DE3442644C2 - Mesaförmiges Halbleiterbauteil - Google Patents
Mesaförmiges HalbleiterbauteilInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein mesaförmiges Halbleiterbauteil
mit einem pn-Übergang.
Ein derartiges Bauteil ist als Diode aus DE-OS 24 22 345 und
als Transistor aus DE-OS 23 48 324 bekannt. Bei der bekannten
Diode wird die mesaförmige Struktur durch Durchätzen eines
Substrats von der Rückseite her hergestellt. Die DE-OS
24 22 345 beschäftigt sich mit speziellen Problemen, die mit
dieser Herstellungsart zu tun haben. Der bekannte Transistor
dagegen betrifft die übliche Mesastruktur mit einem Graben
in einer Epitaxieschicht, welcher Graben den pn-Übergang
freilegt, der dann wieder durch eine Oxidpassivierung ge
schützt wird. Der p-leitende Bereich weist eine untere p-
Schicht als ersten Teilbereich und eine obere p⁺-Schicht als
zweiten Teilbereich auf.
Ein Halbleiterbauteil in Form einer Mesa-Diode wird z. B. in
einem Inverter umgekehrt parallel zu einem GTO-Thyristor
(Gate Turn Off Thyristor) geschaltet, um den Ausgangsstrom
des Inverters zu glätten. Um den Ladungsfluß durch das Halb
leiterbauteil zu steuern, wird die Lebensdauer von Minori
tätsladungsträgern durch bauliche Maßnahmen und durch Dotie
rungsmaßnahmen verkürzt.
Bei einer bei der Anmelderin intern bekannten Diode gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1
wird Gold eindiffundiert, um die Minoritätsladungsträger-
Lebensdauer zu verkürzen. Das Eindiffundieren von Gold führt
jedoch zu Schwankungen der Lebensdauer sowohl innerhalb
eines Wafers wie zwischen unterschiedlichen Wafern. Dies ist
aus Fig. 2a erkennbar, in der die Erholungszeit trr in Ab
hängigkeit von der Zahl gemessener Bauteile aufgetragen ist.
Die Lebensdauer wird durch Multiplizieren der Erholungszeit
mit einem vorgegebenen Koeffizienten erhalten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Halbleiterbau
teil gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 so weiterzubilden,
daß es geringe Fertigungsschwankungen betreffend die Erho
lungszeit aufweist.
Die Erfindung ist durch die Merkmale von Anspruch 1 gegeben.
Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegen
stand abhängiger Ansprüche.
Das erfindungsgemäße Halbleiterbauteil mit Mesastruktur
zeichnet sich dadurch aus, daß der Halbleiterbereich, in den
der Graben eingebracht ist, der die Mesastruktur hervorruft,
aus einem ersten Bereich geringen spezifischen Widerstandes
und einem Bereich hohen spezifischen Widerstandes besteht,
wobei der Graben im Bereich hohen spezifischen Widerstandes
liegt.
Der beanspruchte Aufbau hat nicht nur den Vorteil, daß die
Fertigungsschwankungen verringert werden, sondern es wird
auch der durch den Spannungsabfall bei Vorwärtspolung hervorgerufene
Verlust verringert. Weiterhin wird der durch die
Erholungsladungen bei Sperrpolung hervorgerufene Schaltverlust ver
ringert.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Figuren näher ver
anschaulicht. Es zeigen:
Fig. 1a-1g schematische Schnittbilder eines Halbleiter
bauteiles während verschiedener Fertigungsschritte
zum Herstellen einer erfindungsgemäßen Diode;
Fig. 2 ein Diagramm betreffend die Verteilung von Erho
lungszeiten gemessen über verschiedene Bauteile,
wobei a die Verteilung für bekannte Dioden und b
die Verteilung für erfindungsgemäße Dioden dar
stellt; und
Fig. 3 ein Diagramm zum Erläutern der Diffusionsprofile
für einen Bereich hohen spezifischen Widerstandes und
einen Bereich niedrigen spezifischen Widerstandes eines
p-Typ Halbleiterbereichs.
Beim Herstellablauf gemäß Fig. 1a-1g wird ein zunächst an einem
in Fig. 1a dargestellten n-Typ Siliziumsubstrat 1 ein Diffusionsvorbereitungsprozeß
durch Anwenden einer Mischung von Salpetersäure,
Salzsäure und Schwefelsäure durchgeführt, wodurch
Verunreinigungen und Schwermetalle vom Substrat 1 entfernt
werden. Danach wird ein Siliziumdioxidfilm auf dem Substrat 1
ausgebildet. Der Siliziumdioxidfilm wird selektiv durch ein
bekanntes Fotolithografieverfahren strukturiert und dann geätzt, und danach wird
Bor durch die freigeätzten Stellen hindurch ins Substrat eindiffundiert,
wodurch selektiv erste p-leitende Bereiche 2a mit niedrigem
spezifischem Widerstand im Halbleitersubstrat ausgebildet
werden. Danach wird Gallium von der Vorder- und der Rückseite
her eindiffundiert. Anschließend
wird von der Vorderfläche her Gallium nur dort eindiffundiert,
wo Bor noch nicht eindiffundiert wurde, um so zweite
Bereiche 2b hohen spezifischen Widerstandes in einem p-Typ Halbleiterbereich
2 auszubilden. Andererseits wird Gallium an der
gesamten Rückseite des Siliziumsubstrates 1 eindiffundiert, um dort
einen zweiten p-Typ Halbleiterbereich 2 auszubilden. Dazu ist es erforderlich,
die Tiefe der Galliumdiffusion und Bordiffusion so
zu steuern, daß sie einander gleich werden. Das Steuern ist
erforderlich, da der Diffusionskoeffizient von Bor geringer
ist als der von Gallium, wie dies im Diffusionsprofil gemäß
Fig. 3a dargestellt ist. Fig. 1c zeigt den Zustand, bei dem die
Galliumdiffusion abgeschlossen ist.
Im folgenden wird der Übergang zwischen einem p-Bereich
2a niedrigen spezifischen Widerstandes und dem n-Substrat 1
als pn-Übergang bezeichnet, während diese Bezeichnung für den
Übergang zwischen einem p-Bereich 2b hohen spezifischen Widerstandes
und dem n-Substrat 1 nicht verwendet wird.
Nach der Galliumdiffusion wird die Rückseite des Bauteiles durch Polieren oder
Ätzen abgetragen, wodurch ein pn-Aufbau erhalten wird. Dieser
wird in eine Flußsäurelösung getaucht, um alle Oberflächen
vom Siliziumdioxidfilm zu befreien. Ein Diffusionsvorbereitungsprozeß
wird durch Anwenden einer bekannten Mischung von Salpeter
säure, Salzsäure und Schwefelsäure durchgeführt, wodurch ein
Siliziumdioxidfilm mit einer Dicke von einigen µm erzeugt wird.
Danach wird ein Resistfilm durch einen bekannten Fotolitho
grafieprozeß auf die p-Oberfläche aufgebracht, so daß der
Siliziumdioxidfilm auf dieser Oberfläche nicht entfernt wer
den kann, wenn der Siliziumdioxidfilm von der n-Oberfläche
entfernt wird, was dadurch erfolgt, daß das Bauteil in eine
Mischung von Ammonfluorid und Flußsäure getaucht wird. Das
Siliziumsubstrat wird in heiße Schwefelsäure getaucht, wodurch
der Resistfilm entfernt wird. Dann wird ein Diffusionsvorbereitungsprozeß
durch Anwenden von Salpetersäure und Salzsäure durchgeführt.
Ein n-Typ Halbleiterbereich 3 hoher Donatordichte (N+-
Bereich) wird durch Eindiffundieren von Phosphor erzeugt. Danach
wird der Oxidfilm nach einem bekannten Fotolitografieprozeß
an den Stellen abgeätzt, an denen ein eine Mesastruktur hervorrufender
Graben 4 innerhalb des zweiten Teilbereichs 2b des
p-Typ Halbleiterbereichs 2 ausgebildet werden soll. Silizium
wird durch eine Mischung von Schwefelsäure, Flußsäure und Essigsäure
im Verhältnis 6 : 1 : 2 ausgeätzt, wodurch der
Graben 4 erhalten wird, der vom pn-Übergang entfernt ist.
