DE3041818A1

DE3041818A1 - Halbleiterbauelement

Info

Publication number: DE3041818A1
Application number: DE19803041818
Authority: DE
Inventors: Helmut Dipl.-Phys. 2000 Hamburg Ewaldt; Herbert 2084 Rellingen Jansen; Gerhard Dipl.-Math. Dr. Raabe; Heinz Dipl.-Phys. 2083 Halstenbek Sauermann
Original assignee: Philips Patentverwaltung GmbH
Current assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Priority date: 1980-11-06
Filing date: 1980-11-06
Publication date: 1982-06-09
Also published as: DE3041818C2

Description

Halbleiterbauelement
Die Erfindung bezieht sich auf ein Halbleiterbauelement für Temperaturen oberhalb des Einsetzens der Eigenleitung mit einem Halbleiterkörper, in dem ein hochohmiges Gebiet von einem Leitungstyp an ein erstes und an ein zweites kontaktiertes, niederohmiges Gebiet vom gleichen Leitungstyp grenzt.
Ein solches, vorzugsweise auf der Basis von hochohmigen Siliziummaterial hergestelltes, Bauelement kann insbesondere als Temperatursensor Anwendung finden, bei dem der Widerstand über einen weiten Bereich wenigstens nahezu mit der Temperatur ansteigt. Der ausnutzbare Temperaturbereich ist jedoch begrenzt durch das Einsetzen der Eigenleitung; dann fällt der Widerstandswert mit zunehmender Temperatur stark ab.
Die ausgenutzte Temperaturabhängigkeit des Widerstandes wird ausschließlich bestimmt von der Temperaturabhängigkeit der Beweglichkeit der Ladungsträger; diese nimmt mit wachsender Temperatur ab. Im niedrigeren Temperaturbereich ergibt sich bei nicht zu hohen Strömen in beiden Polungsrichtungen der gleiche Widerstand. In dem Gebiet oberhalb einer bestimmten Temperatur, bei Silizium z.B. 120 bis 1500C, wird der Materialwiderstand zunehmend vom Anteil der Eigenleitung bestimmt. Je geringer die Grunddotierung ist, umso eher macht sich die Eigenleitung bemerkbar. Die Elektronen- und Löcher-Konzentrationen steigen mit wachsender Temperatur rasch exponentiell an, und dementsprechend fällt der Materialwiderstand zu höheren Temperaturen hin in erster Näherung exponentiell ab.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Halbleiterbauelement zu schaffen, das auch für Temperaturen geeignet ist, die oberhalb der Temperatur liegen, bei der normalerweise durch Einsetzen der Eigenleitung der an sich erwünschte Anstieg des Widerstandes in einen unerwünschten Abfall übergeht.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß bei einem Halbleiterbauelement nach der Erfindung das Verhältnis der effektiven Fläche des Überganges zwischen dem ersten niederohmigen Gebiet und dem hochohmigen Gebiet und der effektiven Fläche des Überganges zwischen dem zweiten niederohmigen Gebiet und dem hochohmigen Gebiet im Hinblick auf den das Bauelement durchfließenden Strom und seine Richtung so gewählt sind, daß sich in dem hochohmigen Gebiet eine solche elektrische Feldstärkeverteilung einstellt, daß praktisch alle Minoritätsladungsträger zu dem am negativen Potential liegenden niederohmigen Gebiet abgeführt werden und damit entsprechend viele Majoritätsladungsträger im hochohmigen Gebiet fest gebunden werden und die Eigenleitung weitgehend unwirksam ist.
Vorzugsweise ist das Verhältnis der effektiven Flächen der übergänge sehr klein gegen 1 und beträgt z.B. höchstens 1 : 1000.
