DE2133646A1

DE2133646A1 - Zenerdiode

Info

Publication number: DE2133646A1
Application number: DE19712133646
Authority: DE
Inventors: Henri Puyncard Valdman (Frank reich)
Original assignee: Societe Europeenne de Semi Conducteurs de Microelectronique SA SESCOSEM
Current assignee: Societe Europeenne de Semi Conducteurs de Microelectronique SA SESCOSEM
Priority date: 1970-07-07
Filing date: 1971-07-06
Publication date: 1972-01-13
Also published as: NL7109168A; FR2096859A2; FR2096859B2

Description

DIETRICH LtWINSKY

PATcN T ANVVALT
a .Archer.21 - GoUiuKd*.« 6.7.1971

T,lefo«i 56 17 62

6685-IV/He

SESCOSEM - SOCIETE EUROPENNE DE SEMICONDUCTEURS ET DE MICROELECTRONIQUE. Paris 16, Bid. Murat 101 (Prankreich)

"Zenerdiode"

Priorität vom 7. Juli 1970 aus der französischen Patentanmeldung 70/25 172

Die Erfindung betrifft eine Zenerdiode.

Zenerdioden mit geringer Zenerspannung, die einen erprobten übergang zwischen zwei Bereichen aus halbleitendem Material aufweisen, sind bekannt. Solche Dioden bestehen aus einem Substrat oder einer Tablette aus halbleitendem Material eines ersten Leitfähigkeitstyps, das mit einer dünnen Schicht aus dielektrischem Material überzogen ist, welche eine Maske bildet,aus der in der Mitte der Tablette ein Fenster ausgeschnitten ist. Auf diese Anordnung ist eine Schicht aus einem stark dotierten halbleitenden Material aufgebracht, das allseitig über das Fenster hinausreicht und von entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp wie das Material des Substrates oder der Tablette ist. Diese aufgebrachte Schicht hat eine mit einem Knopf vergleichbare Form und ist dicker als

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die Schicht aus dem dielektrischen isolierenden Material. Die Verbindung bzw. der Übergang zwischen dieser Schicht und der Tablette befindet sich in dem aus der dielektrischen Maske herausgeschnittenen Fenster.

Es ist bekannt, daß die Zenerspannung temperaturabhängig ist. Für Dioden mit Zener- oder Referenzspannungen zwischen 5 und 25 Volt wird ein positiver Temperaturkoeffizient von 2 .10 bis 8.10 Volt pro Grad Celsius beobachtet.

Es sind auch bereits Referenzspannungselemente oder sogenannte temperaturkompensierte Zenerdioden bekannt, die aus zwei in Serie geschalteten Dioden bestehen, von denen die eine in Durchlaßrichtung und die andere in Sperrichtung geschaltet ist. Diese Anordnungen haben einen verminderten Temperaturkoeffizienten. Die Verminderung des Temperaturkoeffizienten beruht darauf, daß die in Durchlaßrichtung liegende Diode einen Temperaturkoeffizienten besitzt, der etwa entgegengesetzt gleich groß ist, wie der Temperaturkoeffizient der in Sperrrichtung liegenden Diode (der Zenerdiode), so daß sich die Wirkungen der beiden Temperaturkoeffizienten voneinander subtrahieren.

Diese bekannten Vorrichtungen sind im allgemeinen aus zwei Halbleitertabletten aufgebaut, die in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht sind. Ihre industrielle Serienherstellung stößt jedoch auf praktische Schwierigkeiten. Diese Schwierigkeiten beruhen darauf, daß je zwei Dioden, deren Temperaturkoeffizienten sich genau kompensieren, zusammengesetzt werden sollen. Da die entsprechenden Überprüfungen erst nach der Unterbringung der beiden Dioden in demselben Gehäuse vorgenommen werden können, führt dies zu einer hohen Ausschußrate des fertigen Produktes.

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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Zenerdiode mit besonders geringem Temperaturkoeffizienten zu schaffen, deren Aufbau eine industrielle Serienfertigung mit geringer Ausschußrate gestattet.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch eine Zenerdiode gelöst, die folgenden Aufbau aufweist: ein Substrat aus halbleitendem Material eines gegebenen Leitfähigkeitstyps, eine erste auf dem Substrat aufgebrachte Schicht aus stark dotiertem halbleitendem Material des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps und eine zweite auf der ersten Schicht aufgebrachte Schicht aus halbleitendem Material des gegebenen Leitfähigkeitstyps, das Jedoch geringer dotiert ist als die erste Schicht.

Dieser Aufbau hat den Vorteil, daß unmittelbar auf dem die Zenerdiode bildenden Halbleiterübergang ein weiterer Halbleiterübergang gebildet wird, der die Temperaturabhängigkeit der Zenerspannung kompensiert. Die erfindungsgemäßen temperaturkompensierten Zenerdioden lassen sich in großer Stückzahl gemeinsam auf einer Substratscheibe, beispielsweise einer SiIiciumscheibe, herstellen. Hierdurch wird eine kostengünstige industrielle Serienfertigung mit geringer Ausschußrate bei den fertigen Snerdioden möglich.

Eine Verbesserung des elektrischen Kontaktes mit einer der äußeren Elektrodenanschlüsse der Zenerdiode wird nach einer vorteilhaften Ausführungsform dadurch erreicht, daß auf die zweite Schicht eine dritte Schicht aus halbleitendem stark dotiertem Material des gegebenen Leitfähigkeitstyps aufgebracht ist.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform zeichnet sich da-

den
durch aus, daß auf die/Schichten abgewandte Seite des Substrates

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und die dem Substrat abgewandte Seite der letzten Schicht je eine Metallisierung aufgebracht ist.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine bekannte Anordnung mit zwei getrennten Dioden, Fig. 2 und 3 Strom/Spannungs-Diagramme,

Fig. k einen schematischen Schnitt durch eine Zenerdiode nach der Erfindung,

Fig. 5 einen Schnitt durch eine beispielsweise gewählte Ausführungsform der Zenerdiode nach der Erfindung.

In Fig. 1 sind zwei in Serie geschaltete Dioden 11 und 12 dargestellt. Ein Strom I fließt in der angegebenen Richtung durch die Dioden, von denen die Diode 11 in Durchlaßrichtung, die Diode 12 in Sperrichtung liegt.

In Fig. 2 ist für die Diode 11 die Strom/Spannungs-Charakterä?istik bei 25°C als Kurve 13 und die entsprechende Charakteristik bei 10O⁰C als Kurve 14 veranschaulicht.

In Fig. 3 ist dieselbe Charakteristik der Diode 12 für dieselben Temperaturen durch die Kurven 15 und 16 veranschaulicht. Der Knick dieser beiden letztgenannten Kurven liegt bei einer

Spannung V. die die Durchbruchs- oder Zenerspannung ist. ζ

Der Abstand der Kurven 13 und 14 in Fig. 2 einerseits und der Kurven 15 und l6 in Fig. 3 andererseits, der eine Spannung Δν entspricht, liegt nach Vorzeichen und Größe so, daß bei einer Serienschaltung der beiden Dioden eine ungefähre Kompensation erreicht wird.

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In Pig. 4 1st ein Ausführungsbeispiel der Zenerdiode nach der Erfindung in schematischer Vereinfachung dargestellt, bei dem die beiden Dioden nach Fig. 1 auf einem einzigen Substrat vereinigt sind. Pur das Ausführungsbeispiel ist angenommen, daß das halbleitende Substrat p-leitend dotiert ist.

Auf das p-leitende Substrat 21 folgt eine erste epitaxiale η -dotierte Schicht. Der übergang zwischen dem Substrat 21 und der Schicht 23 ist mit 28 bezeichnet. Auf der Schicht 23 ist eine zweite epiteciale p-leitende Schicht 24 aufgebracht, auf der wiederum nach einem der bekannten Verfahren, vorzugsweise durch Epitaxie eine ρ -leitende Schicht 25 aufgebracht ist, welche den Zweck hat, eine hinreichend leitfähige Verbindung zu einer äußeren Anschlußelektrode der Diode herzustellen.

Die Anordnung nach Fig. 4 kann beispielsweise die folgenden Daten aufweisen:

- Das p-dotieriE Substrat 21 hat einen spezifischen Widerstand in der Größenordnung von 0,005 bis 0,01 Ohmcm und eine Dicke von 150 bis 200 ßi.

- Die η - dotierte Schicht 23 weist eine Arsenkonzentration

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von 1 - 2 . 10 Atomen pro cnr auf und hat eine Dicke von 5 bis 15 /u.

- Die p-dotlerte Schicht 24 weist eine Konzentration an Dotierungsmaterial in der Größenordnung von 10 Atomen pro cnr und eine Dicke in der Größenordnung von 2o ^u auf.

- Die p⁺-dotierte Schicht 25 enthält 5 · 10 Atome pro cnr an Dotierungsmaterial und hat eine Dicke von 1 bis 3 £*·

Wenn an diesem Halbleiteraufbau eine positive Spannung zwischen die Schicht 25 und das Substrat 21, die die Anode bzw. die Kathode darstellen, angelegt wird, entsteht zwischen

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der Schicht 23 und der Schicht 21 ein Zenerübergang und zwischen den Schichten 24 und 23 ein in Durchlaßrichtung liegender Diodenübergang.

Die Durchbruchs- oder Zenerspannung ist abhängig von dem spezifischen Widerstand des p-dotierten Substrates 21 und vom Konzentrationsgradient der Dotierungsmittel im Bereich des Überganges 28.

fc Eine Dosierung der Schicht 23 mit Arsen besitzt zufolge des geringen Diffusionskoeffizienten des Dotierungsmittels im Silicium den Vorteil,die Diffusion des Arsens in das p-leitende Substrat zu vermindern, wodurch sichergestellt wird, daß der übergang 28 ein abruptes Konzentrationsprofil aufweist.

In Fig. 5 ist ein Schnitt durch eine bevorzugte Ausführungsform der Zenerdiode nach der Erfindung vor ihrem Einbau in ein Gehäuse dargestellt. Das Substrat 21 ist Teil einer Siliciumscheibe und besitzt die ungefähren Abmessungen von 500 χ 500^JU. Die knopfförmige Schicht 23 reicht allseitig über die Kanten einer öffnung oder eines Fensters hinaus, das in einer dielektrischen Schicht 22 angeordnet ist. Die Schiften " 24 und 25 sind nacheinander auf die Schicht 23 aufgebracht. Eine Metallisierung 26, die beispielsweise aus einem Silberniederschlag besteht, bedeckt die Schicht 25. Ebenso 1st die Unterseite des Substrates 21 mit einer Metallisierung 27 überzogen.

Die Daten der gegenüber Fig. 4 neu hinzugekommenen Bestandteile des Halbleiteraufbaues nach Fig. 5 sind folgende:

- Die dielektrische Schicht 22 besitzt eine Dicke zwischen 0,5 und 2 fix.

- Die in dieser Schicht 22 angebrachte öffnung ist ein quadra-

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tisches Fenster von etwa 200 χ 200 u.

- Der Schutzring 29 ist η -dotiert wie die Schicht 23 und besitzt einen quadratischen Querschnitt mit einer Kantenlänge von 4 bis 5 (Ji ·

- Die Dicke der Schichten 26 und 27 liegt in der Größenordnung von 1 ^U.

- Die Metallisierung 26 stellt die Anode, die Metallisierung 27 die Kathode der Zenerdiode dar.

