NL7907680A

NL7907680A - Zenerdiode.

Info

Publication number: NL7907680A
Application number: NL7907680A
Authority: NL
Original assignee: Philips Nv
Priority date: 1979-10-18
Filing date: 1979-10-18
Publication date: 1981-04-22
Also published as: US4419681A; FR2468208B1; GB2061003A; DE3038571A1; GB2061003B; IT8025365A0; JPS5662374A; SE8007199L; IT1194705B; FR2468208A1; DE3038571C2; CA1155968A

Description

, r * PHN 9598 1 N.V. Philips' Gloeilampenfabrieken te Eindhoven "Zenerdiode".

De uitvinding heeft betrekking op een halfgelei-derinrichting met een Zenerdiode bevattende een halfgelei-derlichaam met een aan een oppervlak van het lichaam grenzend eerste halfgeleidergebied van een eerste geleidings-5 type, een eveneens aan dit oppervlak grenzend, binnen het eerste gebied gelegen tweede gebied van het tweede, tegengestelde geleidingstype, en een op afstand van het oppervlak gelegen, geheel door het eerste en het tweede gebied begrensd derde gebied van het eerste geleidingstype met een 10 hogere doteringsconcentratie dan het eerste gebied, waarbij het tweede gebied met het eerste en het derde gebied een aan het oppervlak eindigende, in hoofdzaak evenwijdig aan het oppervlak lopende pn-overgang vormt.

Een halfgeleiderinrichting met een Zenerdiode 15 van de beschreven soort is bekend uit het Amerikaans oc-trooischrift 33 4 5 221.

Onder Zenerdioden worden in deze aanvrage in algemene zin verstaan dioden met een zeer nauwkeurig bepaalde en reproduceerbare doorslagspanning, die worden toege-20 past voor het verkrijgen van een referentiespanning. Of daarbij de doorslag wordt teweeggebracht door lawineverme-nigvuldiging of door het, vooral bij kleine doorslagspan-ningen « 6 Volt) op de voorgrond tredende, "Zener"-effect is daarbij in de praktijk in het algemeen niet van belang.

25 Een Zenerdiode van de beschreven struktuur kan als discrete component doch ook als component van een monolithische geïntegreerde schakeling worden toegepast. Het belangrijke voordeel van deze struktuur is, dat de doorslag optreedt aan het deel van de pn-overgang dat zich 30 tussen het tweede en het derde gebied bevindt, tengevolge van de daar heersende doteringsconcentraties en -gradiënten, zodat doorslag aan het oppervlak wordt vermeden. Daardoor wordt in het algemeen een nauwkeurig bepaalde doorslagspan- 7on 7 cn r ^3» PHN 9598 2 ning op reproduceerbare wijze verkregen.

Bij deze bekende Zenerdioden wordt uitgegaan van een homogeen gedoteerd substraat, waarin door dotering van buiten af, hetzij door diffusie, het zij door implantatie, 5 of door een combinatie van beide achtereenvolgens het derde gebied van hetzelfde geleidingstype als het substraat en het tweede gebied van aan het substraat tegengesteld geleidings type worden gevormd, De volgorde van aanbrengen van het tweede en het derde gebied kan desgewenst ook worden 10 omgekeerd. Bij deze wijze van vervaardigen wordt een groot aantal halfgeleiderinrichtingen tegelijkertijd uit éénzelfde halfgeleiderschijf vervaardigd.

Het is Aanvraagster echter gebleken, dat onder omstandigheden de nauwkeurigheid en de reproduceerbaarheid 15 van de doorslagspanning van de beschreven dioden te wensen overlaat. Aanvraagster is daarbij tot het inzicht gekomen, dat er verband bestaat tussen de mate van nauwkeurigheid en reproduceerbaarheid van de doorslagspanning enerzijds, en de grootte van de halfgeleiderschijf waaruit de dioden 20 worden vervaardigd anderzijds. Naarmate de halfgeleiderschi jf waarvan wordt uitgegaan een grotere diameter heeft, blijken de nauwkeurigheid en de reproduceerbaarheid van de doorslagspanning af te nemen.

