DE1947067B2

DE1947067B2 - Halbleiterbauelement und verfahren zum herstellen

Info

Publication number: DE1947067B2
Application number: DE19691947067
Authority: DE
Inventors: Kmji Tokio Wakamiva
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1968-09-18
Filing date: 1969-09-17
Publication date: 1971-05-13
Also published as: DE1947067A1; FR2018367B1; GB1257942A; JPS514070B1; FR2018367A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement aus einem Einkristall-Halbleiterkörper, auf dessen einer Oberfläche eine Dampfwachstumsschicht aufgeformt ist und in dem durch Diffusion durch die Dampfwachstumsschicht hindurch mindestens ein Diffusionsbereich ausgebildet ist, der mit dem Einkristall-Halbleiterkörper eine pn-Grenzschicht bildet.

Es ist bereits ein Halbleiterbauelement mit einem Einkristall-Halbleiterkörper bekannt (französische Patentschrift 1 375 144), auf dessen einer Oberfläche eine Dampfwachstumsschicht aufgeformt ist und in dem durch Diffusion durch die Dampfwachstumsschicht hindurch ein Diffusionsbereich ausgebildet ist, der mit dem Einkristall-Halbleiterkörper eine pn-Grenzschicht bildet.

Weiter ist ein Halbleiterbauelement mit einem Emkristali-Halbleiterkörper bekannt (britische Patentschrift 972 512), dessen eine Oberfläche mit einer polykristallinen, durch Dampfwachstum erzeugten Schicht bedeckt ist, die eine Öffnung enthält, in der auf den Einkristall-Halbleiterkörper eine Schicht mit entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp durch epitaktisches Aufwachsen aufgeformt ist.

Schließlich ist ein Halbleiterbauelement bekannt (französische Patentschrift 1 531 252), bei dem zur Verbesserung der Durchbruchspannung eine durch Diffusion in einem Einkristall-Halbleiterkörper erzeugte pn-Grenzschicht einen großen Krümmungsradius hat.

Bei herkömmlichen planaren Halbleiterbauelementen mit Einkristall-Halbleiterkörpern kommt es auf Grund der thermischen Ausdehnung zu mechanischen Verspannungen, wenn beispielsweise eine Schicht aus SiO₂ unmittelbar auf einen Siliziumkörper aufgeformt wird. Diese Verspannungen führen zu einer Abnahme der Durchbruchspannung und zu einer Zunahme des Leckstroms in Sperrichtung des Halbleiterbauelementes.

Aufgabe der Erfindung ist es, die bekannten Halbleiterbauelemente so weiter zu bilden, daß mechanische Spannungen nicht auftreten können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Dampfwachstumsschicht eine Vielkristallschicht ist. Vielkristallschichten sind mechanisch gesehen weich. Dadurch werden mechanische Verspannungen sicher ausgeschlossen. Das gilt auch für den Fall, daß der Halbleiterkörper, beispielsweise ein Siliziumsubstratkörper, erheblichen thermischen Ausdehnungen unterworfen wird. Weiter gelangt dabei SiO₂ nicht in unmittelbare Berührung mit dem Substrat, so daß eine für die Reproduzierbarkeit der elektrischen Eigenschaften unerwünschte Verunreinigung des Substrats mit SiO₂ sicher vermieden ist.

In der Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise veranschaulicht, und zwar zeigt

F i g. 1 vergrößert im Querschnitt eine Ausführungsform eines bekannten Halbleiterbauelementes,

F i g. 2 vergrößert ein erfindungsgemäßes Halbleiterbauelement in aufeinanderfolgenden Herstellungsschritten,

F i g. 3 vergrößert und im Querschnitt die Grenzschicht eines herkömmlichen Halbleiterbauelementes,

F i g. 4 und 5 vergrößert und im Querschnitt die sich bei dem erfindungsgemäßen Halbleiterbauelement ergebenden Grenzschichten, und

F i g. 6 eine F i g. 2 ähnliche Darstellung zum Erläutern des Herstellens einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelementes.

Fig. 1 zeigt ein herkömmliches, nach der Planartechnik aufgebautes Halbleiterbauelement, und zwar eine Diode. Diese besteht beispielsweise aus einem η-leitenden und halbleitenden Silizium-Einkristall 1, auf dessen oberer Oberfläche eine dünne Oxydschicht 2 ausgebildet ist, die beispielsweise aus Siliziumdioxyd besteht. Die Oxydschicht 2 wird nach dem Photowiderstandsverfahren in einem ausgewählten Bereich entfernt, so daß ein Fenster 4 entsteht.

ίο Durch dieses wird ein p-leitender Störstoff in den das Substrat darstellenden Einkristall 1 eindiffundiert, so daß ein p-leitender Bereich 3 und eine Grenzschicht/ entstehen. Die Durchbruchspannung V_R eines solchen Halbleiterbauelementes hängt hauptsächlich von der Form der Grenzschicht ab. Es wird angenommen, daß ein Anheben der Durchbruchspannung V_R einen Durchschlag der Grenzschicht zunächst in der Nähe der spitzwinkligen Ecken 5 ergibt, die den kleinsten Krümmungsradius aufweisen.

F i g. 2 zeigt, wie nach der Erfindung bei der Herstellung einer Diode vorgegangen wird, um die spitzwinkligen Abschnitte möglichst zu vermeiden.

Der Herstellungsvorgang beginnt mit dem Vorsehen eines Substrates 101, wie es in Fig. 2A gezeigt ist. Das Substrat besteht beispielsweise aus einem Scheibchen eines η-leitenden Silizium-Einkristalls. Die gesamte obere Oberfläche des Substrats 101 wird sodann mit einer Schicht 102 von Keimkernen überzogen, wie das Fig. 2B zeigt. Die Schicht von Keimkernen 102 dient für die anschließend durchgeführte Ausbildung einer Dampfwachstumsschicht. Die Schicht 102 von Keimkernen kann durch Dampfablagerung oder Dampfwachstum von Silizium bei niedriger Temperatur ausgebildet werden. Bei einem typischen Tieftemperatur-Dampfwachstumsverfahren wird das Substrat in einer Reaktionskammer auf eine Temperatur von 500 bis 550° C erhitzt. Ein Strom von Monosilan SiH₄ und Wasserstoffgas wird über das Substrat geführt, und zwar mit zwei bis drei Litern pro Minute. Dadurch wird eine Schicht 102 von Keimkernen in einer Dicke von 0,5 bis 3 μ ausgebildet. Es kommt entscheidend auf die Temperaturbedingungen für dieses Verfahren an: Bei einer Temperatur unter etwa 500° C kommt es nicht zu einer Ablagerung einer Siliziumschicht, und eine zu hohe Temperatur hat die Folgen, daß sich eine Einkristallschicht mit vielen Versetzungen und Fehlstellen ausbildet, die nicht zum Ziel der Erfindung führt. Die Schicht 102 von Keimkernen kann auch mit Hilfe eines Sandstrahlgebläses, durch Aufrauhen der Oberfläche, Aufsprühen von Material od. dgl. unter geeigneten Bedingungen erzielt werden. Es entsteht jedenfalls eine dünne Schicht aus Keimkernen, die keine besondere kristallographischen Achsen aufweist. Die sich ergebende Schicht ist für das Ausbilden einer Vielkristallschicht geeignet. Es ist auch möglich, daß eine amorphe Schicht von Siliziumdioxyd ausgebildet wird, und zwar beispielsweise durch thermische Oxydation oder Zersetzung. Sie muß lediglich dünn genug sein, um durch sie hindurch eine Störstoffdiffusion vornehmen zu können. Der nächste Verfahrensschritt besteht im Ausbilden einer Vielkristallschicht 103 aus der Schicht 102 aus Keimkemen. Das ist in F i g. 2 C gezeigt. In

6s einem typischen Dampfwachstumsverfahren wird ein Gasstrom von Siliziumtetrachlorid SiCl₄ und Arsentetrachlorid AsCl₄ über das Substrat 101 in der Gegenwart von Wasserstoffgas geführt, und zwar mit

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8 Litern pro Minute bei einer Temperatur von etwa dener Versuche erläutert, die zur Klarstellung dieses 1100 bis 1200° C. So entsteht durch Dampf wachs- Punktes durchgeführt wurden. So zeigt Fig. 3 im turn eine η-leitende Vielkristallschicht 103 mit einer Querschnitt die Grenzschicht eines herkömmlichen, Dicke von etwa 3 μ. nach der Planartechnik aufgebauten Halbleiterbau-Unter dem Elektronenmikroskop wurde festge- 5 elementes. Die Fig. 4A und 4B zeigen gleicherweise stellt, daß die durch Dampfwachstum erzeugte Viel- im Querschnitt die Grenzschichten von Halbleiterkristallschicht 103 ein Aggregat von feinen Vielkri- bauelementen nach der Erfindung mit Vielkristallstallen ist, die sich im wesentlichen in einer Richtung schichten von 1 und 2 μ, die auf n-leitfähige Siliziumvon der Schicht 102 von Keimkernen gerade nach substrate auf geformt und mit einem ρ+-leitfähigen oben erstrecken. Gelegentlich handelt es sich auch io Störstoff dotiert sind. Die Fig. 5A bis 5D zeigen um eine amorphe Schicht. Die Vielkristalle sind dicht ähnliche Querschnittsansichten von Grenzschichten nebeneinander angeordnet, und die Abstände zwi- erfindungsgemäßer Halbleiterbauelemente, bei denen sehen den Vielkristallen sind so gering, daß sie op- Vielkristallschichten von 1, 2, 3 und 5 μ auf p-leittisch nicht mehr feststellbar sind. In der Figur ist die fähige Siliziumsubstrate aufgeformt und mit einem Vielkristallschicht 103 senkrecht schraffiert, um die 15 n+-leitfähigen Störstoff dotiert wurden. Die in den Verhältnisse anzudeuten. F i g. 5 A bis 5 D wiedergegebenen Grenzschichten Ist die Vielkristallschicht 103 durch Dampfwachs- wurden alle unter den gleichen Diffusionsbedinguntum hergestellt, so wird auf ihr über ihre ganze Ober- gen hergestellt.

fläche hinweg eine dünne Schicht 104 aus Silizium- Die F i g. 3 bis 5 zeigen, wie die Form der Grenzdioxyd oder Siliziumnitrit abgelagert. Das geschieht ao schicht durch die Vielkristallschicht beeinflußt wird, beispielsweise durch thermische Oxydation. Die die als Diffusionspfad für den Störstoff dient. Verdünne Schicht 104 wird dann, wie das in F i g. 2 D suche an Dioden nach den F i g. 3 und 4 unter gleichdargestellt ist, stellenweise entfernt, und zwar bei- bleibenden Diffusionsbedingungen haben ergeben, spielsweise durch ein Photowiderstandsverfahren. Es daß die Durchbruchspannung der zum Stand der wird so ein Fenster 105 ausgebildet, durch das ein 25 Technik gehörigen Diode von Fig. 3 110 bis 140V p-leitender Störstoff eindiffundiert wird. Man erhält betrug, während diejenige bei den erfindungsgemäso den in Fig. 2E gezeigten Diffusionsbereich 107. ßen Dioden nach den Fig. 4A und 4B 130 bis Beispielweise wird Boroxyd auf eine Temperatur von 170 V bzw. 170 bis 220 V betrug. Bei den erfinetwa 950° C erhitzt, zersetzt und das Bor auf der dungsgemäßen Dioden werden also die Diodenkenn-Oberfläche der Vielkristallschicht 103 abgelagert, die 3° linien beträchtlich verbessert. Es wurde festgestellt, durch das Fenster 105 freigelegt ist. Anschließend daß die Durchbruchspannung durch eine in der Vielwird das Plättchen für etwa 30 Minuten auf eine kristallschicht entstehende Grenzschicht eines kleinen Temperatur von 1200° C erhitzt, wodurch das Bor in Krümmungsradius nicht ungünstig beeinflußt wird, das Plättchen eindiffundiert wird. Die für die Diffu- F i g. 1 zeigt, daß bei einem herkömmlichen Halbsion erforderliche Zeit ist kürzer als diejenige, die 35 leiterbauelement der Abschnitt j_f, an dem die Grenzsich bei der bekannten Verwendung eines Einkristall- schicht j die Oberfläche des Substrates trifft, mit der Halbleiterbauelementes ergibt. Das Bor wurde bis zu dünnen Oxydschicht 2 abgedeckt ist. Ein solcher einer Tiefe von etwa 6 μ eindiffundiert, und man er- Aufbau ist unerwünscht, da thermische Spannungen hält eine pn-Grenzschicht 106, die sich über die Viel- der dünnen Oxydschicht 2 einen ungünstigen, die kristallschicht 103 und die Schicht 102 von Keim- 4° Durchschlagspannung vermindernden Einfluß auf die kernen hinaus in das Einkristall-Substrat 101 hinein- Grenzschicht haben und dauernde Veränderungen erstreckt. der Grenzschicht bewirken.

Anschließend wird eine Elektrode 108 aus Alu- Bei den erfindungsgemäßen Halbleiterbauelemenminium od. dgl. auf dem p-leitenden Diffusionsbe- ten ist jedoch der Abschnitt 106/, an dem die Grenzreich 107 angebracht. Elektrodenanschlußdrähte 109 _x 45 schicht 106 auf die Oberfläche des Substrates 101 und 109₂ werden mit der Elektrode 108 und dem trifft, von der durch Dampfzuwachs erhaltenen Viel-SubstratlOl verbunden, und man erhält so die in kristallschicht 103 abgedeckt, wie das die Fig. 2E Fig. 2F gezeigte Diode. Unter dem Elektronen- und 2 F zeigen. Die Vielkristallschicht 103 dient damikroskop wurde festgestellt, daß die Grenzschicht zu, die thermischen Spannungen der Oxydschicht, einer solchen Diode etwa Pfannenform hat und im 5° also der dünnen Schicht 104, zu vermindern und so Substrat einen großen Krümmungsradius aufweist. eine Abnahme der Durchbruchspannung und ein An-Das ist eine Folge der Tatsache, daß die Störstoff- wachsen des Leckstromes in Sperrichtung zu ver-Diffusionsgeschwindigkeit in der Vielkristallschicht meiden. Auch ist beim Anmeldungsgegenstand der um einen Faktor von einigen zehn größer ist als die sogenannte Oberflächendotiereffekt, bei dem ein Störim Einkristall-Halbleiterbauelement. Beim Eindiffun- 55 stoff gleich unter der dünnen Oxydschicht gespeichert dieren des Störstoffes durch das Fenster 105 wird wird und den spezifischen Widerstand der Substratnämlich die Diffusionsebene in der Nähe des Mittel- oberfläche vermindert, wie er bei herkömmlichen punktes des Fensters parallel mit der Ebene des Planartransistoren auftritt, dadurch vermieden, daß Halbleiters. In der Nähe der Fenstergrenzen diffun- man den spezifischen Widerstand der Vielkristalldiert der Störstoff in die Vielkristallschicht, die schon 60 schicht geeignet wählt und die hohe Störstoff-Diffuaußerhalb des Fensters liegt, und weiter in die der sionsgeschwindigkeit im Vielkristall ausnutzt.
Vielkristallschicht benachbarte Einkristallschicht. Bei den erfindungsgemäßen Halbleiterbauelemen-Das ergibt eine pfannenförmige Grenzschicht 106 mit ten wird also eine gegen herkömmliche Dioden beeinem großen Krümmungsradius, die in der Nähe trächtlich verbesserte Durchschlagspannung einer ihres Mittelpunktes flach und an der Grenze zwischen 65 Diode erzielt.

dem Substrat 101 und der Vielkristallschicht 103 Eine genaue Untersuchung der Vielkristallschicht

leicht gekrümmt ist. 103 hat gezeigt, daß die Vielkristalle je nach Form

In den F i g. 3 bis 5 sind die Ergebnisse verschie- und Eigenschaften der Keimkernschicht oder der

Claims

amorphen Schicht in der Form voneinander abweichen. Wurde die Keimkernschicht durch Tieftemperatur-Dampfwachstum oder Dampfablagerung von Silizium erzeugt, so erhielt man feine, säulenförmige Vielkristalle von 0,6 bis 5 μ Dicke. Wurde die Vielkristallschicht durch Dampfwachstum auf eine glasartige und amorphe dünne Siliziumdioxydschicht in Scheibenform aufgeformt, so erhielt man etwas größere Vielkristalle in einem Korngrößenbereich von 0,8 bis zu 30 μ. Die maximale Korngröße von 30 μ ist aber noch immer viel kleiner als die nach bekannten Verfahren erzielbare Vielkristallkorngröße, die im Durchschnitt über 100 μ liegt. In den oben erläuterten Beispielen wird die durch Dampfwachstum ausgebildete Vielkristallschicht 103 auf die obere Oberfläche eines Substrates 101 durch eine Schicht 102 von Keimkernen auf geformt. Auch bei Verwendung einer amorphen Schicht von Siliziumdioxyd an Stelle der Schicht 102 von Keimkernen oder beim Aufformen der Vielkristallschicht unmittelbar auf das Substrat ist es aber möglich, im Substrat eine Grenzschicht mit großem Krümmungsradius zu erhalten, die die oben geschilderten Vorteile erbringt. Die Vielkristallschicht kann auf das Substrat durch Dampfablagerung oder Aufstäuben aufgebracht werden. Selbstverständlich kann die Vielkristallschicht auf jede beliebige Weise ausgebildet werden, solange nur die Störstoffdiffusionsgeschwindigkeit in dieser Schicht größer ist als diejenige im Substrat 101. F i g. 6 zeigt eine Reihe von Verfahrensschritten bei der Herstellung eines erfindungsgemäßen, als Transistor ausgebildeten Halbleiterbauelementes. Die Herstellung beginnt mit dem Herrichten der in F i g. 6 A gezeigten Vorrichtung, die eine pfannenförmige Grenzschicht 306 aufweist und in einem ähnlichen Verfahren entstanden ist, wie es an Hand der F i g. 2 beschrieben wurde. Man erkennt ein η-leitendes Silizium-Substrat 301, auf das eine Keimkernschicht 302 und durch Dampfwachstum eine Vielkristallschicht 303 aufgeformt sind. Auf der Vielkristallschicht 303 ist eine dünne Oxydschicht 304 ausgebildet, und ein durch ein Fenster 305 der Oxydschicht 304 eindiffundierter Störstoff ergibt einen p-leitenden Bereich 307 und die Grenzschicht 306. Anschließend wird in der beim obigen Diffusionsvorgang ausgebildeten dünnen Oxydschicht 304 ein Fenster 308 vorbestimmter Größe ausgebildet und ein η-leitender Störstoff durch das Fenster 308 in einem solchen Ausmaß eindiffundiert, daß er sich bis hinunter in das Substrat 301 erstreckt und einen η-leitenden Bereich 309, 310 und eine Grenzschicht 312 ergibt, wie das in Fig. 6B dargestellt ist. Die Grenzschicht 312 hat im Substrat 301 ähnlich wie die erste Grenzschicht 306 im Querschnitt einen großen Krümmungsradius. Anschließend werden Kollektor-, Basis- und Emitterelektroden 311 c, 3116 und 311 e auf dem Substrat 301 bzw. den p- und η-leitenden Bereichen 307 und 309 angebracht, wodurch man den in F i g. 6 C gezeigten Transistor erhält. Es wurde festgestellt, daß, da die Durchbruchspannungen beider Grenzschichten ebenso hoch waren wie bei der weiter oben beschriebenen Diode, die gesamte Durchbruchspannung für einen Transistor hoch genug war. Obwohl die Elektroden auf der Vielkristallschicht ausgebildet werden, die bei den Beispielen nach den F i g. 2 und 6 stellenweise zurückbleibt, ist es auch möglich, die Vielkristallschicht durch eine Schlichtung od. dgl. nach der Diffusion zu entfernen und die Elektroden direkt auf das Substrat aufzuformen. Die Erfindung ist also nicht nur für Dioden, sondern auch ίο für Transistoren, integrierte Schaltungen und andere Halbleiterbauelemente anwendbar. Selbstverständlich sind die jeweiligen Leitfähigkeitsarten nicht auf die oben an den Beispielen angegebenen Leitfähigkeitsarten beschränkt. Es kann vielmehr jeweils auch die entgegengesetzte Leitfähigkeit gewählt werden. Es können auch andere Materialien als Silizium und Germanium sowie andere intermetallische Verbindungen wie Galliumarsenid usw. Verwendung finden. ao Patentansprüche:

1. Halbleiterbauelement aus einem Einkristall-Halbleiterkörper, auf dessen einer Oberfläche eine Dampfwachstumsschicht aufgeformt ist und in dem durch Diffusion durch die Dampfwachstumsschicht hindurch mindestens ein Diffusionsbereich ausgebildet ist, der mit dem Einkristall-Halbleiterkörper eine pn-Grenzschicht bildet, dadurch gekennzeichnet, daß die Dampfwachstumsschicht eine Vielkristallschicht (103, 303) ist.

2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich ein zweiter durch Diffusion durch die Vielkristallschicht (303) hindurch in dem Einkristall-Halbleiterkörper (301) ausgebildeter Diffusionsbereich (309, 310) und eine zweite pn-Grenzschicht (312) vorhanden sind (Fi g. 6).

3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die pn-Grenzschicht (106, 306, 312) eine gekrümmte Querschnittsform mit großem Krümmungsradius aufweist.

4. Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauelementes nach Anspruch 1, bei dem auf ein Einkristall-Halbleitersubstrat eines bestimmten Leitfähigkeitstyps eine Vielkristallschicht aufgeformt wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein Störstoff eines Leitfähigkeitstyps, der dem des Substrates entgegengesetzt ist, zum Erzeugen einer pn-Grenzschicht durch die Vielkristallschicht hindurch in das Einkristallsubstrat ein- _diffundiert wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zum Ausbilden einer weiteren pn-Grenzschicht zusätzlich ein weiterer Störstoff in das Einkristallsubstrat eindiffundiert wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß für das Ausbilden der Vielkristallschicht zunächst auf das Substrat selektiv eine Schicht von Keimkernen aufgebracht wird, und daß durch Dampfwachstum auf der Keimkernschicht eine Vielkristallschicht aufgeformt wird.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen