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Die Erfindung betrifft eine integrierte Halbleiterschaltung, umfassend ein monokristallines Halbleitersubstrat eines bestimmten Leitfähigkeitstyps, zumindest eine in diesem Substrat gebildete Diffusionsregion, welche einen zum Leitfähigkeitstyp des Substrates entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp aufweist, wodurch ein pn-übergang zwischen dieser Diffusionsregion und dem Substrat gebildet wird, weiters eine Keimstellenschicht für polykristallines Wachstum, die auf verschiedenen Stellen des Substrates ausserhalb der Diffusionsregion (en) gebildet ist sowie eine darüber aufgedampfte Halbleiterschicht, bestehend aus an die Keimstellenschicht angrenzende polykristallinen Regionen von hohem Widerstand und an diese unmittelbar anschliessende monokristalline, auf dem Substrat gebildeten Regionen,
wobei mindestens eine der monokristallinen Regionen an die Diffusionsregion (en) angrenzt und vom Substrat durch den genannten pn-Übergang isoliert ist.
In integrierten Halbleiterschaltungen müssen die einzelnen Schaltelemente voneinander isoliert werden, wie dies allgemein bekannt ist. Diese Isolierung wurde mit Hilfe von pn-übergängen, durch dielektrische Isolierung, durch Luftisolierung und andere Massnahmen zu erreichen versucht. Bei der Isolierung mittels pn-Übergängen wurden die isolierenden Bereiche mit Hilfe der Diffusionstechnik gebildet, welche jedoch einen ziemlich grossen Zeitaufwand für die Diffusion selbst erfordert. Weiters bewirken die diffundierten Isolierregionen zwischen einander benachbarten Schaltelementen eine Begrenzung der Anordnungsdichte der Bauelemente.
Durch diese diffundierten Isolierregionen ergeben sich parasitäre Kapazitäten, die auch durch Querverbindungen, Elektroden und Isolierübergänge verursacht werden und damit können sich Schwierigkeiten insbesondere bezüglich des Hochfrequenzverhaltens der integrierten Schaltung ergeben.
Die Erfindung hat nun zum Ziel, eine integrierte Halbleiterschaltung vorzusehen, welche polykristalline Regionen zur Isolierung von Schaltelementen verwendet. Mit Hilfe der Aufdampftechnik werden auf einem einkristallinen Halbleitersubstrat monokristalline und polykristalline Regionen gebildet, wobei die Verunreinigungskonzentration der polykristallinen Regionen derart gewählt wird, dass sie unterhalb eines bestimmten kritischen Wertes bleibt, so dass der Widerstand der polykristallinen Regionen merkbar grösser wird als jener der monokristallinen Regionen. Die einzelnen Schaltelemente werden von den jeweils benachbarten durch polykristalline Regionen von hohem Widerstand hinreichend isoliert.
Es ist hiebei aus der DDR-Patentschrift Nr. 53240 bekanntgeworden, auf einem Halbleitergrundplättchen eine Schicht aufwachsen zu lassen, die Bereiche von monokristallinem und von polykristallinem Kristallaufbau aufweist ; diese durch Aufdampfen entstandene polykristalline Schicht wies darüber hinaus noch das Merkmal auf, dass sie eine Verunreinigung enthielt.
Weiters ist es auch schon bekannt, auf dem Halbleitergrundplättchen Keimschichten für das Aufwachsen von polykristallinem Silizium vorzusehen, wie dies aus der Schweizer Patentschrift Nr. 442535 und aus der USA-Patentschrift Nr. 3, 189, 973 hervorgeht.
Zur Erreichung des gesteckten Zieles und zur Vermeidung der zuvor angeführten Nachteile sieht die Erfindung, basierend auf dem geschilderten Stand der Technik vor, dass bei einer integrierten Schaltung der
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monokristallinen Regionen durch die angrenzende (n) zusammenhängende (n) und entsprechend breite (n) polykristalline (n) Region (en) und durch den genannten pn-übergang zwischen Diffusionsregion (en) und Substrat isoliert ist.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt, wobei Fig. l eine graphische Darstellung der Grösse des Widerstandes von polykristallinen und monokristallinen Regionen in Abhängigkeit von der Verunreinigungskonzentration zeigt, um die Erfindung besser zu erklären ; Fig. 2A bis 2E zeigen die einzelnen Schritte der Herstellung einer integrierten Halbleiterschaltung gemäss der Erfindung in stark vergrösserten Schnitten ;
Fig. 2F zeigt das Schaltbild der nach Fig. 2A bis 2E entstandenen integrierten Schaltung ; die Fig. 3A bis 3F zeigen Erzeugungsphasen der erfindungsgemässen Halbleiterschaltung in abgeänderter Form, Fig. 4 zeigt das Prinzipschaltbild der integrierten Halbleiterschaltung nach Fig. 3, Fig. 5 ist eine gleichwertige Darstellung, jedoch auf die Isolierung bezogen, Fig. 6A bis 6F und Fig. 7A bis 71 zeigen Erzeugungsschritte von integrierten Halbleiterschaltungen in weiterer Abänderung der Erfindung, Fig. 8 ist das Schaltbild der integrierten Halbleiterschaltung nach Fig. 7, und Fig. 9A bis 9F zeigen Herstellungsschritte einer weiteren abgeänderten Form der Erfindung.
Die Erfindung gründet sich auf eine besondere Eigenschaft von monokristallinen und polykristallinen Halbleitern, wie im folgenden genauer erklärt werden wird.
Bisher konnten verschiedene Merkmale von monokristallinen und polykristallinen Halbleitern geklärt werden, jedoch konnte festgestellt werden, dass, wenn monokristalline und polykristalline Halbleiter mit Verunreinigungen versehen wurden, sich deren Verhältnisse zwischen Verunreinigungskonzentration und Widerstandseigenschaften stark unterscheiden, wie dies in Fig. 1 zu erkennen ist.
In dieser Zeichnung ist auf der Abszisse die Verunreinigungskonzentration in Atomen pro Kubikzentimeter aufgetragen und die Ordinate zeigt den Widerstandswert in Ohm. cm an. Die Kurven--A bzw. B--zeigen den
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Zusammenhang zwischen Verunreinigungskonzentration und Widerstandswert von polykristallinen bzw. von monokristallinen Halbleitern, die mit Arsen verunreinigt wurden. Vertikale Linien, welche die Kurve--A-- schneiden, zeigen einen Streubereich der experimentell gewonnenen Werte und die Kurve--A'--zeigt den unteren Grenzwert dieser Streuung. Jene Verunreinigungskonzentration, bei welcher die Widerstandswerte von
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bezeichnet.
Im Hinblick auf die Streuung der Widerstandswerte des polykristallinen Halbleiters ist im vorliegenden Falle der Schnittpunkt der Kurven--A'und B--als kritische Konzentration bezeichnet. Diese liegt somit im vorliegenden Fall bei 0, 8. 1018 Atomen/cm3. Die in dieser Zeichnung gezeigten charakteristischen Kurven wurden nach dem folgenden Verfahren erhalten : Monokristalline Silizium-Halbleiter-Grundplättchen (Substrate), welche Arsen in verschiedenen Konzentrationen als Verunreinigung enthielten, wurden vorbereitet und nach üblichen Verfahren mit einer spiegelnd glatten Oberfläche versehen. Danach wurden sie gereinigt.
Sodann wurde auf einer Seite der Grundplättchen durch Wachstum aus der Dampfphase bei Temperaturen von 550 C eine Siliziumschicht von etwa l jum Dicke gebildet, welche einen polykristallinen Bereich enthielt. Der polykristalline Bereich diente als Keimstelle für polykristallines Wachstum bei der folgenden Bildung von monokristallinen und polykristallinen Regionen mit Hilfe des Wachstums aus der Dampfphase. Für diese Bildung der Siliziumschicht wurde Siliziumtetrachlorid (SiC14) in den Verdampfer einer üblichen Aufdampf-Vorrichtung gegeben zusammen mit Arsen-Trichlorid (AsCig) in einer Menge, welche erforderlich ist, um zu erreichen, dass die Verunreinigungs-Konzentration der polykristallinen Region gleich ist jener des monokristallinen Grundplättchens.
Als nächster Schritt wurde die polykristalline Region, welche an der einen Seite des Grundplättchens gebildet worden war, an einer bestimmten Stelle entfernt, um einen bestimmten Flächenteil dieses Grundplättchens freizulegen. Danach wurde Siliziumtetrachlorid, welches den zuvor erwähnten notwendigen Anteil von Arsentrichlorid enthielt, mit Hilfe eines Trägergases, z. B. Wasserstoff, über das Halbleiter-Grundplättchen geleitet, um hiedurch bei einer Temperatur von 11500C eine etwa 20bim starke Siliziumschicht aus der Dampfphase auf dem Grundplättchen zu bilden, wobei die zuvor erwähnte polykristalline Region als Keimstelle diente.
In diesem Falle bestand die aufgedampfte Siliziumschicht aus einer Silizium-Einkristall-Halbleiterregion, d. h. einer monokristallinen Region, gebildet auf der unbedeckt gewesenen Seite des Halbleiter-Einkristall-Grundplättchens, und aus einer polykristallinen Region, gebildet auf der polykristallinen Keimstelle. Die Verunreinigungskonzentration-Widerstandskennlinien der aufgedampften monokristallinen und der polykristallinen Region sind in Fig. 1 gezeigt. Hiebei gehört die Kurve--A--zur polykristallinen, die Kurve--B--zur monokristallinen Region. Die Keimschicht für das polykristalline Wachstum ist nicht besonders auf die zuvor genannte Art beschränkt, sondern sie kann auch durch Aufdampfen einer Siliziumoxydschicht einer Stärke von etwa 500 A gebildet werden.
Dieser Oxydfilm hat Fehlstellen wie etwa Nadelstiche, so dass das Silizium auf dem Oxydfilm beim Aufdampfen als polykristalline Schicht auftritt.
In jenem Falle, wo die Verunreinigungskonzentration der polykristallinen Halbleiterregion gleich ist jener der monokristallinen Halbleiterregion und wenn die Verunreinigungskonzentration der polykristallinen Region geringer ist als die kritische Konzentration-Cc-entsprechend der Fig. l, wurde der Widerstandswert der polykristallinen Region als grösser festgestellt als jener der monokristallinen Region, u. zw. auf Grund der folgenden Überlegungen, die allerdings noch nicht bestätigt werden konnten :
1. Die Verunreinigung ist an den Oberflächen von feinen Einkristallen (an den Korngrenzen) angelagert, welche die Polykristalle bilden ;
2. Träger werden an den Korngrenzen gefangen, so dass die Trägerkonzentration, die der Leitung dient, geringer wird.
3. In den Polykristallen ist der freie Weg der Ladungsträger klein und deren Beweglichkeit ist gering.
Die Erfindung wird im folgenden an Hand von Beispielen genauer beschrieben.
Die Fig. 2A bis 2E zeigen eine Ausführungsform der Erfindung und Fig. 2F zeigt das Prinzipschaltbild einer Halbleiterschaltung, die nach dem Verfahren hergestellt ist, wie es in den Fig. 2A bis 2E gezeigt ist, wobei die Bezugszeichen --D1 und Dz -- Dioden bezeichnen.
Die Herstellung dieser Halbleiterschaltung beginnt mit der Vorbereitung eines Silizium-Einkristall-Halbleiter-
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diese zeigen eine maskierende Wirkung gegen eine eventuell folgende Diffusion von Verunreinigungen. Im vorliegenden Falle wurde es vorgezogen, eine Siliziumschicht auf der Silizium oxyd- oder Siliziumnitridschicht durch Aufdampfen od. dgl. zu bilden. Die Keimstellen--52--wurden in der Form eines Gitters angeordnet, um auf diese Weise monokristalline Halbleiterregionen zu umgeben, welche im folgenden gebildet werden sollen, wie in Fig. 2B gezeigt ist.
Darauffolgend wurde eine Schicht von Silizium, das mit einer Verunreinigung vom n-Leitfähigkeitstyp von einer Konzentration versehen ist, die geringer ist als die kritische Konzentration --Cc--, in einer Stärke von etwa 8 Mm auf dem monokristallinen Halbleiter-Substrat--5 1--einschliesslich der Keimstellen --52-- durch Aufdampfen, aufgebracht. Dies führt zur Bildung von polykristallinen
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Halbleiterregionen --53-- auf den Keimstellen --52-- und von n-leitenden monokristallinen Halbleiterregionen --54' und 54''-- auf dem monokristallinen Halbleiter-Substrat wie in Fig. 2C gezeigt ist.
Dabei entstehende Übergangsbereiche zwischen den Regionen --54'bzw. 54"-- einerseits und den polykristallinen Regionen--53--anderseits sind durch unterbrochene Linien angedeutet. Sodann wird ein Siliziumoxyd- oder Siliziumdioxydfilm --55-- durch thermische Oxydation auf der aufgedampften Schicht gebildet, und der Oxydfilm-55--wird an bestimmten Stellen entfernt, um darin Fenster zu bilden, durch welche Bor, eine Verunreinigung vom p-Leitfähigkeitstyp in die aufgedampfte Schicht bis zu einer Tiefe von 3 bis 5 jum eindiffundiert wird.
Dadurch werden Anodenregionen--56', 56"--gebildet, welche dioden-Übergänge --JD1 und JD2-- der Dioden --D1 und Dz-- aufweisen, wie in Fig. 2D erkennbar ist.
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Goldschicht an der Unterseite des monokristallinen Halbleitersubstrats --51-- angebracht, um eine Kathoden-Elektrode--58-zu bilden, womit die fertige Halbleiterschaltung, wie in Fig. 2E gezeigt ist, entsteht.
Bei den beschriebenen Bauelementen ist der Widerstand der polykristallinen Regionen-53-grösser als
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vorhanden ist, die von den monokristallinen Regionen --54'und 54"-- gebildet sind.
Beim beschriebenen Beispiel war die Verunreinigungskonzentration der polykristallinen Region--53- und der monokristallinen Region --54-- so ausgewählt, dass sie mehr als 1012 Atome/cm3 betrug und kleiner als die kritische Verunreinigungskonzentration-Cc-war. Im Falle einer aufgedampften Schicht mit einer geringeren Verunreinigungskonzentration als 1012 Atomen/cm3 ist der Widerstandswert der aufgedampften Schicht, u. zw. insbesondere der monokristallinen Region--54--, nicht konstant zu halten, auch wenn Siliziumtetrachlorid,"Monosilan"oder andere"Silane"verwendet werden, wenn eine Verunreinigung wie Phosphoroxychlorid zum Einbringen von Phosphor Verwendung findet, Arsentrichlorid zum Einführen von Arsen angewendet wird oder wenn Antimon als Verunreinigung vorgesehen wird.
Die Ursachen für die Instabilität des Widerstandswertes konnten noch nicht restlos geklärt werden, wurden jedoch in der folgenden Weise angenommen :
1. Geringfügige Veränderung der Temperatur des Ofens während des Aufdampfvorganges ;
2. Ausdiffundieren der Verunreinigung aus dem monokristallinen Halbleitergrundplättchen ;
3. Selbsteindringen der Verunreinigung aus dem monokristallinen Halbleitergrundplättchen in die aufgedampfte Schicht ;
4. Veränderungen in den Eigenschaften der Kristalle infolge eines geringfügigen Sauerstoffgehaltes im
Trägergas (obwohl theoretisch gleich Null).
Es konnte ermittelt werden, dass mit einer Verunreinigungskonzentration von weniger als 1012 Atome/cm3 die Ungleichmässigkeit des Widerstandswertes rasch zunimmt.
Die Verwendung einer monokristallinen Schicht von hoher Instabilität ihres Widerstandswertes verursacht Änderungen in den Übergängen, Änderungen der Durchbruchspannungen und der Tiefe der Übergänge der Anodenregionen-56-der Dioden, die durch Diffusion einer Verunreinigung entsprechend Fig. 2D gebildet worden sind, womit eine Ungleichmässigkeit der Eigenschaften der fertigen Halbleiterschaltung entsteht.
Ist die Verunreinigungskonzentration der monokristallinen Region --54-- geringer als 1012 Atome/cm3, so ändert sich die Tiefe der Übergänge auf Grund der Tatsache, dass beim Aufdampfprozess die im monokristallinen Halbleiterplättchen--51--vorhandene Verunreinigung nach oben hin zur Oberseite der monokristallinen Region hindiffundiert (wo die übergänge-dz und JD2" gebildet sind) und dort die Verunreinigungskonzentration in diesen Abschnitten verändert.
Wird die Dicke der aufgedampften Schicht - 54-- grösser gewählt, so nimmt die Zeit für das Aufdampfen zu und die Verunreinigung des monokristallinen Halbleitergrundplättchens --51-- wird weiter (über eine grössere Strecke) eindiffundiert ; die zuvor geschilderten Mängel können erst recht nicht vermieden werden.
Unter Bezugnahme auf die Fig. 3 wird im folgenden eine andere Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes erläutert.
