DE2040911A1

DE2040911A1 - Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauelements

Info

Publication number: DE2040911A1
Application number: DE19702040911
Authority: DE
Inventors: Mets Edwin Johanns
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1969-08-20
Filing date: 1970-08-18
Publication date: 1971-03-04
Also published as: IE34446B1; JPS4918586B1; GB1271035A; FR2058408B1; IE34446L; US3701696A; FR2058408A1

Description

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GENERAL ELECTRIC COMPANY, Scheneetady, N.T., VStA

Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauelements

Die Erfindung bezieht sich-auf ein Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauelements mit verbesserten Spannungssperreigenschaften.

Verfahren zum Herstellen von Halbleiterbauelementen mit äußerst hohen Sperrspannungen sind bekannt. Allerdings ist die Herstellung von Anordnungen, die sehr gute elektrische Eigenschaften aufweisen, weitgehend auf Verfahren beschränkt, bei denen die einzelnen Halbleiterkörper oder Halbleitertabletten, die zum " Einbau in ein Halbleiterbauelement geeignet sind, getrennt voneinander hergestellt und verarbeitet werden.

Um den Herstellungsaufwand zu verringern, wurden von der Halbleiterindustrie Verfahren entwickelt, bei denen die Halbleiterkristalle oder Halbleitertabletten für zahlreiche einzelne Halbleiterbauelemente noch eine einzige große Kristallplatte bilden. Die Herstellung und Bearbeitung von solchen Halbleiterkristallplatten haben die Herstellungskosten für ein Halbleiterelement erheblich verringert. Die durch die Massenherstellung der Halbleitertabletten erzielten Vorteile erfolgen jedoch auf Kosten der elektrischen Betriebseigenschaften.

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Ferner muß eine große Anzahl der fertiggestellten Halbleiterbauelemente als Ausschuß aussortiert v/erden, da zahlreiche Halbleiterkristalle bei der Herstellung beschädigt worden sind. Während in Einzelarbeit hergestellte Thyristorkörper oder Thyristortabletten mit vier Schichten und drei Übergängen Sperrspannungen von mehr als 1000 Volt standhalten können, weisen Thyristoren, deren Halbleiterkristalle in Massenproduktion hergestellt sind, im allgemeinen Sperrspannungen von weniger als 400 Volt auf. Der Anwendungsbereich solcher Halbleiterbauelemente ist daher bezüglich der Sperrspannung begrenzt. Ferner muß eine große Anzahl der massengefertigten Halbleiterbauelemente ausgeschieden oder mit geringeren Betriebsnenndaten versehen werden, da diese Halbleiterbauelemente infolge mechanischer Beschädigung bei der Herstellung oder Fertigung oft den bescheidensten Anforderungen nicht genügen.

Die Aufgabe der Erfindung besteht somit darin, mehrere SiIiciumkörper oder Siliciumtabletten aus einer einzigen SiIiciumplatte herzustellen, wobei die Platte ohne Schaden zu nehmen in einfacher Weise bearbeitet werden soll und die entstehenden Körper oder Tabletten positiv abgeschrägt, passiviert und die Übergänge eine solche Lage haben sollen, daß die hergestellten Siliciumkörper verbesserte Spannungssperreigenschaften aufweisen. Weiterhin soll das zu schaffende Herstellungsverfahren außer der Verbesserung der Betriebsparameter, die gesamte Herstellungszeit und die Herstellungskosten so gering wie möglich halten.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß zum Ausbilden eines anfangs zwischen zwei Zonen angeordneten Übergangs auf einen Siliciumkristall mit einer ersten Zone von einem ersten Leitungstyp eine zweite Zone von einem zweiten, entgegengesetzten Leitungstyp mit einem im Vergleich zur ersten Zone geringeren spezifischen Widerstand epitaxial aufgebracht wird und daß zum Umwandeln eines an die zweite Zone angrenzenden Teils der ersten Zone in einen Abschnitt

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vom zweiten Leitungstyp der Siliciumkristall nach dem epitaxialen Abscheiden erhitzt wird, wobei der Übergang von der epitaxial abgeschiedenen zweiten Zone weg in die erste Zone hineingetrieben wird und gleichzeitig auf der Siliciuinkristalloberfläche an ihrem Schnittpunkt mit dem Übergang in der ersten Zone eine Passivierungsschicht erzeugt wird. Vorzugsweise wird auf einer Oberfläche des Siliciumkr istalls ein beanspruchter oder gespannter Bereich ausgebildet. Bei dem zum Verschieben des Übergangs und zum Ausbilden der Passivierungsschicht dienenden Erhitzen werden Kristalldislokationen in dem beanspruchten oder gespann- g ten Bereich geschaffen, die als Einfangstellen für schnell diffundierende Verunreinigungen, beispielsweise Eisen, dienen. Die Entfernung der beanspruchten oder gespannten Bereiche zusammen mit den eingefangenen Verunreinigungen trägt zur Verbesserung der Sperrspannungseigenschaften bei. Das Erhitzen wird in einer oxidierenden Atmosphäre vorgenommen, so daß sich eine passivierende Oxidschicht auf der Kristalloberfläche ausbildet.

Wenn aus einer einzigen Siliciumkristallplatte mehrere SiIiciumkörper oder Siliciumtabletten hergestellt werden sollen, wird die Platte vorzugsweise durch Ätzen mit Vertiefungen oder Rillen versehen. Die Vertiefungen oder Rillen erstrecken % sich vorzugsweise durch die erste Zone bis zu einer Tiefe, die an die zweite Zone angrenzt, so daß mindestens ein großer Abschnitt der ersten Zone in Sektoren unterteilt ist. Bei dem nachfolgenden Erhitzen in einer oxidierenden Atmosphäre werden die vertieften Oberflächen der Platte mit Siliciumdioxid bedeckt. Die zweite Zone der Platte kann dann unterhalb der tiefsten Stelle der Rillen oder unter den Boden der Rillen oder Vertiefungen geteilt werden, so daß getrennt verwendbare Siliciumkristallelemente oder Silicium- kristalltabletten entstehen, von denen jede einen Sektor der ersten Zone enthält.

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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden an Hand von Figuren beschrieben.

Die Figurengruppe 1a bis 1e zeigt in schematischen Schnittdarstellungen verschiedene Stufen bei der erfindungsgemäßen Herstellung einer Siliciumdiode,

Die Fig. 1a zeigt im einzelnen eine Silicium-

kristallplatte mit einer ersten Zone.

Die Fig. 1b zeigt die Siliciumkristallplatte

mit einer zweiten, epitaxial aufgebrachten Zone.

Die Fig. 1c zeigt die Siliciumkristallplatte

mit Vertiefungen oder Rillen in der ersten Zone und mit einem beanspruchten oder gespannten Bereich auf der Oberfläche der zweiten Zone.

Die Fig. 1d zeigt die Siliciumkristallplatte

nach dem Erhitzen, durch das der ursprünglich an der Grenzfläche zwischen den beiden Zonen angeordnete Übergang verschoben und die Kristalloberfläche mit einer Oxidschicht bedeckt worden ist.

Die Fig. 1e zeigt mehrere aus der Silicium-

platte entstandene, getrennt verwendbare Siliciumdiodenkristalle mit Kontaktmetallisierungen.

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Die Figurengruppe 2a bis 2e umfaßt mit der Figurengruppe

1a bis 1e vergleichbare schematische Schnittdarstellungen, ■ die verschiedene Stufen beim Herstellen eines gesteμerten Siliciumgleichrichters oder Thyristors nach der Erfindung zeigen.

Zum praktischen Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens kann man als Ausgangssubstrat eine Siliciumkristallplatte verwenden, die entweder vom P- oder vom N-Leitungstyp sein kann. " Wenn viele getrennt verwendbare Tabletten oder Körper aus einer einzigen Platte hergestellt werden sollen, weist die Platte im Verhältnis zu ihrer Stärke einen großen Durchmesser auf. Siliciumplatten, die nach dem Zonenschmelzverfahren hergestellt sind, haben im allgemeinen einen Durchmesser von 2,5 bis 5 cm und eine Stärke von 0,1 bis 0,25 mm. Das Verhältnis von Durchmesser zu Stärke beträgt also bei diesen Platten 100 : 1 bis 500 : 1 . Derart dünne Siliciumplatten sind äußerst spröde und können sehr leicht mechanisch beschädigt werden, wenn sie bei den herkömmlichen Bearbeitungsverfahren nicht sorgfältig behandelt werden. In Fig. 1a ist ein Teil einer Siliciumplatte 1 gezeigt, die als Ausgangssubstrat verwendet wird. Das dargestellte Plattensegment ist stark vergrößert.

Das Verfahren nach der Erfindung wird mit großem Vorteil zum Bearbeiten von Platten angewandt, die im Verhältnis zu ihrer Stärke einen großen Durchmesser haben. Als erstes wird auf die eine Hauptoberfläche der Platte eine weitere Siliciumschicht aufgebracht, deren Leitungstyp von dem Leitungstyp des Substrats verschieden ist und die mit Verunreinigungsatomen stärker dotiert ist, so daß sie einen geringeren spezifischen Widerstand aufweist. Das Aufbringen der weiteren oder zusätzlichen Siliciumschicht kann durch ein herkömm-

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liches Epitaxial- oder Aufwachsverfahren vorgenommen v/erden. Die Epitaxialschicht bildet mit dem Substrat an ihrer Grenzfläche eine Übergangszone. Wie es in Fig. 1b gezeigt ist, bildet das Substrat 1 eine erste Zone von einem ersten Leitungstyp und die Epitaxialschicht 2 eine zv/eite Zone von einem zweiten, entgegengesetzten Leitungstyp. Die Grenzfläche 3 zwischen diesen beiden Zonen bildet einen Übergang. Das epitaxiale Aufbringen der Schicht 2 hat den Vorteil, daß es sich dabei um ein Verfahren handelt, bei dem sehr schnell die Stärke und damit die Festigkeit der Platte erhöht und gleichzeitig ein Übergang vorgesehen wird, der innerhalb des SiIiciumkristalls liegt.

Unter der Annahme, daß das Substrat 1 eine mit dünnen Platten vergleichbare Stärke in der Größenordnung von 0,1 bis 0,25 mm hat, wird durch das Epitaxieverfahren sehr schnell eine Übergangszonentiefe erreicht, deren Ausbildung bei der Anwendung von herkömmlichen Diffusionsverfahren mehrere Stunden in Anspruch nehmen würde. Da das bei dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendete Substrat anfangs durch eine zusätzliche oder weitere Epitaxieschicht verstärkt und gefestigt wird, kann im vorliegenden Fall das Ausgangssubstrat dünner sein als bei herkömmlichen Bearbeitungsverfahren.

Falls der Siliciumkristall anschließend in zahlreiche einzelne, getrennt verwendbare kleine Siliciumkristalle, Siliciumkörper oder Siliciumtabletten unterteilt werden soll, ist es zweckmäßig, in dem Substrat oder in der ersten Zone des Siliciumkristalls Vertiefungen, Riefen oder Rillen vorzusehen, die sich bis zu einer Stelle erstrecken, die der Grenzfläche 3 zwischen der ersten und zweiten Zone, benachbart ist. Ein beachtlicher Vorteil der Erfindung wird darin gesehen, daß es nicht notwendig ist, daß die Vertiefungen oder Rillen die Grenzfläche zwischen diesen beiden Zonen überqueren oder durchschneiden. Dadurch wird eine strukturelle Schwächung der zweiten Zone vermieden. Der nach der Erfindung bearbei-

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tete Halbleiterkristall ist daher größeren mechanischen Beanspruchungen gewachsen.

Die Vertiefungen oder Rillen können in üblicher Weise ausgebildet werden. Um das Silicium optimal auszunutzen, bilden die Rillen ein gitterförmiges Huster aus zwei sich rechtwinklig überschneidenden Gruppen von parallelen, geradlinigen Rillen. Andere Vertiefungs- oder Rillenmuster sind ebenfalls möglich, beispielsweise tangential aneinander angrenzende kreisförmige Rillen, sechseckige Rillen usw. Die Rillen können auf mechanischem Wege durch Läppen oder Schleifen hergestellt werden. Vorzugsweise werden sie jedoch eingeätzt. Geätzte Vertiefungen sind besonders vorteilhaft, da sie eine positive Abschrägung erlauben, wie noch beschrieben wird. In Fig. 1c ist der Siliciumkristall mit mehreren in die erste Zone eingeätzten Vertiefungen 4 gezeigt.

Bei dem in Fig. 1c dargestellten Siliciumkristall ist die Epitaxialschicht oder zweite Zone mit einem gespannten, belasteten oder beanspruchten Bereich 5 versehen. Der Zweck des beanspruchten Bereichs besteht darin, eine Fangstelle für schnelldiffundierende Verunreinigungen vorzusehen, bei- ■ spielsweise für Eisen. Der Bereich 5 braucht sich lediglich um eine geringe Strecke in das Silicium auszudehnen. Im |

allgemeinen ist die Tiefe dieses Bereichs auf wenige Mikrometer begrenzt. Die Beanspruchung, Belastung oder Spannung kann dadurch erreicht werden, daß die Oberfläche der zweiten Zone mechanisch abgeschliffen oder abgerieben wird. Zu diesem Zweck kann die Kristalloberfläche beispielsweise sandgestrahlt oder geläppt werden. Anstatt die Oberfläche der zweiten Zone mechanisch zu belasten, kann man auch verhältnismäßig langsam diffundierende Verunreinigungsatome in die zweite Zone einbringen, um Kristallgitterfehler zu erzeugen, die als Fangstellen für die Verunreinigungen dienen. Wenn die zweite Zone beispielsweise aus P-leitendem Silicium besteht, ist zum Ausbilden eines ver- oder gespannten Oberflächenbereichs eine

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Substitutionsdiffusion mit Bor besonders geeignet. Bei P-leitendem Silicium verwendet man vorzugsweise Phosphor. Der mechanische Spannungsbereich kann vor oder nach dem Eingraben der Vertiefungen in die erste Zone ausgebildet werden.

Die in Fig. 1c gezeigte SiliciuEikristallplatte kann längs der Rillenböden geteilt werden, um zahlreiche einzelne, getrennt verwendbare Halbleiterelemente oder Halbleitertabletten zu bilden. Solche Tabletten wurden allerdings wie viele Halbleitertabletten, die durch Unterteilung von nach herkömmlichen Verfahren hergestellten Halbleiterplatten gewonnen werden, eine sehr niedrige Sperrspannung haben. In diesem Fall würde der Übergang zwischen den Zonen jeder Tablette nicht die abgeschrägte Vertiefung oder Rille durchschneiden, sondern an einer angerissenen oder zersägten Kante enden, längs der die Tabletten geteilt werden. Dabei wäre an der Schnittfläche des Übergangs mit dem Tablettenrand keine Passivierungsschicht vorhanden. Deswegen würde es beim Betrieb in Sperrichtung bereits bei sehr niedrigen Spannungen zu destruktiven Oberflächendurchbrüchen der Halbleitertablette kommen. Selbst wenn man von den Oberflächendurchbrüchen absieht, könnte der in Sperrichtung betriebene Halbleiterkörper nur kleinen bis mittleren Durchbruchspannungen standhalten, da bei den meisten Halbleitertabletten Fehlstellen vorliegen wurden. Wenn nämlich der Übergang oder die Übergangszone an der Grenzfläche zwischen dem ursprünglichen Substrat und der Epitaxialschicht angeordnet ist, tritt innerhalb der Epitaxialschicht angrenzend an den Übergang eine große Anzahl von Gitterfehlstellen auf, die die Ausbildung von hohen Sperrspannungen verhindern. Ferner können schnellbewegliche Verunreinigungsatome, beispielsweise Eisen, in dem Kristall vorhanden sein, die ebenfalls der Ausbildung von hohen Sperrspannungen entgegenstehen.

Es ist bekannt, daß durch Erhitzen des Halbleiterkristalls in einer oxidierenden Atmosphäre eine passivierende SiIi-

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ciumdioxidschicht auf der Kristalloberfläche aufgebracht werden kann. Die Oxidbildung wird im allgemeinen innerhalb eines Temperaturbereichs von 900 bis 1200 ⁰C erreicht. Es ist weiterhin bekannt, daß die Stärke der gebildeten Oxidschicht eine Funktion der Erhitzungszeit, Erhitzungstemperatur und des benutzten Oxydationsmittels ist. In der Oxydationsatmosphäre anwesende Feuchtigkeit erhöht die Bildungsgeschwindigkeit der Oxidschicht im Vergleich zu einer im wesentlichen trockenen Oxydationsatmosphäre. Es mag erwünscht sein, die oxidierende Atmosphäre zu reinigen und die Oberfläche des zu oxydierenden Siliciumkristalls in g

einer Atmosphäre aus trockenem Gas, beispielsweise in trockenem Sauerstoff oder Argon, zu kühlen, um aus der Siliciumdioxidschicht etwa vorhandene Spuren an Wasserdampf zu-entfernen. Dadurch wird eine stabilere Oxidschicht erzielt. Der Ausdruck Passivierungsschicht bezieht sich auf die Fähigkeit dieser Schicht, die Stabilität der elektrischen Eigenschaften des Siliciumkristalls im Vergleich zu Kristallen, deren Oberfläche den Umwelteinflüssen ausgesetzt ist, zu verbessern. Selbst dünne Oxidschichten in der Größenordnung von

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einigen 1000 A verbessern bereits die Stabilität. Obwohl es möglich ist, verhältnismäßig·dicke Oxidschichten von 20000 bis 30000 A auszubilden, ist es zweckmäßig, daß zur Unterstützung der Passivierungseigenschaft und damit zum f

Verbessern der Stabilität der elektrischen Eigenschaften der Siliciumkristall nach einem bekannten Verfahren eingekapselt wird. Es ist daher nicht erforderlich und im allgemeinen auch nicht erwünscht, daß die Oxidschicht eine solche Stärke hat, die zum vollständigen Stabilisieren des Siliciumkristalls ausreicht.

