DE3815615C2

DE3815615C2 -

Info

Publication number: DE3815615C2
Application number: DE3815615A
Authority: DE
Inventors: Richard Dipl.-Phys. 7410 Reutlingen De Spitz; Vesna 7410 Reutlingen De Biallas
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1988-05-07
Filing date: 1988-05-07
Publication date: 1993-07-29
Also published as: JPH0217645A; JP2792908B2; US4960731A; DE3815615A1

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer hoch sperrenden Leistungsdiode nach der Gattung des Hauptanspruchs.

Aus der DE-OS 32 31 676 ist ein Verfahren zur Herstellung einer PIN-Diode bekannt, bei der der Intrinsic-Bereich aus zwei Schichten unterschiedlicher Störstellenkonzentration besteht. Bei diesem be kannten Verfahren wird zur Erniedrigung der Flußspannung der Diode die Lebensdauer der Ladungsträger durch Eindiffusion von Platin als Ladungsträgerkiller erniedrigt.

Aus dem Aufsatz von Robert A. Craven und Harold W. Korb "Internal Gettering in Silicon" in der Zeitschrift Solid State Technology, Juli 1981, Seiten 55 bis 61 und aus dem Aufsatz von J. M. Hwang, D. K. Schroder und A. M. Goodman "Recombination Lifetime in Oxygen-Precipitated Silicon" in der Zeitschrift IEEE Electron Device Letters, VOL. EDL-7, NO. 3, 1986, Seiten 172 bis 174 sind des weiteren Verfahren zur internen Getterung von einkristallinem Silizium durch Bildung von Sauerstoffpräzipitaten bekanntgeworden.

Aus dem Aufsatz von N. Nauka, J. Lagowski, H. C. Gatos und C.-J. Li "Intrinsic gettering in oxygen-free silicon" aus der Zeitschrift Appl. Phys. Lett. 46 (7), 1. April 1985, Seiten 673 bis 675 ist weiterhin ein Verfahren zur Getterung von reinem Silizium mittels einer dreistufigen Temperaturbehandlung bekannt, bei dem in der ersten Stufe eine Temperatur von 1170°C, in der zweiten Stufe von 700°C und in der dritten Stufe von 1000°C angewendet wird. Die erste Stufe der Temperaturbehandlung wird hierbei in einer Gasatmosphäre aus einem Gemisch aus Sauerstoff und Chlorwasserstoff ausgeführt, wobei die Getterung durch den Sauerstoffgehalt des Gemisches be hindert wird.

Aus JP 62-48075 in Patents Abstracts of Japan E-527 vom 28. Juli 1987, Vol. 11/No. 231 ist weiterhin eine Halbleiterdiode bekannt, die eine p⁺n^-n⁺-Struktur aufweist.

Darüber hinaus ist bereits ein Verfahren zur Herstellung einer hoch sperrenden Leistungsdiode nach der Gattung des Hauptanspruchs be kannt, bei dem die Getterung dadurch bewirkt wird, daß gleichzeitig mit der Eindiffusion von Bor und Phosphor in den Halbleiterkörper entsprechende Gettersubstanzen, beispielsweise Nickelchlorid, mit eindiffundiert werden, die die Lebensdauer der Ladungsträger er höhen. Dieses Verfahren hat aber den Nachteil, daß durch die den Diffusionssubstanzen beigemischten Gettersubstanzen die Oberfläche des Halbleiterkörpers korrodiert wird, was für die nachfolgenden Verfahrensschritte ungünstig ist. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß die Lebensdauer der Ladungsträger nicht unabhängig von der Diffusionstiefe erhöht werden kann.

Aufgabe, Lösung und Vorteile der Erfindung

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung einer hochsperrenden Leistungsdiode nach der Gattung des Hauptanspruchs zu entwickeln, bei dem die Lebensdauer der Ladungsträger zur Erniedrigung der Flußspannung der Diode durch Getterung erhöht wird, ohne daß hierzu gleichzeitig mit der Ein diffusion von Bor und Phosphor in den Halbleiterkörper entsprechende Gettersubstanzen mit eindiffundiert werden müssen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merk male des Hauptanspruchs gelöst. Hierbei ergibt sich gleichzeitig der Vorteil, daß eine Korrosion der Halbleiteroberfläche durch die Ver meidung zusätzlicher Gettersubstanzen verhindert wird. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die Lebensdauer der Ladungsträger weit gehend unabhängig von der Diffusionstiefe erhöht wird.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen 2 bis 6 aufgeführt.

