DE1933806C3 - Halbleiterdiode und Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents

Description

Hauptelektroden besteht aus einer teilweise kurzgeschlossenen PNPN-Struktur.

Die genannte Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Hauptanspruchs angegebene Ausbildung gelöst

Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Halbleiterdiode nach der Erfindung hat den Vorteil, daß sie gegenüber Leckstromänderungen der Oberfläche dadurch praktisch unempfindlich ist, daß der Leckweg am Rande des Halbleiterkörpers zwischen den PN-Übergängen, die das erste, das zweite und das dritte Gebiet voneinander trennen, vergrößert ist. Außerdem wird beim Obergang von dem schlecht leitenden in den gut leitenden Zustand der Spannungsabfall über der Diode auf einen Wert herabsinken, der dem Spannungsabfall über einer PNPN-Struktur entspricht, der im allgemeinen erheblich geringer als der Spannungsabfall über einer Dreischicht-Struktur im gut leitenden Zustand ist. Dies ist darauf zurückzuführen, daß bei Erhöhung der Spannung über der Diode nacheinander die Folgenden Mechanismen wirksam werden:

Beim Erreichen der Zündspannung geht die in der Mitte der Halbleiterplatte liegende pnp- bzw. npn-Struktur von dem schlecht leitenden in den gut leitenden Zustand über. Dabei werden in den erwähnten Randteil des zweiten Gebietes große Mengen Minoritätsladungsträger injiziert, wodurch in diesem Randteil eine starke Leitungsmodulation herbeigeführt wird. Infolgedessen wird eine der pnpn-Strukturen, die aus dem ersten, dem zweiten und dem dritten Gebiet und einer der erwähnten Oberflächenzonen besteht, von dem schlecht leitenden in den gut leitenden Zustand gebracht, wodurch der Spannungsabfall über der Diode auf einen Wert herabsinkt, der nahezu gleich dem des Spannungsabfalls über der erwähnten pnpn-Struktur ist, der in der Größenordnung von 1 V liegt.

Die Dicke des Randteiles des zweiten Gebietes muß dabei derart sein, daß durch die durch Zündung der inneren pnp- bzw. npn-Struktur herbeigeführte Injektion eine genügend starke Leitungsmodulation in diesem Randteil hervorgerufen werden kann. Bei einer zu großen Dicke des erwähnten Randteiles wird dies nicht mehr möglich sein, so daß keine Zündung der Schichtstruktur am Rande auftritt. Der Wert der maximalen Dicke des Randteiles des zweiten Gebietes ist von der Lebensdauer der Minoritätsladungsträger in diesem Randgebiet abhängig.

Die Weiterbildung nach Anspruch 4 hat den Vorteil, daß bei einer Dotierungskonzentration gemäß Anspruch 3 für die in der Mitte der Halbleiterplatte liegende PNP- bzw. NPN-Struktur ein optimales Verhältnis zwischen der Übergangsspannung und dem Spannungsabfall im gut leitenden Zustand erzielt wird, die bei dieser Dreiwrhicht-Struktur auftreten würden, wenn im Randgebiet keine Fünfschicht-Struktur vorhanden wäre. Folglich wird auch die Strom-Spannungs-Kennlinie der Diode als Ganzes und insbesondere die die Zündung des Randgebietes bewirkende Injektion im Randteil des zweiten Gebietes günstig beeinflußt.

Die Weiterbildung nach Anspruch 5 hat den Vorteil, daß in einem einzigen Diffusionsschritt die gesamte Halbleiterstruktur der Halbleiterdiode erhalten werden kann, wobei außerdem gleichzeitig eine große Anzahl solcher Dioden auf einer einzigen Halbleitcrplatte hergestellt werden können.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnungen an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Draufsicht auf eine Halbleiterplatte mit einer Anzahl von Halbleiterdioden nach der Erfindung in einer Herstellungsstufe,

Fig.2-5 schematische Querschnitte längs der Linie U-Il durch einen Teil der Halbleiterplatte der Fig. 1 mit einer durch die Linien A, B, C bzw. D der F i g. 1 begrenzten Halbleiterdiode nach der Erfindung in aufeinanderfolgenden Herstellungsstufen,

Fig.6 einen schematischen Querschnitt durch eine Halbleiterdiode nach der Erfindung, die durch das an Hand der Fig.2-4 beschriebene Verfahren hergestellt ist.

F i g. 1 ist eine Draufsicht auf eine Siliziumscheibe mit einem Durchmesser von 24, mm und einer Dicke von 115μιη. Auf einer derartigen Scheibe können etwa 250 der nachstehend zu beschreibenden Halbleiterdioden hergestellt werden. Der Deutlichkeit hafber ist in F i g. 1 eine geringere Anzahl dieser Dioden in einem in bezug auf den Scheibendurchmesser vergrößerten Maßstab in Draufsicht dargestellt. Die durch die L .--.en A. B, Cund D der Fig. I begrenzte Halbleiterdiode :si in Fig.6 schematisch im Querschnitt längs der Linie H-II der Fig. 1 dargestellt. Diese Diode enthält (siehe Fig.6) einen plattenförmigen Halbleiterkörper aus Silizium, der durch zwei nahezu parallele Hauptflächen 1 und 2 begrenzt ist. die mit Elektrodenschichten 3 und 4 bedeckt sind und zwischen denen sich nacheinander ein erstes Gebiet 5 aus p-leitendem Silizium, ein zweites

ω Gebiet (6, 7) aus n-leitendem Siliziuui mit einem spezifischen Widerstand von etwa 0,03 Ω und einer nahezu homogenen Dotierung von 7.1O¹⁷ Donatoratomen/cm³ und ein drittes Gebiet 8 aus p-leilenden Silizium erstrecken. Diese drei Gebiete sind voneinan-

J5 der durch zwei pn-Obergänge 9 und 10 getrennt, die nahezu über ihre ganze Oberfläche zu den Hauptflächen 1 und 2 parallel verlaufen. Das zweite Gebiet besteht aus einem Mittelteil 6 mit einer Dicke von 15 [im und einem sich bis zum Rand der Halbleiterplatte erstreckenden Randteil 7 mit einer Dicke von 65 μπι. Dabei sind in den zwischen dem Randteil 7 und der Hauptfläche 1 bzw. der r'.auptfläche 2 liegenden Teilen des ersten Gebietes 5 und des dritten Gebietes 8 η-leitende Oberflächenzonen 11 und 12 angebracht. Die Hauptfläche 1 ist mit einer metallenen Elektrodenschicht 3 bedeckt, die mit dem ersten Gebiet 5 und mit der Oberflächenzone 11 einen ohmschen Kontakt herstellt. Die Hauptfläche 2 ist mit einer metallenen Elektrodenschicht 4 bedeckt, die mit dem dritten Gebiet 8 und mit der Oberflächenzone 12 einen Kontakt herstellt.

Die Wirkungsweise dieser Halbleiterdiode ist folgende. Wenn an die Elektrodenschicht 3 eine in bezug auf die Elektrodenschicht 4 negative Spannung gelegt und diese F-.iannung allmählich erhöht wird, wird bei einer Spannung von etwa 30 V am pn-übergang 9 ein Lawineneffekt auftreten, wodurch die durch die Gebiete 5,6 und 8 gebildete pnp-Struktur unter dein Einfluß der bei dieser Dreischicht-Struktur infolge der verhältnismäßig geringen Dicke des Gebietes 6 auftretenden

w) Transistorwirkung von dem schlecht leitenden Zustand mit sehr niedriger Stromstärke in einen gut leitenden Zustand mit einer höheren Stromstärke und einem Spannungsabfall von etwa 20 V über dieser pn-Struktur übergeht.

μ In diesem gut leitenden Zustand findet eine starke Injektion von Löchern in das η-leitende Gebiet 6 und in das Gebiet 7 statt, wo diese Löcher zu Leitungsmodulation Anlaß geben. Infolge dieser Leitungsmodulation

wird nun die durch die Gebiete 8, 6, 5 und 11 gebildete pnpn-Struktur, die sich bisher infolge einer verhältnismäßig großen Dicke und eines hohen spezifischen Widerstandes des Gebietes 7 im schlecht leitenden Zustand befand, gezündet. Dabei sinkt der Spannungsabfall über dieser pnpn-Strtiktur und somit auch der Spannungsabfall über der ganzen Diode zwischen den Elektrodenschichten 3 und 4 auf einen Wert von etwa I V herab, wonach der gut leitende stabile Zustand erreicht ist.

Wegen der Symmetrie der Diode wird beim Anlegen einer gegensinnigen Spannung zwischen den tilcktrodenschiehten 3 und 4 derselbe Mechanismus wirksam, wobei nun aber die wirksame pnpn-Struktiir durch die Gebiete 5,6,8 und 12 gebildet wird.

Der Leckstrom am Rande der Siliziumplatte und demzufolge die IInstabilität der elektrischen Eigenschaften der Halbleiterdiode nach der Erfindung sind crncbiicn verringert, weii der Abstand /wischen cien pn-Übergängen 9 und tO am Rande mehr als viermal größer als in der Mitte ist. Die Zündkennlinien der Dreischicht-Struktur in der Mitte sind dadurch von den Oberflächenzuständen am Rande nahezu unabhängig geworden.

Die beschriebene Halbleiterdiode läßt sich auf folgende Weise sehr einfach herstellen.

Es wird von einer n-leitcnden Siliziumscheibe mit einem spezifischen Widerstand von etwa 0.03 Ω-cm (Dotierung 7.10" Donatoratomen/cm¹), einem Durchmesser von 24 mm und einer Dicke von 115 μιτι ausgegangen. Diese Scheibe ist in Fig. 1 in Draufsicht und in Fig. 2 teilweise im Querschnitt längs der Linie M-Il der Fig.! dargestellt.

Auf dieser Scheibe wird dann eine Borsilikatglasschicht dadurch angebracht, daß die Scheibe auf einer Temperatur von 500"C in einer Stickstoffströmung erhitzt wird, der Tetra-älhoxysilan mit einer Dotierung von etwa 8 Vol.-% Triäthylboran zugesetzt ist. Nach 25 Minuten hat sich dabei auf dem Silizium eine Glasschicht 13 mit einer Dicke von 0,4 μίτι gebildet (siehe F i g. 3). Diese Glasschicht wird als Quelle für die nun folgende Diffusion benutzt.

Mit Hilfe in der Halbleitertechnik allgemein üblicher Photomaskierungsverfahren wird diese Glasschicht anschließend teilweise weggeätzt, bis das in Fig. 1 gezeigte Muster erhalten ist, wobei quadratischi Glasfenstcr 14 verbleiben (siehe auch Fig.4). die Abmessungen von 500 χ 500 μιη aufweisen und vonein ander durch Bahnen mit einer Breite von 500 μη

^r) getrennt sind, in denen die Glasschicht weggeätzt ist.

Die Siliziumscheibe wird dann einer Diffusion in einei zugeschmolzenen evakuierten Quarzkapsel in Gegen wart einer Quelle von mit Bor dotiertem Siliziumpiilvci mit einer Konzentration von 7.l0¹⁸at/cm³ und einei

in Quelle von mit Arsen dotiertem Siliziumpulver mit einei Konzentration von 2.10¹" at/cm^! unterworfen. Die Diffusion erfolgt bei 1280 C während 40 Stunden. Die Glasschichtteile 14 bilden dabei eine Diffusionsquelk mit einer Oberflächcnkonzenlraiion von 5.1O²⁰ Borain·

i> men/cm', während die beiden übrigen Diffusionsqueller Oberflächenkonzentrationen herbeiführen, die gleich der Oberflächenkonzentration des betreffenden dotier ten Siliziumpulvers sind.

infolge dieser Diffusion, bei der die Diffusionskon stante von Arsen erheblich niedriger als die von Bor ist wird nach Spülen in einer Fluorwasserstofflösung /.in Entfernung der Glasschichten die in Fig.5 gezeigu Struktur erhalten, wobei die Dicke der p-leitender Gebiete 5 und 8 50 μπι. die der Gebiete 11 und 12 ΙΟμιν

-'i und die der Gebiete 7 65 μπι beträgt. Die dazwischenlie genden Gebiete 6, 15 und 16 weisen daher alle eine Dicke von 15μιη auf.

Die Scheibe wird dann mit einer Nickelschicht (3, 4] (siehe F i g. 6) durch stromlose Vernickelung überzogen

Ji Die Nickelschicht wird anschließend vergoldet, wonach durch Sägen längs der Linien A. B, C. D (siehe Fig. 1] die einzelnen in F i g. 6 im Schnitt dargestellten Dioder erhalten werden. Der Rand dieser Dioden wird danr noch einer Ätzbehandlung unterworfen, um die durch

i'· das Sägen an der Oberfläche herbeigeführten Kristallfehler, die die elektrischen Eigenschaften der pn-Übergange beeinträchtigen könnten, zu beseitigen. Die Elektrodenschichten 3 und 4 werden dann mil Anschlußleitern versehen, wonach das Ganze in einer geeigneten Umhüllung untergebracht wird.

Obwohl in dem beschriebenen Ausführungsbeispiel Silicium als Halbleitermaterial verwendet wurde können auch andere Halbleitermaterialien benutzt werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnunaen

Claims (5)

Patentansprüche: freigelegt werden.

1. Halbleiterdiode zur Anwendung in einer Triggerschaltung, welche einen plattenförmigen Halbleiterkörper enthält, der durch zwei nahezu parallele Hauptflächen begrenzt ist, die mit Anschlußkontakten versehen sind und zwischen denen sich nacheinander ein an die erste Hauptfläche angrenzendes erstes Gebiet vom einen Leitungstyp, ein zweites Gebiet vom anderen Leitungstyp und ein an die zweite Hauptfläche angrenzendes drittes Gebiet vom einen Leitungstyp erstrecken, die voneinander durch zwei sich bis zum Rand der Halbleiterplatte erstreckende PN-Übergänge getrennt sind, die nahezu über ihre ganze Oberfläche is zu den Hauptflächen parallel sind, wobei das zweite Gebiet aus einem Mittelteil mit geringerer Dicke und einem sich bis zum Rand der Halbleiterplatte erstreckenden Randteil mit größerer Dicke besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die Struktur der Halbleiterdiode in bezug auf eine zu den Hauptflächen parallelen Symmetrieebene symmetrisch ist, daß in den zwischen dem Randteil (7) und einer Hauptfläche (1, 2) liegenden Teilen des ersten (5) und des dritten Gebietes (8) Oberflächenzonen (11, 12) vom anderen Leitungstyp angebracht sind, die an den Rand der Halbleiterptatte angrenzen, und daß jede der Hauptflächen wenigstens teilweise mit einer Elektrodenschicht (3,4) bedeckt ist, die sowohl mit dem ersten (5) bzw. dem dritten Gebiet (8) wie auch mit der an der betreffenden Hauptfläche angrenzender: Oberflächenzone (11, 12) in Kontakt steht.

2. Halbleiterdiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Randteil (7) des zweiten « Gebietes (6, 7) eine Dicke hat, die mindestens gleich dem Zweifachen der Dicke des Mittelteiles (6) des zweiten Gebietes ist.

3. Halbleiterdiode nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Gebiet (6, 7) eine *o Dotierungskonzentration zwischen etwa 5.10" At/cm³undetwa IO¹⁸ At/cm³hat.

4. Halbleiterdiode nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Mittelteil (6) des zweiten Gebietes (6,7) eine Dicke zwischen etwa 10 μΐη und «5 etwa 20 μΐη hat.

