden bestimmend für die maximal zugelassene Blockspannung des Thyristors. Die maximale
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elektrische Feldstärke lärgs der Fläche tritt nämlich dort auf. Diese maximale Feldstärke kann dadurch gesenkt v/erden, daß der Randwinkel (o( in der Figur) vermindert wird. Man muß gewöhnlich aus praktischen Gründen die ganze Randfläche der Halbleiterscheibe abschrägen, v/ie in Fig. 1 gezeigt. Das Verhältnis zwischen der ganzen Fläche der Thyristorscheibe und deren effektiven Fläche nimmt dabei schnell zu, wenn o( kleiner wird, und die Herstellung des Thyristors wird dann schwerer und kostspieliger. Dieses Verfahren zum Erhöhen der maximalen Blockspannung des Thyristors ist also mit beträchtlichen liachteilen behaftet.
Indem man den pn-übergang 1, wie in Fig. 2 gezeigt ist, gekrümmt ausführt, kann man ein Absenken der maximal auftretenden elektrischen Feldstärke längs der Oberfläche des Halbleiterkörpers erreichen. Dem Randwinkel (X , der der Winkel zwischen dem Übergang und der Oberfläche des Körpers ist, kann man nämlich bei dieser Ausführung einen sehr niedrigen Wert geben.
Eine erfindungsgemäße Halbleiteranordnung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Eindringtiefe des Störstoffes in die genannte Fläche wenigstens in einem Intervall in der Nähe des Flächenrandes allmählich vom Zen trum der Fläche zu ihrem Rand abnimmt, wodurch die gewünschte Form doπ Überganges erhalten wird, so daß diener sich bis zur genarm Um Fläche erstreckt und einen Winkel mit dieser Fläche bildet, :1er k L ei ti er al ο 4:3° lot.
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Ergebnisse praktischer Versuche haben gezeigt, daß besonders gute Eigenschaften erreicht werden, wenn man dem genannten Winkel einen Wert zwischen 1° und 10° gibt, was mit den unten angegebenen Methoden leicht erreichbar ist.
Der Erfindungsgedanke kann bei verschiedenen Arten von Halbleiteranordnungen, z.B. Dioden und Thyristoren, zur Anwendung kommen. Bei Thyristoren wird die Erfindung am vorteilhaftesten so angewendet, daß man dem mittleren pn-übergang des Thyristors eine geki"ümmte Form gibt.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Halbleiteranordnung.
Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß die Fläche vor der Diffusion wenigstens teilweise mit einer bremsenden Schicht aus einem Material belegt wird, in dem der Störstoff eine Diffusionsgeschwindigkeit hat, die höchstens von derselben Größenordnung wie seine Diffusionsgeschwindigkeit im halbleitenden Material ist, und daß man der genannten Schicht eine auf den Flächenrand zu zunehmende Dicke gibt.
Die bremsende Schicht besteht zweckmäßig aus einer chemischen Verbindung des halbleitenden Materials, vorzugsweise einem Oxyd, das einfach in an sich bekannter Weise auf der Oberfläche des Halbleiterkörpers erzeugt werden kann. Palis der Halbleiterkörper aus Silizium besteht, besteht zweckmäßigerweise die bremsende Schicht
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aus SiOp, was durch reaktive Kathodenzerstäubung,.pyrolytisch^ Ausscheidung o.dgl. erzeugt werden kann.
In gewissen Fällen, z.B.- wenn vor der Diffusion eine den Störstoff enthaltende Schicht auf der bremsenden Schicht angebracht wird, wird zweckmäßig zwischen diesen beiden Schichten eine Schutzschicht angeordnet. Wenn die bremsende Schicht aus SiOp besteht, ist die Schutzschicht vorzugsweise ein polykristallinisches Silizium, das verhindert, daß der Quarz in der den Störstoff enthaltenden Schicht aufgelöst wird. Die polykristallinische Siliziumschicht kann einfach mit Hilfe von Verdampfung oder Zerstäubung aufgebracht werden.
Die den Störstoff enthaltende Schicht kann zweckmäßig ein Oxyd des Störstoffes enthalten, z.B. BpO., oder PpOr· Bei Erwärmung während des eigentlichen Diffusionsvorganges bildet dann das Oxyd zusammen mit dem polykristallinischen Silizium eine Schicht, z.B. Borsilikatglas, mit Getter-Wirkung, wodurch die Lebensdauer der Ladungsträger trotz der Wärmebehandlung beibehalten werden kann.
Beim Anbringen der bremsenden Schicht auf der Oberfläche des Halbleiterkörpers wird zweckmäßig in irgendeiner an sich bekannten Weise der zentrale Teil der Oberfläche abgedeckt.