Dit is een verrassend resultaat aangezien men, 25 gelet op de struktuur van de hierboven beschreven bekende Zenerdioden, zou mogen verwachten dat de halfgeleiderschijf waaruit het substraat wordt gevormd, op de doorslagspanning weinig of geen invloed heeft. De doorslag treedt immers niet op tussen het tweede gebied en het substraat, doch tussen 30 het tweede gebied en het, hoger dan het substraat gedoteerde, derde gebied,

De uitvinding beoogt, een halfgeleiderinrichting met een Zenerdiode te verschaffen, waarbij nauwkeurige en reproduceerbare doorslagspanningen kunnen worden verkregen, 35 ongeacht de diameter van de halfgeleiderschijf waarvan wordt uitgegaan.

Daartoe is een halfgeleiderinrichting van de in de aanhef beschreven soort volgens de uitvinding daardoor 7907680 PHN 9593 3 V ♦ gekenmerkt, dat het eerste gebied een epitaxiale laag bevat, die is aangebracht op een hooggedoteerd substraat van het eerste geleidingstype met een hogere doteringsconcentra-tie dan de epitaxiale laag, waarbij de epitaxiale laag een 5 zodanige dotering en dikte heeft dat de differentiaalweer-stand van de diode ook bij doorslag positief is.

Het is gebleken, dat halfgeleiderinrichtingen met Zenerdioden met de, op het eerste gezicht onnodig gecompliceerde, struktuur volgens de uitvinding ook op halfge-10 leiderschijven met een diameter van j6 mm of groter met nauwkeurige en reproduceerbare doorslagspanning kunnen worden vervaardigd. Dat dit bij de bekende struktuur zonder epitaxiale laag in veel mindere mate het geval is, kan vermoedelijk op de volgende wijze worden verklaard. Aangezien 15 het derde gebied in de praktijk door dotering (implantatie en/of diffusie) van buiten af in het substraat wordt aangebracht, bepaalt de door het substraat geleverde achter-gronddotering in niet onbelangrijke mate de doteringsgradiënt van het derde gebied bij de pn-overgang, en daarmee 20 de doorslagspanning. Halfgeleiderschijven met een diameter tot ongeveer 50 mm zijn nog te vervaardigen met een zodanig homogene doteringsconcentratie, dat de daaruit verkregen substraten de vereiste uniformiteit vertonen. Bij grotere halfgeleiderschijven, bijvoorbeeld met een diameter van 76 25 mm, blijkt dit niet meer mogelijk te zijn, zodat de uit eenzelfde halfgeleiderschijf vervaardigde dioden onderlinge afwijkingen in de doorslagspanning vertonen. Bij de Zenerdioden volgens de uitvinding echter wordt het eerste gebied gevormd door een epitaxiale laag, waarvan de dotering 30 veel beter gecontroleerd en veel beter homogeen gemaakt kan worden, zodat het genoemde nadeel wordt vermeden.

Zenerdioden waarbij het homogene substraat vervangen is door een epitaxiale laag op een hooggedoteerd substraat vertonen soms een onregelmatigheid bij doorslag, die 35 waarschijnlijk te wijten is aan een optredende negatieve differentiaalweerstand zoals deze ook bijvoorbeeld voorkomt bij een z.g. "IMPATT"-diode, ook wel lawinediode genoemd, waar dit verschijnsel wordt gebruikt voor het opwekken van 7afl7fifl0 PHN 9598 k ff 5? hoogfrequente spanningen of stromen. Dit is uiteraard geheel in tegenspraak met de aan een Zenerdiode gestelde eisen. Het genoemde verschijnsel hangt waarschijnlijk samen met het optreden van een te grote spreidingsweerstand tus-5 sen het tweede gebied en het hooggedoteerde substraat. Daarom moet, zoals reeds gezegd, de epitaxiale laag een zodanige dikte en dotering hebben, dat de differentiaalweer-stand ook bij doorslag steeds positief is.

Ofschoon het derde gebied zich tot aan het sub-10 straat kan uitstrekken, wordt bij voorkeur het derde gebied geheel door het tweede gebied en door de epitaxiale laag begrensd.

De epitaxiale laag heeft met voordeel een dikte van tenminste 10 yum en ten hoogste 35 ^um, ©n een soorte-15 lijke weerstand van tenminste 0,5 Ohm.cm en ten hoogste 2 Ohm.cm. Hiermee kunnen bijvoorbeeld in silicium doorslag-spanningen tussen 12 Volt en 120 Volt worden gerealiseerd.

De soortelijke weerstand van het hooggedoteerde substraat is, ter verkrijging van een zo laag mogelijke serieweer-20 stand bij voorkeur ten hoogste 12 m Ohm.cm.

Opgemerkt wordt verder nog dat diodestrukturen als hierboven beschreven op zichzelf voor IMPATT-dioden en voor capaciteitsdioden bekend zijn. Deze inrichtingen zijn echter van die volgens de uitvinding geheel verschillend 25 en dienen aan eisen te voldoen, die aan de aan Zenerdioden gestelde eisen tegengesteld zijn. Zo dient, in tegenstelling tot een Zenerdiode, een IMPATT-diode bij doorslag juist een negatieve differentiaalweerstand te hebben, terwijl een capaciteitsdiode naast een bepaalde gewenste capaciteits-30 spanningskarakteristiek liefst een hoge doorslagspanning, die echter niet nauwkeurig bepaalt hoeft te zijn, moet vertonen. Voor het functioneren van deze inrichtingen is voorts, in tegenstelling tot de uitvinding, de veldverde-ling over de epitaxiale laag van bijzonder belang.

35 De uitvinding zal thans nader worden toegelicht aan de hand van de tekening, waarin

Figuur 1 schematisch in dwarsdoorsnede een half-geleiderinrichting met een Zenerdiode volgens de uitvinding 790 7 6 80 PHN 9598 5 V * toont,

Figuur 2 schematisch, een bovenaanzicht van de inrichting van Figuur 1 toont,

Figuren 3 t/m 5 schematisch dwarsdoorsneden van 5 de inrichting volgens de uitvinding in opeenvolgende stadia van vervaardiging tonen, en

Figuur 6 schematisch in dwarsdoorsnede een andere uitvoeringsvorm van de inrichting volgens de uitvinding toont.

10 De figuren zijn terwille van de duidelijkheid schematisch en niet op schaal getekend, waarbij in het bijzonder de afmetingen in de dikterichting sterk zijn overdreven. Halfgeleidergebieden van hetzelfde geleidings-type zijn in dezelfde richting gearceerd; overeenkomstige 15 delen zijn in de figuren in het algemeen met hetzelfde ver-wijzingscijfer aangeduid.

In figuur 1 is schematisch een dwarsdoorsnede van een discrete Zenerdiode volgens de uitvinding weergegeven. De diode bevat een halfgeleiderlichaam met een 20 eerste halfgeleidergebied 1 van een eerste geleidingstype, dat in dit voorbeeld n-type geleidend is, welk eerste gebied aan een oppervlak 4 van het halfgeleiderlichaam grenst. Verder is aanwezig een eveneens aan het oppervlak 4 grenzend, binnen het eerste gebied 1 gelegen tweede gebied 2 25 van het tweede, tegengestelde geleidingstype, in dit voorbeeld dus van het p-geleidingstype. De inrichting bevat voorts nog een, op afstand van het oppervlak 4 gelegen, geheel door het eerste gebied 1 en het tweede gebied 2 begrensd derde gebied 3 van het eerste, hier dus n-, gelei-30 dingstype met een hogere doteringsconcentratie dan het eerste gebied 1. Het tweede gebied 2 vormt met het eerste ge-4 eindigende, in hoofdzaak evenwijdig aan het oppervlak bied 1 en het derde gebied 3 een aan het oppervlakyïopende pn-overgang p· Het deel van de pn-overgang tussen het tweede gebied 2 en het derde gebied 3 is in de figuur aan-35 geduid met 5^-? Het gedeelte tussen het tweede gebied en het eerste gebied 1 met 5B. Aangezien de doteringsconcentratie van het gebied 3 hoger is dan die van het gebied 1 treedt bij het aanleggen van een voldoend hoge spanning in de keer- 790 7 6 80 * =- PHN 9598 6 richting over de pn-overgang 5 doorslag op van het deel $A van de pn-overgang, en niet van het deel 5U, zodat opper-vlaktedoorslag wordt vermeden.

Bij bekende Zenerdioden van dit type wordt het 5 eerste gebied 1 gevormd door een homogeen substraat. Daarbij treden echter de in de inleiding genoemde problemen op.

