DE2028632A1 - Halbleiterbauelement - Google Patents
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Description
6975-70/iCö/S.
RCA 61,664
Convention Date:
June 10, I969
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
009851/1518
liegenden η ρ -Übergang durchdringt, so dali das Bauelement kurz-
BAD OBlGiNAL
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 iOa
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-
0 0 9 8 51/1518 bad original
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
0 0 9 8 S.1 / .1.5 1.8 BAD' ORIGINAL
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-
21 ^
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-
009851/1518 bad original
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
009851/1518
η ρ -übergang 34 erfolgt. Der η ρ -übergang 34 hat oino Ihireh-
BAD ORIGINAL
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.
BAD.ORIQIiMÄL
009851/1518
Claims (1)
- - 8 PatentansprücheHalbleiterbauelement 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.009851/1518 "BAD ORi'GINÄL■ _ Q —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.BAD ORIGINAL009851/1518
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