DE2241083B2 - Hochleistungs-Speicherdiode und Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents

Description

'mSiFq&m ist, kann die gespeicherte Ladung ohne einen unreinigungen in den N- und P-Endschichten der

IjI jrofien Spannungsaufbau abgekippt werden. Es ist Diode nicht ausreichend berücksichtigten. Es zeigte

ffitf Mset überlegt worden, daß ein Gleichrichter mit sich, daß bei starker Dotierung dieser Schichten die

SÄ?ein£an leicht dotierten Basisbereich aus P-Material nützlichen Eigenschaften der Hochleistungscpeicher-

;|egenüber Dioden vorzuzieheE ist, de einen Basis- 5 diode in hohem Maße verstärkt werden. Beispiels-

fcereich aus N-Matenal haben, da m diesem Falle weise ergab sich, daß eine durchschnittliche Boratom-

Sie PN-Verbindung auf der P-Kcntaktseite der Vor- konzentration in der stark dotierten P-Schicht zu-

I; jicirtung liegt. Das Problem gegenüber den bisherigen mindest 2 · ΙΟ²» Atome/cra» betragen soUte und daß *' Überlegungen lag nunmehr dann, die Basisbreite der diese Konzentration einen direkten Einfluß auf die ©jode und der Flache zu variieren, um direkt die io Umkehr-Erholungszeit aufweist. In der N-Schicht Länge de»· Speicherzeit und die anderen nützlichen der Diode sollte die Phosphorkonzentratiou zwischen Eigenschaften der Diode zu beeinflussen. etwa 2 · 10²° und 5 · ΙΟ** Atome/cm* liegen. Dieser - Bei einer Diode gemäß der eingangs zitierten Bereich ist sowohl für die Maximierung der Speicherpffenlegungsschnft besteht der schwächer dotierte zeit als auch die Minimierung des Übergangs in der igasisbereich (Mittelzone) aus einem N-leitenden und 15 Speicherphase besonders vorteilhaft,
ieinero P-Mtenden Teil, wobei der P-leitende Teil Weiterhin ergab sich, daß die Diffusion von Nickel etwa 3- bis lOmal so dick wie der N-leitende Teil in den Raumladungsbereich der Diode die Minoritäts-,.ist und die beiden Endschichten eine Dotierungs- träger-Lebensdauer erhöht und damit die Speicher- |g|conzeutration von 10¹⁸ Atomen/cm³ aufweisen. Die zeit vergrößert, ohne die anderen vorteilhaften elek-Bildung eines PN-Übergangs in der Mittelzone ergibt ao trischen Eigenschaften der Vorrichtung in merkeinen Gleichrichter mit besonders geringem Aus- barer Weise zu verschlechtern,
räumspannungsbedarf und führt zu einem stufen- Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch eine herförmig auf Sperrstromgröße abklingenden Rückstrom kömmliche N-P-P+-Diode;

bei geringem Stromdurchhang in der Rückstrom- Fig. 2 ist ein Strom-Diagramm während des Um-

phase. Diese Phase wird dabei allerdings verkürzt, as kehr-Erholungsvorganges der Hochleistungsspeicher-

doch verlangt eine derartige Diode ein Vergleichs- diode.

weise aufwendig herzustellendes Dotierungsprofil. Der Ausdruck »Speicherdiode« wird hier zur Be-Demgegenüber bezweckt die vorliegende Erfindung zeichnung einer Gruppe von Dioden verwendet, die die Schaffung einer Hochleistungsspeicherdiode, die nach dem Umschalten von einem Durchgangsstrombei geringem Stromdurchhang in der Rückstrom- 30 zustand in einen Rückstromzustand eine endliche, phase (Speicherphase) und kurzer Rückkehrzeit in gesteuerte Speicherphase aufweisen, der ein sehr den Sperrzustand über eine vergleichsweise lange, plötzlicher Übergang vom Rückstromzustacd zur genau steuerbare Speicherphase mit großen Rück- Unterbrechung folgt. Während dieses Umkehr-Erstromstärken verfügt und dabei ohne sonderlichen holungsvorganges kann das Verhalten des Stromes Dotierungsaufwand hergestellt werden kann. Dioden 35 gegenüber der Zeit bei diesen Dioden sehr nahe an mit solchen Kennlinien haben sich als besonders eine Stufenfunktion herangebracht werden. Es ist nützlich für Tmpulsmodulatoren mit hoher Spitzen- von Bedeutung, daß der Rückstrom während der leistungs-Aufnahmefähigkeit erwiesen. Speicherphase im wesentlichen gleichförmig bleibt Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einer Hoch- und der Übergang zur Unterbrechung oder Rückleistungsspeicherdiode der eingangs genannten Art 40 Stromsperrung der Diode während eines sehr kurzen erfindungsgemäß vorgesehen, daß der Basisbereich Zeitraumes erfolgt. Ferner soll die Speicherphase so ausschließlich aus P-Material besteht und daß die lang wie möglich sein, ohne den Durchgangsstromerste Endschicht eindiffundierten Phosphor mit einer abfall unangemessen zu vergrößern,
durchschnittlichen Dotierungskonzentration (Durch- Es ist bekannt, daß eine Siliziumdiode des Schnittskonzentration) von etwa 2 bis 5 · 10²⁰AtO- 45 N-P-P+-Typs als Hochleistungsspeicherdiode sehr gemen/cm^s und die zweite Endschicht eindiffundiertes eignet ist. Eine derartige Diode umfaßt, wie F i g. 1 Bor mit einer Durchschnittskonzentration von etwa zeigt, einen Siliziumkörper 10, einen inneren, sehr 2 · 10²⁰ oder mehr Atomen/cm³ enthält. leicht dotierten Grundbereich 12 mit P-Leitfähigkeit, Durch die Erfindung wird eine Hochleistungs- einen stärker dotierten Endbereich 16 mit P-Leitspeicherdiode geschaffen, die große Ströme von über 50 f ähigkeit und einen gegenüberliegenden Endbereich 14 200 A in Durchgangsrichtung aufnehmen kann und mit N-Leitfähigkeit. In herkömmlicher Weise werden große Rückströme von 50 bis 100 A für Speicher- derartige Dioden aus einem Siliziumkörper aus zeiten von 3 bis 6 MikroSekunden je nach der Fläche P-leitendem Material mit einer Dotierung von etwa der Vorrichtung aufweist. Die Hochleistungsspeicher- 1 · 10¹⁴ Atomen/cm^s hergestellt. Dieser Siliziumkördioden zeichnen sich ferner aus durch eine stufen- 55 per wird sodann einem doppelten Diffusionsvorgang weise oder schlagartige Erholung, d. h. eine Erho- unterworfen, wobei Phosphor zunächst in eine Endlungszeit von dem Zustand des maximalen Rück- fläche bis zu einer bestimmten Tiefe zur Bildung der Stroms in den Sperrzustand von weniger als V10 Mi- N-Schicht 14 und Bor anschließend in die gegenkrosekunde. Derartige Dioden weisen gleichförmige überüegende Endfläche bis zu einer bestimmten Tiefe Äückstrombedingungen auf, wobei der Unterschied 60 zur Bildung der P⁺-Schicht 16 eindiffundiert wird, zwischen dem maximalen Rückstrom und dem Strom Der Grundbereich 12 umfaßt sodann eine Mittelunmittelbar vor der schlagartigen Erholung (»droop«) schicht, die sich zwischen den äußeren, stark dotiernicht mehr als 10 oder 20% des maximalen Rück- ten Schichten der Diode erstreckt.
Stroms ausmacht. Es hat sich gezeigt, daß der spezifische Widerstand Es hat sich gezeigt, daß die herkömmlichen Theo- 65 des Siliziumausgangsmaterials zwar ohne Bedeutung rien über die Rückstrombedingungen in Hochlei- für die Umkehrspeicherzeit und die Erholungszeit ist, stungsspeicherdioden die Effekte der Variierung der jedoch einen Einfluß auf die Lawinendurchschlags-Konzentrationsniveaus der Bor- und Phosphor-Ver- spannung oder maximalen Rückspannung ausübt, die

die Diode verarbeiten kann. Wenn eine Rückspan- Bortrioxyd (B₂O₃) bestrichen, während der Rest des nun_E von 1000 V oder mehr erforderlich ist, sollte Körpers abgedeckt wird, und ein zweiter Diffusionsder Widerstand 100 Ω · cm oder mehr betragen. Vorgang wird in einer Sückstoffatmosphare in einem

Ein wesentlicher Faktor bei der Gestaltung von Ofen bei etwa 1300° C durchgeführt. Hochleistungsspeicherdioden ist die Basisbreite, die 5 Es ergab sich, daß die Borkonzentration ebenfalls festgelegt wird, indem die Tiefe der Bor- und Phos- ein wichtiger Faktoi bei der Bestimmung der Ruckphor-Düfusionen sorgfältig gesteuert wird. Wie es Stromeigenschaften ist. Die Borkonzentration ist bereits zuvor bekannt war, erhöht sich die Umkehr- offensichtlich einer der Hauptfaktoren bei der Be-Speicherzeit, wenn die Basisbreite zunimmt. Dies ist Stimmung der Rückspannungs-Aufbauzeit in der in Fiε 2 angegeben. Sie zeigt den Verlauf des Stro- io Diode (s. Fig. 2), und alle Konzentrationen von mes in"der Hochleistungsspeicherdiode während des weniger als 2 ■ 10» Atomen/cm» führen zu einer Um-Umschaltens von dem Durchgangs- zu dem Rück- kehr-Erholungszeit von mehr als '/«·, ^Mtkro*?^k _o ^unde· stromzustand. Die Speicherphase wird von dem Zeit- Bei Borkonzentraüonen von oberhalb 2 · 10*» Atopunkt an dem der Durchgangsstrom zu Null wird, men/cm' betrug die Umkehr-Erholungszeit V« einer bis zu dem Zeitpunkt, zu dem der Rückstrom seinen 15 Mikrosekunde oder weniger. Diese Konzentration abrupten Rückgang auf Null beginnt, bestimmt. dürfte ein kritischer Wert sein, und wenigstens etwa Wenn die Basisbreite der Diode zunimmt, nimmt diese oder eine stärkere Borkonzentration sollte bei jedoch auch, wie sich gezeigt hat, der »Durchhang« Hochleistungsspeicherdioden guter Qualität vorge· (droop) des Rückstromes zu. Dieser Durchhang ist sehen werden.

hi Fig 2 durch die gestrichelte Linie wiedergegeben, ao Mit zunehmenden Konzentrationen erhöht sich die einen typischen Verlauf des Rückstromes zeigt, jedoch der »Schwingungse-Effekt, der dem Rückwährend die flache, durchgezogene Linie den idealen spannungs-Aufbau zeitlich folgt (s. Fig. 2). Wenn Rückstrom wiedergibt. Der Durchhang wird gemes- diese gedämpften Schwingungen in dem Schaltkreis, sen als Prozentsatz des maximalen Rückstromes, und in dem die Speicherdiode eingesetzt ist, unzulässig im allgemeinen wird gefordert, daß dieser so niedrig »5 sind, sollte das untere Niveau der Borkonzentration wie möglich bleibt, so daß die Steuerung der Spei- so nahe wie möglich bei 2 · 10*» Atomen/cm* liegen, cherzeit (die durch eine äußere Schaltung erfolgen Die Diffusion -on Nickel in die Basis der Diode

kann) eine nahezu lineare Beziehung zu der durch bewirkt, daß die Umkehr-Speicherzeit zunimmt, ohne die Rückstromimpulse gelieferten Leistung ergibt. andere wertvolle elektrische Eigenschaften der Vor-Die Vergrößerung der Basisbreite führt ebenfalls zu 30 richtung zu beeinträchtigen. Bei der Nickeldiffusion einer Vergrößerung des Durchgangsstromabfalls. Es wird auf eine Endfläche der Diode Nickel aufgehat sich gezeigt, daß bei Basisbreiten unter etwa bracht, nachdem die Phosphor- und Bordiffusion er-60 μτη alle günstigen Eigenschaften der Hochleistuugs- folgt ist. Die beschichtete Diode wird sodann in speicherdiode vollständig verlorengehen. Folglich ist einem Ofen bei einer Temperatur von etwa 1100° C davon auszugehen, daß eine Basisbreite von wenig- 35 zwischen 4 und 14 Minuten lang erhitzt. Durch Verstens 100 um für jede Hochleistungsspeicherdioden- gleich der Ergebnisse, die bei nickeldiffundierten Einrichtung notwendig ist. Dioden erzielt wurden, mit denjenigen, die kein

Wie zuvor betont wurde, besteht der erste Schritt Nickel in dem Raumladungsbereich aufwiesen, zeigte der Bearbeitung eines Siliziumkörpers zur Verwen- sich, daß ein leichter Anstieg der Umkehr-Speicherdung als Hochleistungsspeicherdiode darin, Phosphor 40 zeit auftrat, während die Umkehr-Erholungszeit und in eine Endfläche des Körpers einzudiffundieren. Dies der »Durchhang« etwa unverändert blieben, kann durchgeführt werden, indem der SUiziumköiper Als ein Ausführungsbeispiel der Hochleistungs-

10 bei etwa 1250⁰C in einen Ofen gebracht wird, speicherdiode wurde eine Diode gebildet, die einen während POCl₈ über den Körper hinweggeleitet wird Querschnitt von 0,936 cm* aufwies und bei der ein und so eine Schicht aus stark dotiertem N-leitendem 45 leicht dotiertes P-Silizium-Kristallmateria! von etwa Material auf dem Körper bildet. Durch V ^änderung 100 Q · cm Widerstand verwendet wurde. Eine Phosder Diffusionszeit und der Temperatur !.onnen Kon- phordiffusion bis zu einer Durchschnittskonzentration zentration und die Tiefe der Diffusion variiert wer- von 3,5 · lO^Atomen/cm* wurde auf der N-leitenden den. Überraschenderweise hat sich gezeigt, daß die Endfläche der Diode durchgerührt, und Bor wurde Phosphorkonzentration einen beträchtlichen Einfluß 50 bis zu einer Durchschnittskonzentration von auf die Umkehr-Speicherungseigenschaften der Diode 4,2 · 10²⁰ Atomen/cm^s auf der P⁺-Endfläche der hat Diese Konzentration ist die Durchschnittskon- Diode eindiffundiert. Die Basisbreite der fertigen zentration der Atome in der eindiffundierten Schicht Vorrichtung wurde auf etwa 110 um festgelegt Der und kann durch Messen des Schichtwiderstandes an Durchgangsspannungsabfall betrug bei 200 A Durchder Oberfläche der Schicht und durch Messen der 55 gangsstrom (Sinusimpulse) 0,97 V, während die Ruck-Hefe der Schicht ermittelt werden. spannung im Durchschnitt mit 1300V bestimmt Weiterhin ergab sich, daß bei Verringerung der wurde. Die Durchschnitts-Umkehr-Speicherzeit be-Phosphorkonzentration die Umkehr-Speicherzeit zu- trug 3,5 Mikrosekunden bei einem maximalen Rücknimmt, jedoch der »Durchhang« der Speicherpbase strom von etwa 50 A und einer Erholungszeit von vergrößert wird. Es zeigte sich, daß eine Phosphor- 60 weniger als V« Mikrosekunden sowie einem Durchkonzentration im Bereich von etwa 2 · 10^!e bis etwa hang von etwa 12%. Wenn der Querschnitt auf etwa 5 · 10^w Atomen/cm* zur Erzielung einer angemessen 12,6 cm² vergrößert wurde, während die übrigen langen Speicherphase ohne anangemessenen Durch- Eigenschaften konstant blieben, fiel die Durchgangshang erforderlich ist. Eine Konzentration von spannung auf 0,93 V bei 200A Durchgangsstrom 3,5 · 10²⁰ Atomen/cm³ ist der günstigste Wert. 65 ab, während die Speicherzeit s^ch auf 4,5 Mflcto-' Nach der Phosphordiffusion wird der Silizium- Sekunden (bei 50 A Rückstrom) erhöhte und die Erkörper an einer Seite zur Entfernung der N-leitenden holungszeit weniger als V« Mikrosekunden und der Schicht abgeschliffen. Diese Seite wird sodann mit »Durchhang« etwa 8 % betrugen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

22 4ϊ 083 „ ... Endschieht aus N-Material auf der einen Seite des Patentansprüche: Basisbereichs und einer zweiten Endschieht aus

1. Hochleistungsspeicherdiode mit im wesent- P-Material mit wesentlich höherer Dotierung als der liehen konstanter Rückstromphase, der eine kurze des Basisbereichs auf der anderen Seite eingeschlcs-Rückspannungs-Aufbauzeit nach dem Umschal- .5 sea ist, wobei der Basisbereich eine Dicke von minten vom Vorwärtsstrom-Zustand auf den Rück- desteas 100 \an aufweist, sowie ein Verfahren zur strom-Zustand folgt, mit einem Siliziumkörper Herstellung dieser Diode. Eine Diode der genannten mit leicht dotiertem, P-Material enthaltendem Artist aus der DT-OS 16 14460 bekannt.
Basisbereich, der zwischen einer ersten End- Die Schaltvorgänge in Siliziumdioden vom Durchschicht aus N-Material auf der einen Seite des io laßstrom-Zustand zum Rückstrom-Zustand sind viele Basisbereichs und einer zweiten Endschieht aus Jahre lang untersucht worden. In vielen Fällen ist P-Material mit wesentlich höherer Dotierung als es wünschenswert, den Rückstrom, der durch die der des Basisbereichs auf der anderen Seite ein- Anwesenheit von Minoritätsträgern in dem Raumgeschlossen ist, wobei der Basisbereich eine Dicke ladungsbereich der Vorrichtung hervorgerufen von mindestens 100μπι aufweist, dadurch 15 wird, die eine endliche Zeit zum Austritt aus gekennzeichnet, daß der Basisbereich (12) dieser erfordern, auf ein Minimum zu reduzieren, ausschließlich aus P-Material besteht und daß die In bestimmten Fällen hat es sich jedoch als vorerste "Endschieht eindiffuadierten Phosphor mit teilhaft erwiesen, die Rückkehrzeit der Diode auf einer durchschnittlichen Dotierungskonzentration eine endliche, genau bestimmte Zeit festzulegen. (Durchschnittskonzentration) von etwa 2 bis ao Am Ende dieser Zeit (der Speicherphase) söüte die 5 · 10²⁰ Atomen/cm^s und die zweite Endschieht Diode nahezu augenblicklich in den Sperrzustand eindiffundiertes Bor mit einer Durchschnittskon- zurückkehren (Schnellrückkehrphase). Beispielsweise zentration von etwa 2 · 10²⁰ oder mehr Ato- sind Dioden niedrigerer Leistung mit stufenweiser men/cm^s enthält. Rückkehr oder Erholung jahrelang auf dem Markt

2. Hochleistungsspeicherdiode nach An- 35 gewesen und in weitem Umfange im Mikrowellenspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die bereich für die Erzeugung von Harmomschen hoher Durchschnittskonzentration des Phosphors in der Ordnung verwendet worden. Die Länge der Speicherersten Endschieht (14) etwa 3,5-10²⁰ Atome/cm³ phase K>t direkt proportional zur Minoritätsträgerbeträgt. Lebensdauer (Zeit bis zur Verminderung der Mino-