Volgens de uitvinding echter bevat het eerste gebied een epitaxiale laag 1 die is aangebracht op een hoog-gedoteerd substraat 6 van het eerste (n-) geleidingstype, 10 met een hogere doteringsconcentratie dan het eerste gebied 1. In dit voorbeeld wordt het derde gebied 3 geheel begrensd door het tweede gebied 2 en door de epitaxiale laag 1. Daarbij heeft de epitaxiale laag een zodanige dotering en dikte dat de differentiaalweerstand van de diode ook 15 bij doorslag steeds positief is. Het oppervlak 4 is gedeeltelijk bedekt met een isolerende laag 7 5 via een venster in de isolerende laag 7 sluit een contactelectrode 8 aan op het gebied 2, terwijl aan de andere zijde het substraat 6 gecontacteerd wordt door een metaallaag 9· 20 De beschreven Zenerdiode vertoont een doorslag- spanning, die afhankelijk is van de gebruikte doterings-concentraties en van de bij de vervaardiging toegepaste diffusie- en implantatieparameters. De doorslagspanning van gelijktijdig in een groot aantal uit eenzelfde halfgelei-25 derschijf vervaardigde dioden vertoont zeer weinig spreiding en is ook, bij constant gehouden vervaardigingsomstan-digheden, zeer goed reproduceerbaar,

De beschreven diode kan op de volgende wijze worden vervaardigd, zie Figuren 3 t/m 5· Uitgegaan wordt 30 van een halfgeleiderschijf 6 van n-type silicium met een diameter van j6 mm, een dikte van 380 ^um en een soortelijke weerstand van bijvoorbeeld 8 m Ohm.cm. Hierop wordt op gebruikelijke wijze een n-type geleidende siliciumlaag met een dikte van bijvoorbeeld 30 yum en een soortelijke weer-35 stand van 1,5 Ohm.cm-epitaxiaal aangegroeid. Deze laagdikte en dotering zijn geschikt voor dioden met een doorslag-spanning van ongeveer 30 Volt of hoger; in het algemeen kiest men voor het verkrijgen van doorslagspanningen van 790 7 6 80 V· - PHN 9598 7 minder dan 30 Volt liever een epitaxiale laag met een wat kleinere dikte, bijvoorbeeld 20-25 , en een wat lagere soortelijke weerstand, bijvoorbeeld 0,6 Ohm.cm. In de figuren is terwille van de duidelijkheid slechts één diode 5 getekend, ofschoon tegelijkertijd een groot aantal dioden op één halfgeleiderschijf wordt vervaardigd.

Op het oppervlak van de laag 1 wordt nu, bijvoorbeeld door thermische oxydatie, een laag 7 van silicium-oxyde met een dikte van ongeveer 0,45 yum aangebracht, zie 10 Figuur 3· Hierin wordt vervolgens een venster 10 geëtst, bijvoorbeeld een vierkant venster met zijden van 180 ^um en afgeronde hoeken (zie bovenaanzicht volgens Figuur 2).

In het venster wordt een zeer dunne (ongeveer 0,05 yum dikke) oxydelaag 11 aangegroeid. Dan worden fos-15 forionen (zie Figuur 4) door de dunne oxydelaag 11 heen in het siliciumgebied geïmplanteerd, waarbij de oxydelaag 7 voldoende dik is om tegen deze implantatie te maskeren. De energie van de fosforionen is ongeveer 70 keV, de dosis bedraag 6 x 10 ionen per cm . Hierbij ontstaat het n-type 20 gebied 3» dat hoger gedoteerd is dan de laag 1.

Na een uitgloeibehandeling van ongeveer 30 minuten bij 900°C in stikstof wordt gedurende ongeveer 16 uur bij 1200° het gebied 3 verder ingediffundeerd. Daarna wordt (zie Figuur 5) in de op de laag 1 aanwezige oxyde-25 laag een venster 12 met zijden van ongeveer 220 yum geëtst; het gebied 3 ligt symmetrisch binnen dit venster, zie ook Figuur 2.

Vervolgens wordt, onder toepassing van de oxydelaag 7 nis masker, boor ingediffundeerd bij een temperatuur 30 van ongeveer 1200° ter verkrijging van het p-type gebied 2.

