DE2642413A1

DE2642413A1 - Verfahren zum aufbringen einer aus silicium bestehenden passivierungsschicht

Info

Publication number: DE2642413A1
Application number: DE19762642413
Authority: DE
Inventors: Juergen Dipl Ing Dr Krausse
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1976-09-21
Filing date: 1976-09-21
Publication date: 1978-03-23

Description

Verfahren zum Aufbringen einer aus Silicium bestehenden
Passivierungsschicht Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Aufbringen einer aus Silicium bestehenden Passivierungsschicht auf ein Halbleiterelement.
Ein wesentliches Problem besteht bei Halbleiterbauelementen darin, die Stromspannungs-Kennlinien stabil zu halten. Bei Gleichrichtern und Transistoren sind dies insbesondere die Kennlinien in Sperrichtung, während bei Thyristoren das Augenmerk auf die Stabilität der Kennlinien in Sperrichtung und in Kipprichtung zu lenken ist. Es ist allgemeiner Stand der Technik, die Oberflächen der Halbleiterelemente der genannten Halbleiterbauelemente dadurch zu passivie#ren, daß eine oder mehrere organische oder anorganische Deckschichten aufgetragen werden. Bekannt hierfür ist beispielsweise die Anwendung von Lacken, Kautschuken oder Gläsern. Mit diesen Deckschichten lassen sich im allgemeinen eine ausreichende Stabilität der Kennlinien erreichen. Es treten Jedoch gelegentlich Instabilitäten auf, deren Ursachen in nicht erkannten Änderungen der Eigenschaften der Deckschichten und/oder der Oberfläche des Halbleiterelements zu suchen sind. Dies führt bei der Herstellung immer wieder zu starken Schwankungen in der Ausbeute an brauchbaren Halbleiterbauelementen.
Es ist bereits ein Verfahren beschrieben worden, durch das ein Halbleiterelement mittels einer thermisch aufwachsenden Siliciumschicht passiviert wird. Dieses Passivierungsverfahren ist Jedoch recht zeitraubend und umständlich und erfordert außerdem Temperaturen zwischen 600 und 700 °C, was eine Anwendung bei bereits kontaktierten und eventuell verlöteten Bauelementen unmöglich macht.
Das Silicium muß außerdem an denjenigen Stellen, an denen es nicht benötigt wird, weggeätzt werden. Weiter führt dieses Verfahren zu einer starken Herabsetzung der Trägerlebensdauer im Volumen und an der Oberfläche.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs erwähnten Gattung so weiterzubilden, daß ein wesentlich einfacheres Aufbringen des Siliciums möglich ist, wobei die erwähnten Nachteile nicht auftreten.
Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß das Silicium aufgedampft wird.
Das Silicium kann im Vakuum oder in einem Schutzgas aufgedampft werden. Es kann durch einen Elektronenstrahl, durch einen Ionenstrahl, durch Strahlungswärme, durch Stromdurchfluß oder auch durch induktive Erhitzung verdampft werden. Vorteilhafterweise können gleichzeitig mit dem Silicium ein oder mehrere Dotierstoffe oder ein oder mehrere Metalle aufgedampft werden. Beim Aufdampfen des Siliciums können ein oder mehrere reaktive Gase mit dem aufdampf enden Silicium in Berührung gebracht werden. Die Aufdampfrate kann während des Aufdampfens geändert werden. Vorteilhafterweise wird das Silicium auf ein kaltes Halbleiterelement aufgedampft.
Zweckmäßigerweise wird auf die aufgedampfte Siliciumschicht noch eine zusätzliche Schutzschicht aufgebracht.
Die Erfindung wird an Hand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Fig. 1 und 2 näher erläutert: In Fig. 1 ist der Schnitt durch das Halbleiterelement eines Thyristors gezeigt. Das Halbleiterelement hat vier Zonen, wobei die kathodenseitige Emitterzone mit 1, die kathodenseitige Basiszone mit 2, die innere Basiszone mit 3 und die anodenseitige Emitterzo- ne mit 4 bezeichnet ist. Zwischen den genannten Zonen liegen pn-Ubergänge 5, 6, 7. Das Halbleiterelement besteht aus Silicium und die genannten Zo#nen sind in üblicher Weise Je nach Verwendungszweck des Halbleiterbauelements dotiert.
