DE2504846A1

DE2504846A1 - Halbleiteranordnung mit gleichrichtender grenzschicht

Info

Publication number: DE2504846A1
Application number: DE19752504846
Authority: DE
Inventors: Leonard Teslenko
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1974-02-11
Filing date: 1975-02-06
Publication date: 1975-08-28
Also published as: GB1452882A; IN144488B; SE7501441L; FR2260873A1; AU7792275A; SE397605B; BE825376A; JPS50116186A; JPS5324311B2; CA1023058A; IT1031592B

Description

25Q4846

Dipl.-lng. H. Sauerland · Or.-Ing. R. König ■ Dipl.-lng. K. Bergen

Patentanwälte ■ 4θοα Düsseldorf 3Ο ■ Cecilienallee 76 · Telefon 43573a

5. Februar 1975 29 741 B

RCA Corporation, 30 Rockefeller Plaza,

New York, N.Y. 10020 (V₀St₀A.)

"Halbleiteranordnung mit gleichrichtender Grenzschicht"

Die Erfindung bezieht sich auf eine Halbleiteranordnung mit gleichrichtender Grenzschicht, insbesondere auf pn-Zenerdioden zur Verwendung in integrierten Schaltungen.

Bekannte Zenerdioden stellen eine Halbleiteranordnung mit pn~Grenzschicht dar, bei der Diffusionsprozesse Anwendung finden, die in bekannter Weise Bereiche erzeugen, in welchen die Störstellenkonzentration (Konzentration der Aktivatoren oder Verunreinigungen) sich ändert, und zwar meist zwischen einem Maximum an der Fläche, durch welche hindurch die Diffusionen geschehen, und einem Minimum innerhalb des Halbleitermaterials. Die Folge der Diffusionen und der zu« geordneten Orte und relativen Flächen liegen so, daß der p-Bereich der Anordnung zwei Teile hat, nämlich einen Teil relativ hoher maximaler Konzentration und großer Tiefe und einen zweiten Teil geringer maximaler Konzentration und flacherer Tiefe. Der n«r-Bereich wird in diese beiden Teile diffundiert, mit der Folge, daß er in dem Teil flacherer Tiefe des p«Bereichs tiefer ist. Legierter Aluminiumkontakt kann im Gebiet des η-Bereichs über dessen tieferen Teil ohne die Gefahr geschaffen werden, daß das Aluminium die Grenzschicht durchsticht oder durchdringt.

Bei bekannten Halbleiteranordnungen der in Rede stehenden Art steht die Zone der maximalen Konzentration des n-Be-

509835/0639
S/sn

reichs in Berührung mit der Zone maximaler Konzentration des Teiles hoher Konzentration des p-Bereichs. Demgemäß befindet sich ein Teil der pn-Grenzschicht, die zwischen den beiden Bereichen vorgesehen ist, zwischen den Zonen maximaler Konzentration jedes Bereichs. Zener-Durchbruch findet in diesem Gebiet der pn-Grenzschicht bei einer niedrigeren Spannung als überall sonst längs der Grenzschicht statt, so daß es dieses Charakteristikum ist, welches den Wert des Zenerdurchbruchs der Halbleiteranordnung steuert.

Bei handelsüblichen Halbleiteranordnungen hat man für geeignete Durchbruchspannungen gesorgt. Der Betrag der Durchbruchspannung hängt jedoch von den relativen Konzentrationen der Fremd- oder Störatome (Verunreinigungen) in den die Grenzschichten definierenden Bereichen ab, und die relativen Konzentrationen der Fremd- oder Störatome hängen ihrerseits von der Dauer, den Temperaturen und anderen Bedingungen der Diffusionsprozesse ab, die verwendet werden, um die Bereiche zu schaffen. Es entspricht dem Stande der Technik, die Zahl der gesonderten Diffusionsschritte möglichst klein zu machen, indem eine gegebene Halbleiteranordnung so gestaltet wird, daß jeder diffundierte Bereich so viel Funktionen in so viel verschiedenen Komponenten der Schaltung wie möglich erfüllt. Gelegentlich sind Änderungen notwendig, um die Charakteristika einer Komponente zu beeinflussen. Derartige Änderungen können die Charakteristika einer anderen Komponente in unerwünschter Weise beeinflussen. Eine Reduktion in der maximalen Konzentration im Bereich hoher Leitfähigkeit der p-Region einer bekannten Halbleiteranordnung, die notwendig werden kann, um die Operation einer anderen Komponente der Anordnung abzuwandeln erhöht in unerwünschter Weise die Durchbruchspannung bei solchen bekannten Anordnungen. Um bei der Konstruktion integrierter Schaltungen Flexibilität zu erreichen, ist es wünschenswert, eine Halbleiteranordnung zu schaffen, die sich entweder durch einen niedrigeren Zenerdurchbruch mit Bereichen auszeichnet, die