Die Erzeugung beginnt wieder mit der Vorbereitung eines beispielsweise p-leitenden monokristallinen Halbleitersubstrats --11-- entsprechend Fig.3A. Ein Oxydfilm --12--, beispielsweise Siliziumdioxyd, welcher als Diffusionsmaske und als Keimschicht für polykristallines Wachstum dienen soll, wird auf der gesamten Flächenausdehnung der Oberseite des monokristallinen Halbleitersubstrats --11-- gebildet und wird sodann an bestimmten Stellen wieder entfernt, beispielsweise durch Photoätzen od. dgl., u. zw. beispielsweise derart, dass ein gitterförmiges Netzwerk entsteht. Sodann wird eine Verunreinigung vom n-Leitfähigkeitstyp in das monokristalline Halbleiterstubstrat eindiffundiert, wobei der Oxydfilm --12-- als Maske verwendet wird.
Hiedurch wird eine Vielzahl von eingebetteten n+-leitenden Diffusionsregionen --13 und 13'--von starker Verunreinigung gebildet, wie es in Fig. 3B gezeigt ist. Als nächstes wird ein Oxydfilm, welcher auf den n-leitenden Regionen-13 und 13'-bei der Diffusion der n-leitenden Verunreinigung entstanden ist, an
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dafür vorgesehenen Stellen entfernt, wonach durch Aufdampfen einer Halbleiterschicht auf das Substrat --11-- Halbleiterregionen--14, 15 und 15'--gebildet werden, die eine Verunreinigungskonzentration vom n-Typ aufweisen,
welche beispielsweise geringer ist als 1017 Atome/cm3 und höher ist als 1012 Atome/cm3 und welche Regionen von der entgegengesetzten Leitfähigkeit sind wie das Substrat also hier von n-Leitfähigkeit (vgl. hiezu Fig. 3C und auch Fig. 1).
Die entstandene aufgedampfte Schicht besteht aus polykristallinen Regionen-14--, welche auf den Keimstellen dem Oxydfilm--12--gewachsen sind, und aus den monokristallinen Regionen--15 und 15'--, die auf den n+-leitenden Halbleiterregionen--13 und 13'--entstanden sind.
Wie aus der folgenden Beschreibung noch hervorgeht, werden die monokristallinen Regionen--15 und 15'--isolierte Inselregionen und dienen als Kollektorregionen von Transistoren, welche beispielsweise in diesen Inselregionen gebildet werden. In diesem Falle wird es vorgezogen, dass die Dicke des Oxydfilnes-12-angenähert 0,2 m beträgt, dass die Temperatur für das Aufdampfen zwischen 1050 und 12500C liegt und dass die Dicke der monokristallinen Schicht etwa 5 jum beträgt.
Obwohl die n-Leitfähigkeit verursachende Verunreinigung aus den n+-leitenden Regionen-13 und 13'-in die polykristalline Region-14diffundiert und damit deren Widerstand erniedrigt, wie dies in der Fig. 3C durch die Pfeile angedeutet ist, kann der Widerstand der polykristallinen Region--14--stark erhöht werden durch weitestmögliches Vergrössern der Breite der polykristallinen Region-14- (d. h. des Abstandes zwischen den beiden monokristallinen Halbleiterregionen-15 und 15'--).
Auf diese Vorgänge folgt die Bildung von Halbleiterbauelementen in den n-leitenden monokristallinen Halbleiterregionen--15 und 15'--. Wie in Fig. 3D gezeigt ist, wird eine p-Leitfähigkeit verursachende Verunreinigung, wie etwa Bor, in die monokristallinen Regionen-15 und 15'--durch eine Diffusionsmaske hindurch eindiffundiert, die von einem Siliziumoxydfilm--16--gebildet ist, um hiedurch p-leitende Halbleiterregionen--17 und 17'--zu bilden, welche später als Basisregionen der Transistoren dienen sollen.
Weiters wird eine Verunreinigung vom n-Leitfähigkeitstyp in die p-leitenden Halbleiterregionen--17 und 17'-eindiffundiert, u. zw. durch Fenster im Oxydfilm--16--, welcher an sich als Maske dient, um n-leitende Halbleiterregionen-18 und 18'-von hoher Verunreinigungskonzentration zu bilden, welche später als Emitterregionen der Transistoren wirken sollen, wie in Fig. 3E gezeigt ist. Auf diese Weise werden die
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Schliesslich wird beispielsweise Aluminium aus der Dampfphase niedergeschlagen, u. zw. durch Fenster des Oxydfilms--16--, um Elektroden --20-- für die Halbleiterelemente zu bilden, die in den monokristallinen Regionen--15 und 15'--entstanden sind sowie um Leitungen--21--zu bilden, welche verschiedene Elektroden untereinander verbinden und eine bestimmte Elektrode mit dem Dünnfilmwiderstand-19-in Verbindung bringen. In Fig. 4 sind auf diese Weise gebildeten elektrischen Verbindungen der integrierten Halbleiterschaltung in einem Schaltbild dargestellt.
Bei der soeben beschriebenen Schaltung ist für besonders gute Isolierung zwischen den in den monokristallinen Regionen-15 und 15'--gebildeten Halbleiterelementen und zwischen diesen Halbleiterelementen und dem Dünnfilinelement (Widerstand)-19-vorgesorgt, so dass sich eine vollkommene gegenseitige Isolierung der Schaltelemente ergibt, die auf der gleichen Grundplatte gebildet sind. Hiedurch wird eine gegenseitige Beeinflussung dieser Elemente sicher verhindert, so dass diese als auf verschiedenen Grundplatten gebildet betrachtet werden können und sich verbesserte Eigenschaften der integrierten Schaltung ergeben.
In Fig. 5 ist das Ersatzschaltbild dieser integrierten Halbleiterschaltung unter Berücksichtigung der Isolierung gezeigt. In dieser Zeichnung entsprechen die Bezugszeichen-15 und 15'--den n-leitenden monokristallinen Regionen-15 und 15'--; --11 und 19--entsprechen dem p-leitenden monokristallinen Substrat bzw. dem Dünnfilmelement gemäss Fig. 3F.
Das Bezugszeichen --D1-- bezeichnet eine Diode, welche einen pn-übergang aufweist, der zwischen dem p-leitenden Halbleitersubstrat --11-- und der n-leitenden Halbleiterregion --13-- besteht, die unterhalb der n-leitenden monokristallinen Region--15--liegt, und das Bezugszeichen --D2-- bezieht sich auf eine Diode, welche einen pn-übergang hat., der zwischen dem p-leitenden Halbleitersubstrat --11-- und der n-leitenden Halbleiterregionen--13'--gebildet ist, welche letztere unterhalb der n-leitenden monokristallinen Region --15'-- liegt.
Mit --R1-- ist der parallel zur Erstreckung des Substrates --11-- gelegene Widerstand der polykristallinen Region --14-- bezeichnet, welche zwischen den beiden monokristallinen Regionen-15 und 15'-- liegen, und --R2-- bezeichnet den seitlichen Widerstand der polykristallinen
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--14-- undFig. 6B gezeigt ist. Daraufhin wird der Oxydfilm, welcher über der n-leitenden Halbleiterregion--33--und auf dem Substrat--31--liegt, stellenweise weggeätzt, um so Keimstellen --32-- für monokristallines bzw. polykristallines Wachstum zu bilden, wie in Fig. 6C erkennbar ist.
Hiebei ist es vorteilhaft, die Keimstellen für polykristallines Wachstum durch Niederschlagen von Silizium aus der Dampfphase auf den verbliebenen Teilen des Oxydfilms--32--bei einer Temperatur von angenähert 5500C zu bilden, um hiedurch die Entstehung von polykristallinen Schichten zu erleichtern. (Dasselbe gilt für das Beispiel gemäss Fig. 3). Der nächste Schritt besteht im Aufdampfen eines Halbleitermaterials mit einer Verunreinigungskonzentration, welche höher ist als der früher erwähnte untere Grenzwert von 1012 Atomen/cm3, jedoch unterhalb der kritischen Konzentration--Cc--, d. i.
1017 Atome/cm3 liegt. Die entstandene aufgedampfte Schicht besteht aus polykristallinen Regionen--34--,
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diffundiert auch in seitlicher Richtung in die polykristallinen Regionen--34--ein, u. zw. bis zu einem Ausmass, welches durch die strichlierten Linien in den Fig. 6D, E und F angedeutet ist. Es wurde festgestellt, dass sich die Verunreinigungskonzentration des Oberflächenteiles nur wenig ändert, wenn darauffolgend beispielsweise eine Basisregion vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp gebildet wird, indem die Verunreinigungskonzentration des Halbleitermaterials so ausgewählt wird, dass sie den zuvor erwähnten unteren Grenzwert von 1012 Atomen/cm3 überschreitet.
