DE1954445A1

DE1954445A1 - Halbleiterbauelement

Info

Publication number: DE1954445A1
Application number: DE19691954445
Authority: DE
Inventors: Kornelis Bulthuis; Shannon John Martin
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1968-11-19
Filing date: 1969-10-29
Publication date: 1970-06-11
Also published as: ES373627A1; BR6914260D0; NL6917221A; NL166820C; JPS4844064B1; FR2023619A1; BE741870A; NL166820B; CA937682A; AT300961B; SE361771B; GB1249317A; CH500570A

Description

PHB.31.919 HK/AvdV

Ing. igrad.) GDNTHER M. DAVID 1954445

Ραίε-ntassessor

Anmeld3r: fi|. V. PHILIPS' GLOEiLAMPEfJFABRIEi(EN
Akte: £HB-31 919

Anmeldung vom: 28»1ö»oy

"Halbleiterbauelement".

Die Erfindung bezieht sich auf eine Halbleitervorrichtung mit einem Halbleiterkörper, in dem ein Widerstandselement angebracht ist, das ein Halbleitergebiet enthält, in dem elektrisch aktive Verunreinigungen zur Bestimmung des Leitfähigkeitstyps und zum Erhalten freier f! Ladungsträger und elektrisch inaktive Verunreinigungen zur Herabsetzung des Temperaturkoeffizienten des Widerstandselements vorhanden sind; die Erfindung bezieht sich weiterhin auf ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Halbleitervorrichtung. ·

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• -S- ■ PHB.31.919

In bekannten Halbleitervorrichtungen der obenerwähnten Art (siehe französische Patentschrift 1.463.448) bestehen die elektrisch inaktive Verunreinigungen aus Donatoren und Akzeptoren, die einander kompensieren, während die elektrisch aktive Verunreinigungen aus nicht kompensierten Donatoren oder Akzeptoren bestehen.

Um einen niedrigen Temperaturkoeffizienten zu

erhalten, sind hohe Konzentration an einander kompensierenden Donatoren und Akzeptoren erwünscht. Dies bedeutet, dass bei der Herstellung einer derartigen bekannten Halbleitervorrichtung hohe Konzentrationen an Akzeptoren und Donatoren mit einem genau definierten Konzentrationsunterschied im Halbleitergebiet angebracht werden müssen, wobei der Konzentrationsunterschied die Konzentration an Ladungsträgern im Halbleitergebiet bestimmt. Dies ist besonders schwierig, so dass die Herstellung derartiger bekannter Halbleiter-

vorrichtungen mit gut reproduzierbaren Eigenschaften nahezu unmöglich ist.

Ausserdem können bei dem heutigen Stand der

Technik auf einigermassen reproduzierbare Weise nur Konzentrationsunterschiede erzielt werden, die wenigstens der gleichen Grössenordnung wie die Gesamt-Donator- und Akzeptorkonzentrationen sind. Dies bedeutet eine unerwünschte Beschränkung, wodurch z.B. die Erzielung eines geringen Konzentrationsunterschiedes und somit eines hohen spezifischen Widerstandes unmöglich ist, weil für einen niedrigen

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Temperaturkoeffizienten hohe Konzentrationen an einander kompensierenden Donatoren und Akzeptoren notwendig sind.

Aus der britischen Patentschrift 799·6?0 ist es bekannt, dass der Temperaturkoeffizient des Widerstandes eines aus Germanium bestehenden Körpers durch Einbau von Gold herabgesetzt werden kann. Gold ist aber eine elektrisch aktive Verunreinigung, d.h., dass Gold nicht nur den Temperaturkoeffizienten, sondern auch die Anzahl freier Ladungsträger beeinflusst, so dass es beim Einbauen von Gold besonders schwierig ist, sowohl einen gewünschten spezifischen Widerstand als auch einen gewünschten niedrigen Temperaturkoeffizienten einzustellen.

Ausserdem wird sehr hochohmiges Germanium verwendet, wodurch die Möglichkeiten beschränkt werden. Z.B. kann ein Widerstandselement, das ein Halbleitergebiet enthält, wie es meistens in monolitischen integrierten Halbleiterschaltungen angewandt wird, nicht durch ein Verfahren nach der erwähnten britischen Patentschrift erhalten werden.

Die Erfindung bezweckt u.a., die erwähnten Nachteile wenigstens teilweise zu vermeiden.

Der Erfindung,liegt u.a. die Erkenntnis zugrunde, dass die erwähnten Nachteile durch Verwendung verschiedener Type von Verunreinigungen vermieden werden können, mit deren Hilfe die Konzentration an freien Ladungsträgern und der Temperaturkoeffizient nahezu unabhängig voneinander eingestellt werden können. Dies bedeutet, dass wenigstens ein

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erheblicher Teil der den Temperaturkoeffizienten herabsetzenden Verunreinigungen elektrisch inaktiv sein muss, weil elektrisch aktive Verunreinigungen ausserdem die Konzentration an freien Ladungsträgern beeinflussen. Ueberdies sollen die den Temperaturkoeffizienten herabsetzenden Verunreinigungen nicht hauptsächlich aus einander kompensierenden Donatoren und Akzeptoren bestehen, die sich wie elektrisch inaktive Verunreinigungen verhalten, weil die Konzentration an einander kompensierenden Donatoren und Akzeptoren den Konzentrationsunterschied von Donatoren oder Akzeptoren und somit die Konzentration an freien Ladungsträgern bestimmt.

Der Erfindung liegt ferner die Erkenntnis zugrunde, dass elektrisch inaktive Verunreinigungen, die nicht aus einander kompensierenden Donatoren und Akzeptoren bestehen, für viele Halbleiter bekannt sind oder gefunden werden können, und dass der Temperaturkoeffizient durch Einbau der erwähnten Verunreinigungen herabgesetzt werden kann. Diese elektrisch unwirksamen nichtkompensierten Verunreinigungen werden als "neutrale Verunreinigungen" bezeichnet.

Der Deutlichkeit halber werden einige Definitionen gegeben.

Unter einer Verunreinigung ist jede Störung

des idealen Kristallgitters zu verstehen, z.B. Dislokationen, Leerstellen und Fremdatome oder -Ionen, die sich an Zwischengitterplätzen im Kristallgitter befinden, oder die Atome aus dem idealen Gitter ersetzen.

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Elektrisch, inaktive Verunreinigungen sind

Verunreinigungen, die die Konzentration an freien Ladungsträgern nahezu nicht beeinflussen, d.h., dass sie nahezu keine freie Ladungsträger aufnehmen oder abgeben; sie können aus Fremdatomen oder Dislokationen und sich als solche verhaltenden Verunreinigungen, z.B. einander kompensierenden Donatoren und Akzeptoren (äquivalenten Konzentrationen an Donatoren und Akzeptoren) bestehen.

Elektrisch aktive Verunreinigungen beeinflussen die Anzahl freier Ladungsträger (Elektronen und Löcher) und können den Leitfähigkeitstyp bestimmen. Sie umfassen z.B. Donatoren und Akzeptoren, vorausgesetzt, dass sie nicht kompensiert sind, Einfangzentren, Rekombinationszentren und Dislokationen, die sich wie solche Verunreinigungen verhalten

Nach der Erfindung wird die Tatsache benutzt, dass ein infolge der vorherrschenden Streuung von Ladungsträgern im Kristallgitter positiver Temperaturkoeffizient nicht nur von elektrisch aktiven Verunreinigungen, sondern auch von neutralen Verunreinigungen herabgesetzt wird.

Dies ist darauf zurückzuführen, dass freie Ladungsträger auch durch die neutralen Verunreinigungen zerstreut werden, welche Streuung zur Folge hat, dass der erhaltene Temperaturkoeffizient kleiner als der Temperaturkoeffizient ist, der nur durch Gitterstreuung erhalten wird.

Nach der Erfindung ist ein Halbleiterbauelement der eingangs erwähnten Art dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch inaktiven Verunreinigungen wenigstens zu einem wesentlichen Teil aus neutralen Verunreinigungen bestehen.

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BAD ORi(SINAL

-6- PHB.31.919

Unter "zu einem wesentlichen Teil" ist hier eine derartige Konzentration an neutralen Verunreinigungen zu verstehen, dass eine messbare Verringerung des Absolutwertes des Temperaturkoeffizienten festgestellt werden kann. Durch den Einbau neutraler Verunreinigungen kann der Temperaturkoeffizient auf einfache Weise herabgesetzt werden, während auch der Einfluss auf die Konzentration an freien Ladungsträgern herabgesetzt wird.

Da die Konzentration der Donatoren oder Akzeptoren in vielen Fällen nahezu unabhängig von der Konzentration an den neutralen Verunreinigungen eingestellt werden kann, können diese Konzentrationen ohne Schwierigkeiten erforderlichenfalls um Grössenordnungen voneinander verschieden sein. Dadurch kann die Konzentration der Donatoren oder Akzeptoren besonders klein im Vergleich zu der Konzentration an den neutralen Verunreinigungen sein, so dass der spezifische Widerstand gross sein kann. Es dürfte einleuchten, dass ein grosser spezifischer Widerstand die Anwendung kleiner und somit raumersparender Widerstandselemente ermöglicht.

Vorzugsweise bestehen die elektrisch inaktiven

Verunreinigungen hauptsächlich aus neutralen Verunreinigungen weil dann die Konzentration an freien Ladungsträgern und der Temperaturkoeffizient auf besser reproduzierbare Weise und in grösserrer gegenseitiger Unabhängigkeit eingestellt werden können.

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BAD ORIGINAL

-7- ^: PHB.31.919

Bei einer Halbleitervorrichtung nach der Erfindung kann eine gewisse Kompensation auftreten, z.B. dadurch, dass ein Widerstandselement durch Diffusion einer elektrisch aktiven Verunreinigung (Donator oder Akzeptor) in einem Substrat vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp angebracht wird. In diesem Falle ist der Einfluss der erwähnten Kompensation auf den Temperaturkoeffizienten vernachlässigbar.

Vorzugsweise besteht nach der Erfindung das Λ

Halbleitergebiet aus Silicium, Germanium oder einem Mischkristall von Silicium und Germanium und bestehen die neutralen Verunreinigungen aus mindestens einem der Elemente Zinn und Blei. Mit den erwähnten Kombinationen von Halbleitermaterialien und neutralen Verunreinigungen wurden besonders günstige Ergebnisse erzielt.

Die Erfindung beschränkt sich aber nicht auf die

Anwendung von Silicium und Germanium als Halbleitermaterial.

Ill V

Auch A B -Verbindungen mit geeigneten neutralen Verunreinigungen lassen sich z.B. verwenden.

Die elektrisch aktiven Verunreinigungen im Halbleitergebiet bestehen aus den üblichen Donatoren oder Akzeptoren.

Bei einer besonderen Ausführungsform der Halbleitervorrichtung nach der Erfindung bestehen die elektrisch aktiven und die neutralen Verunreinigungen aus demselben Element, wobei die Konzentration des Elements derart gross ist, dass diese Konzentration die Konzentration an freien

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Ladungsträgern, die infolge des Elements im Halbleitergebiet vorhanden ist, in erheblichem Masse überschreitet. Es hat sich nämlich herausgestellt, dass bei zunehmender Konzentration an einem Donator oder Akzeptorelement in einem Halbleitergebiet anfänglich die Konzentration an freien Ladungsträgern nahezu gleich der Konzentration des Elements ist, während bei sehr hohen Konzentrationen die Konzentration an freien Ladungsträgern viel kleiner als die Konzentration des Elements ist. Bei hohen Konzentrationen kann das Element also gleichzeitig sowohl eine aktive wie auch eine neutrale Verunreinigung bilden.

Die Elemente Gallium, Bor, Aluminium, Indium und Antimon erweisen sich bei einem Halbleitergebiet aus Silicium als besonders geeignet.

Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung nach der Erfindung, bei dem im Halbleitergebiet eine derartige Menge an neutralen Verunreinigungen angebracht wird, dass eine messbare Herabsetzung des Absolutwertes des Temperatur-, koeffizienten festgestellt werden kann.

Diese Menge an neutralen Verunreinigungen kann von Fall zu Fall verschieden sein und lässt sich vom Fachman auf einfache ¥eise durch Versuche feststellen, Wenn die elektrisch aktiven und die neutralen Verunreinigungen aus demselben Element bestehen, und die Konzentration des Elements derart gross ist, dass diese Konzentration die

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-9- ΡΗΒ.3ΐ.9ΐ9

Konzentration an freien Ladungsträgern, die infolge des Elements im Halbleitergebiet vorhanden ist, in ,erheblichem Masse überschreitet, kann das Element im allgemeinen nicht z.B. durch die üblichen Diffusionstechniken im Halbleiter-gebiet angebracht werden.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens nach der Erfindung wird daher wenigstens die neutrale Verunreinigung durch Ionenimplantation im Halbleitergebiet angebracht.

Einige Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine Draufsicht' auf einen Teil einer ersten Ausführungsform einer Halbleitervorrichtung nach der Erfindung in einer Herstellungsstufe;

Fig. 2 einen Schnitt längs der Linie II-II der Fig. 1j

Fig. 3 einen Schnitt durch einen Teil einer (

zweiten Ausführungsform einer Halbleitervorrichtung nach der Erfindung in einer Herstellungsstufe;

Fig. k eine Draufsicht auf einen Teil einer zweiten Ausführungsform einer Halbleitervorrichtung nach der Erfindung in einer Herstellungsstuf e. j

Fig. 5 einen Schnitt längs der Linie V-V der Fig. k}

Fig. 6 eine Draufsicht auf einen Teil einer dritten Ausführungsform einer Halbleitervorrichtung nach der Erfindung in einer Heretellungsstufe}

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.Figuren 7» 8 und 9 Schnitte durch den Teil der dritten Ausführungsform einer Halbleitervorrichtung nach der Erfindung in auffolgenden Herstellungsstufen, wobei

Fig. 9 einen Schnitt längs der Linie IX-IX der Fig. 6 zeigt.
Beispiel 1

In einem η-leitenden Siliciumkristall 2 mit

einem spezifischen Widerstand von 0,3iL.cm und einer Dicke von etwa 25Q/um werden auf folgende Weise Widerstandselemente hergestellt (siehe Figuren 1 und 2).

Auf übliche Weise wird eine Oberflächenschicht des Kristalls 2 in eine Oxydschicht T umgewandelt, indem der Kristall während zwei Stunden auf 1200⁰C in einem Ofen erhitzt wird, durch den Sauerstoff hindurchgeleitet wird, der bei 98°C mit Wasserdampf gesättigt ist. Dann wird durch eine Photoätztechnik eine Oeffnung 6 in der Oxydschicht angebracht, deren Enden 3 Abmessungen von 50 χ 50 /um aufweisen und über einen Kanal 10 mit einer Länge von 200 /um und einer Breite von 20 /um miteinander verbunden sind. Anschliessend wird als neutrale Verunreinigung Zinn in die Oeffnung eindiffundiert. Zu diesem Zweck wird der Kristall 2 während 30 Minuten auf 1000⁰C in einem Ofen erhitzt, durch den ein Gasgemisch hindurchgeleitet wird. Dieses Gemisch wird aus einer aus trocknen! Ng-Gaa mit einer Volumengeschwindigkeit von 400 cm /min bestehenden Gasströmung und einer aus N -Gas bestehenden und durch eine flüssige SnCl.

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enthaltende Flasche "rait einer Volumengeschwindigkeit von 100 cm³/min hindurchgeleiteten Gasströmung erhalten. Dann wird gleichfalls während 30 Minuten auf 1000⁰C in trocknem Np-Gas nacherhitzt. Anschliessend wird als aktive Verunreinigung Bor durch die Oeffnung 6 in den Kristall 2 hineindiffundiert. Die Diffusion erfolgt in einem Ofen, in dem der Siliciumkristall während einer Stunde auf 900° C und eine Bornitridquelle auf 95O°G gehalten wird, während ^

Gas mit einer Volumengeschwindigkeit von 500 cm³/min

hindurchgeleitet ifird. Auf diese Weise wird sowohl Zinn als auch Bor in das Silicium hineindiffundiert, wobei eine pleitende Zone 5 erhalten wird, die das Halbleitergebiet des herzustellenden Widerstandselements bildet.

Schliesslich wird eine Oberflächenschicht der

Zone 5 in eine Oxydschicht 7 umgewandelt, indem der Kristall während 50 Minuten in einem Ofen bei 1050°C in trocknem O₂-GaS und während 30 Minuten bei 1000°C in Og-Gas erhitzt wird, das bei 98⁰C mit Wasserdampf gesättigt ist. '

Durch die letztere Behandlung wird der Widerstands· wert der Zone erhöht. Dann werden durch Photoätztechniken Oeffmangen h mit Abmessungen von 20 /um χ 20/um in der Oxydschicht an der Stelle der Enden 3 vorgesehen und Aluminiumschichten 8 in diesen Oeffnungen angebracht. An diese Aluminiumschichten werden Anschlussleiter. 9 des Widerstandselementes angeschlossen·

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* 12- PHB.31.919

Aus der Geometrie des Kanals 10 folgt, dass ein Widerstandswert erhalten -wird, der gleich, dem Zehnfachen des Quadratswertes ist.

Der Widerstandswert des auf diese Weise hergestellten Widerstandselements beträgt 1,8 kJLund der Temperaturkoeffizient zwischen 24°C und 100⁰C ist O,63#o/°C. Ohne Zinndiffusion wurde auch ein Widerstandselement von 1,8 kjHL mit den gleichen Abmessungen hergestellte An diesem Element wurde ein höherer Temperaturkoeffizient gemessen, und zwar 0,85 $o/öC.
Beispiel 2

Die fierstellungsbedingungen sind bei diesem Ausführungsbeispiel mit Ausnahme der folgenden Abweichungen gleich denen beim ersten Ausführungebeispiel. Die Zinndiffusion wird in diesem Falle während einer Stunde bei 1100°C durchgeführt« Dann wird während Z Stunden bei 1200⁰G in trocknen» No-Gas erhitzt. Die Bordiffusion wird während Minuten durchgeführt. Dann wird dadurch oxydiert» dass der Kristall während 10 Minuten in einem Ofen auf 1050⁰C in trocknem Og-Gas und dann während einer Stunde auf 1000⁰C in Gg-Gas, das bei 98⁰C mit Wasserdampf gesättigt ist, und schliesslich während einer Stunde auf 1050⁰C in trocknem Og-Gas erhitzt wird. Der Widerstandswert des auf diese Weise, erhaltenen Widerstandselements beträgt 4,1 k-iWnd der Temperaturkoeffizient ist zwischen 24⁰C und 100°C 1,06#o/°C.

Ohne Zinndiffusion wurde auch ein Widerstandselement von k k-A.mit den gleichen Abmessungen hergestellt.

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-13- PHB.31.919

Dabei wurde ein höherer Temperaturkoeffizient gemessen, und zwar 1,5$O/°C im Bereich von 24⁰C - 100⁰C. Beispiel 3.

Eine Siliciumscheibe 16 (siehe Fig. 3) mit einem spezifischen Widerstand von 3 - 5-Δ *^cm und einer Dicke von 250 /um, von der eine grosse Fläche zu der 4^111^ -Richtung im Kristallgitter nahezu senkrecht ist, wird auf übliche Weise mit einer Oxydschicht 11 versehen« Mit Hilfe von Photo- g ätztechniken werden in der Oxydschicht Löcher 17 mit Abmessungen von 50 χ 50 /um angebracht· In diese Löcher wird Bor bis zu einer Tiefe von etwa 2/um in einer Oberflächen-

20 1 " konzentration von etwa 10 at/cm eindiffundiert, wodurch Gebiete 13 gebildet werden» Dann wird in der Oxydschicht (siehe Figuren k und 5) zwischen den Gebieten 13 ein Kanal 12 geätzt, der eine Länge von 300 /^um und eine Breite von 15 /um aufweist. Anschliessend wird Aluminium aufgedampft und werden mit Hilfe von Photoätztechniken quadratische Aluminiumkontakte 14 auf den Gebieten 13 angebracht* Durch Ionenimplantation wird Gallium über den Kanal 12 in die Siliciumscheibe und - insofern sie nicht durch die Kontakte ~\k abgedeckt sind,-auch In die Gebiete 13 gebracht* Das mit Gallium implantierte Gebiet ist mit 15 bezeichnet. Die Implantation erfolgt dadurch, dass die Scheibe in einem Massenseparator mit Galliumionen beschossen wird« Dabei wird die Scheibe nahezu senkrecht zu dem Ionenbündel angeordnet, d.h. mit einer Abweichung von nicht mehr ale etwa k°„ Das

. -14- PHB.31.919

Vakuum beträgt während der Implantation etwa 10- Torr. Das lonenfotindel des Separators wird entfokussiert und wird weiter hin und her bewegt, damit eine möglichst homogene Bestrahlung erhalten wird. Die Scheibe ist während des Beschüsses auf einem Metallhalter montiert, dessen Wärmekapazität genügend gross ist, um die in der Siliciumscheibe dissipierte Leistung abzuführen.

Die Gesamtdosis (ionen/cm²) wird auf übliche Weise durch Integration gemessen.

Die Dosis wird durch Aanderung der Beschusszeit

und der Stromdichte geregelt. Die Implantation erfolgt in

69 diesem Beispiel mit dem Isotop Ga . Die Siliciumscheibe wird auf Zimmertemperatur gehalten. Die Energie der Ionen beträgt 60 keV. Die Oxydschicht 11 lässt die Ionen nicht durch und bildet somit eine Maslee für die Ionenimplantation. Die Dicke dieser Schicht liegt zwischen 0,5 und 1,5/um.

Der Beschuss führt Beschädigungen des Kristalls herbei. Durch Erhitzung der Scheibe können die Beschädigungen in erheblichem Masse entfernt werden. Es stellt sich heraus, dass die Beschädigungen grösstenteils verschwinden, wenn die Scheibe während k Stunden in trocknen) N,-Gas in einem Ofen auf 55O⁰C erhitzt wird.

Dann wird das Widerstandeelement mit Anschlussleitern 18 versehen und gegebenenfalls in einer Umhüllung angebracht· '

049-8^^289 ■-.....;....

• BAD OfiJGiNAL

PHB. 3.1.919

Der Vollständigkeit halber sei noch, bemerkt, dass wenn nach dem Aufdampfen des Aluminiums nicht unmittelbar, die Kontakte i4 angebracht werden, sondern der Kanal 12 ausser Art die Oxydschicht auch in die Aluminiumschicht geätzt wir'di die Aluäliiiiuiäöoiiicht statt der Oxydschicht als Maske für die Ionenimplantation verwendet werden kann. Dies hat den Vorteil, dg^ss die Dick© der Oxydschicht innerhalb weiterer Grenzen gewählt werden kann als wenn das Oxyd als Maske di'ent. In diesem Falle wird nach der Implantation zunächst das Aluminium weggeätzt, mit Ausnahme der Stellen, an denen die Kontakte ih zurückbleiben.

In der nachstehenden Tabelle sind einige Messsergebnisse erwähnt. Der Temperaturkoeffizient ist zwischen Zimmertemperatur und 120⁰C gemessen.

Dosis Ionen/cm²	Temperatur koeffizient	Quadrats widerstand	Konzentration an Atomen/cm³
3.1O¹⁴ 1.3.1O¹⁵· 10¹⁶	+ 1#ö/°C - 0,5#o/°C - 0,3#o/°C	3300 JL 2300 Sl 1200Ü.	1.5.1O¹⁹ 6,5«1O¹⁹ 5,1O²⁰

Bei der Berechnung der Konzentration wurde angenommen, dass das Gallium homogen Über einer Schicht mit einer Teife von 0,2 /um verteilt ist. Aus der Tabelle geht folgendes hervor: Bei zunehmender Konzentration des Galliums nimmt der Widerstandswert ab. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die Konzentration an elektrisch aktiven Verunreinigungen und somit die Anzahl an freien Ladungsträgern zunimmt.

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BAD ORIGINAL

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14 Bei einem Wert der Dosis zwischen 3·10 und

1,3.10 Ionen/cm² ist der Temperaturkoeffizient gleich 0.-Dies wird erzielt wenn der Quadratwiderstandswert zwischen 33OO und 23OOJ\ liegt. Bei Anwendung von Techniken, bei denen die neutralen Verunreinigungen durch Diffusion angebracht werden, werden derartige niedrige Temperaturkoeffizienten nur bei viel niedrigeren Quadratswiderstandswerten erhalten.

Mit Hilfe der Implantationstechnik, wenigstens zum Anbringen der neutralen Verunreinigung, können somit Widerstandselemente mit einem hohen Quadratswiderstandswert und einem miedrigen Temperaturkoeffizienten hergestellt werden. Dies ist darauf zurückzuführen, dass sich das implantierte Element nur zum Teil wie eine aktive Verunreinigung und zum übrigen Teil wie eine neutrale Verunreinigung verhält. Durch HaII-Messungen wurde festgestellt, dass bei

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einer Dosis von 3·10 Ionen/cm die Anzahl implantierter Ladungsträger etwa 1,5·10 Ionen/cm² betrug und die Beweglichkeit etwa 20 cm²/V,see. war. Daraus folgt, dass die Konzentration an der neutralen Verunreinigung viel grosser als die Konzentration an der elektrisch wirksamen Verun-

den

reinigung ist* Dies wird durch die folgenden Berechnungen nachgewiesen. Aus der Formal R__ = wobei R_ Quadratswiderstandswert, e die Ladung des Elektrons, /U die Beweglichkeit und N die Anzahl Ladungsträger pro cm⁸ des Widerstandsgebiets darstellt, kann R_ errechnet werden«

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BAD ORIGINAL

-17- PHB.31.919

Für N = 1,5.10 /cm² beträgt R = 2100 SL ,welcher Wert, wie sich, nach der Tabelle erwarten liess, zwischen 1200 und 2300 SL liegt.

Aus der Formel lasst sich gleichfalls errechnen, welcher der Quadratswiderstandswert für die in der Tabelle erwähnten Dosen wäre, wobei angenommen wird, dass sich das implantierte Gallium völlig wie eine aktive Verunreinigung verhält. N (die Anzahl Ladungsträger pro cm²) ist dann gleich

der implantierten Dosis. R— für die Dosis 3· 10 /cm² beträgt dann etwa 700JI( /u = 30), R_Q für die Dosis 1,3.10 cm² etwa 2^oA
60SL ( /u = 10).

1 & cm² etwa 2^oA ( /u = 20) und R-. für die Dosis 10 /cm² ca

Aus dem Vergleich der gemessenen R »-· -Werte der Tabelle geht wieder hervor, dass ein grosser Teil des implantierten Galliums sich wie eine neutrale Verunreinigung verhält und dass die Menge an der neutralen Verunreinigung mit der Dosis zunimmt, weil auch das Verhältnis zwischen dem gemessenen und dem errechneten Quadratswiderstand stark zunimmt. Naturgemäss sind diese Berechnungen nur Annäherungen weil bei der Anwendung der Formel implizit angenommen wurde, dass Gallium homogen Über einer implantierten Schicht verteilt ist. Die gefundenen Unterschiede sind jedoch derart gross, dass der gezogene Schluss gerechtfertigt ist« Ferner hat sich herausgestellt, dass der Temperaturkoeffizient von Widerstandselementen, bei denen wenigstens did neutralen Verunreinigungen durch Ionenimplantation angebracht sind, in einem grossen Temperaturbereich konstant ist.

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-18t PHB.31.919

Aus der Tabelle geht auch, hervor, dass bei hohen Dosen und niedrigen Quadratswiderstandswerten der Temperaturkoeffizient wieder zunimmt. Diese Erscheinung ist nicht unbekannt. Bei nichtimplantierten Widerständen tritt diese Erscheinung bei sehr niedrigem spezifischem Widerstand und positiven Werten des Temperaturkoeffizienten auf (siehe z.B. W.N. Bullis et al, "Solid State Electronics", 1968, Band 11, S.639 - 646). Allem Anschein nach ist das Wiederzunehmen des Temperaturkoeffizienten bei abnehmenden Quadratswiderstandswert auf die Vorherrschung bei niedrigem Quadratswiderstand des zunehmenden Einflusses der Streuung der Ladungsträger durch die Verunreinigungeil· in be^ug auf-die Gitterstreuung zurückzuführen.
Beispiel h.

Eine Siliciumscheibe 57 (siehe Figuren 6, 7, 8 und 9) mit einem, spezifischen Widerstand von 3 - 5SL· cm und einer Dicke von etwa 250/um, von welcher Scheibe eine grosse Fläche zu der ^11l]> -Richtung nahezu senkrecht ist, wird auf übliche Weise mit einer Oxydschicht 58 versehen« Mit Hilfe von Photoätztechniken werden in der Oxydschicht 58 Löcher 59 mit Abmessungen von 30 χ 4θ /um angebracht. Durch diese Löcher wird Bor in die Scheibe hineindiffundiert, wodurch Kontaktgebiete 52 gebildet werden, auf denen nachher die Kontakte des herzustellenden Widerstandselements angebracht werden. Die Tiefe der Kontaktgebiete beträgt etwa 1,5/um und ihr Quadratawiderstand ist hO - 60JL, Die Oxydechicht 58

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wird nun weggeätzt und auf die bereits oben beschriebene Weise wird eine neue Oxydschicht 51 mit einer Dicke von 2000 A angebracht» In die Oxydschicht 51 werden Löcher mit Abmessungen von 30 χ 16 /um geätzt. Dann wird eine Aluminiumschicht 60 aufgedampft, die eine Dicke von etwa 1 /tun aufweist. Ιζη die Aluminiumsfefaicht 60 wird ein Kanal mit Abmessungen von 186 χ 20 /um zwischen den diffundierten Gebieten 52 geätzt. Bei der nun durchgeführten Implantation

1
ifird die Aluminiums chi cht als Maske benutzt und wird Bor über den Kanal 5^ durch die Oxydschicht 51 in das unterliegende Silicium implantiert, wodurch das Gebiet 55 gebildet wird. Ein Ueberschuss an B -Ionen mit einer Energie von 60 keV und einer Dosis von 6.10 Ionen/cm² wird implantiert.

Nach der Implantation wird die Aluminiumschicht _f mit Ausnahme von Quadraten 53 von 50 χ 50 /um» die die Kontakte mit den Kontakt gebieten 52 bilden, weggeätzt. Anachiiessend wird während 30 Minuten auf 5OQ⁰C in trocknem Ng-Gas erhitzt und wird derWiderstand gemessen.

Der Quadratswiderstand beträgt 270OiLund der Temperaturkoeffizient ist -0,7 $o/°C. Dieser negative Wert ist dem angewandten Uebermass an B -Ionen zuzuschreiben.

Die beschriebenen Vorrichtungen umfassen auch diejenigen, die denen im Halbleiterkörper neben dem Widerstandeelement mindestens ein weiteres Schaltungeelement, _z«B« ein Transistor, vorhanden ist«

Die Erfindung beschränkt sich nicht atif die beschriebenen Beispiele. Z.B. braucht als neutrale Verunreinigung nicht unbedingt eine materielle Verun-

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BAD OBlGJNAL

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reinigung in dem Halbleitergebiet angebracht zu sein. Auch können z.B. durch Elektronenbeschuss neben der aktiven Verunreinigung als neutrale Verunreinigungen Kristalldislokationen angewandt werden. Die Anwendung von Kristalldislokationen hat den Vorteil, dass ein etwaiger Ueberschuss an dieser neutralen Verunreinigung oft durch eine Wärmebehandlung auf hoher Temperatur entfernt werden kann.

Man ist in der Wahl des Halbleitermaterials nicht

auf Silicium beschränkt. Auch Germanium, Mischkristalle

III V II VI von Silicium und Germanium, A B- oder A B -Verbindungen können Anwendung finden. Statt Zinn kann z.B. Blei in Germanium oder Mischkristalle von Silicium und Germanium als neutrale Verunreinigung hineindiffundiert oder implantiert werden.

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Claims

!NTANSPRtrCHE.:

PHB. 31. 919

SM

Halbleitervorrichtung mit einem Halbleiterkörper, in dem ein Widerstandselement angebracht ist, das ein Halbleitergebiet enthält, in dem elektrisch aktive Verunreinigungen zur Bestimmung des Leitfähigkeitstyps und zum Erhalten freier Ladungsträger und elektrisch inaktive Verunreinigungen zur Herabsetzung des Temperaturkoeffizienten des Widerstandselements vorhanden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch inaktiven Verunreinigungen wenigstens zu einem wesentlichen Teil aus neutralen Verunreinigungen bestehen,

2. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch unwirksamen Verunreinigungen hauptsächlich aus neutralen Verunreinigungen bestehen.

3. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleitergebiet aus Silicium, Germanium oder einem Mischkristall von Silicium und Germanium besteht und die neutralen Verunreinigungen aus mindestens einem der Elemente Zinn und Blei bestehen. h. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch unaktiven und die neutralen Verunreinigungen aus demselben Element bestehen, wobei die Konzentration dieses Elements derart gross ist, dass diese Konzentration die Konzentration an freien Ladungsträgern, die infolge des Elements im Halbleiter&ebiet vorhanden ist, in erheblichem Masse überschreitet,

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5. Halbleitervorrichtung nach Anspruch k, dadurch gekennzeichnet, dass das Element aus Gallium, Bor, Aluminium, Indium oder Antimon und das Halbleitergebiet aus Silicium besteht.

6. Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Halbleitergebiet eine derartige Menge an neutralen Verunreinigungen angebracht wird, dass eine messbare Herabsetzung des Absolutwertes des Temperaturkoeffizienten festgestellt werden kann.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens die neutralen Verunreinigungen durch Ionenimplantation im Halbleitergebiet angebracht werden.

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