DE1901819B2 - Herstellungsverfahren für polykristalline Siliciumschichten - Google Patents
Herstellungsverfahren für polykristalline SiliciumschichtenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren, wie
es dem Oberbegriff des Patentanspruchs I zu entnehmen ist. Ein derartiges Verfahren ist in der GB-PS
73 555 beschrieben.
Die Herstellung von polykristallinen Siliciumsehichten auf einem elektrisch isolierenden Substrat ist bereits
aus der USPS 33 35 038 bekannt, wobei jedoch hie;-eine
spätere Umwandlung in eine cinkristalline Schicht
vorgesehen ist, so daß die Probleme, bedingt durch Korngrößen und Korngrenzen, hier unbeachtlich sind.
Die US-PS 30 13 192 bezieht sich auf ein Halbleiterbauelement,
bei dem alle Schichten aus polykristallinem Silicium bestehen. Hierzu werden aufeinanderfolgend,
je nnch der Anzahl von bereitzustellenden Übergängen, abwechselnd entsprechend unterschiedlich dotierte
Siliciumsehichten durch Verdampfen aufgetragen. Korngrößen und Korngrenzen bereiten aber auch hier
derartige Probleme, daß die Herstellung reproduzierbarer Halbleiterbauelemente einen nicht unbeachtlichen
Aufwand erfordern würde.
Eine Lösung der zuletzt genannten Probleme läßt sich mit Hilfe des Verfahrens nach der GB-PS 10 73 55!)
angehen, indem polykristallines Silicium auf ein isolierendes Substrat durch Reaktion aus der Dampfphase
niedergeschlagen wird. Wenn auch hierdurch zwar das Korngrenzenproblem als gelöst angesehen
werden kann, so bleiben doch noch Nachteile, die nicht unbeachtlich sind. So liegt die F'rozeßiemperaiur
zwischen 1000 und 1200°C, was einen entsprechend
hohen apparativen Aufwand mit sich bringt. Des weiteren besteht die niedergeschlageine Schicht nicht
aus reinem, polykristallinem Silicium, sondern es ist hierin noch ein Anteil von 1% Siliciumcarbid und
Kohlenstoff enthalten. Schließlich schwankt die Korngröße in dieser polykristallinen Schicht um zwei
Zehnerpotenzen, was dazu führt, daß bei nachträglicher Diffusion von Fremdatomen keine gleichmäßige Eind.ingtiefe
zu erzielen ist, so daß die Lüge des hierdurch zu bildenden PN-Übergangs sich inicht als Ebene
definieren läßt, vielmehr eine unerwünschte Zackenbildung zeigt. Dies wiederum hat zur Folge, daß keine
abrupte Sperrcharakteristik zu erhalten ist, wie es sich auch aus der gezeigten graphischen Darstellung in
Fig.4 entnehmen läßt. Die einsprechende Funktiun
zeigt insofern noch einen relativ günstigen Verlauf, als sie nicht für eine Diode gilt, die durch nachträgliches
Eindiffundieren eines PN-Übergangs entstanden ist, sondern vielmehr gemäß dem in der Beschreibung
ausführlich behandelten Verfahren bereitgestellt worden ist.
Aus diesem Grunde werden praktisch nur monokristalline
Siliciumsehichten zur Bereitstdlurg von HaIbleiterbauelementen
auch innerhalb tun integrierten Halbleiterschaltungen verwendet, wo sich die gewünschten
Diodencharakteristiken mit abrupter Sperrcharakteristik relativ leicht erzielen lassen, wie es /.. B.
dem Artikel »A Survey of Epitaxial Growth Processes an Equipment« in der Zeitschrift » SCP and Solid State
Technology«. Bd. 10, Heft 10, Oktober l%7. S. 31 ff
entnehmen läßt. Hier wird unter Anwendung eines aus Wasserstoff bestehenden Trägergases zum monokristallinen
Siliciumschichtnieder.chlag pyrolitisches Zersetzen eines aus Silan bestehenden Rcakiionsgases
angewendet. Auch hier wiederum sind Prozeßtemperaturen oberhalb von 1000C mit den sich hieraus
ergebenden und bereits oben erwähnten Nachteilen erforderlich. Außerdem bereitet ein derartiges Verfahren
Schwierigkeiten, wenn derartige Siliciumsehichten auf eine isolierende Unterlage aufzubringen sind. Vor
allen Dingen aber gilt zu bedenken, daß die Herstellung
monokristalliner Schichten als allgemein aufwendiger angesehen wird, als die polykristalliner Schichten.
Unter dieser Voraussetzung liegt die Aufgabe der Erfindung darin, das Verfahren gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs I so weiterzubilden, daß das Niedur schlagen polykristalliner, zur Aufnahme von Zonen
unterschiedlichen Leitungstyps vorgesehener Siliciumschichten möglichst gleichmäßiger Korngrößen auf
isolierende Unterlagen mit relativ geringem Aufwand möglich ist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst, wie es dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs I zu
entnehmen ist.
Dank Anwendung des Verfahrens gemäß der Erfindung läßt sich eine polykristallin!: Siliciumschicht
unter Einhaltung gleichmäßiger Korngröße bereitstellen, die optimal unterhalb von 500 und maximal bei
900 ηm liegt. Zu geringe Korngrößen, wie sie sich bei
Anwendung des Verfahrens nach der CjD-PS 10 73 555 ergeben, lassen nicht die Vorteile polykristalliner
Schichten voll ausschöpfen, während andererseits bei
grobkörnigeren polykristallinen Halbleitermaterialien bei Erstellung von PN-Übergängen durch Diffusion
keine gleichmüßige Eindringtiefe einzuhalten ist, da die Diffusionsgeschwindigkeit der Fremdateme entlang der
Korngrenzen größer ist als in den einzelnen Kristalliten,
so daß sich kein ebener PN-Übergang, wie es für einwandfrei und zuverlässig arbeitende Dioden erforderlich
ist, ausbilden kann.
Zusätzlich v.eist also ein gemäß der Erfindung hergestelltes Halbleiterbauelement dank Erzielung
optimaler Korngrößen entsprechend relativ geringe Sperrschichtkapazitäten auf.
Dadurch, daß beim Herstellungsverfahren gemäß der Erfindung die Prozeßtemperaturen um mindestens
100° C niedriger liegen, als bei der Anwendung der oben
genannten, bekannten Verfahren der Fall ist, läßt sich auch der Herstellungsaufwand entsprechend niedriger
halten. Die Korngröße des auf diese Weise hergestellten polykristallinen Siliciumfilms wird dabei im wesentlichen
durch Regulierung der Substrat temperatur inner- _>o haib des angegebenen Temperaturbereichs eingesieih.
ebenso wie der Rate der pyrolitischen Abscheidung zur
Schichtbildung auf der Substratoberfläche. Dank der Regelung dieser beiden Herstellungsparameter laßt sich
der polykristalline Siliciumfilm mit im wesentlichen gleichmäßiger Korngröße innerhalb des optimalen
Bereichs herstellen, so daß PN-Übergange mit im wesentlichen ebener Erstreckung zu erzielen sind.
Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung lassen sich den Unteransprüchen jo
entnehmen. Anhand der Ausführungsbeispiele und der Zeichnungen wird die Erfindung näher erläutert. Es
zeigl
Fig. I die schematische Darstellung einer Vorrichtung /ur Herstellung polykristallinen Schichten;
Fig. 2 den Schnitt durch die polykristalline Schicht
auf einem elektrisch isolierenden Substrat mit einem PN-Übergang;
F ig. J den Schnitt durch mehrere, elektrisch voneinander
isolierte polykristalline Schichten auf einem -to gemeinsamen Substrat;
Fig. 4 den Schnitt durch mehrere Halbleitervorrichtungen
in einer polykristallinen Schicht auf einem elektrisch isolierenden Substrat.
Fig. I zeigt im einzelnen eine Vorrichtung 10. mit
deren Hilfe eine polykristalline Schicht pyrolitisch aus der Gasphase auf einem elektrisch isolierenden Substrat
niedergeschlagen werden kann.
Die Vorrichtung 10 enthält ein Reaktionsrohr 11. welches vorzugsweise aus Quarz besteht und als Ofen ->o
wirkt, in welchem eine definierte Atmosphäre herrscht. Durch ein Hinlaßrohr 12 wird ein bestimmtes Gasgemisch
in das Innere des Rohres Il mit Hilfe der Ansaugvorrichtunp 19, eingelassen. Das Ansaugrohr 14
liegi am Ende des Abschlußteiles 15 des Reaktionsrohres
It.
Das Reaktionsrohr 11 ist von einem Heizelement 16 umgeben, vorzugsweise einer Hochfrequenzspule. Ein
Träger 17, der vorzugsweise aus Graphit besteht, ist
innerhalb des Rcaklionsrohrcs 11 zur Aufnahme
mehrerer Substrate 18 angebracht. Er ist etwas geneigt gegen die Rohrachse, um das Material gleichmäßig auf
den Substraten 18 niederzuschlagen, wenn das Gas durch das Reaktionsrohr 11 strömt. Läge der Träger 17
eben, würde das niedergeschlagene Material auf den Substraten 18 in Rich'ung des Dampfstromes abnehmen.
Das Ansaugrohr 14 fiat ein Ventil 19 zur Steuerung der Ansauggeschwindigkeit. Wenn dieses Ventil 19
geöffnet ist, besteht eine Verbindung mit der äußeren Atmosphäre. Das Einlaßrohr 12 ist mit 4 unterschiedlichen
Gas- oder Dampfquellen verbunden, welche die gewünschte Dampfzusammensetzung für das Reaktionsrohr
11 bereitstellen. Die verschiedenen Gasquellen 20, 21, 22, 23 enthalten trockenen Wasserstoff,
Monosilan, Sauerstoff und eine bestimmte Verunreinigung.
Jeder der Gasquellen 20—23 ist mit der Einlaßröhre 12 durch Röhren 24—27 verbunden. Jede
der Quellen ist durch Ventile 28 dosierbar an das Einlaßrohr 12 angeschlossen.
Weiterhin durchströmen die verschiedenen Gase die Meßgeräte 29, welche die durchtretende Gasmenge zu
messen gestatten. Mit Hilfe dieser Mischvorrichtung läßt sich das Gasgemisch, welches in das Reaktionsgefäß
eintritt, in weitem Maße regulieren und steuern.
Jedes der Substrate 18 enthält eine elektrische Isolationsschicht 30, wie aus F i g. 2 zu entnehmen ist.
Z. B. kann das Substrat 18 aus Silicium hergestellt sein, auf welches eine Isolationsschicht .->J aus Silicium-Dioxid
(SiOj), Äiuminium-Oxid (AiiOs) o''er Siiicium-Nitrid
(SbN4) gebracht ist. Es ist nicht notwendig, daß das Silicium des Substrates 18 monokristallin ist oder eine
bestimmte kristalline Orientierung aufweist.
Eine andere Möglichkeit besteht darin, daß das Substrat 18 aus einem elektrisch isolierenden Material
hergestellt wird, so daß die Isolations-Zwischenschicht 30 überflüssig wird. Die einzige Bedingung, die an das
Substrat 18 gestellt wird, ist daß ei eine elektrisch
isolierende Oberfläche aufweist, auf welcher die polykristalline Schicht gebildet wird, und daß das
Subs'.raimaterial den Gastemperaturen beim pyrolitischen
Aufwachsen standhält.
Vor dem Aufbringen der Substrate 18 auf den Träger 17 innerhalb des Reaktionsrohrcs Il werden die
Substrate gesäubert. Hierfür kann ein Ätzbad aus 7 Teilen 42%igem Ammoniumfluorid (NII4F) und einem
Teil 5O°/oiger Flußsäure (HF) dienen, in welcwes die
Substrate für 5 Sekunden getaucht werden. Darauf folgt
ein Abspülen in deionisiertem Wasser für fünf Minuten.
Anschließend erfolgt noch eine Trocknung in einem heißen Stickstoff-Dampfstrom.
Nachdem die Substrate 18 innerhalb des Reaktionsgefäßes 11 auf dem Triiger 17 befestigt sind, wird
Wasserstoff-Gas aus der Gasquelle 20 durch das Reaktionsgefäß 11 geschickt. Dieses geschieht durch
Öffnung der Ventile 28 und 19.
Durch den Wasserstoff-Gasstrom, welcher für etwa 5 Minuten mit 14 l/min das Reaktionsgefäß durchsetzt,
wird das Gefäß einer Reinigung unterzogen. Alle Gasquellen 20—23 weisen einen Druck, welcher größer
als Atmosphärendruck 'St, auf. wodurch ein Gas- oder Dimr fs'.rom aus der Gasquelle in Richtung auf das
offene Rohr 14 bewirkt wird.
In der Folge wi.d das Heizelement Ib in Betrieb
genommen, wodurch das Substrat 18 auf eine gewünschte Temperatur gebracht werden kann. Beim Niederschlagen
von Silicium aus einer Monosilan-Gas-Atmosphäre auf einei Schicht 30 aus Silicium-Dioxid.
Aluminium-Oxid oder Silicium-Nitrid beweg! sich die Temperatur des Substrates 18 zwischen 70XTC ur*d
9003C. wobei die Temperatur an der Oberfläche der
Schicht 30 gemessen wird, auf welcher die Schicht 31 aufwächst. Im Temperaturgebiet zwischen 700°C und
WO3C beträgt die Kristallitgröße in lateraler Richtung
300 bis 500 nm.
Die untere Grenze des Temperaturbereiches des Substrates 18 wird gegeben durch Insel-Bildung des auf
19 Ol 819
der Schicht 30 nyrolitisch niedergeschlagenen Materials.
welche abhängt von der Adhäsion der beiden Schichten aufeinander und der Empfänglichkeit der Oberfläche
der Schicht 30 für Verschmutzungen. Die Temperatur muß hoch genug sein, daß ein ausreichendes Wachstum
der Schicht 3) auf der Oberfläche der isolierenden Schicht 30 erfolgt.
Die obere Grenzte des Temperaturbereiches des Substrates 18 wird gegeben durch die gewünschte
Korngröße in lateraler Richtung innerhalb der aufgewachsenen Schicht 31. Hei Erhöhung der Substratiemperatur
vergrößert sich die Korngröße der polykristallinen Schicht 31. Hei der Herstellung der pyrolilischen
niedergeschlagenen Siliciumschicht auf einer Silicium-Dioxid b/w. Silicium-Nitrid-Schicht 30 liegt die obere
Ciren/e der Siibstrattemperatur bei etu a 400 ( .
In einem Ausführingsbeispiel des Verfahrens bestand
das Substrat 18 aus Silicium, welches mit einer
Silicium-Dioxid-Schicht 30 beschichtet war. Die Siibstratlemperatur
betrug 875 C. Bei konstanter Substrat temperatur wurde ein (ias-Strom aus Monosilan aus der
Quelle 21 durch die Uöhrc 25 bei Öffnung des Ventiles
28 hergestellt. Das Reaktionsgefäß Il wurde mit 5 ml nun Monosilan bei gleichzeitigem Wasserstoff-EIuß
von 14 I nun cLirchsetzt. Hierbei entstand cmc
Schicht 31 auf tier Oberfläche der Schicht 30 mit einer
Λ U fw ac hsgesch windigkeit \ on etwa I 50 mn-nun.
Nach der Ausbildung tier gewünschten Schichtdicken
auf der Schicht 30 ei res jeden Substrates 18 wurde the
Gasquelle mit Monosilan mit Hilfe des Ventils 28 abgeschaltet. Mit HiIIc des Meßinstrumentes 29 in der
Zuführung 25 wird cer gewünschte Gasstrom eingestellt,
um eine definierte Aufwachsgcschwindigkeit der
Schuht 31 auf den mit den Schichten 30 bedeckten Substraten 18/u erreichen.
Die Dicke der aufgewachsenen Schicht 31 betragt in dem Beispiel 0.75 tun. die Dicke kann /wischen 0.1 um
und 3 um umvariiert werden. W .ihreml in dem
vorliegenden Beispiel eine Auf« .ichsgeschw indigkeit
auf der Silicium-Dio^d-Schicht 30 von 0.15 um. min
beschrieben ist. kann diese auch in anderen Beispielen
bis /ti 0.5 um betragen. Auf diese Weise kann die Zeit
verkürzt werden, während derer das Monosilan durch der, Reaktionsraum 11 strömt.
Nachdem die Monosilan-Gasquelle 21 abgesperrt ist. strömt Wasserstoff aus der Quelle 20 durch das
Reaktionsgefäß 11. um das System zu reinigen. Der Wasserstoff strömt für 5 Minuten mit 14 l'irin über die
Schicht 31. welche eine fast gleichmäßige, sehr kleine
Körnung aufweist. Die Körner oder Kristallite bilden sich in Säuicn aus. deren Achsen senkrecht zur
Substratoberfläche stehen. Die Kristallite weisen eine maximale Abmessung senkrecht zur Schichtoberfläche
auf. welche gleich groß ist wie die Dicke der Schicht 31.
d. h. 750 nm im vorliegenden Beispiel. Der Durchmesser einer jeden Säule der einzelnen Kristallite ist kleiner als
450 nm. dieses ist die Korngröße in lateraler Richtung, d. h. senkrecht zur Dicke der Filmschicht 31.
Beim pyrolitischen Aufwachsen von Silicium aus einer Monosilan-Atmosphäre wird gleichzeitig eine passende
Verunreinigung, ein Dotierungsmittel, wie B2HC für
P-Leitfähigkeit oder AsHs bzw. PHj für N-Leitfähigkeit
zusammen mit dem Monosilan im Einlaßrohr 12 aus der Gasquelle 23 gemischt. Dabei werden die Ventile 28 im
Rohr 27 gleichzeitig mit denen im Rohr 25 geöffnet.
Nach der Herstellung einer Schicht 31 mit einer entsprechenden Dotierung müssen eine oder mehrere
Zonen entgegengesetzter Leitfähigkeit in diese Schicht
eindiffundicrt werden. Hierzu wird nach der Beendigung
der Wasserstoffspülung eine passende Maske auf der Sehich1 31 ausgebildet. Diese kann z. B. aus
Silicium-Dioxid bestehen.
Zur Herstellung der Oxidschicht 32 auf der Oberfläche
der polykristallinen Schicht 31 bieten sich im allgemeinen verschiedene Verfahren an. Wenn jedoch
die polykristalline Schicht 31 dünner als I μηι ist, kann
zur Ausbildung der Silicium-Dioxid-Diffusionsmaskc nicht mehr die bereits bestehende Schicht teilweise
oxidiert werden, da hierdurch die Schicht zu sehr abgebaut wird. Nur im lalle genügender Dicke der
polykristallinen Schicht von mehr als I μηι kann mit normalen thermischen Oxidationsverfahren die Oxidschicht
auf der Oberfläche der polykristallinen Schicht hergestellt werden.
Wenn, wie im vorliegenden lalle, die Schicht 31 nur
eine Dicke von ü.7'3 um aufweist, muß die Oxidschicht Yl
auf deren Oberfläche durch das bekannte pyrolitische
Abscheidungs\erfahren hergestellt werden. Zur Ausbildung
der Oxidationsmaske werden innerhalb der Oxidschicht 32 die in I i g. 2 dargestellten I enster .33 mit
Hilfe der bekannten photolithographischen Ätztechnik gebildet. Anschließend wurden die Substrate 18 im
Beispiel wieder in das Reaktionsgefäß 11 gebracht.
Eine passende Verunreinigung zur Herstellung einer Leitfähigkeit des entgegengesetzten Typs der Schicht
31 wurde darauf durch die l'enster .33 innerhalb der Schicht 32 eindiffundiert, rtobei sich Diffusions/oncn 34
innerhalb der Schicht 31 unter Bildung von PN-I Ibergangen
ausbildeten.
Wie man aus I ι g. 2 erkennt, erstrecken sich die
Zonen 34 durch die dünne Schicht 31 bis auf das Substrat i0 wegen der geringen Dicke der Schicht 31. Auf diese
Weise entstehen PN-Ubergänge /wischen ilen beiden
Diffusionszonen nur an den senkrechten Zonengrenzen son sehr geringer Eliichenausdehnung. Da die Kapazität
des PN-IÜberganges direkt proportional zur I-'lache des
Überganges ist. wird seine Kapazität mit Hilfe der Diffusion durch die ganze Schicht 31 sehr klein. Das
Verfahren arbeitet jedoch auch, wenn die Diftusionsiiefe
der zweiten Diffusionszone geringer als die Dicke der Schicht 31 ist. insbesondere bei einer relativ dicken
Schicht 31. Im Ausführungsbeispiel wurde die Schicht 31 mit P-Leitfähigkeit durch Zusatz von B2Hf, als Dotierungsmittel
hergestellt. Die Verunreinigungen innerhalb der Schicht 31 bestanden also aus Bor.
Zur Herstellung der N-Leitfähigkeit der Diffusionszonen 34 wurde Phosphor verwendet. Hierzu wurde
PH.-Gas aus der Gasquelle 35 in das Reaktionsgefäß eingelassen. Dabei wird die Röhre 36 mit den Ventilen
28 und dem Meßinstrument 29 in der gleichen Weise wie die anderen Gasqueller; 20—23 zugeschaltet.
Bei einer Temperatur der Schicht 31 von 10000C
zerfällt das PHs-Gas pyrolitisch innerhalb des Reaktionsgefäßes 11 und bewirkt eine Phosphor-Diffusion
durch die Öffnungen 33 innerhalb der Oxidschicht 32. Je nach Konzentration des Diffusionsgases PH3 entsteht
innerhalb der Schicht 31 eine mehr oder weniger stark dotierte N-Dotierungszone.
Nach der Herstellung der Diffusionszonen 34 in der Schicht wurde das Reaktionsgefäß 11 wiederum in der
bereits oben beschriebenen Weise durch Wasserstoffspülung gereinigt. Hierauf wurden die Substrate 18 aus
dem Reaktionsgefäß 11 entnommen, so daß die Oxidschicht 32 von der Schicht 31 entfernt werden
konnte.
Die Substrate 18 wurden daraufhin wieder in das
Reaktionsgefäß 11 gebracht, wo eine neue Oxidschicht
37. die in I- i g. J dargestellt ist, auf ckr Oberfläche der
Schicht 31 durch pyrolitisches Niederschlagen hergestellt wurde. Die Schicht 37 erstreckt sich über die
gesamte Oberfläche der Schicht 31. ί
Die Substrate 18 wurden wieder aus dem Rcaktionsgcfäi:!
Il entfernt und nach einer gründlichen Reinigung des Gefäßes in der oben beschriebenen Weise. Hierauf
wurden die öffnungen 38 in die Schicht 37 vorzugsweise
auf photolilhographischcm Wege eingeiit/l. Im An- in
Schluß daran wurde die Schicht 31 dort entfernt, wo sie
keine PN-l'Jbcrgärigc beherbergte.
Hierauf ergibt sich der in I' i g. 4 dargestellte Aufbau:
Die pnlykristallinc Schicht 31 enthält eine Viel/ahl
von gegeneinander isolierten Inseln, welche jeweils ΐϊ
mindestens einen PN-Übergang enthalten. Aufgrund der isolierenden Schicht 30 sind die Inseln gegeneinander
elektrisch gut entkoppelt. Die durch die ein/einen Inseln dargestelllen Halbleiterbauelemente müssen
noch (lurch elektrische Leitungen miteinander /u einer 2n
»verdrahteten« elektrischen Schaltung verbunden werden.
Ks muH darauf hingewiesen werden, daß innerhalb der Inseln auch mehrere aufeinander folgende PN
I Ibergänge hergestellt werden können.
In den im folgenden beschriebenen Heispielen werden >-j
verschiedene Verfahren beschrieben, mil Hilfe welcher polykrisialline Dioden, welche elektrisch voneinander
isoliert sind, mit der vorliegenden !Erfindung dargestellt
werden.
JO
[line Silicium-Schcibe wurde zuerst einer Säuberung
in Azeton, darauf in Salpeter-Säure (HNO]) und schließlich in Fluflsäure (Hl ) unterzogen, wobei nach j-,
jedem Säubcrungsschrilt die Scheibe mit gründlich deionisiertem Wasser gespült wurde. Die Scheibe wurde
darauf oxidiert in einer Wasserdampfatmosphärc bei 1150 C für 15 Minuten. Hierbei entstand eine Silicium-Dioxidschicht
von 400 nm Dicke.
Das Aufwachsen von pol) kristallinem Silicium auf der
Oberfläche der Silicium-Dioxidschicht erfolgte in einer Quarzröhrc. welche einen Durchmesser von 50 mm und
eine Länge von 80 cm aufwies. Das Substrat befand sich auf einem mit Quarz umgebenden Kohle-I lochfrcquenzträger
innerhalb des Rohres. Nach Anordnung des Substrates innerhalb des Rohres wurde die Kammer auf
weniger als 1.33· lO-'mbar evakuiert. Daraufhin
wurde für 5 Minuten eine Spülung mit Wasserstoffgas bei einem Durchtritt von 20 l/min vorgenommen.
Die Aufwachstemperatur von 875"C wurde innerhalb
von 3 Minuten erreicht und stabilisiert. Im Anschluß daran begann das Aufwachsen.
Unter dem folgenden Bedingungen entstand auf der Oberfläche der Silicium-Dioxidschicht des Substrates
eine P-leitende polykristalline Silicium-Schicht mit einer Dicke von 0,5 μπι und einem spezifischen Widerstand
von 0,1 Ohm/cm. Das Reaktionsgefäß wurde von 7 l/min Wasserstoffgas, 5 ml/min Monosilan (SiH4) und
5 ml/min von 266 ppm B2H6 in Wasserstoff durchströmt. w>
Bei einer Aufwachstemperatur von 875°C wurden diese Bedingungen für 3 Minuten eingehalten. Die so
entstandene Schicht wies eine Kristallografie in lateraler Richtung zwischen 03 μπι und 0,5 μπι auf.
Ein Maskierungsoxid von 230 nm Dicke wurde darauf pyrolitisch auf der Schicht innerhalb von 4 Minuten
abgeschieden. Dies geschah bei 8000C mit einem Gasstrom von 30 l/min Wasserstoffgas, 300 ml/min
Sauerstoff und 155 ml/min Wasserstoffgas, welches
durch 2JC warmes Tctrachlorsilan (SiCU) gesprudelt
wurde, Fin derartiges Oxid weist eine Älzrate von 6nm/scc in einer gepufferten Fliißsäiirclösung auf
(7 Teile 42%igc NIM': I Teil 50% III).
Diejenigen Obcrflächcngcbictc der polykristallinen Schicht, in welche Dolicrungssloffe zur Herstellung
einer entgegengesetzten Leitfähigkeit cindiffundierl werden sollien. wurden darauf mit Hilfe einer
Phololacktcchnik von der Siliciumdioxidschichi befreit.
Line Diffusion von Verunreinigungen des N-Tsps
erfolgte bei 1000 C während einer /eil von 30 Minuten,
wobei als Trägergas Wasserstoff benuizi wurde,
welches mit 7 l/min durch die Kummer siromie. Die
N-Vcninreinigungen wurden durch einen 1Mb ppm PHi
in Wasserstoff Gasstrom geliefert, welcher eine
Strömung von 7 ml/min auf« ies.
Auf diese weise einstand eine Oheniächcnkonzen-(ration
der Diffusions/oncn von etwa (H = 5 χ 10'"
Atomen/cm-' und einer Lindringtiefe von etwa 2.5 um.
Da die Dicke der polykristallinen Schicht nur 0.5 um
betrug, erstreckten sich die so gebildeten Diffusionszoneu
bis in das darunter liegende thermische Oxid. Auf diese Weise entstand ein PN-Übergang, welcher im
wesentlichen senkrecht zu dem darunter liegenden Oxid ausgebildet w ar.
Die Isolation der durch die einzelnen PN-Übergänge gebildeten Dioden erhielt man darauf, indem man zuerst
eine weitere pyrolitischc Oxidschicht sowohl über den Diffusionszonen als auch über dem eisten pyrolitischen
Oxid ausbildete. Mit Hilfe der photolithographischen Ätztechnik wurden darauf die Umgebung der die
PN-Übergänge enthallenden Kristall-Regionen unter Zuhilfenahme einer Ätzlösimg aus einem Teil I hißsäure.
zwei Teilen Lssigsäure und 15 !eilen Salpeter-Säure fortgcälzt. Das Resultat waren elektrisch isolierte
Inseln, welche eine Diffusionszone enthielten und von
dem nicht weggeätzten Oxid bedeckt w aren.
Zur Passivierung der Seiten wurde darauf eine weitere pyrolitischc Oxidschicht auf der polykristallinen
Schicht abgelagert. Zur Herstellung ohinscher Kontaktpunkte wurden mit Hilfe gepufferter Flußsäure I-'enstcr
über den Diffusionsgebieicn geöffnet, d. h. über der mit
34 in F i g. 4 bezeichneten Flache, andererseits über einem Teil der Oberfläche der Schicht 31 innerhalb der
elektrisch isolierten Inseln, in welchem die Diffusionszone 34 ausgebildet ist. Die ohmschen Koniakte
entstanden durch Ablagern einer Aluminiumschicht über der gesamten Fläche des Substrats. Mit Hilfe der
bekannten photolithographischen Ätztechnik wurden diejenigen Aluminiumflächen wiederum fortgeätzt,
welche nicht zur Ausbildung des gewünschten Leitungsmusters benötigt wurden.
Die derart hergestellten Dioden weisen eine extrem kleine PN-Übcrgangs-Fläche auf. welche auf die
Seitenwände der Diffusionszonen beschränkt ist. Daraus folgt, daß die Kapazität des PN-Überganges äußerst
gering ist. Diese geringe Kapazität und die vielen Rekombinationszentren in den Korngrenzen der
polykristallinen Schicht ergeben eine extrem kurze Dioden-Erholzeit. Die gemessene Erholzeit betrug
2 χ 10-9s. Die Sperrspannung betrug 7 Volt.
Bei sonst gleichen Bedingungen und Parametern, wie in Beispiels 1, ergibt sich durch Verändern der
Aufwachstemperatur auf 11000C eine Korngröße der
polykristallinen Schicht in lateraler Richtung von etwa 0,8 μιτι. Bei dieser relativ großen Kristallitgröße lassen
sich nur ziemlich schlechte Dioden erhalten, wie die
Praxis zeigt. Das Anwenden einer zu hohen Prozcßtemperatur
führt demnach zu schlechten Ergebnissen.
Dieselben Bedingungen und gleichen Parameter wie in Beispiel I wurden hier verwendet, bis auf die
Tatsache, daß ('ic Schicht aus N-Ieitfahigem polykristallinen
Material bestand, welches mit einer P-Verunreinigung dotiert wurde. Es entstand also ein Aufbau met
komplementärer Leitfähigkeit zur im Beispiel I beschriebenen Anordnung. Beim Aufwachsen der polykristallinen
Schicht wurde ein Gasstrom, enthaltend 146 ppM PI Ij in Wasserstoff, mit einer Geschwindigkeit
von I ml/min durch das Reaktionsrohr geführt, im Gegensatz /u einer Strömung von 5 ml/min des
Wassersioffgemisches mit 2bh ppM B>Ht,. Zur Diffusion
wurde dann eine Gasströmung von 12 ml/min eines
2b6-ppM- IM lh-Wasserstoffgemisches anstelle einer
Gasströmung von 7 nil/min des 1%-ppM-l'H,- Wasserstoffgeniisches
verwendet. Es ergaben sich die gleichen Resultate wie im Beispiel I.
In den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen sind nur Dioden angeführt, Es sei jedoch darauf
hingewiesen, daß daneben auch noch andere 1 lalbleilerbauelemente.
insbesondere Transistoren, hiermit /isammen
in der polykristallinen Schicht 31 hergestel'.t werden können. Hier/u können z. B. nach Bildung der
Diffusionszoneri 14 weiiere PN-Übergange innerhalb
dieser Zonen mit Hilfe der bekannten Masken- und Diffusionstechnik (Planartechnik) eingebracht wcrJen.
Durch genaues Einhalten des Temperaturbereichs des Substrats 18 und der Aufwachsgcschwindigkeit des
pyrolitischen Materials auf der Oberfläche der Schicht
30 des Substrats 18 wird also in vorteilhafter Weise
erreicht, daß die Korngrenzen bei zu hoher Temperatur nicht ungleichmäßig werden und daß bei niedriger
Temperatur nicht die Zcrsetzungstemperalur für das Gas erreicht wird, das das auf de- Oberfläche der
Schicht 30 pyrolitisch abzuscheidende A.ifwachsmaterial
enthält. Außerdem liegt die untere Temperaturgren-/e oberhalb der für das Einsetzen von lincibildungen auf
Schicht 30 maßgeblichen Temperatur.
Ein Vorteil vorliegender Erfindung liegt in der Vermeidung von Zacken und llngleichniaßigkeilen ii
den eingebrachten PN-Ubergängen, welche sich sonst im polykristallinen Material ausbilden. Ein weiterer
Vorteil ist deswegen darin zu sehen, dal! es nun nicht mehr unbedingt notwendig ist. monokristallmes Halbleitermaterial
zur Herstellung von PN-l'lbergängen zu
verwenden. Daneben lassen sich auch eine Reihe win sehr kritischen Verfahrensschritten vermeiden, die sonst
im allgemeinen zur vollständigen Isolation zwischen den einzelnen Halbleiterbauelementen in einer integrierten
I lalbleiterschaltung notwendig sind.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (3)
1. Verfahren zum Herstellen von polykristallinen Siliciumsehichten mit pn-Übergüngen auf einem eine
isolierende Oberfläche aufweisenden Substrat durch pyrolytisehes Abscheiden aus der Gasphase, indem
einem Gemisch aus einem Träger- und einem Reaktionsgas ein zum Dotieren der aufzuwachsenden
polykristallinen Siliciumschicht geeigneter Anteil entsprechender Fremdatome zugefügt wird,
dadurch gekennzeichnet, daß die Substrate (18) nach intensivem Reinigen in einem Reaktionsrohr
(11) auf etwa 7000C bis 9000C, gemessen
am für einen Schichtniederschlag vorgesehenen Oberflächenbereich, aufgeheizt werden, daß eine die
Dotierungsfremdatome enthaltende Gasströmung mit 7 l/min Wasserstoff als Trägergas zuammen mit
5 ml/min Monosilan (S1H4) als Reaktionsgas durch das Reaktionsrohr (II) geleitet wird, bis sich bei
einer sich daüurch einstellenden Niederschlagsrate von 0,!5 μηι/min bis 0,5 μηΐ/ηιί,ι maxima! eine
Schichtdicke von etwa 3 μπι ergibt und daß nach
dem Schichtniederschlag weitere Fremdatome über Masken in die polykristalline Siliciumschicht (31) zur
Bildung von Zonen (34) entgegengesetzten Leitungstyps eindiffundiert werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Reaktionsgas-Strömung zum
Niederschlagen einer P-Ieitenden Schicht ein Anteil von 5 ml/min Wasserstoff mit 266 ppm B2H6 und
zum Niedersc!''agen einer N-Ieitenden Schicht eine Wasserstoffströmung mit 19b npm PHj oder mit
einem geeigneten Anteil von AsHj-Molekülen
vorgesehen wird.
3. Verfahren nach Anspruch i oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß die Zonen (34) entgegengesetzten
Leitungstyps in die P- oder N-Ieitende polykristalline Siliciumschicht (31) mit einer Eiridringtiefe
eingebracht werden, die nicht kleiner als die Schichtdicke der polykristallinen Siliciumschicht
(31) ist.
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