Des weiteren diffundiert während des Aufdampfprozesses die Verunreinigung vom p-Leitfähigkeitstyp des p+-leitenden Substrats--31--in die darüberliegende monokristalline Region - -36--, um diese p-leitend zu machen und dringt auch seitlich in die Region --34-- ein, wie es durch die strichlierten Linien angedeutet ist. Die Verunreinigungskonzentration im Substrat--31--kann hiebei mit hinreichender Genauigkeit gesteuert werden. Die Bildung der aus der Dampfphase gewachsenen Schicht ist gefolgt von der Bildung eines Halbleiterbauelementes in der n-leitenden monokristallinen Region-35--.
Das heisst, dass eine Verunreinigung vom p-Leitfähigkeitstyp wird durch ein Fenster, das in einem zuvor gebildeten Oxydfilm--37--vorgesehen ist, in die monokristalline Region--35--eindiffundiert, um eine p-leitende Halbleiterregion --38-- in der Region--35--entstehen zu lassen, wie dies in Fig. 6E gezeigt ist. Als nächstes wird eine Verunreinigung vom n-Leitfähigkeitstyp in die p-leitende Halbleiterregion --38-- durch Fenster im Oxydfilm--37--, der als Diffusionsmaske dient, eindiffundiert, um eine n-leitende Halbleiterregion --39-- in der Region --38-- zu bilden, wie dies in der Fig. 6F gezeigt ist.
In diesem Falle wird die Verunreinigung vom n-Leitfähigkeitstyp gleichzeitig in die p-leitende monokristalline Region--36-- eindiffundiert, um darin eine n-leitende Halbleiterregion --40-- zu bilden, wodurch ein diffundierter Widerstand in der monokristallinen p-leitenden Region --36-- entsteht. Hiedurch werden ein Transistor und ein diffundierter Widerstand in den monokristallinen Regionen-35 bzw. 36-gebildet. Sodann werden ein Dünnfilmelement, Verbindungsleitungen, Elektroden, usw. hergestellt, wie dies schon bei der Schaltung nach Fig. 3 gezeigt worden ist.
Bei einer integrierten Halbleiterschaltung eines solchen Aufbaues sind die Halbleiterbauelemente, die in den monokristallinen Regionen-35 und 36-entstanden sind, voneinander sehr gut isoliert.
Die Fig. 7 zeigt die Schritte einer weiter abgewandelten Ausführungsform der Erfindung. Der erste Schritt ist die Bereitstellung eines monokristallinen Halbleitersubstrats --41-- von einem vorbestimmten Leitfähigkeitstyp, beispielsweise von p-Leitfähigkeit, wie in Fig. 7A gezeigt. Auf der Oberseite des Substrats - wird ein Oxydfilm-42-, beispielsweise Siliziumdioxyd, angebracht, welcher sodann an vorgesehenen Stellen durch Ätzen od. dgl. entfernt wird, um darin Fenster zu bilden. Als nächstes wird
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pnp-Transistors, wie dies aus der folgenden Beschreibung noch näher hervorgehen wird. Danach wird eine Verunreinigung vom p-Leitungstyp durch Fenster im Oxydfilm-42--, welcher hiebei als Maske dient, in die n+-Ieitende Region --43A-- eindiffundiert, um so eine p+-leitende Halbleiterregion--44--zu bilden.
(s. Fig. 7C). Darauffolgend wird der Oxydfilm, welcher über der p-leitenden Halbleiterregion --44-- und über der n+leitenden Halbleiterregion --43B-- liegt, an vorbestimmten Stellen entfernt, und sodann wird durch
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10- -45--, die auf dem Oxydfilm --42-- gewachsen sind, und aus monokristallinen Regionen--46 und 47-auf der p+-leitenden Halbleiterregion --44-- und auf der é-leitenden Halbleiterregion-43B-. Während des Aufdampfprozesses diffundiert die in der p+-leitenden Halbleiterregion--44--vorhandene Verunreinigung vom p-Leitfähigkeitstyp in die darüberliegende monokristalline Region --46-- ein, wodurch diese p-leitend wird.
Hiebei dringt die Verunreinigung auch seitlich in die polykristalline Region--45--ein, u. zw. bis zu den mit strichlierten Linien gezeigten Grenzen, und bildet die Randzonen--46A-- (Fig. 7D). Es ist auch möglich,
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den Oxydfilm--42-auch am Rande des Fensters zu entfernen, so dass das Fenster im Oxydfilm42 bis zur n-leitenden Halbleiterregion --43A-- vergrössert wird, wie in Fig. 7D' gezeigt ist. In dieser Figur sind die entstehenden Randzonen mit --46A'-- bezeichnet. Auf die Bildung der aufgedampften Schicht folgt die Erzeugung von Halbleiterbauelementen in der p-leitenden monokristallinen Region --46-- und in der n-leitenden monokristallinen Region-47-.
Hiezu wird eine n-leitende Verunreinigung vom n-Leitfähigkeitstyp in die monokristalline p-leitende Region --46-- durch Fenster in einem Oxydfilm - -48--, der als Abdeckmaske dient, eindiffundiert, um so eine n-leitende Halbleiterregion --49-- zu bilden, wie in Fig. 7E zu erkennen ist. Weiters ist eine Verunreinigung vom p-Leitfähigkeitstyp in die monokristalline n-leitende Region--47--eindiffundiert, u. zw. ebenfalls durch ein Fenster des Oxydfilms --48--, um so eine p-leitende Halbleiterregion--150--zu bilden, wie in Fig. 7F zu erkennen ist.
Sodann wird eine Verunreinigung vom p-Leitfähigkeitstyp durch ein Fenster des Oxydfilms--48--in die p-leitende monokristalline Region --46-- und in die n-leitende Region --49-- eindiffundiert, wodurch p-leitende Halbleiterregionen--151 und 152--entstehen, wie dies Fig. 7G zeigt. In diesem Falle können die p-leitende
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--150-- und154-zu bilden, wie es in Fig. 7H dargestellt ist.
Auf diese Weise werden pnp-bzw. npn-Transistoren in den monokristallinen Regionen-46 bzw. 47-erzeugt. Danach wird ein Dünnfilmelement, beispielsweise ein Dünnfilm-Widerstand --155--, durch Aufdampfen eines Metalles od. dgl. auf einen Bereich der polykristallinen
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besteht im Aufdampfen von beispielsweise Aluminium durch Fenster einer vorgegebenen Maske, um Elektroden --156-- auf den Halbleiterelementen zu bilden, die sich in den monokristallinen Regionen-46 und 47-befinden, um Leiter herzustellen, die zur Verbindung bestimmter Elektroden untereinander dienen, und Leiter --157--, welche eine bestimmte Elektrode mit dem Dünnfilmelement --155-- verbinden. In Fig. 8 ist das Prinzipschaltbild des so erzeugten integrierten Halbleiter-Schaltkreises gezeigt.
In dieser Zeichnung ist ein Widerstand-R-gezeigt, welcher von dem Dünnschichtwiderstand --155-- gebildet wird, und ein Widerstand --R1--, der in Fig. 71 nicht aufscheint.
An Hand der Fig. 9 wird eine weitere Ausführungsform der Erfindung zugleich mit ihrer Herstellung beschrieben. Die Erzeugung beginnt mit der Bereitstellung eines monokristallinen Silizium-Halbleiter-Substrats - -61--, wie es in Fig. 9A gezeigt ist, und welches eine Verunreinigung vom p-Leitfähigkeitstyp, beispielsweise Bor, enthält. Auf der einen Seite dieses Substrats --61-- wird eine Verunreinigungsdiffusionsmaske --62--, etwa ein Siliziumoxydfum od. dgl., aufgebracht, der an bestimmten Stellen Fenster besitzt, durch welche
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betragen. Jede dieser Schichten bildet beispielsweise einen Teil der Kollektorregionen von Transistoren, die anschliessend erzeugt werden, wodurch für einen verringerten Kollektor-Sättigungswiderstand gesorgt ist.
Folgend auf die Bildung der Regionen-Bu-wird die Maske --62-- durch eine andere (nicht gezeigt) ersetzt und es wird beispielsweise Silizium in der Stärke von angenähert l jus aufgedampft, um so Keimstellen (S) für polykristallines Wachstum zu bilden, u. zw. in Form eines gitterförmigen Netzwerkes, welches die Regionen--Bu--umgibt (vgl. hiezu die Fig. 9C).
Danach wird ein Gasgemisch, enthaltend Siliziumtetrachlorid und Arsentrichlorid, über das Substrat - geführt, zusammen mit Wasserstoff als Trägergas, bei einer Temperatur von 1150 C, wodurch auf diesem Substrat --61-- eine aus der Dampfphase entstandene n-leitende Siliziumschicht gebildet wird, die eine Verunreinigungskonzentration von etwa 1017 Atome/cm3 hat und eine Stärke von angenähert 10,um aufweist; siehe Fig. 9D.
