DE1589693C3 - Halbleiterbauelement mit flächenhaftem PN-Übergang - Google Patents

Halbleiterbauelement mit flächenhaftem PN-Übergang

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DE1589693C3 DE1589693A DED0053755A DE1589693C3 DE 1589693 C3 DE1589693 C3 DE 1589693C3 DE 1589693 A DE1589693 A DE 1589693A DE D0053755 A DED0053755 A DE D0053755A DE 1589693 C3 DE1589693 C3 DE 1589693C3
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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.
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)

  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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