DE2730367C2 - - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Passivieren von Halbleiterbauelementen gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein solches Verfahren beschreibt die DE-AS 25 13 459.

Ein wesentliches Problem besteht bei Halbleiterbauelementen darin, die Strom-Spannungskennlinien stabil zu halten. Bei Gleichrichtern und Transistoren sind dies insbesondere die Kennlinien in Sperrichtung, während bei Thyristoren das Augen­ merk auf die Stabilität der Kennlinien in Sperrichtung und in Kipprichtung zu lenken ist. Es ist allgemeiner Stand der Technik, die Oberflächen der Halbleiterbauelemente der genann­ ten Halbleiterbauelemente dadurch zu passivieren, 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 Instabili­ täten auf, deren Ursachen in nicht erkannten Änderungen der Eigenschaften der Deckschichten und/oder der Oberfläche des Halbleiterelements zu suchen sind. Dies führt bei der Herstel­ lung immer wieder zu starken Schwankungen in der Ausbeute an brauchbaren Halbleiterbauelementen.

In der DE-AS 25 13 459 ist bereits ein Verfahren beschrieben worden, durch das ein Halbleiterbauelement mittels einer thermisch aufwachsenden Siliciumschicht passiviert wird. Dieses Passivierungsverfahren erfordert 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 kann dieses Verfahren zu einer starken Herabsetzung der Trägerlebensdauer im Volumen und an der Oberfläche führen.

In der DE-OS 20 18 517 ist ein Verfahren zum Herstellen einer Passivierungsschicht beschrieben worden, bei dem zunächst durch thermische Dissoziation eine Schicht Siliciumdioxid SiO₂ auf der Oberfläche des Halbleiterkörpers abgeschieden wird. Darauf wird anschließend durch das Kathodensprühverfahren eine Schicht aus Tantalpentoxid Ta₂O₅ niedergeschlagen. Anschließend wird diese kombinierte Schicht einer Temperaturbehandlung unter­ zogen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzuge­ ben, mit dem eine Passivierungsschicht wesentlich einfacher aufgebracht werden kann. Außerdem sollen die fließenden Sperr­ ströme möglichst gering sein.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels in Ver­ bindung mit den Fig. 1 und 3 und anhand eines Diagramms (Fig. 2) näher erläutert:

In Fig. 1 und 3 ist das Halbleiterelement eines Thyristors im Schnitt dargestellt. Es hat vier Zonen, von denen die kathodenseitige Emitterzone mit 1, die kathodenseitige Basiszone mit 2, die in­ nere Basiszone mit 3 und die anodenseitige Emitterzone mit 4 bezeichnet ist. Zwischen den genannten Zonen liegen pn-Über­ gänge 5, 6, 7. Das Halbleiterelement besteht aus Silicium und die genannten Zonen sind in üblicher Weise je nach Verwendungs­ zweck des Halbleiterbauelements dotiert.

Auf den Rand des Halbleiterelements wird wenigstens an den Stel­ len, an denen die pn-Übergänge an die Oberfläche treten, eine Schutzschicht 8 aus Silicium aufgedampft, die beispielsweise 0,1 µm oder auch dicker sein kann, beispielsweise 1 µm. Die nicht zu bedampfenden Flächen des Halbleiterelements werden vor dem Bedampfen abgedeckt. Zur Erhöhung der dielektrischen Über­ schlagsfestigkeit und zur Verbesserung des mechanischen Schutzes kann auf die aufgedampfte Siliciumschicht 8 eine weitere Schutz­ schicht 9 aufgebracht werden, die beispielsweise aus normalem Kautschuk oder einem anderen Schutzlack bestehen kann.

Die aufgedampfte Siliciumschicht 8 kann zur Einstellung des spe­ zifischen Widerstands Dotierstoffe wie zum Beispiel Bor oder Phosphor enthalten. Einen Gehalt an den genannten Dotierstoffen erhält man dadurch, daß mit dem Silicium einer oder mehrere die­ ser 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 10⁸ Ohm cm haben.

Die Siliciumschicht 8 wurde in einer Vakuum-Bedampfungsanlage bei einem Druck von ca. 6,5 · 10^-4 Pa (5 · 10^-6 Torr) aufge­ dampft. Als Siliciumquelle kann beispielsweise ein Siliciumblock verwendet werden. Das Silicium kann mittels eines Elektronen­ strahls verdampft werden. Mit einer Beschleunigungsspannung von 8 kV und einem Strom von rund 0,5 A wurde eine Aufdampfrate von 0,25 µm/min erzielt. Sie läßt sich durch Erhöhung der Energie des Elektronenstrahls auch beispielsweise auf 0,5 µm/min und darüber steigern.

Das Silicium kann auch durch einen Ionenstrahl, durch direkten Stromdurchfluß oder durch induktive Erhitzung verdampft werden. Es ist auch möglich, das Silicium durch Strahlungswärme zu ver­ dampfen.

Die Schicht 8 kann auch aus mehreren nacheinander aufgedampften Schichten mit jeweils verschiedenen Eigenschaften bestehen. Da­ mit erhält man eine Änderung des spezifischen Widerstands über die Dicke und eine Beeinflussung der Potentialverhältnisse an der Randfläche des Halbleiterelements.

