DE4013435A1

DE4013435A1 - Halbleiterbauelement mit passivierungsschicht

Info

Publication number: DE4013435A1
Application number: DE19904013435
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dr Schmidt
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1989-05-31
Filing date: 1990-04-26
Publication date: 1990-12-06
Also published as: DE58908152D1; EP0400178A1; EP0400178B1; JPH03116785A; JP2856847B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Halbleiterbauelement mit einem Halbleiterkörper mit mehreren aufeinanderfolgenden Zonen abwechselnden Leitungstyps, mit an die Oberfläche des Halbleiter körpers tretenden pn-Übergängen und mit einer aus einem amorphen Halbleitermaterial bestehenden Passivierungsschicht.

Ein solches Halbleiterbauelement ist z. B. in der DE-OS 27 30 367 beschrieben worden. Das amorphe Halbleitermaterial ist Silizium, das im Vakuum bei geringem Restdruck wenigstens dort auf die Oberfläche des kristallinen Halbleiterkörpers aufgedampft wird, wo die pn-Übergänge an die Oberfläche treten. Anschließend wird die Passivierungsschicht getempert. Halbleiterbauelemente mit derart passivierten Halbleiterkörpern zeigen eine ausreichende Stabilität der Sperrstromkennlinien bis zu einer Spannung von etwa 4 kV.

Für höhere Sperrspannungen von über 4 kV vorgesehene Halbleiter bauelemente wie Thyristoren und Planardioden lassen sich mit der beschriebenen Schicht nicht befriedigend passivieren, da bei die sen Spannungen die Sperrfähigkeit durch die genannte Passivierungs schicht abnimmt. Dies ist auf die Ausbildung von Inversionsschich ten an der Oberfläche des Halbleiterkörpers und/oder auf Ober flächendurchbruch durch zu hohe Oberflächenfeldstärken zurückzu führen. Es ist jedoch wünschenswert, zur Passivierung ein Halb leitermaterial mit einer hohen Dichte umladbarer Zustände zu verwenden, da dies wegen seiner hohen Defektdichte im Gegensatz zum Isolator den Vorteil hat, den aktiven Bauelementebereich elektrisch abzuschirmen. Nur mit einer solchen Passivierung lassen sich Oberflächenladungen neutralisieren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Passivierungs schicht der obengenannten Art so weiterzubilden, daß sie auch für Bauelemente mit üblicher Randkontur verwendet werden kann, die mit Blockierspannungen und Sperrspannungen größer als 4 kV betrieben werden sollen. Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß das amorphe Halbleitermaterial folgenden Bedingungen genügt:

wobei j₀ die Sperrstromdichte des amorph-kristallinen Hetero- Übergangs, σ und d die spezifische Leitfähigkeit bzw. die Dicke der amorphen Schicht,

der maximale Feldgradient an der Oberfläche des sperrgepolten Halbleiterbauelements, V _n,p ^b die um das Oberflächenpotential in der amorphen Schicht reduzierte Barrierenhöhe und E _g der Bandabstand im kristallinen Halb leiterkörper ist.

Besteht die Passivierungsschicht aus im Vakuum aufgedampften und anschließend getempertem Silizium, so werden beide Bedingungen dadurch erfüllt, daß das amorphe Silizium mit einer Konzentration von 10¹⁹ cm^-3 bis 10²⁰ cm^-3, vorzugsweise mit 2×10¹⁹ cm^-3 dotiert wird. Durch diese Dotierung wird nämlich die spezifische Leit fähigkeit σ verringert und das Verhältnis j₀/σ vergrößert. Außerdem wird durch die Dotierung das Ferminiveau derart verscho ben, daß das Merkmal b) erfüllt ist.

Durch die genannte Dotierung ist die Anzahl der donatorartigen Zustände im amorphen Silizium der Anzahl seiner akzeptorartigen Zustände etwa annähernd gleich.