Wie bereits erwähnt, wird die Siliciumkristallplatte zum Ausbilden der passivierenden Oxidschicht erhitzt. Es hat .sich nun gezeigt, daß gleichzeitig mit dem Erhitzen der Gleichrichterübergang des Kristalls von der Grenzfläche

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zwischen der ersten und zv/eiten Zone v/egwandert, und zv/ar in die erste Zone oder das Substrat. Dies wird nach der Erfindung dadurch erreicht, daß die Epitaxialschicht anfangs ' mit einer höheren Konzentration an Verunreinigungsatomen ausgewählt ist und damit einen geringeren spezifischen Widerstand hat als das Substrat. Beim Erhitzen während des Oxydationsvorganges v/erden diese überschüssigen Verunreinigungsatome in das Substrat getrieben. Dadurch werden aus verschiedenen Gründen die Sperrspannungseigenschaften des Übergangs wesentlich verbessert. Als erstes wird der Ort des Übergangs in einen Abschnitt des Siliciumkristalls verschoben, in dem das Kristallgitter wesentlich regelmäßiger ausgebildet ist und weniger Störstellen aufweist. Dadurch wird die Großflächen-Sperrspannungseigenschaft des Übergangs verbessert.

Als zweiter Punkt ist anzuführen, daß die Übergangsstelle so weit verschoben wird, daß sie den schrägverlaufenden Rand der geätzten Vertiefungen schneidet. Dadurch wird die Sperrspannungsfähigkeit des Übergangs erhöht. Es ist bekannt, daß eine Abschrägung oder ein Anschnitt den Feldgradienten an der Oberfläche eines Siliciumkristalls auseinanderspreizt oder auseinanderbreitet, so daß die maximale Spannungssperrfähigkeit erhöht wird. Selbst wenn die Durchbruchspannung erreicht wird, findet der Durchbruch in der Hauptmasse des Kristalls statt und ist daher im Gegensatz zu einem destruktiven Oberflächendurchbruch nicht destruktiv oder nicht zerstörend. Abschrägen hilft jedoch nicht in jedem Falle. Hierzu wird beispielsweise auf den Aufsatz "Control of Electric Field at the Surface of P-N Junctions", von R. L. Davies und F. E. Gentry, veröffentlicht im Juli 1964 in den IEEE Transactions on Electron Devices verwiesen. Ein negatives Abschrägen kann sogar schädlich sein, wenn es nicht sehr sorgfältig innerhalb eines sehr engen Abschrägungswinkelbereichs vorgenommen wird, der sich etwa zwischen 4 bis 12° bewegt. Nach der Erfindung wird beim Ätzen durch die

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erste Zone, die den größeren spezifischen Widerstand hat, in Richtung auf die Grenzfläche mit der zweiten Zone eine Verbesserung der Sperrspannung durch positive Anschnittoder Abschrägungswinkel erreicht. Es ist nicht notwendig, die endgültige Lage des Übergangs in Abhängigkeit von der Steigung der vertieften Oberfläche genau festzulegen, da alle positiv abgeschrägten oder angeschnittenen Oberflächen zu einen gewissen Maße in vorteilhafter V/eise das elektrische Feld am Übergang ausspreizen oder ausbreiten. V/enn hingegen sehr gute Sperrspannungseigenschaften gewünscht werden, kann man die endgültige Lage des Übergangs bezuglieh der Rillentiefe festlegen, um die gewünschte Sperrspannungseigenschaft zu erhalten. V/enn der Übergang die Rillen oder Vertiefungen nahe bei. dem Rillenboden oder Rillengrund schneidet, ergibt sich am Schnittpunkt der Rillenoberfläche mit dem übergang ein äußerst flacher positiver Schrägungswinkel, der eine äußerst wünschenswerte Feldausbreitungswirkung zeigt.

Nach der Erfindung wird der Übergang oder die Übergangszone von der zweiten Zone weg in die erste Zone hineingetrieben, und zwar um eine solche Strecke, daß die der Übergangszone zugeordnete Sperrschicht bei allen in Betracht kommenden Sperrschichtbedingungen innerhalb der ersten Zone liegt und zu allen Zeiten von der zweiten Zone entfernt ist. Dadurch wird die Sperrschicht von Kristallfehlstellen ferngehalten, die sich innerhalb der zweiten Zone nahe bei der Grenzfläche zwischen diesen beiden Zonen befinden, und es wird die Möglichkeit vermieden, daß bei niedrigen Spannungen ein großflächiger Bahn- oder Massendurchbruch des Kristalls stattfindet.

Gleichzeitig mit der Verschiebung oder Verlagerung der Übergangszone bezüglich der Grenzfläche zwischen der ersten und zweiten Zone und mit der Bildung einer passivierenden Oxydationsschicht wird der Siliciumkristall bis auf eine

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Temperatur erhitzt, bei der die unter mechanischer Spannung stehenden Bereiche in der zweiten Zone Kristallversetzungen zu bilden beginnen, die zu einer Entspannung führen. Diese Kristalldislokationen oder Kristallversetzungen dienen innerhalb des Kristallgitters als Fangstellen für schnelldiffundierende Verunreinigungen, beispielsweise für Eisen. Solche Verunreinigungen können das elektrische Verhalten des Kristalls beeinträchtigen, selbst wenn sie nur in kleinen Mengen von weniger als ein Teil auf eine Million Teile vorhanden sind. Bei einer Temperatur von über 900 ⁰C ist der Kristall hinreichend formveränderungsfähig, so daß sich solche Fangstellen bilden können. Die Erhitzungs- oder Erwärmungsdauer ist weder für die Passivierungsoxydation noch für die Getterung der schnellen Diffundierstoffe kritisch, da im allgemeinen die Erwärmungszeit zum Verschieben des Übergangs verhältnismäßig lang ist und die minimale Erhitzungszeit bestimmt. Um eine erfolgreiche Getterwirkung zu erzielen, muß der Siliciurakristall allmählich abgekühlt werden. Obwohl die Abkühlgeschwindigkeit ohne schädliche Wirkung einen großen Bereich überstreichen kann, sollte sie in jedem Falle kleiner als die Abschreckgeschwindigkeit sein. Eine normale Ofenabkühlungsgeschwindigkeit von etwa 250 C/h hat sich als geeignet herausgestellt.

In Fig. 1d ist die nach der Erfindung hergestellte Siliciumplatte unmittelbar nach dem Erhitzen dargestellt. Eine durch gestrichelte Linien dargestellte Übergangszone 6 schneidet die Oberflächen der Rillen 4 nahe beim Rillenboden, so daß am Schnittpunkt der Rillenoberfläche mit dem übergang 6 ein flacher positiver Winkel gebildet wird. Die Grenzfläche 3 zwischen der ersten und zweiten Zone befindet sich jetzt in einem Abstand von dem Übergang, so daß sich die Grenzfläche außerhalb irgendeiner Sperrschicht befindet, die sich durch Rückwärtsvorspannung innerhalb des in Betracht kommenden Spannungsbereiches ausbilden kann. In dem mechanisch ge-

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spannten Bereich 5 befinden sich erzeugte Gitterdislokationen, in denen die schnelldiffundierenden Verunreinigungen, beispielsweise Eisen, gefangen werden. Eine aus Oxid bestehende Passivierungsschicht 7 überdeckt die äußeren Oberflächen der Siliciumkristallplatte, Es soll besonders betont werden, daß die Passivierungsschicht auch die Schnittkante des Übergangs 6 mit der vertieften Oberfläche bedeckt, so daß der Rand der Übergänge ebenfalls passiviert ist.

Um aus der in Fig. 1d gezeigten Siliciumkristallplatte meh- | rere getrennt verwendbare Siliciumhalbleiterelemente herzustellen, werden die passivierende Oxidschicht 7 und der die Verunreinigungen enthaltende Bereich 5 von der äußeren Oberfläche der zweiten Zone oder der Epitaxialschicht entfernt. Dies kann durch Ätzen oder mechanisches Abschleifen oder Abreiben geschehen. Dadurch wird sichergestellt, daß sich die Verunreinigungen aus den Fangstellen nicht befreien können, was bei erhöhten Temperaturen der Fall sein könnte. Weiterhin wird die Oxidschicht von den ebenen, nicht vertieften Oberflächen der ersten Zone oder des Substrats entfernt. Die jetzt freiliegenden Oberflächen des Siliciumkristalls können mit einer oder mit einer Kombination von Metallkontaktschichten bedeckt werden, um ohmsche Verbindungen " zu dem Kristall herzustellen. Um mehrere Siliciumtabletten oder Siliciumkörper zu bilden, kann der Kristall geteilt werden. Dies geschieht vorzugsweise längs der Rillenböden durch Reißen oder Sägen. Die Aufteilung der Platte in einzelne Tabletten oder Körper stellt vorzugsweise den letzten erfindungsgemäßen Schritt dar. Dadurch wird eine Einzelbehandlung der Tabletten oder Siliciumkörper weitgehendst vermieden.

Jn Fig. 1e ist die sich dabei ergebende Struktur unmittelbar nach Ausführung der beschriebenen Herstellungsschritte

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gezeigt. Aus der Siliciumplatte ergeben sich zahlreiche Siliciumdiodentabletten oder Siliciundiodenkörper 10 mit einen auf der zweiten Zone 2 angebrachten ohmschen Kontakt 8 und mit einem auf der ersten Zone 1 angebrachten ohmschen Kontakt 9. Obv/ohl ein Teil des Randes der SiIiciumtabletten oder Siliciumkörper offen liegt, ist derjenige Teil, der den Übergang 6 schneidet, mit der passivierenden Oxidschicht 7 bedeckt, so daß die freiliegenden gesägten oder gerissenen Ränder oder Kanten der Tabletten nur eine minimale Wirkung auf die Spannungssperreigenschaften haben. Die einzelnen Siliciumkörper können nach herkömmlichen Verfahren gekapselt und in einem Gehäuse untergebracht werden.

Die Erfindung wurde bisher an einem Verfahren zum Herstellen von zahlreichen Siliciumdioden aus einem einzigen Siliciumkristall beschrieben. Die Herstellung von Siliciumdioden ist jedoch nur ein Beispiel aus einer Reihe von Anwendungszwecken des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die Erfindung kann man beispielsweise auch zum Herstellen von einzelnen Siliciumkörpern oder Siliciumtabletten verwenden. In einem solchen Falle wäre es nicht notwendig, den Siliciumkristall zu ätzen, obwohl dies trotzdem getan werden könnte, um den Rand des SiIiciumeinkristalls anzuschneiden oder abzuschrägen, sofern dies erwünscht ist. Das bisher beschriebene Getterverfahren zum Einfangen von schnell diffundierenden Verunreinigungen ist bekannt. Anstelle des beschriebenen Getterverfahrens können auch andere übliche Getterverfahren angewendet werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch zum Herstellen von Siliciumtabletten oder Siliciumkörpern verwendet werden, die nicht nur bei Dioden, sondern auch anderen Halbleiterelementen Anwendung finden. Die Figuren 2a bis 2e zeigen beispielsweise die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen von gesteuerten Siliciumgleichrichtern mit verbesserten Sperrspannungseigenschaften.

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In Fig. 2a ist ein Substrat 100 dargestellt, bei dem es sich beispielsweise um eine nach dem Schmelzzonenverfahren hergestellte Siliciumplatte handeln kann. Das Substrat bildet eine erste Zone, auf der eine zweite Zone 101 und eine dritte Zone 102 epitaxial aufgewachsen wird. Die erste und zweite Zone bilden Grenzflächen 103 und 104 auf beiden Seiten der ersten Zone.

