DE2444881A1 - Silicon semiconductor prodn. with strongly p-doped zone - on anode side of junction produced by alloying aluminium film with molybdenum - Google Patents
Silicon semiconductor prodn. with strongly p-doped zone - on anode side of junction produced by alloying aluminium film with molybdenumInfo
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Abstract
Description
Verfahren zum Herstellen eines Halbleiter elementes.Method for manufacturing a semiconductor element.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines aus einer Siliciumscheibe bestehenden Halbleiterelementes mit mindestens einer n-dotierten Zone und mindestens einer daran anschließenden durch Diffusion p-dotierten Zone, bei dem anodenseitig unter Verwendung einer aus Aluminium oder einer Aluminium-Legierung bestehenden Schicht unter Bildung eines Silicium-Aluminium-Eutektikums eine Molybdän-?rägerplattetanlegiert und durch die Begierung eine stark p-dotierte Zone erzeugt wird.The present invention relates to a method of manufacture a semiconductor element consisting of a silicon wafer with at least one n-doped zone and at least one subsequent p-doped zone by diffusion Zone in which the anode side is made of aluminum or an aluminum alloy A molybdenum carrier plate is alloyed to the existing layer to form a silicon-aluminum eutectic and a heavily p-doped zone is generated by the coating.
Wird die Siliciumscheibe, die Aluminiumschicht bzw. die Aluminium-Legierung und die Molybdän-Trägerplatte auf eine Temperatur oberhalb des eutektischen Schmelzpunktes von Silicium und Aluminium, z. B. auf 750°C erhitzt, so bildet sich nach dem Abkühlen zwischen der Siliciumscheibe und der Aluminiumschicht ein Silicium-Aluminium-Eutektikum aus. Dabei bildet sich auf der Siliciumseite durch Rekristallisation aus dem Aluminium-Silicium-Eutektikum eine stark p-dotierte Schicht aus. Diese stark p-Zone wirkt bei einem Thyristor als p-Emitter und dient bei einem Leistungsgleichrichter in Verbindung mit der kathodenseitig hochdotierten Zone zur Überschwemmung der niedrig dotierten Mittelzonen mit Ladungsträgern.Is the silicon wafer, the aluminum layer or the aluminum alloy and the molybdenum carrier plate to a temperature above the eutectic melting point of silicon and aluminum, e.g. B. heated to 750 ° C, it forms after cooling a silicon-aluminum eutectic between the silicon wafer and the aluminum layer the end. This forms on the silicon side through recrystallization from the aluminum-silicon eutectic a heavily p-doped layer. This strongly p-zone is effective in a thyristor as a p-emitter and is used in a power rectifier in conjunction with the cathode side highly doped zone for flooding the low doped central zones with charge carriers.
Zur Verringerung der Durchlaßverluste bei einem Thyristor oder Ileistungsgleichrichter soll die Durchlaßspannung möglichst klein sein.To reduce the on-state losses in a thyristor or power rectifier the forward voltage should be as small as possible.
Dies könnte bei vorgegebener Sperrfähigkeit dadurch erreicht werden, daß man die durch Legierung erzeugte hochdotierte p-Zone auf der Anodenseite soweit in das eindiffundierte p-Gebiet eindringen läßt, daß im Grenzfall die Raumladungszone im p-Gebiet des anodenseitigen pn-Übergangs gerade noch nicht an die Legierungsfront anstößt.With a given blocking capability, this could be achieved by that the highly doped p-zone generated by the alloy on the anode side is so far in the diffused p-region allows the space charge zone to penetrate in the borderline case in the p-area of the anode-side pn-junction just not yet to the alloy front bumps.