Diese aufgedampfte Schicht besteht aus einer polykristallinen Halbleiterregion-63--, die auf den Keimstellen-S-gewachsen ist, und aus monokristallinen Halbleiterregionen-64--, die auf den
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--63-- undInselregionen --1--, deren jede aus der Region-Bu-und der monokristallinen Halbleiterregion-64-besteht, voneinander durch die polykristallinen Region --63-- und pn-Übergänge --J-- isoliert, die zwischen dem Halbleitersubstrat --61-- und der monokristallinen Halbleiterregion --64-- gebildet sind, wobei die polykristalline Region --63-- einen höheren Widerstand hat als die monokristallinen Halbleiterregionen-64--. Die Verunreinigungskonzentration der polykristallinen Halbleiterregion-63--, ist im wesentlichen nicht auf den zuvor genannten Wert von 1017 Atomen/cm3 begrenzt.
Durch eine Verunreinigungkonzentration, die unterhalb der kritischen Konzentration-Cc-liegt, kann der Widerstandswert der polykristallinen Halbleiterregion stark erhöht werden und die Inselregionen können voneinander sehr gut isoliert werden.
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Das monokristalline Halbleitersubstrat --61-- und die polykristalline Halbleiterregion--63-sind von verschiedenem Leitfähigkeitstyp, so dass dort, wo die Verunreinigungskonzentration der ersteren (61) jene der letzteren (63) überschreitet, ein Übergang--JI--entsteht, der an der Grenzfläche zwischen der polykristallinen Region--63--und dem Substrat--61--liegt, wie dies durch die strichlierten Linien in Fig. 9D gezeigt ist, und dort, wo die Verunreinigungskonzentration des monokristallinen Halbleitersubstrats --61-- gleich ist jener der polykristallinen Halbleiterregion-63--, ein Übergang--j2--entsteht, welcher zwischen diesen beiden Bereichen liegt und in gleicher Weise wie zuvor durch strichlierte Linien in der Fig. 9D dargestellt ist.
Falls die Verunreinigungskonzentration des Substrats--61--geringer ist als jene der Region - -63--, so entsteht der Übergang an der Stelle--Ja--im Substrat--61--. In diesem letzteren Falle wird in jeder Inselregion-I-eine n-leitende Region gebildet, die im Oberflächenbereich des monokristallinen Halbleitersubstrats und unter der polykristallinen Halbleiterregion --63-- liegt.
Die Inselregionen-I-grenzen wohl aneinander über diese n-leitende Region, nachdem aber diese n-leitende Region durch das Eindiffundieren der Verunreinigung in die polykristalline Halbleiterregion von hohem Widerstandswert gebildet ist, ist die Verunreinigungskonzentration der diffundierten monokristallinen n-leitenden Region des Halbleitersubstrats gering und der Widerstandswert zwischen den beiden Inselregionen--I--ist nicht verringert.
In jenem Falle, wo die Verunreinigungskonzentration des monokristallinen Halbleitersubstrats--61-geringer ist als jene der polykristallinen Halbleiterregion--63--, wobei die Keimstelle--S--durch
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dgl.,Siliziumdioxydfilm --65-- wird stellenweise entfernt, um darin Fenster zu bilden, durch welche eine Verunreinigung, vom p-Leitfähigkeitstyp, beispielsweise Bor, in die monokristallinen Halbleiterregionen--64-eindiffundiert wird, um darin Basisregionen--b--zu bilden, wie dies in Fig. 9E gezeigt ist. In diesem Falle ist es möglich, dass der Si02 -Film --65-- entfernt wird, um über der polykristallinen Halbleiterregion-63-ein Fenster zu bilden, durch welches Bor in die polykristalline Region eindiffundiert werden kann.
Das Fenster für diese Diffusion in die polykristalline Region --63-- ist im Zentrum derselben angeordnet. Nachdem die Diffusion des Bors durch das Fenster in die polykristalline Region erfolgte, ergibt sich eine hohe Diffusionsgeschwindigkeit und das Bor erreicht das monokristalline Halbleitersubstrat --61-- in kurzer Zeit. In diesem Falle ist die Breite--L--der polykristallinen Halbleiterregion--63--derart gewählt, dass sie wesentlich grösser ist als die Breite --1--, des Abschnittes, in welchem das Bor diffundiert, so dass die Inselregionen-I-voneinander durch den Übergang-J-und den in der polykristallinen Halbleiterregion - gebildeten Übergang-Jp-isoliert sind.
Der Übergang-Jp-, der in der polykristallinen Halbleiterregion entsteht, grenzt an eine polykristalline Halbleiterregion-631--, die eine geringere Verunreinigungskonzentration als die kritische Konzentration hat und an der Seite der Inselregion--I--liegt, wodurch sich eine hohe Durchbruchspannung zwischen den Regionen--63 und 64--ergibt. Selbst wenn dieser Übergang--Jp--einen Spannungsdurchbruch aufweisen sollte, wird der Leckstrom begrenzt durch die polykristalline Halbleiterregion--631--von hohem Widerstand ; der Leckstrom kann also im wesentlichen gleich gross oder auch geringer gehalten werden als mit der ansonsten üblichen Isolierung mittels eines pn-überganges allein.
Weiters wird der Oxydrum--65--an bestimmten Stellen entfernt, um Fenster zu bilden, durch welche eine Verunreinigung in die monokristallinen Regionen --64-- eindiffundiert wird, so dass darin Elektrodenteile --Ce-- entstehen, die an die Emitter-und Kollektorregionen-e und c--angrenzen. Danach werden durch andere Fenster des Oxydfilmes-65--Elektroden gebildet, um entsprechende Verbindungen herzustellen, so dass integrierte Halbleiterschaltungen entstehen, jedoch ist dieser Verfahrensschritt nicht in unmittelbarer Beziehung zur Erfindung und wird daher auch nicht näher erläutert.
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Widerstand umgeben.
Mit einer üblichen pn-Übergang-Isolierung sind die monokristallinen Regionen--64-von einer Isolierregion umgeben, die durch das Eindiffundieren einer Verunreinigung entstanden ist, jedoch diffundiert die Verunreinigung nicht nur in Richtung der Dicke des Halbleitersubstrats, sondern auch in
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jampolykristalline Region --63-- von hohem Widerstand, welche an vorbestimmten Stellen durch Aufdampfen gebildet worden ist, für die Isolierung der Inselregionen --1-- verwendet und demgemäss kann die Breite - L-- der Region --63-- sehr klein sein, beispielsweise geringer als 5 um. Dementsprechend wird die Fläche, die für jedes Halbleiterbauelement erforderlich ist, auf etwa 70% des sonst üblichen Ausmasses verringert, so dass eine grössere Bauteildichte erreicht werden kann.
Nachdem die Erfindung diffundierte Isolierregionen
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nicht benötigt, nimmt die parasitäre Kapazität ab und dadurch werden die hochfrequenzmässigen Eigenschaften des erfindungsgemäss hergestellten integrierten Schaltkreises verbessert.
Es sind viele Abänderungen und Abwandlungen möglich, ohne dass der Rahmen der Erfindung verlassen werden müsste.
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The invention relates to an integrated semiconductor circuit comprising a monocrystalline semiconductor substrate of a certain conductivity type, at least one diffusion region formed in this substrate, which has a conductivity type opposite to the conductivity type of the substrate, whereby a pn junction is formed between this diffusion region and the substrate, furthermore a nucleation layer for polycrystalline growth, which is formed on various points on the substrate outside the diffusion region (s) and a semiconductor layer vapor-deposited over it, consisting of polycrystalline regions of high resistance adjoining the nucleation layer and monocrystalline regions formed on the substrate directly adjoining them,
wherein at least one of the monocrystalline regions adjoins the diffusion region (s) and is isolated from the substrate by said pn junction.
In integrated semiconductor circuits, the individual switching elements must be isolated from one another, as is generally known. Attempts were made to achieve this insulation with the help of pn junctions, dielectric insulation, air insulation and other measures. When isolating by means of pn junctions, the isolating areas were formed with the aid of diffusion technology, which, however, requires a fairly large amount of time for the diffusion itself. Furthermore, the diffused isolation regions between adjacent switching elements limit the arrangement density of the components.
These diffused insulating regions result in parasitic capacitances which are also caused by cross connections, electrodes and insulating junctions and thus difficulties can arise, in particular with regard to the high frequency behavior of the integrated circuit.
It is an object of the invention to provide a semiconductor integrated circuit which uses polycrystalline regions to isolate switching elements. With the aid of vapor deposition, monocrystalline and polycrystalline regions are formed on a monocrystalline semiconductor substrate, the impurity concentration of the polycrystalline regions being selected in such a way that it remains below a certain critical value, so that the resistance of the polycrystalline regions becomes noticeably greater than that of the monocrystalline regions. The individual switching elements are sufficiently isolated from the neighboring ones by polycrystalline regions of high resistance.
It has become known from GDR patent specification No. 53240 to grow a layer on a semiconductor base plate which has regions of monocrystalline and polycrystalline crystal structure; this polycrystalline layer formed by vapor deposition also had the feature that it contained an impurity.
Furthermore, it is already known to provide seed layers for the growth of polycrystalline silicon on the semiconductor base plate, as is evident from Swiss patent specification No. 442535 and from US patent specification No. 3, 189, 973.
To achieve the set goal and to avoid the disadvantages mentioned above, the invention, based on the described prior art, provides that in an integrated circuit the
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monocrystalline regions by the adjacent (n) contiguous (n) and correspondingly wide (n) polycrystalline region (s) and by the mentioned pn junction between diffusion region (s) and substrate is isolated.
Embodiments of the invention are shown in the drawings, wherein FIG. 1 shows a graphical representation of the magnitude of the resistance of polycrystalline and monocrystalline regions as a function of the impurity concentration, in order to better explain the invention; 2A to 2E show the individual steps in the production of an integrated semiconductor circuit according to the invention in greatly enlarged sections;
FIG. 2F shows the circuit diagram of the integrated circuit produced according to FIGS. 2A to 2E; 3A to 3F show production phases of the semiconductor circuit according to the invention in a modified form, FIG. 4 shows the basic circuit diagram of the integrated semiconductor circuit according to FIG. 3, FIG. 5 is an equivalent representation, but related to the insulation, FIGS. 6A to 6F and FIG 7A to 71 show manufacturing steps of semiconductor integrated circuits in a further modification of the invention, FIG. 8 is the circuit diagram of the semiconductor integrated circuit of FIG. 7, and FIGS. 9A to 9F show manufacturing steps of a further modified form of the invention.
The invention is based on a special property of monocrystalline and polycrystalline semiconductors, as will be explained in more detail below.
So far, various features of monocrystalline and polycrystalline semiconductors have been clarified, but it has been found that when monocrystalline and polycrystalline semiconductors are provided with impurities, their relationships between impurity concentration and resistance properties differ greatly, as can be seen in FIG. 1.
In this drawing, the impurity concentration in atoms per cubic centimeter is plotted on the abscissa and the ordinate shows the resistance value in ohms. cm at. The curves - A and B - show the
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Relationship between impurity concentration and resistance value of polycrystalline or monocrystalline semiconductors which have been contaminated with arsenic. Vertical lines intersecting the curve - A - show a range of variation of the experimentally obtained values and the curve - A '- shows the lower limit of this variation. That impurity concentration at which the resistance values of
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designated.
With regard to the spread of the resistance values of the polycrystalline semiconductor, the intersection of the curves - A 'and B - is referred to as the critical concentration in the present case. In the present case, this is 0.8.1018 atoms / cm3. The characteristic curves shown in this drawing were obtained by the following process: Monocrystalline silicon semiconductor base plates (substrates) which contained arsenic in various concentrations as an impurity were prepared and provided with a mirror-like smooth surface by conventional methods. Then they were cleaned.
A silicon layer approximately 1 μm thick, which contained a polycrystalline area, was then formed on one side of the base plate by growth from the vapor phase at temperatures of 550 ° C. The polycrystalline area served as a nucleus for polycrystalline growth in the subsequent formation of monocrystalline and polycrystalline regions with the aid of vapor phase growth. For this formation of the silicon layer, silicon tetrachloride (SiC14) was placed in the evaporator of a conventional vapor deposition apparatus together with arsenic trichloride (AsCig) in an amount which is necessary to make the impurity concentration of the polycrystalline region equal to that of the monocrystalline base plate.
As a next step, the polycrystalline region which had been formed on one side of the base plate was removed at a certain point in order to expose a certain surface part of this base plate. Thereafter, silicon tetrachloride, which contained the aforementioned necessary proportion of arsenic trichloride, with the aid of a carrier gas, e.g. B. hydrogen, passed over the semiconductor base plate to thereby form an approximately 20bim thick silicon layer from the vapor phase on the base plate at a temperature of 11500C, the aforementioned polycrystalline region serving as the nucleus.
In this case the evaporated silicon layer consisted of a silicon single crystal semiconductor region; H. a monocrystalline region formed on the exposed side of the semiconductor single crystal baseplate and a polycrystalline region formed on the polycrystalline nucleus. The impurity concentration resistance characteristics of the evaporated monocrystalline and polycrystalline regions are shown in FIG. Curve - A - belongs to the polycrystalline region, curve - B - to the monocrystalline region. The seed layer for the polycrystalline growth is not particularly limited to the aforementioned type, but it can also be formed by vapor deposition of a silicon oxide layer having a thickness of about 500 Å.
This oxide film has defects such as pinholes, so that the silicon appears on the oxide film as a polycrystalline layer during vapor deposition.
In the case where the impurity concentration of the polycrystalline semiconductor region is equal to that of the monocrystalline semiconductor region and when the impurity concentration of the polycrystalline region is less than the critical concentration-Cc-shown in Fig. 1, the resistance value of the polycrystalline region was found to be larger than that of monocrystalline region, u. due to the following considerations, which, however, have not yet been confirmed:
1. The impurity is attached to the surfaces of fine single crystals (at the grain boundaries) which form the polycrystals;
2. Carriers are trapped at the grain boundaries, so that the carrier concentration used for conduction becomes lower.
3. In the polycrystals the free path of the charge carriers is small and their mobility is low.
The invention is described in more detail below by means of examples.
2A to 2E show an embodiment of the invention and FIG. 2F shows the basic circuit diagram of a semiconductor circuit which is produced by the method as shown in FIGS. 2A to 2E, the reference symbols --D1 and Dz - Designate diodes.
The manufacture of this semiconductor circuit begins with the preparation of a silicon single crystal semiconductor
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these show a masking effect against any subsequent diffusion of impurities. In the present case, it was preferred to form a silicon layer on the silicon oxide or silicon nitride layer by vapor deposition or the like. The nucleation sites - 52 - were arranged in the form of a lattice so as to surround monocrystalline semiconductor regions which are to be subsequently formed, as shown in FIG. 2B.
Subsequently, a layer of silicon provided with an impurity of the n-conductivity type of a concentration less than the critical concentration --Cc--, about 8 µm thick on the monocrystalline semiconductor substrate - 5 1 - including the germination sites --52 - applied by vapor deposition. This leads to the formation of polycrystalline
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Semiconductor regions --53-- on the nucleation sites --52-- and of n-type monocrystalline semiconductor regions --54 'and 54' '- on the monocrystalline semiconductor substrate as shown in Fig. 2C.
The resulting transition areas between the regions --54 'and 54 "- on the one hand and the polycrystalline regions - 53 - on the other hand are indicated by broken lines. Then a silicon oxide or silicon dioxide film --55 - is formed by thermal oxidation on the vapor-deposited layer, and the oxide film 55 - is removed at certain points to form windows therein through which boron, a p-conductivity type impurity, is diffused into the evaporated layer to a depth of 3 to 5 µm.
This forms anode regions - 56 ', 56 "- which have diode junctions --JD1 and JD2-- of diodes --D1 and Dz--, as can be seen in FIG. 2D.
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Gold layer on the underside of the monocrystalline semiconductor substrate -51- attached to form a cathode electrode -58-, with which the finished semiconductor circuit, as shown in Fig. 2E, is created.
In the components described, the resistance of the polycrystalline regions -53-is greater than
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is present, which are formed by the monocrystalline regions --54 'and 54 "-.
In the example described, the impurity concentration of the polycrystalline region -53- and the monocrystalline region -54- was selected to be more than 1012 atoms / cm3 and less than the critical impurity concentration-Cc-. In the case of an evaporated layer with an impurity concentration lower than 1012 atoms / cm3, the resistance value of the evaporated layer, u. between, in particular, the monocrystalline region - 54 -, cannot be kept constant even when silicon tetrachloride, "monosilane" or other "silanes" are used, when an impurity such as phosphorus oxychloride is used to introduce phosphorus, arsenic trichloride is used to introduce arsenic or when antimony is contemplated as an impurity.
The reasons for the instability of the resistance value could not yet be fully clarified, but were assumed in the following way:
1. Slight change in the temperature of the furnace during the evaporation process;
2. Outdiffusion of the impurity from the monocrystalline semiconductor base plate;
3. Self-penetration of the impurity from the monocrystalline semiconductor base plate into the vapor-deposited layer;
4. Changes in the properties of the crystals as a result of a slight oxygen content in the
Carrier gas (although theoretically zero).
It could be determined that with an impurity concentration of less than 1012 atoms / cm3 the non-uniformity of the resistance value increases rapidly.
The use of a monocrystalline layer of high instability of its resistance value causes changes in junctions, changes in breakdown voltages and the depth of junctions of the anode regions-56-of the diodes formed by diffusion of an impurity as shown in Fig. 2D, thus unevenness in properties the finished semiconductor circuit is created.
