DE1931201C3 - Verfahren zur Herstellung einer Zenerdiode - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Zenerdiode in einem Halbleiterkörper, wobei ein pn-Übergang der Diode zwischen zwei diffundierten Zonen gebildet wird, die durch Diffusion einer Donator- und einer Akzeptorverunreinigung in praktisch einander entgegengesetzten Richtungen erhalten werden. Die Zenerdiode kann einen Teil einer intcrgrierten Schaltung bilden.

Es sind bereits Halbleiterdioden bekannt, deren Strom-Spannungslinie von einer Schwellwertspannung ab linear ist. Solche Dioden sind /.. B. Metall-Halbleiterdioden. Diese Dioden ermöglichen eine gute Detektion elektrischer Signale eines niedrigen Niveaus, aber sie lassen sich schwierig in monolithischen integrierten Schaltungen unterbringen. Dioden für monolithische integrierte Schaltungen werden üblicherweise so hergestellt, wie dies z.B. in der GB-PS 1046 152 beschrieben ist.

Es hat sich gezeigt, daß beim Delektieren elektrischer Signale mittels einer Zenerdiode, die in der Spcrrichlung vorgespannt ist, eine lineare Detektion von Spannungssignalen mit einer Amplitude von einigen Millivolt möglich ist.

In der Sperrichtung vorgespannte Halbleiterdioden, die durch Legierungen, Diffusion oder epitaktisches Aufwachsen erhalten sind, weisen eine Str&m-Spannungskennlinie auf, deren Linearität bedeutend besser ist als die, welche bei Vorspannung in der Vorwärtsrichlung erhalten wird. Bei zunehmender Spannung in der Sperrichtung verringert sich die Linearität. Der Strom nimmt bei zunehmender Spannung stark zu und es tritt Durchschlag auf. Sind die Dioden in einem Kristall niedrigen spezifischen Widerstands ausgebildet, so kann der Durchschlag infolge der eigentlichen Zenerwirkung auftreten, wobei das elektrische Feld an Atome gebundene Elektronen von diesen Atomen wegziehen kann, wodurch die Konzentration freier Ladungsträger stark zunimmt und der spezifische Widerstand stark abnimmt. Zenerdurchschlag tritt nur bei niedrigen Spannungen von maximal etwa 5,5 V auf.

Sind die Dioden in einem Kristall höheren spezifischen Widerstandes ausgebildet, so tritt eine höhere Durchschlagspannung auf. Es tritt dabei Durchschlag durch Lawinenwirkung infolge der Ionisierung von Atomen durch mit den Atomen zusammenstoßende, schnelle Elektronen auf. Unter Zenerdioden werden Dioden verstanden, bei denen der Durchschlag durch Zener- und/oder Lawinenwirkung auftritt.

Je nachdem die Zenerdioden der Kategorie mit der eigentlichen Zenerwirkung oder mit der Lawinenwirkung zugehören, weisen sie außer einem Unterschied zwischen den Werten ihrer Duchschlagsspannungen auch Unterschiede zwischen Rausch- und Verzerrungseigenschaften auf.

Wenn in einer Zenerdiode die Zenerwirkung vorherrschend ist, ist die Durchschl.i;^Tsp,innung niedrig, das Rauschen schwach und liegt der Arbeitspunkt der Diode in einem verhältnismäßig wenig linearen Teil der Strom-Spannungskennlinie, was zu einer leichten Verzerrung Anlaß gibt. Wenn die Lawinenwirkung vorherrscht, ist die Strom-Spannungskennlinie ganz linear, gibt es keine Verzerrung, aber das Rauschen ist erheblich groß. In einem Falle ist somit das Rauschen schwach und die Verzerrung verhältnismäßig groß und im anderen Falle gibt es keine Verzerrung, aber das Rauschen ist verhältnismäßig stark.

Bei bestimmten Schaltungsanordnungen, insbesondere bei integrierten Detektionsschaltungen. ist es erwünscht, eine Zenerdiode anzuwenden, die in einem Spannungsbereich von etwa 6 bis 8 V mit einem niedrigen Strom von etwa ΙΟΟμΑ wirksam sein kann, wobei gewöhnlich ein nicht vernachlässigbarer Rauschpegel und eine verhältnismäßig starke Verzerrung auftreten, da der Arbeitspunkt der Diode in dem nicht linearen Teil der Strom-Spannungskennlinie liegt. Diese bei einer Deteklionsschaltung unzulässigen Nachteile sind bereits teilweise dadurch vermieden worden, daß Zenerdioden mit einer Durchschlagspannung von einigen Volt und einem sehr schwachen Rauschen durch das in der nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung P 17 64 552.2-33 der Anmelderin beschriebene Veifahren der eingangs genannten Art hergestellt worden sind. Dieses Verfahren gründet sich auf die Tatsache, daß die Durchschlagspannung eines pn-Überganges von der Struktur abhängt und daß ein »schroffer« Übergang eine niedrigere Durchschlagsspannung mit sich bringt als ein allmählich verlaufender Übergang. Um eine Zenerdiode mit einer Durchschlagsspannung von einigen Volt und mit einem sehr schwachen Rauschen zu erhalten, muß ein ziemlich schroffer Übergang vorgesehen werden, z. B. indem durch Diffusion einer Donator- und einer Akzeptorver-

