DE1295093B

DE1295093B - Halbleiterbauelement mit mindestens zwei Zonen entgegengesetzten Leitungstyps

Info

Publication number: DE1295093B
Application number: DEM58355A
Authority: DE
Inventors: Haenichen John Charles
Original assignee: Motorola Inc
Current assignee: Motorola Solutions Inc
Priority date: 1962-08-23
Filing date: 1963-09-27
Publication date: 1969-05-14
Also published as: CH439498A; BE636316A; GB1059739A; DK128388B; US3309246A; GB1060303A; DK126811B; US3226614A; NO115810B; NO119489B; SE338619B; DE1295094B; NL146646B; US3226612A; US3226613A; DE6609659U; NL302804A; US3226611A; SE315660B; US3309245A

Description

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Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement mit rial wie die eingelassene Zone enthaltende Goldfolie einem Halbleiterkörper, der mindestens zwei Zonen abgedeckt, die dann auflegiert wird. Durch diesen aufweist und bei dem in die erste Zone des einen zweiten Legierungsvorgang entsteht als Fortsetzung Leitungstyps eine zweite Zone des entgegengesetzten der zuerst legierten Zone unterhalb der Goldfolie Leitungstyps eingelassen ist. 5 eine dünne Randzone, in der die ursprünglichen Stö-

In dem Bestreben, die Alterungseigenschaften von rangen verschwinden, die aber selbst außerhalb der Halbleiterbauelementen zu verbessern, hat man be- Goldfolie an die Oberfläche des Halbleiterkörpers kanntlich die Oberfläche des Halbleiterkörpers mit heraustritt, so daß der pn-übergang zwischen diese einer Isolierschutzschicht überzogen. Dadurch werden Randzone und der entgegengesetzt dotierten Hauptdie an die Oberfläche heraustretenden Grenzen der io masse des Halbleiterkörpers ebenfalls an der Oberpn-Ubergänge zwischen den einzelnen Zonen des fläche zutage tritt und die erwähnte Kanalbildung in Halbleiterkörpers abgedekt und so gegen ein An- gleicher Weise wie bei anderen bekannten Halbleiterlagern von aus der Umgebung stammenden Verun- bauelementen eintreten kann, reinigungen geschützt, die, elektrisch gesehen, eine Bei einem weiteren bekannten Transistor werden

Parallelimpedanz zu dem pn-übergang bedeuten und 15 zur Vermeidung von Querschnittsschwächungen der dessen Eigenschaften verschlechtern oder völlig über- Halbleiterscheibe infolge zu tiefen Ätzens durch eine decken können. Man hat geglaubt, durch die Ab- relativ dicke Außenschicht bis in eine entgegengesetzt deckung seien sämtliche Alterungsprobleme, die auf dotierte Innenschicht in eine zunächst dünne Außen-Änderangen der Eigenschaften der pn-Übergänge schicht Öffnungen hineingeätzt. Die sehr stark dozuräckzuführen sind, beseitigt. Als man daran ging, 20 tierte dünne Außenschicht wird danach durch Aus-Halbleiterbauelemente, z. B. Dioden, mit höheren diffusion in die angrenzende Innenschicht verbreitert. Spannungen zu betreiben, hat sich jedoch gezeigt, In den von dem nur flachen Ätzgraben umschlossedaß trotz dieser Isolierschichtabdeckung an den nen Teil dieser verbreiterten Außenschicht, deren pn-Übergängen — einer auch als Passivierung be- Dotierungsgrad sich während der Verbreiterung verzeichneten Maßnahme — Lawinendurchbrüche bei as ringert hat, wird nun die Emitterzone, vom Leitungs-Spannungen auftraten, die weit unter den theore- typ der Innenschicht (Kollektorzone), eindiffundiert, tisch berechneten Werten lagen. Auch bei diesem Transistor treten die pn-Übergänge

Als Ursache hierfür hat man die sogenannte zwischen den einzelnen Zonen entgegengesetzten Kanalbildung entdeckt: Bei einem Halbleiterbau- Leitungstyps an der Kristalloberfläche zutage, so daß element, bei dem die einzelnen Zonen entgegen- 30 auch hier, gegebenenfalls unter einer aufgebrachten gesetzten Leistungstyps ineinander eingebettet sind, Isolierschutzschicht, sich störende Kanäle ausbilden so daß die pn-Ubergänge nur an einer Oberfläche können.

des Halbleiterkörpers zutage treten, und diese Ober- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die

fläche durch einen Isolierüberzug abgedeckt ist, bil- Herabsetzung der Durchbruchsspannung durch die den sich unter dem Isolierüberzug entlang der Ober- 35 sich unerwünschterweise ausbildenden leitenden Kafläche des Halbleiterkörsers leitende Kanäle aus, die näle an der Oberfläche des Halbleiterkörpers zu vervom pn-übergang bis an die nicht abgedeckte meiden. Es soll erreicht werden, daß der DurchSeitenfläche, an der die einzelnen aus einem größeren brach nicht in dem anfälligen Randbereich der Halbleiterkörper gemeinsam hergestellten kleineren pn-Übergänge stattfindet, sondern im ungestörten Halbleiterkörper für die Halbleiterbauelemente von- 40 Kristallinneren, so daß die Durchbruchsspannung bis einander getrennt worden sind, reichen und so trotz an den theoretischen Wert heranreicht und das HaIbdes Isolierüberzugs eine leitende Verbindung des leiterbauelement bei praktisch bis zur theoretisch pn-Übergangs mit der Umgebung ergeben. Man hat möglichen Durchbruchsspannung reichenden Spanfestgestellt, daß bei Hochspannungstransistoren, die nungen betrieben werden kann, derartige leitende Kanäle aufweisen, der Lawinen- 45 Die Erfindung, die diese Aufgabe löst, besteht dardurchbrach des pn-Übergangs zwischen der Kollek- in, daß der Randteil der zweiten Zone die Form tor- und der Basiszone nicht im Inneren des Halb- einer dünnen, auf einem Teil der ersten Zone aufleiterkörper erfolgt, sondern an seiner Oberfläche, an liegenden Schicht an der Oberfläche des Halbleiterder eben die leitende Verbindung des pn-Übergangs körpers aufweist, deren spezifischer Widerstand höher mit der Umgebung durch die erwähnten leitenden 50 als der Zentralteil der zweiten Zone ist, derart, daß Kanäle besteht. Daher hat die Durchbruchsspannung ein Durchbrach des pn-Übergangs zwischen der auch nicht den für einen ungestörten pn-Über- ersten Zone und dem Zentralteil der zweiten Zone gang, wie er im Inneren des Halbleiterkörpers vor- erfolgt, daß ferner der Randteil der zweiten Zone liegt, berechneten Wert, sondern liegt wesentlich von einer ihn vollständig umgebenden dritten Zone niedriger. 55 entgegengesetzten Leitungstyps begrenzt ist, deren

