DE1589693C3 - Halbleiterbauelement mit flächenhaftem PN-Übergang - Google Patents
Halbleiterbauelement mit flächenhaftem PN-ÜbergangInfo
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Description
Aus der Zeitschrift »Journal of the Electrochemical Society« 114, (1967), Seiten 255 bis 259, ist bekannt,
daß bei der Herstellung von Silicium-Einkristallen, insbesondere nach dem Tiegelziehverfahren, nahezu
periodische Schwankungen der Dotierungskonzentrationen auftreten. In einem zur Ziehrichtung des
Kristalls senkrechten Schnitt äußern sich diese in der englischen Fachliteratur mit »Striations« bezeichneten
Inhomogenitäten durch eine baumrindenartige Dotierungsstruktur in Form von Streifen. Werden aus
einer derartigen Silicium-Scheibe Zenerdioden hergestellt, so treten durch die Dotierungsschwankungen
im wesentlichen drei Nachteile auf, wie anhand der Fig. 1 und 2 erkennbar ist, die in Aufsicht bzw. Querschnitt
eine planare Zenerdiode mit einem kreisflächenförmigen PN-Übergang 2 von etwa 1 mm
Durchmesser zeigen:
a) Bei relativ zur Abmessung der Streifen großflächigen PN-Übergängen gemäß der Fig. 1 brechen
in Sperrichtung zunächst nur die höchstdotierten Gebiete 1 des PN-Überganges durch. Bei
Steigerung der angelegten Sperrspannung werden zunehmend auch Gebiete schwächerer Dotierungskonzentration
erfaßt. Zenerdioden mit PN-ÜbeFgängengemäß der Fig. 1 zeigen gegenüber
homogen dotierten Dioden einen erhöhten differentiellen Widerstand im Abbruch.
b) Bei relativ kleinflächigen Elementen (Durchmesser des PN-Ubergangs klein gegen die Streifenbreite)
tritt der unter a) genannte Nachteil nicht auf. Statt dessen erhält man gemäß der Dotierungsvariation
eine Streuung der Durchbruchspannungswerte Uz der einzelnen PN-Übergänge
längs des Durchmessers d einer Halbleiterplatte, wie die F i g. 4 veranschaulicht.
Diese Streuung ist ein erheblicher Nachteil bei der gezielten Fertigung von Zenerdioden oder
anderen Halbleiterelementen, bei denen eine bestimmte Durchbruchspannung angestrebt
wird.
c) Bei stark dotiertem Silicium beispielsweise, kann in Gebieten maximaler Dotierungskonzentration
die maximale Löslichkeit CL des Dotierungsstoffes
in Silicium bereits überschritten sein, wie die Fig. 3 durch den gestrichelten Flächenteil unter
der Kurve der Dotierungskonzentration C veranschaulicht. An solchen Stellen treten punkt-
oder linienförmige Ausseigerungen des Dotierungsstoffes auf, die. bei nachfolgenden Temperaturprozessen
als Dotierungsquellen wirken. Halbleiterelemente mit derartigen Erscheinungen weisen bevorzugt Doppelknicke in der
Sperrkennlinie des betroffenen PN-Übergangs gemäß der Fig. 5 auf. In dem Aufsatz »Die Zenerdiode«
in der Zeitschrift »Bull. SEV« 53 (1962) 25 vom 15. Dezember 1962, Seiten 1228
bis 1235, wird allerdings die Vermutung geäußert, daß die Ursache auf der Anwesenheit von
kugelförmigen SiO2-Einschlüssen beruhen könnte. Nach der französischen Patentschrift
1248102 ist auch vermutet worden, daß beim Kristallziehen entstandene Versetzungslinien als
Nebenschlüsse geringen Widerstandes wirken und die Kennlinie eines Silicium-Gleichrichters
ungünstig beeinflussen. Die Festkörperlöslichkeiten von geeigneten Dotierungsstoffen für Silicium
sind im übrigen aus der Zeitschrift »The Bell System Technical Journal« (Januar 1960),
Seiten 205 bis 233, bekannt.
Erfahrungsgemäß zeigen nicht alle Dotierungsstoffe, beispielsweise der Reihe P-As-Sb, den Streifencharakter gleichermaßen stark ausgeprägt. Insbesondere weist Antimon besonders starke Inhomogenitäten auf. Bei der Herstellung von planaren Zenerdioden mit epitaktischer Oberflächenpassivierung durch eine niedrigdotierte Oberflächenschicht wird jedoch üblicherweise gerade Antimondotierung für das die Abbruchspannung bestimmende Halbleitermaterial verwendet. Der Grund dafür liegt darin, daß Phosphor wegen seines hohen Diffusionskoeffizienten und Arsen wegen seines hohen Dampfdruckes als Dotierungsmaterial ausscheiden.
Erfahrungsgemäß zeigen nicht alle Dotierungsstoffe, beispielsweise der Reihe P-As-Sb, den Streifencharakter gleichermaßen stark ausgeprägt. Insbesondere weist Antimon besonders starke Inhomogenitäten auf. Bei der Herstellung von planaren Zenerdioden mit epitaktischer Oberflächenpassivierung durch eine niedrigdotierte Oberflächenschicht wird jedoch üblicherweise gerade Antimondotierung für das die Abbruchspannung bestimmende Halbleitermaterial verwendet. Der Grund dafür liegt darin, daß Phosphor wegen seines hohen Diffusionskoeffizienten und Arsen wegen seines hohen Dampfdruckes als Dotierungsmaterial ausscheiden.
Aus der DE-AS 1151881 ist bekannt, den PN-Übergang
einer Diode entweder durch Diffusion einer N-dotierenden Verunreinigung, wie Phosphor, Antimon
oder Arsen, in einen P-leitenden Halbleiterkörper aus Silicium oder durch Diffusion einer P-dotierenden
Verunreinigung, wie Bor, Indium, Gallium oder Aluminium, in einen N-leitenden Halbleiterkörper
aus Silicium herzustellen.
Ein solches Verfahren ist nach der DE-AS 1180462 auch zur Herstellung von Zenerdioden geeignet.
Aus dem bereits erwähnten Aufsatz »Die Zenerdiode« in der Zeitschrift »Bull. SEV« 52 (1962), vom
15. Dezember 1962, Seiten 1228 bis 1235, ist eine Zenerdiode mit flächenhaftem PN-Übergang zwischen
einer P-dotierten Oberflächenzone bekannt, welche sich in einen N-dotierten Halbleiterkörper erstreckt
und an der der Oberflächenzone abgelegenen Oberflächenseite eine N-leitend mit Phosphor dotierte
Oberflächenschicht aufweist, welche zur niederohmigen Kontaktierung des Halbleiterkörpers dient.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Halbleiterbauelement mit einem PN-Übergang zu
schaffen, welches mit hoher Ausbeute bei geringen Streuungen im Durchbruchgebiet der Kennlinie des
PN-Übergangs herstellbar ist. Bei der Herstellung von Zenerdioden bedeutet dies die Erzielung eines verminderten
differentiellen Widerstandes im Durch-
bruchgebiet der Kennlinie und das Fehlen von Doppelknicken.
Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement mit gleichmäßiger Dotierungskonzentration und damit
gleichmäßiger Durchbruchspannung über einen flächenhaften PN-Übergang zwischen einer P-dotierten
Oberflächenzone, welche sich durch eine Oberflächenschicht eines einkristallinen Halbleiterkörpers
aus Silicium in eine N-dotierte erste Teilzone zwischen der Oberflächenschicht und einer sehr stark N-dotierten
zweiten Teilzone erstreckt. Ein solches Halbleiterbauelement, bei dem der PN-Übergang teilweise
durch Legieren erzeugt wird, ist aus der britischen Patentschrift 1052673 bekannt.
Die obengenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß bei dem bekannten Halbleiterbauelement durch die
im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebene Ausbildung gelöst.
Die Fig. 6 der Zeichnung zeigt ein als planare Zenerdiode ausgebildetes Halbleiterelement nach der
Erfindung.
Die die Durchbruchspannung bestimmende Zwischenschicht 3 wird epitaktisch auf einem zweckmäßigerweise
bis zur Sättigung mit Phosphor dotierten SiIicium-Grundkörper
5 aufgebracht. Die mit Arsen dotierte Zwischenschicht 3 wird durch das bekannte Verfahren der Epitaxie mit einer N~-Oberflächenschicht
4 überzogen. Die nachfolgende Planardiffusion zum Herstellen der P-dotierten Oberflächenzone
6 durch die Maskierungsschicht 7 ist so zu
steuern, daß die Diffusionsfront und damit der PN-Übergang bis in die, mit Arsen dotierte Zwischenschicht
3 vorgetrieben wird.
Durch die Erfindung ergibt sich der Vorteil, daß durch die Verwendung von Arsen mit seinem niedrigen
Diffusionskoeffizienten ein Vorrücken der relativ hochdotierten Zwischenschicht 3 in die niedrig dotierte
Oberflächenschicht 4 während der Planardiffusion vermieden wird, was aber bei Verwendung von
Phosphor geschieht. Der gegenüber Antimon relativ hohe Dampfdruck des Arsens macht sich bei der Herstellung
des Halbleiterbauelements nach der vorliegenden Erfindung während des Diffussionsprozesses
nicht störend bemerkbar, da die mit Arsen dotierte Zwischenschicht 3 allseitig von nicht mit Arsen dotierten
Schichten umschlossen ist. Ein weiterer Vorteil des Halbleiterbauelementes nach der Erfindung besteht
darin, daß die durch die hohen mit Phosphor erzielbaren Dotierungskonzentrationen im Grundkörper
ein sehr geringer Bahnwiderstand erreicht werden kann.
Der oben erläuterte Erfindungsgedanke kann auch vorteilhaft dann angewandt werden, wenn gleichmäßige
Dotierungskonzentrationen über PN-Übergangsflächen und damit gleichmäßige Durchbruchspannungen
oder auch möglichst geringe Streuungen der Durchbruchspannungen von Einzelelementen einer
Halbleiterplatte erwünscht sind. Der Erfindungsgedanke ist somit im Bedarfsfalle auch bei Transistoren,
Thyristoren oder Vierschichtdioden anwendbar.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen
Claims (1)
- Patentanspruch:Halbleiterbauelement mit gleichmäßiger Dotierungskonzentration und damit gleichmäßiger Durchbruchspannung über einen flächenhaften PN-Übergang zwischen einer P-dotierten Oberflächenzone, welche sich durch eine Oberflächenschicht eines einkristallinen Halbleiterkörpers aus Silicium in eine N-dotierte Zwischenschicht zwischen der Oberflächenschicht und einem sehr stark N-dotierten Halbleitergrundkörper erstreckt, dadurch gekennzeichnet, daß die die Durchbruchspannung im Sperrgebiet des PN-Übergangs (2) bestimmende Dotierung der epitaktisch aufgebrachten Zwischenschicht (3) aus Arsen und die Dotierung des Halbleitergrundkörpers (5) aus Phosphor bestehen und daß die nicht mit Arsen dotierte Oberflächenschicht (4) schwächer N-leitend dotiert ist als die Zwischenschicht (3).
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1968
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