in einander entgegengesetzten Richtungen Säen angebracht werden.
F hat sich gezeigt, daß eine enge Beziehung zwischen Oberfläche des Überganges und der Linearität der „,.Spannungskennlinie einer Zenderdiode vorliegt. ^Str° Linearität der Kennlinie bei einer bestimmten c mstärke nimmt bei Verringerung der Oberfläche ^Überganges zu. Es läßt sich errechnen, daß die

imale Oberfläche des Überganges, bei der die ^ma Sperrspannungskennlinie _nQch |_{jnear jst e{wa}

² beträgt. Es ist jedoch schwierig, Zenerdioden en bei denen die Oberfläche des Überganges 'i

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung einer Zenerdiode zu

h ffen, die sich in einer monolithischen Halbleiter-

haltung integrieren läßt und die in dem erwünschten f nspannungsbereich mit einem schwachen Rauschen

\i»inpr erringen Verzerrung betrieben werden kann.

Die Erfindung geht unter anderem von üer Erkenntdaß bei der Herstellung einer Zenerdiode die Tatsache benutzt werden kann, daß die Durchschlagspannung eines pn-Überganges /wischen i Zonen, von denen mindestens eine einen an den Übergang grenzenden Teil mit einem niedrigeren. 2;

nezifischen Widerstand als der übrige an den

η-Übergang grenzende Teil dieser Zone aufweist. durch den Teil mit niedrigem spezifischem Widerstand bestimmt wird und der Durchschlag bei diesem Teil

aus

• Erfindung geht weiterhin von der Erkenntnis aus, daß vorteilhal'terweise derjenige Teil eines Überganges benutzt werden kann, der durch Diffusion einer Verunreinigung durch einen Teil der Oberfläche eines Halbleiterkörper quer zu dieser Oberfläche erhalten wird, während der zu dieser Oberfläche prakiisch parallele Teil im wesentlichen nicht verwendet wird.

In Anwendung dieser Erkenntnisse wird die genannte Aufgabe bei einem Verfahren zur Herstellung einer Zenerdiods in einem Halbleiterkörper, wobei ein pn-Übergang der Diode zwischen zwei diffundierten Zonen gebildet wird, die durch Diffusion einer Donator- und einer Akzeptorverunreinigung in praktisch einander entgegengesetzten Richtungen erhalten werden. erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Verunreinigungen in den Halbleiterkörpern durch zwei nahe beieinander liegende Teile einer Oberfläche des Halbleiterkörpers in einander entgegengesetzten Richtungen praktisch parallel zu dieser Oberfläche diffundieren. wobei ein pn-Übergang zwischen den diffundierten Zonen erhalten wird, der annähernd senkrecht zu dieser Oberfläche verläuft. Der Halbleiterkörper, in dem die Diode untergebracht wild, kann n- oder p-leitend sein.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile sind u.a. darin zu sehen, daß die Durchschlagspannung und die weiteren Durchschlageigenschaften der Diode durch den pn-Übergang zwischen den zwei diffundierten, aneinander grenzenden und nebeneinander liegenden Zonen und nicht durch einen Übergang zwischen einer dieser Zonen und einem angrenzenden, durch die Diffusion nicht geänderten Teil des Halbleiterkörper bestimmt werden, da die durch die Duffision erhaltenen Zonen einen niedrigeren, spezifischen Widerstand aufweisen als der angrenzende, nicht geänderte Teil des Halbleiterkörpers. Der erhaltene Übergang /wischen den diffundierten Zonen ist ein schroffer Übergang mit einer Durchschlagspannung von einigen Volt und die gebildete Diode weist einen sehr niedrigen Rauschpegel auf. Die geringe Oberfläche des erhaltenen Überganges zwischen den diffundierten, nebeneinander liegenden Zonen ergibt eine gute Linearität, die an sich eine minimale Verzerrung mit sich bringt

Die Zenerdiode nach der Erfindung kann in einfacher Weise in einer integrierten Schaltung untergebracht werden, da keine einzige zusätzliche Diffusion erforderlich ist.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Mit dem Verfahren nach Anspruch 3 erhält man eine Dicke mit einer Durchschlagspannung von 5 bis 6 Volt und mit dem Verfahren nach Anspruch 4 eine Dicke mit einer Durchschlagsspannung von 6 bis 8 Volt.

Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung an einigen Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 perspektivisch im Schnitt einen Teil einer monolithischen, integrierten Schaltung mit einer Zenerdiode, die durch das Verfahren nach der Erfindung hergestellt ist,

Fig. 2 eine Draufsicht auf die integrierte Schaltung nach Fig. 1,

F i g. 3a bis 3d eine Ausführungsform des Verfahrens im Rahmen der Herstellung einer integrierten Schaltung mit einer Zenerdiode und einem Transistor,

F i g. 4a bis 4d eine andere Ausführungsform des Verfahrens im Rahmen der Herstellung einer integrier-¹ ten Schaltung mit einer Zenerdiode und einem Transistor.

Fs sei bemerkt, dall die unterschiedlichen Figuren die maskierenden und passiviercnden Schichten, gewöhnlich Oxydschichten, nicht darstellen: sie werden auch weiterhin nicht erörtert, da die Verwendung solcher Schichten allgemein bekannt ist.

In den nachstehend zu beschreibenden Beispielen wird eine Zenerdiode gleichzeitig mit einem npn-T ransistor hergestellt, aber selbstverständlich laßt sich die Diode gleichzeitig mit anderen aktiven oder passiven Schaltungselemente!!, z. B. mit einem diffundierten Widerstand oder einem pnp-Transistor herstellen.

Die F i g. 1 und 2 zeigen schematisch eine bevorzugte Ausführungsform einer Zenerdiode. Ein Halbleitersubstrat la /. B. des p-Leitfähigkeitstyps trägt eine η-leitende epitaktische Schicht 2, in der die Diode gebildet wird. Da diese Diode einen Teil eines integrierten, monolithischen Halbleiterbauelementcs bildet, von dem nur der die Diode enthaltende leil dargestellt ist, muß die Schicht 2 eine durch Diffusion gebildete Isolierzone 16 des gleichen Leiilahigkeiisiyps wie das Substrat la aber mit einer höheren Verunreinigungskonzentration aufweisen.

Von der Oberfläche dor Schicht 2 her wird durch Diffusion durch benachbarte Oberflächenteile einerseits eine Zone 3 des dem der Schicht 2 entgegengesetzten Leitfähigkeiistyps und mit einer an die erwünschte Durchschlagspannung angepaßten Verunreinigungskon/entration und andererseits eine Zone 4 gebildet, deren Leitfähigkeitsiyp gleich dem der Schicht 2 ist. aber die eine höhere Verunreinigungskonzeniralion aufweist.

Während der thermischen Behandlungen tritt cmc seitliche Diffusion der Verunreinigungen /um Anbringen der Zonen 3 und 4 auf. Die Diffusion erUgl somit in Richtungen praktisch parallel zur Oberfläche der epitaktischen Schicht 2, wodurch die Verunreinigungen in Richtung aufeinander zu diffundieren. Es wird dabei

ein pn-Übergang /zwischen den diffundierten Zonen 3 und 4 gebildet. Der Übergang verläuft praktisch senkrecht zur Oberfläche der epitaktischen Schicht 2 und ist ein schroffer Übergang. Gleichzeitig mit dem Übergang / wird der pn-Übergang /' zwischen der Schicht 2 und der Zone 3 gebildet. Dieser Übergang /' hat eine höhere Durchschlagspannung als der Übergang /, da der spezifische Widerstand der Schicht 2 höher ist als der der Zonen 3 und 4.

Um einen klein bemessenen Übergang / und dennoch eine große Oberfläche zum Anbringen der Kontakte 5 und 6 auf den Zonen 3 und 4 zu erhalten, werden T-formige Zonen 3 und 4 angebracht, die über nur einen kleinen Teil des Umfangs zur Bildung des Überganges / aneinander angrenzen, wie dies in den Fig. I und 2 dargestellt ist.

Die Breite L der aneinander angrenzenden Teile der Zonen 3 und 4 kann kleiner als 10 μιτι gemacht werden, wodurch die Oberfläche des Überganges J nur einige zehn μηι² betragen kann.

Die Fig. 3a bis 3b veranschaulichen die aufeinander folgenden Stufen der Herstellung eines Teiles einer integrierten, monolithischen Struktur, der mindestens eine Zenerdiode und einen Transistor enthält.

In einem p-leitenden Siliciumsubstrat 11 weiden die p+-leitenden Zonen 12a angebracht, die zum Bilden der Isolierzonen in einer späteren Herstellungsstufe dienen.

