DE1789021A1

DE1789021A1 - Zenerdiode und Verfahren zu ihrer Herstellung

Info

Publication number: DE1789021A1
Application number: DE19681789021
Authority: DE
Inventors: Takuzo Ogawa; Mitsuru Ura
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1967-09-25
Filing date: 1968-09-24
Publication date: 1972-03-23
Also published as: GB1203886A; DE1789021B2; DE1789021C3; US3602778A

Description

Patentanwalt· IHpf.-lng.lt. Beetz u. 8i-13.894pC15.895H) · 24.9.1968 DIpLr Ing. Lamprecht

i 22, StelnadoiMr. It

HITACHI, LTD., Tokio (Japan) Zenerdiode und Verfahren zu ihrer Herstellung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Zenerdiode und auf " ein Verfahren zu deren Herstellung.

Bisher hat man sich zur Herstellung des pn=Übergangs von Zenerdioden entweder der Legierungsmethode oder der Diffusionsmethode bedient. Dabei wird die Legierungsmethode für die Herstellung von Zenerdioden mit niedriger Durchbruchfeldstärke und die Diffusionsmethode für die Herstellung von Zenerdioden mit hoher Durchbruchfeldstärke eingesetzte

Nun 1st es mit Hilfe der Legierungsmethode zwar möglich, ( einen pn-übergang mit einem nahezu sprunghaften Verlauf des Gradienten für die Verunreinigungskonzentration zu erzeugen, Jedoch erweist es sich als schwierig, eine Zenerdiode herzustellen, die eine große Stromkapazität aufweist, was eine breite Übergangszone verlangt, da im Bereich des Übergangs eine hohe Wahrscheinlichkeit für das Auftreten von Spannungen oder Sprüngen durch die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten eines halbleitenden Materials auf der einen und eines legierten Bereichs auf der anderen Seite besteht.

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Die Diffusionsmethode ist nun zwar insofern im Vorteil, als sie die oben erwähnten MSngel der Legierungsmethode nicht aufweist« jedoch hat es sich als unmöglich erwiesen, mit Hilfe der Diffusionsmethode Zenerdioden herzustellen, die eine Durchbruchspannung von weniger als 20 Volt aufweisen* da sich mit Hilfe der Diffusionsmethode kaum ein sprungweiser Verlauf des Gradienten für die Verunreinigungskonzentration im Bereich des Übergangs erzielen läßt«

Außerdem wird die bei der Legierungsmethode entstehende Übergangsfläche nicht eben, und es treten lokale Störstellen in der Übergangszone auf. Als Ergebnis davon neigt der über« gang zum Durchbruch, die Stromverteilung über den Übergang wird nicht gleichmäßig und der Reststrom Über den Übergang wird groß. Bei der Diffusionsmethode ist es ebenfalls schwierig, eine ebene Zwischenschicht für einen pn-übergang zu erzielen, da es Unvollkommenheiten im MikrogefÜge der Kristalle gibt und eine geringe Fluktuation der Verunreinigungsverteilung zu beobachten ist, so * daß lokale Durchbrüche in dem pn-übergang auftreten. Als Ergebnis davon vermindert sich die Stromstabilität» und der Reststrom nimmt zu« Dementsprechend weisen diese Zenerdioden keine guten Durch» brucheigenschaften auf.

Insbesondere führt beim Einsatz der Diffusionsmethode der Umstand, daß sich nur schwer ein ausreichender Gradient für die Verunreinigungskonzentration erzielen läßt und die Fläche des pn-übergangs nicht befriedigend eben wird, zu einer Vergrößerung der Raumladungsschieht. Dies führt wiederum zu

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• ·

einer Vergrößerung der dynamiftchen Impedanz, und dementsprechend

-■*■-'■.

zeigt eine solche Zenerdiode ein nur unbefriedigend konstantes Spannungsverhaiten.

Daher sind die Stromkapazität und das Durchbruchverhalten der mit den bisherigen Techniken hergestellten Zenerdioden starken Beschränkungen unterworfen, und es ist mit diesen Methoden kaum möglich, Zenerdioden herzustellen, die den von der Schaltungsseite her gestellten Anforderungen vollständig entsprechen» indem sie beispielsweise eine Durchbirochspannung von weniger als 10 Volt und eine Leistungsaufnahme von mehr als 10 Watt aufweisen.

Die Anmelderin hat zur Überwindung dieser Schwierigkeiten zahlreiche Untersuchungen angestellt und dabei festgestellt, daß eine hochdotierte Zone für einen pn-übergang mit dem gewünschten Durchbruchverhalten allein durch das Verfahren des epitaxialen Aufwachsens hergestellt werden kann. Der Umstand, daß man bisher keine Zenerdioden mit Hilfe des Verfahrens des epltaxlalen Auf Wachsens hergestellt hat, obwohl das Verfahren des epitaxialen Aufwachsens an und ftir sich bereits weit verbreitet ist« ist wahrscheinlich darauf zurückzuführen, daß das Durchbruchverhalten eines pn°Ubergangs, der mit Hilfe des Verfahrens des epitaxialen Aufwachsens hergestellt ist, bislang noch nicht völlig geklärt worden 1st.

Dementsprechend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine neue Herstellungstechnik zu entwickeln, die unter Verwendung des epitaxialen Auf Wachsens eine Herstellung von Zener~

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dioden Mit dem gewünschten Durchbruchverhalten bei hoher Ausbeute ermöglicht.

Dabei sollen weiter Zenerdioden entstehen, die einen sehr geringen Reststrom und eine, niedrige dynamische Impedanz über den pn-Übergang zeigen, die eine hohe Stromkapazität und eine niedrige Durchbruchspannung aufweisen, deren Übergangszone eich ohne physikalische oder elektrische Schwierigkeiten bei der Herstellung oder im Betrieb aufweiten läßt und an die sich metallische Leiter anschließen lassen, ohne daß sich die elektrischen Eigenschaften des pn-Übergangs verändern oder verschlechternο

Alle diese Eigenschaften einer Zenerdiode können erfindungs» gemäß durch einen zweckentsprechenden Einsatz des Verfahrens des epitaxialen AufWachsens erreicht werden.

Zu diesem Zwecke hat die Anmelderin in zahlreichen Versuchen und Messungen an Zerierdioden, die mit Hilfe des Verfahrens des epitaxialen Aufwachsen© hergestellt wurden, das Durchbruchverhalten dieser Dioden untersucht und so die besten Bedingungen für die Herstellung von Zenerdioden mit dem gewünschten Durchbruchverhalten ermittelt. Als Ergebnis dieser Versuche hat sich gezeigt, daß eine Zenerdiode mit dem gewünschten Verhalten eine spezifische Verunreinigungskonzentration und ebenso einen Gradienten für diese Konzentration aufweisen muß, die sich grundsätzlich von den Werten für Zenerdioden unterscheiden, wie sie nach den bisher üblichen Legierungs- und Diffusionsmethoden zu erzeugen sindο

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α 1 β

Die verschiedenen Ziele und Vorteile der Erfindung lassen sich dadurch erreichen, daß man mindestens eine hochdotierte Zone eines pn«Übergangs» der hochdotierte und niederdotierte Zonen aufweist, mittels epttaxialen Aufwachsens herstellt, wo» bei man die Verunreinigungskonzentration in einander benach~ barten hochdotierten und niederdotierten Zonen entsprechend dent* gewünschten Durchbruchverhalten bemißt und insbesondere den Gradienten der Verunreinigungskonsentration über den pn-übergang so begrenzt _a- daß sein Wert innerhalb weiter unten im einzeln nen zu beschreibender Grenzen zu liegen kommt.

Pur die weitere Beschreibung der Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung soll nunmehr auf die Zeichnung Bezug genommen werdenο In dieser sind;

Pig» Ia,. Ib und Ic schematische· Schnittdarstellungen ver~ schiedener erfindungsgemäö aufgebauter Zenerdiodens

Fig. 2 eine graphische Darstellung zur· Veransohaulichung der Strom~Spannungs»Kennlinie im Sperrbereich für nach dem epitaxlalen Aufwachsverfahren hergestellten Zenerdioden;

Fig« 2a und Jb schsmatische Darstellungen zur Veranschaulichung verschiedener Herstellunga&ufen bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung von Zenerdiodenj

Fig. 4 eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung einer zur Durchführung des erfindungsgemäßen Ver»

fahrens bevorzugten Einrichtung; 20»813/U1l

Pig» 5 eine graphische Darstellung zur Veranschaulichung der Beziehung zwischen dem Molverhältnis HR eines gasförmigen Ausgangsmaterials widder epitaxialen Aufwachsrate, die sich zur Herstellung einer passen= den hochdotierten Zone für eine Zenerdiode gemäß der Erfindung eignet;

Fig. 6 eine Mikrophotographie zur Veranschaulichung der unterschiedlichen Grenzfläche bei pn-Ubergängen, von denen " der eine durch epitaxiales Aufwachsen und der andere

durch Diffusion erzeugt worden istj

Fig. ?a und 7b Schnittdarstellungen zur Veranschaulichung der Raumladungsschichten im Bereich von pn~Über~ gangen« die einerseits nach der Diffusionsmetkode und andererseits mittels epitaxialen Aufwachsens hergestellt worden sind;

Fig. 8a und 8b graphische Darstellungen zur Veranschaulichung

der Verunreinigungskonzentration der niederdotierten ' Zone einer erfindungsgemäSen Zenerdiode und ihres

Zusammenhanges mit der Zenerdurchbruehspannung;

Fig. 9a und 9b graphische Darstellungen von Häufigkeitsverteilungen für den Zenerstrom am Beginn des Durchbruchs, die zum einen an dem pn-übergang einer erfindungsgemäßen Zenerdiode und zum anderen an dem einer in üblicher Weise mittels der Diffusionsmethode hergestellten Zenerdiode aufgenommen worden sind, und

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. 10 eine graphische Darstellung der Häufigkeitsverteilung für die dynamische Impedanz einer erfindungsgemäSen Zenerdiode im Vergleich zu der entsprechenden Impedanzverteilung bei einer in üblicher Weise mittels Diffusion hergestellten Zenerdiode. -■_

Erfindungsgemäö bedarf es zur Herstellung von Zenerdioden mit einer geringen Durchbruchspannung und insbesondere mit einer Durchbruchspannung von weniger als 20 Volt eines vorbestimmten Gradienten für die Verunreinigungskonzentration über dem pn-übergang« Dementsprechend weist eine Zenerdiode gemäß der Erfindung eine hochdotierte, durch epitaxiales Aufwachsen hergestellte Zone auf und besitzt diese hochdotierte Zone eine Verunreinigungskonzentration von 1 · 10^1O/ bis 1 · 10²¹ Atomen/enr⁵.

Betrügt die Verunreinigunsskonzentration einer hochdotierten

IQ

Zone von beispielsweise n~leitendera Typ weniger als 1 · 10 ⁷ Atome/cnr, so kann eine unerwünschte Umkehr des Leitfähigkeitstyps äer legierten Zone in den p°leitenden Zustand auftreten, wenn man dieser Zone Aluminium in Ohmschem Kontakt zulegiert_e. Die Löslichkeit von Aluminium in festem Zustand gegenüber-Slliziura beträgt bei 600°C etwa 6 · 10^l8 Atome/cm⁵, 700⁰C etwa 1 · 10¹⁹ Atome/cm⁵, bei 800°G etwa 1 ^β ΙΟ¹⁹ Atome/cm³, bei 900°C etwa 1,5 · 10¹⁹ Atome/cm⁵, bet 1000⁰C etwa 1,8 " ΙΟ¹⁹ Atome/cm^ und bei 1100⁰C etwa 2 . 10¹^ Atome/cm⁵. Da die Zulegierung von Aluminium Üblicherwelse bei einer Temperatur zwischen 650 und 80Ö°C und insbesondere bei einer Temperatur in der Gegend von 7*0 - 20⁰C vorgenommen wird, 1st es erforderlich, daß die hochdotierte η-leitende Zone eine Verunreinigungs-

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konzentration von mehr als 1 · 10 ° Atome/cnr aufweist. Auf der anderen Seite läßt eich eine Verunreinigungskonzentration von mehr als 1 * 10 Atomen/cnr in einer abgeschiedenen Silizium= schicht nur schwer durch epitaxiales Aufwachsen erreichen, da dann die abgeschiedene Siliziumschicht polykristallin wird.

Die Verunreinigungskonzentration der niederdotierten Zone ist von bestimmendem Einfluß für das Zenerdurchbruch-Verhalten und insbesondere für die Zenerdurchbruchspannung der Diode und

17 wird so ausgewählt, daß sie in einem Gebiet zwischen 1 ° 10 ' und 4 ^β 10 ^ Atomen/cnr liegt, so daß der Gradient für die Verunreinigungskonzentration quer über den pn-übergang, der durch die Heiζtemperatur und die Heizzeit während des epitaxialen Aufwachsens der hochdotierten Zone bestimmt wird, einen Wert auf« x*eist, der zwischen 2 ° 10 und 7 · 10²^ Atomen/cm liegt.

Die niederdotierte Zone kann ein Einkristall aus Silizium sein, der eine Verunreinigung innerhalb des oben angegebenen Be~ reichs enthält und entweder aus einem nach dem üblichen Ziehverfahren für Einkristalle oder nach dem Schwebezonenverfahren für Einkristalle hergestellten Kristallplättchen oder aus einem durch epitaxiales Aufv/achsen erzeugten Einkristall bestehen kann. Das Verfahren des epitaxialen Aufwachsens eignet sich insbesondere für die Herstellung von Zenerdloden, die eine ausgedehnte Uber=- gangszone und damit eine große Stromkapazität aufweisen, da sich die Verunreinigungsverteilung des so abgeschiedenen Siliziums über die gesamte abgeschiedene Schicht hinweg sehr gleichförmig halten läßt, so daß im Ergebnis das Durchbruchverhalten des Kristallplättchens in allen seinen Abschnitten sehr gleichförmig

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wird* Mit anderen Worten lassen sich Silizium-Zenerdioden mit den gewünschten elektrischen Eigenschaften mit hoher Ausbeute erzeugen.

Wie bereits oben erwähnt, muß der pn-übergang einer erfindüngsgemäßen Zenerdiode einen Gradienten für die Verunreinigungskonzentration über den pn»Übergang von 2 * 10 bis 7 ■* 10 ^ Atoraen/cm aufweisen· Aus diesem Grunde muß seine hochdotierte Zone mit Hilfe des Verfahrens des epitaxialen Aufwachsens hergestellt

werden. _Λ

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Außerdem können sich die Zenereigensehaften der Diode ver~ schlechtem, wenn der übergang nicht hinreichend eben wird. Wie man aus Fig. 6 sieht, in der die Verhältnisse an der Zwischenschicht eines durch epitaxiales Aufwachsen und eines durch Diffusion erzeugten Übergangs einander gegenübergestellt sind, die sich in ihrer Gleichförmigkeit erheblich voneinander unterscheiden, erhält man einen ebenen pn-übergang, wenn man auf einer glatten und ebenen Oberfläche eines p»leitenden Substrats eine n⁺-leitende Zone durch epitaxiales Aufwachsen erzeugt. |

Fig. 7a und 7b zeigen Modelle zur Erklärung der Raumladungsschichten, die sich bei Anlegung einer Sperrspannung an einen pn-übergang ergeben, der nach der Diffusionsmethode bzw. mittels epitaxialen AufWachsens hergestellt ist« Wie man aus Fig» 7b sieht, weist die Raumladungsschicht eines mittels epitaxialen Aufwach» sens hergestellten pn«Übsrgangs die geringe Größe W_g auf; im Gegensatz dazu ist einerseits, wie man aus Fig. 6 ersehen kann, die Fläche eines durch Diffusion entstehenden pn-übergangs nicht eben und nimmt andererseits die Raumladungsschicht bei einem

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; solchen pn-übergang den Wert W, an, der wesentlich größer ist als der Wert W₂, wie man aus Fig. 7a ersehen kann.

Sind die Zenerdurchbruchspannungen für eine et»findungegemäße Zenerdiode einerseits und für eine in üblicher Welse nach der Diffusionsmethode hergestellte Zenerdiode andererseits gleich groß, so unterscheiden sich die Verunreinigungsverteilung für den pn°t)bergang und die Breite der Raumladungsschicht in beiden Fällen ~ voneinander» d.h. die letztere Diode hat eine wesentlich breitere Raumladungsschicht als die erstere. Dementsprechend zeigt eine nach der Diffusionsmethode hergestellte Zenerdiode im Vergleich zu einer erfindungsgemäflen Diode eine hohe dynamische Impedanz» Außerdem führt die unebene Ausbildung der Grenzschicht des nach. der Diffusionsmethode hergestellten pn=übergangs zum Auftreten lokaler Durchbrüche, so daß eine solche Zenerdiode ein unscharfes Durchbruchverhalten zeigt.

Alle diese Überlegungen zeigen, daß die Herstellung der . hochdotierten Zone mittels epitaxialen Aufwachsens starke Vorteile bietet·

Wie man aus den Flg. 3a und 3b sieht, wird als Substrat ein Einkristall aus Silizium verwendet und darauf mittels epitaxialen Aufwachsens das jeweils gewünschte Halbleitermaterial niedergeschlagen. Gemäß Fig. 5a wird als Substrat 30 p⁺-leitendes Silizium verwendet und darauf mittels epitaxialen Aufwachsens eine niederdotierte Zone 31 von p-leitendem Typ ausgebildetο Anschließend wird auf der niederdotierten Zone 31 eine hoch» dotierte Zone 32 von n⁺-leitendem Typ epitaxial aufgewachsen, so daß man einen pn-übergang erhält. Nachdem man in dieser Weise

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ein Siliziumplättchen mit einem pn-übergang erzielt hat, wird auf Jeder der beiden einander gegenüberliegenden Seiten dieses Plättchens ein geeigneter metallischer Leiter 33 aufgebracht. Gut geeignet für diesen Zweck sind Plättchen aus Nickel oder aus Nickel und Gold« da sie zu einer leichten Verschweißung führen, jedoch sind auch metallische Materialien, wie Aluminium oder Gold-Antimon=Legierungen als solche Elektroden verwendbar.

Gemäß Pig. 3b wird ein Kristallplättchen 34 aus Silizium, ä das gleichzeitig als niederdotierte Zone dient, als Substrat verwendet und darauf mittels epitaxialen Aufwachsens eine hochdotierte Zone 35 aufgebracht. Außerdem werden in ähnlicher Weise, wie in Fig. 3a, zwei leitende Metallplättchen 36 aufgebracht.

Die erfindungsgemäßen Zenerdloden kennzeichnen sich durch die Ausbildung der hochdotierten Zone mittels epitaxialen Aufwachsens, und es liegt daher auf der Hand, daß die Methoden zur Herstellung der niederdotierten Zone in keiner Weise auf die in Verbindung mit den Fig., 3a und 3 b veranschaulichten Verfahren a beschränkt sind. So kann man beispielsweise auf einem p-leitenden Substrat eine p⁺~leitende Zone mittels Diffusion herstellen. Eine solche p⁺-leitende Zone stellt Jedoch nicht die Zone dar, die erfindungsgemäß als hochdotierte Zone angesprochen wird, da die Zenerdiode eine n*¹*- p-p⁺°Struktur aufweist. Ebenso stellt bei einer n^-n-p*-Struktur die n⁺-leitende Zone nicht die hochdotierte Zone im Sinne der Erfindung dar»

Man muß sich also stets vor Augen halten, daß eine der beiden den pn-übergang bildenden Zonen als hochdotierte Zone

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und die andere als niederdotierte Zone im Sinne der Erfindung anzusprechen ist.

Das für das epitaxlale Aufwachsen im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens bevorzugt verwendete Ausgangsmaterial sind Siliziumverbindungen, wie z.B. Monosilan SiH^, Dlsilan SigHg, Trichlorsilan SlHCl-v oder Siliziumtetrachlorid SiCl^, oder Germaniumverbindungen« wie z.B. Germaniumwasserstoff GeHj^, Germaniumtetrachlorid GeCl^ ^oäer Germaniumtetrajodid GeJ^, wie sie auch sonst bei üblichen epitaxialen Aufwachsverfahren Verwendung finden.

Von diesen Ausgangsmaterialien wird ein beliebiges in einen Reaktor zum epitaxialen Aufwachsen eingespeist, indem man es von einem Trägergas, wie etwa Wasserstoff oder Argon, mitnehmen läStc Da sich der Reaktor zum epitaxialen Aufwachsen auf einer Temperatur oberhalb der Zersetzungsteniperatur des Ausgangsmaterials befindet, wird diese Verbindung einer thermischen Zersetzung oder einer Reduktion durch Wasserstoff unterworfen, und es kommt zur Abscheidung von Siliziumkristallen, Der dem Reaktor zum epitaxialen Aufwachsen zugeführten Gasmischung kann ein Dotierungsmaterial, wie z.B. Phosphin PH,, Arsin AsH,, Phosphortrichlorid PCl₃, Borchlorid BCl₃ oder Diboran

in gasförmigem Aggregatzustand beigemischt sein, das eine vorgegebene Verunreinigungskonzentration ergibt. Dieses Dotierungs material erfährt in dem Reaktor ebenfalls eine thermische Zersetzung oder eine Reduktion durch Wasserstoff, und es kommt zu einer Ausscheidung von Dotierungsmaterial.

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~ ip mm .

Wird als Ausgangsmfcterial Monosilan SiH^ oder Disilan SigHg verwendet, so ist eine Zersetzungstemperatur zwischen 900 und 1200⁰C und insbesondere zwischen 950 und 1O5Ö°C be° vorzugt. Wird als Ausgangsmaterial Trichlorsilan SiHCl, oder Siliziumtetrachlorid SiCl^ benutzt, so ist eine Zersetzungstemperatur zwischen 1100 und 155O°C und insbesondere zwischen 1100 und 1200⁰C bevorzugt. Die Zersetzungstemperatur, die Zersetzungsdauer, die Konzentration MR an Ausgangsmaterial und die Speiserate für das epitaxiale Aufwachsen müssen sehr genau gewählt werden, da diese Größen nicht nur die Aufwachsrate der Epitaxialschicht, sondern ebenso das Ausmaß des Gradienten der Verunreinigungskonzentration über den pn-übergang bestimmen.

Fig. 5 zeigt eine bevorzugte Aufwachsrate in· >u/rain für das Aufwachsen einer Epitaxialschicht, bei dem Triehlorsilan als Ausgangsmaterial verwendet und die Kristallniederschlagung bei einer Temperatur von 1200⁰C vorgenommen wird. Wie Untersuchungen der Anmelderin gezeigt haben, ist der in der graphischen Darstellung in Flg. 5 dargestellte Bereich besondere zu bevorzugen für die Herstellung der hochdotierten Zone. Eine Steigerung des Holverhältnisses MR von Trlchlorsilan SlHCL* gegenüber Wasserstoff iut zwar für die Steigerung der Aufwachs» rate an Silikon-Einkristallen von Vorteil, jedooh ist eine übermäßige Steigerung dieses Molverhältnissee MR nicht erwünscht, da dann nicht nur das Trichlorsilan nicht vollständig ausgenutzt wird, woraus sj.ch ein Verlust an Ausgangssubstanz ergibt, sondern außerdem auch eine Polykristallbildung und das Auftreten von Unvollkommen^.eiten im Kristallgefüge der abgeschiedenen Epitaxialschicht zu beobachten ist. Die Aufwachsrate sollte

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daher geringer sein als 7 /u/min. Eine übermäßig kleine Aufwachsrate ist ebenfalls nachteilig, da dann für den Aufbau einer hochdotierten Zone vorgegebener Dicke ein unnötig großer Zeitaufwand erforderlich ist, der eine Verminderung des bei der Produktion erzielbaren Wirkungsgrades zur Folge hat. Außerdem kann in einem solchen. Falle der gewünschte Gradient für die Verunreinigungskonzentration über den pn-übergang nicht mehr erzielt werden und geht auch die gewünschte Planizität des Übergangs verloren, da es bei einer solch langen Periode für das epltaxiale Aufwachsen zu einer Verunreinigungsdiffusion kommt, die zu einer Verschlechterung des Durchbruchverhaltens der Zenerdiode Anlaß gibt. Es empfiehlt sich daher, die Aufwachsrate höher zu wählen als 3 Ai/min, wie man aus Fig. 5 ersehen kann. Im Gesamtergebnis haben die Untersuchungen der Anmelderin also gezeigt, daß eine Aufwachsrate zwischen 3 und 7 /u/min besonders von Vorteil 1st.

Wie man aus Fig. la ersehen kann, in der die Struktur einer erfindungsgemäSen Zenerdiode schematisch veranschaulicht ist, gehören zu einer solchen Zenerdiode ein niederdotiertes Substrat 10 aus einem p-leltenden Silizlunkristall, eine darauf durch epitaxiales Aufwachsen aufgebrachte hochdotierte Zone 11 von η-leitendem Typ und iwei auf einander gegenüberliegenden Oberflächen der Diodenstruktur in Ohmschem Kontakt auf gebrachte leitende Metallschichten 12. Das Substrat 10 weist eine Verunreinigungskonzentration von 1 · 10 ' bis 4 · 10 * Atomen/cnr auf, und in der hochdotierten Zone 11 beträgt die Verunreinigungskonzentration zwischen 2 * 10 ° und 1 · 10^ Atome/enr, wie dies bereits oben beschrieben worden ist. Die in Ohmschem Kontakt

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mit der Diodenstruktur stehenden leitenden Metallschichten sind damit verschweißt oder daran anlegiert, wobei man sich entweder des Aufdampfens im Vakuum oder einer Plattierungsmethode bedienen kann. Der pn-übergang in der Diodenstrufctur weist einen Gradienten für die Verunreiriigungskonsentration auf, der in der Größenordnung zwischen 2 · 10 bis 7 · 10 ^ Atome/cm liegt.

Die durch das epitaxiale Aufwachsen geschaffene hochdotierte Zone muß eine bestimmte Mindestdicke haben* damit- die leitenden Metallschichten abgeschieden werden können, ohne die. Arbeits-

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weise des pn^Übergangs ungünstig zu beeinflussen.. Wird nämlich ^

ein leitendes Metall wie beispielsweise Aluminium oder Gold, das sich mit Silizium leicht legiert, der hochdotierten Zone in solchem Ausmaß zulegiert, daß sich die Legierungszone bis zu dem pn-übergang hin erstreckt, so kann es dazu kommen, daß der pn-übergang kurzgeschlossen wird und kein Zenerverhalten mehr zeigt* Bedient man sich für die Abscheidung der leitenden Metall=· schichten nicht des Legterunfisverfahrens, sondern einer anderen Methode, «ie beispielsweise des Äufplat'cierens eines Metalls wie Nickel, so geht üblicherweise* dem Plattieren eins Sand- a strahlbehendlung voraus, durch die ein guter elektrischer t*:id mechanischer Kontakt zwischen dem aufplattierten Metall und dem Silizlumgrundlcörper erreicht werden soll. Auch in die sera Falle kann es zu einer Verschlechterung des Zenerverhaltens

kommen, wenn sich auf die Bearbeitung zurückgehende innere Spannungen bis in den Bereich des pn~übergangs erstrecken.

Es ist daher erforderlich, dafl die hochdotierte Zone im allgemeinen eine Dicke von mehr als 5 M und insbesondere eine' Dicke von mehr all 10 Ai aufweist, oberobl.die Anfc^derungsn

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hinsichtlich der Dicke der hochdotierten Zone in Abhängigkeit von den Behandlungsverfahren und der Art der Abscheidung der leitenden Metallschichten variieren. Insbesondere für den Fall eines Ohaschen Kontaktes muß die erforderliche Mindestdicke der hochdotierten Zone in Abhängigkeit von der Löslichkeit des Jeweiligen Metalls in den Siliziumkristall festgelegt werden.

Eine Dicke von mehr als 10 Ai bis hinauf zu 50 Ai und ^ insbesondere in dem Bereich zwischen 15 und 20 Ai iat bevorzugt, wenn als Metall Aluminium und als halbleitendes Material Silizium Verwendung findet. Ea bildet sich nämlich beispielsweise eine Legierungszone von 4 Ai Dicke aus, wenn ein Aluminiusafilm von 10 μ Stärke auf Siliziuaa aufgedampft und anschließend dem Üblichen Heißlegierungsprozefl unterworfen wird. Dies bedeutet aber, daß die hochdotierte Zone mindestens 5 Ai stark sein muß.

Sind die leitenden Metallschichten auf das zuvor dem epltaxialon Aufwachsverfahren unterworfene Kristallplättchen . aufgedampft, aufplattiert oder sonst niedergeschlagen und damit die elektrische Verbindung vervollständigt, so wird das KristallplKttchen ausgestanzt, so daß nan eine Pille von vorgegebener Größe erhält, und schließlich wird die exponierte Oberfläche des Siliziumkristalls geätat, damit dieser seine ursprünglichen Eigenschaften wiedergewinnt» Ih diese« Falle werden die Endabschnitte der Pille seitlich geätzt, «it de» Ergebnis, daß dl· Endkanten der leitenden Metallsehiohten nach unten hängen, bis sie alt den pn-übergang in Berührung koamm und danlt Störungen, wie etwa Innere Kurzschlüsse verursachen» Auch aus diesen Grunde 1st es daher erforderlieh, die Stärke der hoch-

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dotierten Zone passjend zu wählen·

Es gibt jedoch auch eine bestimmte Obergrenze für die Dicke der hochdotierten Zone. Diese Begrenzung ergibt sich aus den Umstand j, daß eine Erhöhung der Dicke der hochdotierten Zone bei vorgegebener Aufwachsrate zu einer entsprechenden Verlängerung der für das epitaxiale Aufwachsen erforderlichen Zeit führt und eine derart verringerte Aufwachsperlode unerwünschte Abweichungen Im Ausraafl des Gradienten der Verunreinigungskonzentration über den pn-übergang von einem vorgegebenen Wert auslösen kann, wodurch es unmöglich war» Zenerdioden alt einer niedrigen Durchbruchspannung zu erhalten.

Wie Versuche der Anmelderin gezeigt haben, lassen sich Zenerdioden mit dem gewünschten Durchbruchverhalten mit einer Ausbeute von mehr als 60% erhalten« wenn die Dicke der hoohdotierten Zone zwischen 10 und 35 μ liegt« und diese Ausbeute erhöht sich auf mehr als 95& wenn die Dicke der hochdotierten Zone zwischen 20 und 30 M liegt.

Zn Flg. Ib 1st eine zweite AusfUhrungefom für eine erflndungegemXfte Zenerdlod· veranschaulicht, dl· eine Dreisehlohtstruktur mit einer p*-leitenden Zone 1*, einer p-leltenden Zone und einer ableitenden Zone 11 aufweist. Die p*-leitende Zone Ik hat eine pick· von 100 bis 200 μ und dient al« Substrat für das epitaxiale Aufwaehaen und gleichzeitig als niederohmig« Schicht, mit dar «Ine der beiden leitenden Itetallsehlohten 12 verbunden werden kann· Dl« p-leitende Zone 10 ist eine nieder-

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dotierte Zone, die durch epitaxiales Aufwachsen hergestellt 1st und hat eine Dicke von 10 bis 30 au Die n⁺-leltende Zone 11 1st eine hochdotierte« auf der p-leitenden Zone 10 aufgebaute Zone und enthält Verunreinigungen» die zu einen de» p-Typ entgegengesetzten Leltflhigkeltstyp führen. Die n⁺-leitende Zone hat eine DIcIm von «ehr als 5 M und insbesondere wie oben be» schrieben eine Dicke von »ehr als 10 Ai, ua eine Berührung zwischen einer Legierungaxone oder dea herabhängenden Ende einer darüberliegenden leitenden Metallschicht einerseits und de» pn-übergang andererseits, die zu eines) KurzsehluS fuhren könnte, ausxusohlie0en. Wire die Dicke der n⁺-leitenden Zone geringer als 4 M₉ so würde die Leglerungssone oder die herabhängende Endkante der leitenden Metallschicht Bit dea pn-übergang In Verbindung körnen, wie dies in Fig, Ie dargestellt 1st, und es würde sich ein Kursschlufi ergeben·

In weiteren Versuchen hat die An*elderin eine Zenerdlode der In Flg. Ib dargestellten Art «it einer n⁺-leitenden Zone * von sehr als 5 M Dicke hinsichtlich Ihrer Stroe-Spanmings- Kennllni· ie erreiet Mit einer Zenerdlode «it einer n⁺-lei~ tenden Zone von weniger als * M Dicke verglichen· Die Ergebnisse dieses Verglelehs sind in Flg. 2 veranschaulicht, aus der aan ersehen kann, da* dl· beiden letzten Dioden ein völlig unbefriedigendes Zenerdurchbruchvernalten zeigen» das durch die Kurven 21 und 22 in Flg. 2 wiedergegeben wird, während die erste Diode einen aoharf ausgeprägten Zenerknick zeigt, wie dies die Kurve 23 in Fig. 2 veranachaulloht.

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Eine mikroskopische Untersuchung eines den pn-übergang und den überlappenden Teil der leitenden Metallschicht enthaltenden Abschnittes der Zenerdioden ergab den Beweis, daß die Endkante der leitenden Metallschicht bei den beiden letzten Dioden bis zur Berührung mit dem pn-übergang nach unten hängt, wie dies in Fig. Ic dargestellt ist.

Bei der Diode alt einer η -leitenden Zone von mehr als 5 mm Dicke dagegen erstreckt sich die, herabhängende Endkante * der leitenden Metallschicht nicht bis zu dem pn-übergang, wie dies in Flg. Ib veranschaulicht ist.

Als nächstes sollen das für die Herstellung der erfindungsgemäBen Zenerdioden verwendete Verfahren und seine Betriebsbedingungen in einzelnen beschrieben werden.

Fig. 4 ist eine schematische Darstellung einer Apparatur zum epitaxialen Aufwachsen, wie sie bei der Herstellung der erflndungsgemäfien Zenerdioden Verwendung finden kann. Beim Betriebe dieser Apparatur werden zunächst Trichlorailan, Phos- f phortrichlorid und Diboran sowie Wasserstoffgas In einen Vorratsbehälter S₁ für das Ausgangsmaterial, einen Vorratsbehälter Sg für ein n-leltendes Dotierungsmaterial bzw. in einen Vorretsbehälter S, für ein p-leitendes Dotierungsmaterial eingebracht. Anschließend werden Ventile V₁, V^, V₅ und V₁₀ geöffnet, und reines wasserstoffgas von einem Taupunkt von weniger als -7O°C wird über eine Gasreinigungeanlage Pr, «in Reinigungsfilter GF - und einen Durehflufiaesser r^ zu zwei Reaktoren R₁ und R₂ sum

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epitaxialen Aufwachsen eingeleitet, um deren Inneres zu reinigen. Als nächstes wird ein EinkristallplEttchen aus Silizium, das als Substrat dient, auf einen im Innern des Reaktors R₁ angeordneten Heizer aufgebracht, und über die Gaszufuhrleitung wird aus dem Vorratstank S₁ eine vorbestimmte Menge an in passender Weise mit Wasserstoffgas verdünntem und auf einer gewünschten Temperatur von beispielsweise 2° + 1°C gehaltenem Trichlorsilan in den Reaktor R. eingespeist. Da der Reaktor R, auf eine oberhalb der Zersetzungstemperatur des als Ausgangsmaterial benutzten Trichlorsilans liegende Temperatur aufgeheizt ist, erfolgt im Inneren des Reaktors R₁ eine sofortige Zersetzung des Ausgangsmaterials, und es kommt zu einem epitaxialen Aufwachsen von Silizium auf dem Substrat. Während dieser Behandlung sind allein die Vorratsbehälter S. und S~ Über die Oaszufuhrleitung mit dem Reaktor R₁ verbunden, und dementsprechend bildet sich in dem Reaktor R₁ auf dem Substrat eine p-leittmde Epitaxialsehieht mit einem vorgegebenen Gehalt an Verunreinigungen«

Bei einem praktischen Ausführungsbeispiel der Erfindung wurde dew gasförmigen Gemisch aus Trichlorsilan und Wasserstoff als Dotierungsmaterial Diboran in einer Menge von 10 l/min und mit einer Flußgeschwindigkeit von 1 ^c 10^ bis 5 · ICr cm/min beigemischt. Die Flußgeschwindigkeit und die Konzentration des Trichlorsilans in dem Reaktor R₁ wird durch die Menge an zügeführtem Wasserstoffgas und durch die Temperatur in dem Vorratsbehälter S₁ bestimmt, da das Trichlorsilan durch das in den Vorratsbehälter S₁ eingespeiste Wasserstoffgas verdampft wird. Die

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Konzentration des eingespeisten Trichlorsilans muß genau überwacht werden, da es die Aufwachsrate für die Epitaxlalschicht bestimmt. Die Aufwachsrate hängt außerdem von der Größe des Reaktors R. und von der Reaktionstemperatur oder der Temperatur für das epitaxlale Aufwachsen ab, und eine Menge an zügeführtem Wasserstoffgas von 40 bis 70 Litern/min ist bei einem Durchmesser des Reaktors R, von 100 mn bevorzugt·

Sobald auf dem Substrat eine. p~leitende oder niederdotierte Zone mit der gewünschten Dicke und Verunreinigungskonzentration ™ ausgebildet 1st, wird die so geschaffene halbleitende Struktur aus dem Reaktor R₁ in den Reaktor R₂ Überführt, in dem unter Anschluß der Vorratsbehälter S₁ und S₂ an den Reaktor R_g über die Gaszufuhrleitung das epitaxiale Aufwachsen einer n-leitenden Schicht vorgenommen wird.

Dazu werden Trichlorsilan und Phosphortrichlorid in einem festen Verhältnis miteinander gemischt, und dieses Gemisch wird in der gleichen Weise wie bei den Vorgängen in dem Reaktor R₁ zum epltaxialen Aufwachsen in dem Reaktor R₂ benutzt. Die Menge an zugeführtem Phosphortrichlorid hängt von der Menge an Wasserstoffgas ab. So läßt sich beispielsweise eine n⁺-leitende Schicht mit einem Dotierungsgehalt in der Größenordnung von 10 Atomen/cm dann erzielen, wenn man Wasserstoffgas mit einer Flußgeschwindigkeit von 7 bis 20 1/nain zuführt.

Die Fig. 8a und 8b sind graphische Darstellungen, welche die Beziehung zwischen der Verunreinigungskonzentration einer

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p-leltenden oder niederdotierten Zone und der Zenerdurchbruchspennung veranschaulichen, wenn sowohl diese p-leitende Zone als auch die η -leitende Zone einer Zenerdiode mit einer η -p-p+. Struktur nach der Methode des epitaxialen Aufwachsen» hergestellt sind. Genauer gesagt* zeigen diese Darstellungen die Beziehung zwischen einer gewünschten Zenerdurchbruchspannung und der zu deren Erzielung bei festem Gradienten für die Verunreinigungskonzentration über den pn-übergang erforderliehen Verunreinigungskonzentration.

Aus diesen Darstellungen läßt sich daher feststellen, wie hoch die optimale Verunreinigungskonzentration der niederdotierten Zone sein muß, damit man eine Zenerdiode mit einer Zenerdurohbruchspannung von beispielsweise 7 Volt erhält.

In Fig. 8a sind die Werte aufgetragen, die »an bei Verwendung von Trichlorsllan und von Siliziumtetrachlorid als Ausgangsmaterial erhält, während in Pig. 8b die bei Verwendung von Monosilan al« Ausgangsmaterial erzielbaren Ergebnisse aufgetragen sind. Die Kurven A und E in den Fig. 8a und 8b sind aus einem Aufsatz von S. L. Miller in der Zeitschrift Physical Review von 1957, Bd. 105, Seiten 1246 bis 1249 entnommen und veranschaulichen den Zusammenhang zwischen der Verunreinigungskonzentration einer niederdotierten Zone eines pn-übergangs und der Zenerdurchbruchspannung einer nach der Legierungsmethode hergestellten Zenerdiode. Aus diesen Kurven kann man ersehen, daß die nleder-

17 dotierte Zone eine Verunreinigungskonzentration von 4 · 10 '

Atomen/cnr aufweisen muß, um eine Zenerdiode mit einer Zenerdureh-

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bruchspannung von 7 Volt zu erzielen. Während es möglich ist, durch Einlegieren von Aluminium eine Zenerdiode mit einer schmalen pn-Übergangszone su erzeugen, erweist es sich als unmöglich, eine Diode herzustellen, die eine so große Stromkapazität hat, daß ihr Zenerdurchbruchstrom oder ihr Zenerdurchbruchanfcngsstrom beispielsvreise mehr als 10 Watt Leistung entspricht. Dieser Mangel einer nach der Legierungsmethode hergestellten Zenerdiode lKßt sich nun durch die Erfindung ausschalten, d.h. der beobachtete Mangel der bekannten Zenerdioden läßt sich beseitigen, indem can die Verunreinigungskonzentration der nieder- .,-. dotierten Zone der Zenerdiode so festlegt, daß sie innerhalb des in den Pig. 8e und 8b schraffierten Bereichs zu liegen kommt.

Die Kurven B, C und D in Fig. 8a lassen sich angenähert durch die nachstehenden Gleichungen wiedergeben:

Kurve B: log V « (-0,09 x² + 0,?2 χ + 1,2I)*"¹ (3) ζ

Kurve C: log V. =» (-0,09 x² + 0,26 χ + 0,9¹O"¹ U)

P -1

Kurve D: log V_n, « (-0,09 x + 0,29 x + 1,06) (2),

in denen V die Zenerdurchbruchspannung, χ = log . . ■' und N die Verunreinigungskonzentration in Atome/cnr sind.

Wie oben beschrieben, wird die Verunreinigungskonzentration der niederdotierten Zone einer erfindungsgeraäßen Zenerdiode so eingestellt, daß sie Innerhalb des in den Fig. 8a und 8b schraffierten Bereichs zu liegen kommt. In diesem Zusammenhang empfiehlt es sich, die Gleichung (2) als Norm zu wählen, um Zenerdioden wit den gewünschten Zenerverhalten bei hoher Ausbeute zu erhaltene

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ORIGINAL

Die Werte für die in den graphischen Darstellungen der Fig. 8a aufgetragenen Punkte A bis L und A" bis L¹ sind die folgenden:

eingetragener Punkt	Zener- durchbruch- spannung in Volt	Verunreinigungskonzentration in Atome/cnK
A	37	' 2,0 χ 10¹⁷
B	25	. 4,0 χ 10¹⁷
C	20	6,0 χ 10¹⁷
D	17	8,0 χ 10¹⁷
E	15,5	1,0 χ 10^iO
F	12	2,0 χ 10^l8
G	10	4,0 χ 10¹⁸
H	9,3	6,0 χ 10^l8
I	9,0	8,0 χ 10¹⁸
J	8,7	1,0 χ 10¹⁹
K	8,0	2,0 χ 10¹⁹
L	7,8	4,0 χ 10¹⁹
A¹	17 .	2,0 χ 10¹⁷
B'	12	4,0 χ 10¹⁷
C¹	10	6,0 χ 10¹⁷
D¹	8,8	8,0 χ 10¹⁷
E¹	8,2	1,0 χ 10¹⁸
F¹	6,8	2,0 χ 10^l8
O¹	6,0	4,0 χ 10^l8
H¹	5,6	6,0 x 10¹⁸
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I¹	5,5	8,0 χ 10¹⁸
J¹	5,4	1,0 χ 10¹⁹
K^f	5,1	2,0 χ 10¹⁹
L¹	5,0	4,0 χ 10¹⁹

Die Lage der eingezeichneten Punkte A bis L läßt sich angenähert durch die Gleichung (1) und die der eingezeichneten Punkte A' bis L¹ ebenso angenähert durch die Gleichung (3) wiedergeben.