Sowohl die zweite als auch die dritte Zone haben einen der ersten Zone entgegengesetzten Leitungstyp und weisen eine höhere Verunreinigungskonzentration und damit einen niedrigeren spezifischen Widerstand als das Substrat auf. Flache " Emitter 105 können in die Epitaxialschicht 102 eindiffundiert oder anderweitig ausgebildet werden. Die Emitter 105 sind auf eine Fläche begrenzt, die kleiner ist als die Gesamtoberfläche der dritten Zone. Dazu wird eine entsprechende Maskierung vorgenommen. Der Emitter bildet eine vierte Zone. Die Lage der einzelnen Zonen zueinander ist unmittelbar nach derer Ausbildung in Fig. 2b gezeigt.

Wie es aus Fig. 2c hervorgeht, werden in der ersten Zone Rillen oder Vertiefungen ausgebildet, die sich durch die dritte Zone erstrecken. Die Rillenböden sind der zweiten Zone 101 benachbart. Da die zweite Zone nicht geätzt wird, ä erhält man auch hier eine Platte hoher mechanischer Festigkeit. Auf der unteren Oberfläche der zweiten Zone wird ein mechanisch unter Spannung stehender Bereich 107 ausgebildet, um Fangstellen für die schnellen Diffundierstoffe zu erhalten.

Um die übergänge zwischen der ersten und zweiten Zone und zwischen der ersten und dritten Zone.von den Grenzflächen der ersten mit den epitaxial aufgewachsenen Zonen weg in die erste Zone zu verschieben, um ferner einen passivierenden Siliciumdioxidüberzug vorzusehen und um weiterhin Fangstellen innerhalb des mechanisch gespannten Bereiches zu schaf-

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fen, wird die Siliciumplatte in einer Oxydationsatmosphäre erhitzt, und zwar in ähnlicher Weise wie es bei der Herstellung der Siliciumdiodenplatte der Fall ist. In Fig. 2d sind ein erster Übergang 108 und ein zweiter Übergang 109 durch gestrichelte Linien dargestellt, die innerhalb der ersten Zone 100 liegen und den Emitter-Basis-Übergang und den Kollektor-Übergang bilden. Ein dritter Übergang 110 befindet sich an der Grenzfläche zwischen der dritten umLvierten Zone und bleibt auch etwa dort liegen. Die genaue Lage dieses Übergangs nach dem Erhitzen ist nicht kritisch, da dieser Basis-Emitter-Übergang auf die Sperrspannungseigenschaften keinen Einfluß nimmt. Eine Oxidschicht 111 überdeckt die äußeren Oberflächen der Siliciumplatte einschließlich der vertieften Oberflächen und der Schnittlinien des ersten und des zweiten Übergangs mit den vertieften Oberflächen.

In Fig. 2e ist ein Teil der Siliciumplatte dargestellt, der durch Anreißen oder Sägen durch die Rillenböden entstanden ist. Dieser Plattenteil kann als getrenntes aktives Halbleiterbauelement beispielsweise für einen Thyristor dienen. Der mechanisch unter Spannung stehende Bereich ist zusammen mit den darin enthaltenen eingefangenen Verunreinigungen durch Ätzen oder einen mechanischen Schleifvorgang einschließlich der darüberliegenden Oxidschicht entfernt worden. Weiterhin ist derjenige Abschnitt der Oxidschicht, der die nichtvertieften Oberflächen der dritten und vierten Zone bedeckte, entfernt worden. Auf der freiliegenden Fläche der zweiten Zone wird nach bekannten Verfahren eine oder mehrere ohmsche Kontaktschichten 112 aufgebracht. In ähnlicher Weise wird der geätzte Abschnitt der dritten Zone und der vierten Zone mit einem ringförmigen ohmschen Kontakt versehen. Innerhalb des ringförmigen Kontakts 113 wird eine Tor- oder Steuerleitung 114 an der dritten Zone angebracht. Der Kontakt 113 läuft über den Übergang 110, im die Tempera turempfindlichkeit des Elementes und die Suszeptibilität des Elementes, bei einem schnellen Anwachsen der anliegenden

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Spannung zu zünden, zu verringern. Die Spannungssperrübergänge 108 und 109 sind passiviert und gegenüber Spannungsdurchbrüchen geschützt, und zwar in ähnlicher Weise wie der Übergang 6. Hinsichtlich des Übergangs 109 besteht jedoch ein beachtlicher Unterschied. Dieser Übergang ist nämlich nicht positiv, sondern negativ abgeschrägt oder angeschnitten. An diesem Übergang ist jedoch die Abschrägung äußerst gering, da der Abschrägungswinkel an dieser Schnittstelle des Übergangs mit der Rillenoberfläche nahezu 90° erreicht, so daß der negative Abschrägungswinkel nur einen minimalen nachteiligen Einfluß auf den Spannungsdurchbruch ausüben kann. , |

Die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen einer in den Figuren 2a bis 2e gezeigten Thyristorstruktur soll lediglich als Beispiel dienen und die Erfindung nicht beschränken. Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch zum Herstellen eines einzigen Thyristorkristallelementes aus einer Siliciumplatte verwendet werden. In diesem Falle wäre es nicht notwendig, Abschrägungen vorzusehen, obwohl man dies durch Ätzen tun könnte. Anstelle von Epitaxie könnte die dritte Zone durch Diffusion gebildet werden. Es wäre dann unwichtig, ob sich der Übergang zwischen der ersten und dritten Zone während des Erhitzens gegenüber λ

seiner ursprünglichen Lage verschiebt.

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Claims

Patentansprüche

IJVerfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauelements mit verbesserten Spannungssperreigenschaften, dadurch gekennzeichnet, daß zum Ausbilden eines anfangs zwischen zwei Zonen angeordneten Übergangs auf einen Siliciumkristall mit einer ersten Zone von einem ersten Leitungstyp eine zweite Zone von einem zweiten, entgegengesetzten Leitungstyp mit einem im Vergleich zur ersten Zone geringeren spezifischen Widerstand epitaxial aufgebracht wird und daß zum Umwandeln eines an die zweite Zone angrenzenden Teils der ersten Zone in einen Abschnitt vom zweiten Leitungstyp der Siliciumkristall nach dem epitaxialen Aufwachsen erhitzt wird, wobei der Übergang von der epitaxial aufgebrachten zweiten Zone weg in die erste Zone hinein verschoben wird und gleichzeitig auf der Oberfläche des Silicium kristalls an der Schnittstelle mit dem Übergang in der ersten Zone eine Passivierungsschicht ausgebildet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß der Siliciumkristall derart erhitzt wird, daß der Übergang um eine Strecke in die erste Zone getrieben wird, die größer ist als die Stärke der Sperrschicht, die sich vom Übergang in Richtung auf die zweite Zone ausbreitet, wenn dem Halbleiterkristall die maximal in Betracht kommende Sperrspannung zugeführt wird, so daß die Sperrschicht in jedem Falle einen Abstand von der zweiten Schicht hat.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Siliciumkristall in einer oxydierenden Atmosphäre erhitzt wird, die Wasserdampf enthält.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Siliciumkristall nach dem Erhitzen in einer -^c-. nen Atmosphäre gekühlt wird.

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2040§11
5. Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauelements mit verbesserten Spannungssperreigenschaften, dadurch gekennzeichnet, daß zum Ausbilden eines anfangs zwischen zwei Zonen angeordneten Übergangs auf einen Siliciumkristall mit einer ersten Zone von einem ersten Leitungstyp eine zweite Zone von einem zweiten, entgegengesetzten Leitungstyp mit einem geringeren spezifischen Y/iderstand als derjenige der ersten Zone epitaxial aufgebracht wird, daß ein mechanisch gespannter oder beanspruchter Bereich auf einer Oberfläche des Siliciumkristalls ausgebildet wird, daß zum Umwandeln eines an die zweite Zone angrenzenden Teils der ersten Zone in einen Abschnitt vom |

zweiten Leitungstyp der Siliciumkristall nach dem epitaxialen Aufbringen und dem mechanischen Spannen oder Beanspruchen in einer oxidierenden Atmosphäre erhitzt wird, wobei der Übergang von der epitaxial abgeschiedenen zweiten Zone weg in die erste Zone hinein verschoben wird und gleichzeitig auf der Oberfläche des Siliciumkristalls an der Schnittstelle mit dem in die erste Zone verschobenen Übergang Siliciumdioxid gebildet wird und in dem mechanisch beanspruchten oder gespannten Bereich Kristalldislokationen ausgebildet werden, die als Fangstellen für schnelldiffundierende Verunreinigungen, beispielsweise Eisen, dienen, und daß anschließend der mechanisch beanspruchte oder gesapnnte Bereich der zweiten Zone zusammen mit den Eisenverunreinigungen entfernt wird. "
6, Verfahren nach Anspruch 5,
dadurch- gekennzeichnet, daß'der mechanisch beanspruchte oder gespannte Bereich auf einem epitaxial abgeschiedenen Abschnitt des Siliciumkristalls ausgebildet wird, der von dem Übergang einen Abstand

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7. Verfahren nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, daß der mechanisch beanspruchte oder gespannte Bereich auf einem epitaxial abgeschiedenen Abschnitt des Siliciumkristalls ausgebildet wird, der von dem Übergang einen Abstand hat und dazu parallel verläuft.
8. Verfahren nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, daß der mechanisch beanspruchte oder gespannte Bereich durch Schleifen oder Abreiben einer Oberfläche des Siliciumkristalls gebildet wird.
9. Verfahren nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, daß der gespannte Bereich durch Substitutionsdiffusion mit Verunreinigungsatomen gebildet wird.
10. Verfahren zum Herstellen von mehreren getrennten SiIiciumkristallelementen zum Verwenden in Halbleiterbauelementen aus einer einzigen Siliciumkristallplatte, dadurch gekennzeichnet, daß zum Ausbilden eines anfangs zwischen zwei Zonen angeordneten Übergangs auf einer Siliciumkristallplatte mit einer ersten Zone von einem ersten Leitungstyp eine zweite Zone von einem zweiten, entgegengesetzten Leitungstyp mit einem im Vergleich zur ersten Zone geringeren spezifischen Widerstand epitaxial abgeschieden wird, daß zum Unterteilen mindestens eines Hauptabschnitts der ersten Zone in Sektoren die erste Zone der Platte bis nahe an die zweite Zone mit Vertiefungen oder Rillen versehen wird, daß zum Umwandeln eines an die zweite Zone angrenzenden Teils der ersten Zone in einen Abschnitt vom zweiten Leitungstyp der Siliciumkristall nach dem epitaxialen Abscheiden und dem Vertiefen in einer oxydierenden Atmosphäre erhitzt wird, wobei der Übergang von der epitaxial abgeschiedenen zweiten Zone weg in die erste Zone hinein getrieben wird, so daß der Übergang die vertieften Oberflächen schneidet, und

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gleichzeitig auf der SiliciuinkriStalloberfläche, einschließlich der vertieften Oberflächen an den Schnittstellen mit dem Übergang in der ersten Zone Siliciumdioxid gebildet wird, und daß die Siliciumkristallplatte durch Trennen der unter den Böden der Rillen oder Vertiefungen liegenden Abschnitte der zweiten Zone in getrennt verwendbare Silciumkristallelemente unterteilt wird, die jeweils einen Sektor der ersten Zone enthalten.
11. Verfahren nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet,

daß die Platte durch Ätzen mit Rillen oder Vertiefungen ver- I sehen wird, so daß die Schnittstellen des Übergangs mit den Rillenoberflächen positiv abgeschrägt oder angeschnitten sind, um die Spannungssperreigenschaften der Siliciumkristallelemente zu erhöhen.
12. Verfahren nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet, daß die Platten durch Ätzen bis zu einer solchen Tiefe mit Rillen versehen sind, daß der Übergang an seiner endgültigen Stelle innerhalb der ersten Zone die Rillenoberflächen nahe bei den Rillenböden schneidet.
13. Verfahren nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet, daß die Platte durch Ätzen derart mit Rillen versehen ist, daß die Rillenböden vollkommen in der ersten Zone angeordnet sind. ■

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14. Verfahren zum Herstellen einer Siliciumkristallplatte, aus der mehrere getrennte Siliciumkristallelemente zur Verwendung in Halbleiterbauelementen gewonnen werden, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ausbildung eines anfangs zwischen zwei Zonen angeordneten Übergangs auf der Siliciumkristallplatte mit einer ersten Zone von einem ersten Leitungstyp eine zweite Zone von einem zweiten Leitungstyp mit einem im Vergleich zur ersten Zone niedrigeren spezifischen Widerstand epitaxial abgeschieden wird, daß auf einer Oberfläche der zweiten Zone ein beanspruchter oder gespannter Bereich ausgebildet wird, daß in der ersten Zone der Platte bis nahe an die zweite Zone eine Vertiefung oder Rille eingegraben wird, so daß mindestens ein großer Teil der ersten Zone in Sektoren aufgeteilt ist, daß zum Umwandeln eines an die zweite Zone angrenzenden Teils der ersten Zone in einen Abschnitt vom zweiten Leitungstyp der Siliciumkristall nach dem epitaxialen Abscheiden, dem Vertiefen und Beanspruchen oder Spannen in einer oxydierenden Atmosphäre erhitzt wird, wobei der Übergang von der epitaxial abgeschiedenen zv/eiten Zone weg in die erste Zone hinein getrieben wird, so daß der Übergang die Vertiefungsoberflächen schneidet, und gleichzeitig auf der Siliciumkristalloberflache, einschließlich der Vertiefungsoberflächen am Schnittpunkt mit dem Übergang in der ersten Zone, Siliciumdioxid ausgebildet wird und in dem beanspruchten oder gespannten Bereich der zweiten Zone Kristalldislokationen gebildet werden, die als Einfangstellen für schnelldiffundierende Eisenverunreinigungen dienen, daß der beanspruchte oder gespannte Bereich zusammen mit den Eisenverunreinigungen entfernt wird und daß die Siliciumkristallplatte an denjenigen Abschnitten der zweiten Zone geteilt wird, die unter den Böden der Vertiefungen oder Rillen liegen, um getrennt verwendbare Siliciumkristallelemente zu bilden, von denen jedes einen Sektor der ersten Zone enthält.

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15. Verfahren zum Herstellen von mehreren getrennten SiIiciumkristallelementen zur Verwendung in Thyristoren aus einer Siliciumeinkristallplatte,

dadurch gekennzeichnet, daß zum Ausbilden eines anfangs zwischen einer ersten und einer zv/eiten Zone angeordneten Übergangs auf der einen Hauptoberfläche der Siliciumkristallplatte, die anfangs aus der ersten Zone von einem ersten Leitungstyp besteht, eine zweite Zone von einem zweiten, entgegengesetzten Leitungstyp mit einem im Vergleich zur ersten Zone geringeren spezifischen Widerstand epitaxial abgeschieden wird, daß auf der entgegengesetzten Hauptoberfläche der Siliciumkristallplatte eine dritte Zone % vom zweiten Leitungstyp gebildet wird, so daß ein zweiter Übergang an der ersten Zone entsteht, daß eine von der ersten Zone durch die dritte Zone getrennte vierte Zone vom ersten Leitungstyp gebildet wird, so daß an der dritten Zone ein dritter Übergang entsteht, daß in einem Abstand von der ersten Zone auf der zweiten Zone ein beanspruchter oder gespannter Bereich ausgebildet wird, daß die erste und dritte Zone der Platte bis zu einer der zweiten Zone benachbarten Tiefe geätzt wird, so daß die dritte und vierte Zone und mindestens ein Teil der ersten Zone in Sektoren aufgeteilt sind, daß zum Umwandeln eines an die zweite Zone angrenzenden Teils der ersten Zone in einen Abschnitt vom zweiten Leitungstyp der Siliciumkri- λ stall nach dem epitaxialen Abscheiden, Atzen und Beanspruchen oder Spannen in einer oxydierenden Atmosphäre erhitzt wird, wobei der Übergang an der epitaxial abgeschiedenen zweiten Zone von dieser Zone weg in die erste Zone hinein getrieben, wird, so daß dieser Übergang die Oberflächen der durch Ätzung entstandenen Vertiefungen schneidet, und gleichzeitig auf der Kristalloberfläche, einschließlich der Vertiefungsoberflächen an der Schnittstelle mit dem Übergang in der ersten Zone, Siliciumdioxid gebildet wird und in dem beanspruchten oder gespannten Bereich der zweiten Zone Kristalldislokationen entstehen, die die schnell diffundierenden Eisenverunreinigungen einfangen, daß der beanspruchte oder gespannte Bereich der zweiten Zone zusammen mit den schnell diffundierenden Verunreinigungen entfernt wird und daß die zweite Zone der

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Kristallplatte an unter den Böden der Vertiefungen liegenden Stellen unterteilt wird, so daß getrennt verwendbare SiIiciumkristallelemente für Thyristoren entstehen, wobei jedes Element einen durch das Vertiefen gebildeten Sektor enthält.
16. Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauelements mit verbesserten Spannungssperreigenschaften, dadurch gekennzeichnet, daß zum Ausbilden eines anfangs zwischen zwei Zonen angeordneten Übergangs auf einen Siliciumkristall mit einer ersten Zone von einem ersten Leitungstyp eine zweite Zone von einem zweiten, entgegengesetzten Leitungstyp mit einem im Vergleich zur ersten Zone niedrigeren spezifischen Widerstand epitaxial aufgebracht wird, daß ein an die zweite Zone angrenzender Teil der ersten Zone in einen Abschnitt vom zweiten Leitungstyp umgewandelt wird, so daß der übergang von der epitaxial abgeschiedenen zweiten Zone weg in die erste Zone hinein verschoben wird, daß auf der Oberfläche des Siliciumkristalls an der Schnittstelle des Übergangs mit der ersten Zone Siliciumdioxid aufgebracht wird und daß die Umwandlung des Teils der er-· sten Zone in einen Abschnitt vom zweiten Leitungstyp und die Ausbildung des Siliciumdioxids auf der Kristalloberfläche gleichzeitig in einer gesteuerten und wechselbezogenen Weise durch Erhitzen des Siliciumkristalls in einer oxydierenden Atmosphäre vorgenommen werden.

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