Von der temperaturkompensierten Zenerdiode nach der Erfindung können gleichzeitig 2000 bis 3000 Stück hergestellt werden. Hierzu wird auf einer halbleitenden Substratsscheibe mit den für das Substrat 21 vorstehend angegebenen Eigenschaften eine dielektrische Schicht 22 aufgebracht. Letztere wird durch Gravur mit einer großen Zahl von öffnungpversehen, auf die durch örtliche Epitaxie die Schichten 23, 24 und 25 so aufgebracht werden, daß sich ebensoviele knopfförmige Inseln bilden. Nun werden an einer gewissen Anzahl dieser einzelnen Halbleiteranordnungen oder Inseln Prüfmessungen vorgenommen, so daß man ein statistisches Ergebnis der gemessenen Zenerspannungen erhält. Anschließend wird die Dauer der thermischen Behandlung der Halbleiteranordnung errechnet, die den Zweck hat, die Diffusionstiefe des Arsens in dem Substrat 21 zu erhöhen, um die Zenerspannung auf den gewünschten Wert zu bringen. Man kann auf diese Weise z.B. Dioden mit einer Differenzspannung von 6,3 Volt erhalten, wenn die Zenerspannung genau auf 5,6 Volt eingestellt wird, da die in Durchlaßrichtung liegende Diode eine Kniespannung von 0,72 Volt hat. Auf die gleiche Weise lassen sich auch Zenerdioden mit anderen Spannungswerten bis zu 20 Volt herstellen, deren Temperaturkoeffizient äußerst gering ist.

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Nach Abschluß der thermischen Behandlung wird die Metallisierung der beiden Flächen der Scheibe vorgenommen. Anschließend werden die halbleitenden Anordnungen durch Brechen der Scheibe nach den üblichen Verfahren, beispielsweise durch Ritzen mit einem Diamant voneinander getrennt, abschließend werden die einzelnen Halbleiteranordnungen in Gehäuse eingebaut .

Die Zenerdiode nach der Erfindung läßt sich sonach leicht und mit geringer Ausschußquote herstellen, wodurch die Gestehungskosten niedrig gehalten werden. Ein besonderer Vorteil aber besteht in der Möglichkeit, die Zenerspannung derart einzustellen, daß sich eine Diode ergibt, die als Spannungsnormal dient.

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Claims

Dipl--kig-Dipl.oec.iwM.

DIETRICH LEWINSKY

PATENTANWALT

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SESCOSEM - SOCIETE EUROPENNE DE SEMICONDÜCTEÜRS ET DE MICROELECTRONIQUE, Paris 16, BId. Murat 101 (Prankreich)

Patentansprüche:

il.JZenerdiode, gekennzeichnet durch ein Substrat (21) aus halbleitendem Material eines gegebenen Leitfähigkeitstyps, eine erste auf dem Substrat (21) aufgebrachte Schicht (23)aus stark dotiertem halbleitendem Material des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps und eine zweite auf der ersten Schicht (23) aufgebrachte Schicht (24) aus halbleitendem Material des gegebenen Leitfähigkeitstyps, das jedoch geringer dotiert 1st als die erste Schicht.
2. Zenerdlode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf die zweite Schicht (24) eine dritte Schicht (25) aus halbleitendem stark dotiertem Material des gegebenen Leitfähigkeitstyps aufgebracht ist.
3> Zenerdiode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf die den Schichten abgewandte Seite des Substrates (21) und die dem Substrat (21) abgewandte Seite der letzten Schicht je eine Metallisierung (27, 26) aufgebracht 1st,
4. Zenerdlode nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn-r zeichnet, daß auf dem Substrat (21) eine Schicht aus dielektrischen Material als Isolierende Maske (22) aufgebracht _: ist, die In der Mitte einen fensterartigen Ausschnitt zur ^! Freilegung des Substrates (21) aufweist und die erste ^;

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Schicht (23) aus stark dotiertem halbleitendem Material auf der Isolierenden Maske (22) Im Bereich deren fensterartigen Ausschnittes aufgebracht ist und über die Ränder dieses Ausschnittes allseitig hinausgeht.

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