Die Erfindung ist im folgenden anhand der Zeichnung näher beschrieben, in dieser zeigen:
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_ 5 —
Fig. 1 einen Schnitt durch einen bekannten Thyristor, Fig. 2 einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen
Thyristor,
Fig. 3a und b Schnitte durch einen Thyristor während
der Herstellung mit Hilfe des erfindungsgemäßen
Verfahren und
Fig. 3c den Thyristor nach Entfernen von überflüssigem
Material.
Fig. 1 zeigt einen Teil eines Querschnitts durch einen Thyristor von bekannter Ausführung. Dieser hat die P-Emitterschicht 7, N-Basisschicht'3> P-Basisschicht 8 und N-Emitterschicht 13· Die beiden Emitterschichten sind stärker dotiert als die Basisschicht, und die P-Basisschicht ist gewöhnlich stärker dotiert als die N-Basisschicht. In Kontakt mit der Halbleiterscheibe sind die Anoden- und Kathodenkontakte 10 und 12 mit ihren Zuleitern 11 und 15 angebracht. Der.mit 1 bezeichnete PN-Übergang sperrt, wenn dem Thyristor eine Blockspannung aufgedrückt wird.
Die maximal zugelassene Blockspannung wird von der Feldstärke an dem zwischen dem Übergang und der aberen Fläche 2 der Scheibe liegenden Teil der Randfläche bestimmt. Diese Feldstärke kann gesenkt und/oder die zugelassene Blockspanniing erhöht werden, wenn der Abstand a in der Figur vergrößert und der Winkel CX vermindert v/ird, was dadurch erreicht wird, daß der Rand des Thyristors mehr abgeschrägt wird. Aus den oben genannten Gründen ist es nicht mö'glioh, den Rand allzu stark abzuschrägen.
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Pig. 2 zeigt einen Teil eines Querschnitts durch einen erfindungsgemäßen Thyristor. Der Übergang 1 zwischen den Basisschichten hat hier eine gekrümmte Form und erstreckt sich zur oberen Fläche 2 der Halbleiterscheibe. Hierdurch erreicht man, daß man dem Randwinkel einen niedrigeren Wert geben kann und weiter, daß durch die auf den Scheibenrand zu abnehmende Flächenkonzentration der P-Basisschicht eine zweckmäßige Feldstarkenverteilung erhalten wird
Die Anordnung eines an die IT-Basisschicht angeschlossenen Vorspannungskontakts 16-17 wird auch beim erfindungsgemäßen Thyristor dadurch erleichtert, daß er auf der oberen ebenen Fläche der Halbleiterscheibe anstatt an ihrer Randfläche angebracht v/erden kann.
Fig. 3a zeigt, wie beim erfindungsgeiuäßen Verfahren der im Querschnitt gezeigte IT-leitende Siliziumkörper 3 mit einer auf den Rand zu dickeren Quarzschicht 4 versehen wird. Diese Scliicht kann mi I; te Is reaktiver Kathode na er stäubung oder pyrolytischer Ausscheidung aufgebracht werden.
Die variable Dicke kann z.B. dadurch erhalten v/erden, daß man vor der Scheibenfläche einen zweckmäßig ausgebildeten rotierenden Schirm anordnet, der während des Aufbringeris den peripherischeti Teilen der Fläche eine längere Exponierungszeit verleiht als den zentralen Teilen. Die Dicke der Quarzschicht ist am Scheibenzentrum sehr gering oder Null und am Rande so groß, daß der Störstoff vollständig am Eindringen in die Siliziumscheibe gehindert wird. Zum Beispiel bei Diffusion während 5 Ma 40 Std. bei 1150-1250° C mußT
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deshalb am Rande die Dicke der Quarzschicht mindestens die Größenordnung 0,3 /um haben, zweckmäßig 0,7-0,8/um.
Auf der Quarzschicht 4 und auch auf dem von dieser nicht bedeckten Teil der Halbleiterkörperfläche ist die aus polykristallinischem Silizium bestehende Schicht 5-durch Verdampfung oder Zerstäubung aufgebracht. Diese Schicht verhindert die Auflösung der Quarzschicht während der Diffusion. Ihre Dicke muß so groß sein, daß die während der Diffusion auf der Oberfläche der Siliziumschicht gebildete Schicht aus z.S. Borsilikatglas (bei Diffusion mit Bor) nicht bis zur Quarzschicht vordringt. Eine zweckmäßige Dicke ist ca 2-1 5 /um.
Fig. 3b zeigt das Aussehen der Anordnung (im Querschnitt) nach der Diffusion. Diese kann zweckmäßig in bekannter Weise so ausgeführt werden, daß der Halbleiterkörper zusammen mit einer Borquelle in eine evakuierte Quarzampulle gebracht wird, die bis auf ca 1200 C in einer Zeit von ,einigen bis zu einem Mehrfachen von 10 Stunden erhitzt wird. ·
Auf der Oberfläche der Siliziumschicht 5 bildet sich dann eine Schicht 6 aus Borsilikatglas mit Getter-Wirkung. Boratome diffundieren durch die Siliziumschicht ziemlich urilehindert und werden von der Quarzschicht gebremst mit der Folge, daß der Übergang 1 die gezeigte gekrümmte Form bekommt. Boratome diffundieren auch durch die unbedeckten Seiten des Halbleiterkörpers hindurch, und die p-leitende Schicht 7 wird dort erhalten.
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Es ist auch möglich, außerhalb der Siliziumschicht 5 den Störstoff oder eine Verbindung desselben, z.B. ein Oxyd, anzubringen, wonach bei Erwärmung der Störstoff in den Halbleiterkörper hinein diffundiert.
Das Material im Halbleiterkörper braucht nicht Silizium zu sein, es kann z.B. Germanium oder Galliumarsenid sein.
Die bremsende Schicht kann außer aus Quarz auch z.B. aus Siliziumkarbid oder Siliziumnitrid bestehen oder aus einem Stoff oder einer chemischen Verbindung eines Stoffes, der vorzugsweise zu der vierten Gruppe des periodischen Systems gehört.
Der Störstoff kann natürlich aus anderen Stoffen als Bor bestehen, z.B. aus Gallium oder Phosphor.
Die oben beschriebenen Ausführungsformen sind nur Beispiele, und viele andere Ausführungsformen sind im Rahmen der Erfindung denkbar.
Die gegebenen Zeit-, Temperatur- und Dimensionsangaben sollen nur die beim beschriebenen Verfahren geeigneten Werte angeben, sie können in einem verhältnismäßig großen Bereich im Rahmen der Erfindung variiert werden.
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Claims (12)

  1. Patentansprüche;
    1 .) Halbleiteranordnung mit einem Körper aus halbleitendem Material von einem gewissen Leitungstyp, der in der Hauptsache als verhältnismäßig dünne Scheibe mit zwei ebenen und parallelen Flächen ausgeführt ist und einen mit Hilfe von Diffusion durch eine der genannten Flächen eingeführten Störstoff von entgegengesetztem Leitungstyp enthält, wodurch mindestens ein pn-übergang gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte pn-übergang sich bis zur genannten Fläche erstreckt und einen Winkel mit dieser Fläche bildet, der kleiner als 45° ist.
  2. 2. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte Winkel einen Wert zwischen 1 und 10 hat.
  3. 3' Thyristor nach Anspruch 1 oder 2, dessen eine Basisschicht durch Eindiffundieren eines Störstoffes durch die eine ebene Fläche des Halbleiterkörpers gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß sein mittlerer pn-übergang sich bis zur genannten Fläche erstreckt.
  4. 4· Verfahren zur.Herstellung der Halbleiteranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die im vorhergehenden Anspruch genannte Fläche vor der Diffusion wenigstens teilweise mit einer bremsenden Schicht aus einem Material belegt v/ird, in dem der Störstoff eine Diffusionsgeschwindigkeit hat, die höchstens von derselben Größenordnung wie seine Diffusionsgeschwindigkeit im haltleitenden Material ist, und daß man der genannten Schicht ein® gegen den Rand der Fläche zunehmende Dicke gibt.
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    - ίο -
  5. 5· Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die bremsende Schicht aus einer chemischen Verbindung des halbleitenden Materials besteht.
  6. 6. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem das halbleitende Material Silizium ist, dadurch gekennzeichnet, daß die bremsende Schicht aus SiOp besteht.
  7. 7· Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die bremsende Schicht aus Siliziumkarbid besteht.
  8. 8. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die bremsende Schicht aus Siliziumnitrid besteht.
  9. 9· Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß oberhalb der bremsenden Schicht vor der Diffusion eine Schicht aus dem halbleitenden Material angebracht wird.
  10. 10. Verfahren nach Anspruch 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Körperfläche und oberhalb der auf dieser befindlichen Schicht vor der Diffusion eine äußere Schicht angebracht wird, die eine Verbindung des Störstoffes enthält.
  11. 11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Schicht ein Oxyd des Störstoffes enthält.
    -11-
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  12. 12. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß man' der bremsenden Schicht eine so große Dicke an der Scheibenkante gibt, daß beim Diffusionsverfahren der Störstoff an diesem Teil der Scheibe nicht in den Halbleiterkörper eindringt.
    13· Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß beim Anbringen der bremsenden Schicht ein zentral liegender.Teil der Körperfläche abgedeckt ist, so daß dieser Teil nicht von der bremsenden Schicht bedeckt wird.
    Ö096U/1Ö01
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