5. Verfahren zur Herstellung einer Halbleiterdiode nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein plattenförmiger Halbleiterkörper vom anderen Leitungstyp auf so beiden Seiten mit einer Glasschicht (13) versehen wird, die ein erstes Dotierungsmaterial vom einen Leitungstyp enthält, welche Glasschicht dann außerhalb des Mittelgebietes der Halbleiterplatte entfernt wird, wonach in einem Diffusionsschritt gleichzeitig ein zweites Dotierungsmaterial vom einen Leitungstyp mit niedriger Oberflächenkonzentration als das erste Dotierungsmaterial und ein drittes Dotierungsmaterial vom anderen Leitungstyp, für das die Glasschicht praktisch eine Sperre bildet und das eine «J höhere Oberflächenkonzentration und eine niedrigere Diffusionskonstantc als das zweite Dotierungsmaterial hat, in die Halbleiterplatte eindiffundiert werden, so daß im Randgebiet der Platte eine Fünfschicht-Struktur und im Mittelgebiet der Platte ""> eine Dreischicht-Struktur gebildet wird, wonach durch Entfernung von Material an der Randoberfläche der Platte die gebildeten PN-Übergänge Die Erfindung betrifft eine Halbleiterdiode nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Eine solche Halbleiterdiode ist bekannt aus der FR-PS 14 61 972.

Eine solche Diode kann sich bei einer gleichen Spannung zwischen den Anschlußkontakten in zwei verschiedenen Gleichgewichtszuständen befinden und bildet daher ein bistabiles Element. In dem einen (schlecht leitenden) Zustand ist dabei der Strom durch die Diode erheblich niedriger als in dem gut leitenden Zustand. Wenn vom schlecht leitenden Zustand ausgegangen wird, kann durch Vergrößerung des Spannungsunterschiedes zwischen den Anschlußkontakten das bistabile Element bei einer bestimmten Spannung von dem schlecht leitenden in den gut leitenden Zustand übergehen. Durch Unterbrechung des Stromes kann das bistabile Element wieder in den schlecht leitenden Zustand gebracht werden.

Die bekannten Halbleiterdioden dieser Art haben den Nachteil, daß ihre elektrischen Eigenschaften und insbesondere die Spannung, bei der ein Übergang von dem schlecht leitenden in den gut leitenden Zustand auftritt, in erheblichem Maße durch Änderungen beeinflußt werden, die an den Stellen auftreten, an denen sich die Halbleiteroberfläche und die pn-Übergänge schneiden.

Ferner haben die beschriebenen, bekannten Halbleiterdioden im Vergleich z. B. zu pnpn-Strukturen den Nachteil, daß auch im gut leitenden Zustand der Spannungsabfall über der Diode nicht verhältnismäßig groß ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine symmetrische Halbleiterdiode zu schaffen, die bei relativ niedrigem Spannungsabfall im leitenden Zustand eine hohe Schallgeschwindigkeit und eine beträchtliche Unempfindlichkeit für Oberflächeneffekte aufweist, und die auf einfache Weise hergestellt werden kann.

Der Erfindung liegt dabei die Erkenntnis zugrunde, daß, wenn am Rand des Halbleiterkörpers der Diode eine Fünfschicht-Struktur eingebaut wird, eine Diode erhalten werden kann, die im Vergleich zu bekannten Dioden eine geringere Empfindlichkeit gegenüber Leckstromänderungen an .der Halbleiteroberfläche aufweist und bei der auch während und nach dem Übergang von dem schlecht leitenden in den gut leitenden Zustand der Spannungsabfall über der Diode auf einen Mindestwert herabgesetzt ist.

Aus der DE-AS 10 90 33) ist eine PNPN-Halbleiterdiode bekannt, bei der eine der mittleren Schichten aus einem dünnen zentralen Teil und einem dickeren Randteil besteht. Dabei sind die Hauptelektroden aber nur auf den äußeren Schichten und nicht auf den mittleren Schichten vorgesehen. Außerdem bildet diese Diode einen Strombegrenzer und nicht eine triggerbare Diode.

Aus der US-PS 32 77 352 ist eine Halbleiterdiode mit PNPN-Struktur bekannt, bei der eine der mittleren Zonen einen dünnen zentralen Teil und einen dickeren Randteil aufweist und bei der eine der Hauptelektroden sowohl mit einer äußeren Zone als auch mit der anderen mittleren Zone in Kontakt ist. Dabei enthält der Randteil der Platte eine asymmetrische Drei- oder Vierschicht-Struktur und der zentrale Teil zwischen den