Zeichnung

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine bekannte Leistungsdiode mit p⁺nn⁺-Struktur, Fig. 2 die Ladungsträgerlebensdauer in Abhängigkeit von der Getter diffusionstemperatur, Fig. 3 die Ladungsträgerlebensdauer in Ab hängigkeit von der Getterdiffusionszeit, Fig. 4 die Flußspannung in Abhängigkeit von der Ladungsträgerlebensdauer für eine p⁺nn⁺-Struktur gemäß Fig. 1.

Beschreibung der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung hochsperrender Leistungsdioden mit einer Durchbruchspannung U_R, die vorzugsweise größer als 100 V ist, geht von einem vorzugsweise 200 µm dicken scheibenförmigen Halbleiterkörper 10 aus Silizium gemäß Fig. 1 mit einer Phosphordotierung aus, die vorzugsweise kleiner als 10¹⁶ cm^-3 ist. In einem ersten Diffusionsschritt wird von der einen Seite Bor, von der anderen Seite Phosphor in den Halbleiter körper 10 eindiffundiert, so daß eine p⁺nn⁺-Struktur mit einer p⁺-diffundierten Zone 11, einer n⁺-diffundierten Zone 12 und einer Mittelzone 13 entsteht, wobei die Mittelzone 13 die ursprüng liche n-Dotierung von weniger als 10¹⁶ cm^-3 beibehält. Zum Auf bringen der Dotierstoffe werden zweckmäßigerweise Dotierfolien auf den Halbleiterkörper 10 aufgelegt oder Dotierlösungen auf ihn aufge schleudert. Geeignete Bedingungen für den ersten Diffusionsschritt sind eine Diffusionstemperatur von 1265°C und eine Diffusionszeit von 30 Stunden unter oxidierender Atmosphäre. Unter diesen Bedin gungen ergibt sich nach dem ersten Diffusionsschritt eine Dif fusionstiefe von ungefähr 70 µm bei einer Oberflächenkonzentra tion der Dotierstoffe von ungefähr 10²⁰ cm^-3.

Die Mindestbreite der n-dotierten Mittelzone 13 richtet sich nach der einzustellenden Durchbruchspannung. Da pro 100 V Durchbruchspan nungsanteil mit einem Mittelzonenbreitenanteil von ungefähr 10 µm gerechnet werden muß, werden für eine Durchbruchspannung von U_R=600 V mindestens 60 µm für die Breite der Mittelzone 13 be nötigt.

Um bei hohen Stromdichten (größer oder gleich 500 A pro cm²) eine möglichst niedrige Flußspannung zu erzielen, darf die Ladungsträger lebensdauer einen von der Breite der Mittelzone 13 abhängigen Min destwert nicht unterschreiten.

Zur Erniedrigung der Flußspannung wird erfindungsgemäß vorgeschla gen, daß nach dem ersten Diffusionsschritt, bei dem die Dotierungs stoffe bis zu der gewünschten Diffusionstiefe in den Halbleiterkör per eingetrieben werden, die Diffusionstemperatur in einem zweiten Diffusionsschritt über eine bestimmte Zeit auf einen niedrigeren Wert abgesenkt wird, der die Diffusionstiefe nicht mehr oder nicht mehr wesentlich beeinflußt. Auf diese Weise wird im Halbleiterkörper eine Getterung hervorgerufen, die die Lebensdauer der Ladungsträger erhöht, wodurch die Flußspannung der Diode erniedrigt wird.

Der zweite Diffusionsschritt wird bei einer Diffusionstemperatur zwischen 1050°C und 1150°C, vorzugsweise bei 1100°C, durchge führt. Bei einer Diffusionstemperatur von 1100°C kann beim zweiten Diffusionsschritt die Diffusionszeit 30 Stunden betragen. Auch hier wird wie beim ersten Diffusionsschritt vorzugsweise unter oxidieren der Atmosphäre gearbeitet.