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbin dung mit den Fig. 1 bis 4 näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 und 2 schematische Darstellungen zur Erläuterung der Be dingung a) zur Verhinderung des Durchbruchs

Fig. 3 eine schematische Darstellung des Bändermodells zur Erläu terung der Bedingung b) zur Verhinderung der Inversion und Fig. 4 einen teilweisen Schnitt durch einen passivierten Halbleiterkör per mit einer Passivierungsschicht gemäß der Erfindung.

In Fig. 1 ist schematisch ein teilweiser Schnitt durch eine Pla nardiode dargestellt. Diese hat ein n-leitendes Substrat 1, in das eine p⁺-dotierte Zone 2 eingebettet ist. Die Oberfläche des Substrats und der Zone 2 ist mit einer Passivierungsschicht 3 bedeckt, die aus einem amorphen Halbleitermaterial, z. B. aus im Hochvakuum aufgedampften Silizium besteht. Zwischen Substrat 1 und Zone 2 liegt ein pn-Übergang 4. Dieser wird durch eine an das Substrat 1 gelegte Spannung +U in Sperrichtung vorgespannt, wenn die Zone 2 auf Massepotential liegt. Damit spannt sich eine Raumladungszone auf, die den durch die gestrichelten Linien 5, 6 begrenzten Verlauf hat. Die Laterialkomponente der Feldstärke an der Oberfläche des Halbleiterkörpers ist durch den nach rechts gerichteten Pfeil E charakterisiert. Die amorphe Schicht 3 bildet mit dem kristallinen Halbleiterkörper Hetero-Übergänge, die zwi schen Substrat 1 und Schicht 3 durch eine Diode 7 und zwischen Zone 2 und Schicht 3 durch eine Diode 8 symbolisiert sind. Die Schicht 3 selbst hat eine spezifische Leitfähigkeit, die durch die Serienwiderstände 9 symbolisiert ist. Diese Widerstände lie gen zwischen der Anode der Diode 7 und der Katode der Diode 8. Die Dioden und die Widerstände sind hier, wie erwähnt, nur sym bolisch dargestellt, in Wirklichkeit wird der Hetero-Übergang durch unendlich viele, fein verteilte Dioden und Widerstände gebildet.

In Fig. 2 ist ein Flächenelement der amorphen Schicht 3 darge stellt. Es hat eine Dicke d, eine Breite l und eine Länge dx. Der lateral von links in das Flächenelement fließende Strom ist mit I bezeichnet. Der aus dem Halbleiterkörper stammende Strom anteil ist dI, der rechts aus dem Flächenelement austretende Strom demnach I+dI. Die zum linken Rand des Flächenelements ge hörende Feldstärke ist E(x). Entsprechend ist die Feldstärke am rechten Rand E(x+dx) und die Feldstärkeänderung über dem Flä chenelement dE(x).

Um einen Durchbruch des amorph-kristallinen Heteroübergangs zu verhindern, muß die Bedingung

erfüllt sein. Dabei ist j₀ die Sperrstromdichte des erwähnten Heteroübergangs, σ die spezifische Leitfähigkeit der amorphen Schicht 3,

der maximale Feldgradient an der Oberfläche der sperrgepolten aus Substrat 1 und Zone 2 bestehenden Diode und d die Dicke der amorphen Schicht.

Die spezifische Leitfähigkeit s der amorphen Schicht 3 läßt sich durch Dotierung derart verringern, daß das Verhältnis j₀/σ größer als

wird. Hiermit läßt sich ein unzulässig hoher, zum Durchbruch führender Spannungsabfall am Heteroübergang zwischen der amorphen Passivierungsschicht und dem kristallinen Silizium des Halbleiterkörpers vermeiden.

Neben der Forderung, einen Durchbruch des Heteroübergangs zu vermeiden, muß auch die Forderung erfüllt werden, Inversions schichten zu verhindern. Zur Erläuterung dient das Bändermodell nach Fig. 3. Das Leitungsband ist mit E _c, das Valenzband mit E _v, das verbotene Band mit E _g bezeichnet. Die Quasi-Fermi-Niveaus des sperrgepolten amorph-kristallinen Heteroübergangs sind mit E _Fp und E _Fn bezeichnet.

Wenn die Inversion verhindert werden soll, gilt auf einem p-do tiertem Substrat die Beziehung

Das ist gleichbedeutend mit

Hier ist V _p ^b die effektive Barrierenhöhe des Heteroübergangs auf einem p-Substrat, V _Op ^b die Barrierenhöhe und ψ _pa das Oberflächen potential im amorphen Silizium auf p-Substrat. Über dem n- dotierten Substrat ergibt sich analog

Weiterhin gilt die Bedingung

V _On ^b + V _Op ^b = E _g.

Beim amorphen Aufdampfsilizium ist nun die Zustandsdichte hoch und das Oberflächenpotential ψ ^a klein. Es liegt in der Größen ordnung 0,1 eV. Es ist daher erforderlich, daß die genannten Barrierenhöhen etwa gleich groß werden:

Die Barrierenhöhen dürfen sich also nur um den Betrag ψ ^a von

unterscheiden und werden durch entsprechende Dotierung des amorphen Siliziums eingestellt. Durch die erwähnte Bor-Dotierungs konzentrtion von 10¹⁹-10²⁰ cm^-3, vorzugsweise 2×10¹⁹ cm^-3 wird das Femi-Niveau um etwa 0,1 eV verschoben. Die Barrierenhöhen betragen beim nicht kompensierten amorphen Silizium

V _On ^b = 0,36 eV

und

V _Op ^b = 0,76 eV.

Beim p-dotierten, kompensierten amorphen Silizium betragen die Barrierenhöhen

V _On ^b = 0,46 eV

und

V _Op ^b = 0,66 eV.

Da, wie oben erwähnt, beim getemperten amorphen Aufdampfsilizium das Kontaktpotential ψ _pa und ψ _na in der Größenordnung von 0,1 eV liegt, wird die Inversionsbedingung unterdrückt:

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 ist ein Thyristor mit einem Halbleiterkörper 11, der zu einer gestrichelten eingezeichneten Achse rotationssymmetrisch ist. Der Halbleiterkörper hat eine n-dotierte Innenzone 12, an die sich an der Katodenseite eine stark p-dotierte Katodenbasiszone 14 und an der Anodenseite eine stark p-dotierte Anodenzone 13 anschließt. In der Zone 14 ist eine Katodenemitterzone 15 planar eingebettet. Zwischen den Zo nen 14 und 15 liegt ein pn-Übergang 18, zwischen den Zonen 12 und 14 ein pn-Übergang 19 und zwischen den Zonen 12 und 13 ein pn-Übergang 20. Die Katodenemitterzone 15 ist mit einer Katoden elektrode 16, die Anodenzone 13 ist mit einer Anodenelektrode 17 kontaktiert.

Der Halbleiterkörper hat eine herkömmliche Randstruktur, d. h. der Winkel α zwischen dem pn-Übergang 20 und einer ersten Rand fläche 21 der Zone 12 ist positiv und der Winkel β zwischen einer Parallele zum pn-Übergang 19 und einer zweiten Randfläche 22 der Zone 14 ist negativ. Dieser Winkel ist klein und liegt in der Größenordnung von einigen Grad.

Der Halbleiterkörper 11 ist dort, wo die pn-Übergänge 18, 19 und 20 an seine Oberfläche treten, mit einer Passivierungsschicht 23 bedeckt. Diese Passivierungsschicht besteht z. B. aus aufge dampften, amorphem Silizium, das mit Bor in einer Dotierungskon zentration von 10¹⁹ cm^-3 bis 10²⁰ cm^-3, vorzugsweise 2×10¹⁹ cm^-3 dotiert ist. Bei einer Dotierung in dieser Höhe sind die donator artigen Zustände des amorphen Siliziums wenigstens annähernd ausgeglichen. Die aufgedampfte Schicht kann eine Dicke von 100 nm haben. Sie wird nach Ätzen der Randkontur des Halbleiterkörpers in einer Hochvakuumanlage durch Elektronenstrahlverdampfung bei einem Restgasdruck von etwa 10^-7 mb mit einer Rate von 0,2 nm/s bei einer Substrattemperatur von etwa 200°C aufgedampft. An schließend wird sie etwa 10 Stunden bei ungefähr 340°C getem pert. Die Schicht kann in Stickstoff N₂, Luft oder im Vakuum getempert werden. Eine derart aufgedampfte amorphe Silizium schicht würde nach dem Tempern ohne p-Dotierung eine ausgeprägte n-Leitfähigkeit aufweisen. Dies würde daher im Bereich der p-dotierten Zone 14 zur Inversion führen, was sich in einer Ab nahme der Blockierspannung des Thyristors niederschlägt. Die n-Dotierung wird dadurch erreicht, daß dem zu verdampfenden Silizium-Ausgangsmaterial eine Borkonzentration von 10¹⁹ bis 10²⁰ cm^-3 zugefügt wird.

Auf die gemäß dem obenangegebenen Verfahren hergestellte Passi vierungsschicht 23 wird dann zum mechanischen Schutz eine Schutz schicht 24 aufgebracht, die z. B. aus Silikonkautschuk besteht. Diese Schicht braucht keine die elektrischen Verhältnisse der Oberfläche des Halbleiterkörpers beeinflussenden Ladungsträger zu enthalten.

Bei entsprechender Dimensionierung und an sich bekannter, in Fig. 4 dargestellter Randflächenkonturierung lassen sich Halblei terbauelemente mit einer Blockierspannung bzw. Sperrspannung von 6 kV langzeitstabil passivieren.

Anstelle des aufgedampften amorphen Siliziums lassen sich auch andere Halbleiter, wie z. B. aufgesputtertes Silizium, amorphes SiC oder aC:H (amorpher wasserstoffhaltiger Kohlenstoff) verwen den. Andere als in Fig. 1 gezeigte Randkonturen und Bauelemente, z. B. Planardioden, lassen sich ebenfalls passivieren. Die ge nannten Stoffe zeichnen sich wie das amorphe Silizium durch eine hohe Dichte umladbarer Zustände und damit durch eine gute Ab schirmwirkung aus, die Schichten sind auch mit dem Herstellungs prozeß der Bauelemente kompatibel. Sie weisen auch eine nur ge ringe spezifische Leitfähigkeit auf, so daß die parasitären Sperrströme in der Passivierungsschicht klein gegen die Sperr ströme des Bauelements bleiben.

Claims

1. Halbleiterbauelement mit einem Halbleiterkörper (11) mit mehreren aufeinanderfolgenden Zonen (15, 14, 12, 13) abwechselnden Leitungstyps, mit an die Oberfläche des Halbleiterkörpers tretenden pn-Übergängen (18, 19, 20) und mit einer aus einem amorphen Halbleitermaterial bestehenden Passivierungsschicht (23), dadurch gekennzeichnet, daß das amorphe Halbleitermaterial folgenden Bedingungen genügt: wobei j₀ die Sperrstromdichte des amorph-kristallinen Hetero- Übergangs, σ und d die spezifische Leitfähigkeit bzw. die Dicke der amorphen Schicht, der maximale Feldgradient an der Oberfläche des sperrgepolten Halbleiterbauelements, V _p,n ^b die um das Oberflächenpotential in der amorphen Schicht redu zierte Barrierenhöhe und E _g der Bandabstand im kristallinen Halbleiterkörper ist.

2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das amorphe Halbleitermaterial dotiert ist derart, daß die Anzahl seiner do natorartigen Zustände der Anzahl seiner aktzeptorartigen Zu stände wenigstens annähernd gleich ist.

3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2 mit einer aus im Vakuum aufgedampften und anschließend getemperten, aus amorphen Silizium bestehenden Passivierungsschicht, dadurch gekennzeichnet, daß das amorphe Silizium mit Bor mit einer Konzentration von 10¹⁹-10²⁰ cm^-3 dotiert ist.

4. Halbleiterbauelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzen tration 2×10¹⁹ cm^-3 beträgt.