Halbleiterbauelelemente der eingangs erwähnten Dicke mindestens gleich der Dicke des Randteils Art, bei denen eine Zone in eine andere entgegen- der zweiten Zone ist und deren spezifischer Widergesetzt dotierte Zone eingelassen ist, sind bekannt. stand kleiner als der der ersten Zone und des Rand-Bei einem solchen Halbleiterbauelement wird bei- teils ist, und daß die dritte Zone von dem Zentralteil spielsweise die eingelassene dotierte Zone durch Auf- 60 der zweiten Zone einen Abstand hat, der mindestens bringen einer ein gewünschtes Dotiermaterial enthal- gleich der Dicke der Raumladungszone am pn-Übertenden Metallfolie auf den Halbleiterkörper und gang zwischen der ersten und der zweiten Zone bei nachfolgendes Einlegieren gebildet. Bei der auf diese angelegter Durchbruchsspannung bemessen ist. Legierangsvorgänge folgenden Bearbeitung der Kri- Infolge der kleinen Dicke und des höheren spezifi-

stalloberfläche treten mechanische Störungen des an 65 sehen Widerstandes des Randteils der zweiten Zone die Oberfläche tretenden Randes des pn-Übergangs wird in diesem Randteil der an dem pn-übergang auf. Zur Beseitigung dieser Störungen werden die bei einer Sperrspannung sich ausbildende, an Lagestörten Stellen durch eine das gleiche Dotiermate- dungsträgern verarmte Bereich breiter als in dem

zentralen Teil des pn-Übergangs, so daß die zu einem Durchbruch an diesem Randteil notwendige Spannung höher wird als die Spannung für einen Durchbruch in dem zentralen Teil. Damit ist das Gebiet, in dem der Durchbruch stattfindet, von dem bisher schwer zu beherrschenden Randteil des pn-Übergangs in das Innere des Halbleiterkristalls verlagert worden. Etwaige Kanäle, die sich an der Oberfläche des Randteils ausbilden, werden von der dritten zur zweiten, entgegengesetzt und stark dotierten Zone, die den Randteil bis zu der darunterliegenden ersten Zone, die den gleichen Leitungstyp wie die dritte Zone hat, durchbricht, ebenfalls durchbrochen und damit einfach abgeschnitten, so daß keine leitende Verbindung mehr zwischen dem pn-übergang und dem Rand der Halbleiterscheibe besteht. Da diese dritte »Kanalunterbrechungszone« mindestens so weit außerhalb der Hauptmasse der zweiten Zone liegt, wie die Raumladungszone breit ist, wenn die Durchbruchsspannung am pn-übergang anliegt, greifen die Potentiallinien auch in diesem Falle nicht um die dritte Zone herum, so daß ihre Wirkung ausgeschaltet würde. Die Dotierung des dünnen Randschichtteils der zweiten Zone und/oder die der dritten Zone kann dabei so gewählt werden, daß ihr spezifischer Widerstand mit wachsendem Abstand von der Oberfläche abnimmt.

Zur Ausbildung des Halbleiterbauelements als Transistor kann in die zweite Zone eine vierte Zone eingelassen sein, die den entgegengesetzten Leitungstyp wie die zweite Zone hat und mit dieser einen weiteren pn-übergang bildet.

Das Halbleitermaterial und der Leitungstyp der einzelnen Zonen können so gewählt sein, daß die zweite Zone aus η-leitendem Silicium, die erste Zone aus p-leitendem Silicium, der Randteil der zweiten Zone aus schwach η-leitendem Silicium und die dritte Zone aus stark p-leitendem Silicium bestehen. Selbstverständlich könnte auch die zweite Zone aus p-leitendem Silicium, die erste Zone aus n-leitendem Silicium, der Randteil der zweiten Zone aus schwach p-leitendem Silicium und die dritte Zone aus stark η-leitendem Silicium bestehen.

Zum Schutz gegen Umwelteinflüsse kann die Oberfläche des Halbleiterkörpers mindestens im Bereich der an der Oberfläche liegenden Grenze des oder der pn-Übergänge mit einem schützenden Isolierüberzug versehen sein, der beispielsweise aus Siliciumdioxyd bestehen kann.

Ein zweckmäßiges Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelementes nach der Erfindung besteht darin, daß zur Bildung des Randteils der zweiten Zone durch in der ersten Zone induzierte Ladungsträger ein Ladungsträger der den zu induzierenden Ladungsträgern entgegengesetzter Polarität enthaltender Überzug auf die Oberfläche des Halbleiterkörpers aufgebracht wird. Der spezifische Widerstand der durch das Aufbringen des Isolierüberzugs gebildeten Oberflächenschicht induzierter Ladungsträger läßt sich dabei bequem durch die Änderung der Dicke eines Teils des Isolierüberzugs beeinflussen.

Der Randteil der zweiten Zone läßt sich jedoch auch ausbilden, indem eine Halbleiterschicht auf der Oberfläche des Halbleiterkörpers epitaktisch aufwachsen gelassen wird.

Dieser epitaktische Aufbau des Randteils der zweiten Zone kann auf einem diffundierten Bereich des Halbleiterkörpers erfolgen. Die Dotierung des Randteils geschieht dabei während und nach dem epitaktischen Wachstum durch Rückdiffusion von Dotiermaterial aus dem diffundierten Bereich in die epitaktische Halbleiterschicht. Andererseits kann der Randteil der zweiten Zone auch durch Eindiffusion von Dotiermaterial in die Oberfläche des Halbleiterkörpers dotiert werden. Zur Einstellung eines bestimmten spezifischen Widerstandes über den Dotierungsgrad kann man dabei zweckmäßigerweise so ίο vorgehen, daß man nach kurzzeitiger Eindiffusion von Dotiermaterial in die Oberfläche des Halbleiterkörpers einen Teil des Dotiermaterials wieder ausdiffundieren läßt.

Damit bei der Diffusion des Randteils nicht an anderen Stellen Störungen durch ungewollt eindiffundiertes Dotiermaterial entstehen, erfolgt die Diffusion des Randteils zweckmäßigerweise nach der Bildung der ersten, zweiten und dritten Zone und nach dem Aufbringen des Isolierüberzugs auf den ao Halbleiterkörper durch den Isolierüberzug hindurch.

Ein zweckmäßiges Verfahren zur Bildung der einzelnen ineinanderliegenden Zonen, also der zweiten, dritten und bei Ausbildung des Halbleiterbauelements als Transistor auch der vierten Zone, ist die Anas wendung des bekannten Eindiffundierens von Dotiermaterial in die Oberfläche des Halbleiterkörpers.

Die Erfindung ist im folgenden an Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine vergrößerte Darstellung eines Transistors, dessen Gehäuse aufgeschnitten ist,

F i g. 2 eine perspektivische vergrößerte Darstellung des Transistors der F i g. 1 ohne Gehäuse, F i g. 3 einen Schnitt durch den Transistor der Fig. 2 längs der Linie 3-3,

F i g. 4 eine Darstellung eines Teils des Halbleiterkörpers mit einem pn-übergang, dessen Verarmungszone sich bei angelegter Sperrspannung ausdehnt,

F i g. 5 eine Darstellung der Zonen des Halbleiterkörpers zur Veranschaulichung der Ausbildung des Randteils, die durch Induzierung der Ladungsträger von dem darüberliegenden Isolierüberzug aus vorgenommen wird, wobei deren Dicke entsprechend der gewünschten Induziertiefe eingestellt wird, Fig. 6 Darstellungen der Verteilungen der Elektronenkonzentrationen an der Siliciumoberfläche unter zwei verschieden dicken Siliciumdioxydschichten, die durch Wasserdampfoxydation der Siliciumoberfläche entstanden sind,

F i g. 7 bis 9 einzelne Schritte bei der Herstellung eines Transistors nach der Erfindung durch ein Epitaxialverfahren,

Fig. 10 einzelne Schritte bei der Herstellung eines Transistors nach einem kombinierten Diffusions- und epitaktischen Verfahren,

Fig. 11 und 12 einzelne Schritte bei der Herstellung verschiedener Transistoren durch Diffusionsverfahren und

Fig. 13 und 14 einzelne Stufen bei der Herstellung verschiedener Transistoren, bei denen der Randteil der zweiten Zone durch einen Siliciumdioxyd- und/oder Glasüberzug gebildet und bemessen ist.

F i g. 1 ist eine vergrößerte Ansicht eines nach der Erfindung ausgebildeten, isolierüberzuggeschützten und von dem Gehäuse 3 eingeschlossenen Hochspannungstransistors 2. Durch das aufgeschnittene Gehäuse 3 sind der auf einen Metallboden 4 aufgelötete Transistor 2 und die Emitter- und Basisanschlüsse 5

und 6 zu sehen. Der Kollektoranschluß 7 ist über dem Metallboden 4 umgebogen und dort angeschweißt. Der in den F i g. 2 und 3 vergrößert dargestellte Transistor 2 kann ein pnp- oder npn-Transistor sein. Zur Erläuterung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung ist im folgenden ein pnp-Siliciumtransistor beschrieben, doch sind die Verfahrensschritte, abgesehen von den Abwandlungen wegen der Unterschiede des Leitungstyps, auch bei npn-Transistoren anwendbar.

Der Transistor 2 wird aus einer Halbleiterscheibe 12 aus p-leitendem Silicium gebildet. Sie enthält eine erste Zone, die mit Akzeptoren stark dotiert ist, damit in der Nähe des Metallbodens 4 ein ρ+-Be-

oder ihn unbrauchbar machen. Induzierte Kanäle mit sehr großer Ladungsträgerkonzentration sind jedoch selten, und so enden induzierte Kanäle des einen Leitungstyps in Bereichen des entgegengesetzten Lei-

5 tungstyps mit geringem spezifischem Widerstand. Für einen npn-Transistor ist dementsprechend die dritte Zone 21 eine n⁺-Zone.

Ein Teil eines mit einem Isolierüberzug geschützten Transistors ist stark vergrößert in F i g. 4 ge-

.o zeichnet. Wird die normale Sperrvorspannung an den Basis-Kollektor-pn-Übergang 23 und 24 z. B. eines pnp-Siliciumtransistors angelegt, so bildet sich ein an Ladungsträgern verarmter Bereich 25, dessen Dicke von der angelegten Spannung und dem spezifischen

reich 13 entsteht, so daß der Bahnwiderstand der 15 Widerstand und dem Leitungstyp des Siliciums abersten Zone, der Kollektorzone, des Transistors nied- hängt. Mit sich ändernder Spannung breitet sich der rig gehalten wird. Die Emitterzone 14 und die Basis- an Ladungsträgern verarmte Bereich 25 so lange aus, zone 15 des Transistors können durch Diffusion bis eine maximale Dicke erreicht ist, nach deren Er- oder Epitaxie gebildet werden, während der Rest reichen eine weitere Spannungszunahme den Eintritt der p-leitenden Halbleiterscheibe den Kollektor dar- 20 eines Lawinenartigen Durchbruchs herbeiführt. In stellt. Die Halbleiterscheibe ist durch einen Isolier- einer verhältnismäßig stark dotierten Basiszone 15 ist Überzug aus z. B. Siliciumdioxyd 16 auf ihrer Ober- der sich in die Basiszone hinein ausbreitende, durch fläche geschützt. Die Kontaktelektroden 17, 18 und die Dicke A veranschaulichte, an Ladungsträgern 19 sind aus Metall. verarmte Teil des Bereichs 25 ziemlich klein, währ-

Bei dem Transistor nach der Erfindung weist der 95 end der sich in den schwach dotierten p-Bereich der Rand der Basiszone 15, welche als zweite Zone in Kollektorzone hinein ausbreitende, die Dicke B aufdie erste, die Kollektorzone, eingelagert ist, an der weisende, an Ladungsträgern verarmte Teil des BeOberfläche des Halbleiterkörpers einen etwas ver- reichs 25 verhältnismäßig groß ist. Die Dicke des gebreiterten Teil 20 aus Silicium von hohem spezifi- samten Bereichs 25 ist also A+B. Diese Dicke A+B schem Widerstand auf. Der Randteil 20 wird in einem 30 soll den Höchswert der Ausbreitung des Bereichs 25 kleinen Abstand von der Basiszone 15 durch eine sie unmittelbar vor dem lawinenartigen Durchbruch darumschließende dritte Zone 21 aus p⁺-Silicium be- stellen.

grenzt. An der Oberfläche des Halbleiterkörpers breitet

Der Randteil 20 hat einen viel höheren spezifi- sich ein Teil C des an Ladungsträgern verarmten sehen Widerstand, als der Zentralteil der Basiszone 35 Bereichs 25 mit der Dicke C etwas in den eine kleine 15 hat. Die Leitfähigkeit des Randteils 20 ist mit u Leitfähigkeit aufweisenden Randteil 20 hinein aus, bezeichnet. Seine Breite ist so bemessen, daß der an während ein Teil mit der Dicke D nur geringfügig in Ladungsträgern verarmte Bereich, das ist die Raum- die p+-Zone 21 hineinreicht, so daß die Gesamtdicke ladungszone, des pn-Übergangs sich ohne Rücksicht C + D ist. Kann sich der Bereich 25 mit der Geauf den spezifischen Widerstand des Halbleitermate- 40 samtdicke C + D bis zu einem Höchstwert ausdehrials in den Randteil hinein erstrecken kann. Die Er- nen, der einer Spannung entspricht, die größer als füllung dieser beiden Erfordernisse für den Randteil diejenige für die Ausdehnung mit dem Höchstwert — Halbleitermaterial von höherem spezifischem der Dicke A+B an einer beliebigen Stelle des Widerstand als in dem Zentralteil der Basiszone und pn-Übergangs in dem Zentralteil der Basiszone ist, genügende Breite zur ausreichenden Ausbreitung der 45 so tritt der Durchbruch im Innern des Kristalls ein Raumladungszone — bringt eine wesentliche Er- und nicht an der weniger stabilen Oberfläche, wie höhung der Durchbruchsspannung.

Wie die F i g. 2 und 3 zeigen, ist der Randteil 20
in einem Abstand von der Basiszone 15 noch durch
die dritte Zone 21 aus p+-Silicium unterbrochen. Der 50
von der Basiszone 15 abgetrennte Rest des ursprünglichen Randteils 20 ist der Bereich 22. Würde der
Randteil 20 über die ganze Oberfläche der Halbleiterscheibe verlaufen, so wäre die Kollektor-Basis-Kapazität sehr hoch. Die p⁺-Zone 21 begrenzt den 55 fläche des Halbleiterkörpers mittels eines dünnen auf-Umfang 23 des Kollektor-Basis-pn-Übergangs geo- gebrachten Überzugs gebildet, so kann die Konzenmetrisch und begrenzt somit dessen Kapazität. tration und Verteilung der induzierten Ladungsträger Außerdem unterbricht sie aber auch störende leitende durch Änderung der Dicke des Überzugs beeinflußt Kanäle, die sich auf der Oberfläche des Halbleiter- werden. Die Fig. 5 zeigt schematisch einen Teil eines körpers ausbilden. Derartige leitende Kanäle ent- 60 Hochspannungstransistors mit einem durch Induziestehen beispielsweise durch Einwirkung einer ioni- rung von Ladungsträgern gebildeten Randteil 30 der sierenden oder radioaktiven Umgebung in Form von Basiszone. Der Randteil 30 ist η-leitend und wurde induzierten Inversionsschichten, die von der Basis- durch den zum Schutz der Halbleiterkörperoberfläche zone zu Bereichen höherer Rekombination oder zu benutzten Siliciumdioxydüberzug 31 induziert. Der Leckstromstellen führen. Derartige induzierte Kanäle 6g spezifische Widerstand des Randteils 30 und seine können, wenn sie von demselben Leitfähigkeitstyp Dicke sind durch teilweises Abtragen des Siliciumwie die Basiszone sind und wahllos auftreten, die dioxyds, in dem positive Ladungsträger verteilt sind, Eigenschaften des Transistors stark verschlechtern entsprechend eingestellt. Ein Bereich 32 größerer

dies sonst der Fall ist. Die Durchbruchsspannung ist dadurch ohne Rücksicht auf die Umgebungsbedingungen recht stabil.

Ein Randteil in der Form einer dünnen, auf einem Teil der ersten Zone aufliegenden Schicht an der Oberfläche des Halbleiterkörpers läßt sich auch durch Induzierung von Ladungsträgern ausbilden. Werden die induzierten Ladungsträger an der Ober-

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Dicke besteht unter dem dickeren Siliciumdioxyd- aus der Emitterzone 46, der Basiszone 42, der Kolüberzug 33. lektorzone 51 und der dritten Zone 47 aus, so daß

Nicht in allen Fällen wird bereits durch den an alle diese Zonen und die pn-Übergänge zwischen der Oberfläche durch induzierte Ladungsträger ge- ihnen bis zur Oberfläche reichen. Ein Teil der epitakbildeten Randteil der Basiszone die Spannung ge- 5 tischen Schicht 50 wird dann oxydiert und bildet so steigert, bei welcher der lawinenartige Oberflächen- einen Überzug 54 aus Siliciumdioxyd, der dazu durchbruch eintritt, und ein dicker Oxydüberzug ist dient, die pn-Übergänge zu schützen. In dem Siliciumnicht in jedem Fall erwünscht. Jedoch kann in diesen dioxydüberzug 54 werden öffnungen hergestellt, Fällen der spezifische Oberflächenwiderstand und und vor dem Einbau des Transistors in ein Gehäuse damit die Oberflächendurchbruchsspannung erhöht io werden die Ohmschen Kontakte 57, 58 und 59 aus werden, indem der Siliciumdioxydfilm über einem Metall auf die Emitter-, die Basis- und die Kollektor-Abschnitt des Randteils dünner gehalten wird. Bei zone aufgebracht.

Siliciumoxydüberzügen mit großen Oberflächen- Die Herstellungsstufen eines zweiten Verfahrens

ladungsdichten gelten gewisse Abwandlungen; z.B. zeigt die Fig. 8. Nachdem die η-leitende Basiszone

würde ein dünner Siliciumdioxydüberzug mit einer 15 61 (F i g. 8 A) in der p-leitenden Siliciumscheibe

positiven Oberflächenladung beispielsweise ein Film durch Diffusion gebildet worden ist, werden der

aus einer entsprechend ausgerichteten polaren Sub- Siliciumdioxydüberzug und der (nicht veranschau-

stanz, einen η-leitenden Bereich auszubilden oder die lichte) Glasüberzug — beide sind nicht gezeichnet —

Leitfähigkeit eines η-leitenden Bereichs unter dem von der Oberfläche entfernt, und es wird eine Schicht

dünnen Siliciumdioxydüberzug zu erhöhen suchen, ao 62 (F i g. 8 B) aus η-leitendem Silicium von hohem

Die beiden Kurven nach F i g. 6, in der links die spezifischem Widerstand auf der Oberfläche der

Elektronenkonzentration über der Tiefe in einer Siliciumscheibe epitaktisch aufgebracht. Ein Teil

Siliciumscheibe für einen dicken und in der rechts dieser epitaktischen Schicht 62 wird dann oxydiert

die gleiche Kurve für einen dünnen Siliciumdioxyd- (F i g. 8 C), so daß ein Siliciumdioxydüberzug 63

überzug aufgetragen ist, zeigen, wie die Elektronen- as entsteht. Die öffnungen64 und 65 (Fig. 8D) wer-

konzentration an der Oberfläche für manche dicken den in dem Siliciumdioxydüberzug 63 hergestellt, und

Siliciumdioxydüberzüge stärker ist. Ebenso ist wegen die Emitterzone 66 sowie die dritte Zone 67 werden

der gegenseitigen Abstoßung der Elektronen die durch Diffusion gebildet. Die Hauptmasse des wäh-

Elektronen enthaltende Oberflächenschicht dicker. rend dieser Diffusion gebildeten Glasüberzugs 68

Wird ein Transistor nach der Erfindung für eine 30 und der darunterliegende Siliciumdioxydüberzug vervorgegebene Durchbruchspannung ausgelegt, so kann bleiben zum Schutz auf dem Halbleiterkörper. Wie für die Kollektor- und/oder die Basiszone ein Halb- bei dem Verfahren nach der F i g. 7 werden öffnunleitermaterial von etwas niedrigerem spezifischem gen in diesen beiden Überzügen vorgesehen, um Widerstand benutzt werden, so daß der Bahnwider- Metallkontakte an den Halbleiterzonen anzubringen, stand des Transistors niedriger als bei bekannten, im 35 Die weiteren Schritte zur Fertigstellung des Transiübrigen gleichwertigen Transistoren gehalten werden stors sind übliche bekannte Maßnahmen,
kann. Wenn die dritte Zone nicht während der Diffusion

Transistoren nach der Erfindung können in ver- der Emitterzone gebildet wird und wenn eine epitakschiedener Weise hergestellt werden. In Verbindung tische Schicht zur Bildung des Randteils der Basismit den F i g. 7 bis 14 sind Transistoren der Zweck- 40 zone erforderlich ist, kann zuerst das Dotiermaterial mäßigkeit wegen in Darstellung und Beschreibung für die dritte Zone durch öffnungen 70 in dem so behandelt, als wären sie durch Bearbeitung einer Siliciumdioxydüberzug 71 hindurchdiffundiert wereinzelnen Halbleiterscheibe hergestellt; praktisch den, um einen dünnen p-leitenden Bereich 72 zu bilwerden jedoch auf einer einzigen Halbleiterscheibe den (Fig. 9A). Während des epitaktischen Aufhundert oder mehr Transistoren auf einmal herge- 45 Wachsens der η-leitenden den Randteil der Basisstellt und dann die Halbleiterscheibe in ein- zone ergebenden Schicht 73 (Fig. 9B) diffundieren zelne Transistorhalbleiterscheibchen auseinander- die p-Störstellen des p-leitenden Bereichs 72 durch geschnitten. die epitaktische Schicht 73 hindurch bis an die Ober-

Nach einem ersten Verfahren werden Transistoren fläche, wo sie die dritte Zone 74 bilden. Die Obernach der Erfindung durch Diffusion und Epitaxie her- 50 fläche der Siliciumscheibe wird oxydiert (F i g. 9 C), gestellt. Die Herstellungsstufen dieses Verfahrens und dann werden die Basiszone 75 und die Emitterzeigt Fig. 7. Durch Diffusion (Fig. 7A) von zone 76 (Fig. 9D bis 9E) durch Diffusion wie bei n-Dotiermaterial durch eine öffnung in einem Über- dem Verfahren nach F i g. 8 gebildet,
zug41 aus Siliciumdioxyd wird die Basiszone42 Bei einem dritten Verfahren (vgl. Fig. 10) wird (Fig. 7B) in der p-leitenden Siliciumscheibe gebildet. 55 der Randteil der Basiszone ähnlich wie die dritte Der Glasüberzug 43 bildet sich während der Dif- Zone bei dem zweiten Verfahren (F i g. 9) erzeugt. In fusion des n-Dotiermaterials. In dem Glas- und in die Oberfläche der p-leitenden Siliciumscheibe wird dem Siliciumdioxydüberzug werden die öffnungen 44 n-Dotiermaterial zur Bildung des η-leitenden Be- und 45 (Fig. 7C) gebildet, durch die dann p-Dotier- reichs 80 eindiffundiert. Eine Schicht 81 aus p-leitenmaterial zur Bildung der Emitterzone 46 und der 60 dem Silicium wird dann epitaktisch aufgebracht, dritten Zone 47 in die Siliciumscheibe eindiffundiert Während dieses Vorgangs diffundieren die n-Störwird, während die Überzüge 41 und 42 als Abdek- stellen des η-leitenden Bereichs 80 bis an die Oberkung dienen. Der Siliciumdioxydüberzug 41 und der fläche und bilden einen η-leitenden Bereich 82, des-Glasüberzug 43 werden dann abgetragen, worauf eine sen oberflächennächster Teil sehr schwach n-leitend Schicht 50 aus Silicium zur Bildung des Randteils 65 ist. Ein Überzug 83 aus Siliciumdioxyd wird gebildet, der Basiszone bei hohen Temperaturen epitaktisch ein Teil desselben wird weggeätzt, und die n-leitende aufwachsen gelassen wird. Während der Bildung der Basiszone 84 wird durch Diffusion gebildet. Die epitaktischen Schicht 50 diffundiert Dotiermaterial Oberfläche der Siliciumscheibe wird erneut oxydiert,

um während des Diffusionsvorgangs einen Glasüber- 105 werden in zwei aufeinanderfolgenden Diffusionszug 85 zu bilden, und die Öffnungen 86 und 87 wer- schritte gebildet (Fig. 13B bis 13D). den für den Diffusionsvorgang eingeätzt, bei welchem Im wesentlichen der gleiche Aufbau eines Tran-

die Emitterzone 89 und die dritte Zone 90 gebildet sistors wird nach einem in F i g. 14 erläuterten Verwerden. Mit üblichen bekannten Maßnahmen wird 5 fahren erhalten, das ebenfalls einen Basiszonenrandder Transistor dann fertiggestellt. teil mit etwas höherem spezifischem Oberflächen-

Bei einem weiteren Verfahren zur Herstellung widerstand ergibt. Nach der Bildung der Basiszone eines pnp-Transistors, bei dem der Randteil der 109 durch Diffusion kann die unter dem Silicium-Basiszone durch Diffusion gebildet wird, werden in dioxydüberzug 111 und dem Glasüberzug 112 lieeiner p-leitenden Siliciumscheibe zunächst n-Ieitende io gende Oberflächenschicht 110 der Siliciumscheibe Oberflächenschichten 92 und 92' im Diffusionsver- hinsichtlich Elektronendichte- und -verteilung beeinfahren gebildet werden (Fig. 11 A). Als Dotiermate- flußt werden, weil durch das Verringern der Dicke rial benutzt man dabei Arsen, weil dieses in SiIi- des Siliciumdioxyd- und des Glasüberzugs der spezicium sehr langsam diffundiert. Diese Diffusion wird fische Widerstand in der Oberflächenschicht 110 der nur eine kurze Zeit lang vorgenommen, sodann läßt 15 Siliciumscheibe erhöht wird. Das Siliciumdioxyd kann man eine Ausdiffusion einsetzen, um die Oberflächen- durch Abdecken mit einem Überzug 113 und kurzkonzentration des n-Dotiermaterials abzuschwächen zeitige Behandlung der Überzüge 111 und 112 mit und so den spezifischen Widerstand der η-leitenden Flußsäure, ζ. B. Fluorwasserstoffdampf, auf die ge-Oberflächenschicht der Siliciumscheibe auf einen wünschte Dicke weggeätzt werden. Da die Durchhohen Wert zu bringen. Die Oberflächenschicht 92' ao bruchsspannung in dem Randteil der Basiszone nur an der Unterseite der Siliciumscheibe wird weggeätzt größer als in dem Zentralteil der Basiszone sein soll, oder weggeläppt (Fig. 11 B). Danach (Fig. HC bis ist der Ätzvorgang nicht kritisch, weil der Silicium-HE) wird die Oberfläche der Siliciumscheibe wieder dioxydüberzug nur dünner als ein gegebener Wert zu oxydiert und werden durch Diffusion die Basiszone sein braucht. Die Leitfähigkeit des Randteils kann 93, die Emitterzone 94 und die dritte Zone 95 ge- 95 auch dadurch eingestellt werden, daß man den bildet. Der Abschnitt der Oberflächenschicht 92 zwi- Siliciumdioxydüberzug auf die gewünschte Dicke ansehen der Basiszone 93 und der dritten Zone 95 wachsen läßt. Der Transistor wird fertiggestellt, inbildet den Randteil 119 der Basiszone 93. Der dem die Emitterzone 115 und die dritte Zone 116 Transistor wird dann in bekannter Weise fertig- durch Diffusion gebildet und die — nicht gezeichnegestellt. ■ 30 ten — Metallkontakte angebracht werden.

Ein npn-Transistor (Fig. 12) mit einem diffun- Sehr saubere Oberflächen von Silicium- und Ger-

dierten Randteil der Basiszone kann unter Verwen- maniumkörpern sind ohne Rücksicht auf den Leidung von Gallium als Dotiermaterial hergestellt tungstyp des innenliegenden (Haupt-)Materials meiwerden. Durch Diffusion wird in der Siliciumscheibe stens p-leitend, doch hängen in der Praxis der die Basiszone 129 ausgebildet (Fig. 12A); der bei 35 Leitungstyp und der spezifische Widerstand einer dieser Diffusion als Abdeckung verwendete — nicht Oberflächenschicht von der Verarbeitung des Halbgezeichnete — Siliciumoxydüberzug wird weggeätzt, leitermaterials ab. Wird ein Siliciumdioxydüberzug sodann wird ein neuer Siliciumdioxydüberzug 96 ge- auf einer ebenen Oberfläche einer monokristallmen bildet. Die Emitterzone 97 (Fig. 12B) und die dritte Siliciumscheibe gebildet, werden der Leitungstyp und Zone 98 werden durch kurzzeitiges Eindiffundieren 40 die Ladungsträgerdichte der darunterliegenden Obervon n-Dotiermaterial gebildet. Danach wird in einer flächenschicht durch die Art des Siliciumdioxyds beweiteren Diffusionsstufe Gallium durch den Silicium- stimmt. Zum Beispiel rufen unter Wasserdampf geoxydüberzug hindurchdiffundiert, so daß der Rand- bildete Siliciumdioxydüberzüge eine η-leitende SiIiteil99 (Fig. 12C) und der Diffusionsschichtteil 139 ciumoberflächenschicht hervor, während unter reinem gebildet werden. Da das Eindiffundieren von Gallium 45 Sauerstoff gebildete Siliciumdioxydüberzüge eine nur kurzzeitig erfolgt, werden die Emitterzone und p-leitende Oberflächenschicht ergeben. Nach dem die dritte Zone nicht stark in Mitleidenschaft gezogen. jetzigen Stand der Technik ist es recht schwierig, für Die — nicht gezeichnete—Bodenfläche der Silicium- den Randteil der Basiszone eine p- oder n-leitende scheibe, in die Gallium diffundiert ist, wird dann Oberflächenschicht mit einer gegebenen Oberflächenganz weggeätzt oder weggeläppt. 50 ladungsträgerkonzentration und -verteilung herzu-Der Randteil der Basiszone eines Transistors läßt stellen. Da jedoch für den Randteil der Basiszone bei sich ohne weiteres auch durch Induzierung von La- Transistoren nach der Erfindung nur ein oberhalb dungsträgern ausbilden. Diese Ausbildung läßt sich irgendeines Mindestwerts liegender spezifischer Oberbereits mit sehr befriedigendem Ergebnis verwenden, flächen widerstand erforderlich ist, sind sie praktisch um die Durchbruchspannung des Transistors zu er- 55 leicht herzustellen.

höhen. Einen pnp-Transistor mit induziertem Randteil Zum Beispiel wird bei der Herstellung eines pnp-

der Basiszone zeigt Fig. 13. Ein Siliciumdioxydüber- Transistors ein Arbeitsverfahren angewandt, das auf zug 100 wird auf der p-leitenden Siliciumscheibe 101 der p-leitenden Siliciumscheibe eine p-leitende Obervon großem spezfischem Widerstand so gebildet, daß flächenschicht mit einem nicht sehr niedrigen spezidarunter eine η-leitende Oberflächenschicht 102 in- 60 fischen Widerstand ergibt. Dann wird ein Siliciumduziert wird (Fig. 13A). Durch thermisches An- dioxydüberzug bis zur entsprechenden Dicke in wachsenlassen des Siliciumdioxyds in einer wasser- Wasserdampf erzeugt, so daß die Oberfläche der dampfreichen Atmosphäre wird ein Siliciumdioxyd- Siliciumscheibe durch Elektronenanziehung n-leitend Überzug gebildet, der eine derartige Ladung oder gemacht wird, wobei ein über dem Mindestwert Ladungsverteilung besitzt, daß er Elektronen an die 65 liegender spezifischer Widerstand nötig ist, um zu Oberfläche der Siliciumscheibe zieht, wodurch eine bewirken, daß der lawinenartige Durchbruch in dem η-leitende Oberflächenschicht 102 entsteht. Die Basis- zentralen Teil des pn-Übergangs eintritt, zone 103, die Emitterzone 104 und die dritte Zone Im Falle eines npn-Transistors kann man so vor-

gehen, daß zuerst eine p-leitende Oberflächenschicht mit niedrigem spezifischem Widerstand gebildet wird. Derartige Oberflächenschichten haben einen spezifischen Widerstand, der sich in der Regel in groben Grenzen hält. Dann kann die Leitfähigkeit der p-leitenden Oberflächenschicht durch Bildung eines im Dampf gebildeten und daher Elektronen anziehenden Siliciumdioxydüberzugs entsprechender Dicke durch die von diesem Siliciumdioxydüberzug in der Oberflächenschicht induzierten Elektronen zu einer p-leitenden Schicht von hohem spezifischem Widerstand »kompensiert« werden.

