DE1208413B - Verfahren zum Herstellen von flaechenhaften pn-UEbergaengen an Halbleiterbauelementen - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

HOIl

Deutsche Kl.: 21g-11/02

Nummer: 1208 413

Aktenzeichen: S 65923 VIII c/21 g

Anmeldetag: 21. November 1959

Auslegetag: 5. Januar 1966

Die Erfindung bezieht sich auf ein verbessertes Verfahren zum Herstellen von flächenhaften pn-Übergängen an Halbleiterbauelementen.

Bei Halbleiterbauelementen, wie Flächengleichrichter oder Flächentransistore, ist es in der Regel erforderlich, einen Halbleitermaterialausgangskörper, z.B. in Plattenform, von neutralem bzw. Intrinsiccharakter oder eines bestimmten elektrischen Leitungstyps, z. B. aus Germanium oder Silizium, durch Dotierung von der Oberfläche oder Teilen derselben aus bestimmten Zonen η-leitend bzw. p-leitend zu machen.

Hierbei ist es meist wichtig, insbesondere auf der Oberfläche mit der η-leitenden Zone, daß diese dotierte Zone nicht bis an den Rand des Halbleiterkörpers heranreicht.

Bei der Herstellung der Halbleiterkörper für ihre Dotierung in den entsprechenden Zonen wird auf die entsprechenden Oberflächenteile des z.B. plattenförmigen Ausgangshalbleiterkörpers der einen entsprechenden Charakter als Dotierungsmaterial besitzende oder hierfür mit entsprechenden Zusätzen legierte Elektrodenmaterialkörper meist in Form eines Körpers bzw. einer Folie von kleinerem Durchmesser bzw. kleinerer Flächenausdehnung, als sie der Halbleiterkörper an dieser Fläche besitzt, auf die entsprechende Oberfläche des Halbleiterkörpers aufgelegt, und dann wird im Verlauf eines thermischen Behandlungsvorganges des Halbleiterkörpers zusammen mit dem Elektrodenmaterialkörper, wobei dieser in den schmelzflüssigen Zustand übergeht, der Einlegierungsprozeß für die Erzeugung der erwünschten Zonen vom n-Leitungstyp oder p-Leitungstyp im Halbleiterkörper durchgeführt.

Hierbei hat sich jedoch gezeigt, daß bei einer solchen Herstellung Mängel in der erwünschten elektrischen Güte des Halbleiterbauelements zur Entstehung gelangen können, die offenbar auf Störungen in der Kristallgitterstruktur zurückzuführen sind, die in Verbindung mit einem solchen Legierungsvorgang, insbesondere im Bereich des aus dem Halbleiterkörper heraustretenden Randes eines pn-Überganges, zur Entstehung gelangen.

Die Erfindung bezieht sich daher auf ein Verfahren zum Herstellen von flächenhaften pn-Übergängen. Solchen Mangelerscheinungen bei den bekannten Verfahren kann jedoch wirksam begegnet werden, indem das Verfahren erfindungsgemäß derart ausgebildet wird, daß durch Eindiffundieren oder Einlegieren eines dotierenden Stoffes in die eine Oberfläche dieses hochohmigen Halbleiterkörpers, von z. B. 200 Ohm · cm, des einen Leitungstyps zu-

Verfahren zum Herstellen von flächenhaften
pn-Übergängen an Halbleiterbauelementen

Anmelder:

Siemens-Schuckertwerke Aktiengesellschaft,

Berlin und Erlangen,

Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Als Erfinder benannt:

Dr. rer. nat. Horst Irmler, Nürnberg

nächst eine ebenfalls hochohmige Oberflächenzone vom entgegengesetzten Leitungs typ zur Bildung eines pn-Übergangs erzeugt wird, daß in einen vom Rand dieser Oberflächenzone entfernten Teil ein Elektrodenmaterial zur Bildung einer gegenüber der ersten Oberflächenzone niederohmigen weiteren Oberflächenzone gleichen Leitungstyps in die hochohmige Oberflächenzone einlegiert wird und daß ein solcher Randteil der den pn-übergang bildenden beiden hochohmigen Zonen nachträglich abgearbeitet wird, daß der pn-übergang sowohl einerseits entfernt von dem Rand des Halbleiterkörpers und andererseits entfernt von dem Rand der einlegierten niederohmigen Zone an die Oberfläche tritt.

An dem fertigen Halbleiterbauelement soll auf jeden Fall zwischen dem Rand der einlegierten Elektrode und demjenigen Rand, bis zu welchem die zuerst im Halbleiterkörper erzeugte hochohmige Oberflächenzone vom zum übrigen Halbleiterkörper entgegengesetzten elektrischen Leitungstyp abgearbeitet wurde, noch ein gewisser Abstand von zweckmäßig wenigstens 0,5 mm bestehen bleiben.

Durch den ersten Dotierungsprozeß soll z. B. eine Zone im Halbleiterkörper erzeugt werden, deren spezifischer Widerstandswert verhältnismäßig hoch liegt, und zwar höher als etwa 80 Ohm · cm. Das daraufhin in diese Zone einlegierte Elektrodenmaterial soll in dieser eine Zone erheblich stärkerer Dotierung ergeben. An dem fertigen Halbleiterelement weist somit der an der Oberfläche des Halbleiterkörpers nach außen freiliegende Anteil der zuerst eindotierten Zone am Rand einen hohen spezifischen Widerstandswert auf, und dieser spezifische Widerstandswert der Zone geht erst in einem gewissen Abstand von diesem Rand auf niedrigere Widerstandswerte, wie z. B. 0,01 Ohm · cm, herunter.

509 777/328

Für Flächentransistoren und Feldeffekttransistoren war ein Herstellungsverfahren bekannt, nach welchem an einem schwach leitenden oder eigenleitenden Ausgangshalbleiterkörper durch Eindiffussion eine der Oberfläche benachbarte Schicht entgegengesetzten elektrischen Leitungstyps erzeugt und auf der gleichen Oberfläche des Halbleiterkörpers je eine Dotierungssubstanz für die Schaffung mindestens je eines ohmschen Übergangsbereichs zu einer Basiselektrode und eines pn-Übergangsbereichs zu einer Emitterelektrode zunächst aufgedampft und dann in die eindiffundierte Zone entgegengesetzten Leitungstyps einlegiert wurden. Wurde hierbei zunächst in den Ausgangshalbleiterkörper allseitig eine Mantelzone von zu demjenigen des Ausgangshalbleiterkörpers entgegengesetzten Leitungstyps erzeugt sowie auf der gleichen Oberfläche des Halbleiterkörpers die Emitterbereichelektrode und die Basiselektrode in Form von konzentrisch zueinander einlegierten Elektrodenmaterialkörpem und auf der gegenüberliegenden Oberfläche die Kollektorelektrode aus einem akzeptorhaltigen Elektrodenmaterial durch die eindiffundierte Zone bis in den innerhalb der eindiffundierten Mantelzone liegenden Kernteil des Ausgangshalbleiterkörpers hinein eingelötet, so war es naturgemäß erforderlich, von der durch Eindiffusion allseitig in den Ausgangshalbleiterkörper erzeugten Zone entgegengesetzten elektrischen Leitungstyps den zwischen den mit Elektroden versehenen Oberflächen des Halbleiterkörpers vorhandenen Mantelteil zu entfernen, da er eine unerwünschte elektrische Brücke bildete, was durch Ätzen vorgenommen wurde.

Hierbei wurde aber nicht der Lehre gefolgt, bei der Schaffung eines Bereichs entgegengesetzten elektrischen Leitungstyps mit Anschlußelektrode zur Bildung eines pn-Übergangs im Halbleiterkörper zunächst das Einlegieren oder Eindiffundieren des entgegengesetzten Dotierungsmaterials einen hochohmigen Bereich dieses elektrischen Leitungstyps und dann durch Einlegieren eines Elektrodenmaterials gleichen Dotierungscharakters in diesen erzeugten Bereich einen hochdotierten Bereich und den elektrischen Anschluß an diesem Bereich zu schaffen sowie schließlich dann eine solche nachträgliche Abarbeitung am Halbleiterkörper der beiden an der Bildung des pn-Übergangs beteiligten Zonen des Halbleiterkörpers zur Schaffung einer solchen Aufbauform vorzunehmen, bei welcher der pn-übergang sowohl einerseits entfernt von dem in der Mantelfläche des Halbleiterkörpers liegenden Rand und andererseits entfernt von dem Rand der einlegierten niederohmigen Zone an die Oberfläche tritt. Jene Ätzung war vielmehr eben nur erforderlich, um die elektrische Verbindung zwischen dem Basisbereich und dem Kollektorbereich zu beseitigen, die jener Anteil der eindiffundierten Zone noch bildete.

Bei der Herstellung von Transistoren war es bekannt, in einen Ausgangshalbleiterkörper, an dessen einer Oberfläche die Kollektorelektrode angelötet wurde, an der gegenüberliegenden Oberfläche durch Eindiffusion übereinander zunächst einen Basisbereich des einen elektrischen Leitungstyps und dann einen Emitterbereich des anderen elektrischen Leitungstyps zu schaffen, an dem nach geeignetem Abdecken seines Anteils der Emitterbereichoberfläche durch einen Ätzprozeß zunächst einseitig an dem Halbleiterkörper ein treppenförmig abgestuftes System von dieser mit dem Anschlußdraht versehenen Emitterbereichoberfläche zu einem dadurch freigelegten Anteil einer Basisbereichoberfläche für die Bildung einer größeren Oberfläche zur Anbringung eines Basisanschlußdrahtes erzeugt wurde. Anschließend wurde nach geeigneter weiterer Abdeckung eine weitere Ätzbehandlung vorgenommen, um einen unerwünschten Bereich der als Basis arbeitenden Schicht zu entfernen.

ίο Auch hierbei wurde nicht eine Anordnung geschaffen, bei der an der Oberfläche, von welcher über einen hochohmigen Bereich im Halbleiterkörper ein pn-übergang geschaffen wird, in diesen Bereich ein Elektrodenmaterial zur Schaffung eines Bereichs gleichsinnigen elektrischen Leitungstyps höheren Dotierungsgrads und damit von niedrigerem ohmschen Wert einlegiert wird und dann nachträglich allseitig eine Abarbeitung durch Ätzen zur Schaffung eines Aufbausystems vorgenommen wurde mit einer vorbestimmten entfernten Lage des pn-Übergangs zwischen der hochohmigen Zone des einen Leitungstyps und dem Halbleiterkörperanteil des anderen Leitungstyps relativ zum Rand des Halbleiterkörpers und relativ zum Umfang des einlegierten Bereichs.

Für Halbleiterverstärker war ein Aufbau bekannt, bei welchem benachbart der einen Oberfläche des rechteckförmigen Ausgangshalbleiterkörpers eine Schicht entgegengesetzten elektrischen Leitungstyps des Halbleiterkörpers erzeugt und mit zwei ohmsehen streifenförmigen Anschlußelektroden parallel zu zwei gegenüberliegenden Seiten der Rechteckbzw. Quaderform sowie schließlich an der gegenüberliegenden Oberfläche mit einer sich über deren gesamte Ausdehnung erstreckenden Elektrode versehen wurde. Hierbei wurde an den Stellen der beiden einander gegenüberliegenden Rechteckseiten der Ausgangshalbleiterkörper senkrecht zu diesen Rechteckseiten bogenförmig konkav gestaltet, so daß an diesen konkaven Flächen der Rand des pn-Ubergangs heraustrat. In der Zone entgegengesetzten elektrischen Leitungstyps mit den beiden ohmschen Elektroden sollte durch das gebildete Feld eine sekundäre Erzeugung von Ladungsträgern stattfinden, die dann ihren Weg über den pn-übergang zum Kollektorbereich nehmen sollten.

Es wurde also nicht im Sinne des Gegenstandes der Erfindung zunächst die Erzeugung eines hochohmigen und eines niederohmigen Bereichs in diesem und dann eine allseitige Abarbeitung der Randzonen bis zur Schaffung des Merkmals der Erfindung für die Lage des pn-Übergangs zwischen den genannten Zonen in einer vorbestimmten Entfernung vom Rand des Halbleiterkörpers und dem Rand des höher dotierten Bereichs vorgenommen.

Für die Herstellung von Feldeffekttransistoren war es bekannt, in den Halbleiterkörper allseitig eine Störstellensubstanz einzudiffundieren, um eine einen verbleibenden Kernteil ursprünglichen Dotierungscharakters des Halbleiterkörpers umgebende Zone entgegengesetzten elektrischen Leitungstyps zu erzeugen, von der unteren Fläche dieses Halbleiterkörpers durch Wegätzen von Halbleitermaterial die Kernzone freizulegen, an dieser eine Torelektrode anzubringen und auf der gegenüberliegenden Restoberfläche des eindiffundierten Bereichs entgegengesetzten elektrischen Leitungstyps die Zuführungselektrode und die Abführungselektrode durch Auflegieren mit ohmschem Übergang anzubringen. Zwi-

sehen dieser Zuführungselektrode und dieser Abführungselektrode wurde parallel zu diesen in den Halbleiterkörper eine Nut. gegebenenfalls auf dem Wege einer elektrolytischen Ätzung, eingearbeitet, so daß von dem eindiffundierten Bereich nur noch eine verengte Restzone bestehenbleibt. Die ohmsche Zuführungselektrode und die ohmsche Abführungselektrode konnten einander dabei auch vollständig oder anteilig umgeben, wobei aber zwischen beiden stets in' den Halbleiterkörper eine entsprechende Nut in den eindiffundierten Bereich eingearbeitet wurde. Der Übergang zwischen dem mit der Torelektrode über einen ohmschen Übergang verbundene Halbleiterbereich des einen Leitungstyps und dem mit der Zuführungselektrode und der Abführungselektrode ohmschen Übergangs versehenen Bereich entgegengesetzten elektrischen Leitungstyps konnte dabei an zwei Längsseiten des Halbleiterkörpers von rechteckiger Oberfläche bzw. quaderförmiger Gestalt an je einer konkaven Fläche desselben heraustreten.

Bekannt war ein Transistor mit einem Aufbau aus zwei Schichten entgegengesetzten elektrischen Leitungstyps am Halbleiterkörper, wobei dieser an der einen den einen Leitungstypbereich begrenzenden Endfläche mit einer durchgehenden flächigen Elektrode und an der den Bereich anderen Leitungstyps begrenzenden Endfläche beiderseits einer Aussparung bzw. Vertiefung mit weiteren Anschlußelektroden versehen war. Die Aussparung erstreckte sich in den Halbleiterkörper so weit hinein, daß sie mit ihrer Bodenfläche entweder in dem Bereich des einen oder des anderen Leitungstyps des Halbleiterkörpers nahe benachbart der Ebene lag, welche die Grenzfläche zwischen den beiden entgegengesetzt elektrisch dotierten Bereichen enthielt. Bis auf die Bodenfläche dieser Aussparung erstreckte sich ein metallischer drahtförmiger spitzer elektrischer Sondenkörper, der durch einen seinen Halter bildenden Isolierkörper hindurchgeführt war, der an der Seitenwand der Aussparung des Halbleiterkörpers gehalten war. Es war dabei auch bekannt, den einen der dotierten Bereiche in geometrischer Hinsicht als einen auf dem anderen Bereich sitzenden Sockelteil und dabei auf dem nunmehr vorhandenen bzw. entstandenen Absatz des Halbleiterkörpers die Anschlnßelektrode dieses seitlich ausladenden Bereichs bzw. dieser Zone vorzusehen.

Um in dem Halbleiterkörper eines Transistors zwischen den Bereichen entgegengesetzten elektrischen Leitungstyps bzw. dem Emitter-Basis-pn-Übergang und dem Basis-Kollektor-pn-Übergang der Kurve für die Störstellenkonzentration über der Entfernung von der Oberfläche je einen Verlauf abweichender Steilheit geben zu können, war es bekannt, in den plattenförmigen Ausgangshalbleiterkörper vom einen elektrischen Leitungstyp nach Abdecken bzw. Maskieren der einen Oberfläche durch ein erstes Eindiffundieren einer Störstellensubstanz eine Zone entgegengesetzten elektrischen Leitungstyps von U-förmigem Querschnitt zu erzeugen für einen relativ flachen Verlauf der Kurve der Störstellenkonzentration über der Entfernung von der Oberfläche, dann nach der Entfernung der Maskierung eine solche allseitige zweite Diffusion am Halbleiterkörper vorzunehmen, welche einen steileren Verlauf der Kurve der Störstellenkonzentration über der Entfernung von der Oberfläche ergibt und schließlich an dem entstandenen Halbleiterkörper eine Mantelzone abzuarbeiten, so daß die durch die zweite Diffusion erzeugte allseitig einen Kernteil des Halbleiterkörpers umgebende Schicht in zwei getrennte selbstständige Schichten aufgeteilt wurde, von denen die eine benachbart dem Ausgangshalbleiterkörper-Restteil des einen Leitungstyps und die zweite benachbart dem in diesem beim ersten Diffusionsvorgang geschaffenen Bereich entgegengesetzten elektrischen Leitungstyps lag. Die Abarbeitung des

ίο entsprechenden Halbleitermaterials konnte dabei derart erfolgen, daß eine der beiden im Verlauf der zweiten Eindiffusion erzeugten Schichten eine kleinere Flächenausdehnung senkrecht zur Schichtenrichtung hatte als die anderen Schichten des HaIbleiterkörpers, so daß die zweite eindiffundierte Schicht mit dem Ausgangshalbleiterkörper einen Absatz bildete.

Zur weiteren näheren Erläuterung der Erfindung wird nunmehr auf die Figuren der Zeichnung Bezug nommen.

In der F i g. 1 ist ein Siliziumplättchen üblicher Art —· mit 1 bezeichnet — dargestellt, auf das eine Elektrode 2 aus Au-Sb aufgeschmolzen ist. Es ist hierbei zu erkennen, daß das Elektrodenmaterial in einem Bereich 3 in das Siliziumplättchen hineinlegiert ist, so daß sich dort eine η-leitende Zone bildet, die am Rande bis zu dem durch einen Pfeil 8 kenntlich gemachten Ende des Elektronenmaterials reicht.

In Gegenüberstellung zu einer solchen, den bisherigen Ausführungen entsprechenden Anordnung ist in der F i g. 2 ein ähnliches Siliziumplättchen gezeigt, in das eine Schicht 4 eindiffundiert ist, die eine bis an den R.and des Plättchens reichenden Bereich η-leitender Dotierung bildet. Das Material für die Schicht ist hierbei so gewählt, daß die n-leitende Dotierung in diesem Bereich sehr schwach ist. In der Fig. 3 ist gezeigt, daß auf das mit einer schwach n-le:tenden Schicht versehenen Siliziumplättchen wieder eine Elektrode 2 aus Au-Sb aufgeschmolzen ist. Hierbei ist in dem Bereich 3 eine Legierungsbildung eingetreten, so daß dort infolge der Materialzusammensetzung des Elektrodenmaterials eine stärkere η-Dotierung vorliegt.

In der F i g. 4 ist angedeutet, daß als weiterer Schritt ein Randbereich 5, beispielsweise durch Abätzen, weggenommen ist, und zwar so weit, daß die Oberfläche am Rande durch das nicht dotierte Grundmaterial gebildet wird. An einer durch einen Pfeil 6 angedeuteten Grenzlinie beginnt dann der schwach η-leitende dotierte Bereich, der dann wieder an der durch einen Pfeil 8 bezeichneten Stelle in einen stärker dotierten Bereich übergeht.

Wie in dieser Figur gezeigt ist, kann das HaIbleiterplättchen auf der unteren Oberfläche noch mit einem p-leitenden Bereich 7 versehen werden, der in diesem Falle bis an den Rand des Plättchens reichen kann. Für die praktische Anwendung kann hierbei z. B. zugrunde gelegt werden, daß der Widerstand in dem p-leitenden Bereich 7 geringer als 0,01 Ohm-cm, in dem Grundmaterial hingegen größer als 200 Ohm · cm, indem daran anschließenden schwach η-leitenden Bereich 4 größer als 80 Ohm-cm und in dem stärker dotierten Bereich 3 wieder kleiner als 0,01 Ohm-cm ist.

Die neue Ausbildung bringt den wesentlichen Vorteil einer Verbesserung der Sperreigenschaften sowohl für Gleichrichter wie auch für Transistoren mit sich. Dies ist insbesondere darauf zurückzuführen,

daß das Kristallgitter des Grundmaterials an den Enden der einzelnen Bereiche praktisch nicht deformiert wird. Dadurch wird verhindert, daß in der Nähe des pn-Übergangs hohe Sperrströme auftreten können. Durch die Unterteilung in η-leitende Bereiche mit verschiedener Leitfähigkeit wird auch insofern eine Verbesserung erreicht, daß sich die Raumladungszone günstig verteilt. Es wird in dem Grundmaterial durch die an der Oberfläche adsorbierten negativen Ionen eine gewisse Verkleinerung der Raumladungszone bewirkt, wobei jedoch in dem schwach η-leitenden dotierten Bereich 4 eine Verbreiterung der Raumladungszone eintritt. Es wird dementsprechend die Feldstärke innerhalb eines bestimmten Bereichs der Sperrspannung durch Ionen-Adsorption nicht herabgesetzt, also keine Verringerung der Durchbruchspannung auftreten.

In der F i g. 5 sind diese Verhältnisse angedeutet, wobei der Raumladungsbereich durch gestrichelte Linien 9 angedeutet ist.

Für die Dotierung der einzelnen Bereiche kann man sich verschiedener Verfahren, wie Eindiffundieren aus der Gasphase, Aufschmelzen oder Einpulsen, bedienen.

Wenn die Dotierung durch einen Legierungsprozeß mit Hilfe von aufgelegten Dotierungsfolien durchgeführt wird, so ist es wichtig, nach dem ersten Legierungsprozeß für die Herstellung der Zone 4 die Folie abzulösen, bevor in einem zweiten Legierungsprozeß die Zone 3 hergestellt wird.

In gleicher Weise wie bei η-leitenden Schichten kann die Verbesserung auch bei p-leitenden Schichten mit Vorteil angewendet werden.

Claims (4)

Patentansprüche: 35

1. Verfahren zum Herstellen von flächenhaften pn-Übergängen in Halbleiterbauelementen, dadurch gekennzeichnet, daß durch Eindiffundieren oder Einlegieren eines dotierenden Stoffes in die eine Oberfläche eines hochohmigen Halbleiterkörpers, von z. B. 200 Ohm · cm, des einen Leitungstyps zunächst eine ebenfalls hochohmige Oberflächenzone vom entgegengesetzten Leitungstyp zur Bildung eines pn-Übergangs erzeugt wird, daß in einen vom Rand dieser Oberflächenzone entfernten Teil ein Elektrodenmaterial zur Bildung einer gegenüber der ersten Oberflächenzone niederohmigen weiteren Oberflächenzone gleichen Leitungstyps in die hochohmige Oberflächenzone einlegiert wird und daß ein solcher Randteil der den pn-übergang bildenden beiden hochohmigen Zonen nachträglich abgearbeitet wird, daß der pn-übergang sowohl einerseits entfernt von dem Rand des Halbleiterkörpers und andererseits entfernt von dem Rand der einlegierten niederohmigen Zone an die Oberfläche tritt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Abarbeiten durch Abätzen mittels eines gerichteten Ätzmittelstrahls durchgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Dotierung des Halbleiterkörpers für die Schaffung der relativ hochohmigen, umdotierten Oberflächenzone mit einem spezifischen Widerstandswert gleich oder größer als 80 Ohm · cm durchgeführt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlegierung der zweiten höher dotierten Zone von niedrigerem spezifischem Widerstandswert in die erste eindotierte Oberflächenzone derart durchgeführt wird, daß sich ein Widerstandswert in der Größenordnung von etwa 0,01 Ohm · cm ergibt.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschrift Nr. 10564747;
österreichische Patentschrift Nr. 202 600;
französische Patentschriften Nr. 1180 762,
365;
USA.-Patentschrift Nr. 2792539.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

509 777/328 12.65 © Bundesdruckerei Berlin