50 9835/0639

durch die gleichen Diffusionsprozesse hergestellt sind, wie sie bei Anordnungen nach dem Stand der Technik verwendet werden, oder bei gleicher Durchbruchspannung aus Bereichen bestehen, die durch abgewandelte Diffusionsprozesse hergestellt sind. Hierin liegt die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabeβ

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung diene die Zeichnung.. Dort zeigen

Fig., 1 eine Draufsicht eines Teiles einer integrierten Schaltung mit einer der Erfindung entsprechenden Anordnung der neuen Zenerdiode,

, 2 einen Querschnitt nach Linie 2-2 in Fig. 1 und

Fig. 5 bis 5 verschiedene Querschnitte zur Veranschauli— chung der einzelnen Schritte bei der Herstellung einer erfindungsgemäß gestalteten Anordnung»

Beispiel

Fig. 1 und 2 erläutern einen Teil einer integrierten Schaltung 10, die eine erfindungsgemäß gestaltete Zenerdiode 12 enthalte Die integrierte Schaltung 10 besteht aus einem Substrat 14 aus Halbleitermaterial, und zwar Silizium mit p-Leitfähigkeit in dem hier gewählten Beispiel, mit einer darauf liegenden epitaxialen Schicht 16 aus Silizium mit η-Leitfähigkeit. Die epitaxiale Schicht 16 mit n-Leitfähigkeit hat eine Fläche 18, auf der die verschiedenen Prozesse durchgeführt werden, die zur Herstellung der Halbleiteranordnung dienen. Ein isolierender Bereich 20 mit Leitfähigkeit vom p+ Typ umgibt einen Teil der epitaxialen Schicht 16 und dient dazu, die Zenerdiode 12 gegen andere, nicht dargestellte Komponenten der Schaltung zu isolieren, die Bestandteil der Schaltung 10 sind, also die Zenerdiode von diesen anderen Komponenten zu trennen. Je nach den Merkma-

509835/0639

mm *-J- mm

len der Schaltung können andere Komponenten mit der Zenerdiode 12 vereinigt werden, und zwar innerhalb der Grenzen der Unstetigkeitsschichten des isolierenden oder trennenden Bereichs 20.

Die Zenerdiode 12 besteht aus einem ersten Bereich 22 von einem bestimmten Leitfähigkeitstyp, und zwar in dem in Rede stehenden Beispiel p-Leitfähigkeit, mit zwei diffundierten Teilen, einem Teil 24 mit Leitfähigkeit vom p+ Typ und einem Teil 26 mit Leitfähigkeit vom ρ Typ, In der Zeichnung sind die üblichen Bezeichnungen für die jeweiligen Leitfähigkeiten verwendet. Demgemäß hat Teil 24 mit Leitfähigkeit vom p+ Typ eine größere Fremd- oder Störatom-Konzentration als Teil 26 mit Leitfähigkeit vom ρ Typ. Die Fläche der peripheren Unstetigkeitsschicht des Teils 24 mit Leitfähigkeit vom p+ Typ des Bereiches 22 ist beispielsweise rechteckig gestaltet, wie in Fig. 1 bei 28 angedeutet ist. Der Teil 26 mit Leitfähigkeit vom ρ Typ kann gleichfalls rechteckig geformt sein, und zwar mit einer äußeren peripheren Unstetigkeitsschicht, die bei 30 angedeutet ist„ Teil 26 mit Leitfähigkeit vom ρ Typ hat in diesem Beispiel eine innere periphere Unstetigkeitssdhicht 32, durch die eine Öffnung innerhalb der Fläche des Teiles 26 mit Leitfähigkeit vom ρ Typ definiert ist, welche die Fläche 24 des Bereichs 22 mit Leitfähigkeit vom p+ Typ überlappt«, Anders ausgedrückt überlappt abweichend vom Stande der Technik der Teil 26 mit Leitfähigkeit vom ρ Typ des Bereichs 22 weniger als die Gesamtheit des Teils 24 mit Leitfähigkeit vom p+ Typ dieses Bereichs. Die Konfiguration dieser Teile mit einer Öffnung in dem Teil 26 mit Leitfähigkeit vom ρ Typ des Bereichs 22 wird erfindungsgemäß bevorzugt. Indes kann jede andere Konfiguration verwendet werden, solange der Teil 26 mit Leitfähigkeit vom ρ Typ den Teil 24 mit Leitfähigkeit vom p+ Typ nicht vollständig überlappt. Der Grund hierfür liegt in der Herstellung und wird unten erläutert.

Gemäß Fig. 2 definiert Teil 24 mit Leitfähigkeit vom p+ Typ

509835/06 3 9

des Bereichs 22 mit Leitfähigkeit vom ρ Typ eine pn-^Grenz·· schicht gegenüber dem Material der epitaxialen Schicht 16 über eine Tiefe, die geringer ist als die Dicke der epitaxialen Schicht und mit einer relativ großen Tiefe im Vergleich mit der Tiefe des Teils 26 mit !Leitfähigkeit vom ρ Typ des Bereichs 22. Dies entspricht im wesentlichen der Anordnung nach dem Stande der Technik.

Die Zenerdiode 12 hat außerdem einen zweiten Bereich 34 vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp, relativ zu der in diesem Beispiel angegebenen Leitfähigkeit vom n+ Typ, die sowohl für die Teile 24 und 16 des ersten Bereichs 22 gilt und von beiden durch eine pn-Grenzfläche 36 getrennt !stund sich in eine Fläche innerhalb der inneren Uhstetigkeitsschicht 32 des Teiles 26 erstreckt oder diese Fläche ganz beansprucht. Aus Fig. 2 geht hervor, daß der zweite Bereich 34 drei verschiedene Tiefen innerhalb der epitaxialen Schicht 16 hat, weil er in Zonen von drei verschiedenen Niveaus der Konzentration von Fremd- oder Störatomen im Bereich 22 mit Leitfähigkeit vom ρ Typ diffundiert ist. Innerhalb der inneren Unstetigkeitsschicht 32 des Teiles 26 mit Leitfähigkeit vom ρ Typ des Bereichs 22, oder allgemein gesprochen überall dort, wo sie eine Fläche beansprucht, in welcher der Teil 26 mit Leitfähigkeit vom ρ Typ den Teil 24 mit Leitfähigkeit vom p+ Typ nicht überlappt, hat der zweite Bereich 34 mit Leitfähigkeit vom n+ Typ seine geringste Tiefe, und zwar deshalb, weil die Konzentration im Teil 24 mit Leitfähigkeit vom p+ Typ des Bereichs 22 an dieser Stelle am größten ist. Überall dort, wo der zweite Bereich 34 eine Fläche beansprucht, wo der Teil 26 mit Leitfähigkeit vom ρ Typ den Teil 24 mit Leitfähigkeit vom p+ Typ überlappt, fällt das Konzentrationsprofil verschieden aus, weil diese Fläche zwei Diffusionsschritten ausgesetzt ist, wie unten erläutert werden wird_e Die Tiefe des zweiten Bereichs 34 ist in dieser Fläche dann größer. Die größte Tiefe des zweiten Bereichs 34 entsteht innerhalb des Gebietes

509835/0639

des Teiles 26 des Bereichs 22 außerhalb der peripheren Unstetigkeitsschicht 28 des Teiles 24.