Die eingezeichneten Punkte a bis ν in Fig. 8a stellen die Beziehung zwischen der Verunreinigungskonzentration der niederdotierten Zone und der Zenerdurchbruchspannung einer erfindungsgemäBen Zenerdiode dar« Die Koordinatenwerte für diese Punkte ergeben sich au« der nachstehenden Tabelle:

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eingetragener Punkt	Zenerdureh«· bruchspannung in VdIt	Verunreinigungskonzentration in Atome/eiK
a	27	2,1 χ 10¹⁷
b	20	2,3 x 10¹⁷
G	¹⁹	3,0 χ 10¹⁷
d	17	3,2 χ 10¹⁷
β	18	4,1 χ ΙΟ¹⁷
f	15,5	4,7 x 10¹⁷
g	14	7,8 χ 10¹⁷
h	13,5	7,6 χ IQ¹⁷
i	12	8,8 χ 10¹⁷
i	12	1,12 χ 10¹⁸
k	10,5	1,16 χ 10^l8
1	9,2	1,28 χ 10¹⁸
■	8,0	2,0 χ 10¹⁸
η	7,2	3,0 χ 10¹⁸
O	7,8	3,3 x 10¹⁸
P	7,7	5,9 x 10
4	6,6	6,9 x 10^l8
r	*6,6*	8,6 χ 1O¹⁸
8	7,0	1,09 χ io¹⁹
t	6,7	1,4 χ IO¹⁹
U	6,2	2,0 χ IO¹⁹
V	6,2	3,1 X IO¹⁹

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Die Kurven P, G und H in Pig. 8b lassen sieh angenähert durch die nachstehenden Gleichungen wiedergeben:

Kurve P: log V = (-0,075 x² + Ο,3>8 χ + !,36Γ¹ (6)

Kurve G: log V » (-0,075 x² + 0,52 χ + 1,59T¹ (*)

Kurve H: log V «= (-0,075 x² + 0,31 x·+ 1,17J""¹ (5) ζ

wobei V*x und N wieder die vorige Bedeutung haben,

Auch in diesem Falle lassen sich Zenerdioden mit dem gewünschten Zenerverhalten mit großer Ausbeute herstellen, wenn die Zenerdurchbruchspannung und die Verunreinigungskonzentration der niederdotierten Zone der Gleichung (5) gehorchen.

Die in der Fig. 8b eingetragenen Funkte A bis L lassen sich angenähert durch die Gleichung (4) wiedergeben, während die in die gleiche Figur eingezeichneten Punkte A¹ bis L^f angenähert durch die Gleichung (6) bestimmbar sind. Die in j Fig. 8b eingezeichneten Punkte a bis 1 veranschaulichen die Beziehung zwischen der Verunreinigungskonzentration der niederdotierten Zone und der Zenerdurchbruchspannung einer tatsächlich gebauten Zenerdiode.

Die praktisch gemessenen Werte für alle diese Punkte sind die folgenden:

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eingetragener Punkt	Zenerdurch- bruchspannung in Volt	Verunreinigungskonzentration in Atome/cm3	U18
A	28,2	2,0.x 10¹⁷
B	19,0	4,0 χ 10¹⁷
C	15,7	6,0 χ ΙΟ¹⁷
.. D.	13,8	8,0 χ 1O¹⁷
E	12,7	1,0 χ 1O¹⁸
P	9,9	2,0 χ 10¹⁸
O	8,4	4,0 χ 10^l8
H	7,9	6,0 χ 10¹⁸
I	7,6	8,0 χ 1O¹⁸
J	7,4	1,0 χ 1O¹⁹
K	6,9	2,0 χ 10¹⁹
L	6,7	4,0 χ 10¹⁹
A¹	12,8	2,0 χ 10¹⁷
B^s	8,7	4,0 χ 10¹⁷
C'	7,4	6,0 χ 10¹⁷
D¹	6,7	8,0 χ 10¹⁷
E'	6,3	1,0 χ 10^l8
P*	5,3	2,0 χ 10^l8
G*	4,8	4,0 χ 10¹⁸
H¹	4,6	6,0 χ 10¹⁸
r	4,55	8,0 χ 10¹⁸
J¹	4,5	1,0 χ 10¹⁹
K¹	4,3	2,0 χ 10¹⁹
L'	4,2	4,0 χ 10¹⁹
	209813/

a	16,2	*2,15 1O¹⁷**
b	12,5	2,95 x 1O¹⁷
C	13,1	4,0 X 1O¹⁷
d	10,0	6,0 X 10¹⁷
e	8,1	1,0 x 10^l8
f	6,6	1,95 x 10¹⁸
..;... ρ	6,4.	3,0 χ 10¹⁸
h	5,6	6,Ox 10¹⁸
i	5,1	1,0 χ 10¹⁹
J	5,8	1,12 χ 10¹⁹
k	4,9	2,0 x 10¹⁹
1	4,9	4,0 χ ΙΟ¹⁹·

Fig. 9a veransohaulioht die Häufigkeit,nit der für erf indungegemMSe Zenerdloden bei bestiwiten Stromerten der Zenerdurobbruoh auftritt. In Flg. 9b dagegen 1st eine entsprechende Häufigkeitsverteilung für eine Übliche, nach der Diffuaionemethode hergestellte Zenerdlode aufgetragen.

Zur Gewinnung dieser Häufigkeitsverteilungen wurden jeweils dreiflig pn-übergang« nach der Methode des epltaxialen Auf· Wachsens und naeh der Dlffusionsaethode hergestellt und getestet, wobei Jeweils der Zenerduronbruehanfangestrom beobachtet wurde.

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Bei Betrachtung der Fig. 9a und 9b sieht man sofort, daß der Mittelwert für den Zenerdurchbruchanfangsstrom bei den erfindungsgemäS hergestellten Zenerdioden ein Zehntel oder weniger des Wertes beträgt, der bei üblichen, nach der Diffusionseethode hergestellten Zenerdioden zu beobachten ist.

Dieser auffallende Unterschied ergibt sich daraus, daß die Grenzfläche des pn-Ubergangs bei den erfindungsgeraäß hergestellten Zenerdioden sehr gleichförmig und die zugehörige Raumladungssehioht sehr, schmal ist, wie dies oben in Verbindung ■it Fig· 6 erläutert worden ist, ind daß es quer über den übergang eine abrupte Änderung in der Verunreinigungekonzentration gibt.

Außerdem wurden dreißig erfindungsgenäß hergestellte Zenerdioden mit dreißig nach der Diffusionsmethode hergestellten Zenerdioden hinsichtlich ihrer dynamischen Impedanzverteilung verglichen.

Die Ergebnisse dieses Vergleichs sind in Fig. 10 zusammengestellt, aus der man sehen kann, daß die dynamische Impedanz der erfindungegemäß hergestellten Zenerdioden sehr gering ist und weniger als etwa ein Drittel des Wertes beträgt, der bei Üblichen, nach der Diffusionsmethode hergestellten Zenerdioden zu beobachten ist.

Der für die dreißig erfindungsgeraäfl hergestellten Zenerdioden gemessene Mittelwert für die dynamische Impedanz beträgt 0,08l Ohm, während sich der gleiche Wert für die dreißig nach

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der Diffusionsraethode hergestellten Zenerdioden auf 0,24 Ohm beläuft. Auch dieser Unterschied ist darauf zurückzuführen, daß die Grenzschicht bei dem pn-übergang der erflndungsgemäSen Zenerdioden eben verläuft und die zugehörige Raumladungsschicht nur eine geringe Breite aufweist, wie dies in Verbindung mit Fig. 6 bereits oben erläutert worden ist.

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Claims

Patentansprüche

1. Zenerdiode mit swei aneinandergrensenden halbleitenden Zonen entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps-, dadurch gekennzeichnet , daß die zweite Zone eine auf eine ebene imd glatte Fläche der ersten Zone aufgebrachte Epitaxialschiclit ist, daß die erste Zone einen ei*eten LeItfühigkeitstyp erzeugende Verunreinigungen in einer Konzentration zwischen 1 ° 10 ' und 4 · 10 ° Atorae/cnr und die zweite Zone einen dem traten Lsitfähigkeitstyp entgegengesetzten Leitfähig« keitstyp erzeugende Verunreinigungen in einer Konzentration zwischen 1 * 10¹^ und 1-10 Atone/cnr enthält und daß über den pn-übergang und zwischen den beiden Zonen ein Gradient der Ver~ unreinigungskonsentration zwischen 2-10 und 7 * 10 ^J Atome/cm bestehtc

2. Zenardiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daf? auf entgegengesetzten Seiten jeder der beiden Zonen jeweils eine leitende Metallschicht aufgebracht ist.

3» Zenerdiode nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Zone eine hochdotierte Zons ist., deren Dicke eine physikalische und eine elektrische Beeinflussung des pn-übergangs zvjisehsn den beiden Zonen durch die auf der zweiten Zone aufgebrachte leitende Metallschicht ausschließt.

4ο Zenerdiode nach Anspruch 3» dadurch gekonnzeichnet, daß die erste Zone eine niederdctierte Zone i«t und die Dicke der •zweiten Zone zwischen 7 und 35 M bsträgt.

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5. Zenerdiode nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß auch die erste Zone eine Epltaxialschieht ist.

6. Zenerdiode nach einem der Ansprüche 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß beide Zonen aus Silizium bestehen .und die erste Zone eine niederdotierte Zone mit p-leitenden Verunreinigungen und die zweite Zone eine hochdotierte Zone mit nleitenden Verunreinigungen ist.

7u Zenerdiode nach Anspruch β, dadurch gekennzeichnet, daß auf gegenüberliegenden Seiten beider Zonen leitende Metallschichten aus Aluminium in Ohinseheni Kontakt auf legiert sind.

8 ο Zenerdiode nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß auf gegenüberliegenden Seiten beider Zonen leitende Met&llnehichten aus Nickel»Gold aufplattiert sind.

9. Zenerdiode nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die niederdotierte Zone eine Epitaxialschicht ist und die Beziehung zwischen der Zenerdurchbruchspannung V„ und der Verunreinlgungs- (

konzentration H in dieser Zone gegeben ist durch die Gleichung

V, - (-0,09 x² + 0,29 x + Ι,ΟβΓ¹, In der κ ait der Verur., üinigungskonzentration N durch die De·

Ziehung χ » log "—_rfi verknüpft ist.

2 - 10^lü

10» Zenerfitoüe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die nledärUotiörte Zone eine Epltaxlr.tschlcht iat und die

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Beziehung zwischen der Zenerdurchbruchspannung V„ und der Ver~ unreinigungskonzentration N dieser Zone gegeben 1st durch die Beziehung

log V_z « (-0,075 x² + 0,38 χ + 1,3ο)"¹,

in der χ mit der Verunreinigungskonzentreation N nach der Beziehung χ = log —ΠΤ zusammenhängt.

2 · 10^iö

11. Zenerdiode nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch eine zusätzliche niederohraige Schicht, die auf der für die Aufbringung der leitenden Metallschicht bestimmten Seite der ersten Zone angeordnet ist.

12. Zenerdiode nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Gradient der Verurreinigungskonzcntration an dem pn-übergang und in der Nachbarschaft davon zwischen

PI P^i Ii

2 ' 10 und 7 * 10 ^ Atome/cm liegt und der den pn-übergang und seine Nachbarschaft einschließende Bereich nicht schmäler ist als die Raumladungsschicht der Diode.

13. Verfahren zur Herstellung einer Zenerdiode nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß ein Einkristallplättchen aus Silizium mit einem vorgegebenen LeitfBhigkeitstyp und einer Verunreinigungskonzentration zwischen 1 · 10¹⁷ und 4 · IC¹^ Atome/cm-⁵ auf einer Oberfläche geglättet und gereinigt und anschließend in einen mit einer Heizeinrichtung versehenen und durch ein TrBgergas gereinigten Reaktor zum

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epit&xialen Aufwachsen eingebracht wird, daß in diesen Reaktor ein Ausgangsmaterial und ein Dotierungsmaterial zur Erzeugung eines dem Leitfähigkeitstyp des Rristallplättchens entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps zusammen mit einem Trägergas eingebracht wird und daß in dem Reaktor eine Wärmebehandlung bei einer die ZersetzungsteinperatuF des Ausgangsmaterials Ubereohreitenden Temperatur vorgenommen wird₃ bni der sich durch die Zersetzung des AusgangsmaterialK auf dem Kristallplättchen Siliziumeinkristalle mit einer Wachstumsrate von 5 bis 7 /u/min

abscheiden, wobei sich zwischen der abgeschiedenen Schicht und den Kristallplättchen ein pn-übergang mit einem Gradienten der

21 23 Verunreinigungskonzentration zwischen 2 ° 10 bis 7 * 10 -* Atome/cra ausbildet«

l4c Verfahren nach Anspruch 13* dadurch gekennzeichnet, daß als Ausgangsmaterial Monosilan SiHh benutzt wird.

15· Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß als Ausgangsmaterial Trichlorsilan SiHCl-* oder Siliziumtetrachlorid SiCl^ benutzt wird. (

l6c Verfahren nach Anspruch l4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmebehandlung bei einer Temperatur zwischen 850 und 1100⁰C vorgenommen wird.

17c Verfahren nach Anspruch 15* dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmebehandlung bei einer Temperatur zwischen 1050 und 135O^OC vorgenommen wird.

18, Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Molverhältnis des AuRgangsmaterials zu dem Trägergas zwischen 0,02 und 0,05 gewählt wird,

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