Fig. 2 zeigt bei einer Getterdiffusionszeit von t_G=20 Stunden die Abhängigkeit der Ladungsträgerlebensdauer von der Getterdif fusionstemperatur T_G. Fig. 3 zeigt bei einer Getterdiffusions temperatur von T_G=1100°C die Abhängigkeit der Ladungsträger lebensdauer von der Getterdiffusionszeit t_G. Als Maß für die La dungsträgerlebensdauer ist in den Fig. 2 und 3 die Speicherzeit t_s in Mikrosekunden (µs) angegeben, die beim Umschalten der Diode von einem Flußstrom von 10 mA auf einen Sperrstrom von 10 mA gemessen wird.

Aus den Fig. 2 und 3 ist erkennbar, daß, wenn sowohl die Getter diffusionstemperatur T_G als auch die Getterdiffusionszeit t_G einen bestimmten Wert hat, die Ladungsträgerlebensdauer über einen bestimmten Bereich streut, daß aber sowohl bei zunehmender Getter diffusionstemperatur T_G als auch bei zunehmender Getterdiffusions zeit t_G die Ladungsträgerlebensdauer t_s zunimmt. Hieraus ergibt sich, daß die Ladungsträgerlebensdauer t_s sowohl durch Erhöhung der Getterdiffusionstemperatur T_G als auch durch Erhöhung der Get terdiffusionszeit t_G erhöht werden kann. Die Getterdiffusionstem peratur sollte jedoch nicht unter 1050°C liegen, da sonst die Get terwirkung zu gering ist. Andererseits sollte die Getterdiffusions temperatur nicht über 1150°C liegen, da bei höheren Werten die Diffusionstiefe noch merklich beeinflußt wird.

Fig. 4 zeigt den Zusammenhang zwischen Flußspannung U_F in Viel fachen von 10^-1 V und Speicherzeit t_s in µs für die p⁺nn⁺-Struktur nach Fig. 1, wobei die Flußspannung U_F für einen Flußstrom I_F von 100 A angegeben ist. Aus Fig. 4 ergibt sich, daß mit abnehmender Ladungsträgerlebensdauer t_s die Flußspannung U_F zunächst nur wenig, bei Werten der Speicherzeit t_s, die klei ner als 2 µs sind, jedoch stark ansteigt. Für die Speicherzeit t_s sollte deshalb der Wert von 2 µs nicht unterschritten werden.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung einer hochsperrenden Leistungsdiode aus einem monokristallinen scheibenförmigen Halbleiterkörper (10) aus Silizium, bei dem der Halbleiterkörper (10) an seinen beiden Haupt oberflächen mit Bor bzw. mit Phosphor belegt wird und dann diese beiden Dotierungssubstanzen in einem ersten Diffusionsschritt durch Erwärmen des so belegten Halbleiterkörpers (10) auf eine bestimmte Diffusionstemperatur bis zu einer bestimmten Diffusionstiefe in den Halbleiterkörper (10) eingetrieben werden und bei dem die Lebens dauer der Ladungsträger zur Erniedrigung der Flußspannung der Diode durch Getterung erhöht wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Gette rung in einem sich an den ersten Diffusionsschritt anschließenden zweiten Diffusionsschritt durchgeführt wird, der bei einer Dif fusionstemperatur ausgeführt wird, die gegenüber der Diffusionstem peratur des ersten Diffusionsschritts derart erniedrigt ist, daß beim zweiten Diffusionsschritt die Diffusionstiefe nicht mehr oder nur noch unwesentlich beeinflußt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Diffusionsschritt bei einer Diffusionstemperatur zwischen 1050°C und 1150°C durchgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Diffusionsschritt bei einer Diffusionstemperatur von 1100°C durch geführt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß beim zwei ten Diffusionsschritt die Diffusionszeit 30 Stunden beträgt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeich net, daß beim ersten Diffusionsschritt die Diffusionstemperatur 1265°C und die Diffusionszeit 30 Stunden beträgt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeich net, daß beide Diffusionsschritte unter oxidierender Atmosphäre durchgeführt werden.