Bei einem Halbleiterbauelement nach der Erfindung wird durch das gewählte Verhältnis der effektiven Flächen der Übergänge zwar in der einen Polungsrichtung der bekannte unerwünschte Effekt der Zunahme der Eigenleitung beobachtet. Bei der umgekehrten Polung wird jedoch bis zu einer bestimmten, erheblich höher liegenden Temperatur, die auch abhängig ist von der Höhe des gewählten Stromes und damit von der anliegenden Feldstärke, der Einfluß des Eigenleitungsanteiles ausgeschaltet, und es wird eine weiter in dem erwünschten Maße mit der Temperatur ansteigende Widerstandskennlinie erhalten, da eine asymmetrische Bereitstellung der Ladungsträger des einen Ladungsträgertyps erfolgt. Infolgedessen ergibt sich für die in wesentlich geringer Zahl auftretenden Ladungsträger des einen Typs in der großen Anzahl der Ladungsträger des anderen Typs eine stark ansteigende Rekombinationsrate, und die Leitfähigkeit wird bestimmt aus der durch die n- und p-Dotierung bedingte Differenz, also durch die Grunddotierung und außerdem durch die Beweglichkeit der Majoritätsladungsträger, wobei letztere bis zu einem wesentlich höheren Temperaturbereich überwiegt.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Figur näher erläutert, die ein Halbleiterbauelement nach der Erfindung im Schnitt darstellt.
Ein Halbleiterbauelement nach der Erfindung besteht aus einem Siliziumeinkristall-Körper 1, der durch Neutronendotierung n-leitend ist mit einem spezifischen Widerstand von z.B. 5,5 bis 7,5 Ohm.cm entsprechend einer Dotierung von z.B. 6.1014 Phosphoratomen pro Kubikzentimeter. Die in der Zeichnung oben dargestellte Vorderseite ist poliert, während die Rückseite lediglich geschliffen und geläppt ist, so daß sich eine gegenüber den geometrischen Abmessungen vergrößerte effektive Oberfläche auf der Rückseite ergibt.
Die Kristallgröße beträgt 500/um im Quadrat und die Dicke 240 um. Dieser Kristall ist Teil einer großen flachen Scheibe von z.B. 50 mm Durchmesser, aus der er später durch Sägen oder Brechen abgeteilt wird. Dies ist in der Figur dadurch angedeutet, daß die rechte und linke Begrenzung durch eine unregelmäßige Linie dargestellt sind.
Der Halbleiterkörper 1 wird dann zunächst, z.B. durch thermische Oxidierung, mit einer Isolierschicht 2 versehen. Soweit eine solche Isolierschicht, z.B. aus durch thermische Oxidation erhaltenem SiO>, auch auf der unten darge- stellten Rückseite des Kristalles 1 entsteht, wird sie anschließend wieder entfernt. Die Isolierschicht 2 wird in der Mitte mit einer bis zum hochohmigen Halbleiterkristall 1 reichenden öffnung versehen mit einem Durchmesser von 40/um.
Dies kann mit Hilfe eines bekannten Photoprozesses durchgeführt werden.
Danach wird der Kristall auf beiden Seiten mit einer Deckschicht aus Phosphorglas <SiO2.x P205) versehen, so daß sich daraus auf der Vorderseite eine bis in die öffnung in der Isolierschicht 2 reichende Deckschicht und auch auf der Rückseite eine entsprechende, nicht dargestellte, Schicht ergibt. Vorzugsweise aus diesen Deckschichten und in Anwesenheit eines n-dotierenden Dampfes, z.B. von Phosphoroxitrichlorid, wird durch Diffusion vor der Öffnung in der Isolierschicht 2 ein erstes niederohmiges Gebiet in Form einer n+-Zone 4 von 3,5/um Dicke erzeugt und gleichzeitig eine entsprechende n+-Zone 24 auf der Rückseite als zweites niederohmiges Gebiet 24 am hochohmigen Halbleiterkristall 1.
Die Dotierung in den niederohmigen Gebieten 4 und 24 beträgt beispielsweise 1021 P-Atome pro Kubikzentimeter.
Danach wird, z.B. wieder durch einen Photoprozessj in der Deckschicht 3 innerhalb der Öffnung in der Isolierschicht 2 eine Öffnung erzeugt, die um wenig, z.B. 10 bis 20 % in den linearen Abmessungen, kleiner ist als die öffnung in der Isolierschicht 2 und die 35/um Durchmesser aufweist.
In dieser Phase des Herstellungsprozesses kann zwischen einem an die Zone 4 und an die ihr entsprechende Zone 24 herangebrachten Kontakt der Widerstand gemessen und gegebenenfalls durch Nachdiffundieren an einen gewünschten Wert von z.B.
1000 Ohm herangebracht werden.
Die Phosphorglasschicht 3 ist weiter mit einer Schutzschicht 5, z.B. aus Siliziumnitrid Si3N4, das in einem Plasmaverfahren in einer Dicke von 0,2/um aufgebracht wurde, bedeckt. In diese Schutzschicht 5 ist konzentrisch zur Öffnung in der Isolierschicht 2 eine bis zum Halbleiterkristall 1 reichende öffnung angebracht mit einem Durchmesser, der etwas, z.B. 10 bis 20 % in den linearen Abmessungen, kleiner ist als die öffnung in der Deckschicht 3 und einen Durchmesser von 31/um besitzt.
Auf der Schutzschicht 5 ist eine Metallisierung angebracht, die aus zwei in der Figur nur durch Striche angedeuteten Schichten 6 aus Wolfram und 7 aus Titan von je 0,1 bis 0,5/um Dicke besteht, die zusammen eine Wolfram-Titan-Legierungsschicht bilden. Eine entsprechende Schicht 26 aus Wolfram und 27 aus Titan ist auf der Rückseite des Kristalles 1 angebracht. Die Wolfram-Schicht kann auch weggelassen werden, so daß nur eine Titanschicht 7 bzw. 27 angebracht wird.
Schließlich ist auf der Titanschicht 7 bzw. 27 eine Silberschicht 8 bzw. 28 angebracht in einer Dicke von z.B. 0,6/um.
Wenigstens eine der Metallisierungsschichten 6, 7 und 8 kann im Sputter-Verfahren aufgetragen sein. Auf der Silberschicht 8 ist eine Verdickung 9 angebracht; diese hat einen Durchmesser von 300/um, so daß sie einen großen Teil der Oberfläche bedeckt. Sie kann in einem galvanischen Verfahren auf eine gewünschte Dicke von 25/um gebracht sein.
Vorher kann der Teil der Wolfram-, Titan- und Silberschichten 6, 7, 8, der über die vorgesehene Verdickung 9 hinausreichen würde, entfernt sein.
Der ausnutzbare Temperaturbereich wächst mit dem hindurchfließenden Strom. Zweckmäßig beträgt am ersten niederohmigen Gebiet 4 die Stromdichte 1 bis 10/uA//um2. Bei einem Lochdurchmesser von 30 um und einem Strom von 1 mA erhält man ca. 1,4/tA//wm .
Ein Halbleiterbauelement nach der Erfindung kann vorzugsweise als temperaturabhängiger Widerstand Verwendung finden, wobei die Verdickung 9 mit dem positiven Pol zu verbinden ist. Da infolge des erfindungsgemäßen Aufbaues der Einfluß der Eigenleitung wenigstens in der einen Stromrichtung wesept lich reduziert ist, kann ein derartiges Halbleiterbauelement auch für andere Anwendungen bei höheren Temperaturen, z.B.
als Diode, benutzt werden.
Das fertige Bauelement kann in ein Glas#gehäuse eingeschlossen und durch Druckkontaktierung an der Verdickung 9 und der Schicht 28 mit Zuleitungen verbunden werden.
Patentansprüche:

