DE1764023C3

DE1764023C3 - Halbleiterbauelement und Verfahren zum Herstellen

Info

Publication number: DE1764023C3
Application number: DE1764023A
Authority: DE
Inventors: Eric Frederick Somerville N.J. Cave
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1967-03-22
Filing date: 1968-03-22
Publication date: 1981-07-23
Also published as: ES351788A1; BR6897822D0; SE346419B; FR1557424A; DE1764023B2; US3443175A; DE1764023A1; GB1152156A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Halbleiterbauelement nach dem Gattungsbegriff des Patentanspruchs 1.

Aus der DE-AS 11 88 207 ist eine Flächendiode bekannt, die dank einer besonders dünnen einkristallinen Oberflächenschicht hohen spezifischen Widerstandes aus Halbleitermaterial gute elektrische Eigenschaften, wie z. B. eine hohe Abbruchsspannung, haben soll. Zu ihrer Herstellung wird auf eine hochohmige einkristalline Halbleiterplatte aus Germanium eine Zwischenschicht aus einem Legierungsmaterial, wie z. B. Aluminium, aufgedampft, die nach einem Legierungsprozeß in der Halbleiterplatte einen pn-übergang bildet. Auf die Zwischenschicht wird dann eine Metallschicht oder alternativ eine polykristalline niederohmige halbleitende Schicht vom Leitungstyp des Materials der Zwischenschicht aufgebracht. Abschließend wird der Halbleiterkörper in üblicher Weise kontaktiert. Der Zweck der polykristallinen oder metallischen Schicht besteht darin, als Trägerschicht die erforderliche mechanische Festigkeit des Bauelementes zu gewährleisten, ohne daß die bei gewissen Bauelementen mit epitaktischen Schichten gegebene Gefahr einer Diffusion von Dotierungsmaterial aus der niederohmigen Schicht in die hochohmige Schicht besteht. Zwar kann der pn-übergang der bekannten Flächendiode statt durch einen Legierungsprozeß auch durch Diffusion von entsprechendem Störstellenmaterial in die hochohmige Oberflächenschicht gebildet werden. Aber auch in diesem Fall soll zwischen der Oberflächenschicht und der polykristallinen oder metallischen Trägerschicht eine Zwischenschicht aufgebracht werden, die u. a. eine innige Verbindung zwischen den Schichten, also ein gutes Haften der Trägerschicht, gewährleisten soll.

Aus der US-PS 31 89 973 ist es auch bekannt, auf einer Oberfläche eines Halbleiterkörper aus n-leitendem monokristallinem Halbleitermaterial zunächst eine Oxidschicht mit einer öffnung zu bilden und dann auf diese Anordnung eine Schicht aus p-leitendem Halbleitermaterial aufzudampfen, die auf dem in der öffnung treiliegenden Halbleiterkörper monokristallin, auf der Oxidschicht aber polykristallin wird. Der monokristalline Teil der p-leitenden Schicht bildet mit dem Halbleiterkörper einen pn-Übergang. Metallelektroden können einerseits auf den η-leitenden Halbleiterkörper und andererseits an den seitlich an den monokristailinen Teil der p-leitenden Schicht angrenzenden polykristallinen Schichtteil aufgebracht werden. Ein derartiges Bauelement ist in elektrischer Hinsicht relativ stabil, weil der pn-Übergang nicht an eine Oberfläche des Bauelementes stößt. Seine Durchbruchsspannung wird aber durch die polykristalline Schicht nicht nennenswert lä verbessert

Aufgabe der Erfindung ist, ein Halbleiterbauelement zu schaffen, das eine höhere Sperrdurchbruchsspannung als bekannte Bauelemente aufweist.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch das in Patentanspruch 1 gekennzeichnete Halbleiterbauelement.

Überraschend hat sich gezeigt, daß die Durchbruchsspannung erfindungsgemäß im Vergleich mit bekannten Bauelementen um mehr als das Doppelte erhöht werden kann. Zugleich ergibt sich der Vorteil, daß (im Falle einer Diode) das »Knie« der Strom-Spannungs-Linie schärfer wird.

Zwei Aus^führungsbeispiele der Erfindung sind in den F i g. 1 und 2 dargestellt und im folgenden beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 einen Schnitt durch einen mehrteiligen Körper, der eine Mehrzahl von Halbleiterdioden enthält, und

F i g. 2 einen Schnitt durch einen Transistor.

Beispiel I

F i g. 1 zeigt einen zusammengesetzten Körper 10, der aus einer Mehrzahl gegeneinander isolierter Halbleiterbauelemente Jl besteht, die durch eine Isoliermatrix 12 miteinander verbunden sind, welche geeigneterweise aus Glas besteht. Der Körper 10 kann hergestellt werden, indem eine Glasplatte und ein in geeigneter Weise vorbereiteter Halbleiterkörper heiß zusammengepreßt werden.

jedes Halbleiterbauelement 11 enthält einen halbleitenden Träger 13. Die genaue Größe, Form, Leitungstyp und Zusammensetzung des Trägers 13 sind für die Durchführung der Erfindung unkritisch. Der Träger 13 kann entweder P-Ieitend oder N-Ieitend sein, ferner

« kann er polykristallin oder monokristallin sein, obgleich monokristallines Material zur Erreichung der höchsten Durchbruchsspannung bevorzugt wird. Der Träger 13 kann weiterhin aus elementarem Halbleitermaterial, wie Germanium oder Silizium, oder auch legierten HaIbleitermaterialien wie Silizium-Germaniumlegierungen, oder aus Halbleiterverbindungen wie Nitriden, Phosphiden, Arseniden oder Antimoniden der Elemente Bor, Aluminium, Gallium oder Indium bestehen. Im vorliegenden Beispiel ist jeder Träger 13 scheibenförmig mit

M) einem Durchmesser von etwa 0,75-1,25 mm ausgebildet und besteht aus monokristallinem, N-leitendem Silizium mit einem niedrigen elektrischen spezifischen Widerstand (etwa 0,01 Ohm cm).

Eine erste epitaktische Schicht 14 von monokristalli-

>ή nem Silizium des gleichen Leitungstyps wie der Träger Π wird auf einer Oberfläche des Trägers 13 abgelagert. iJiese erste epitaktische Schicht 14 ist im vorliegenden Beispiel N-Ieitend und etwa 25 μιη dick und sie hat einen

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spezifischen Widerstand von etwa 20 — 25 Ohm - cm. Die Grenzfläche 15 zwischen dem niederohmigen Träger 13 und der hochohmigen epitaktischen Schicht 14 kann als hochohmig-niederohmiger Übergang bezeichnet werden.

Auf der ersten epitaktischen Schicht 14 wird eine zweite epitaktische Schicht 16 aus einem kristallinen Halbleitermaterial abgelagert. Der Leitungstyp der zweiten Schicht 16 ist entgegengesetzt dem des Trägers 13 und der ersten epitaktischen Schicht 14. Bei diesem Ausführungst eispiel besteht die zweite epitaktische Schicht 16 aus P-leitendem monokristallinem Silizium, sie ist etwa 25 μπι dick und hat einen spezifischen Widerstand von etwa 35 — 50 Ohm · cm. Die Grenzfläche 17 zwischen der zweiten epitaktischen Schicht 16 und der ersten epitaktischen Schicht 14 stellt einen gleichrichtenden PN-Übergang dar.

Auf der zweiten epitaktischen Schicht 16 wird eine Schicht 18 aus polykristallinem Halbleitermaterial abgelagert, die vom gleichen Leitungstyp wie die zweite epitaktische Schicht 16 ist, jedoch einen niedrigeren spezifischen Widerstand hat, und zwar ist der spezifische Widerstand der polykristallinen Schicht 18 um mindestens 2 Größenordnungen kleiner als der der angrenzenden epitaktischen Schicht 16, d. h. er ist nicht größer als '/κ» des spezifischen Widerstandes der Schicht 16. Beim vorliegenden Beispiel besteht die Schicht 18 aus P-leitendem, polykristallinem Silizium mit einem spezifischen Widerstand von etwa 0,008 Ohm ■ cm und einer Dicke von etwa 0,125 bis 0,175 mm. Die Grenzschicht 19 zwischen der P-leitenden epitaktischen Schicht 16 hohen spezifischen Widerstandes und der P-leitenden polykristallinen Schicht 18 niedrigen spezifischen Widerstandes läßt sich als niederohmighochohmiger Übergang bezeichnen. Durch Ablagerung der Schicht 18 bei niedrigeren Temperaturen oder durch schnellere Ablagerung, als es für die monokristallinen Schichten erforderlich ist, wird die Schicht 18 polykristallin.

