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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung einer Glassehutzschicht auf Halbleiterbauelementen mit wenigstens einem pn-Übergang. Die Glasschutzschicht bedeckt die pn-Übergänge unmittelbar, kann im Verlauf der Herstellungstechnologie aufgetragen werden und besteht im wesentlichen aus Six2.
Bei dem erfindungsgemässen Verfahren wird die Halbleiteroberfläche durch eine oder mehrere auf pyro- lytischem Wege oder durch Kathodenzers täubung sowie durch nachfolgend vorgenommene Wärmebehandlung (en) aufgebrachte, reines bzw. verunreinigtes Si02 enthaltende Dielektrikum-Schichten) passiviert.
Die Eigenschaften von pn-Übergänge enthaltenden Halbleiterbauelementen werden bekanntlich vorwiegend von der Qualität dieser pn-Übergänge bestimmt. In einem hochreinen, nur mit den gewünschten Verunreinigungen dotierten Grundmaterial können unter den in der Halbleitertechnik üblichen Reinheitsbedin -
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Ein derart erzeugter pn-Übergang ist jedoch im Laufe seiner Weiterverarbeitung zahlreichen Einflüssen ausgesetzt ; seine optimalen Parameter bleiben nur dann erhalten, wenn der empfindlichste Teil des Überganges, nämlich der Oberflächenbereich, entsprechend geschützt werden kann. In dem mit der Oberfläche unmittelbar in Kontakt stehenden Bereich des pn-Überganges können - abhängend von der Reinheit der Oberfläche und den Eigenschaften der die Oberfläche schützenden Schicht-Ladungsverschiebungen auftreten, die für deninnenbereich des Überganges nicht kennzeichnend'sind. Darüberhinaus können mechanische Verzerrungen und vom Ladungspotential der Oberfläche abhängige Bandverschiebungen einen unerwünschten Ladungswechsel bewirken.
Es ist ein grundlegendes Problem der halbleitererzeugendenlndustrie, Massnahmen
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Zur Lösung dieses Problems sind bisher zwei Möglichkeiten bekannt. a) Erzeugung hochreiner, offener pn-Übergänge durch chemische Ätzung und Reinigung ; b) Überziehen der den pn-Übergang enthaltenden Oberfläche mit einem geeigneten Dielektrikum.
Die guten elektrischen Eigenschaften von offenen pn-tibergängen sind bei derWeiterverarbeitung und der späteren Verwendung des Halbleiterbauelementes ausserordentlich schwer zu bewahren.
Insbesondere mit der Entwicklung der Planartechnik hat die Methode des Überziehens mit einem Dielek- trikum weitere Verbreitung gefunden. Als Isoliermaterial wird meistens ein dünner Glasfilm verwendet, der die Oberfläche über längere Zeit hinweg mechanisch zu schützen vermag. Am häufigsten werden als Isoliermaterial Spi02, mit Glasbildner oder deren Oxyden dotiertes SiO, Siliziumnitrid oder Mehrkomponentengläser verwendet.
Verfahren zur Passivierung der Oberfläche von Halbleiterbauelementen mit Hilfe dielektrischer Mateterialien, die Si02 enthalten, sind aus mehreren Veröffentlichungen bekannt.
GemässUS-PSNr. 3, 571, 914wirdeinzweiSchichtenbildendesSchutzoxyd verwendet. Auf der zu schützen gewünschten Oberfläche wird eine wenigstens 500 Ä dicke, im wesentlichen aus reinem Si02bestehende Schicht und auf diese pyrolytisch bei 400 bis 6000C eine mit Phosphor dotierte Si02 -Schicht aufgebracht, Anschliessend wird bei etwa 8500C eine Wärmebehandlung vorgenommen.
Gemäss US-PS Nr. 3, 334, 281 werden dielektrische fiberzüge aus einer Schicht bzw. zwei oder drei Schichten verwendet. Der aus drei Schichten bestehende Überzug weist eine mit dem Substrat in Berührung stehen-
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nicht verunreinigte Schicht auf.
Ähnlich wie gemäss US-PS Nr. 3, 571, 914 wird auch gemäss US-PS Nr. 3, 476, 619 eine passivierende Struktur aus zwei Schichten verwendet.
Auch in der DE-PS Nr. 2014155 ist ein Zweischichtüberzug beschrieben. Als unterste Schicht wird auf dem Substrat eine reine Si02-Schicht und auf dieser eine Phosphorsilikatglasschicht ausgebildet.
In US-PS Nr. 3,615, 941 sind zwei-und dreischichtige passivierende Überzüge beschrieben Die oberste Schicht ist ähnlich wie bei der Schutzschicht gemäss US-PS Nr. 3,334, 281 nicht verunreinigt.
In DE-PS Nr. 1514018 ist ein Schutzüberzug aus zwei Schichten beschrieben. Auf die untere, das Substrat bedeckende erste SiO-Schicht wird eine aus einem Gemisch von Phosphorpentoxyd und Siliziumdioxyd bestehende zweite Schicht aufgebracht.
Bei allen diesen Schutzschichten ist der Grad der Passivierung jedoch nicht immer ganz ausreichend.
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einen Schutzüberzug zu schaffen, der geeignet ist, die Oberfläche des Halbleiterbauelementes vor mechanischen Einflüssen zu schützen, und der gleichzeitig über passive, ausgezeichnete elektrische Eigenschaften verfügt.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass auf der Oberfläche des Halbleiterbauelementes zunächst in an sich bekannter Weise pyrolytisch, thermisch oder anodisch oder durch kathodische Zerstäu- bung eine erste, absichtlich nicht verunreinigte Si02-Schicht einer Dicke von 500 bis 1500 Ä erzeugt, danach das mit dieser ersten Schicht überzogene Halbleiterbauelement in einer PsOg-Dampf enthaltenden Gasatmosphäre, die aus O2 und/oder N2 und/oder Edelgasen besteht, bei 700 bis 12500C einer 2 bis 120 min dauernden ersten Wärmebehandlung unterzogen wird, wonach auf der Oberfläche der nunmehr wärmebehandelten ersten Si02-Schicht in an sich bekannter Weise pyrolytisch oder durch Kathodenzerstäubung eine 0,
5 bis 40 Mol-% PO enthaltende zweite SiO-Sohicht einer Dicke von 1000 bis 20000 aufgebracht und schliesslich das auf diese Weise erhaltene Gebilde in einer Gasatmosphäre, die aus und/oder N2 und/oder Edelgasen besteht, bei 800 bis 12000C einer 5 bis 300 min dauernden zweiten Wärmebehandlung unterzogen wird.
Mit diesem Verfahren kann, ausgehend von einer auf Silizium mit den üblichen Vorrichtungen der Planartechnologie einfach aufbringbaren Siliziumdioxydschicht, eine Dielektrikum-Struktur erzeugt werden, die einesteils die Oberfläche der Halbleiterbauelemente gegen mechanische Einwirkungen schützt, zum andern elektrisch passiv ist und über hervorragende dielektrische Eigenschaften verfügt.
Bei dem erfindungsgemässen Verfahren wird auf der in geeigneter Weise vorbereiteten Oberfläche des Halbleiterbauelementes zunächst mit einem bekannten Verfahren - bei Silizium vorzugsweise auf thermischem Wege-eine Siliziumdioxydschicht ausgebildet, deren Dicke so gewählt wird, dass sie bei den nachfolgenden Wärmebehandlungen jegliche Verunreinigungen von der aktiven Halbleiteroberfläche fernzuhalten in der Lage ist, d. h., dass sie im Laufe der nachfolgenden technologischen Phasen gegenüber den auf die Oberfläche einwirkenden Stoffen den Effekt einer Schutzmaske aufweist. Diese erste Si02-Schicht darf ausser den Elementen des Siliziumdioxyds als Verunreinigungen nur Stoffe enthalten, deren Einbau im Laufe der Herstellung nicht vermieden werden kann (z. B. Alkalien, OH-Ionen, Protonen).
Nach dem Aufbringen der ersten Si02 -Schicht wird das Halbleiterbauelement einer erstenWärmebehand- lung in einer POg-Dampf enthaltenden, im übrigen aus 02 und/oder N2 und/oder Edelgase bestehenden Atmosphäre unterzogen. Bei dieser Wärmebehandlung wird die freie Oberfläche des Si02 stark mit Phosphor bzw. Phosphorpentoxyd verunreinigt. Zeitdauer und Temperatur dieser Wärmebehandlung werden so gewählt, dass-auch bei Berücksichtigung von Zeitdauer und Temperatur der folgenden, bei höheren Temperaturen ablaufenden technologischen Schritte-der Phosphor die erste Si02 -Schicht nicht völlig durchdrin-
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tatsächliche Oberfläche.
Die Dicke dieser Schicht wird unter Berücksichtigung der zu erwartenden mecha- nischen Einwirkungen gewählt. Ausserdem ist es Aufgabe dieser zweiten Si02 -Schicht, das Eindringen (Eindiffundieren) äusserer Verunreinigungen zu verhindern.
Der Zweck der zweiten Wärmebehandlung besteht darin, die im allgemeinen bei niedrigeren Temperaturen erzeugte zweite Schicht zu verdichten, die in das Oxyd dotierten Verunreinigungen zu verteilen und, die erste Oxydschicht mit der zweiten verschmelzen, die endgültige Struktur zu schaffen.
Die Vorteile des erfindungsgemässen Verfahrens können wie folgt zusammengefasst werden : a) Der in der erfindungsgemäss ausgebildeten Schutzschicht vorhandene Phosphor bewirkt unmittel- bar oder über Sauerstoffbrückenbindung eine Fixierung der beweglichen Ladungen. b) Durch die erste, aus Si02 bestehende Schicht wird die polarisierende Wirkung des P205 auf das
Silizium vermindert. c) Infolge des relativ geringen Phosphorgehaltes der zweiten Si02-Schicht wird die feuchtigkeit- anziehende Wirkung der Oberfläche verringert und das Eindiffundieren äusserer Verunreinigungen verhindert. d) Die erfindungsgemäss erzeugte Schutzschicht verleiht den Halbleiterbauelementen eine erhöhte
Zuverlässigkeit.
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f) Bei Anwendung des erfindungsgemässen Verfahrens kann auf komplizierte Vorrichtungen und an- spruchsvolle Technologien (z. B.
Nitridabscheidung, Aufbringen von Mehrkomponentengläsern aus Suspensionen usw.) verzichtet werden.
Gegenüber den aus der Literatur bekannten, aus zwei Schichten bestehenden Schutzüberzügen weist der mit dem erfindungsgemässen Verfahren erzeugte Schutzüberzug den Vorteil wesentlich besserer Passivierungseigenschaften infolge des Vorhandenseins der dritten Schicht auf.
Auch im Vergleich mit den aus dem Stand der Technik bekannten Dreischichtüberzügen erweist sich der mit dem erfindungsgemässen Verfahren aufgetragene Überzug als überlegen, da seine dritte, die äussere
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Schicht mit Phosphor verunreinigt ist und dies, wie eigene Experimente ergaben, die Passivierung wesentlich verbessert.
Das erfindungsgemässe Verfahren wird an Hand des folgenden Ausführungsbeispiels für die Herstellung von Silizium-Planardioden beschrieben.
Beispiel : Die Oberfläche von n-leitenden Silizium-Epitaxialscheiben wird thermisch oxydiert. In der auf diese Weise gewonnenen ersten Si02 -Schicht wird an der aktiven Seite nach den bekannten Verfahrensschritten der Photolack- und Ätztechnik ein Diffusionsfenster geöffnet, durch welches in das Silizium bis zu einer Tiefe von einigen J. ! m Bor eindiffundiert wird.
Anschliessend wird das an der Oberfläche der ersten Si02-Schicht bzw. am Diffusionsfenster entstandene Borsilikutglas entfernt und die Oberfläche des Diffusionsfensters thermisch reoxydiert. Danach wird in einem P2 Os-Dampf enthaltenden Gasgemisch aus 02 und N2 bei einer Temperatur von 11000C eine erste Wärmebehandlung vorgenommen und anschliessend pyrolytisch die P2O5 enthaltende, zweite SiO2-Schicht auf der Scheibenoberfläche abgeschieden. Die zweite Wärmebehandlung wird bei einer Temperatur von 1000 C durchgeführt. Auf diese Weise kann eine elektrisch passive, die Oberfläche vorzüglich schützende Glasstruktur erzeugt werden.
Die Siliziumscheiben werden anschliessend in üblicher Weise weiterverarbeitet.