DE3225991A1

DE3225991A1 - Verfahren zur reduzierung der spannungsabhaengigkeit des spezifischen flaechenwiderstandes von si-zonen, welche sperrspannung aufnehmende pn-uebergaenge bilden

Info

Publication number: DE3225991A1
Application number: DE19823225991
Authority: DE
Inventors: Hermann Dr.rer.nat. 6239 Eppstein Berg; Dieter Dr.phil.nat. 6053 Obertshausen Silber
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: EUPEC GmbH
Priority date: 1982-07-12
Filing date: 1982-07-12
Publication date: 1984-01-12
Also published as: DE3225991C2

Description

Verfabren zur Reduzierung der Spannungsabhängigkeit
des spezifischen Flächenwiderstanden von Si-Zonen, welche Sperrspannung aufnehmende pn-Übcrgänge bilden Technisches Gebiet Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Stand der Technik Bei Si-Halblciterbauelementen mit mehreren Zonen entgegengesetzten Leitfähigkeittyps erfolgt die Dimensionierung Und Leitfähigkeitdotierung der Zonen häufig nach folgenden Gesichtspunkten: a) Der aus zwei Zonen entgegengesetzten Leitfähigkeittyps gebildete pn-Übergang muß eine bestimmte Sperrspannung aufnehmen können. Es muß sich eine Raumladungszone ausbilden, wobei eine maximale Feldstärke von etwa 2 . 105 V/cm nicht überschritten werden darf, da andernfalls durch Stoßionisation ein Durchbruch erfolgt (Avalanche-Durchbruch); für flächenhaft ausgebildete pn-Übergänge liegt die für eine solche Raumladung benötigte Dotierungsmenge im Falle von Si bei etwa 1,5. 1012 Ladungsträger/cm2.
b) Die Schalt- und Verstärkungsfunktion von si-Halbleiterbauelementen, wie Thyristoren, Daclington-Transistore, erfordert, daß die Zonen teilweise die Funktion von Widerständen erfüllen, so daß - je nach Ausgestaltung des Bauelementes - definierte, spezifische Flächen.
widerstände ausgebildet werden müssen. Als Beispiele seien Emitternebenschlüse von Thyristoren und integrierte Eingangswiderstände von Darlington-Transistoren genannt.
In der Praxis gibt es nun Fälle, bei denen die beiden Gesichtspunkte a), b) nur schwierig miteinander zu vereinbaren sind; dies ist der Fall, wenn aufgrund geometrischer Randbedingungen die Ausbildung von lateralen Widerständen mit hohem ohmschen Wert nur durch Zonen mit hohen spezifischen Flächenwiderständen möglich ist, beispielsweise bei p-Zonen > 5000 &/# und bei n-Zonen > 2000 &/#.
Die Dotierstoffmenge/Fläche itst dann in diesen Zonen nicht mehr groß, verglichen mit der vorstehend erwähuten 2 Dotierungsmenge von etwa 1,5 . 101 Ladungsträger/cm In diesen Fällen führt bei Anliegen von Sperrspannung an den Zonen die Ausdehnung der Raumladungszone zu einer Erhöhung des spezifischen Flächenwiderstandes, oder die Zonen verlieren vollständig ihre Leitfähigkeit wegen des Verlustes an freien Ladungsträgern.
Dieses Problem tritt insbesondere bei sehr kloinflächiger Ausbildung von Thyristoren und Lei stungs-Darlingt on-Transistoron auf, ferner auch bei optisch zündbaren Thyristoren, und zwar jeweils in der Steuerbaziszone dieter Bauelemente, die meist eine p-Leitfähigkeitsdotierung hat.
Das Problem kann jedoch auch in der Hauptbasiszone von Thyristoren von Bedeutung sein, wenn das BAuelement als PIN-Basis-Thyristor (Zonenfolge n+ pinp+, oder anstelle die i-Zone sehr schlfach dotierte n -Zone) ausgebildet ist und gleichzeitig anodenseitige Emitterkurzschlüsse vorliegen.