3. Hochleistungsspeicherdiode nach An- 30 _{ritätsträger auf den} 1 __{ten Teil)} ^ _{dem Betrag der} sprach 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß e

der Raumladungsbereich der Diode Dotierungs- gespeicherten Ladung, bestimmt nach dem Betrag

einschlüsse aus Nickel zur Erhöhung der Minori- und der Zeit des Durchgansstromes. Die Minoritäts-

tätsträger-Lebensdauer enthält. träger-Lebensdauer hängt wiederum von der Dioden-

4. Verfahren zur Herstellung einer Hoch- 35 fläche, dem Störstellenprofil, der Temperatur, dem leistungsspeicherdiode gemäß Anspruch 1, da- Injektionsniveau und der Rekombinations-Fangsteldurch gekennzeichnet, daß man einen Silizium- lendichte ab. Die Dauer der Schnellerholungsphase körper aus leicht dotiertem P-Matenal auf der hängt in erster Linie von dem Störstellenprofil, dem einen Seite einer Eindiffundierung von Phosphor Betrag der gespeicherten Ladung und den Paraaussetzt und einen Endbereich mit einer 40 metern der äußeren Schaltung ab. Ein steiler Stör-N-Leitfähigkeit und einer Durchschnittskonzen- Stellengradient an der PN-Übergangsstelle führt zu tration zwischen etwa 2 · 10²⁰ und 5 · 10²⁰ einer kurzen Erholungsphase. Lange Erholungs-Atome/cm³ bildet und daß man auf der anderen phasen ergeben sich aus einem Betrag der gespeicher-Seite Bor in den Siliziumkörper eindiffundiert ten Leistung.

und so einen Endbereich bildet, der eine P-Leit- 45 Bei Hochleistungsvorrichtungen oder Ladungsfähigkeit und eine Durchschnittskonzentration Speichervorrichtungen mit hohen· Injektionsniveau aufweist, die etwa 2 ■ 10²⁰ Atome/cm^s oder grö- hat es sich jedoch gezeigt, daß eine weitere Gruppe ßer ist. von Faktoren berücksichtigt werden muß. Die Theo-

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch ge- rien, die im Zusammenhang mit den Umkehr-Erhokennzeichnet, daß nach erfolgter Bor- und Phos- 50 lungsvorgängen von Hochleistungssiliziumgleichphordiffusion Nickel als Dotierungsstoff in den richtern stehen, sind ausführlich von Hansjochen Raumladungsbereich der Diode eindiffundiert Benda und Eberhard Spenke in »Proocedings wird. of the IEEE«, Bd. 55, Nr. 8, August 1967, und von

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch ge- den gleichen Autoren zusammen mit F. Dannkennzeichnet, daß das Nickel zunächst auf eine 55 haus er und A. Porst in »Solid-State Electronics«, der Endflächen des Shiziumkörpers plattiert wird Bd. 10, 1967, S. 1133 bis 1147 (vgl. insbesondere und der Siliziumkörper anschließend in einem den dortigen Abschnitt 4), erörtert worden. Dort wird Ofen bei etwa HOO⁰C über einen Zeitraum von angenommen, daß das Kippen der Minoritätsträger wenigstens 4 Minuten erhitzt wird. während des Umkehr-Erholungsvorganges in der

60 Diode gleichmäßig von zwei Seiten der Basisschicht

erfolgt, da die Konzentrationsverteilung der Träger

Die Erfindung betrifft eine Hochleistungsspeicher- etwa gleichförmig ist, wenn sich die Diode in dem diode mit im wesentlichen konstanter Rückstrom- leitenden Durchgangszustand befindet. Wegen der phase, der eine kurze Rückspannungs-Aufbauzeit ungleichmäßigen Elektronen- und Löcherbeweglichnach dem Umschalten vom Vorwärtsstrom-Zustand 65 keit ist die Störstellenverteilung auf der Seite des auf den Rückstrom-Zustand folgt, mit einem P-Kontaktes wesentlich wichtiger als diejenige auf Siliziumkörper mit leicht dotiertem, P-Material ent- der N-Kontaktseite. Wenn daher keine PN-Verbinhaltendem Basisbereich, der zwischen einer ersten dung auf dieser wichtigeren Seite der Diode vorge-