Will man eine schnell arbeitende Diode herstellen, so kann man vor der Bildung des vollständigen zusammengesetzten Körpers 10 in den Träger 13 ein Material hineindiffundieren, welches für das verwendete Halbleitermaterial die Ladungsträgerlebensdauer herabsetzt. Wenn der Halbleiterträger 13 im vorliegenden Beispiel aus Silizium besteht, so wird auf eine Fläche des Trägers 13 ein nicht dargestellter dünner Goldfilm abgelagert, und der Träger wird dann auf etwa 950⁰C. erhitzt, so daß das Gold in den Träger 13 hineindiffundiert. Das eindiffundierte Gold verringert die Lebensdauer der Minoritätsladungsträger im Silizium.

Auf jeder polykristallinen Schicht 18 wird ein metallischer Überzug 20, der beispielsweise aus aufplattiertem Nickel bestehen kann, abgelagert. Ein gleicher metallischer Überzug 21, der ebenfalls aus einem nicht elektrisch aufplattierten Nickelfilm bestehen kann, wird auf die freiliegende Oberfläche jedes Trägers 13 abgelagert. Die Überzüge 20 und 21 dienen als Elektroden. Der Überzug 20 befindet sich überall im Abstand von der epitaktischen Schicht 16, hat also wi keinen Kontakt mit ihr.

Die weiteren Schritte der Trennung der einzelnen Dioden und der Befestigung der elektrischen Zuleitungsdrähte an den Metallelektroden werden in bekannter Weise durchgeführt und sind hier nicht ι,·ί beschrieben. Gegebenenfalls können Gruppen, die aus einer Mehrzahl solcher Dioden bestehen, aus dem zusammengesetzten Körper 10 ausgeschnitten werden.

und die einzelnen Dioden jeder Gruppe werden durch bekannte Verfahren in Reihe geschaltet.

Dioden, die in der vorbeschriebenen Weise hergestellt sind, jedoch die polykristalline Schicht 18 nicht enthalten, haben eine Durchbruchsspannung von 400 Volt bti einem Strom von 10 Mikroampere. Weiterhin sind die Strom-Spannungs- Kennlinien stark abgerundet. Im Gegensatz dazu zeigen die Dioden, welche die erfindungsgemäße polykristalline Schicht 18 aufweisen, eine Durchbruchsspannung, die beträchtlich über 900 Volt bei 10 Mikroampere liegt. Auch ist der Kennlinienknick der Strom-Spannungs-Kennlinien schärfer.

Im vorliegenden Beispiel ist die polykristalline Siliziumschicht auf einer angrenzenden monokristallinen Siliziumschicht abgelagert. Alternativ kann auch eine polykristalline Germaniumschicht auf der monokristallinen Siliziumschicht abgelagert werden. In ähnlicher Weise kann polykristallines Silizium auf monokristallinem Germanium abgelagert werden. Auch können die Leitungstypen der verschiedenen Zonen des beschriebenen Bauelementes umgekehrt werden.

Beispiel II

Bei dem vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel wurde der PN-Übergang angrenzend an eine epitaktische Schicht eines Halbleitermaterials ausgebildet. Bei dem nun beschriebenen Ausführungsbeispiel wird der P-N-Übergang angrenzend an eine diffundierte Halbleitermaterialschicht ausgebildet.

Gemäß Fig.2 wird dabei ein Transistor 30 gebildet, der einen kristallinen Halbleiterkörper 31 eines Leitungstyps mit mindestens einer Fläche 32 aufweist. Hierbei besteht der Halbleiter-Körper 31 aus monokristallinem Silizium und ist N-leitend. Eine Isoliermaskenschicht 33 wird auf der einen Fläche 32 des Halbleiterkörpers 31 abgelagert. Diese Isolierrnaskenschicht 33 kann beispielsweise aus Siliziumdioxyd bestehen, das durch Aufheizung des Halbleiterkörpers 31 im Dampf einer Siloxanverbindung gebildet wird.

Unmittelbar angrenzend an die Fläche 32 des Halbleiterkörpers 31 befindet sich eine diffundierte Halbleiter-Zone 34 des entgegengesetzten Leitungstyps. Im vorliegenden Beispiel ist die Halbleiter-Zone 34 P-leitend und durch Diffusion von Boroxyd in einen nichtmaskierten Teil der Fläche 32 ausgebildet worden. Die Grenzfläche 35 zwischen der P-leitenden Halbleiter-Zone 34 und dem N-leitenden Material des Halbleiterkörpers 31 wird der Basis-Kollektor-PN-Übergang des Transistors.

