DE1126514B

DE1126514B - Process for the production of Zener diodes with a semiconductor body of a conductivity type

Info

Publication number: DE1126514B
Application number: DEJ17611A
Authority: DE
Inventors: Egon Schulz
Original assignee: TDK Micronas GmbH
Current assignee: TDK Micronas GmbH
Priority date: 1960-01-29
Filing date: 1960-01-29
Publication date: 1962-03-29

Description

Verfahren zur Herstellung von Zenerdioden mit einem Halbleiterkörper eines Leitfähigkeitstyps Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur gezielten Massenherstellung von Zenerdioden mit einer gewünschten Durchschlagsspannung in Sperrichtung, der sogenannten Zenerspannung.Process for the production of Zener diodes with a semiconductor body of a Conductivity Type The invention relates to a method for targeted mass production of Zener diodes with a desired reverse breakdown voltage, the so-called zener tension.

Es ist üblich, zur Herstellung von Zenerdioden die in der Halbleiterdiodentechnik allgemein bekannten Verfahren zu verwenden. Gewöhnlich wird ein Plättchen aus Halbleitermaterial eines bestimmten Leitfähigkeitstyps, beispielsweise n-Germanium oder n-Silizium, auf der einen Seite mit einer großflächigen ohmschen Kontaktelektrode und auf der anderen Seite mit einer Legierungskontaktelektrode und vorgelagerter Zone vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp versehen. Dabei erhält man Halbleiterbauelemente, die untereinander relativ große Schwankungen in der Zenerspannung aufweisen. Man ist daher gewöhnlich gezwungen, die aus dem Fertigungsprogramm anfallenden Zenerdioden nachträglich nach ihren Zenerspannungen zu sortieren. Solange gleichmäßig viele Typen aller Zenerspannungen benötigt werden, fällt dieser Nachteil nicht allzu sehr ins Gewicht. Wenn jedoch große Mengen von Zenerdioden einer ganz bestimmten Zenerspannung benötigt werden, wird die starke Streuung als Nachteil empfunden.It is common for the production of Zener diodes in semiconductor diode technology to use well-known procedures. Usually a wafer is made of semiconductor material of a certain conductivity type, for example n-germanium or n-silicon, on the one hand with a large ohmic contact electrode and on the the other side with an alloy contact electrode and a zone in front of the opposite one Conductivity type provided. This gives semiconductor components that are interconnected have relatively large fluctuations in the Zener voltage. One is therefore ordinary forced to retrospectively add the Zener diodes arising from the production program to sort their zener tensions. As long as there are equally many types of all Zener voltages are needed, this disadvantage is not too significant. But when large quantities of zener diodes of a very specific zener voltage are required, the strong scatter is perceived as a disadvantage.

Verursacht wird die Schwankung in den Zenerspannungen einmal dadurch, daß die verwendeten Körper aus Halbleitermaterial einen unterschiedlichen spezifischen Widerstand, d. h. eine unterschiedliche Verunreinigungskonzentration, besitzen und zum anderen durch Schwankungen bei der Herstellung der Legierungsübergänge. Diese Nachteile könnten vermieden werden, wenn man nur Halbleiterplättchen ganz bestimmter Verunreinigungskonzentration verwendet und bei der Herstellung der pn-Übergänge große Sorgfalt aufwendet. Es ist jedoch bekanntlich sehr schwer, bei der Herstellung der Einkristalle, aus denen die Halbleiterplättchen für die Herstellung der Zenerdioden gewonnen werden, eine gleichmäßige Verteilung der Verunreinigungen über den gesamten Kristall zu erhalten. Man wird daher bei der Forderung nach Halbleiterplättchen genau definierter Verunreinigungskonzentration große Teile des Einkristalls nicht verwenden können, da deren Werte von dem gewünschten Wert abweichen.The fluctuation in the Zener stresses is caused by that the body of semiconductor material used has a different specific Resistance, d. H. have a different impurity concentration, and on the other hand due to fluctuations in the production of the alloy transitions. These Disadvantages could be avoided if you only have very specific semiconductor wafers Impurity concentration and used in making the pn junctions takes great care. However, it is known to be very difficult to manufacture of the single crystals that make up the semiconductor wafers for the manufacture of Zener diodes be obtained, a uniform distribution of the impurities over the entire Get crystal. One becomes therefore in the demand for semiconductor wafers Large parts of the single crystal do not have a precisely defined impurity concentration because their values differ from the desired value.

Die Erfindung vermeidet die Nachteile des bekannten Verfahrens und ermöglicht die Massenherstellung von Zenerdioden mit verhältnismäßig genau definierten Zenerspannungen. Die Erfindung bezieht sich somit auf ein Verfahren zur Herstellung von Zenerdioden mit einem Halbleiterkörper, vorzugsweise aus Germanium oder Silizium, eines Leitfähigkeitstyps, dessen eine Oberfläche mit einer flächenhaften ohmschen Kontaktelektrode versehen ist, der auf der entgegengesetzten Oberfläche eine Elektrode mit vorgelagertem pn-Übergang gegenüberliegt. Erfindungsgemäß wird in dem Halbleiterkörper zunächst ein von der Oberfläche nach innen verlaufender Gradient des Verunreinigungsmaterials durch Diffusion erzeugt, anschließend wird die Oberfläche des Halbleiterkörpers so lange abgeätzt, bis an der Oberfläche eine der gewünschten Zenerspannung entsprechende Verunreinigungskonzentration erreicht ist, und schließlich wird auf der Oberfläche in an sich bekannter Weise eine Elektrode mit vorgelagertem pn-Übergang angebracht.The invention avoids the disadvantages of the known method and enables the mass production of Zener diodes with relatively precisely defined Zener stresses. The invention thus relates to a method of manufacture of Zener diodes with a semiconductor body, preferably made of germanium or silicon, of a conductivity type, one surface of which has an areal ohmic Contact electrode is provided, which has an electrode on the opposite surface with upstream pn junction opposite. According to the invention, in the semiconductor body first a gradient of the contaminant material running inwards from the surface generated by diffusion, then the surface of the semiconductor body Etched away until a Zener voltage corresponding to the desired Zener voltage on the surface Impurity concentration is reached and eventually becomes on the surface an electrode with an upstream pn junction is attached in a manner known per se.

Die Erfindung geht dabei von der bekannten Tatsache aus, daß die Größe der Durchschlagsspannung in Sperrichtung von Zenerdioden durch die Verunreinigungskonzentration unmittelbar am pn-Übergang bestimmt wird. Dort ist die Feldstärke am größten, und es wird dort gegebenenfalls auch die Lawinenbildung einsetzen.The invention is based on the known fact that the size the breakdown voltage in the reverse direction of Zener diodes due to the impurity concentration is determined directly at the pn junction. The field strength is greatest there, and if necessary, avalanche formation will also start there.

Diese Erkenntnis wird auch bei einem bekannten Verfahren ausgenutzt, das es gestattet, bei Vorliegen von Halbleiterplättchen mit verschiedener Verunreinigungskonzentration Zenerdioden einer bestimmten Zenerspannung herzustellen. Es wird dabei der pn-Übergang durch einen Diffusionsprozeß erzeugt und die Diffusionstemperatur oder die Diffusionszeit so eingestellt, daß die Verunreinigungskonzentration am pn-Übergang unter Berücksichtigung des Widerstandswertes des homogen dotierten Halbleiterplättchens die gewünschte Zenerspannung ergibt. Bei diesem Verfahren ist es aber notwendig, zuvor den Widerstandswert bzw. die Verunreingungskonzentration des Halbleiterplättchens zu ermitteln und diese zu sortieren, was für eine Massenherstellung sehr unwirtschaftlich ist.This knowledge is also used in a known method, which makes it possible in the presence of semiconductor wafers with different impurity concentrations Manufacture Zener diodes of a certain Zener voltage. It becomes the pn junction generated by a diffusion process and the diffusion temperature or the diffusion time adjusted so that the impurity concentration at the pn junction taking into account the resistance value of the homogeneously doped semiconductor wafer the desired zener stress results. With this procedure, however, it is necessary beforehand the resistance value or the impurity concentration of the semiconductor die to determine and sort them, which is very uneconomical for mass production is.

Es ist auch bereits bekannt, Halbleiteranordnungen, die mit einem pn-Übergang versehen sind, nachträglich zu ätzen, um durch Ätzgräben eine Legierungselektrode von einer niederohmigen Oberflächenschicht des Halbleitermaterials zu isolieren oder um eine solche Schicht abzutragen. Es ist ferner bekannt, durch eine elektrolytische Ätzung die Lage eines bereits vorhandenen pn-Überganges in einer Halbleiteranordnung sichtbar zu machen. Zu diesem Zweck wird der Strom durch die in einem Elektrolyten befindliche Halbleiteranordnung über den pn-Übergang geleitet, so daß das p- und n-leitende Material mit stark unterschiedlicher Geschwindigkeit abgetragen wird, und ein Absatz die Ebene des pn-Überganges kenntlich macht. Bei diesem bekannten Verfahren ist jedoch der pn-übergang bereits festgelegt. Demgegenüber werden nach der Erfindung Schichten eines Halbleiterkörpers, der einen von der Oberfläche nach innen verlaufenden Gradienten des Verunreinigungsmaterials aufweist, definiert abgetragen, um den pn-Übergang in eine Schicht mit genau vorgegebener Verunreinigungskonzentration legen zu können.It is also already known, semiconductor devices with a pn junction are provided, to be subsequently etched in order to create an alloy electrode through etching trenches to isolate from a low-resistance surface layer of the semiconductor material or to remove such a layer. It is also known by an electrolytic Etching the position of an already existing pn junction in a semiconductor arrangement to make visible. To do this, the current is passed through in an electrolyte Located semiconductor device passed through the pn junction, so that the p and n-conductive material is removed at very different rates, and a paragraph indicates the level of the pn junction. With this well-known Procedure, however, the pn junction is already determined. In contrast, after of the invention layers of a semiconductor body, the one from the surface after has internal gradients of the contaminant material, removed in a defined manner, around the pn junction in a layer with a precisely specified impurity concentration to be able to lay.

Die weiteren Merkmale und Vorteile der Erfindung werden im folgenden an Hand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.The other features and advantages of the invention are set out below explained in more detail on the basis of exemplary embodiments shown in the drawing.

Die Fig. 1 und 2 zeigen die schematische Darstellung eines Halbleitergrundkörpers mit einem pn-Übergang und darüber die graphische Darstellung des Konzentrationsverlaufs im Halbleiterkörper. Der Halbleiterkörper wird zunächst nach dem üblichen Verfahren hergestellt, indem ein entsprechend dotierter Einkristall gezüchtet und zersägt wird, so daß Plättchen aus Halbleitermaterial eines bestimmten Leitfähigkeitstyps vorliegen, in denen die Verunreinigungen gleichmäßig verteilt sind.FIGS. 1 and 2 show the schematic representation of a semiconductor base body with a pn junction and above it the graphical representation of the concentration curve in the semiconductor body. The semiconductor body is first made according to the usual method produced by growing and sawing a suitably doped single crystal is, so that platelets made of semiconductor material of a certain conductivity type exist in which the impurities are evenly distributed.

Anschließend wird der so erhaltene plättchenförmige Halbleiterkörper einer Behandlung unterworfen, bei der von der Oberfläche nach innen ein Gradient des Verunreinigungsmaterials erzeugt wird. Man kann dabei je nach Art der verwendeten Behandlungsmethode erreichen, daß die Verunreinigungskonzentration an der Oberfläche größer (Fig.1) oder kleiner (Fig. 2) als im Inneren ist.The flake-form semiconductor body obtained in this way is then used subjected to a treatment in which a gradient from the surface inward of the contaminant material is generated. One can do this depending on the type of used Treatment method can achieve that the concentration of impurities on the surface larger (Fig.1) or smaller (Fig. 2) than inside.

In den Fig. 1 a und 2 a ist als Ordinate die Verunreinigungskonzentration NI/cm3 und als Abzisse der Abstand von der Oberfläche nach innen aufgetragen. In den Fig. 1 b und 2 b sind die entsprechenden Halbleiterkörper 1 bzw. 2 mit ihren Oberflächen 5 bzw. 4 und den pn-Übergängen 3 bzw. 6 dargestellt.In FIGS. 1 a and 2 a, the ordinate is the impurity concentration NI / cm3 and the distance inward from the surface is plotted as the abscissa. In FIGS. 1 b and 2 b are the corresponding semiconductor bodies 1 and 2, respectively, with their Surfaces 5 and 4 and the pn junctions 3 and 6, respectively, are shown.

Den Verlauf der Verunreinigungskonzentration im Halbleiterkörper 1, wie er in Fig. 1 dargestellt ist, kann man beispielsweise durch eine Diffusionsbehandlung erzielen. Wenn der Halbleiterkörper beispielsweise aus n-Germanium besteht, kann Antimon von der Oberfläche aus nach irgendeinem bekannten Verfahren eindiffundiert werden. Man erhält damit einen Konzentrationsverlauf der Verunreinigungen von der Oberfläche nach innen, wie er in Fig. 1 a dargestellt ist.The course of the impurity concentration in the semiconductor body 1, as shown in Fig. 1, for example, by a diffusion treatment achieve. If the semiconductor body consists of n-germanium, for example, can Antimony diffused in from the surface by any known method will. This gives a concentration profile of the impurities from the Surface inwards, as shown in Fig. 1 a.

An Hand bekannter Tabellen ist es leicht möglich, die für jede gewünschte Zenerspannung maßgebende Verunreinigungskonzentration zu ermitteln. Es ist dann weiterhin möglich, den Halbleiterkörper einer genau definierten Ätzbehandlung zu unterwerfen, bei der die Oberfläche des Halbleiterkörpers abgebaut wird. Die Atzbehandlung kann beispielsweise durch Eintauchen des Halbleiterplättchens in eine Ätzflüssigkeit vorgenommen werden. Der Ätzvorgang wird unterbrochen, sobald die Schicht mit der gewünschten Verunreinigungskonzentration an der Oberfläche liegt. Zu diesem Zweck kann man sich beispielsweise Tabellen anfertigen, aus welchen die für eine bestimmte Verunreinigungskonzentration der Oberfläche benötigte Ätzdauer zu entnehmen ist. Voraussetzung dafür ist selbstverständlich, daß die vorliegenden Halbleiterplättchen den gleichen Konzentrationsverlauf der Verunreinigungen aufweisen. Das ist aber durch geeignete Diffusionsverfahren ohne Schwierigkeiten zu erreichen.Using known tables, it is easy to find the one you want for each To determine the Zener stress decisive impurity concentration. It is then furthermore possible to give the semiconductor body a precisely defined etching treatment subject, in which the surface of the semiconductor body is degraded. The etching treatment can, for example, by immersing the semiconductor wafer in an etching liquid be made. The etching process is interrupted as soon as the layer with the desired concentration of contaminants on the surface. To this end you can, for example, make tables from which the for a certain Contamination concentration of the surface required etching time can be found. A prerequisite for this is, of course, that the present semiconductor wafers show the same concentration profile of the impurities. But that is can be achieved without difficulty by suitable diffusion processes.

Nachdem der Halbleiterkörper mit der gewünschten Verunreinigungskonzentration an der Oberfläche vorliegt, wird der gleichrichtende pn-Übergang in der Nähe dieser Oberfläche nach irgendeinem bekannten Verfahren hergestellt. Dabei muß darauf geachtet werden, daß der pn-übergang tatsächlich in der Nähe der Oberfläche mit der entsprechenden Verunreinigungskonzentration liegt. Wenn man den pn-Übergang mittels des bekannten Legierungsverfahrens herstellt, wird man also darauf zu achten haben, daß nur flach einlegiert bzw. anlegiert wird. Das hat außerdem den Vorteil, daß man diesen Vorgang wesentlich besser beherrscht als ein tiefes Einlegieren, bei dem die Legierungsfronten immer unschärfer werden. Man kann den pn-übergang ebensogut auch durch ein anderes bekanntes Verfahren, beispielsweise Aufdampfen, herstellen. Für Zenerdioden ist in erster Linie von Bedeutung, d'aß man eine möglichst genau definierte Stelle großer Feldstärke besitzt. Der andere Kontakt wird ebenfalls nach irgendeinem bekannten Verfahren auf die gegenüberliegende Oberfläche des Halbleiterkörpers sperrfrei aufgebracht.After the semiconductor body with the desired impurity concentration is present on the surface, the rectifying pn junction will be close to it Surface made by any known method. Care must be taken when doing this be sure that the pn junction is actually close to the surface with the corresponding Impurity concentration is. If one uses the known pn-junction Alloy process manufactures, one will have to make sure that only flat is alloyed or alloyed. This also has the advantage that you can do this much better mastered than deep alloying, in which the alloy fronts become increasingly blurred. The pn junction can just as easily be replaced by another known method, for example vapor deposition. For zener diodes is first and foremost it is important to have as precisely defined a place as possible Field strength possesses. The other contact is also after some known one Method applied to the opposite surface of the semiconductor body without blocking.

Bei dem in Fig. 1 erläuterten Halbleiterkörper 1 war das Gefälle der Verunreinigungskonzentration innerhalb des Halbleiterkörpers durch einen Diffusionsprozeß hergestellt worden. Man erhält damit eine große Verunreinigungskonzentration an der Oberfläche, die nach dem Inneren zu abnimmt. Zur Herstellung von Halbleiterbauelementen mit kleinen Zenerspannungen wird man demzufolge das Halbleiterplättchen nur wenig abzuätzen brauchen, und zur Herstellung von Halbleiterbauelemente mit großen Zenerspannungen muß man dagegen sehr viel mehr abätzen.In the case of the semiconductor body 1 explained in FIG. 1, the gradient was Impurity concentration within the semiconductor body due to a diffusion process has been manufactured. A large concentration of impurities is thus obtained the surface, which decreases towards the inside. For the manufacture of semiconductor components with small zener voltages, the semiconductor wafer is therefore only slightly affected need to etch, and for the production of semiconductor components with large Zener voltages on the other hand, one has to rub off a lot more.

In Fig. 2 b ist ein Halbleiterkörper 2 gezeigt, bei dem gemäß der Darstellung in Fig. 2 a die Konzentration von der Oberfläche nach innen zunimmt. Ein derartiger Konzentrationsverlauf läßt sich dadurch erzielen, daß man das Halbleitermaterial bei der Herstellung der Einkristalle verhältnismäßig stark dotiert, so daß die daraus erhaltenen plättchenförmigen Halbleiterkörper eine verhältnismäßig große, gleichmäßig verteilte Verunreinigungskonzentration aufweisen. Durch geeignete Temperaturbehandlungen ist es nun möglich, einen Teil der Verunreinigungen aus dem Halbleiterkörper wieder herauszudiffundieren. Es ist leicht einzusehen, daß man dadurch in der Nähe der Oberfläche eine geringere Verunreinigungskonzentration erhält als im Inneren des Körpers. Bei Verwendung derartiger Halbleiterkörper wird man demnach zur Herstellung von Halbleiterbauelementen mit großer Zenerspannung nur wenig, bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen mit kleiner Zenerspannung dagegen stark abzuätzen haben. Die Herstellung des pn-L7berganges kann wieder in ähnlicher Weise durchgeführt werden, wie das bereits bei Erläuterung der Fig. 1 beschrieben worden ist.In Fig. 2b, a semiconductor body 2 is shown in which, according to the Representation in Fig. 2a, the concentration increases from the surface inward. Such a concentration profile can be achieved by the semiconductor material relatively heavily doped in the production of the single crystals, so that the from it obtained platelet-shaped semiconductor body a relatively large, uniform have distributed impurity concentration. Through suitable temperature treatments it is now possible to recover some of the impurities from the semiconductor body diffuse out. It is easy to see that this puts you in the vicinity of the The surface receives a lower concentration of impurities than inside the Body. When using such semiconductor bodies one becomes accordingly for the production of semiconductor components with high Zener voltage only a little the production of semiconductor components with a low Zener voltage, on the other hand, is strong have to cut off. The production of the pn-L7 junction can again be carried out in a similar manner be carried out, as has already been described in the explanation of FIG is.

Nach der Erfindung wird es möglich, große Mengen von Zenerdioden einer vorgegebenen Zenerspannung herzustellen, ohne die dabei nach den bekannten Verfahren anfallenden Streuungen der Zenerspannung in Kauf nehmen zu müssen. Bei einer solchen gezielten Fertigung wird ein Arbeitsgang, nämlich das Sortieren, das nur durch damit verbundene, zeitraubende Messungen jeder einzelnen Diode möglich ist, eingespart. Für das Verfahren nach der Erfindung ist es lediglich notwendig, Plättchen herzustellen, die alle den gleichen Verunreinigungsgradienten aufweisen und eine jederzeit reproduzierbare Ätzbehandlung zu besitzen. Beides ist aber mit den heutigen Mitteln in der Halbleitertechnik ohne weiteres möglich. Man kann mit dem Verfahren gemäß der Erfindung Zenerdioden mit einer Genauigkeit der Zenerspannung von ± 1 Volt herstellen.According to the invention it is possible to use large quantities of Zener diodes to produce specified Zener voltage without having to do this according to the known method to have to accept the resulting scattering of the Zener voltage. With such a Targeted production becomes a work step, namely sorting, which is only done with it connected, time-consuming measurements of each individual diode is possible, saved. For the method according to the invention it is only necessary to produce platelets, all of which have the same contamination gradient and are reproducible at any time To own etching treatment. But both are with today's means in semiconductor technology easily possible. One can use the method according to the invention Zener diodes Manufacture with a Zener voltage accuracy of ± 1 volt.

Claims

PATENT CLAIMS: 1. Process for the production of Zener diodes with a semiconductor body, preferably made of germanium or silicon, of one conductivity type, one surface of which is provided with a flat ohmic contact electrode is, which on the opposite surface is an electrode with an upstream pn junction opposite, characterized in that in the semiconductor body initially a inward gradient of the contaminant material from the surface is generated by diffusion that then the surface of the semiconductor body It is etched away until one of the desired Zener stresses on the surface appropriate impurity concentration is reached, and that finally on the surface in a known manner an electrode with an upstream pn junction is attached.

2. The method according to claim 1, characterized in that by Diffusion of contaminant material into the semiconductor body results in a decrease the impurity concentration is reached from the outside inwards.

3. Procedure according to claim 1, characterized in that contaminating material is diffused out an increase in the impurity concentration from outside in the semiconductor body is reached inwards. Publications considered: German Auslegeschriften No. 1029 483, 1071844; Electronic Industries, February 1959, pp. 78 to 83.