Auf den Rand des Halbleiterelements wird eine Schutzschicht 8 aus Silicium aufgedampft, diese kann beispielsweise 0,1 /um stark oder auch dicker sein, beispielsweise 1 Xum. Zur Erhöhung der dielektrischen Uberschlagsfestigkeit und zur Verbesserung des mechanischen Schutzes kann auf die aufgedampfte Siliciumschicht 8 eine weitere Schutzschicht 9 aufgebracht werden, die beispielsweise aus normalem Kautschuk ohne Zusätze oder einem anderen Schutzlack bestehen kann.
Die aufgedampfte Siliciumschicht 8 kann zur Einstellung des spezifischen Widerstands Dotierstoffe wie zum Beispiel Bor oder Phosphor enthalten. Einen Gehalt an genannten Dotierstoffen erhält man dadurch, daß mit dem Silicium einer oder mehrere dieser Stoffe verdampft werden. Die Schicht 8 kann zur Einstellung des spezifischen Widerstands auch ein oder mehrere Metalle wie zum Beispiel Aluminium enthalten. Die Metalle können ebenfalls durch Aufdampfen mit dem Silicium in dieses eingebaut werden. Mit Änderung des spezifischen Widerstands der Schicht 8 lassen sich die Potentialverhältnisse am Rand des Halbleiterelements einstellen. So kann die Schicht 8 beispielsweise mit Phosphor dotiert sein und einen spezifischen Widerstand von 106 Ohm.cm haben.
Die Schicht 8 wurde in einer normalen Vakuum-Bedampfungsanlage bei einem Druck von 5 . 10 6 Torr aufgedampft. Als Siliciumquelle kann beispielsweise ein Siliciumblock verwendet werden. Das Silicium kann beispielsweise mittels eines Elektronenstrahls verdampft werden. Mit einer Beschleunigungsspannung von 8 kV und einem Strom von ca. 0,5 A wurde dabei eine Aufdampfrate von 0,25 fum/min erzielt. Die Aufdampfrate läßt sich durch Erhöhung des Elektronenstroms und/oder Erhöhung seiner Energie beispielsweise auf 0,5 lum/min und darüber-steigern.
Das Silicium kann auch durch einen Ionenstrahl, durch Stromdurchfluß oder durch induktive Erhitzung verdampft werden. Es ist auch möglich, das Silicium durch Strahlungswärme zu verdampfen.
Es ist auch möglich, die Schicht 8 so aufzudampfen, daß sie aus mehreren nacheinander aufgebrachten Schichten mit jeweils verschiedenen Korngrößen besteht. Dies wird durch Änderung der Aufdampfrate während des Aufdampfens eingestellt. Mit einer mehrlagigen Schicht 8 erhält man eine Änderung des spezifischen Widerstands über die Dicke und ebenfalls eine Beeinflussung der Potentialverhältnisse an der Randfläche des Halbleiterelements.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß relativ hohe Aufwachsraten erzielt werden können. Ein weiterer, nicht zu unterschätzender Vorteil besteht darin, daß das zu bedampfende Substrat, das heißt das Halbleiterelement, beim Bedampfen kalt bleiben kann, und zwar unabhängig von der Art der das Silicium verdampfenden Energiequelle. Das Halbleiterelement kann beispielsweise auf Zimmertemperatur gehalten werden. Damit ist es möglich, bereits aufgelötete und kontaktierte Chips mit der Siliciumschicht zu versehen. Damit erübrigt sich eine Maskierung oder ein selektives Ätzen der Chips.
Halbleiterelemente, auf die eine Passivierungsschicht aus Silicium aufgedampft wurde, wiesen eine überraschend gute Stabilität der Kennlinien auf. Dies gilt sowohl für die Sperrkennlinie in Rückwärtsrichtung bei Dioden und Transistoren als auch für die Sperrkennlinien in Rückwärtsrichtung und Kipprichtung bei Thyristoren.
Bei Thyristoren trat auch der sogenannte Yoshida-Effekt nicht mehr auf, der eine drastische Erhöhung der Sperrströme nach vorhergehender Durchlaßbelastung bewirkt.
In Fig. 2 ist dargestellt, welche Gestalt die Raumladungszone hat, wenn der pn-Übergang 7 in Sperrichtung beansprucht ist. Zu Anfang der Sperrbelastung verlaufen die Grenzen 11, 12 der Raumladungszone 10 zum Beispiel parallel zu den pn-Ubergängen. Liegt längere Zeit Sperrbelastung an, so weitet sich die Raumladungszone dadurch auf, daß sich die Grenze 12 der Raumladungszone 10 am Rand des Halbleiterelements in Richtung auf den pn-Übergang 6 verschiebt.
Gleichzeitig entfernt sich die Grenze 11 der Raumladungszone 10 vom pn-Übergang 7, jedoch nur in erheblich schwächerem Maße, da die Zone 4 stärker als die Zone 3 dotiert ist. Die Aufweitung der Raumladungszone ist in Fig. 2 gestrichelt dargestellt. Mit größer werdender Aufweitung der Raumladungszone nimmt der Sperrstrom zu, bis mit Erreichen des pn-Übergangs 6 am Rand der sogenannte Punch-Through-Effekt eintritt, wo der pn-Übergang 7 seine Sperrfähigkeit verliert. Die Aufweitung findet auch an den pn-Übergängen 6 und 5 statt, wenn das Halbleiterelement in der umgekehrten Richtung, das heißt der Kipprichtung, mit einer Spannung belastet wird.
Es wurde festgestellt, daß mit der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Passivierungsschicht kein Aufweiten der Raumladungszone 10 am Rand stattfindet. Dies läßt sich beispielsweise mit der bekannten lichtelektrischen Methode zur Untersuchung der Raumladungszonen am Rand eines Halbleiterelements feststellen.
Dies bedeutet, daß sich die Sperrströme nicht erhöhen, das heißt, die Kennlinien in Sperrichtung bleiben stabil. Dies gilt auch für eine Belastung des Halbleiterelements bei Betriebstemperatur und bei Belastung in Sperrichtung nach vorhergehender Durchlaßbelastung (Yoshida-Effekt).
Vorteilhaft wirkt sich das erfindungsgemäße Verfahren auf die Trägerlebensdauer aus. Ausgehend von Halbleiterelementen mit gleichen Trägerlebensdauern wurden an mit Kautschuk passivierten Elementen bei 130 0C Diffusionslängen von ca. 200 lum im Volumen und 10 bis 100 #um an der Oberfläche festgestellt. Bei mit einer thermisch aufgewachsenen Siliciumschioht versehenen Halbleiterelementen ergaben sich bei gleicher Temperatur Diffusionslängen von 70 beziehungiweise 50 Xum, während bei nach dem erfindungsgemäßen Verfahren beschichteten Elementen bei 130 0C Diffusionslängen von ca.
200 Xum im Volumen und an der Oberfläche gemessen wurden.
Die Erfindung wurde in Verbindung mit einem Halbleiterelement für einen Thyristor beschrieben. Sie läßt sich Jedoch auch bei Dioden, Transistoren und anderen Halbleiterbauelementen verwenden.
14 Patentansprüche 2 Figuren

Claims

Patentansprüche Verfahren zum Aufbringen einer aus Silicium bestehenden Passivierungsschicht auf ein Halbleiterelement, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Silicium aufgedampft wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß das Silicium im Vakuum aufgedampft wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, d a du r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß das Silicium im Schutzgas aufgedampft wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß das Silicium durch einen Elektronenstrahl verdampft wird.
5. Verfahrensnach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß das Silicium durch einen Ionenstrahl verdampft wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Silicium durch Strahlungswärme verdampft wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Silicium durch Stromdurchfluß verdampft wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Silicium durch induktive Erhitzung verdampft wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß mit dem aufdampfenden Silicium ein oder mehrere Dotierstoffe aufgedampft werden.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß mit dem Silicium ein oder mehrere Metalle aufgedampft werden.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß beim Verdampfen des Siliciums ein oder mehrere reaktive Gase mit dem aufdampfenden Silicium in Berührung gebracht werden.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , ~ daß die Aufdampfrate während des Aufdampfens geändert wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Silicium auf ein kaltes Halbleiterelement aufgedampft wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß auf die aufgedampfte Siliciumschicht eine zusätzliche Schutzschicht aufgebracht wird.