Claims

Patentansprüche: SJ Halbleiterbauelçment für Temperaturen oberhalb des Einsetzens der Eigenleitung mit einem Halbleiterkörper, in dem ein hochohmiges Gebiet von einem Leitungstyp an ein erstes und an ein zweites kontaktiertes, niederohmiges Gebiet vom gleichen Leitungstyp grenzt, dadurch gekennzeichnet, daß daß Verhältnis der effektiven Fläche des Uberganges zwischen dem ersten niederohmigen Gebiet (4) und dem hochohmigen Gebiet (1) und der effektiven Fläche des Uberganges zwischen dem zweiten niederohmigen Gebiet (24) und dem hochohmigen Gebiet (1) im Hinblick auf den das Bauelement durchfließenden Strom und seine Richtung so gewählt sind, daß sich in dem hochohmigen Gebiet (1) eine solche elektrische Feldst.-irkes verteilung einstellt, daß praktisch alle Minoritätsladungsträger zu dem am negativen Potential liegenden niederohmigen Gebiet abgeführt werden und damit entsprechend viele Majoritätsladungsträger im hochohmigen Gebiet fest gebunden werden und die Eigenleitung weitgehend unwirksam ist.
2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der effektiven Flächen der Übergänge sehr klein gegen 1. ist, z.B. höchstens 1 : 1000 beträgt.
3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper (1) aus Silizium, Germanium, einer III V-Verbindung oder einer anderen intermetallischen Verbindung besteht.
4. Halbleiterbauelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper (1) aus n-leitendem Silizium besteht.
5. Halbleiterbauelement nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der spezifische Widerstand des hochohmigen Gebietes (1) in der Größenordnung von 1 bis 10 Ohm.cm, insbesondere bei 7,50hm.cm, liegt.
6. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,daß der Halbleiterkörper (1) zwei zueinander parallele Hauptflächen aufweist und das erste und das zweite niederohmige Gebiet (4 bzw. 24) an den beiden Hauptflächen, insbesondere mit ihren Mitten einander gegenüber, liegen.
7. Halbleiterbauelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und das zweite niederohmige Gebiet (4, 24) durch in den hochohmigen Halbleiterkörper eindiffundierte Zonen gebildet sind.
8. Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dotierung in den niederohmigen Gebieten (4, 24) in der Größenordnung von 1021 Phosphoratomen pro Kubikzentimeter liegt.
9. Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper (1) und gegebenenfalls das zweite niederohmige Gebiet (24) eine wenigstens annähernd quadratische Fläche haben.
10. Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das erste niederohmige Gebiet (4) eine wenigstens annähernd runde Fläche hat.
11. Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiteroberfläche in der Umgebung des ersten niederohmigen Gebietes mit einer Isolierschicht (3), z.B. aus thermischem SiO2, bedeckt ist.
12. Halbleiterbauelement nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierschicht (3) eine Dicke in der Größenordnung von 0,6/um aufweist.
13. Halbleiterbauelement nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierschicht (3) eine bis zur Halbleiteroberfläche (1) reichende öffnung trägt.
14. Halbleiterbauelement nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierschicht mit einer bis an den Halbleiterkristall (1) in der öffnung heranreichenden, Dotierung material enthaltender. Deckschicht überdeckt ist.
15. Halbleiterbauelement nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckschicht (3) aus Phosphorglas <SiO2.x P205) besteht, die eine bis zur Halbleiteroberfläche reichende öffnung besitzt, die in den line#aren Abmessungen, z.B. im Durchmesser, etwas, z.B. um 10 bis 20 %,kleiner ist als die öffnung in der Isolierschicht.
16. Halbleiterbauelement nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckschicht mit einer bis an den Halbleiterkristall (1) in der Öffnung heranreichenden Schutzschicht (Versiegelungsschicht) (5) überdeckt ist.
17. Halbleiterbauelement nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht (5) eine bis zur Halbleiteroberfläche (i) reichende öffnung trägt, die in den linearen Abmessungen, z.B. im Durchmesser, etwas, z.B. um 10 bis 20 %, kleiner ist als die Öffnung in der Deckschicht (3).
18. Halbleiterbauelement nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckschicht (3) und/oder die Oberfläche des ersten niederohmigen Gebietes (4) mit einer elektrisch leitenden Metallisierungsschicht, z.B. aus Wolfram und Titan (6 und 7), überzogen ist, die die Kontaktschicht (8) aus hochschmelzendem Material, wie Silber, trägt.
19. Halbleiterbauelement nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktschicht/ Breich der öffnungen, z.B. galvanisch, auf eine, die Summe der anderen aufgebrachten Schichtdicken wesentlich übersteigende Dicke, z.B.

20 bis 50/um, verstärkt ist.
20. Halbleiterbauelement nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktverstärkung (9) einen beträchtlichen Teil, z.B. 30 bis 70 %, der Oberfläche des Halbleiterbauelementes überdeckt.