Kontakt zwischen den Bereichen 22 und 34 der Zenerdiode 12 wird in der üblichen Weise hergestellt. Vorgesehen ist ein passivierender, isolierender oder trennender Überzug 38, der mit Öffnungen 40 an Stellen versehen ist, wo Kontakt mit dem Silizium erwünscht ist. In der isolierenden Schicht 38 sind Metallkontakte 42 und 44, üblicherweise aus Aluminiumlegierung, vorgesehen und in ihrer Form so gestaltet, daß sie in die Öffnungen 40 reichen, um in Berührung mit den Bereichen 22 und 34 zu gelangen und diese Bereiche mit anderen Teilen der Halbleiteranordnung zu verbinden. In an sich bekannter Weise wird Kontakt mit dem Bereich 34 nur oberhalb desjenigen Teiles dieses Bereiches hergestellt, wo die pn-Grenzfläche 36 ihre größte Tiefe hat. Dies schafft die Möglichkeit, den Kontakt 42 an das Silizium mit geringerer Gefahr eines Durchdringens der Grenzschicht 36 durch Silizium oder Eindringens in diese anzulegieren»

Fig. 3 bis 5 veranschaulichen verschiedene Stadien bei dem bevorzugten Herstellungsverfahren einer erfindungsgemäß gestalteten Zenerdiode 12. In Fig. 3 ist die Halbleiteranordnung nach der Bildung des Teiles 24 mit Leitfähigkeit vom p+ Typ des Bereiches 22 dargestellt. Das Substrat 14 kann einen spezifischen Widerstand von 25 bis 50 Ohm.cm haben, während für die epitaxiale Schicht 16 ein spezifischer Widerstand von 1 bis 6 Ohm·cm und eine Dicke zwischen 10 und 14 Mikron in Betracht kommt. Bei der Herstellung des Teiles 24 des Bereiches 22, also des Teiles 24 mit Leitfähigkeit vom p+ Typ, wird eine Maske aus einer Oxidschicht 46 auf der Oberfläche 18 der epitaxialen Schicht 16 vorgesehen, und es wird darin eine Öffnung 48 gebildet, die im wesentlichen in bezug auf Fläche und Konfiguration dem entspricht, was für den Teil 24 mit Leitfähigkeit vom p+ Typ

509835/0639

erwünscht ist. Hierauf folgen Niederschlag und Schritte zum Eintreiben zwecks Bildung des Teiles 24. Die Schritte des Niederschlagens und Bintreibens werden sodann durchgeführt, um den Teil 24 zu bilden. Zum Niederschlagen kann beispielsweise die Fläche 18 einer Bor liefernden Quelle ausgesetzt werden, die beispielsweise Bornitrid auf eine Dauer von 30 Minuten liefert, während das Silizium bei einer Temperatur von 1100⁰C gehalten wird. Der darauf folgende Schritt des Eintreibens kann in der Weise durchgeführt werden, daß das Gebilde einer Temperatur von 1165⁰C für eine Dauer von 25 Minuten in einer oxydierenden Atmosphäre ausgesetzt wird, beispielsweise Dampf. Ein Teil der Fläche 18 wird während des Schrittes des Eintreibens oxy- ■ diert, um eine Oxidschicht 50 oberhalb des Teiles 24 mit einer Leitfähigkeit vom p+ Typ zu schaffen. Dabei wird in gewissem Maße die Borkonzentration in der Umgebung der Fläche 18 durch Abspaltung von Bor in die Oxidschicht 50 stattfinden.

Der nächste Schritt besteht in der Bildung des Teiles 26 des Bereiches 22 mit einer Leitfähigkeit vom ρ Typ. Die als Maske dienende Oxidschicht 46 und die Oxidschicht 50, die während des Schrittes des Eintreibens in die Schicht 24 mit einer Leitfähigkeit vom p+ Typ hergestellt worden waren, werden abgestreift und es wird eine neue als Maske wirkende Oxidschicht 52 gebildet. In der maskierenden Oxidschicht 52 wird eine Öffnung 54 vorgesehen, und zwar in der Konfiguration, die oben für den Teil 26 mit Leitfähigkeit vom ρ Typ beschrieben worden ist. Ein schützend wirkender Teil 56 der maskierenden weiteren Oxidschicht bleibt daher oberhalb eines Gebiets des Teiles 24 mit Leitfähigkeit vom p+ Typ bestehen. An diesen Schritt schließt sich ein Schritt, bei dem die Fläche 18'der epitäxialen Schicht 16 einer Bor liefernden Quelle auf die Dauer von 45 Minuten bei einer Temperatur von 95O°C ausgesetzt wird,

509835/0639

worauf ein weiterer Schritt zum Eintreiben des Materials in einer oxydierenden Atmosphäre von 11OO°C auf die Dauer von 100 Minuten folgt. Während dieses letzteren Schrittes findet weitere Oxydation der Fläche 18 im Bereich der Öffnung 54 statt, die zur Folge hat, daß eine weitere Oxidschicht 58 gebildet wird. Dieses Verfahren liefert außerdem einen geringen Zusatz in der maximalen Borkonzentration im Bereich der Überlappung zwischen den Teilen 26 und 24 während des Schrittes, in welchem der Niederschlag vorgenommen wird. Insgesamt ergibt sich aber eine Verminderung der Konzentration, und zwar zufolge der Oxydation der Fläche 18 in diesem Gebiet und zufolge weiterer Abspaltung von Bor in die Oxidschicht 58. Weitere Herabsetzung der Konzentration findet aber auch in dem GSebiet unterhalb des schützenden Gebiets 56 statt.

Der zweite Bereich 34 mit Leitfähigkeit vom n+ Typ wird sodann durch Diffusion geschaffen. Die als Maske wirkende Oxidschicht 52, 56 nach Fig. 4 und der Überzug 58, der von der zweiten zum Eintreiben dienenden Operation herrührt, werden abgestreift, und es wird eine weitere Maskierung (Fig. 5) gebildet. Dabei wird eine Öffnung 62 vorgesehen, wie sie in ihrer Konfiguration für den Bereich 34 erwünscht ist. Der Teil der Fläche 18 im Bereich der Öffnung 62 wird sodann einer Phosphor liefernden Quelle ausgesetzt, beispielsweise einer solchen, die Phosphor in Form von Phosphoroxychlorid liefert, und zwar auf die Dauer von 10 Minuten bei einer Temperatur von 1050⁰C. Daran schließt sich ein Schritt zum Eintreiben, der in einer oxydierenden Atmosphäre durchgeführt wird, und zwar auf eine Dauer von 10 Minuten bei 1050⁰C.

Die Halbleiteranordnung wird dann in üblicher Weise dadurch fertiggestellt, daß eine endgültige passivierend wirkende Oxidschicht 38 hergestellt und die Kontakte 42 und 44 in

509835/0639

2504848

der Konfiguration nach Fig. 2 vorgesehen werden. Die Kontakte 42 und 44 bestehen aus Aluminium, das auf die Fläche aufgedampft und sodann für eine Dauer von 10 Minuten auf 53O°C erhitzt wird, um sich mit dem Silizium zu legieren.

509835/0639

Claims

RCA Corporation, 30 Rockefeller Plaza, New York, N_eY. 10020 (V.St.A.) .

Patentansprüche;

'Halbleiteranordnung, bestehend aus einem Halbleiterkörper (Substrat) mit einer Fläche, einer in dem Halbleiterkörper ausgebildeten Zenerdiode mit einem ersten Bereich eines Leitfähigkeitstyps, der zwei diffundierte Teile enthält, von denen der erste Teil eine hohe maximal Konzentration an Fremd- oder Störatomen und eine Ünstetigkeitsschicht bestimmter Tiefe in bezug auf die genannte Fläche aufweist, während der zweite Teil so diffundiert ist, daß er weniger als die Gesamtheit des ersten Teiles überlappt und in dem Gebiet, wo er den ersten Teil nicht überlappt, eine bedeutend niedrigere Maximalkonzentration an Fremd- oder Störatomen und eine Unstetigkeitsschicht von bedeutend geringerer Tiefe als der erste Teil aufweist, wobei der Halbleiterkörper einen zweiten Bereich entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps innerhalb der beiden Teile des ersten Bereichs enthält und von beiden Teilen durch eine pn-Grenzfläche getrennt ist, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Teil der pn-Grenzfläche (36) zwischen dem zweiten Bereich und dem ersten diffundierten Teil (24) des ersten Bereichs (22) sich zwischen den Zonen maximaler Fremd— oder Störatomkonzentration von beiden infolge von Anordnung innerhalb des ersten Teiles (24) außerhalb der Überlappungszone zwischen den beiden Teilen (24, 26) des ersten Bereichs (22) befindet, wobei der zweite Bereich (34) innerhalb des zweiten Teiles (26) des ersten Bereiches (22) eine Tiefe hat, die größer ist als die Tiefe im ersten Teil (24) der beiden Teile (24, 26) des ersten Bereichs (22), und wobei ein elektrischer Kontakt (42), der zum zweiten Bereich (34) führt, nur an dem zweiten Teil (26)

5 09835/0639

des ersten Bereichs (22) vorgesehen ist.
2. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch ge — kennzeichnet, daß die Zenerdiode einen Bestandteil einer integrierten Mikroschaltung darstellt und der erste Bereich (22) in einem isolierten (abgetrennten) Gebiet des Halbleiterkörpers (Substrat 14) vom gleichen Leitfähigkeitstyp wie der zweite Bereich (34) angeordnet ist.
3. Verfahren zur Herstellung einer integrierten Schaltung vom Halbleitertyp, bestehend aus einem Halbleiterkörper eines ersten Leitfähigkeitstyps mit einer darauf befindlichen epitaxialen Schicht vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp, auf deren Fläche Diffusionsprozesse ausführbar sind, bei denen ein erster Teil eines ersten Bereichs, der den ersten Leitfähigkeitstyp aufweist, in die epitaxiale Schicht durch deren Fläche hindurchdiffundiert wird, wobei der erste Teil des genannten ersten Bereichs eine Tiefe aufweist, die geringer ist als die Tiefe der epitaxialen Schicht und ein relativ hohes Maximum an Stör- oder Fremdatomen hat, dadurch gekennzeichn e t , daß ein zweiter Teil des ersten Bereichs, der den ersten Leitfähigkeitstyp hat, in die epitaxiale Schicht eindiffundiert wird, wobei die Fläche des zweiten Teiles des ersten Bereiches weniger als die Fläche dessen ersten Teiles überlappt, die Tiefe des zweiten Teiles geringer ist als die des ersten Teiles und die Konzentration der Stör- oder Fremdatome in dem zweiten Teil wesentlich kleiner ist als die Konzentration im ersten Teil, und wobei die Diffusion in einer oxydierenden Atmosphäre ausgeführt wird und das Stör- oder Fremdatom so gewählt ist, daß es sich in dem. resultierenden Oxidüberzug abspaltet, so daß die maximale Fremd- oder Störatomkonzentration in der Überlappzone zwischen den beiden genannten Teilen niedriger ist als die

509835/0639

maximale Konzentration in dem ersten der beiden Teile außerhalb der Überlappzone, worauf ein zweiter Bereich vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp in den ersten und zweiten Teil des ersten Bereichs eindiffundiert wird, wobei mindestens ein Teil des zweiten Bereichs eine pn-Grenzfläche mit dem ersten Bereich außerhalb der Überlappzone zwischen dem ersten und zweiten Bereich definiert.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Halbleitermaterial Silizium verwendet wird und das Stör- oder Fremdatom in der Grenzfläche, die zur Bildung des ersten und zweiten Bereichs diffundiert wird, Bor ist.

509835/0639

Leerseite