Auf dem Substrat 11 wird eine epitaktische n-leitcnde Siliciumschicht 13 angebracht. In dieser Schicht 13 werden auch zum Erzielen der Isolierzonen die P ⁺-leitende Oberflächenzonen 126 diffundiert und weiterhin die p ⁺ -leitende Zone 14a für die herzustellende Zenerdiode. Darauf wird die p-leitende Zone 15;; zum Bilden der Basiszone eines npn-Typ Transistors diffundiert. Dann werden die n ⁺ -leitende Emitterzone 17. die n + -!eitende Zone 16 der Diode und die η+ -leitende Kontaktzonc 18 durch Diffusion angebracht.

Nach der letzten Diffusionsstufe haben die Zonen 12.7 und 126 die Isolierzone 12 und die Zonen 14.7 und 15,-i die Zonen 14 und 15 gebildet.

Die Diodenzonen 14 und 16 und die Emitterzone 17, die Basiszone 15 und die Kontaktzone 18 der Kollektorzonc des npn-Typ Transistors lassen sich in üblicher Weise mit Anschlußkontakten versehen.

Da die Diodenzone 14 gleichzeitig mit der Isolierzone 12 und die Diodenzone 16 gleichzeitig mit der Emitterzone 17 angebracht werden, erfordert die Anbringung der Diode keine gesonderte Diffusionsstufe.

Die integrierte Halbleitervorrichtung kann mehr und auch andere Schaltungselemente als die dargestellten enthalten: diese Schaltungselemente lassen sich in üblicher Weise miteinander verbinden.

Die p-leitende Diodenzone kann auch gleichzeitig mit der Basiszone eines npn-Transistors angebracht werden. Dies wird an Hand der Fig. 4a bis 4d dargestellt.

In das p-leitende Substrat 21 werden zum Bilden der Isolierzonen 22 die ρ ⁺ -leitenden Oberflächenzonen 22a diffundiert. Auf diesem Substrat wird die n-leitende epitaktische Schicht 23 angebracht, die mit den diffundierten Oberflächenzonen 22i> versehen wird, auch um die Isolierzonen 22 zu bilden. Darauf werden durch Diffusion die p-leitende Basiszone 25a, 25, die n ⁺ -leitcnde Emitterzone 27 und die n"¹ leitende Kollektorkontaktzone 28 angebracht.

Gleichzeitig mit der p-leitenden Zone 25a zum Bilden der Basiszone 25 wird die p-leitende Zone 24a zum Bilden der p-leitenden Zone 24 der Zenerdiode angebracht. Die η+ -leitende Zone 26 der Zenerdiode wird wieder gleichzeitig mit der Emitterzone 27 des Transistors angebracht.

Es sei bemerkt, daß die Diffusionsbehandlungen nicht einzeln beschrieben sind, da solche Behandlungen allgemein bekannt sind.

Die Anbringung der Zenerdiode nach dem Verfahren gemäß der Erfindung in einer integrierten Halbleitervorrichtung erhöht nicht die Anzahl von Herstellungsstufen und ermöglicht sogar, größere Spannungsbereiche für die Diode zu erzielen.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Hersteilung einer Zenerdiode in einem Halbleiterkörper, wobei ein pn-Übergang der Diode zwischen zwei diffundierten Zonen gebildet wird, die durch Diffusion einer Donator- und einer Akzeptorverunreinigung in praktisch einander entgegengesetzten Richtungen erhalten werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Verunreini- >° gungen in den Halbleiterkörper durch zwei nahe beieinander liegende Teile einer Oberfläche des Halbleiterkörpers in einer entgegengesetzten Richtungen praktisch parallel zu dieser Oberfläche diffundieren, wobei ein pn-Übergang zwischen den '5 diffundierten Zonen erhalten wird, der praktisch senkrecht zu dieser Oberfläche verläuft.

2. Verfahren nach Anspruch J, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Diffusion der Donator- und der Akzeptorverunreinigung Zonen erzeugt werden, die nur über einen kleinen Teil ihres Umrisses unter Bildung des pn-Überganges aneinander grenzen und daß die Anschlußkontakte der Diode auf diesen Zonen angebracht werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Zenerdiode in einer von Isolierzonen umgebenen Insel einer monolithischen integrierten Schaltung angebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine der diffundierten Zonen der Diode gleichzeitig mit den Isolierzonen und die andere diffundierte Zone der Diode gleichzeitig mit der Emitterzone eines Transistors angebracht wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Zenerdiode in einer von Isolierzonen umgebenen Insel einer monolithischen integrierten Schaltung angebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine der diffundierten Zonen der Diode gleichzeitig mit der Basiszone eines Transistors und die andere diffundierte Zone gleichzeitig mit der Emitterzone dieses Transistors angebracht wird.