Anschließend an das Bedampfen des Halbleiterelements wird die aufgedampfte Siliciumschicht getempert. Das Tempern findet bei einer Temperatur zwischen Zimmertemperatur und der Kristallisa­ tionstemperatur des Siliciums statt. Die Kristallisationstempe­ ratur des Siliciums liegt nach Literaturangaben zwischen 700 und 900 K. Bei bereits kontaktierten Halbleiterelementen wird das Tempern bei einer Temperatur vorgenommen, die unterhalb der Schmelztemperatur des zum Kontaktieren verwendeten Materials, zum Beispiel Weichlot, oder einer anderen Metallisierung liegt. Durch das Tempern lassen sich die Sperrstrom in Sperrichtung und der Sperrstrom in Kipprichtung des Halbleiterelements drastisch absenken. In Fig. 2 ist dargestellt, daß der Sperrstrom bei ei­ nem bestimmten Halbleitertyp ohne das Tempern bei 2 · 10³ nA lag. Nach einer Temperzeit von drei Stunden bei 280°C lag der Sperrstrom für drei Meßexemplare zwischen 3 und 5 · 10¹ nA. Nach 23 bis 41 Stunden Temperzeit bei 280°C wurden weitere Absenkun­ gen der Sperrströme beobachtet.

Das Aufdampfen des Siliciums selbst kann bei Zimmertemperatur durchgeführt werden. Die Temperatur der anschließenden Wärmebe­ handlung kann dann so gewählt werden, daß die gewünschte Absen­ kung der Sperrströme erreicht wird, ohne daß zum Beispiel be­ reits kontaktierte Bauelemente in Mitleidenschaft gezogen wer­ den. Damit ist es möglich, bereits aufgelötete und kontaktierte Chips zu passivieren, so daß keine Maskierung oder kein selekti­ ves Ätzen der Chips erforderlich ist.

Halbleiterelemente, die durch Aufdampfen einer Siliciumschicht und nachfolgendes Tempern passiviert wurden, wiesen eine über­ raschend gute Stabilität der Kennlinien bei niedrigem Strom­ niveau auf. Dies galt sowohl für die Sperrkennlinien in Rück­ wärtsrichtung bei Dioden und Transistoren als auch für die Sperrkennlinien in Rückwärtsrichtung und Kipprichtung bei Thy­ ristoren. Bei Thyristoren trat auch der sogenannte Yoshida-Ef­ fekt nicht mehr auf, der eine drastische Erhöhung der Sperrströ­ me nach vorhergehender Durchlaßbelastung bewirkt.

Die Stabilität der Kennlinien läßt sich anschaulich an Hand der Fig. 3 erklären, in der die Gestalt der Raumladungszone darge­ stellt ist, 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-Übergän­ gen. Liegt längere Zeit Sperrbelastung an, so weitet sich die Raumladungszone dadurch auf, daß sich die Grenze 12 der Raumla­ dungszone 10 am Rand des Halbleiterbauelements in Richtung auf den pn-Übergang 6 verschiebt. Gleichzeitig entfernt sich die Grenze 11 der Raumladungszone 10 vom pn-Übergang 7, jedoch nur in er­ heblich schwächerem Maße, da die Zone 4 stärker als die Zone 3 dotiert ist. Die Aufweitung der Raumladungszone ist in der Figur 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 ein­ tritt, wo der pn-Übergang 7 seine Sperrfähigkeit verliert. Die Aufweitung findet auch am pn-Übergang 6 statt, wenn das Halblei­ terelement in der umgekehrten Richtung, das heißt der Kipprich­ tung, mit einer Spannung belastet wird.

Mit der Passivierungsschicht gemäß der Erfindung weitet sich die Raumladungszone 10 am Rand nicht mehr auf. Dies läßt sich bei­ spielsweise mit der bekannten lichtelektrischen Methode zur Un­ tersuchung der Raumladungszonen am Rand eines Halbleiterelements feststellen. Dies bedeutet, daß sich die Sperrströme nicht erhö­ hen, mit anderen Worten, daß die Kennlinien in Sperrichtung sta­ bil bleiben.

Die Erfindung wurde in Verbindung mit einem Halbleiterelement für einen Thyristor beschrieben. Sie läßt sich jedoch auch bei Dioden, Transistoren und anderen Halbleiterbauelementen verwen­ den. Sie ist gleichermaßen für Mesa- oder Planarstrukturen ver­ wendbar. Wesentlich ist, daß auf mindestens denjenigen Bereich, in dem die pn-Übergänge an die Oberfläche des Halbleiterelements treten, Silicium aufgedampft wird.

Claims (3)

1. Verfahren zum Passivieren von Halbleiterkörpern durch Auf­ bringen einer Siliciumschicht, dadurch gekennzeichnet, daß das Silicium im Vakuum aufgedampft wird und dann die aufge­ dampfte Schicht bei einer Temperatur getempert wird, die zwischen der Raumtemperatur und der Kristallisationstemperatur des aufgedampften Siliciums liegt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (8) bei Temperaturen getempert wird, die unterhalb der Schmelztemperatur einer auf das Halbleiterelement aufge­ brachten Metallisierung liegen.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß in sauerstoffhaltiger Atmosphäre getempert wird.