Die Dicke der durch Legierung erzeugten stark dotierten p-Zone wurde bisher durch die Dicke der Aluminiumschicht und durch die l.egierungstemperatur entsprechend den aus der Literatur bekannten Schmelzdiabrammen eingestellt, d. h. daß für gewünschte große Eindringtiefen der stark dotierten p-Zone in das Silicium eine dicke Aluminiumschicht oder sehr hohe Temperaturen notwendig sind. Bei Leistungshalbleitern, deren Schalteigenschaften durch gezielten Einbau von Rekombinationszentren z. B. durch Gold-Diffusion bestimmt sind, ist der Weg über eine Temperatursteigung jedoch nicht gangbar, da auf diese Weise die Verteilung und die Anzahl der Rekomoinationszentren unerwünscht verändert wird. Bei Verzicht auf eine Temteratursteigerung ist aber beispielsweise zur Erzielung einer Eindringtiefe des Aluminlum-Silicium-Eutektikums von ca. 20 /um bei einer legierungstemperatur von etwa 75o0C eine Aluminium-Schicht von ca. 75 /um Dicke notwendig., Das Legieren mit solch dicken Aluminiumschichten bringt jedoch dann Schwierigkeiten mit sich, wenn auf das teuere Pulver-Legierungsverfahren verzichtet wird, bei dem die miteinander zu legierenden Teile in Graphitpulver eingepreßt werden und statt dessen mit billigen und einfach zu beschichtenden Formen ohne Graphitpulverfüllung gearbeitet wird.The thickness of the heavily doped p-zone created by the alloy was up to now by the thickness of the aluminum layer and by the alloy temperature adjusted in accordance with the melting diagrams known from the literature, d. H. that for the desired large penetration depths of the heavily doped p-zone into the silicon a thick aluminum layer or very high temperatures are necessary. For power semiconductors, their switching properties through the targeted installation of recombination centers z. B. are determined by gold diffusion, the path is via a temperature gradient, however not feasible, since in this way the distribution and the number of recombination centers is changed undesirably. However, if there is no increase in temperature for example to achieve a penetration depth of the aluminum-silicon eutectic of approx. 20 / µm at an alloy temperature of approx. 75o0C an aluminum layer of approx. 75 μm thickness is necessary., Alloying with such thick aluminum layers however, it poses difficulties when resorting to the expensive powder alloying process is dispensed with, in which the parts to be alloyed with one another are pressed into graphite powder and instead with cheap and easy-to-coat molds without graphite powder filling is being worked on.
Die genannten Schwierigkeiten äußern sich z. B. im Auslaufen des zur Legierung verwendeten Aluminiums und in der Ausbildung von Keilfehlern Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, das eingangs erwähnte Verfahren so weiterzubilden, daß auch ohne die genannten höheren Temperaturen unter Vermeidung der aufgezählten Nachteile eine hohe einstellbare Eindringtiefe im Silicium und damit eine ausreichende Annäherung der stark dotierten p-Zone an den anodenseitigen pn-Übergang erreicht werden kann.The difficulties mentioned are expressed e.g. B. in the expiry of the Alloy used in aluminum and in the formation of wedge defects the The object on which the invention is based is the method mentioned at the outset to continue training so that without avoiding the higher temperatures mentioned of the disadvantages listed, a high adjustable penetration depth in the silicon and thus a sufficient approximation of the heavily doped p-zone to the anode-side pn junction can be achieved.
Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß eine Aluminiumschicht oder eine Schicht einer Aluminium-Legierung kleiner gleich 60 /zum Dicke verwendet wird und daß eine Aluminium enthaltende Molybdän-Silicid-Schicht von mindestens 15 /um Stärke erzeugt vrird.The invention is characterized in that an aluminum layer or a layer of an aluminum alloy less than or equal to 60 / for thickness is used and that an aluminum-containing molybdenum silicide layer of at least 15 / um strength is generated.
Mit einer solchen Stärke läßt sich eine zusätzliche Eindringtiefe der stark p-dotierten Zone von mindestens 1o /um erzielen. Diese zusätzliche Eindringtiefe macht sich erheblich in einer Verringerung der Durchlaßspannung bemerkbar, während sich eine darunter liegende zusätzliche Eindringtiefe z. B. wegen der in derselben Größenordnung liegenden Schichtdickenfehler u. U, kaum bemerkbar macht.With such a strength, an additional depth of penetration can be achieved achieve the heavily p-doped zone of at least 1o / .mu.m. This additional depth of penetration is significantly noticeable in a reduction in the forward voltage while an underlying additional penetration depth z. B. because of the same Layer thickness errors of an order of magnitude, under certain circumstances, are barely noticeable.
Die Molfodän-Trägerplatte kann auch anodenseitig an eine n-dotierte Zone des Halbleiterelementes anlegiert werden, wobei der Begierungsvorgang solange aufrechterhalten wird, bis die stark p-dotierte Zone eine Eindringtiefe hat, die mindestens so groß wie die Dicke der stark n-dotierten Zone ist.The Molfodän carrier plate can also be connected to an n-doped plate on the anode side Zone of the semiconductor element are alloyed, with the Begierung process as long is maintained until the heavily p-doped zone has a penetration depth that is at least as large as the thickness of the heavily n-doped zone.
Die Erfindung wird an Hand zweier Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den Figuren 1 bis 4 näher erläutert.The invention is based on two exemplary embodiments in conjunction explained in more detail with FIGS. 1 to 4.
In Fig. 1 ist ein nach einem herkömmlichen Verfahren hergestelltes Halbleiterelement eines Thyristors im Schnitt dargestellt. Das Halbleiterelement weist eine Siliciumscheibe mit einer stark n-dotierten Zone 1, einer schwach p-dotierten Zone 2, einer schwach n-dotierten Zone 3 und einer vierten Zone auf, die aus einem schwach p-dotierten Teil 4 und einem stark p-dotierten Teil 5 besteht. An den stark p-dotierten Teil 5 schließt sich eine aus Aluminium-Silicium-Eutektikum bestehende Zone 6 an, über die die Halbleiterscheibe mit einer Molybdän-Trägerplatte 7 verbunden ist. Die Molybdän-Trägerplatte bildet auch den anodenseitigen Kontakt. Der kathodenseitige Kontakt auf der Zone 1 ist mit 8 bezeichnet. Bei diesem bekannten Verfahren hat die stark p-dotierte Zone 5 eine Eindringtiefe im Silicium,die durch das Schmelzdiagramm des Systems Aluminium/Silicium eindeutig bestimmt ist.In Fig. 1, there is one made by a conventional method Semiconductor element of a thyristor shown in section. The semiconductor element has a silicon wafer with a heavily n-doped zone 1, a weakly p-doped one Zone 2, a weakly n-doped zone 3 and a fourth zone, which consists of a weakly p-doped part 4 and a heavily p-doped part 5 consists. At the strong p-doped part 5 joins an existing aluminum-silicon eutectic Zone 6, via which the semiconductor wafer is connected to a molybdenum carrier plate 7 is. The molybdenum carrier plate also forms the contact on the anode side. The cathode side Contact on zone 1 is labeled 8. In this known method has the heavily p-doped zone 5 has a penetration depth in the silicon, which is indicated by the melting diagram of the aluminum / silicon system is clearly defined.
In Fig. 2 ist ein gemäß der Erfindung hergestelltes Halbleiterelement eines Thyristors im Schnitt dargestellt. Gleiche Teile wie in Fig. 1 sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Der wesentliche Unterschied zum Stand der Technik besteht darin, daß hier eine Aluminium enthaltende Molybdän-Silizid-Schicht von mindestens 15 /um Stärke erzeugt wird, die die stark p-dotierte Zone auch nach dem Aufbrauchen der Aluminiumschicht weiter in das Silicium hineintreibt. Es ist ersichtlich, daß die p-dotierte Zone, die hier mit 4' bezeichnet ist, wesentlich dünner als die p-dotierte Zone 4 nach Fig. 1 ist. Dieser Thyristor weist daher gegenüber dem nach Fig. 1 dargestellten eine niedrigere Durchlaßspannung auf. Die Sperrspannung wird dann nicht beeinflußt, wenn die stark p-dotierte Zone 5 nicht bis zur Grenze der sich in Zone 4 vom pn-Übergang ausgehenden Raumladungszone vorstößt.In Fig. 2 is a semiconductor element made according to the invention of a thyristor shown in section. The same parts as in FIG. 1 are identical Provided with reference numerals. The main difference to the state of the art is in that here an aluminum-containing molybdenum silicide layer of at least 15 / um strength is generated, which the heavily p-doped zone even after it has been used up the aluminum layer drifts further into the silicon. It can be seen that the p-doped zone, which is denoted by 4 'here, is much thinner than the p-doped zone Zone 4 of Figure 1 is. This thyristor therefore has compared to that shown in FIG a lower forward voltage. The reverse voltage is then not influenced, if the heavily p-doped zone 5 is not up to the limit of the zone 4 from the pn junction outgoing space charge zone advances.
Mit einer 40 /um starken Aluminiumschicht wurde beispielsweise bei einer Legierungstemperatur von 7500C und einer Legierungsdauer von 30 min. unter Bildung einer Molybdän-Silizid-Schicht von 26 /um Stärke eine Eindringtiefe x von etwa 30 /um erreicht. Bei Verwendung einer 40 /um starken Aluminiumschicht ohne Bildung einer Molybdän-Silizid-Schicht wird dagegen bei einer Legierungstemperatur von 750°C nur eine Eindringtiefe von etwa 11 /um erreicht.For example, with a 40 μm thick aluminum layer, an alloy temperature of 7500C and an alloy duration of 30 minutes Formation of a molybdenum silicide layer with a thickness of 26 μm and a penetration depth x of reached about 30 / µm. When using a 40 / µm thick aluminum layer without On the other hand, formation of a molybdenum silicide layer occurs at an alloy temperature from 750 ° C only a penetration depth of about 11 / µm is achieved.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in den Pig. 3 und 4 dargestellt.Another embodiment is in the Pig. 3 and 4 shown.