Unmittelbar angrenzend an die Fläche 32 und innerhalb der die Basiszone bildenden P-leitenden Halbleiter-Zone 34 ist eine diffundierte Emitterzone 36 vom ersten Leitungstyp, also vom gleichen Leitungstyp wie die Hauptmasse des Halbleiterkörpers 31, angeordnet. Die Emitterzone 36 ist im vorliegenden Beispiel N-leitend und durch Eindiffundieren von Phosphorpentoxyd in einen unmaskierten Teil der Fläche 32 ausgebildet worden. Die Grenzfläche 37 zwirchen der N-leitenden Emitterzone 36 und der P-leitenden Halbleiterzone 34 dient als Emitter-Basis-PN-Übergang des Transistors.

Eine ringförmige Schicht 38 aus polykristallinem Halbleitermaterial ist auf einem nicht abgedeckten Teil der Fläche 32 in unmittelbarem Kontakt mit der Halbleiterzone 34 abgelagert. Die polykristalline Schicht 38 hat den gleichen Leitungstyp wie die Halbleiterzone 34, d. h. im vorliegenden Beispiel ist sie P-leitend. Vorzugsweise ist Her spezifische Widerstand

der polykristallinen Schicht 38 kleiner als 0,01 Ohm · cm.

Auf einem nicht abgedeckten Teil der Fläche 32 wird in direktem Kontakt mit der Emitterzone 36 eine Schicht 39 aus polykristallinem Halbleitermaterial abgelagert. Die polykristalline Schicht 39 hat den gleichen Leitursgsiyp wie die Emitterzone 36, im vorliegenden Beispiel ist sie also N-Ieitend. Vorzugsweise ist der Widerstand der polykristallinen Schicht 39 kleiner als 0,01 Ohm · cm. Im vorliegenden Beispiel bestehen die polykristallinen Schichten 38 und 39 beide aus Germanium. Andererseits können die polykristallinen Schichten 38 und 39 auch aus Silizium oder aus zwei verschiedenen Halbleitermaterialien bestehen. Die Herstellung des Bauelementes wird durch bekannte photoiithographische Maskierungs- und Ätztechniken ausgeführt.

Zur Vervollständigung des Bauelementes wird ein erster ringförmiger Metallfilm 40 auf der polykristallinen Schicht 38 und ein zweiter Metallfilm 41 auf der polykristallinen Schicht 39 abgelagert. Die Metallfilme 40 und 41 bestehen aus Chrom, Palladium, Aluminium, Nickel oder dergleichen und dienen als Basis- bzw. Emitterelektroden des Transistors. Der Metalifilm 40 hat überall von der Halbleiterzone 34 einen Abstand, und der Metallfilm 41 hat überall von der Emitterzone 36 einen Abstand. Elektrische Zuleitungsdrähte 43 und 42 werden an die Metallfilme 40 bzw. 41 angeschlossen.

ίο Bei dem fertiggestellten Transistor 30 verbessern die polykristallinen Schichten 38 und 39 nicht nur die elektrischen Charakteristiken des Basis-Kollektor-Übergangs an der Grenzfläche 35 und des Emitter-Basis-Übergangs an der Grenzfläche 37, sondern sie

t5 dienen auch zum Schutz dieser Übergänge, da sie diese gegen störende Wirkungen von Feuchtigkeit und anderen unerwünschten Umgebungsverunreinigungen abdichten.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Halbleiterbauelement mit einem monokristallinen Halbleiterkörper eines ersten Leitungstyps, der mit einer angrenzenden Halbleiterzone eines zweiten Leitungstyps einen pn-übergang bildet, und mit einer polykristallinen Schicht aus Halbleitermaterial vom zweiten Leitungstyp, die sich zwischen dieser Haibleiterzone und der für deren elektrischen Anschluß vorgesehenen Elektrode befindet und deren spezifischer Widerstand mindestens zwei Größenordnungen kleiner als der spezifische Widerstand der Halbleiterzone ist, dadurch gekennzeichnet, daß die polykristalline Schicht (18, 38, 39) unmittelbar auf der Halbleiterzone (16, 34, 36) angeordnet ist.

2. Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauelements nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst die Halbleiterzone vom zweiten Leitungstyp durch epitaktisches Aufwachsen auf dem oder durch Eindiffundieren in den vorhandenen Halbleiterkörper vom ersten Leitungstyp gebildet und anschließend unmittelbar auf der freiligenden Oberfläche der Halbleiterzone die polykristalline Halbleiterschicht aufgelagert wird.