Ist bei einem pnp- oder einem npn-Transistor die Oberfläche, an welcher der Randteil der Basiszone auszubilden ist, zunächst η-leitend, dann wird ein sich unter Sauerstoff aufbauender und daher elektronenabstoßender Siliciumdioxydüberzug durch Aufbringen oder Ätzen auf die entsprechende Dicke gebildet, so daß im Falle des pnp-Transistors der spezifische Widerstand an der Oberfläche über dem kriti- ao sehen Wert liegt, und im Falle des npn-Transistors die Oberflächenschicht in p-leitendes Silicium von hohem spezifischem Widerstand umgewandelt wird.

Die bei der Ausführung von Halbleiterbauelementen nach der Erfindung als Transistoren erzielbaren Vorteile — höhere Betriebsspannung, bessere Stabilität gegenüber Umgebungseinflüssen, bessere Reproduzierbarkeit beim Herstellen, niedrigerer Bahnwiderstand bei gleicher Durchbruchsspannung — werden auch bei der Ausführung als Dioden erreicht.

Claims

Patentansprüche:

1. Halbleiterbauelement mit einem Halbleiterkörper, der mindestens zwei Zonen aufweist und bei dem in die erste Zone des einen Leitungstyps die zweite Zone des entgegengesetzten Leitungstyps eingelassen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Randteil (20) der zweiten Zone (15) die Form einer dünnen, auf einem Teil der ersten Zone (12) aufliegenden Schicht an der Oberfläche des Halbleiterkörpers (20) aufweist, deren spezifischer Widerstand höher als der Zentralteil der zweiten Zone (15) ist, derart, daß ein Durchbruch des pn-Übergangs zwischen der ersten Zone (12) und dem Zentralteil der zweiten Zone (15) erfolgt, daß der Randteil (20) der zweiten Zone (15) von einer ihn vollständig umgebenden dritten Zone (21) des Leitungstyps der ersten Zone (12) begrenzt ist, deren Dicke mindestens gleich der Dicke des Randteils (20) der zweiten Zone (15) ist und deren spezifischer Widerstand kleiner als der der erten Zone (12) und des Randteils (20) ist, daß die dritte Zone (21) von dem Zentralteil der zweiten Zone (15) einen Abstand hat, der mindestens gleich der Dicke der Raumladungszone (25) am pn-übergang zwischen der ersten und der zweiten Zone (12 bzw. 15) bei angelegter Durchbruchspannung bemessen ist.

2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem an die Oberfläche angrenzenden Bereich des Randteils (20) der spezifische Widerstand mit wachsendem Abstand von der Oberfläche abnimmt.

3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der spezifische Widerstand der dritten Zone (21) mit wachsendem Abstand von der Oberfläche abnimmt.

4. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Zone (15) aus η-leitendem Silicium, die erste Zone (12) aus p-leitendem Silicium, der Randteil (20) der zweiten Zone (15) aus schwach η-leitendem Silicium und die dritte Zone (21) aus stark p-leitendem Silicium bestehen.

5. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zu seiner Ausbildung als Transistor in die zweite Zone (15) eine vierte Zone (14) eingelassen ist, die den entgegengesetzten Leitungstyp zu der zweiten Zone (12) hat und zusammen mit dieser einen weiteren pn-übergang bildet.

6. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Halbleiterkörpers mindestens im Bereich der an der Oberfläche liegenden Grenze des oder der pn-Übergänge mit einem schützenden Isolierüberzug (16) versehen ist.

7. Halbleiterbauelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Isolierüberzug (16) aus Siliciumdioxyd besteht.

8. Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung des Randteils der zweiten Zone (103, 109) durch in der ersten Zone (101) induzierte Ladungsträger ein Ladungsträger der den zu induzierenden Ladungsträgern entgegengesetzten Polarität enthaltender Isolierüberzug (100; 111) auf die Oberfläche des Halbleiterkörpers aufgebracht wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der spezifische Widerstand der durch das Aufbringen des Isolierüberzuges (111) gebildeten Oberflächenschicht (110) induzierter Ladungsträger durch Änderung der Dicke eines Teils des Isolierüberzugs (111) beeinflußt wird (Fig. 14).

10. Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung des Randteils der zweiten Zone (42; 61; 75; 84) eine Halbleiterschicht (50; 62; 73; 81) auf der Oberfläche des Halbleiterkörpers epitaktisch aufwachsen gelassen wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterschicht (81) epitaktisch auf einen diffundierten Bereich (80) des Halbleiterkörpers aufgebracht und der Randteil (82) der zweiten Zone (84) während und nach dem epitaktischen Wachstum durch Rückdiffusion von Dotiermaterial aus dem diffundierten Bereich (80) in die epitaktische Halbleiterschicht (81) dotiert wird.

12. Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung des Randteils (119; 99) der zweiten Zone (93; 129) eine Oberflächenschicht (92; 99; 139) durch Eindiffusion von Dotiermaterial in die Oberfläche des Halbleiterkörpers gebildet wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß nach kurzzeitiger Eindiffusion von Dotiermaterial in die Oberfläche des HaIbleiterkörpers eine Ausdiffusion zur Einstellung des spezifischen Widerstands der Oberflächenschicht (92) vorgenommen wird.

14. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Diffusion der Oberflächenschicht (99, 139) nach Bildung der ersten, zweiten und dritten Zone und nach Aufbringen des Isolierüberzugs (96) auf den Halbleiterkörper durch den Isolierüberzug (96) hindurch erfolgt.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 9

bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung des Zentralteils der zweiten Zone (15), der dritten Zone (21) und bei Ausbildung des Halbleiterbauelements als Transistor auch zur Bildung der vierten Zone (14) jeweils entsprechendes Dotiermaterial in die Oberfläche des Halbleiterkörpers eindiffundiert wird.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen