DE1614410A1 - Halbleiterbauelement - Google Patents

Halbleiterbauelement

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DE1614410A1 DE19671614410 DE1614410A DE1614410A1 DE 1614410 A1 DE1614410 A1 DE 1614410A1 DE 19671614410 DE19671614410 DE 19671614410 DE 1614410 A DE1614410 A DE 1614410A DE 1614410 A1 DE1614410 A1 DE 1614410A1
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Description

Die Erfindung betrifft ein .Haibleiterbaueleirtent mit einem flachen, einkristallinen -Halbleiterkörper., der über seine Dicke mindestens zwei flächenhafte Zonen1 mit'-Voneinander entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp und zwischen diesen einen-'"pn-übergang aufweist und RekombinationsZentren bildenden Stoff enthält, 'idessen Löslichkeit im Halbleiterkörper mit sinkender Temperatur abnimmt. V
Bei der, Hetastellung t?qr ||alfei^|,Jterbaue^ei?ienten kann es erforderlich Bf in, in flachft ^itikriatailiiie Hai^l^i1i%rkörper Rekqmbina-
: ■"■- .■. . *- : -. . BAD ORIGINAL
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• . % . 16-1U10
tionszentren bildende Schwermetallatome einzubauen, an denen die Rekombination und Paarbildung.von Elektronen und Defektelektronen abläuft. Vielfach besitzen jedoch Atome, die einen günstigen Einfangs quer schnitt für die Minoritätsträger haben, im Halbleitermaterial eine mit sinkender Temperatur abnehmende Löslichkeit. Ein Beispiel hierfür ist Gold, das im Halbleitermaterial Silizium Rekombinationszentren mit günstigem Einfangsquerschnitt bildet, jedoch eine mit fallender Temperatur stark abnehmende Löslichkeit besitzt.
Der Einbau derartiger Rekombinationszentren in den Haibleiterkristall ist z.B. beim Herstellen von Thyristoren wichtig, die eine kurze Freiwerdezeit unter 5üM see. besitzen soixen. Unter der Freiwerdezeit eines Thyristors ist der'Zeitraum zn verstehen,
in dem nach dem Löschen, also nach, dem Undurchiässigwerden des Thyristors, wieder die volle Sperrspannung in Durchlaßrichtung (Kippspannung) an ihn angelegt werden kann, ohne daii der Thyristor von selbst durchzündet, also durchlässig wird. Diese Freiwerde^eit hängt im wesentlichen von den Eigenschaften des Thyristors im Bereich des mittleren pn-Überganges im scheibenförmigen Halbleiterkörper ab. Wenn sich in diesem Bereich genügend Rekombinationszentren befinden, die fur die Rekombination der Ladungsträgerpaare nach dem Aufhören des Stromflusses sorgen, kann in verhältnismäßig kurzer Zeit wieder die volle Sperrfähigkeit dieses pn-ftberganges hergestellt sein·
Weiterhin ist es! erforderlich, bei sogenannten schnellen Dioden Im Bereich der Raumladungen beiderseits des pn-Obergangs Kekqnbinatipnszentrf^ mit gefignet^m EinfanggqUterschnitt eiiiziitb.ringen,
009827/0 413 bad original
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um dadurch eine möglichst noheFrequeTizgrenze zu erzielen. Unter der Frequenzgrenze wird diejenige Frequenz einer an einer Diode anliegenden Wechselspannung verstanden> "bis zu weicher die Diode noch als Gleichrichter wirkt. Durch die RekomMnationszentren wird der sogenannte Trägerstaueffekt, d.h. ein verhältnismäßig hoher Fiußstrom nach dein Umschalten der Diode in Sperriehtung, vermindert. .
Bei der Prüfung fertiggestellter HalDleiterbaueiemente dieser Art, in die bei der Hersteilung Rekombinationszentren bildende Stoffe mit bei fallender Temperatur abnehmender Löslichkeit eindii'i'ündiert wurden, wurde beobachtet, daß verschiedenevoÄ diesen eine sogenannte "weiche" Kennlinie besitzen, die häufig mit einer besonders starken Instabilität im_ warmen Betriebszustand verbunden ist.. Beim Thyristor sind die Sperrspannungen in. Durchiaföri'-htung (Kippspannung) und in Sperrichtung unstabil. Außerdem waren bei solchen Thyristoren vielfachzugxeich ungleichmäßiges Durchzünden und ungewöhnlich hohe Werte der Durchiaßspannung festzustellen. Bei der Prüfung von Dioden wurden Wiederholt unstabile = Sperrspannung und zu hoher Spannungsabfall in Lurchlaförichtung gemessen. :- "".-.-"■-·. ""^; ■■.....
E3 würde erkannt, daß die beobachteten Mangel laittexbar auf Versetzungen im Kristallgitter und zu hohen Sauerstoffgehalt des Kristalls zurückzuführen sind. Während sonst solche Versetzungen, wenn sife nicht zu zahlreich sind, und der Sauerstoffgehalt erträglich erscheinen und die Brauchbarkeit der Hälbleiterbau- . elemente praktisch nicht .beeinträchtigen, -ergeben. \s ich Schwierig,-
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- ■
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. ' M ■ . 16 1U10
keiten anscheinend infolge gleichzeitigen Vorhandenseins von Rekombinationszent.ren bildenden Stoffen, wie Gold, im Halbleiterkristall. Versuche, die genannten Mangel durch rasches Abkühlen des Haibleiterkristails nach der Eindiffusion des Rekombinationszentren bildenden Stoffes zu beheben, führen nur zu einem begrenzten Erfolg. - ·
Rekombinationszentren bildende Stoffe, z.B. Pe, Mn, Cu, Ag, deren Löslichkeit im Halbleiterkörper mit sinkender Temperatur a br. immt, können jedoch auch in Form von unerwünschten Verunreinigungen bereits in geringerer Konzentration in den Aus gangs halb ie'! terkörpern vorhanden sein. Insbesondere bei zu hohem Sauerstoffgehalt der Halbleiterkörper ergaben sich daher auch dann Schwierigkeiten mit den aus ihnen hergestellten Halbleiterbauelementen, wenn in die Halbleiterkörper keine weiteren RekombinationsZentren bildende Stoffe gezielt eingebracht wurden.
So zeigten auch Thyristoren aus Halbleiterkörpern, in die keine Rekombinationszentren bildenden Stoffe mit bei sinkender Temperatur abnehmender Löslichkeit zusätzlich eindiffundiert wurden, · häufig unerwartet hohe Durchlaßspannung, niedrige Sperrspannungen sowie Undefinierte und nicht eindeutig reproduzierbare Freiwerüezeiten. Bei Dioden traten ebenfalls hohe Durchlaß- und geringe Sperrspannungen sowie Undefinierte und nicht reproduzierbare Frequenzgrenzen auf.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die beobachteten Mangel von Halbleiterbauelementen., welche Rekombinationszentren bildende
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' ~ 4 "* 009827/0473 .;
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Stoffe im ..Halbleiterkörper enthalten, möglichst weitgehend zu beseitigen. .
Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß der Halbleiterkörper wenigstens annähernd frei von Versetzungen ist und einen Sauerstoffgehalt kleiner als 10 Atome/cm hat.
Vorteilhaft beträgt die mittlere yersetzungsdichte über die · Gesamtfläche eines bliebigen, zu den Plachseiten des Halbleiterkörpers parallelen Querschnitts solcher; Zonen, in denen die Xristalistruktur des Rohkörpers erhalten geblieben ist, nicht mehr
als 1uüü/cm , während die Örtlichen Werte der Versetzungsdichte», bezogen auf Quadrate mit einer Seitenlange gleich der Dicke des
Halbieiterkörpers, unter dem Betrag von iüüüü/cm liegen.
