DE3225991C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Halbleiterbauelement nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei Si-Halbleiterbauelementen mit mehreren Zonen entgegengesetzten Leitfähigkeittyps erfolgt die Dimensionierung und Leitfähigkeitsdotierung 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 2·10⁵V/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, Darlington-Transistoren, erfordert, daß die Zonen teilweise die Funktion von Widerständen erfüllen, so daß - je nach Ausgestaltung des Bauelementes - definierte, spezifische Flächenwiderstände ausgebildet werden müssen. Als Beispiele seien Emitterwiderstände von Thyristoren und integrierte Eingangswiderstände 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 Ω/ und bei n-Zonen <2000 Ω/. Die Dotierstoffmenge/Fläche ist dann in diesen Zonen nicht mehr groß, verglichen mit der vorstehend erwähnten Dotierungsmenge von etwa 1,5·10¹² Ladungsträger/cm².

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 kleinflächiger Ausbildung von Thyristoren und Leistungs-Darlington-Transistoren auf, ferner auch bei optisch zündbaren Thyristoren, und zwar jeweils in der Steuerbasiszone dieser 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 schwach 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 mitteils maskierter Dotierung, beispielsweise Bordotierung, Widerstandsbahnen gebildet werden, die trotz hoher Dotierung aufgrund ihrer geometrischen Form ausreichend große Widerstände ergeben. Diese eindiffundierten Widerstandsbahnen haben Mäanderform und sind nur mittels entsprechend komplizierter technologischer Verfahren realisierbar, besonders wenn die Forderung nach Schaffung von kleinflächigen Halbleiterbauelementen der vorstehend genannten Art besteht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Bauelement verfügbar zu machen, bei dem sich der laterale Widerstand einer bestimmten Zone bei anliegender Sperrspannung nicht wesentlich erhöht, wobei gleichzeitig ein einfaches Verfahren zur Herstellung dieser Zone angestrebt wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das im Anspruch gekennzeichnete Merkmal gelöst.

Durch die Erfindung lassen sich insbesondere auf einfache Weise sehr kleinflächige Bauelemente realisieren. Durch die hohen lateralen Widerstände können die Emitterkurzschlüsse von Thyristoren einen kleineren Abstand voneinander haben. Bei Darlington-Transistoren ist es möglich, in vereinfachter Weise ausreichend große Eingangswiderstände 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 E _T in der Bandlücke des Siliziums von Δ E _T = |E _T - E _{V C} | = 0,044 - 0,065 eV bestimmt wird, sondern von Störstellen mit einer höheren Ionisierungsenergie Δ E _T , beispielsweise Δ E _T von |E _T - E _V,C | ≈ 0,16 eV.

Störstellen mit derart tiefen Energieniveaus sind bei 300 bis 400 K nicht mehr vollständig ionisiert, so daß nur ein Teil der in 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 E _T wesentlich höher sein als die zur Leitfähigkeit betragende 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 Dotierniveau 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 Fehlordnung oder andere Maßnahmen erzeugt wird.

Aus der DE-PS 12 79 202 ist ein Verfahren zur Herstellung einer Si-Zone bekannt, welche an einen Sperrspannung aufnehmenden pn-Übergang angrenzt; die elektrische Leitfähigkeit dieser Zone wird von durch Gallium-Diffusion erzeugten Störstellen mit einer Ionisierungsenergie Δ E in Silizium von 0,065 eV bestimmt. Bei der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung von Gallium als Dotierstoff gerade ausgeschlossen. Aus der EP-Anmeldung 39 509 ist ein Halbleiterbauelement mit einem Halbleiterkörper aus Silizium bekannt, welches eine Zone mit einer für das Bauelement funktionellen lateralen Zone aufweist, deren elektrische Leitfähigkeit durch Störstellen bestimmt wird.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Ausschnitt einer an sich bekannten Zonenstruktur eines Si- Halbleiterbauelementes,

Fig. 2 einen Ausschnitt einer erfindungsgemäßen Zonenstruktur.

In Fig. 1 ist eine Thyristorstruktur 1 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 Metallisierung 6 mit Kathodenanschluß K und die p⁺-Emitterzone ebenfalls mit einer Metallisierung 7 mit Anodenanschluß A versehen. Bei der Zonenstruktur für einen Darlington-Transistor 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⁺), ( ε ) und (C) angedeutet ist.

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 elektrische Leitung 10 mit der n⁺-Emitterzone 3 kurzgeschlossen, so daß der Bereich a einen ohmschen 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) Ausführungen gewählt werden.

Es kann meist zugelassen werden, daß sich der spezifische Flächenwiderstand des p-Bereiches a durch die Ausdehnung der Raumladungszone maximal um den Faktor 1,5 ändert, was bei einer p-Dotierung mit flachen Störstellen eine zulässige Änderung von 4000 Ω/ auf 6000 Ω/ bedeutet.

Werden also bei der Struktur nach Fig. 1 ein höherer spezifischer Flächenwiderstand als 4000 Ω/ und zur Dotierung flache Störstellen verwendet, so wird bei Anliegen von Sperrspannung der spezifische Flächenwiderstand unzulässig hoch ansteigen.

Die Halbleiterstruktur nach Fig. 2 stimmt in der Zonenfolge und in der Anordnung der Metallisierungen und Anschlüsse mit der Halbleiterstruktur nach der Fig. 1 überein.

Der beispielsweise implantierte p-Bereich a′ der Steuerbasiszone 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 implantierten 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 Ω/ durch die Ausdehnung der Raumladungszone um etwa den Faktor 1,5 auf 18 000 Ω/, 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 (2)

1. Halbleiterbauelement mit einem Halbleiterkörper aus Silicium und einer Zone mit einer für das Bauelement funktionellen lateralen Zone, deren elektrische Leitfähigkeit durch Störstellen bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet,
daß das Energieniveau der Störstellen in der Bandlücke - bezogen auf die obere Bandkante des Valenzbandes - niedriger als das Energieniveau von Gallium (0,065 eV) liegt.

2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Störstellen durch Dotierung mit Indium gebildet sind.