Es ist bekannt, das Problem bei Steuerbasiszonen derart zu lösen, daß anstelle ganzflächiger p-Dotierungen mittels maskierter Dotierung, beispielsweise Bordotierung, Widerstandsbahnen gebildet werden, die trotz hoher Dotierung aufgrund ihrer geometrischen Form ausreichend große Widerstände ergeben Diese eindiffundierten Widerstandsbahnen haben Mäonderform und sind nur mittels entsprechend komplizierter technologischer Vorfahren realisierbar, besonders wenn die Forderung nach Schaffung von kleinflächigen Halbleiterbauelementen der vorstchend genannten Art besteht.
Aufabe Der Erfindung liegt die Aufgabe zugx unde, zur Realisierung der latoralen Widerstände in möglichst einfacher Form, wie beispielsweiso ganzflächige, unmaskierte Dotierungen, dio entsprechenden Zonen mit hohen spezifischen Flächenwiderständen auszubilden, wobei sich diese spezifischen Flächenwiderstände bei anliegender Sperrspannung und Ausdehnung der Raumladungszone nur in zulässigen Grenzen erhöhen.
Lösung Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das im Anspruch gekennzeichnete Merkmal gelöst.
Vorteile Durch die Erfindung lassen sich insbesondere auf einfache Weise sehr kleinflächige Bauelemente realisieren. Durch die hohen lateralen Widerstände können die Emittorkurzschlüsse von Thyristoren einen kleineren Abstand voneinander haben. Bei Darlington-Transistoren ist es tnöglich, in vereinfachter Weise ausreichend große Eingangswiderstande zu schaffen.
Die Erfindung geht davon aus, daß die bisher für die Dotierung der entsprechenden Zonen verwandten flachen Störstellen durch tiefere Störstellen ersetzt werden. Das bedeutet, daß die elektrische Leitfähigkeit dieser Zonen nicht mehr von Störstellen mit einem Energieniveau ET in der Bandlücke des Siliziums von #ET = #ET - EV,C # =@ 0,044 - 0,065 eV bestimmt wird, sondern von Störstellen mit einer höheruir Ionißierungsenergie AL, beispielsweise #E@ von #E@ - E@@ # # 0,16 eV.
Störstellen mit derart tiefen Energieniveaus sind bei 300 bis 400 K nicht mehr vollständig g ionisiert, so daß nur ein Teil der ins Silizium eingebrachten tiefen Störstellen zur elektrischen Leitfähigkeit beiträgt. Muß eine so dotierte Schicht Sperrspannung aufnehmen, so trägt zum Aufbau der Raumladungszone nicht nur die Anzahl der vorher ionisierten Störstellen bei, sondern die Gesamtzahl der eingebauten Störstellen. Diese Zahl kann je nach Niveau wesentlich höher sein als die zur Leitfähigkeit beitragende Anzahl, so daß der Aufbau der Raumladungszone zu einer wesentlich verringerten Modulation des Schichtwiderstandes der Zone führt. Dieser Effekt ist um so ausgeprägter, je tiefer das Dotiorniveau ist.
Wird für die Dotierung also eine geeignete Substanz gewählt, so werden keinerlei zusätzliche Technologieschritte erforderlich. Es ist dabei unerheblich, ob das Niveau durch Dotierstoffe, strukturelle Felilordnung oder andere Maßnahmen erzeugt wird.
Darstellung der Erfindung Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispieles näher erlautert. Es zeigen Fig. 1 einen Ausschnitt einer an sich bekannten Zonen struktur eines Si-Halbleiterbauelementes, Fig. 2 einen Ausschnitt einer erfindungsgemäßen Zonenstruktur.
In Fig. 1 ist eine Thyristorstruktur i dargestellt, die aus vier Zonen entgegengesetzten Leitfähigkeittyps besteht.
Es ist eine äußere n+-Emitterzone 2, eine folgende p-Steuerbasiszone 3, eine anschließende Hauptbasiszone 4 und eine folgende p+ - Emitterzone 5 vorgesehen ; die n+-Emitterzone 2 ist mit einer Metallisiorung 6 mit Kathoden- anschluß K und die p + - Emitterzone ebenfalls mit einer Metallisierung 7 mit Anodenanschluß A versehen. Bei der Zonenstruktur für einen Darlington-Transister ist die anodenseitige Zone 5 n+ -dotiert ausgebildet, der K-Anschluß ist dann der Emitteranschluß und der A-Anschluß ist der Collectoranschluß, wie durch (n ), (#) und (C) aznEgedeutet ieat.
Die p-Steuerbasiszone 3 weist zwei Bereiche 3' und 3" auf, die per Diffusion gebildet sind; beide Bereiche sind durch einen p-dotierten Bereich a verbunden, der den Emitterbasiswiderstand bildet, und der durch eine entsprechende Diffusion, eventuell auch durch Ionenimplantation, hergestellt ist. Der p-Bereich 3" ist mit einer Metallisierung 9 versehen und über eine clektrische Leitung 10 mit der n -Emitterzone 3 kurzgeschlossen, so daß der Bereich a einen ohnlschen Emitternebenschluß bildet.
Für die Dotierung der p-Zone 3 werden flache Störstellen verwendet.
Wie angedeutet, dehnt sich die Raumladungszone (Punktstrichelung) in die Gebiete 3', a, 3" und entsprechend in die n# - Hauptbasiszone 4 aus.
Wäre der p-Bereich a relativ schwach dotiert, so wäre bei anliegender Sperrspannung dieser Bereich praktisch voll von der Raumladungszone aufgebraucht, so daß der Emitterbasiswiderstand unendlich groß würde, und der ohmsche Nebenschluß damit nicht mehr wirksam wäre.
Um dies zu vermeiden, muß der spezifische Flächenwiderstand dieses p-Bereiches a verringert werden, und damit muß der bereich A verlängert werden; dadurch wird jedoch mehr Platz auf dem Bauelement benötigt. Alternativ können platzsparende, jedoch aufwendige integrierte (beispielsweise mäanderförmige) Ausfübrungen gewählt werden.
Es kann meist zugelassen werden, daß sich der spezifi sche Flächenwiderstand des p-Bereiches a durch die Ausdehnung der Raumladungszone maximal ujn den Faktor 1,5 ändert, was bei einer p-Dotierung mit flachen Störstellen eine zulässige Änderung von 4000 &/# auf 6000 &/# bedeutet .
Werden also bei der Struktur nach Fig. 1 ein höherer spezifischer Flächenwiderstand als 4000 &/# und zur Dotiefung flache Störstellen verwendet, so wird bei Anliegen von Sperrspannung der spezifische Flächenwiderstand unzulässig hoch ansteigen.
Die Halbleiterstruktur nach Fig. 2 stimmt in der Zonen folge und in der Anordnung der Netallisierungen und Anschlüsse mit der Halbleiterstruktur nach der Fig. 1 überein.
Der beispielsweise implantierte P-Bereich a ' der Steuerbasizone ist mit relativ tiefen Störstellen dotiert; als Dotiersubstanz ist beispielsweise Indium verwendet.
Wie ersichtlich, kann der p-Bereich a' dadurch gegenüber dem p-Bereich a nach der Fig. 1 wesentlich verkleinert sein, Wird für den beispielsweise 0,5 µm tief implantier ten p-Bereich a' die gleiche Dotierungsmenge wie für den p-Bereich a nach der Fig. 1 verwendet, so ändert sich ein gewählter spezifischer Flächenwiderstand von 12 000 Q/n durch die Ausdehnung der Raumladungszone um etwa den Faktor 1,5 auf 18 000 &/#, was zulässig ist.
Es ist also ein hoher spezifischer Flächenwiderstand in verfahrenstechnisch einfacher und platzsparender Weise erreicht bei gleicher Dotierungsmenge/Flächeneinheit gegenüber der Ausbildung nach Fig. 1, wobei sich dieser höhere spezifische Flächenwiderstand ebenfalls nur um den Faktor 1,5 ändert.
Es kann beispielsweise bei Verwendung von Indium als Dotiersubstanz eine Dotierungskonzentration von etwa 1017/cm3 verwendet werden.

Claims

Patentansprüche Verfahren zur Reduzierung der Spannungsabhängigkeit des spezifischen Flächenwiderstandos von Si-Zonen, welche Sperrspannung aufnehmende pn-Übergänge, bilden, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Leitfähigkeit der pn-Übergänge bildenden Zone(n) von Störsteilen mit einer Ionisierungsenergie #ET in Silizium von #ET > 0,065 eV bestimmt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Dotierungssubstanz Indium verwendet wird.