Zur Erzielung einer geringen Duruhlaßspannung und eines gleichmäßigen DurchZ'indens, insbesondere bei Thyristoren, ist es günstig, wenn die örtlichen Werte .der Versetzungsdichte) bezogen auf Quadrate mit einer Seitenlänge von -r der Dicke de.s Halbleiterkörpers, unter dem Betrag von tOÜÖü/om liegen· . .'
Bei Halbleiterbauelementen mit einem flachen Halbleiterkörper-, dessen zu den Flachseiten paralleler Querschnitt größer als« 8 cm ist, lassen sich die oben beschriebenen Mängel bereits vermeiden,' wenn die mittlere Versetzungsdiehte über dieGesamtfläche nicht mehr als 20ü0ü/cm beträgt und ihre Örtlichen Werte, bezogen auf
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Quadrate mit einer Seiteniänge gleich der Dicke des Halbleiter-
körpers, unter dem Betrag von 5>üOOO/cm liegen. Jn diesem Pail .
läßt sich eine geringe Durchiaßspannung und ein gleichmäßiges Durchzünden bereits dann erreichen, wenn die örtlichen Werte' der Versetzungsdichte, bezogen auf ein Quadrat mit einer Seitenlange gleich ·? der Dicke des Halbleiterkörpers, unter dem Betrag von 50000/am2 liegen.
Die Erfindung und ihre Vorteile seien am Beispiel eines Thyristors anhand der Zeichnung näher erläutert:
Fig. 1 zeigt das Querschnittsprofii eines durch Legieren herp-e— stellten Thyristors.'
Pig. 2 zeigt das Quersehnittsprofix eines durch Diffusion hergestellten Thyristors.
Der Thyristor nach Fig. 1 besteht aus einem Halbleiterkörper ." mit einer η-leitenden Kernzone 3 und zwei äußeren, p-leitendon Diffusionszonen 4 und ^. An der unteren Fiachseite des Halbleiterkörpers 2 ist eine Aluminiumelektrode 6 aniegiert. Zwischen der Diffusionszone 5 und der Aluminiumelektrode 6 befindet sieh die stark aluminiumhaltige und daher stark p-ieitende Re.<ristailisationszone J. In die obere Flacheette des Haloleiterkörpers sind eine ringförmige, aus dem Gold-Siiizium-Butektikum bestehende Emitterelektrode 9 sowie eine ebenfalls aus dem Ooid-Silizium-Eutektikum bestehende kleine scheibenförmige Steuerelektrode 1O^ einlegiert. Die ringförmige*Elektrode Q kontaktiert die η-leitende, als Emitter wirksame" Rekristaliiaationszone 8,
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■ - 6 - 00"982770A73
Wl /P.η
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während die Elektrode 10 die p-leitende Basiszone 4 sperrfrei kontaktiert, τ - f _ ;
Zum Herstellen des Thyristors entsprechend Pig» 1 wird eine Scheibe aus η-leitendem, einkristallinem Silizium mit einem Durchmesser von i>2,5 mm, einer Dicke von .500/U und einem spezifischen Widerstand unter 100 Otiracm verwendet, die wenigstens annähernd frei von Versetzungen ist und einen Bauerstoi'fgehaxt kleiner als 10 Atome/cm hat. Da in diesem Pail die Gesamtfläche eines zu den Fiachseiten der Halbleiterscheibe parallelen
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Querschnitts-mehr als 8 cm beträgt, können Scheiben mit einer
2 mittleren Versetzungsdichte von z.B. 1^00ö/cm auf einer Fiachseite· als brauchbar angesehen werden;* denn l'ür diese Seheibengröße erseheinen Werte bis zu 20000/cm' zulässig. Besonders niedrige Durchlaßspannungswerte und ein gleichmäßiges Durchzünden ergeben sich für den Thyristor, wenn der Höchstwert der lokalen Versetzungsdichte in dem zu den Piachseiten parallelen Querschnitt und damit in einer Plachseite der Halbleiterscheibe in einem Quadrat mit einer Seitenlange von 60/U nicht mehr als 5OOOü/cm2, aiso z'.B. 4O000/cm2, beträgt. -
