DE3038571C2 - Zenerdiode - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Zenerdiode nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine Zenerdiode der beschriebenen Art ist aus der US-PS 33 45 221 bekannt.

Unter Zenerdioden sind in der vorliegenden Anmeldung im allgemeinen Sinne Dioden mit einer sehr genau bestimmten und reproduzierbaren Durchschlagsspannung zu verstehen, die zum Erzeugen einer Bezugsspannung 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 Durchschlagsspannungen (<6 V) in den Vordergrund tretenden »Zener«-Effekt herbeigeführt wird.

Eine Zenerdiode mit der beschriebenen Struktur kann als direkte 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-Übergangs auftritt, so daß Durchschlag an der Oberfläche vermieden wird. Dadurch wird im allgemeinen eine genau bestimmte Durchschlagsspannung 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 Leitungstyp erzeugt werden. Die Reihenfolge der Erzeugung des zweiten und des dritten Gebietes kann auch

ίο umgekehrt werden. Bei diesem Herstellungsverfahren wird eine Vielzahl von Halbleiteranordnungen zugleich aus derselben Halbleiterscheibe gebildet

Die Anmelderin hat jedoch gefunden, daß unter Umständen die Genauigkeit und die Reproduzierbarkeit der Durchschlagsspannung der beschriebenen Dioden zu wünschen übrig lassen. Die Anmelderin ist dabei zur Einsicht gelangt, daß ein Zusammenhang zwischen einerseits dem Genauigkeits- und Reproduzierbarkeitsgrad der Durchschkgsspannung und andererseits der Größe 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 Durchschlagsspannung abnehmen.

Dies ist an sich ein überraschendes Ergebnis, weil sich unter Berücksichtigung der Struktur der obenbeschriebenen bekannten Zenerdioden erwarten ließe, daß die Halbleiterscheibe, aus der das Substrat gebildet wird, die Durchschlagspannung nicht oder nahezu nicht beeinflußt Der Durchschlag tritt ja nicht zwischen dem zweiien Halbleitergebiet und dem Substrat, sondern zwischen dem zweiten Halbleitergebiet und dem höher als das Substrat dotierten dritten Halbleitergebiet auf.

Die Erfindung hat die Aufgabe, eine Zenerdiode zu schaffen, bei der genaue und reproduzierbare Durchschlagsspannungen erhalten werden können, ungeachtet des Durchmessers der Halbleiterscheibe, von der ausgegangen wird. Diese Aufgabe wird mit der Zenerdiode der eingangs beschriebenen Art nach der Erfindung durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelöst.

Es hat sich herausgestellt, daß Zenerdioden mit der beim ersten Anblick unnötig verwickelten Struktur auch auf Halbleiterscheiben mit einem Durchmesser von 76 mm oder größer mit genauen und reproduzierbaren Durchschlagsspannungen hergestellt werden können. Die Tatsache, daß dies bei der bekannten Struktur ohne epitaktische Schicht in viel geringerem Maße

so der Fall ist, läßt sich vermutlich auf folgende Weise erklären. Da das dritte Halbleitergebiet in der Praxis durch Dotierung (Implantation und/oder Diffusion) von außen her in dem Substrat angebracht wird, bestimmt die vom Substrat gelieferte Hintergrunddotierung in nicht unbedeutendem Maße den Dotierungsgradienten des dritten Halbleitergebietes am PN-Übergang und damit die Durchschlagsspannung. 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 76 mm ist dies nicht mehr möglich, so daß die aus derselben Halbleiterscheibe hergestellten Dioden gegenseitige Abweichungen in der Durchschlagsspannung aufweisen. Bei den Zenerdioden wird jedoch die erste Halbleiterschicht durch eine epitaktische Schicht gebildet, deren Dotierung viel besser eingestellt und viel homoge-

ner gemacht werden kann, so daß der genannte Nachteil vermieden wird.

Zenerdioden, bei denen das homogene Substrat durch die epitaktische Schicht oder ein hochdotiertes Substrat ersetzt ist, weisen manchmal bei Durchschlag eine Unregelmäßigkeit auf, die wahrscheinlich einem auftretenden negativen differentiellen Widerstand zuzuschreiben ist, wie er auch z.B. bei einer sogenannten »IM-PATT«-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 gestellten Anforderungen. Die genannte Erscheinung hängt wahrscheinlich mit dem Auftreten eines zu großen Ausbreitungswiderstandes zwischen dem zweiten Gebiet und dem hochdotierten Substrat zusammen. Daher muß die epitaktische Schicht eine derartige Dicke und Dotierung aufweisen, daß der differentielle Widerstand auch bei Durchschlag stets positiv ist

Obgleich sich das dritte Halb.eitergebiet bis zu dem Substrat erstrecken kann, wird vorzugsweise das dritte Halbleitergebiet völlig vorn zweiten Halbleitergebiet und von der epitaktischen Schicht begrenzt

Der spezifische Widerstand des hochdotierten Substrats ist zum Erhalten eines möglichst niedrigen Reihenwiderstandes vorzugsweise höchstens 0,012 Ω · cm.

Es sei weiter noch bemerkt, daß Diodenstrukturen der obenbeschriebenen Art an sich für »IMPATT«-Dioden und für Kapazitätsdioden bekannt sind (US-PS 39 09 119). Diese Anordnungen 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 vorzugsweise eine hohe Durchschlagsspannung, 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 zeigt

F i g. 1 schematisch im Querschnitt eine Zenerdiode,

F i g. 2 schematisch eine Draufsicht auf die AnordnungnachFig 1,

F i g. 3 bis 5 schematisch Querschnitte durch die Zenerdiode in aufeinanderfolgenden Stufen der Herstellung und

Fig.6 schematisch im Querschnitt eine andere Zenerdiode.

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 mit denselben Bezugsziffern bezeichnet.

In F i g. 1 ist ein Querschnitt durch eine diskrete Zenerdiode dargestellt Die Diode enthält einen Halbleiterkörper mit einer ersten Halbleiterschicht 1 von einem ersten Leitungstyp (im vorliegenden Beispiel vom N-Leitungstyp, das an eine Oberfläche 4 des Halbleiterkörpers grenzt. Weiter ist ein ebenfalls an die Oberfläche 4 grenzendes innerhalb der ersten Halbleiterschicht 1 liegendes zweites Halbleitergebiet 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 von der ersten Halbleiterschicht 1 und vom zweiten Halbleitergebiet 2 begrenztes drittes Halbleitergebiet 3 vom ersten (im vorliegenden Beispiel also vom N-)Leitungstyp mit einer höheren Dotierungskonzentration als die erste Halbleiterschicht 1. Dieses dritte Halbleitergebiet 3 liegt in Projektion völlig innerhalb des zweiten Halbleitergebieies 2, da das zweite Halbleitergebiet 2 das dritte Halbleitergebiet 3 allseitig überlappt Das zweite Halbleitergebiet 2 bildet mit der ersten Halbleiterschicht 1 und dem dritten Halbleitergebiet 3 einen an der Oberfläche 4 endenden im wesentlichen parallel zu der Oberfläche verlaufenden PN-Übergaag5. Der Teil des PN-Übergangs zwischen dem zweiten Halbleitergebiet 2 und dem dritten Halbleitergebiet 3 ist in der Figur mit SA bezeichnet; der Teil zwischen dem zweiten Gebiet 2 und der ersten Halbleiterschicht 1 ist mit 5B bezeichnet Da die Dotierungskonzentration des Halbleitergebietes 3 höher als die der Halbleiterschicht 1 ist, tritt beim Anlegen einer genügend hohen Spannung in der Sperrichtung über dem PN-Übergang 5 Durchschlag des Teiles 5Λ des PN-Übergangs und nicht des Teiles SB auf, so daß Oberfläciiendurchschlag vermieden wird.

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

Nach der Erfindung enthält jedoch die erste Halbleiterschicht eine epitaktische Schicht 1, die auf einem hochdotierten Substrat 6 vom ersten (N-)Leitungstyp mit einer höheren Dotierungskonzentration als die erste Halbleiterschicht 1 abgelagert ist. Im vorliegenden Bei-.spiel wird das_dritte Halbleitergebiet 3 völlig vom zweiten Halbleitergebiet 2 und von der epitaktischen Schicht 1 begrenzt Dabei weist die epitaktische Schicht eine derartige Dotierung und Dicke auf, daß der differentiel-Ie Widerstand der Diode auch bei Durchschlag stets positiv ist Die Oberfläche 4 ist teilweise mit einer Isolierschicht 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 6 durch eine Metallschicht 9 kontaktiert wird.

Die beschriebene Zenerdiode -weist eine Durchschlagsspannung auf, die von den angewandten Dotierungskonzentrationen und von den bei der Herstellung verwendeten Diffusions- und Implantationsparametern

so abhängig ist. Die Durchschlagspannung gleichzeitig in einer großen Anzahl 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 Weise hergestellt werden (siehe F i g. 3 bis 5). Es wird von einer Halbleiterscheibe 6 aus N-leitendem Silizium mit einem Durchmesser von 76 mm, einer Dicke von 380 μπι und einem spezifischen Widerstand von z. B. 0,008 Ω ■ cm ausgegangen. Darauf wird auf übliche Weise eine N-leitende Siliziumschicht mit einer Dicke von z. B. 30 .um und einem spezifischen Widerstand von 1,5 Ω · cm epitaktisch angewachsen. Diese Schichtdicke und Dotierung sind für Dioden mit einer Durchschlagsspannung von etwa 30 V oder höher geeignet; im allgemeinen wird zum Erhalten von Durchschlagsspannungen von weniger als 30 V vorzugsweise eine epitaktische Schicht mit einer etwas geringeren Dicke von z. B. 20 bis 25 μίτι

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 μπι angewachsen (siehe Fig.3). Darin wird dann ein Fenster tO, z. B. ein quadratisches Fenster mit Seiten von 180 μΐη und abgerundeten Ecken, geätzt (siehe die Draufsicht nach F i g. 2).

In dem Fenster wird eine sehr dünne (etwa 0,05 μηι dicke) Oxidschicht 11 angewachsen. Dann werden Phosphorionen (siehe Fig.4) durch die dünne Oxidschicht 11 hindurch in das Siliziumgebiet implantiert, wobei die Oxidschicht 7 genügend dick ist, am gegen diese Implantation zu maskieren. Die Energie der Phosphorionen ist etwa 70 keV und die Dosis beträgt 6 · 10¹³ Ionen/cm². Dabei wird das N-leitende Gebiet 3 erhalten, das höher als die Schicht 1 dotiert ist.

Nach einer Ausglühbehandlung von etwa 30 Minuten bei 900⁰C in Stickstoff wird während etwa 16 Stunden bei 1200⁰C 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 μπι geätzt; das Gebiet 3 liegt symmetrisch innerhalb dieses Fensters (siehe auch F i g. 2).

Anschließend wird unter Verwendung der Oxidschicht 7 als Maske !Bor bei einer Temperatur von etwa 1200°C eindiffundiert, um das p-leitende Halbleitergebiet 2 zu erhalten. Die Diffusion erfolgt bei einer derartigen Oberflächenkonzentration, daß das Halbleitergebiet 2 völlig P-leitend wird, wobei das Halbleitergebiet 3 an der Oberfläche umdotiert wird. Die Dicke des Halbleitergebietes 2 beträgt nach Beendigung der beschriebenen Vorgänge etwa 2 μπι; das Halbleitergebiet 3 erstreckt sich von der Oberfläche her bis zu einer Tiefe von etwa 4 μπι in dem Körper. Schließlich wird die Dikke der Halbleiterscheibe durch Schleifen und Ätzen auf etwa 1200 μπι herabgesetzt und werden die Kontaktelektroden 8 und 9 angebracht Dann wird die Halbleiterscheibe durch Ritten und Brechen oder auf andere Weise in einzelne Dioden unterteilt und werden die Dioden auf übliche Weise fertigmontiert

Die so erhaltene Diode wies eine Durchschlagsspannung von 30 V auf und die Durchschlagsspannungen auf einer und derselben Halbleiterscheibe hergestellter Dioden wiesen eine sehr geringe Streuung auf, während auch die Durchschlagsspannung auf gleiche Weise erhaltener Dioden sehr gut reproduzierbar war. Die Höhe der erhaltenen Durcliischlagsspannung ist von den HersteHüügsparanicicrn 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 DurchschJagsspannung durch Erhöhung 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 Halbleitergebiet statt durch Diffusion auch durch Ionenimplantation erzeugt werden. Umgekehrt kann das Halbleitergebiet 3 auch durch Diffusion erhalten werden. Weiter kann die Zenerdiode such einen Teil einer integrierten Schaltung bilden. Statt Silizium kann auch Germanium oder ein anderes Halbleitermaterial, wie z.B. eine ^Verbindung, verwendet werden. Schließlich sei noch bemerkt, daß das dritte Halbleitergebiet 3 sich auch bis zu dem Substrat erstrecken kann, wie in F i g. 6 angedeutet ist, wodurch ein sehr niedriger Reihenwiderstand erhalten wird.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Zenerdiode, die einen Halbleiterkörper mit einem an eine Oberfläche des Körpers grenzenden ersten Halbleiterschicht (1) von einem ersten Leitungstyp enthält, einem ebenfalls an diese Oberfläche grenzenden, innerhalb der ersten Halbleiterschicht (1) liegenden zweiten Halbleitergebiet (2) vom zweiten entgegengesetzten Leitungstyp und einem in Abstand von der Oberfläche liegenden, vom zweiten Halbleitergebiet (2) und wenigstens seitlich von der ersten Halbleiterschicht (1) begrenzten dritten Halbleitergebiet (3) vom ersten Leitungstyp, das eine höhere Dotierungskonzentration als wenigstens der seitiich begrenzende Teil der ersten Halbleiterschicht (1) hat, wobei die Projektion des dritten Halbleitergebiets (3) völlig innerhalb des zweiten Halöleitergebiets (2) liegt und das zweite Halbleitergebiet mit der ersten Halbleiterschicht (1) und dem dritten Halbleitergebiet (3) einen an der Oberfläche endenden, im wesentlichen parallel zu der Oberfläche verlaufenden PN-Übergang(SA,5B)bildet, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Halbleiterschicht (1) aus einer epitaktischen Schicht (1) besteht, die auf einem hochdotierten Substrat (6) vom ersten Leitungstyp mit einer höheren Dotierungskonzentration als die epitaktische Schicht (1) abgelagert ist, wobei die Dicke der epitaktischen Schicht (1) mindestens 10 μπι und höchstens 35 μΐη beträgt und ihr spezifischer Widerstand mindestens 0,5 Ω · cm und höchstens 2 Ω · cm beträgt.

2. Zenerdiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das dritte Gebiet (3) völlig vom zweiten Halbleitergebiet (2) und von der epitaktischen Schicht (1) begrenzt wird.

3. Zenerdiode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der spezifische Widerstand des Substrats (6) höchstens 0,012 Ω cm beträgt.