DE3038571A1

DE3038571A1 - Zenerdiode

Info

Publication number: DE3038571A1
Application number: DE19803038571
Authority: DE
Inventors: Albert Eindhoven Schmitz
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1979-10-18
Filing date: 1980-10-13
Publication date: 1981-04-30
Also published as: IT1194705B; JPS5662374A; US4419681A; FR2468208A1; DE3038571C2; IT8025365A0; GB2061003A; NL7907680A; FR2468208B1; GB2061003B; SE8007199L; CA1155968A

Description

. Philips' Gloa'arcpt.nisbiisi'sn, Eindhoven

20-6-1980 y D. PHN 9598

Zenerdiode.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Halbleiteranordnung mit einer Zenerdiode, die einen Halbleiterkörper mit einem an eine Oberfläche des Körpers grenzenden ersten Halbleitergebiet von einem ersten Leitungstyp, einem ebenfalls an diese Oberfläche grenzenden innerhalb des ersten Gebietes liegenden zweiten Gebiet vom zweiten entgegengesetzten Leitungstyp und einem in Abstand von der Oberfläche liegenden von dem zweiten und wenigstens seitlich von dem ersten Gebiet begrenzten dritten Gebiet vom ersten Leitungstyp mit einer höheren Dotierungskonzentration als wenigstens der seitlich begrenzende Teil des ersten Gebietes enthält, wobei das dritte Gebiet in Projektion völlig innerhalb des zweiten Gebiets liegt und wobei das zweite Gebiet mit dem ersten und dem dritten Gebiet einen an der Oberfläche enden—

den im wesentlichen parallel zu der Oberfläche verlaufenden pn-Übergang bildet.

Eine Halbleiteranordnung mit einer Zenerdiode der beschriebenen Art ist aus der US-PS 3345221 bekannt.

Unter Zenerdioden sind in der vorliegenden Armeiäung

in allgemeinen Sinne Dioden mit einer sehr genau bestimmten

und reproduzierbaren Durchschlagspannung zu verstehen,die zun Erzeugen einer Bezugs spannung verwendet werden. Es- ist im allgemeinen in der Praxis nicht von wesentlicher Bedeutung, ob dabei der Durchschlag durch Lawinenvervielfachung oder durch den vor allem bei kleinen Durchschlagspannungen (<^ 6Vj in den ' Vordergrund tretenden "Zener"-Effekt herbeigeführt wiird. Eine Zenerdiode mit der beschriebenen Struktur kann als diskrete Diode, aber auch als Element einer monolithischen integrierten Schaltung verwendet werden. Der

grosse Vorteil dieser Struktur ist der, dass der Durchschlag infolge der dort vorhandenen Dotierungskonzentrationen und -gradienten an dem sich zwischen dem zweiten und dem dritten Gebiet befindenden Teil des pn-Ubergangs auftritt,

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so dass Durchschlag an der Oberfläche vermieden wird. Dadurch wird im allgemeinen eine genau bestimmte Durchschlagspannung auf reproduzierbare Weise erhalten.

Bei diesen bekannten Zenerdioden wird von einem homogen dotierten Substrat ausgegangen, in dem durch Dotierung von aussen her entweder durch Diffusion oder durch Implantation oder durch eine Kombination dieser beiden nacheinander das dritte Gebiet von gleichen Leitungstyp wie das Substrat und das zweite Gebiet von dem des Substrats entgegengesetzten Leifcungstyp erzeugt werden. Die Reihenfolge der Erzeugung des zweiten und des dritten Gebietes kann erwünschtenfalls auch umgekehrt werden. Bei diesem Herstellungsverfahren wird eine Vielzahl von Halbleiteranordnungen zugleich aus derselben Halbleiterscheibe gebil-

Die Anmelderin hat jedoch gefunden, dass unter Umstanden dJLo Genauigkeit und die Reproduzierbarkeit der Durchschlagspannung der beschriebenen Dioden zu wünschen übrig lassen. Die Anmelderin ist dabei zur Einsicht gelangt, dass ein Zusammenhang zwischen einerseits dem Genauigkeit- und Reproduzierbarkeitsgrad der Durchschlagspannung und andererseits der Grosse der Halbleiterscheibe, aus der die Dioden gebildet werden, besteht. Je nachdem die Halbleiterscheibe, von der ausgegangen wird, einen grösseren Durchmesser aufweist, stellt sich heraus, dass die Genauigkeit und die Reproduzierbarkeit der Durchschlagspannung abnehmen.

Dies ist an sich ein überraschendes Ergebnis, weil sich unter Berücksichtigung der Struktur der obenbeschriebenen bekannten Zenerdioden erwarten liesse, dass die Halbleiterscheibe, ans der das Substrat gebildet wird, die Durchschlagspannung nicht oder nahezu nicht beeinflusst. Der Durchschlag tritt ja nicht zwischen dem zweiten Gebiet und dem Substrat, sondern zwischen dem zweiten Gebiet und dem höher als das Substrat dotierten dritten Gebiet auf.

. Die Erfindung hat die Aufgabe, eine Halbleiteranordnung mit einer Zenerdiode zu schaffen, bei der genaue und reproduzierbare Durchschlagspannungen erhalten werden können, ungeachtet des Durchmessers der Halbleiterscheibe,

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von der ausgegangen -wird.

Dazu ist eine Halbleiteranordnung der eingangs beschriebenen Art nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass das erste Gebiet aus einer epitaktischen Schicht besteht, die auf einem hochdotierten Substrat vom ersten Leitungstyp mit einer höheren Dotierungskonzentration als die epitaktische Schicht angewachsen ist, -wobei die epitaktische Schicht eine derartige Dotierung und Dicke aufweist, dass der differentielle Widerstand der Diode auch bei Durchschlag positiv ist.

Es hat sich herausgestellt, dass Halbleiteranordnungen mit Zenerdioden mit der beim ersten Anblick unnötig verwickelten Struktur nach der Erfindung auch auf Halbleiterscheiben mit einem Durchmesser von 76 mm oder grosser mit genauen und reproduzierbaren Durchschlagspannungen hergestellt werden können. Die Tatsache, dass dies bei der bekannten Struktur ohne epitaktische Schicht in viel geringerem Masse der Fall ist, lässt sich vermutlich auf folgende Weise erklären. Da das dritte Gebiet in der Praxis durch Dotierung (implantation und/oder Diffusion) von ausser her in dem Substrat angebracht wird, bestimmt die vom Substrat gelieferte Hintergrunddotierung in nicht unbedeutendem Masse den Dotierungsgradienten des dritten Gebietes am pn—übergang und damit die Durchschlagspannung.

Halbleiterscheiben mit einem Durchmesser bis zu etwa 50 mm lassen sich noch mit einer derart homogenen Dotierungskonzentration herstellen, dass die daraus erhaltenen Substrate die erforderliche Gleichmässigkeit aufweisen. Bei grösseren Halbleiterscheiben mit z.B. einem Durchmesser von 7^ mm ist dies, wie gefunden wurde, nicht mehr möglich, so dass die aus derselben Halbleiterscheibe hergestellten Dioden gegenseitige Abweichungen in der Durchschlagspannung aufweisen. Bei den Zenerdioden nach der Erfindung wird jedoch das erste Gebiet durch eine epitaktische Schicht gebildet, deren Dotierung viel besser eingestellt und viel homogener gemacht werden kann, so dass der genannte Nachteil vermieden wird.

Zenerdioden, bei denen das homogene Substrat

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durch eine epitaktische Schicht oder ein hochdotiertes : Substrat ersetzt ist, weisen manchmal bei Durchschlag eine TJnregelmässigkeit auf, die wahrscheinlich einem auftretenden negativen differentiellen Widerstand zuzuschreiben ist, wie er auch z.B. bei einer sogenannten "IMPATT"-Diode (auch als Lawinendiode bezeichnet) auftritt, in der diese Erscheinung zum Erzeugen von Hochfrequenzspannungen oder -strömen benutzt wird. Dies steht naturgemäss völlig im Widerspruch zu den einer Zenerdiode gestellter Anforde— rungen. Die genannte Erscheinung hängt wahrscheinlich mit dem Auftreten eines zu grossen Ausbreitungswiderstandes zwischen dem zweiten Gebiet und dem hochdotierten Substrat zusammen, Daher muss, wie bereits erwähnt wurde, die epitaktische Schicht eine derartige Dicke und Dotierung aufweisen, dass der differentielle Widerstand auch bei Durchschlag stets positiv ist.

Obgleich sich das dritte Gebiet bis zu dem Substrat erstrecken kann, wird vorzugsweise das dritte Gebiet völlig vom zweiten Gebiet und von der epitaktischen Schicht begrenzt.

Die epitaktische Schicht weist vorteilhafterweise eine Dicke von mindestens 10 μπι und höchstens 35 P-^m und einen spezifischen Widerstand von mindestens 0,5-ft-cm und höchstens 2 il .cm auf. Damit können z.B. in Silizium Durch-Schlagspannungen zwischen 12V und 120 V erhalten werden. Der spezifische Widerstand des hochdotierten Substrats ist zum Erhalten eines möglichst niedrigen Reihenwiderstandes vorzugsweise höchstens 0,012X1 .cm.

Es sei weiter noch bemerkt, dass Diodenstrukturen der obenbeschriebenen Art an sich für "IMPATT" Dioden und für Kapazitätsdioden bekannt sind. Diese Anordnungen sind jedoch von der Anordnung nach der Erfindung ganz verschieden und sollen Anforderungen erfüllen, die zu den an Zenerdioden gestellten Anforderungen im Widerspruch stehen.

So soll im Gegensatz zu einer Zenerdiode eine "IMPATT"-Diode bei Durchschlag gerade einen negativen differentiellen Widerstand aufweisen, während eine Kapazitätsdiode neben einer bestimmten gewünschten Kapazitäts-Spannungskennlinie

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vorzugsweise eine hone Durchschlagspannung, die aber nicht genau bestimmt zu sein braucht, aufweisen soll. Für die
Wirkung dieser Anordnungen ist weiter im Gegensatz zu der Erfindung die Feldverteilung über die epitaktische Schicht von besonderer Bedeutung.

Einige Ausführungsformen der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher
beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch im Querschnitt eine Halbleiteranordnung mit einer Zenerdiode nach der Erfindung,

Fig. 2 schematisch eine Draufsicht auf die Anordnung nach Fig. 1,

Figuren 3 bis 5 schematisch Querschnitte durch die Anordnung nach der Erfindung in aufeinanderfolgenden Stufen der Herstellung, und

Fig. 6 schematisch im Querschnitt eine andere
Ausführungsform der Anordnung nach der Erfindung.

Die Figuren sind der Deutlichkeit halber schematisch und nicht massstäblich gezeichnet, wobei insbesondere die Abmessungen in der Dickenrichtung übertrieben

gross dargestellt sind. Halbleitergebiete vom gleichen Leitungstyp sind in derselben Richtung schraffiert; entsprechende Teile sind in den Figuren im allgemeinen mit denselben Bezugsziffern bezeichnet.

In Fig. 1 ist schematisch ein Querschnitt durch eine diskrete Zenerdiode nach der Erfindung dargestellt. Die Diode enthält einen Halbleiterkörper mit einem ersten Halbleitergebiet 1 von einem ersten Leitungstyp (im vorliegenden Beispiel vom n-Leitungstyp), das an eine Oberfläche h des Halbleiterkörpers grenzt. leiter ist ein ebenfalls an die Oberfläche k grenzendes innerhalb des ersten Gebietes 1 liegendes zweites Gebiet 2 vom zweiten entgegengesetzten Leitungstyp (im vorliegenden Beispiel also vom p-Leitungstyp) vorhanden. Die Anordnung enthält weiter noch ein in Abstand von der Oberfläche 4 liegendes völlig vom ersten Gebiet 1 und vom zweiten Gebiet 2 begrenztes drittes Gebiet 3 vom ersten (im vorliegenden Beispiel also vom
n-)Leitungstyp mit einer höheren Dotierungskonzentration

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als das erste Gebiet 1· Dieses dritte Gebiet 3 liegt in Projektion völlig innerhalb des zweiten Gebietes 2, da das zweite Gebiet 2 das dritte Gebiet 3 allseitig überlappt. Das zweite Gebiet 2 bildet mit dem ersten Gebiet 1 und dem dritten Gebiet 3 einen an der Oberfläche k endenden im wesentlichen parallel zu der Oberfläche verlaufenden pn-übergang 5· Der Teil des pn-Übergangs zwischen dem zweiten Gebiet 2 und dem dritten Gebiet 3 ist in der Figur mit 5A bezeichnet; der Teil zwischen dem zweiten Gebiet 2 und dem ersten Gebiet 1 ist mit 5B bezeichnet. Da die Dotierungskonzentration des Gebietes 3 höher als die des Gebietes 1 ist, tritt beim Anlegen einer genügend hohen Spannung in der Sperrichtung über dem pn-übergang 5 Durchschlag des Teiles 5A des pn-Ubergangs und nicht des Teiles 5B auf, so dass Oberflächendurchschlag vermieden wird.

Bei bekannten Zenerdioden dieses Typs wird das erste Gebiet 1 durch ein homogenes Substrat gebildet. Dabei treten aber die in der Einleitung genannten Probleme auf.

Nach der Erfindung enthält jedoch das erste Gebiet eine epitaktische Schicht 1, die auf einem hochdotierten Substrat 6 vom ersten (n-)Leitungstyp mit einer höheren Dotierungskonzentration als das erste Gebiet 1 abgelagert ist. Im vorliegenden Beispiel wird das dritte Gebiet 3 völlig vom zweiten Gebiet 2 und von der epitaktischen Schicht 1 begrenzt. Dabei weist die epitaktische Schicht eine derartige Dotierung und Dicke auf, dass der differentielle Widerstand der Diode auch bei Durchschlag stets positiv ist. Die Oberfläche h ist teilweise mit einer Iso— lierschicht 7 überzogen; über ein Fenster in der Isolierschicht 7 schliesst sich eine Kontaktelektrode 8 an das Gebiet 2 an, während auf der anderen Seite das Substrat durch eine Metallschicht 9 kontaktiert wird.

Die beschriebene Zenerdiode weist eine Durchschlagspannung auf, die von den angewandten Dotierungskonzentrationen und von den bei der Herstellung verwendeten Diffusijns- und Implantationsparametern abhängig ist. Die Durchschlagspannung gleichzeitig in einer grossen Anzahl

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aus derselben Halbleiterscheibe hergestellter Dioden weist eine sehr geringe Streuung auf und ist auch bei konstant gehaltenen Herstellungsbedingungen sehr gut reproduzierbar.

Die beschriebene Diode kann auf folgende ¥eise hergestellt werden (siehe Figuren 3 bis 5)· Es wird von einer Halbleiterscheibe 6 aus η-leitendem Silizium mit einem Durchmesser von 76 mm, einer Dicke von 380 μηι und einem spezifischen Widerstand von z.B. 0,008(1 .cm ausgegangen. Darauf wird auf übliche ¥eise eine η-leitende Siliziumschicht mit einer Dicke von z.B. 30 pm und einem spezifischen Widerstand von 1,5 (I .cm epitaktisch angewachsen. Diese Schichtdicke und Dotierung sind für Dioden mit einer Durchschlagspannung von etwa 30 V oder höher geeignet; im allgemeinen wird zum Erhalten von Durchschlagspannungen von weniger als 30 V vorzugsweise eine epitak— tische Schicht mit einer etwas geringeren Dicke von z.B. bis 25 pm und einem etwas niedrigeren spezifischen Widerstand von z.B. 0,6 Ω .cm gewählt. In den Figuren ist der Deutlichkeit halber nur eine Diode dargestellt, obgleich zu gleicher Zeit eine Vielzahl von Dioden auf einer Halbleiterscheibe hergestellt wird.

Auf der Oberfläche der Schicht 1 wird nun z.B. durch thermische Oxidation eine Schicht 7 aus Siliziumoxid mit einer Dicke von etwa 0,45 um angewachsen (siehe Fig. 3). Darin wird dann ein Fenster 10, z.B. ein quadratisches Fenster mit Seiten von 180 μπα und abgerundeten Ecken, geätzt (siehe die Draufsicht nach Fig. 2).

In dem Fenster wird eine sehr dünne (etwa 0,05 pm dicke) Oxidschicht 11 angewachsen. Dann werden Phosphorionen (siehe Fig. k) durch die dünne Oxidschicht 11 hindurch in das Siliziumgebiet implantiert, wobei die Oxidschicht 7 genügend dick ist, um gegeti diese Implantation zu maskieren. Die Energie der Phosphorionen ist etwa 70 keV und die Dosis beträgt 6.10 Ionen/cm².. Dabei wird das η-leitende Gebiet 3 erhalten, das höher als die Schicht 1 dotiert ist.

Nach einer Ausglühbehandlung von etwa 30 Minuten bei 900^cC in Stickstoff wird während etwa 16 Stunden bei

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1200°C das Gebiet 3 weiter eindiffundiert. Danach wird (siehe Fig. 5) in die auf der Schicht 1 vorhandene Oxidschicht ein Fenster 12 mit Seiten von etwa 220 μΐη geätzt; das Gebiet 3 liegt symmetrisch innerhalb dieses Fensters (siehe auch Fig. 2).

Anschliessend wird unter Verwendung der Oxidschicht 7 als Maske Bor bei einer Temperatur von etwa 1200⁰C eindiffundiert, um das p-leitende Gebiet 2 zu erhalten. Die Diffusion erfolgt bei einer derartigen Oberflächenkonzentration, dass das Gebiet 2 völlig p-leitend wird, wobei das Gebiet 3 an der Oberfläche umdotiert wird. Die Dicke des Gebietes 2 beträgt nach Beendigung der beschriebenen Vorgänge etwa 2 pm; das Gebiet 3 erstreckt sich von der Oberfläche her bis zu einer Tiefe von etwa k pm in dem Körper. Schliesslich wird die Dicke der Halbleiterscheibe durch Schleifen und Ätzen auf etwa 120 μια herabgesetzt und werden die Kontaktelektroden 8 und 9 angebracht. Dann wird die Halbleiterscheibe durch Ritzen und Brechen oder auf andere Weise in einzelne Dioden unterteilt und werden die Dioden auf übliche Weise fertigmontiert.

Die so erhaltene Diode wies eine Durchschlagspannung von 30 V auf und die Durchschlagspannungen auf einer und derselben Halbleiterscheibe hergestellter Dioden wiesen, wie gefunden wurde, eine sehr geringe Streuung auf, während auch die Durchschlagspannung auf gleiche Weise erhaltener Dioden sehr gut reproduzierbar war. Die Höhe der erhaltenen Durchschlagspannung ist, wie oben bereits erwähnt wurde, von den Herstellungsparametern abhängig, die vom Fachmann beliebig geändert werden können.

So kann z.B. bei gleichbleibender Dicke und Dotierung der epitaktischen Schicht und bei übrigens auch gleichbleibenden Herstellungsbedingungen die Durchschlagspannung durch Herabsetzung der Dosis der zum Erzeugen des dritten Gebietes 3 implantierten Ionen herabgesetzt werden, und umgekehrt.

Die Erfindung ist nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. So kann das zweite Gebiet 2 statt durch Diffusion auch durch Ionenimplantation er-

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zeugt werden. Umgekehrt kann das Gebiet 3 auch durch Diffusion erhalten werden. ¥eiter kann die Zenerdiode auch einen Teil einer integrierten Schaltung bilden. Statt Silizium kann auch Germanium oder ein anderes Halbleiter—

III V material, wie z.B. eine A B -Verbindung, verwendet werden. Schliesslich sei noch bemerkt, dass das dritte Gebiet sich erwünschtenfalls auch bis zu dem Substrat erstrecken kann, wie in Fig. 6 angedeutet ist, wodurch ein sehr niedriger Reihenwiderstand erhalten wird. 10

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Claims

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PATENTANSPRÜCHE:

hy Halbleiteranordnung mit einer Zenerdiode, die einen Halbleiterkörper mit einem an eine Oberfläche des Körpers grenzenden ersten Halbleitergebiet von einem ersten Leitungstyp, einem ebenfalls an diese Oberfläche grenzenden innerhalb des ersten Gebietes liegenden zweiten Gebiet vom zweiten entgegengesetzten Leitungstyp und einem in Abstand von der Oberfläche liegenden vom zweiten und wenigstens seitlich vom ersten Gebiet begrenzten dritten Gebiet vom ersten Leitungstyp mit einer höheren Dotierungskonzentration als wenigstens der seitlich begrenzende Teil des ersten Gebietes enthält, wobei das dritte Gebiet in Projektion völlig innerhalb des zweiten Gebietes liegt und wobei das zweite Gebiet mit dem ersten und dem dritten Gebiet einen an der Oberfläche endenden im wesentlichen parallel zu der Oberfläche verlaufenden pn-übergang bildet, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Gebiet aus einer epitaktischen Schicht besteht, die auf einem hochdotierten Substrat vom ersten Leitungstyp mit einer höheren Dotierungskonzentration als die epitaktische Schicht abgelagert ist,

wobei die epitaktische Schicht eine derartige Dotierung und Dicke aufweist, dass der differentielle Widerstand der Diode auch bei Durchschlag positiv ist.
2. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das dritte Gebiet völlig vom zweiten

Gebiet und von der epitaktischen Schicht begrenzt wird.

3· Halbleiteranordnung" nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass-die Dicke der epitaktischen Schicht mindestens 10 /um und höchstens 35/um beträgt und dass ihr spezifische Widerstand mindestens 0,5-^'Cm und höchstens 2SLt cm beträgt.

h. Halbleiteranordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der spezifische Widerstand des Substrats höchstens 0,012.TZ. cm beträgt.

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