Scheiben mit diesen Eigenschaften können beispielsweise von einem Siliziumstab abgeschnitten werden, der aus einem besonderen tiegeifreien Zonenschmelzprozeß hervorgegangen ist, bei welchem der ganze Stab zusätzlich beheizt wurde, so daß seine außerhalb der Schmelzzone befindlichen Teile eine dem Schmelzpunkt des Siliziums angenäherte Temperatur von etwa 1100° C bis 1200° C hatten. Aufschluß über die Dichte der Versetzungen in den Halbleierscheiben kann man dadurch erhalten, daß man die geläppten Flachseiten
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einiger Probeexemplare mit einem geeigneten Ätzmittel, z.B. einer Mischung aus Chromsäure und Flußsäure, behandelt. An den Stellen, an denen eine Versetzung an die Oberfläche tritt, bildet sich eine sogenannte. Ätzgrube oder ein "Etch-pit" aus. Die Ätzgruben können gezählt und daraus die Dichte« der Versetzungen in einer Fiachseite "und damit in jedem zu den Piachseiten parallelen querschnitt bestimmt werden. Aus den so erhaltenen Probeergebnissen kann auf die Brauchbarkeit der übrigen vom gleichen Siliziumstab abgetrennten Scheiben geschlossen werden. Zur Weiterverarbeitung wird in die Siliziumscheiben allseitig Akzeptormaterial," z.B. Gallium, Bor oder vorzugsweise Aluminium, aus der Gasphase unter AusM-idung einer p-leitenden Oberflächenzone eindiffundiert. Das kann z.B. in einem erhitzten zugeschmolzenen Quarzrohr geschehen, in dem sich die Siiiziumscheiben und eine Dotierungsstoffqueile befindet.
Anschließend wird auf .einer Plachseite der Siliziumscheiben Gold bis zu einer Schichtdicke von ü,1 bis U,5/U aufgedampft. Hierauf werden die Siliziurascheiben unter Schutzgas oder im Vakuum ^U Minuten lang auf einer Temperatur von .860° C gehalten und danach schnell abgekühlt, so daß Gold in die Siiiziumscheiben e.i.ndiffundiert und dort Rekombinationszentren bildet.
Sodann werden auf der vorerwähnten Plachseite der.Siiiziumscheiben eine Aluminiumfolie unter Ausbildung der Elektrode 6 und der stark p-leitenden Rek.ris tall is attions zone fj-· und auf der anderen Plachseite ©ine. antimpnhaltige ,ringscheibenförraige Goldfolie unter Ausbildung der Elektrode SL und. der n-ieitenden.Rekristallisationszone 8 sowie eine, scheibenförmige, borhaltige Goldfolie unter Aus^ bildung des Steuerkontaktes 1U einlegiert. Schließlich werden die
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Mantelflächen der Siiiziumseheiben unter Ausbildung der voneinander getrennten p-leitenden Zonen 4·und 5- abgeschrägt. "
Durch das Einlegieren der Metalifollen in die Flachseiten der Siliziumscheiben wird dort unmittelbar unter der Oberfläche die ursprüngliche Versetzungsdi'ohte bis zu einer Tiefe verändert, die etwa mit der Tiefe der Rekristallisatio-nszonen übereinstimmt. In zu den Plachseiten parallelen Querschnitten.durch die Zone ) bzw. durch die von den RekristallisationsZonen 8 und 7 nicht erfaßten Teile der Zonen 4 und 5, deren Leitfähigkeitstyp durch eind if fundierte Do tierungs;subs tanz bestimmt ist, ist dagegen die ursprüngliche Versetzungsdichte d-er Siliziumscheiben erhalten geblieben.
Der.Thyristρr nach Fig. 2-besteht atus einer §inkri§t§llinen SiI i-ziums chgibe 23 mit vier, d^rqhlipd if füsi qn vqn ent s prechendem Dotierunggstoff ■hjrg-e^tfil'tgn Zgnen TI bis 14 abwechselnd eiitge:ggngep§tzt^n Le;i-|;un^t^p4? P$S %§Xit$*'zQ$e -Vt" Hi1A die Basiszpne 15 seie?i n>-leit^nd,, άίβ; ifggi^zone! 12 und. die BmitterZone p-ieite^nd". In dgr Mitte ä,ejr, i|{|i|-|^r,zp,nt fl Igt eine Ak unreinigung enthaltende (3ρ.1αΐρ,Ι1ρ itriter. 4Hs^i4-clung der S elektrode 18 so elniagiert, daß. der. p-leitende Rekristallisations bereich 19 mit 4er p-leit|nde:fi B^sisizpne 12 in Verbindung steht. Auf der Oberfläche der Eaiitterzpne 11 ist eine AiuminiumelektiOde 17 aufgedampft. An der Oberfläche; der Emitterzqne 14 befindet sich eine aus der eutektischen Siilzlumaluminiumlegierung bTg-; stehende Kontaktelektrode 15, ah der ein Trägerkörper 22 aus Molybdän durch Erwärmen unter Druck befestigt ist. -"
Zum Herstellen des Thyristors nach Fig. 2 kann eine Scheibe aus.■ η-leitendem einkristallinen Silizium mit denselben geometrischen Abmessungen, demselben spezifischen Widerstand, derselben Versetzungsdichte und demselben Sauerstoffgehalt wie zum Hersteilen des Thyristors nach Fig. 1 verwendet werden. In die Siliziumscheibe, wird zunächst, wie beim Thyristor nach Fig. 1, allseitig Akzeptormaterial eindiffundiert. Anschließend wird die so ausgebildete p-ieitende Oberflächenzone in einer begrenzten Schicht unter der Oberfläche durch allseitiges Eindiffundieren von Donatormaterial, Wie z.B. Phosphor umdotiert, so daß diese Schicht denselben Eeitungstyp wie die Ausgangsscheibe besitzt. Auf einer Flachseite der Scheibe wird diese umdotierte Schicht z.B. durch Läppen und/oder Ätzen entfernt und Gold aufgedampft, das, genauso wie beim Thyristor na.ch Fig. 1, in die Scheibe unter Ausbildung von Rekombinatiqnszentren eiyid if fundiert wird/. Schließlich wird an dieser Flachseite eine Aluminiumfolie und ein Molybdänkörper unter Ausbildung der am fiolybdänkörper 22 befestigten Elektrode aus dem Silizium-Aiuminium-Eutektikum und an der anderen Fiachseite eine Goldfolie unter Ausbildung d_er Elektrode .18 eimegiert. Sodann wird eine die Elektrode 18 umgebende Aluminiumschieht unter Ausbildung der Elektrode 17 aufgedampft und die Mantelfläche der Siiiziumscheibe 2j>, z.B. plurch. Sandstrahlen unu anschließendes Ätzen, abgeschrägt, so daß Eiich dadurch voneinander getrennte Zonen 11 bis 14 ergeben.
Die Versetzungsdichte der ursprünglichen Siliziumscheibe bleibt in zu den Flachseiten parallelen Querschnitten erhalten, die durch solche Zonen des. fertiggestellten Thyristors gelegt sind, die
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■ . ■■■-■'"■■ * . PLA 67/1037
von den Rekristallisationsbereichen der Elektroden 15 und 18 nicht erfaßt sind.
Eine oder mehrere'der Zonen 11 bis 14 des Thyristors nach Pig. 2 können auch durch epitaktisches Abscheiden von entsprechende Dotierungsstoffeenthaltendem Silizium auf die einkristall ine Siliziumscheibe erzeugt werden. Auch in diesem Pali bleibt die ursprüngliche Versetzungsdictite in den Querschnitten des -fertiggestellten Thyristors erhalten, die durch die ursprüngliche, einkristalline Siiiziumschedhe gelegt sind.
Die aus der vorstehenden Beschreibung - oder/und die aus der zugehörigen Zeichnung- entnehmbaren Merkmale, Arbeitsvorgänge una Anweisungen sind, soweit nicht vorbekannt, im einzelnen, ebenso wie ihre hier erstmals offenbarten Kombinationen untereinander, als wertvolle erfinderische Verbesserungen anzusehen. . ·
6 Ansprüche
2 Figuren
■L-i" ·' . ι .
•ν i' --;E-. ■· '.
-11
GO 9 8 27/0 47 3 Wi/Ca

Claims (2)

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT PLA 67/1 Cb? 41 16UU0 Patentansprüche
1.) Halbleiterbauelement mit einem flachen einkristall inen Halbleiterkörper, der über seine Dicke mindestens zwei fj.äehenharte Zonen mit voneinander entgegengesetztem Leitungstyp und zwischen diesen einen pn-übergang aufweist und der einen Rekombinationszentren bildenden Stoff enthält, dessen Löslichkeit im Halbleiterkörper mit sinkender Temperatur abnimmt, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper wenigstens annähernd frei von
Versetzungen ist und einen Sauerstoffgehalt kleiner als 10 V Atome/cm hat.
2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Versetzungsdichte über die Gesamtfläche eines beliebigen, zu den Fiachseiten des Halbleiterkörper parallelen Querschnitts solcher Zonen, in .denen die Kristallstruktur des
Rohkörpers erhalten geblieben ist, "nicht mehr als 1OUU/cm beträgt und die örtlichen Werte der Versetzungsdiohte, bezogen auf Quadrate mit einer Seitenlänge gleich der Dicke des Hal6-leiterkörpers, unter dem Betrag von lOUOu/cm liegen.
^. Halbleiterbauelement nach Anspruch 2, da'durch gekennzeichnet, daß die örtlichen Werte der Versetzungsdichte, bezogen auf Quadrate mit einer Seitenlänge von -r der Dicke des Halbieiter-
2 körpers, unter dem Betrag von 10U0U/cm liegen.
BAD 0R!S£3A
•r 12 -
■ ■- - ν .-. V\\ < ;.-i·^« Wi/Ca
: " .. 00 9 3 27/CU 7 3
161U10
4. Halbleiterbauelement riach Anspruch 1* dadurch gekennzeichnet, x\ ■ daß die mittlere Versetzungsdichte über eine Gesamtfläche von
* ■ 2 ' ■
mehr als 8 cm eines beliebigen, zu den Flachseiten des HaIbleiterkorpers parallelen Querschnitts solcher Zonen, in denen die Kristallstruktur des Rohkörpers erhalten geblieben ist,
2 " ■
nicht mehr als 200Uü/cm beträgt und die örtlichen Werte der Yersetzungsdiehte, bezogen auf Quadrate mit einer Seitenj-änge gleich der Dicke des Halbleiterkörpers, unter dem Betrag von bOÜüü/cm2 liegen. ·
5v. Halbleiterbauelement nach Anspruch 4» dadurch gekennzeichnet, daß die örtlichen Werte der yersetzungsdichte, bezogen auf
Quadrate mit einer Seitenlänge gleich ψ der Dicke des Halb- < -^ »
ieiterk.örpersj unter dem Betrag Von 5üÖU0/öm- liegen.
6* Haibleiterbäüeiement nach einem der Ansprüche 1 bis 5» dadurch gekenn-iäeiöhngtr 4äB dei? Leitfähigkeitstyp mindestens einer Zone dürcti eihdiffundierte iSötiarüngssUfestang bestiffißit ist* .
y ν " .·:■ ϊ ■.
EAD; ORIGINAL.
Leerseite
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