Dann wird Gold auf der Oberfläche des p-Typ Halbleiterbereichs 2
mit einer Dicke von einigen 10 nm abgeschieden und dieses wird
bei einer Temperatur von 800-900°C eindiffundiert. Der dann noch an
der Siliziumfläche haftende Goldfilm wird durch Königswasser
entfernt. Das Siliziumsubstrat wird in eine Siliziumätzlösung
von Salpetersäure, Flußsäure und Essigsäure im Verhältnis
6 : 1 : 2 getaucht, um das Substrat für einige 10 Sekunden mesazuätzen,
wodurch anhaftendes Gold vom Graben 4
entfernt wird. Nach diesem Prozeß wird zur Glaspassivierung
Glas auf den Graben 4 aufgetragen und bei etwa
700°C gebrannt. Nachdem so ein Glaspassivierungsfilm 5 gebildet
ist, wird Aluminium auf der Oberfläche des p-Typ Halbleiterbereichs
2 abgeschieden. Durch einen Fotolithografie- und
Ätzprozeß wird eine Metallelektrode 6 ausgebildet. Auf der gan
zen Rückfläche wird eine Metallelektrode 7 abgeschieden. Durch
Sintern bei 400-500°C wird ein Ohmscher Kontakt zwischen
dem Metall und dem Halbleiter hergestellt, wodurch eine Diode
mit einem pn-Aufbau, wie er in Fig. 1g dargestellt ist, erhal
ten wird. Der in Fig. 1g dargestellte Bereich entspricht, wie
auch der in Fig. 1f dargestellte, demjenigen Bereich, der in
Fig. 1d durch den mit A gekennzeichneten Kreis umrandet ist.
Bei der beschriebenen Ausführungsform werden zwei Verunreini
gungen mit unterschiedlichem Radius der kovalenten Bindung ver
wendet, d. h. Gallium mit einem Radius von 0,14 nm und Bor mit
0,188 nm. Dabei enthält der p-Bereich 2a mit
niedrigem spezifischem Widerstand Bor, das den kurzen Radius kovalenter Bindung aufweist,
mit hoher Dichte, wodurch eine größere Anzahl von Defekten,
Übergängen oder Löchern gebildet wird als dann, wenn der
Bereich Gallium enthalten würde. Dadurch kann die Dichte von ins Siliziumsubstrat
1 eindiffundiertem Gold und damit wiederum
die Ladungsträgerlebensdauer im Siliziumsubstrat 1
leicht gesteuert werden.
Mit dem angegebenen Aufbau ist es sehr gut möglich, Halbleiter
bauteile mit geringen Abweichungen in der Ladungsträgerlebens
dauer innerhalb eines Siliziumwafers oder zwischen unterschied
lichen Wafern herzustellen. Dies führt
zu hoher Ausbeute. Die Verteilung der Ladungsträgerle
bensdauer für unterschiedliche Bauteile, und damit die Verteilung der
Erholungszeit, wird stark verbessert, wie dies durch
Vergleich der Fig. 2b und 2a erkennbar ist.
Claims (5)
- 1. Halbleiterbauteil mit
- - einem ersten halbleitenden Bereich (I) von erstem Lei tungstyp (n);
- - einem mesaförmigen zweiten halbleitenden Bereich (2), der den dem ersten Leitungstyp entgegengesetzten Leitungstyp (p) aufweist, in den ein Graben (4) eingebracht ist und der einen Dotierungsstoff zum Verkürzen der Minoritätsladungs träger-Lebensdauer aufweist; wobei der erste und der zweite halbleitende Bereich einen pn-Übergang bilden; dadurch gekennzeichnet, daß
- - der zweite halbleitende Bereich (2) aus einem Bereich (2a) geringen spezifischen Widerstandes und einem diesen umgeben den Bereich (2b) hohen spezifischen Widerstandes besteht, und
- - der Graben (4) im Bereich hohen spezifischen Widerstandes ausgebildet ist.
- 2. Halbleiterbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die Bereiche (2a, 2b) mit den unterschiedlichen spezifischen Widerständen unterschiedliche Dotierungsstoffe enthalten.
- 3. Halbleiterbauteil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich net, daß Bor als Dotierungsstoff im Bereich (2a) mit niedri gem spezifischem Widerstand und Gallium als Dotierungsstoff im Bereich (2b) mit hohem spezifischen Widerstand vorhanden ist.
- 4. Halbleiterbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Dotierungsstoff zum Verkür zen der Minoritätsladungsträger-Lebensdauer Gold ist.
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