DE1947067C3 - Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauelementes mit mindestens einer pn-Grenzschicht - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement nach dem Oberbegriff des Anspruchs. Ein derartiges Verfahren ist bereits vorgeschlagen worden (DT-OS 16 44 028). Ziel des Vorschlages ist es, die Durchbruchspannung, also die Durchschlagfestigkeit des hergestellten Halbleiterbauelemente zu erhöhen.

Die Durchschlagfestigkeit gebräuchlicher in Planartechnik hergestellter Halbleiterbauelemente ist durch zwei Faktoren begrenzt: Erstens bilden die pn-Grenzschichten im wesentlichen rechtwinklige Kanten, in deren Bereich hohe elektrische Feldstärken auftreten, die bereits bei niedrigen angelegten Spannungen Anlaß für den Durchbruch sind. Zweitens werden als Diffusionsmasken und zu lsolationsz,wecken auf die Oberfläche von Silizium-Einkristall-Substraten Siliziumdioxydschichten aufgebracht, wodurch wegen der unterschiedlichen Wärmedehnung beider Schichten Verspannungen auftreten, die sich insbesondere dort bemerkbar machen, wo unter der Siliziumdioxydschicht die pn-Grenzschicht an die Substratoberfläche tritt. Diese mechanischen Verspannungen führen zu einer Abnahme der Durchbruchspannung, was eine Folge der Zunahme des Leckstroms in Sperrichtung des Halbleiterbauelements ist.

Beim erwähnten älteren Vorschlag soll mm dem ersten, die Durchschlagfestigkeit begrenzenden Faktor dadurch entgegengewirkt werden, daß die Masken-Diffusionsdotierung durch eine Zwischenschicht hindurch erfolgt, in der die Dotierungssubstanz mit größerer Geschwindigkeit wandert z\s im eigentlich zu dotierenden Substrat. Die Dotierungssubstanz dringt so unter der Randkante der Maske rasch in die Zwischenschicht und von dieser ebenfalls in das Substrat ein. Dadurch werden statt der rechtwinkligen Kanten der pn-Grenzschichten abgerundete Kanten mit großem Krümmungsradius erzielt. Die hohen Feldstärken bleiben aus. Die Durchbruchspannung steigt an.

Beim genannten älteren Vorschlag dient als Substrat ein Germaniumkörper, während eine Zwischenschicht aus Siliziumdioxyd und eine Maske aus Siliziumnitrid verwendet wird. Dabei kommt es dem älteren Vorschlag beicanm »t *., —.. (GB-PS 940931), auf ein Germanium-Einkristall-Substrat eine Siliziumschicht aufwachsen zu fassen, auf diese eine Siliziumdioxydmaske aufzubringen und durch Diffusion einer Dotierungs-

substanz durch die Siliziumschicht hindurch im Substrat eine pn-Grenzschicht auszubilden. Zweck dieser Maßnahme ist es, die nur auf Silizium-Einkristall-Substraten verwendbaren Siliziumdioxydmasken auch auf Germanium-Einkristall-Substraten verwendbar zu machen.

2> Das Problem der Wärmespannungen zwischen Substrat und Siliziumdioxydmaske stellt sich dabei nicht.

Weiter ist es auch vorbekannt (FR-PS 15 31 252), die Durchschlagfestigkeit eines Halbleiterbauelementes dadurch zu erhöhen, daß man die Dotierungsbereiche

.v> halbkugelförmig, also frei von rechtwinkligen Kanten ausbildet. Zur Herstellung solcher halbkugelförmiger Dotierungsbereiche werden jedoch große Diffusionstiefen und dementsprechend lange Diffusionszeiten benötigt. Die Diffusionstiefe beträgt größenordnungsmäßig 50 μηι.

Bekannt ist es auch (US-PS 32 71 210 und US-PS 32 71211), daß gebräuchliche Dotierungssubstanzen dann leichter in ein Substrat eindringen, wenn an dessen Oberfläche iine amorphe Siliziumschicht ausgebildet

wird. Diese Siliziumschicht wirkt dabei lediglich als Eindringhilfe. Es ist aber auch schon bekannt (IBM Technical disclosure Bulletin, 10, 1967, S. 164), die in polykristallinen Schichten höhere Diffusionsgeschwindigkeit als ein Einkristallschichten für das Wandern der

Dotierungssubstanz in den Vielkristallschichten zu benutzen, um während der Dotierung eines Einkristalls die Vielkristallschicht in ihrem Leitfäl/igkeitstyp zu ändern. Eine Diffusion aus der Vielkristallschicht in Nachbarschichten wird nicht ausgewertet.

s° Aufgabe der Erfindung ist es, das Verfahren se auszugestalten, daß mechanische Spannungen nicht auftreten können. Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch angegebene Erfindung gelöst. Man erkennt, daß hier die Zwischenschicht eine aus

ss der Dampfphase aufgewachsene polykristalline Schicht ist, die im folgenden kurz »Vielkristallschicht« genannt wird. Diese Vielkristallschicht deckt den als Substrat dienenden Silizium-Einkristall vollständig ab und trennt sie von der als Diffusionsmaske, elektrischer Isolator

^fi(< und Schutzschicht dienenden Siliziumdioxydschicht. Die Siliziumdioxydschicht und das Silizium-Einkristall-Substrat gelangen also nicht in unmittelbare Berührung miteinander. Die Siliziumdioxydschicht liegt vielmehr über der Vielkristallschicht auf dem Silizium-Einkristall-

⁽ⁱs Substrat auf. Diese Vielkristallschicht ist mechanisch plastisch und weich und wirkt spannungsausgleichend. Damit sind mechanische Verspannungen selbst für den FaI! ausgeschlossen, daß das Silizium-Einkristall-Sub-

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ien Deh

strat erheblichen thermischen Dehnungen unterworfen wird Die Durchbruchspannung wird damit durch derartige Wärmedehnungen nicht mehr beeinträchtigt

Dabei ist aber selbstverständlich beim angegebenen Verfahren durch die hohe Diffusionsgeschwindigkeit der Dotierungssubstanz in der Vielkristallschicht, bei der es sich um eine Siliziumschicht handelt, auch eine rasche Wanderung der Dotierungssubstanz in dieser Schicht sichergestellt Die Dotierungssubstanz wandert damit auch unter die Ränder der Diffusior.smaske und von diesen Bereichen der Vielkristallschicht in das Substrat hinein. Damit ergibt sich auch hier eine kantenfreie Ausbildung der Diffusionsfront im Einkristall-Substrat Der erzeugte Diffusionsbereich hat die Form einer flachen Pfanne mit aufgebogenen Rändern. die einen großen Krümmungsradius aufweisen. Damit ist beim angegebenen Verfahren gleichzeitig auch dieser Faktor für eine Verminderung der Üurchbruchspannung beseitigt, so daß man außerordentlich durchschlagfeste Halbleiterbauelemente herstellen kann.

Vorteilhaft ist dabei weiter, daß das Siliziumdioxyd der Maske nicht unmittelbar in Berührung mit dem Substrat gelangt. Damit ist eine für die Reproduzierbarkeit der elektrischen Eigenschaften unerwünschte 2-, Verunreinigung des Substrates mit Siliziumdioxyd sicher vermieden. Weiter werden die Herstellungszeiten erheblich vermindert, da bei der Anwendung des genannten Verfahrens Diffusionstiefen in der Größenordnung von 2 bis 4 μπι ausreichen, um gut durchschlagfeste Halbleiterbauelemente zu erzielen. Entscheidend ist, daß die zwischen das Silizium-Einkristall-Substrat und die Siliziumdioxydmaske gelegte Zwischenschicht mechanisch weich ist und eine erheblich größere Diffusionsgeschwindigkeit der Dotierungssubstanz als ^s das Substrat aufweist.

Um ein epitaktisches Aufwachsen des Siliziumüberzuges auf dem Silizium-Einkristall-Substrat auch bei höheren Temperaturen sicher zu vermeiden, wird die Substratoberfläche zunächst mit einer Schicht überzogen, die als »Kernschicht« bezeichnet ist. Diese Schicht kann durch chemische Reaktion von Silizium aus der Dampfphase oder durch Aufwachsen aus der Dampfphase bei niedriger Temperatur hergestellt werden. Auch kann die Keimschicht mit einem Sandstrahlgeblä- ₄s se durch Aufrauhen der Substratoberfläche oder durch Aufsprühen von Material erzielt werden. Dabei ist lediglich wichtig, daß eine dünne Schicht aus Keimen entsteht, die keine kristallographische Achsentextur aufweist.

Ein weiterer Vorteil des Verfahrens besteht darin, daß der sogenannte Oberflachendotierungseffekt nicht auftritt bzw. wirkungslos bleibt Unter diesem Oberflächendotierungseffekt versteht man eine Ansammlung oder Speicherung der Dotierungssubstanz unmittelbar unter der als Diffusionsmaske dienenden Siliziumoxydschicht. Durch diesen Effekt wird sonst bei der Planartechnik der spezifische elektrische Widerstand der Substratbereiche unmittelbar an der Substratoberfläche spürbar vermindert. Durch die hohe Diffusions- tv.-. geschwindigkeit der Dotierungssubstanz in der vielkristallinen Siliziumschicht wird der Effekt vollständig unterdrückt.

In der Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise veranschaulicht und zwar zeigt f>s

Fig. 1 im Querschnitt eine Planardiode nach dem Stand der Technik,

F i g. 2a bis 2f im Querschnitt sechs Herstellungsschritte einer Diode zur Erläuterung des Verfahrens der Erfindung,

Fig.3 im Querschnitt ein Grenzschichtprofil, wie es nach gebräuchlichen Verfahren erhalten wird,

F i g. 4a und 4b Grenzschichtprofüe, wie sie nach dem Verfahren der Erfindung erhalten werden,

F i g. 5a bis 5d Querschnitte der in F i g. 4 gezeigten Art und

Fig.6a bis 6c drei Herstellungsstadien der Herstellung eines Transistors nach dem Verfahren der Erfindung.

F i g. 1 zeigt eine nach der Planartechnik aufgebaute Diode aus einem n-Silizium-Einkristall-Substrat 1. Auf die S'ibstratoberfläche ist eine Siliziumdioxidschicht 2 aufgebracht. Ein p-Diffusionsbereich 3 wird durch Diffusionsdotierung des Silizium-Einkristall-Substrates 1 durch ein Fenster 4 der Siliziumdioxydschicht 2 ausgebildet. Dabei entsteht eine pn-Grenzschicht/ Legt man an diese Diode auf die in der Figur angedeutete Weise eine Sperrspannung VR an und erhöht diese Spannung allmählich, so erfolgt der Durchbruch im Bereich der rechtwinkligen Kanten 5, die einen ausgesprochen kleinen Krümmungsradius aufweisen. Außerdem wird die Durchbruchspannung auch durch mechanische Spannungen vermindert, die aufgrund unterschiedlicher Wärmedehnungen des Silizium-Einkristall-Substrates 1 und der Siliziumdioxydschicht 2 auftreten und Durchbrüche vor allem dort zur Folge haben, wo die Siliziumdioxydschicht 2 die an die Oberfläche tretenden Ränder jf der pn-Gren/schicht abdeckt.

Diese beiden die Durchbruchspannung eines Halb leiterbauelementes vermindernden Faktoren weisen Halbleiterbauelemente nicht auf, die auf folgende Weise hergestellt werden:

Zunächst wird die Herstellung einer Diode erläutert: Ein n-Silizium-Einkristali-Substrat 101 (Fig. 2a) wird auf seiner gesamten Oberfläche mit einer Keimschicht 102 bedeckt (F i g. 2b). Die Keimschicht 102 besteht aus Silizium und wird aus der Dampfphase niedergeschlagen. Bei einem typischen Tieftemperaturverfahren wird das Substrat auf 500 bis 550⁰C erhitzt und einem Gemisch aus Monosilan und Wasserstoff mit einem Volumenstrom von 2 bis 3 Litern pro Minute ausgesetzt. Dabei wird die Keimschicht 102 in einer Dicke von 0,5 bis 3 μ erhalten. Für dieses Verfahren der Keimschichtbildung ist die Substrattemperatur kritisch. Bei einer Temperatur unter etwa 500°C wird kein Silizium niedergeschlagen. Bei zu hohen Temperaturen werden einkristalline Schichten mit zahlreichen Versetzunger und Fehlstellen erhalten. In beiden Fällen wird dei angestrebte Zweck nicht erreicht.

Auf die Keimschicht 102 wird im nächsten Verfah rensschritt eine Vielkristallschicht 1P3 aufgebrach (Fig. 2c). Die Vielkristallschicht 103 wird aus de Dampfphase durch chemische Reaktion niedergeschla gen. Dazu wird über die Struktur ein Gemisch au Siliziumtetrachlorid und Arser.tetrachlorid mit Wasser SLjff geführt und zwar mi; einem Volumenstrom von Litern pro Minute bei einer Temperatur im Bereich vo etwa 1100 bis 120O⁰C. Dabei entsteht eine polykristall ne n-Silizium-Schicht einer Dicke von etwa 3 μπι.

Elektronenmikroskopische Untersuchungen an der s erhaltenen Vielkristallschicht 103 zeigen, daß di Kristallite im wesentlichen senkrecht zu>· Keimschiel 102 ausgerichtet sind. Die Kristallitabstände in d< Vielkristallschicht 103 sind so gering, daß sie optisc nicht mehr feststellbar sind. In den Figuren ist d

Vielkristallschicht 103 zur Andeutung dieser Verhältnisse senkrecht schraffiert dargestellt.

Auf der Vielkristallschicht 103 wird eine diinne Sili/iumdioxydschicht 104 abgelagert. Das geschieht beispielsweise durch thermische Oxidation. In der ·, Siliziumdioxydschicht 104. die als Diffusionsmaske dient, wird sodann auf bekannte Weise ein Fenster 105 geöffnet (I i g. 2d). Zur Ausbildung einer pn-Grcnzschicht 106 wird sodann durch das Fensiter 105 hindurch eine im Silizium p-Leitung erzeugende Doticrung&sub- m stanz eindiffundiert und dabei ein p-Diffusionsbercich 107 hergestellt (F i g. 2e). Die Dotierung erfolgt beispielsweise durch Erhitzen von Boroxyd auf 950°C und Niederschlagen des durch Pyrolyse gebildeten Bors auf der Oberfläche der im Fenster 105 freiliegenden i_S Vielkristallschicht 103. Anschließend wird 30 Minuten auf 1200°C erhitzt. Dabei diffundiert das Bor bis 7U einer Tiefe von etwa 6 μπι ein.

Schließlich wird der p-Diffusionsbeireich 107 der in der Figur gezeigten Gestalt mit einer Elektrode 108, ^₀ vorzugsweise aus Aluminium, kontaktiert. Die Elektrode 108 und eine auf der Rückseite des Substrates angebrachte Elektrode werden mit Anschlußdrähten 109i bzw. 1092 versehen. Man erhält die fertige Diode (F ig. 20-

Elektronenmikroskopische Untersuchungen zeigen, daß die Grenzschicht 106 einer solchen Diode Pfannenform und im Substrat einen großen Krümmungsradius aufweist. Das ist darauf zurückzuführen, daß die Diffusionsgeschwindigkeit der üotierungssub- \o stanz in der Vielkristallschicht 103 um einen Faktor von einigen 10 größer ist als die Diffusionsgeschwindigkeit im Einkristall. Beim Eindiffundieren der Dotierungssubstanz durch das Fenster 105 hindurch dehnt sich die Diffusionsfront in einer Ebene parallel zur Substrat- is oberfläche aus. Die Dotierungssubstamz diffundiert in der Vielkristallschicht parallel zur Substratoberfläche in den Bereich unter der Siliziumdioxydschicht 104 unter dem Fenster 105. Aus diesem nicht unterhalb des Fensters 105 liegenden Bereich der Vielkristallschicht _4t. diffundiert die Dotierungssubstanz ebenfalls in das Silizium-Einkristall-Substrat 101 ein. Dadurch entsteht im Endeffekt die pfannenförmtge pn-Grenzschicht 106 mit großem Krümmungsradius, die in der Nähe ihres Mittelpunktes flach und an der Grenze zwischen dem ₄«, Silizium-Einkristall-Substrat 101 und der Vielkristallschicht 103 schwach gekrümmt ist.

Diese Verhältnisse sind in den F i g 3 bis 5 näher erläutert.

F i g. 3 zeigt eine Struktur nach dem Stand der so Technik. Die Siliziumdioxydmaske liegt direkt auf dem n-Siüzrüir.-Einkristsüsubstrst Be: einer Tief·· Ae% ρ+ -Diffusionsbereiches von 4 μπ: beträgt der Abstand zwischen dem Beginn der Grenzschichtkrümmung und dem Punkt, an dem die Grenzschicht in der Substrat- ss oberfläche unter der Siliziumdioxydschicht frei liegt in der Hauptebene der Struktur 2,5 μπι. Dieser Abstand sei im folgenden als »Krümmungsabstand« bezeichnet. Eine Diode nach F i g. 3 hat eine Durchbruchspannung von 110 bis 140VolL f*>

F ι g. 4a und 4b zeigen unter gleichen Diffusionsbedingungen aber nach dem Verfahren von F i g. 2 hergestellte Strukturen. In der in Fig.4a gezeigten Struktur beträgt die Dicke der Silizium-Vielkristallschicht 1 μπι. in der F i g. 4b gezeigten Struktur 2 μπι. Bei etwa f.«, gleicher Diffusionstiefe von 43 μπι bzw. 4 μπι (gemessen im Silizium-Einkristall-Substral bis zur Substratoberfläche) werden Krümmungsabstände von 9.5 μηι bzw. 12 μπι erhalten. Entsprechend der größeren Dicke der polykristallinen Schicht in der in Fig.4b gezeigten Struktur ist die Diffusionstiefe im Silizium-Einkristall Substrat flacher als in der in Fig.4a gezeigten Struktur. Dioden mit den in 4a gezeigten Abmessungen haben eine Durchbruchspannung von 130 bis !70VoIt. während Dioden mit den in Fig. 4b gezeigten Abmessungen eine Durchbruchspannung im Bereich von 170 bis 220 Volt zeigen. Fig. 5a bis 5d zeigen den Einfluß der Dicke der Silizium-Vielkristallschicht auf das Profil des Diffusionsbereiches, seine Tiefe im Silizium-Einkristall-Substrat und seinen Krümmungsabstand. Dabei ist ein p-Silizium-Einkristallsubstrat verwendet, indem ein n⁴-Diflusionsbereich hergestellt ist. Die Diffusionsbedingungen sind in den Fig. 5a bis 5d durchweg gleich. Aus den Figuren ergibt sich, daß mit zunehmender Dicke der Silizium-Vielkristallschicht die Dotierungstiefe im Silizium-Einkristall-Substral flacher und der Krümmungsabstand größer wird.

Genaue Untersuchungen der Vielkristallschicht 103 haben gezeigt, daß die Ausbildung der Keimschicht 102, je nachdem, welcher Form und Art diese Keime sind, die Art und Ausbildung der Vielkristallschicht 103 beeinflußt. Wenn die Keimschicht bei relativ niedrigen Temperaturen durch Niederschlagen von Silizium aus der Dampfphase hergestellt wird, werden feine säulenförmige Kristallite mit einer Höhe von 0.6 bis 5 μπι erhalten.

Fig. 6 zeigt in drei Herstellungsstadien die Herstellung eines Transistors. Zunächst wird in der zuvor im Zusammenhang mit F ι g. 2 beschriebenen Weise die in F i g. 6a gezeigte Struktur hergestellt. Auf einem n-Silizium-Einkristall-Substrat 301 ist eine Keimschicht 302 und auf dieser eine Silizium-Vielkristallschicht 303 aufgeformt. Auf der Vielkristallschicht 303 wiederum ist eine n-Siliziumdioxydschichi 304 ausgebildet, in der ein Fenster 305 geöffnet wird. Durch das Fenster 305 wird eine Dotierungssubstanz eindiffundiert die eine pn-Grenzschicht 306 und einen p-Diffusionsbereich 307 erzeugt.

Bei der zuvor beschriebenen Diffusion bildet sich in üblicher Weise auf der im Fenster 305 frei liegenden Oberfläche der Silizium-Vielkristallschicht 303 die Oxydschicht 304 nach. Nach Abschluß der Diffusion für den pn-Diffusionsbereich 307 wird dann in der so ausgeheilten Oxydschicht 304 ein Fenster 308 vorbestimmter Größe geöffnet, durch das hindurch eine Dotierungssubstanz eindiffundiert wird, die im Silizium η-Leitung bewirkt. Die Diffusion wird dabei so geführt, daß die Diffusionsfront in der in Fig.6b gezeigten Weise bis hinunter in das Silizium-Einkristall-Substrat 301 reicht Dabei entsteht ein n-Diffusionsbereich 309, der sich ebenfalls über den unter dem Fenster 308 liegenden Bereich 310 hinaus parallel zur Substratober fläche und der Dioxydschicht 304 erstreckt und eine pn-Grenzschicht 312 im p-Diffusionsbereich 307 schafft (F i g. 6b). Auch die pn-Grenzschicht 312 weist wie die pn-Grenzschicht 306 große Krümmungsradien auf.

Anschließend werden in an sich bekannter Weise au! der Rückseite des Substrates eine Kollektoreleklrodt 311 c, auf dem p- Diffusionsbereich 307 eine Basiselektro de 3116 und auf dem n-Diffusionsbereich 309 ein« Emitterelektrode 31 Ie aufgebracht und mit Anschluß drahten versehen (F i g. 6c).

An dem so fertiggestellten Transistor werden für dii beiden pn-Grenzschichten Durchbruchspannungen ge messen, die ebenso hoch waren, wie bei der obei beschriebenen Diode.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauelementes mit mindestens einer pn-Grenzschicht durch Masken-Diffusionsdotierung eines Einkristall-Halbleiter-Substrates eines Leitfähigkeitstyps mit einer Dotierungssubstanz des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps, bei dem auf der Oberfläche des Substrates eine Zwischenschicht aufgeformt und dann durch Diffusion durch diese und eine auf die Zwischenschicht aufgebrachte Diffusionsmaske hindurch mindestens ein mit dem Substrat eine pn-Grenzschicht bildender Diffusionsbereich ausgebildet wird, wobei die Diffusionsgeschwindigkeit der Dotierungssubstanz in der das Substrat abdeckenden Zwischenschicht größer als im Substrat ist, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst auf einer Oberfläche eines Silizium-Einkristall-Substrates eine Schicht von Keimkernen aus Silizium gebildet wird, daß durch Dampfwachstum auf dieser Schicht eine Vielkristallschicht aus Silizium aufgebracht wird und daß auf dieser Vielkristallschicht eine Siliziumdioxydmaske gebildet wird.

   ht darauf an daß die Maske in allen Fällen von der ö'befläche d^a _e; Substrates getrennt wird. Bei den verendeten Materialien kommt es darauf auch nicht anXhteüig ist bei den verwendeten Matenahen, daß s Elemente der fünften Gruppe des Periodensystems; der Elememe durch die Zwischenschicht nicht emd.ffund.ert Sen können, was die Anwendbarkeit des; Vorschlages erheblich einengt bzw. be. der Notwendigkeit der Verwendung auch von Elementen der fünften Gruppe Γ, Periodensystems den zusätzlichen Arbe.tsgang des W g'teTs d_e ^y _r zwischenschicht erfordert. Wesentlich Z aber auch daß der zweite die Durchbruchspannung begrenzende' Faktor nämlich das Auftreten von Wärmespannungen zwischen Substrat und Zw.schen-