DE2355405A1

DE2355405A1 - Verfahren zur herstellung einer referenzdiode und nach dem verfahren hergestellte referenzdiode

Info

Publication number: DE2355405A1
Application number: DE19732355405
Authority: DE
Inventors: Henri Valdman
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1972-11-07
Filing date: 1973-11-06
Publication date: 1974-05-16
Also published as: IT996388B; GB1442838A; BE807001A; FR2205746A1; FR2205746B1

Description

Verfahren zur Herstellung einer Referenzdiode und nach dem\ferfahren hergestellte Referenzdiode

Die Erfindung bezieht sich auf eine allgemein unter der Bezeichnung Zenerdiode bekannte Diode, die beim Anlegen einer Spannung in Sperrichtung eine Spannungs-Strom-Kennlinie mit einem horizontal verlaufenden Abschnitt und einem sich daran anschljessenden scharfen Knick aufweist, so daß sie in vielen Fällen vorteilhaft angewendet werden kann, in denen eine Spannung konstant gehalten werden soll.

Jedoch weisen diese Dioden, an deren Wirkungsweise bei Spannungen zwischen 3 und 8 Volt gleichzeitig zwei physikalische Effekte, nämlich der Zener-Effekt und der Avalanche-Effekt beteiligt sind, wobei in der nachfolgenden Beschreibung der Einfachheit halber nur der Begriff "Zener" verwendet wird, eine Empfindlichkeit für Temperaturänderungen aufidie in nachteiliger Weise den Spannungswert beeinflusst, den sie stabilisieren.

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Bei einem Mittelwert in der Größenordnung von 1 mV pro Grad Celsius ist diese Spannungsänderung oder dieser Temperaturkoeffizient, der bei Zenerspannungen über etwa 5 V stets positiv ist, nicht konstant , sondern nimmt mit der Zenerarbeitsspannung zu.

Andererseits ist bekannt,daß in Durchlaßrichtung vorgespannte Dioden einen stets negativen Temperaturkoeffizienten mit einem mittleren Wert in der Größenordnung von -1 mV/O°C aufweisen. Es erscheint daher möglich, den nachteiligen Einfluß von Temperaturänderungen auf den Wert der Zenerspannung durch Hintereinandersehalten einer Zenerdiode und einer in Durchlaßrichtung vorgespannten Diode zu .beseitigen.

Es sind daher Referenzspannungsdioden durch Hintereinanderschaltung diskreter Bauelemente geschaffen worden, indem mehrere Halbleiterbauelemente in einem einzigen Gehäuse untergebracht wurden, was zu beträchtlichen Nachteilen führte, beispielsweise zu hohen elektrischen und thermischen Widerständen und zu einer geringen Fertigungsausbeute. Es sind schließlich Referenzdioden in einem einzigen Halbleiterkristall geschaffen worden, wobei entweder beide Dioden mittels Legierungsverfahren hergestellt wurden oder nur eine Diode, nämlich die Zenerdiode mittels eines Legierungs^· Verfahrens und die andere Diode mittels eines Epitaxialverfahrens hergestellt wurde.

Diese Bauelemente waren jedoch schwierig herzustellen, und sie blieben auf die Herstellung einer Doppeldiode beschränkt. Um die Ausnützung von gemäß diesem Kompensationsprinzip aufgebauten Bauelementen im Bareich höherer Spannungen zu ermöglichen, müssen mit der Zenerdiode zwei in Durchlaßrichtung vorgespannte Dioden in Serie geschaltet werden;

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ferner muß wlnrend der Herstellung■die an jedem der übergänge vorhandene elektrische Spannung exakt einstellbar sein, so daß auf dies© Weise eine exakte Kompensation für jede gewünschte

B@r Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde» ein Yerfahren zur Herstellung einer diese Yorteile aufweisenden Zenerdiode zu schaffen^ die in einem Halbleitermaterialkdrper eine in Sperriehtung vorgespannt® Zenerdiode und zwei in Durehlaß»

auf einer Fläche eines Substrats aus monokristallinem Halb= itermaterial eine erste Erhebung aus monokristallinem HaIb-

jegengesetzte Leitmgstyp gebildet wird_g daß auf der der

In Fig.1 ist ein erläuterndes Diagramm dargestellt, in dem die Änderungen der Temperaturkoeffizienten der in Sperrrichtung und in Durchlaßrichtung vorgespannten Dioden dargestellt sind, wobei dem Kompensationsvorgang mit zwei Dioden Rechnung getragen ist.

In dem Koordinatensystem, längs dessen Abszisse die Betriebsspannung V_ und längs dessen Ordinate die Temperaturkoeffizienten C aufgetragen sind, ist die dieÄnderung einer in Durchlaßrichtung vorgespannten Diode angebende Kurve 1 dargestellt, die eine- zur Horizontalen parallele Gerade ist, so daß der Temperaturkoeffizient einer solchen Diode, wie oben erwähnt wurde, im wesentlichen konstant ist und den Wert C^ hat; ferner ist die die Änderung einer in Sperrichtung vorgespannten Diode vom Typ einer Zenerdiode angebende Änderung mit der Kurve 2 dargestellt..

Es ist zu erkennen, daß durch eine Hintereinanderschaltung einer in Durchlaßrichtung vorgespannten Diode und einer in Sperrichtung vorgespannten Diode eine genaue thermische Kompensation für eine Betriebsspannung V^ erhalten wird, die durch Gleichheit der entgegengesetzte Vorzeichen aufweisende Abschnitte 3 und 4 bestimmt wird* Ferner ist zu erkennen, daß sich bei der Hintereinanderschaltung von zwei in Durchlaßrichtung vorgespannten Dioden und einer in Sperrichtung vorgespannten Diode eine Vorrichtung ergibt, die im Bereich einer neuen Betriebsspannung Vp temperaturkompensiert ist, wobei dieser Betriebsspannungsbereich durch die Gleichheit zweier Segmente wie der Segmente (3+3) und (4+4) bestimmt wird.

Andrerseits hat der Ordinatenwert C₀ keine bestimmte physikalische Größe , und es ist durch geeignete Behandlungen bei der Herstellung möglich, diesen Ordinatenwert im Bereich seines Mittelwerts zu ändern, so daß folglich ohne weiteres

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für eine gegebene Betriebsspannung I^ ®i^ne genaue thermische Kompensation erhalten werden kann.

In den Figuren 2, 3 und 4 sind die Hauptschritte des Verfahrens zur Herstellung erfindungsgemäßer Referenzdioden dargestellt.

Auf einem Halbleiterkörper können zwar gleichzeitig mehrere Bauelemente gebildet werden, doch bezieht sich die Beschreibung der Einfachheit halber nur auf ein Bauelement.

In Fig»2 ist ein plättchenförmiges Substrat 11 aus n-leitendem Silizium dargestellt, dessen spezifischer Widerstand durch die für den Übergang der in Sperrichtung vorgespannten Diode vorgesehene Spannung bestimmt ist. Auf den beiden Flächen des Plättchens werden Schichten 21 und 22 aus isolierendem Material wie Siliziumdioxid aufgebracht, das einen Schutz gegen Verunreinigungen darstellt.

In Fig.3 ist anschliessend in der Schicht 21 mit Hilfe eines herkömmlichen Lichtdruckverfahrens eine quadratische Öffnung mit einer Seitenlänge .- von etwa 300 um gebildet, und durch örtlich begrenzte Anwendung eines Epitaxialverfahrens wird auf dem Substrat 11 eine die Öffnung 31 besetzende Erhebung aus (p+)-leitendem Silizium mit einer Dicke von etwa 50 um abgeschieden. Die Erhebung 41 wird beispielsweise mit Hilfe eines Epitaxialverfahrens mit Jod abgeschieden; ein Ausführungsbeispiel eines solchen Epitaxialverfahrens ist nachfolgend an gegeben» In einem Reaktor wird das Substratplättchen gegenüber einem mit Bor dotierten (p+)-leitendeη Quellenplättchen angebracht, das einen spezifischen Widerstand in der Größenordnung von T0""^0hm cm aufweist. Das Substratplättchen wird auf eine Temperatur von etwa ι100 O⁰C gebracht, und das Quellenplättchen wird auf eine Temperatur von 950 0°C erhitzt. Der Joddampf wird mit einem Druck von 1 mm .Quecksilbersäule

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eingeführt. Das Silizium des Quellenplattchen vereinigt sich mit dem Jod, und die gebildete Verbindung zersetzt sich dann beim Kontakt mit den freiliegenden Teilen des Substratplättchens und läßt dort Silizium zurück. Die Wachstumsgeschwindigkeit der Erhebung 41 liegt in der Größenordnung von 3 bis 4 um pro Minute, und ihr spezifischer Widerstand ist genau der des Quellenplättchens. Nach der Bildung der Erhebung 41 wird das Plättchen einer thermischen Oxydation unterzogen, was zur Diffusion von p-Störstellen in das Substrat 11 unter Bildung des pn-Ubergangs 51 in dem Substrat führt und auf der Erhebung 41 eine Siliziumdioxidschicht 23 hervorruft.

Aus Fig.4 geht ein weiterer Verfahrensschritt hervor, bei dem auf der der Erhebung 41 gegenüberliegenden Fläche des Substrats eine Öffnung 32 in der Siliziumdioxidschicht 22 gebildet wird, die mit den gleichen Abmessungen wie die Öffnung 31 ausgeführt ist und dieser Öffnung genau gegenüberliegt. Mit Hilfe des bereits beschriebenen Epitaxialverfahrens wird dafür gesorgt, daß in der Öffnung 32 eine aus (p+)-leitendem Silizium mit einem spezifischen Widerstand in der Größenordnung von 10 Ohm cm bestehende Erhebung 42 aufwächst. Durch Ändern des spezifischen Widerstandes der Quelle wird die Erhebung 42 mit einer Schicht 43 überzogen, die den gleichen Leitungstyp mit schwächerer Dotierung und eine Dicke. von 15 bis 20 um aufweist. Schließlich wird die Schicht 43 mit einer Schicht aus (n+)-leitendem Silizium mit einer Dicke von 15 bis 20 vxm überzogen, die mit Hilfe eines örtlich begrenzten Epitaxialverfahrens unter Änderung der Quelle abgeschieden wird.

Bei der letzten Verfahrensstufe werden die oben angegebenen Kompensationsbedingungen exakt eingestellt. Zu diesem Zweck wird das Plättchen einerWärmebehandlung unterzogen, bei der p-Störstoffe der Erhebung 42 in das Substrat 11 diffundieren und dort den pn-übergang 52 bilden; die Wärmebehandlung dauert

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solange an, bis.die an den Klemmen des Bauelements gewünschte Spannung erreicht ist» Die Spannung an den Klemmen des Bauelements wird dadurch an dem Plättchen gemessen, daß an die Fläche 62 der negative Pol und an die Fläche 61 der positive Pol angelegt werden. Somit arbeiten die pn-Übergänge 53 und 51 in Durchlaßrichtung, und der pn-übergang 52 arbeitet im Avalanche-Betrieb, wobei die spezifischen Widerstände der Erhebungen 41 und 42 sowie der Schichten 43 und 44 in typischen Fällen so gewählt sind, daß sich für die in Durchlaßrichtung vorgespannten pn-Übergänge 51 und 53 Spannungen von etwa 0,7V und für den "in Sperrichtung vorgespannten pn-übergang eine Spannung von etwa 7,1 V ergeben.

Nach Einstellung der an den Klemmen des Bauelements auftretenden Spannung wird die Temperaturkompensation auf dem Plättchen geprüft«, Wenn die Kompensation nicht zufriedenstellend ist, kann der Temperaturkoeffizient des in Durchlaßrichtung vorgespannten pn-Übergangs 51 dadurch modifiziert werden,daß ausgehend von der Fläche 61 eine Golddotierung der von den Zonen 41 und 11 gebildeten Dioden mit Hilfe .".eines herkömmlichen Verfahrens ausgeführt wird. -

Nach einer Metallisierung der Flächen 6H und 62, die dazu bestimmt ist, den elektrischen Kontakt mit in den Figuren nicht dargestellten externen Anschlüssen zu gewährleisten, wird das Plättchen in für das Einkapseln bereite diskrete Bauelemente zerschnitten.

Die vorliegende Erfindung ist nicht auf das oben beschriebene Herstellungsverfahren beschränkt. Hinsichtlich der Leitungstypen und der Werte des spezifischen Widerstandes der verschiedenen die Vorrichtung bildenden Zonen sowie der geometrischen Eigenschaften sind Änderungen möglich.

Patentansprüche • . 409820/0861

Claims

- O

Patentans prüche

Λ.)Verfahren zur Herstellung einer Referenzdiode, dadurch gekennzeichnet, daß auf einer Fläche eines Substrats aus monokristallinem Halbleitermaterial eine erste Erhebung aus monokristallinem Halbleitermaterial mit einem den Leitüngstyp des Substrats entgegengesetzten Leitungstyp gebildet wird, daß auf der der ersten Erhebung entgegengesetzten Fläche des Substrats eine zweite Erhebung aus monokristallinem Halbleitermaterial mit einem den Leitungstyp des Substrate entgegengesetzten Leitungstyp gebildet, wird und daß auf der zweiten Erhebung eine Schicht aus monokristallinem Halbleitermaterial mit dem gleichen Leitungstyp wie das Substrat gebildet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhebungen und die Schicht aus monokristallinem Halbleitermaterial durch Anwendung eines Epitaxialverfahrens gebildet werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß zwischen dem zweiten und dem dritten Verfahrensschritt auf der zwaiten Erhebung eine Schicht aus mono kristallinem Halbleitermaterial vom gleichen Leitungstyp wie die Erhebung mit höherem spezifischen Widerstand gebildet wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem letzten Verfahrensschritt ein Wärmebehandlungsschritt ausgeführt wird, der durch Diffusion auf der Höhe der Übergänge die Einstellung der Betriebsspannung und der thermischen Kompensation gewährleistet.

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5. Nach dem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche hergestellte Referenzdiode, dadurch gekennzeichnet, daß auf zwei einander gegenüberliegenden Flächen eines Substrats (11) aus η-leitendem Silizium eine Siliziumdioxidschicht (21 22) angebracht ist, daß in den Siliziumdioxidschichten zwei sich einander gegenüberliegende Fensteröffnungen angebracht sind, daß in jeder der zwei Fensteröffnungen e.ine aus p-leitendem Silizium bestehende Erhebung (41, 42) angebracht ist, daß eine der zwei Erhebungen mit einer Schicht (44) aus η-leitendem Silizium bedeckt ist, und daß die Erhebungen und die η-leitende Schicht mittels eines örtlich begrenzten Epitaxialverfahrens gebildet sind.

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