If the impurity concentration of the monocrystalline region --54 - is less than 1012 atoms / cm3, the depth of the transitions changes due to the fact that during the vapor deposition process the impurities present in the monocrystalline semiconductor wafer - 51 - move upwards towards the top of the diffused in the monocrystalline region (where the transitions -dz and JD2 "are formed) and changed the impurity concentration in these sections.
If the thickness of the vapor-deposited layer - 54 - is chosen to be greater, the time for vapor deposition increases and the contamination of the monocrystalline semiconductor base plate - 51 - is diffused further (over a greater distance); the defects outlined above cannot be avoided.
With reference to FIG. 3, another embodiment of the subject matter of the invention is explained below.
The production begins again with the preparation of, for example, a p-conducting monocrystalline semiconductor substrate --11-- according to FIG. 3A. An oxide film --12--, for example silicon dioxide, which is intended to serve as a diffusion mask and as a seed layer for polycrystalline growth, is formed over the entire surface area of the top of the monocrystalline semiconductor substrate --11-- and is then removed again at certain points, for example by Photo etching or the like, u. zw. For example, in such a way that a grid-like network is created. Then, an impurity of the n conductivity type is diffused into the monocrystalline semiconductor substrate using the oxide film -12- as a mask.
This forms a plurality of embedded n + -type diffusion regions --13 and 13 '- of heavy impurity, as shown in Fig. 3B. Next, an oxide film formed on the n-type regions -13 and 13'-upon diffusion of the n-type impurity is applied
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locations provided for this are removed, after which --11 - semiconductor regions - 14, 15 and 15 '- are formed by vapor deposition of a semiconductor layer on the substrate, which have an impurity concentration of the n-type,
which is, for example, less than 1017 atoms / cm3 and higher than 1012 atoms / cm3 and which regions are of the opposite conductivity to the substrate, that is to say here of n-conductivity (see FIG. 3C and also FIG. 1).
The resulting vapor-deposited layer consists of polycrystalline regions - 14--, which have grown on the nucleation sites of the oxide film - 12 -, and of the monocrystalline regions - 15 and 15 '- which are on the n + -conducting semiconductor regions-- 13 and 13 '- were created.
As will be apparent from the following description, the monocrystalline regions - 15 and 15 '- become isolated island regions and serve as collector regions of transistors which are formed in these island regions, for example. In this case, it is preferred that the thickness of the oxide film is approximately 0.2 m, that the temperature for vapor deposition is between 1050 and 12500C, and that the thickness of the monocrystalline layer is about 5 µm.
Although the impurity causing n-conductivity diffuses from the n + -conducting regions -13 and 13'-into the polycrystalline region -14 and thus lowers its resistance, as indicated in FIG. 3C by the arrows, the resistance of the polycrystalline region --14 - can be greatly increased by increasing the width of the polycrystalline region -14- as much as possible (ie the distance between the two monocrystalline semiconductor regions -15 and 15 '-).
These processes are followed by the formation of semiconductor components in the n-type monocrystalline semiconductor regions - 15 and 15 '-. As shown in Fig. 3D, an impurity causing p-type conductivity, such as boron, is diffused into the monocrystalline regions -15 and 15'-through a diffusion mask formed by a silicon oxide film -16 thereby forming p-conducting semiconductor regions - 17 and 17 '- which will later serve as base regions of the transistors.
Further, an n-conductivity type impurity is diffused into the p-conductivity semiconductor regions -17 and 17'-and the like. between windows in the oxide film - 16 -, which itself serves as a mask in order to form n-conducting semiconductor regions - 18 and 18 '- of high impurity concentration, which are later to act as emitter regions of the transistors, as in FIG. 3E is shown. That way, the
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Finally, for example, aluminum is precipitated from the vapor phase, u. between windows of the oxide film - 16 - to form electrodes --20 - for the semiconductor elements that were created in the monocrystalline regions - 15 and 15 '- and to form lines - 21 - , which connect different electrodes to each other and bring a certain electrode with the thin-film resistor-19-in connection. In FIG. 4, electrical connections of the integrated semiconductor circuit formed in this way are shown in a circuit diagram.
In the circuit just described, provision is made for particularly good insulation between the semiconductor elements formed in the monocrystalline regions -15 and 15'-and between these semiconductor elements and the thin-film element (resistor) -19-so that the switching elements are completely isolated from one another formed on the same base plate. This reliably prevents these elements from influencing one another, so that they can be viewed as being formed on different base plates and improved properties of the integrated circuit result.
In Fig. 5 the equivalent circuit diagram of this integrated semiconductor circuit is shown taking into account the insulation. In this drawing, reference numerals -15 and 15 '- correspond to n-type monocrystalline regions -15 and 15' -; --11 and 19 - correspond to the p-conducting monocrystalline substrate and the thin film element according to Fig. 3F.
The reference symbol --D1-- denotes a diode which has a pn junction that exists between the p-conducting semiconductor substrate --11-- and the n-conducting semiconductor region --13--, which is below the n-conducting monocrystalline Region - 15 - is located, and the reference symbol --D2-- refers to a diode which has a pn junction. Between the p-conducting semiconductor substrate --11-- and the n-conducting semiconductor regions-- 13 '- is formed, which latter is below the n-type monocrystalline region --15' -.
--R1-- denotes the resistance of the polycrystalline region --14-- lying parallel to the extension of the substrate --11--, which lies between the two monocrystalline regions -15 and 15 '-, and --R2- - denotes the lateral resistance of the polycrystalline
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--14 - andFig. 6B is shown. The oxide film, which lies over the n-conducting semiconductor region - 33 - and on the substrate - 31 -, is then etched away in places in order to form nucleation sites --32-- for monocrystalline or polycrystalline growth, as in FIG Fig. 6C can be seen.
It is advantageous here to form the nucleation sites for polycrystalline growth by depositing silicon from the vapor phase on the remaining parts of the oxide film - 32 - at a temperature of approximately 5500 ° C. in order to facilitate the formation of polycrystalline layers. (The same applies to the example according to FIG. 3). The next step consists in the vapor deposition of a semiconductor material with an impurity concentration which is higher than the lower limit of 1012 atoms / cm3 mentioned earlier, but below the critical concentration - Cc -, i.e. i.
1017 atoms / cm3. The resulting vapor-deposited layer consists of polycrystalline regions - 34 -,
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diffuses also in the lateral direction into the polycrystalline regions - 34 -, u. between. Up to an extent which is indicated by the dashed lines in FIGS. 6D, E and F. It has been found that the impurity concentration of the surface part changes little when, for example, a base region of the opposite conductivity type is subsequently formed by selecting the impurity concentration of the semiconductor material to exceed the aforementioned lower limit of 1012 atoms / cm3.
Furthermore, during the vapor deposition process, the impurity of the p-conductivity type of the p + -conducting substrate - 31 - diffuses into the overlying monocrystalline region - -36 - in order to make it p-conductive and also penetrates laterally into the region -34 - one, as indicated by the dashed lines. The impurity concentration in the substrate - 31 - can be controlled with sufficient accuracy. The formation of the layer grown from the vapor phase is followed by the formation of a semiconductor component in the n-conducting monocrystalline region-35--.
That is, a p-conductivity type impurity is diffused into the monocrystalline region - 35 - through a window provided in a previously formed oxide film - 37 - to form a p-type semiconductor region --38- - in the region - 35 - as shown in Fig. 6E. Next, an n-conductivity type impurity is diffused into the p-conducting semiconductor region --38-- through windows in the oxide film - 37--, which serves as a diffusion mask, to form an n-conducting semiconductor region --39-- in the Form region -38- as shown in Figure 6F.
In this case, the n-conductivity type impurity is simultaneously diffused into the p-type monocrystalline region -36- to form an n-type semiconductor region -40- therein, thereby diffusing resistance in the p-type monocrystalline region Region --36-- is created. This forms a transistor and a diffused resistor in the monocrystalline regions 35 and 36, respectively. A thin-film element, connecting lines, electrodes, etc. are then produced, as has already been shown in the circuit of FIG.
In the case of an integrated semiconductor circuit of such a structure, the semiconductor components that have arisen in the monocrystalline regions — 35 and 36 — are very well insulated from one another.
7 shows the steps of a further modified embodiment of the invention. The first step is to provide a monocrystalline semiconductor substrate -41- of a predetermined conductivity type, for example p-conductivity, as shown in Fig. 7A. An oxide film 42, for example silicon dioxide, is applied to the upper side of the substrate, which is then removed at designated locations by etching or the like in order to form windows therein. Next will
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pnp transistor, as will become apparent from the following description. Thereafter, an impurity of the p-conductivity type is diffused into the n + -conducting region -43A- through windows in the oxide film -42--, which serves as a mask, so as to form a p + -conducting semiconductor region -44- .