De diffusie geschiedt bij een zodanige oppervlakteconcentratie dat het gebied 2 geheel p-type geleidend wordt, onder omdotering van het gebied 3 aan het oppervlak. De dikte van het gebied 2 bedraagt na afloop van de beschreven pro-35 cessen ongeveer 2 ^um; het gebied 3 strekt zich vanaf het oppervlak tot een diepte van ongeveer 4 yum in het lichaam uit. Tenslotte wordt de dikte van de halfgeleiderschijf door slijpen en etsen verminderd tot ongeveer 120 ^um, en 7 Q fl 7 fi ft fl PHN 9598 8 de contactelectroden 8 en 9 aangebracht. Dan wordt de half-geleiderschijf door krassen en breken of op andere wijze in afzonderlijke dioden verdeeld, en worden de dioden op gebruikelijke wijze afgemonteerd.

5 De zo verkregen diode had een doorslagspanning van 30 Volt en de doorslagspanningen van op eenzelfde half-geleiderschijf vervaardigde dioden bleken een zeer geringe spreiding te vertonen, terwijl ook de doorslagspanning van op dezelfde wijze verkregen dioden zeer goed reproduceer-10 baar was. De hoogte van de verkregen doorslagspanning is, zoals reeds eerder gezegd, van de vervaardigingsparameters afhankelijk, die door de vakman naar willekeur kunnen worden gewijzigd. Zo kan bijvoorbeeld, bij gelijk blijvende dikte en dotering van de epitaxiale laag en bij ook overi-15 gens ongewijzigde vervaardigingsomstandigheden, de doorslagspanning verlaagd worden door verlaging van de dosis van de voor het vormen van het derde gebied 3 geïmplanteerde ionen en omgekeerd.

De uitvinding is niet beperkt door het gegeven 20 uitvoeringsvoorbeeld. Zo kan het tweede gebied 2 in plaats van door diffusie ook door ionenimplantatie worden gevormd. Omgekeerd kan het gebied 3 ook door diffusie worden verkregen. Verder kan de Zenerdiode ook deel uitmaken van een geïntegreerde schakeling. In plaats van silicium kan ook 25 germanium of een ander halfgeleidermateriaal, zoals bijvoorbeeld een verbinding worden toegepast. Tenslotte wordt nog opgemerkt, dat het derde gebied 3 zich desgewenst ook tot aan het substraat kan uitstrekken, zoals aangeduid in Figuur 6, waardoor een zeer lage serieweerstand wordt 30 verkregen.

35 790 7 6 80

Claims

1. Halfgeleiderinrichting met een Zenerdiode bevat tende een halfgeleiderlichaam met een aan een oppervlak van het lichaam grenzend eerste halfgeleidergebied van een eerste geleidingstype> een eveneens aan dit oppervlak gren-5 zend, binnen het eerste gebied gelegen tweede gebied van het tweede, tegengesteld geleidingstype, en een op afstand van het oppervlak gelegen, geheel door het eerste en het tweede gebied begrensd derde gebied van het eerste geleidingstype met een hogere doteringsconcentratie dan het 10 eerste gebied, waarbij het tweede gebied met het eerste en het derde gebied een aan het oppervlak eindigende, in hoofdzaak evenwijdig aan het oppervlak lopende pn-overgang vormt, met het kenmerk, dat het eerste gebied een epitaxiale laag bevat, die is aangebracht op een hooggedoteerd substraat 15 van het eerste geleidingstype met een hogere doteringsconcentratie dan de epitaxiale laag, waarbij de epitaxiale laag een zodanige dotering en dikte heeft dat de differentiaal-weerstand van de diode ook bij doorslag positief is.

2. Halfgeleiderinrichting volgens conclusie 1, met 20 het kenmerk, dat het derde gebied geheel door het tweede gebied en door de epitaxiale laag wordt begrensd.

3. Halfgeleiderinrichting volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat de dikte van de epitaxiale laag tenminste 10 ^um en ten hoogste 35 yum bedraagt, en dat haar 25 soortelijke weerstand tenminste 0,5 Ohm.cm en ten hoogste 2 Ohm.cm bedraagt.

4. Halfgeleiderinrichting volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de soortelijke weerstand van het substraat ten hoogste 12 Ohm.cm bedraagt. 30 70 0 7 6 8 0 35