Der Ausgangspunkt ist in diesem Fall eine Siliciumscheibe mit einer schwach n-dotierten Mittelzone 3, an die beidseitig schwach p-dotierte Zonen 2 und 4 angrenzen. An die Zonen 2 und 4 grenzen außen stark n-dotierte Zonen 1 und -lo, von denen die stark n-dotierte Zone 1o aus Gründen einfacher Herstellung gleichzeitig mit der Zone 1 diffundiert wurde, für die Funktion eines Thyristors jedoch störend ist. Da das Entfernen der stark n-dotierten Zone 10 schwierig ist, kann diese einfach durch Einlegieren einer Aluminiumschicht oder einer Schicht 11 aus einer Aluminium-Legierung überdotiert werden.The starting point in this case is a silicon wafer with a weakly n-doped central zone 3, to the weakly p-doped zones 2 and on both sides 4 adjoin. Zones 2 and 4 border on the outside, heavily n-doped zones 1 and -lo, of which the heavily n-doped zone 1o for reasons of simple production at the same time was diffused with zone 1, but interfering with the function of a thyristor is. Since the removal of the heavily n-doped zone 10 is difficult, this can be done easily by alloying an aluminum layer or a layer 11 made of an aluminum alloy be overdoped.
Die erwünschte hohe Eindringtiefe x ergibt sich auch hier durch B dung einer Aluminium enthaltenden Molybdän-Silizid-Schicht 9. Auch hier wurde mittels einer 40 /um starken Aluminium-Schicht bei einer Legierungstemperatur von 750°C für eine Zeitdauer von 30 min. eine Eindringtiefe von etwa 30 /um erreicht, die sich aus einer Eindringtiefe von 11 /um für das Aluminium alleine und einer Eindringtiefe von etwa 19 /ums verursacht durch die Bindung von Silicium in der Molybdän-Silizid-Schicht zusammensetzt. Weitere Eindringtiefen lassen sich aus dem Aluminium-Silicium-Phasendiagramm oder nach der Formel x = d Al (7s3 x 10 4 t - 0,28) für das Aluminium errechnen, wobei t die Legierungstemperatur ist.The desired high penetration depth x is also given here by B formation of an aluminum-containing molybdenum silicide layer 9. Here, too, was a 40 / µm thick aluminum layer at an alloy temperature of 750 ° C reaches a penetration depth of about 30 μm for a period of 30 minutes, which consists of a penetration depth of 11 μm for the aluminum alone and a penetration depth of about 19 / µms caused by the bonding of silicon in the molybdenum-silicide layer composed. Further penetration depths can be found in the aluminum-silicon phase diagram or according to the formula x = d Al (7s3 x 10 4 t - 0.28) for the aluminum calculate, where t is the alloy temperature.
Für die Eindringtiefe des Molybdän-Silizids in das Silicium-Aluminium-Eutektikum gilt der Zusammenhang x = 0,72 d Md Si2 Die Erfindung ist nicht auf die Herstellung von Halbleiterelementen für Thyristoren beschränkt, sondern kann- ebenso zur Herstellung von Leistungsgleichrichtern verwendet werden. Ein Halbleiterelement fur einen IJeistungsgleichrichter unterscheidet sich von dem in Fig. 2 gezeigten lediglich dadurch, daß kathodenseitig an die Stelle der stark n-dotierten Zone 1 und der schwach p-dotierten Zone 2 eine stark n-dotierte Zone tritt. Anodenseitig entspricht der Aufbau dem in Fig. 2, 2 Patentansprüche 4 FigurenFor the penetration depth of the molybdenum silicide into the silicon-aluminum eutectic the relationship x = 0.72 d Md Si2 applies. The invention is not limited to the production limited by semiconductor elements for thyristors, but can also be used for manufacture used by power rectifiers. A semiconductor element for a power rectifier differs from that shown in Fig. 2 only in that the cathode side in place of the heavily n-doped zone 1 and the weakly p-doped zone 2 a heavily n-doped zone occurs. On the anode side, the structure corresponds to that in FIGS. 2, 2 Claims 4 figures
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C3 | Grant after two publication steps (3rd publication) | ||
| 8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |