DE2028632A1

DE2028632A1 - Halbleiterbauelement

Info

Publication number: DE2028632A1
Application number: DE19702028632
Authority: DE
Inventors: Israel Haim Plainfield; Khajezadeh Heshmat Somerville; N J Kalish, (V.St.A.). HOIl
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1969-06-10
Filing date: 1970-06-10
Publication date: 1970-12-17
Also published as: GB1271896A; DE2028632B2; BE751635A; YU147470A; DE2028632C3; FR2045944B1; ES380358A1; MY7300409A; FR2045944A1; NL7008349A; ES410121A1; SE361555B; YU36240B; NL170068B; NL170068C

Description

6975-70/iCö/S.
RCA 61,664
Convention Date:
June 10, I969

RCA Corporation, New Yor'c, N.Y., V.St.A»

Halbleiterbauelement

Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement mit gleichrichtender Sperrschicht. Sie befaßt sich insbesondere mit η ρ Zenerdioden und Sperrschicht-Kondensatoren für monolithische integrierte Schaltungen.

Bisher wurden Zenerdioden in monolithischen integrierten Schaltungen vielfach in der //eise hergestellt, daß man in den integriertein Schaltungskörper eine, erste Zone hoher Leitfähigkeit des einen Leitungstyps und anschließend in einen Teil dieser ersten Zone eine zweite Zone hoher Leitfähigkeit des entgegengesetz ten Leitungstyps, und zwar gewöhnlich eine η -Zone in eine diffun dierte ρ -Zone eindiffundiert. Die Dotierstoffkonzentration in beiden Zonen ist dabei sehr hoch, und der η ρ -übergang zwischen den Zonen befindet »sich in geringer Tiefe, gewöhnlich in einer Tiefe von weniger als 1 Mikron. Die geringe Tiefe des η ρ -Übergangs hat dabei jedoch zur Folge, daß viele der Dioden beim Anlegieren von elektrischen Kontakten undicht, d.h. ableitend, oder kurzgeschlossen werden. Wenn man Aluminium, das man im allgemeinen für die elektrischen Kontakte verwendet, auf eine für das Anlegieren an das Halbleitermaterial ausreichende Temperatur erhitzt, frilit es sich durch die Oberfläche in den Halbleiterkörper ein, wobei es insbesondere die zweite Zone und den in geringer Tiefe

ig durchdringt, s

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liegenden η ρ -Übergang durchdringt, so dali das Bauelement kurz-

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geschlossen wird und dadurch' die Produktionsausbeute sich entsprechend verschlechtert.

Eine zur Vermeidung: dieses Nachteils erfindungsgemäß vorgesehene Zenerdiode weist einen Körper aus Halbleitermaterial mit einer aus zxtfei Teilen bestehenden ersten Zone eines gegebenen Leitungstyps auf, wobei einer dieser Teile eine hohe und der andere Teil eine erheblich niedrigere Dotierstoff konzentration hat". Eine zweite Zone hoher Leitfähigkeit des entgegengesetzten Leitungstyps ist an beide Teile der ersten Zone angeschlossen und von beiden Teilen durch je einen pn-übergang getrennt, wobei der pn-übergang zwischen der zweiten Zone und dem Teil mit niedrigerer Dotierstoffkonzentration sich in erheblich größerer Tiefe befindet als der pn-übergang zwischen der zitfeiten Zone und dem Teil mit hoher Dotierstoffkonzentration. Die elektrische Kontaktierung der zweiten Zone erfolgt lediglich auf dem Teil mit niedrigerer Dotierstoff konzentration, wo der pn-übergang sich in erheblich größerer Tiefe befindet.

In den Zeichnungen zeigen:

Figur 1 einen schematischen Querschnitt eines Teils einer monolithischen integrierten Schaltung mit erfindungsgemäßer Zenejr diode)

Figur 2 bis (3 schematische Querschnittsdarstellungen, die ver schiedene Stufen eines bevorzugten Verfahrens zur Herstellung der erfindungsgemäßen Zenerdiode veranschaulichen! und

figur 7 ein Diagramm, das die Diffusionsprofile für die erfindungsgemäße Zenerdiode wiedergibt„

Figur 1 zeigt im Querschnitt einen Teil einer monolithisclien integrierten Schaltung mit einer erfindungsgemäßen Zesierdiode iO_a Die integrierte Schaltung besteht aus einem Halbleitersubstrat und einer darauf befindlichen epitaktischen Schielst 14» die vom Substrat durch einen pn-übergang 16 getrennt ist. In Figur 1 ist das Substrat. 12 p-leitend und kann in bekannter Weise ein η -Gobiet l8 am übergang K enthalten. Die epitaktische Schicht 14 ist η-leitend und hat eine freiliegende Oberfläche 20. Ein ρ -Ring-

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gebiet 22 umgibt einen Teil der epitaktischen Schicht 14 unter Bildung eines η-leitenden Wannengebietes 24, das vom übrigen Teil der epitaktischen Schicht 14 elektrisch isoliert ist. Das n-Gebiet 24 enthält gewöhnlich ein oder mehrere elektronische Bau elemente, wie beispielsweise in Figur 1 die Zenerdiode 10 an der Oberfläche 20.

die Zenerdiode IQ hat eine erste Zone 26 des einen Leitungstyps mit zwei Teilen 28 und 30, die seitlich untereinander verbunden sind und an die Oberfläche 20 angrenzen, wobei jedoch der Teil 28 eine erheblich höhere Leitfähigkeit und Dotierstoffkonzentration als der andere Teil 30 aufweist. In Figur 1 ist die Zone 26 p-leitend und besteht aus einem ρ -Teil 28 und einem p-Teil 30. Der Teil 28 reicht außerdem in eine erheblich größere Tiefe als der Teil 30. Eine zweite Zone 32 des entgegengesetzten Leitunf.'styps mit hoher Leitfähigkeit ist mit den beiden Teilen und 3-0 der ersten Zone 20 verbunden und befindet sich ebenfalls an der Oberfläche 20. In Figur 1 ist die zweite Zone 32 η -leitend und innerhalb der beiden Teile 28 und 30 unter Bildung eines η ρ -Übergangs 34 mit dem ρ -Teil 28 und eines η p-Übergangs 36 mit dem p-Teil 30 angeordnet. Der η p-ubergang 36 zwischen der zweiten Zone 32 und dem schwächer dotierten Teil 30 befindet sich in erheblich größerer Tiefe als der η ρ -Übergang 34 zwischen der zweiten Zone 32 und dem stark dotierten Teil Der elektrische Anschluß wird durch elektrische Kontakte 38 und

40 hergestellt, die an die Oberflächen der η -Zone 32 bzw. der

+ ■ ■ j. ■ ■ ■ ρ -Zone 28 anlegiert sind. Der Kontakt 38 an der η -Zone 32 befindet sich lediglich Über dem p-Teil 3.0, wo der η p-übergang in erheblich größerer Tiefe liegt.

Figur 2 bis 6 veranschaulichen verschiedene Stufen eines be vorzugten Herstellungsverfahrens für die Zenerdiode 10 in einer typischen monolithischen integrierten Schaltung. Figur 2 zeigt einen Teil der integrierten Schaltung vor der Ausbildung der Zenerdiode 10. Das Substrat 12 und die epitaktische Schicht 14 bestehen aus monokristallinem Silicium mit spezifischen Widerständen von. 25t.W bzw. 1-6 Ohmzentimetern. Die'epitaktische Schicht

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14 ist in einer Dicke von 10 bis 14 Mikron aufgewachsen und hat eine Dotierstoffkonzentration von ungefähr J χ 10 Atomen pro cm . Das η -Gebiet l8 und das ρ -Ringgebiet 22 können nach bekannten Diffusionsverfahren gebildet sein.

Der erste Schritt bei der Herstellung der Zenerdiode 10 besteht darin, daß in das n-Gebiet 24 der ρ -Teil 28 der Zone 2 6 eindiffundiert wird. !Vie in Figur 3 gezeigt, wird die Oberfläche 20 mit einer Passivierungsschicht 42 beschichtet, von der ein Teil entfernt wird, um einen Teil der Oberfläche 20 über dem n-Gebiet 24 freizulegen. Gewöhnlich geschieht dies in der Weise, daß eine Siliciumdioxydschicht in einer Dicke von 5000 bis 100.00$ aufgebracht und nach bekannten Photoätzverfahren ein Teil dieser Schicht entfernt wird. Sodann erfolgt eine ρ -Diffusion, indem die Oberfläche 20 45 Minuten lang bei 1150 C. Bornitrid und anschließend 45 Minuten lang bei 1165 C. Wasserdampf ausgesetzt wird. "0er dabei entstehende ρ -Teil 28 diffundiert tief in das n-Gebiet 24 bis zu einer Tiefe von ungefähr 4»5 Mikron ein, ehe seine Dotierstoffkonzentration unter diejenige des n-Gebietes absinkt. .'...-

Sodann wird der p-Teil 30 der ersten Zone 26 durch Eindiffun dieren gebildet. Der Oxydbelag 42 wird entfernt, und ein neuer Oxydbelag 44 wird aufgebracht und aufgebrochen, um einen anderen Teil der Oberfläche 20 freizulegen. Wie in Figur 4 gezeigt, wird der Oxydbelag 44 im Bereich am ρ -Teil 28 und an einem seitlich damit verbundenen Teil des n-Gebietes 24 entfernt, so daß bei der anschließenden p-Diffusion seitlich verbundene p- und ρ -Teile 30 und 28 an der Oberfläche 20 gebildet werden. Dieses p-Eindiffundieren erfolgt in der Weise, daß die Oberfläche 20 für eine Dauer von 40 Minuten bei 950° C. Bornitrid und anschließend 50 Minuten lang einer trockenen Atmosphäre sowie 50 Minuten lang einer feuchten Atmosphäre bei 1100 C. ausgesetzt wird. Sowohl für die p- als auch die ρ -Diffusion wird das gleiche Gas Bornitrid verwendet, wobei Jedoch aufgrund der niedrigeren Aufbring- und Diffu;;ionstempt;raturen bei der p-Üiffusion der gebildete p-Tei.3. 30 eine erheblich niedrigere Dotierstoffkonzentration und

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Diffusionstiefe hat. Der p-Teil 30 diffundiert nur bis zu einer Tiefe von ungefähr 2,0 Mikron ein, ehe seine Dotierstoffkonzentration unter die des n-Gebietes 24 abfällt. Gewöhnlich erfolgt diese p-Diffusion gleichzeitig mit den Basis- und Widerstandsdiffusionen in anderen Teilen der integrierten Schaltung, so daß ein zusätzlicher Diffusionsschritt nicht erforderlich ist. Sodann wird die η -Zone 32 durch Diffusion hergestellt.Der Oxydbelag 44 wird entfernt, und ein neuer Oxydbelag 46 wird aufgebracht und aufgebrochen, um einen anderen Teil der Oberfläche 20 freizulegen, wie in Figur 5 gezeigt, wird der Oxydbelag 46 in einem Teil des Bereiches an sowohl dem ρ -Teil 28 als auch dem p-Teil 30 der Zone 26 entfernt. Die η -Diffusion kann dann in der Weise erfolgen, daß die Oberfläche 20 für eine Dauer von l8 Minuten POCl,, bei 1050° C. und anschließend 45 Minuten lang Wasserdampf bei 945 C. ausgesetzt wird. Die dadurch gebildete η -Zone 32 liegt innerhalb beider Teile der ersten Zone 26, wobei die gleichrichtenden Sperrschichten oder Übergänge 34 und 36 mit den Teilen 28 bzw. 30 bestehen. Die sich bei den oben beschriebenen Ulffusionsvorgängen ergebenden Sperrschichttiefen und Diffusions profile werden nachstehend erläutert.

Das Diagramm nach Figur 7 gibt die Dotierstoffkonzentration in Abhängigkeit von der Tiefe für beide Teile der ersten Zone 26 sowie für die zweite Zone 32 wieder. Wie die Kurve 50 zeigt, hat der ρ -Teil 28 eine hohe Oberflächendotierstoffkonzentration von 8 χ 10 Atomen/cm' und reicht tief in das n-Gebiet 24 hinein. Wie die Kurve 52 zeigt, hat der p-Teil 30 eine erheblich niedrigere Oberflächendotierstoffkonzentration von 5 x 10 Atomen/cm und reicht nicht so tief in das n-Gebiet 24 hinein. Die in beide Teile der ersten Zone 26 eindiffundierte η -Zone 32 bildet mit den beiden Teilen eine gleichrichtende Sperrschicht in ,-jeweils unterschiedlicher Tiefe, jonachdem, in welcher Tiefe die entsprechenden Dotierstoffkonzentrationen ausgeglichen werden. Wie die Kurve 54 zeigt, hat die η -Zone 32 die höchste Oberflächen-

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dotierstoffkonzentration von 1,2 χ 10 Atomen/cm , wobei jedoch diese Zone nicht sehr tief reicht. Die η -Dotierstoffkonzentration gemäli Kurve 54 fällt schnell unter die ρ -Dotierstoffkonzen-

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tration gemäß Kurve 50 ab, wobei am Schnittpunkt der beiden Kurven der η ρ -Übergang 34 ausgebildet ist. Der durch, die gestrichelte Linie 56 angedeutete Übergang 34 am Schnittpunkt der Kurven 50 und 54 liegt ähnlich wie bei bekannten Zenerdioden in einer geringen Tiefe von ungefähr 0,7 Mikron (u). Jedoch ist die p-Dotierstoffkonzentration gemäß Kurve 52 erheblich niedriger als

die ρ -Dotierstoffkonzentration gemäß Kurve 50, so daß die η - .

Dotierstoffkonzentration gemäß Kurve 54 bis in eine größere Tiefe oberhalb der p-Dotierstoffkonzentration gemäß Kurve 52 bleibt und der η p-ü'bergang 36 in der größeren Tiefe von ungefähr 1,4 Mikron liegt, wie durch die gestrichelte Linie 58 angedeutet.

Sodann wird die Zenerdiode 10 durch Anbringen der elektrischen Kontakte 38 und 40 elektrisch kontaktiert, iv'ie in Figur 6 gezeigt, wird ein neuer Oxydbelag 48 aufgebracht und aufgebrochen, so daß ein Teil der Oberfläche 20 an der η -Zone 32 sowie ein weiterer Teil der Oberfläche 20 am ρ -Teil 28 freigelegt werden. An der η -Zone 32 wird die Oberfläche 20 nur in demjenigen Bereich freigelegt, v/o die -n -Zone 32 sich innerhalb des p-Teils 30 mit der erheblich niedrigeren Dotierstoffkonzentration und der erheblich größeren Tiefe des η p-übergangs 3t befindet„ Sodann wird auf den Oxydbelag 48 und die beiden freigelegten Teile der Oberfläche 20 ein Belag aus hochleitendem Material aufgebracht und werden durch selektives Entfernen dieses Belages die elektrischen Kontakte 38 und 40 erhalten. Gewöhnlich werdcndie elektrischen Kontakte aus Aluminium gefertigt, das auf die Oberfläche 20 aufgedampft und anschließend durch Erhitzen auf 530 C. an das Silicium anlegiert wird. Da der elektrische kontakt 36 für die η -Zone 32 sich nur im Bereich über dem p-Teil 28 befindet, wo der η p-übergang 36 in erheblich größerer Tiefe liegt, ist die Möglichkeit, daß das Aluminium den η p-uberganp- 30 durchbricht und dadurch die Zenerdiode 10 kurzgeschlossen wird, stark verringert.

Die η ρ -Charakteristik von Zenerdioden bleibt bei der vorliegenden Zenerdiode 10 erhalten, da der Spannungsdurchbruch am

gt. Der η ρ -übe

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η ρ -übergang 34 erfolgt. Der η ρ -übergang 34 hat oino Ihireh-

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bruchsspannung von 5» S Volt, während der η p-übergang 36 eine höhere Dur chbruclis spannung von 7*0 Volt hat, so daß der ■ Zenerdurchbrach der Diode am η ρ -übergang 34 mit der niedrigeren Durchbruchsspannung; erfolpt, obwohl die η -Zone 32 nur über dem η p-ubergranp; 3(> elektrisch kontaktiert ist.

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Claims

- 8 Patentansprüche

Halbleiterbauelement mit einem Körper aus Halbleitermaterial, in welchem eine erste Zone eines gegebenen Leitungstyps mit zwei Teilen, deren einer eine hohe und deren anderer eine erheblich niedrigere Dotierstoffkonzentration aufweist, ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß im Halbleiterkörper (12) eine zweite, hochleitende Zone (32) des entgegengesetzten Leitungstyps vorhanden ist, die mit beiden Teife len (28, 30) der ersten Zone (26) gebunden und von jedem dieser Teile durch einen pn-übergang (34> 36) getrennt ist, wobei der pn-übergang (36) zwischen der zweiten Zone (32) und dem Teil (30) mit der niedrigeren Dotierstoffkonzentration in erheblich größerer Tiefe liegt als der pn-übergang (34) zwischen der zweiten Zone (32) und dem Teil (28) mit der hohen Dotierstoffkonzentration; und daß die zweite Zone (32) nur über dem Teil (30) mit der niedri geren Dotierstoffkonzentration, wo der pn-übergang (36) sich in erheblich größerer Tiefe befindet, elektrisch kontaktiert (38) ist.

2* Zenerdiode in einer monolithischen integrierten Mikroschaltung mit mindestens einem Transistor mit drei getrennten W diffundierten Gebieten, gekennzeichnet durch eine erste diffundierte Zone gegebenen Leitungstyps mit zwei Teilen, deren einer eine hohe und deren anderer eine erheblich niedrigere Dotierstoffkonzentration aufweistJ eine zweite hochleitende diffundierte Zone des entgegengesetzten Leitungstyps, die innerhalb beider Teile der ersten Zone angeordnet und von jedem der beiden Teile durch einen pn-übergang getrennt ist, wobei der pn-übergang zwischen der zweiten Zone und dem Teil mit'der niedrigeren Dotierstoffkonzentration in erheblich größerer Tiefe als der pn-übergang zwischen der zweiten Zone und dem Teil mit der hohen Dotierstoffkonzentration liegtj und einen die zweite Zone kontaktierenden elektrischen Kontakt, der sich nur über dem Teil mit der niedrigeren Dotierstoffkonzentration, wo der pnübergang in erheblich größerer Tiefe liegt, befindet.

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3. Zenerdiode nach Anspruch 2,dadurch gekennzeichnet , daß der pn-übergang zwischen der zweiten Zone und dem Teil mit der niedrigeren Dotierstoffkonzentration in einer Tiefe von ungefähr 1,4 Mikron (u) liegt.

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