(See Figure 7C). Subsequently, the oxide film which lies over the p-conducting semiconductor region --44-- and over the n + -conducting semiconductor region --43B-- is removed at predetermined locations, and then through
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10- -45-- grown on the oxide film --42--, and from monocrystalline regions - 46 and 47 - on the p + -conducting semiconductor region --44-- and on the é -conducting semiconductor region -43B- . During the vapor deposition process, the impurity of the p-conductivity type that is present in the p + -conducting semiconductor region - 44 - diffuses into the monocrystalline region above it --46--, making it p-conductive.
The impurity also penetrates laterally into the polycrystalline region - 45 -, u. between. Up to the boundaries shown with dashed lines, and forms the edge zones - 46A - (Fig. 7D). It is also possible,
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to remove the oxide film -42- also at the edge of the window, so that the window in the oxide film42 is enlarged up to the n-conducting semiconductor region -43A-, as shown in FIG. 7D '. In this figure, the resulting edge zones are labeled -46A '-. The formation of the vapor-deposited layer is followed by the production of semiconductor components in the p-conducting monocrystalline region -46- and in the n-conducting monocrystalline region -47-.
For this purpose, an n-conducting impurity of the n-conductivity type is diffused into the monocrystalline p-conducting region --46-- through windows in an oxide film - -48--, which serves as a cover mask, in order to create an n-conducting semiconductor region - 49--, as can be seen in Fig. 7E. Further, a p-type impurity is diffused into the monocrystalline n-type region - 47 -, and the like. between also through a window of the oxide film --48 - in order to form a p-conducting semiconductor region - 150 -, as can be seen in FIG. 7F.
Then, an impurity of the p-conductivity type is diffused through a window of the oxide film - 48 - into the p-conducting monocrystalline region --46-- and into the n-conducting region --49--, whereby p-conducting semiconductor regions- -151 and 152 - arise as shown in FIG. 7G. In this case, the p-type
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--150 - and154 - as shown in Figure 7H.
In this way, pnp or. npn transistors in the monocrystalline regions 46 and 47 respectively. Then a thin-film element, for example a thin-film resistor --155 -, is applied by vapor deposition of a metal or the like onto a region of the polycrystalline
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consists in the vapor deposition of, for example, aluminum through the windows of a given mask in order to form electrodes --156 - on the semiconductor elements which are located in the monocrystalline regions -46 and 47-in order to produce conductors that serve to connect certain electrodes to one another and conductors --157 - which connect a certain electrode to the thin film element --155 -. 8 shows the basic circuit diagram of the integrated semiconductor circuit produced in this way.
In this drawing there is shown a resistor-R- which is formed by the thin-film resistor -155- and a resistor -R1- which does not appear in Fig. 71.
A further embodiment of the invention is described at the same time as its manufacture with reference to FIG. The production begins with the provision of a monocrystalline silicon semiconductor substrate - -61 - as shown in Fig. 9A and which contains a p-conductivity type impurity such as boron. On one side of this substrate --61--, an impurity diffusion mask --62--, for example a silicon oxide film or the like, is applied, which has windows at certain points through which
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be. Each of these layers forms, for example, part of the collector regions of transistors, which are subsequently produced, as a result of which a reduced collector saturation resistance is ensured.
Following the formation of the regions-Bu-, the mask -62- is replaced by another one (not shown) and, for example, silicon with a thickness of approximately 1 jus is vapor-deposited in order to form nucleation sites (S) for polycrystalline growth , u. alternatively in the form of a grid-like network which surrounds the regions - Bu - (cf. FIG. 9C).
Then a gas mixture containing silicon tetrachloride and arsenic trichloride is passed over the substrate, together with hydrogen as the carrier gas, at a temperature of 1150 C, whereby an n-conductive silicon layer created from the vapor phase is formed on this substrate, which has an impurity concentration of about 1017 atoms / cm3 and a thickness of approximately 10 µm; see Figure 9D.
This vapor-deposited layer consists of a polycrystalline semiconductor region -63-- which has grown on the nucleation sites -S-, and of monocrystalline semiconductor regions -64-- which is grown on the
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--63-- and island regions --1--, each of which consists of the region-Bu- and the monocrystalline semiconductor region -64-, isolated from one another by the polycrystalline region --63-- and pn junctions --J--, which are formed between the semiconductor substrate --61-- and the monocrystalline semiconductor region --64--, the polycrystalline region --63-- having a higher resistance than the monocrystalline semiconductor regions -64--. The impurity concentration of the polycrystalline semiconductor region -63-- is not essentially limited to the aforementioned value of 1017 atoms / cm3.
The resistance value of the polycrystalline semiconductor region can be greatly increased by an impurity concentration which is below the critical concentration — Cc — and the island regions can be isolated from one another very well.
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The monocrystalline semiconductor substrate --61 - and the polycrystalline semiconductor region - 63 - are of different conductivity types, so that where the impurity concentration of the former (61) exceeds that of the latter (63), a junction - JI - arises, which is at the interface between the polycrystalline region -63- and the substrate -61- as shown by the broken lines in Fig. 9D, and where the impurity concentration of the monocrystalline semiconductor substrate -61-- That of the polycrystalline semiconductor region -63- is the same, a transition -j2-arises which lies between these two regions and is shown in the same way as before by dashed lines in FIG. 9D.
If the impurity concentration of the substrate - 61 - is lower than that of the region - -63--, the transition occurs at the point - yes - in the substrate - 61--. In this latter case, an n-type region is formed in each island region-I-, which region lies in the surface area of the monocrystalline semiconductor substrate and below the polycrystalline semiconductor region -63-.
The island regions-I-adjoin each other via this n-type region, but since this n-type region is formed by diffusing the impurity into the polycrystalline semiconductor region of high resistance, the impurity concentration of the diffused monocrystalline n-type region of the semiconductor substrate is low and the resistance value between the two island regions - I - is not decreased.
In the case where the impurity concentration of the monocrystalline semiconductor substrate - 61 - is lower than that of the polycrystalline semiconductor region - 63 -, the seed site - S - through
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The like, silicon dioxide film -65- is partially removed to form windows therein through which an impurity of the p-conductivity type, for example boron, is diffused into the monocrystalline semiconductor regions -64-to form base regions therein -b- -to form as shown in Figure 9E. In this case it is possible that the SiO2 film --65 - is removed in order to form a window over the polycrystalline semiconductor region -63- through which boron can be diffused into the polycrystalline region.
The window for this diffusion into the polycrystalline region --63 - is arranged in the center thereof. After the boron has diffused through the window into the polycrystalline region, the diffusion rate is high and the boron reaches the monocrystalline semiconductor substrate --61-- in a short time. In this case, the width - L - of the polycrystalline semiconductor region - 63 - is chosen such that it is significantly greater than the width --1 - of the section in which the boron diffuses, so that the island regions - I - are isolated from one another by the junction - J - and the junction - Jp - formed in the polycrystalline semiconductor region.
The junction-Jp- that arises in the polycrystalline semiconductor region is adjacent to a polycrystalline semiconductor region-631-- which has an impurity concentration lower than the critical concentration and is located on the side of the island region - I -, resulting in a high breakdown voltage between regions - 63 and 64 - results. Even if this junction - Jp - should have a voltage breakdown, the leakage current is limited by the polycrystalline semiconductor region - 631 - of high resistance; the leakage current can therefore be kept essentially the same or lower than with the otherwise customary insulation by means of a pn junction alone.
Furthermore, the Oxydrum - 65 - is removed at certain points in order to form windows through which an impurity is diffused into the monocrystalline regions --64 - so that electrode parts --Ce-- are created in them, which are attached to the emitters -and collector regions -e and c - adjoin. Thereafter, electrodes are formed through other windows of the oxide film in order to produce corresponding connections, so that integrated semiconductor circuits are produced, but this method step is not directly related to the invention and is therefore not explained in more detail.
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Surrounding resistance.
With a conventional pn junction insulation, the monocrystalline regions - 64 - are surrounded by an insulation region that has been created by the diffusion of an impurity, but the impurity diffuses not only in the direction of the thickness of the semiconductor substrate, but also in
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A polycrystalline region --63-- of high resistance, which has been formed at predetermined locations by vapor deposition, is used for the isolation of the island regions --1-- and accordingly the width - L-- of the region --63-- can be very small for example less than 5 µm. Accordingly, the area that is required for each semiconductor component is reduced to approximately 70% of the otherwise customary size, so that a greater component density can be achieved.
After the invention diffused isolation regions
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is not required, the parasitic capacitance decreases and the high-frequency properties of the integrated circuit produced according to the invention are thereby improved.
Many modifications and variations are possible without departing from the scope of the invention.