DE1957774A1 - Verfahren zur Herstellung einer gleichrichtenden Halbleitervorrichtung - Google Patents

Verfahren zur Herstellung einer gleichrichtenden Halbleitervorrichtung

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Description

Pr»nHnw8» 1 Q R 7 7 7 Λ
Dlpl.-lng. Walter Jadcltch ^ J ' ' ' M
i Stuttgart N, Mennlstra&e 40
Western Electric Company *7' NoVl 1969 Incorporated
195 Broadway
New York 10007 USA
A 31 402- ·χ
Verfahren sur Berstellang einer gleichrichtenden Halbleitervorrichtung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren xur Herstellung einer gleichrichtenden Halbleitervorrichtung ait einer planaren Oberfläche und einer verdeckt angeordneten, koplanaren Sperrschicht alt gleichrichtender Wirkung« Zu» Gegenstand der Erfindung gehören ferner in bestimmter Weise ausgebildete Halbleitervorrichtungen, die insbesondere nach den erfindungsgemässen Verfahren hergestellt werden können»
Es ist bekannt^7 daß verschiedene Halbleitervorrichtungen alt Dotierungsübergängen verbesserte elektrische Eigen» schäften zeigen« wenn die Übergänge la wesentlichen
009822/U81
planar shd (a. zeBo Bell System Technical Journal, Vol. 47, NOo 2, S, 195-208, 1968)β Zn üblicher Verfahrensweise, z.B. durch Lagierunge- oder Diffusionstechnik hergestellte Übergänge sind ia allgemeinen nichtplanar. Bin solcher übergang schneidet die Substratoberfläche, wodurch eine Steuerung der Oberflächenzustände rings des Überganges durch aufwendiges Reinigen und anschllessendea Passivieren der freiliegenden Zonen erforderlich wird. PlaaarUbergänge können durch Anwendung der Epitaxial- und Diffusionstechnik unter Bildung der bekannten Mesastruktüren hergestellt werden 0 hierbei erstrecken sich die Übergänge jedoch wiederum bis zur Substratoberfläche„ Weiterhin ist bei diesen Mesastrukturen die Oberfläche der Halbleitervorrichtung nicht planar«, Hierdurch wird die Anwendbarkeit der Planartechnik für die Elektrodenanbringung und für die gegenseitige Verbindung von Mehrfach-Halbleiterwrrichtungen bei integrierten Schaltungseinheiten eingeschränkt.
Aufgabe der Erfindung 1st daher die Schaffung eines Herstellungsverfahrens für Halbleitervorrichtungen, alt den sich ohne die genannten Nachtelle planare Sperrschichten erzielen lassen· Die erfindungsgemässe Lösung dieser Aufgabe kennzeichnet sich bei einem Verfahren der eingangs genannten Art hauptsächlich dadurch, daß in dem Halbleiterkörper durch Ionenbeschluß eine Zone hohen spezifischen Widerstandes eingeführt wird, die sich von der Oberfläche des Halbleiterkörpers bis unter die gleichrichtende Sperrschicht erstreckt und einen Ib wesentlichen gleichförmigen Bereich umfasst, der einen Ring um ein Gebiet des koplanaren Abschnittes der, gleichrichtenden Grenzfläche bestimmt» Hierdurch ergeben sich Strukturen mit planaren Dotierungeübergängen,
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die von den freiliegenden Oberflächen der Halbleitervorrichtung isoliert sind.
Eine die erwähnten Vorteile aufweisende Halbleitervorrichtung gemäss der Erfindung ist z.B« dadurch gekennzeichnet» dafl ein Halbleiterkörper mit einer la wesentlichen planeren Hauptoberfläche und einer unterhalb der Oberflache.sowie koplanar zu dieser angeordneten, gleichrichtenden Sperrschicht vorgesehen 1stρ das die Grenzen der Sperrschicht durch einen Isolierenden Schirmring bestimmt sindρ der eich von der Oberfläche Über eine die Sperrschichttiefe übertreffende Tiefe in den Halbleiter= körper erstreckt? und daß der Schirmring eingeführte Sauerstoff-^ Stidcstoff- oder Kohlenstoff ionen enthalte Der erflndungsgemäss hergestellte Schirmring kann z,B„ in dem Halbleiterkörper eingeführte Ionen enthalten 0 die aus einer Sauerstoff„ Stickstoff oder Kohlenstoff umfassenden Gruppe ausgewählt sind.
Heitere Merkmaleund Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungabeispielen anhand der Zeichnungen. Hierin zeigt
Fig. 1 eine perspektivische Schnittdarstellung
eines Halbleiterkörpers mit einem pn-übergang, der durch einen erflndungsgemftss hergestellten Schirmring eingeschlossen ist,
Fig. 2 eine perspektivische Schnittdarstellung gemlss FIg, 1 für eine andere Ausführung einer erfindungsgeraässen Halbleitervorrichtung f
009922/U31
Fig· 3 eine schematteche Darstellung einer Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens,,
Fig. 4 eine perspektivische Schemadarstellung einer als Zielanordnung für den IonenbeschuB vorbereiteten Halbleitervorrichtung für eine Behandlung alt der Einrichtung gemäss Fig. 3, und
Fig. 5 einen Querschnitt einer bevorzugten Ausführungsform einer erflndungsgemässen Halbleitervorrichtung in grösseren Maßstab.
Bei der Ausführung nach Fig, 1 wird ein pn-übergang zwischen einer p-Sone 10 und einer n-Ione 11 gebildet. Die p-fone kann in unterschiedlicher« üblJttier Weise hergestellt werden, etwa durch epitaxiale Abscheidung (durch Reaktion in der Gasphase, durch Aufsprühen oder durch Wiederanwachsen aus einer flüssigen Phase) 9 weiterhin durch planare Diffusion, Zoneneinführung oder Bit Hilfe von anderen geeigneten Verfahren. Es könnt hierbei darauf an, einen planaren Ubezguig unterhalb der Oberfläche des Halbleiters herzustellen. Ein die Grenzen des Überganges bestimmender Schirmring 12 wird durch Einführen von Zonen in den Halbleiter gebildet, und zwar durch > energiereichen Beschüß des Halbleiterkristalle mit entsprechenden Atomen. Die Bindringtiefe soll hierbei die Tiefe der Obergangsachioht übertreffen. Die seitliche Ausdehnung der Zoneneinführung 1st unkritisch. Es ergeben sich so Strukturen mit tatsächlich planare« übergang* der wirksam von der Oberfläche der Halbleitervorrichtung abgetrennt 1st»
-
009822/Ue ι
Elektroden 13 und 14 stellen Kontakt zu der n- bzw. p-lone her. Ein eigenartiges Merkmal einer derartigen Halbleitervorrichtung 1st das Fehlen einer den Übergang passivierenden Oberflächenschichtο
Fig· 2 zeigt eine aufwendigere Vorrichtung mit einem Mehrfachschlraring* wobei eine elektrische Verbindung zwlscah der Oberfläche und der unterhalb der Oberfläche befindlichen Dotierungszone gebildet ist» Die Elemente 10, 11 und 12 stimmen mit der Ausführung nach Flg. 1 überein und bedingen eine Diodenstruktur mit planarem übergang« Eine isolierende Ringzone 23, die in gleicher Welse wie die Ringzone 12 hergestellt werdenjizann„ erstreckt sich in eine die Tiefe der übergang/aschicht (!betreffende Tiefe innerhalb des Halbleiterkörpers. Ein nrleltender Fremdstoff wird sodann selektiv in die von der Ringzone 23 eingeschlossene Zone eingeführt, und zwar mit einer die Tiefe der übergangsschicht überschreitenden Eindringtiefe, so daß Kontakt mit der n-Schlcht hergestellt wird. Als Fremdstoffe kommen ZoB. Phosphor und Arsen für Silizium und Germanium in Betracht« Der Leitfähigkeitetyp kann innerhalb der be» schriebenen Struktur umgekehrt werden. Elektrische Verbindungen 24 und 25 · werden sodann an der planeren Oberfläche angebracht«,
Die Bildung bzw» Einführung des isolierenden Schirmringes in den Halbleiter wird beispielsweise anhand von Flg. 3 erläutert. Die hler dargestellte Einrichtung umfasst eine Zonenquelle 30 0 welche die erforderlichen Ionen, z.B. Sauerstoff- oder Stickstoffionen, für den Beschüß lieferte Einzelheiten derartiger Zonenquellen ergeben sich ZoBp aus Methods of Experimental Physics, Vol. 4, Part A, S. 256 bis 284 (1967). Elektrostatische
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oder magnetische Linsen (nicht drgestellt) fokussleren einen Ionenstrahl in einen Beschleuniger 31, in den die Zonen die erforderlche Energie erhalten. Der Ionenstrahl passiert soann eine Ablenkvorrichtung, z.Bo ein langgestrecktes„ auf einen Druck in der Grössenordnung von 10 Torr evakuiertes Rohr, und sodann einen magnetischen Massenseparator 33„ in de« unerwünschte Fremdstoffe aus dem Ionenstrahl entfernt werden. Die Strahlrichtung wird mittels eines x-y-Ablenkers 34 auf die betreffende Zone des die Zielanordnung 35 bildenden Halbleiterkörperβ eingestellt.
Die Zjtflelanordnung 1st im einseinen in Fige. 4 dargestellte Es handelt sich hierbei um einen Halbleiterkörper 40 mit einem gleichrichtenden Obergang. Eine z.B„ mittels der üblichen Fotoresistmethode hergestellte Maske 1st in Fig. 4 mit 41 bezeichnet,, Die von der Maske freigegebene Zone ermögUbht die Bildung eines isolierenden Schirmringes, z.B. nach Art der ringförmigen Zone 12 in Flg. 1. Die Maske 41 muss stark genug sein, um das Durchdringen des Ionenstrahls in das darunter befindliche Sillslum aussujchliessen. Die Zielanordnung 35 umfasst ferner die in Flg. 4 angedeutete Tragplatte aus einem entsprechend widerstandsfähigen Material, x.B. Edelstahl oder Molypdän»
In FIg, 3 ist weiterhin noch eine Heizvorrichtung 36 für das Ausglühen des Substrats angedeutet. Durch ein solches Ausglühen lassen sich Strahlungsbeschädigungen des Substrats beseitigen. Bei der Einführung von Sauer» stoff in Silizium 1st esz.B. erwünscht, daqGubstrat auf einer Temperatur von wenigstens B50°C während des
- 7
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Beschüsses zu halten.
Der Ionenstrahl muss in den Halbleiterkörper bis zu einer Tiefe eindringen? die grosser als die Tiefe des Überganges ist. Diese Tiefe kann zwischen einigen 100 A la Falle einer Oberflächensperrochicht-Halbleitervorrichtung bis zu einigen Mikron la Falle einer Halbleitervorrichtung alt diffundierten pn-übergang betragen. Die Bedingungen für die Bildung derartiger Schichten weisen eine grosse Variationsbreite auf „ Siliziurcdioxydschichten von etwa 1 Mikron Dicke lassen sich auf Silizium z.B. durch Anwendung einer Strahlenergie von 300 keV bis Null keV ■dt einer gesamten oder integrierten Bestrahlung von etwa 1 A.seo/ca erzielen» Auf diese weisen lassen sich isolierende Zonen für die in den Halbleiterkörper eihge« führten Zonen herstellen.
Für die Einführung eines isolierenden Schiraringes koaaen unterschiedliche Ionen in Betracht. Xa Falle der allgemein ver£brelteten Halbleiter (Slllsiua, Geraanlua und die III-V-Halbleiter) sind Sauerstoff, Stickstoff, Kohlenstoff und Mischungen dieser Substanzen besonders geeignet» Der spezifische Widerstand des eingeführten Schirarlnges sollte den spezifischen Widerstand der aktiven Halbleiterzone üb wenigstens zwei GrOssenordnungen Übersteigen.
Die Erfindung 1st für zahlreiche Foraen von Halbleitervorrichtungen anwendbar, bei denen die Erzeugung planarer Oberginge oder Sperrschichten vorteilhaft ist. Während sich Fig. 1 und diefcugehOrlge Beschreibung auf einen
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pn-übergang zwischen den Schichten 10 und 11 bezieht, können die gleichen geometriechen Verhältnisse auch für die Bildung einer planaren Schottky-Sperrschicht zwischen einer Metallschicht 11 und einem Halbleiterkörper Io in Betrachte Die planare Grenzfläche einer derartigen Halbleitervorrichtung führt zu einem scharfkantigen Verlauf der Sperr-Durchbruckennlinie, worauf es in vielen Fällen/wesentlich ankommt. Ein scharfkantiger Durchbruch mit Entsprechender Verminderung des Leckstromes, der im allgemeinen in den nichtplanaren Bereichen der Sperrschicht Auftritt ? erlaubt eine Verwendung der Diode für Zwecke1 der Hochleistungsgleichrichtung und verbessert die Schalt- und Schwingeigenechafteno Die im vorliegenden Zusammenhang verwendete Bezeichnung "Sperrschicht" ist im Zusammenhang mit Ubergangs-HalbleiteBorrichtungen im weiten Sinne zu verstehen und umfasst auch Oberflächensperrschichten« Eine Sperrschicht im Sinne der Erfindung kann als Grenze zwischen unterschiedlichen Stoffen bezeichnet werden,, die eine nichtohmsche Leitung zeigeno
Eine bevorzugten Aueführungsform, bei der die erfindungsgemässe Einführungetechnik zur Herstellung eines isolierenden Schirmringes un eine Schottky-Sperrschicht verwendet istt ergibt sich aus Fig, 5. Hier wird ein aus η -Silizium bestehendes Substrat 50 mit einer n-leitenden Schicht 51 aus Silizium mit einem spezifischen Widerstand von .1 Ohm ο cm zur Bildung einer Iletallsllizidschicht 52 und damit einer Metallsilizld-Silizium-Oberflächensperrschlcht 53 verwendet. Ein beispielhaftes Verfahren zur Bildung des Hetallsilizids wird im folgenden beschrieben ο Herzu wird eine Schicht eines silizidbiidenden Metalles wie Z0B, Nickel„ Titanium, Zirkonium, Haffnlum oder eines a der sechs Metalle der Platingruppe durch
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Aufdampfenj Aufsprühen oder dgl« auf dem Siliziumaubstrat abgeschiedene Diese Schicht sollte im allgemeinen eine Dicke von 300 A* bis 3.000 A haben„ Das Substrat wird auf eine für die Silizidblldung ausreichende Temperatur erhitzt? im allgemeinen auf eine solche von mehr als 400° C ff beispielsweise etwa 700° Co In einem Beispielsfall wurde Zirkonium mit Hilfe eines Wölfram-Glühdrahtes oder eines Kohlenstofftiegels bei einer Temperatur von 1.600° C
ο f;\
aufgedampfte Bei 700 € erfolgt eine rasche Bildung de Suizids. Danach wird ein Metallkontakt 54 in einem ausgewählten Bereich der Oberfläche aufgebracht, und zwar beispielsweise durch Aufdampfen einer Metallschicht, etwa einer solchen aus Aluminium a Titanium oder Zirkonium 0 und zwar auf der gesamten Oberfläche der Silisidschicht 52 und der durch selektive Ätzung nac-h der üblichen fotolithografischen Methode bestimmten Kontaktzone. Die Oberfläche der Vorrichtung wird in diesem Zustand dem vorangehend beschriebenen Beschüß mit Sauerstoffionen ausgesetzte Die Eindringtriefe dieser Ioneneinpflanzung ist in Fig. 5 durch die strichlierte Linie 55 angedeutete Die Vorrichtung weist nun eine Metallsilizid-Silizium-Sperrschicht 53 mit einem umgebenden Oxyd-Schirmring auf« Der Metallkontakt dient als Maske während des Verfahrensschrlttes der Oxydationseinpflanzungo Wenn der Kontakt 54 aus einem filmbildenden Metall besteht e so wird die Schichtoberfläche ebenfalls oxydiert und dadurch bei der Bildung dose Schirmringes gleichzeitig isolierte In diesen Fall wird die als Draht oder gedruckter Leiter ausgebildete Elektrode zweckmässig vor der Oxydation angebracht» Der Kontakt kann auch mittels der üblichen Traganschlußtechnik (beam lead technique)als geschichteter Körper aus Platin, Titanium oder Gold oder aus Chrom und Gold bzw* ähnlichen Kontaktwerkstoffen hergestellt werden»
QO08227'Uft1
- ίο -
Eines der wesentlichen Merkmale von Halbleitervorrichtungen alt Oberflächen-Schottky-Sperrschicht aus einer Metallsilizid-SUiziunpaarung besteht darfty daß der Obergang unterhalb der Oberfläche des Halbleiterkörpers gebildet und dadurch das Auftreten von problematischen Oberflächenzuständen vermieden wird, welch letstare dann auftreten, wenn die Substratoberfläche - wie s.B. in Metalloxyd-Xsolatorelementen - die Ubergangsgrensflache darstellt» Bei der erflndungsgenässen Technik dient der für die Bildung des Schlrmringes erforderliche Oxydationsschritt dagegen gleichseitig zur Passivierung aller frei* liegenden Zonen« Der vorgenannte Vorteil von Metall« sillsld-Silizlum-Sperrschichten ist hier weniger ausschlaggebende Hierdurch wird es nun praktisch möglich, gewöhnliche Metall-Halbleiterpsperrschichten wie z.B. Aluminium auf Gold, Palladium auf Germanium, Gold auf Galliumarsenid und ähnliche Kombinationen zu verwenden, wobei die Substratoberfläche im wesentlichen die Sperrschichtgrenzfläche darstellt.
Der im Zusammenhang mit der Erfindung angewendete Begriff "Ring" ist hier in weitestem Sinne zu verstehen«, Es kommt in diesem Susammenhftg nur auf eine Umfassung oder Isolierung eines Teils der planeren aktiven lone an. Die erflndungsgemässe Technik kann ferner auch zur Herstellung von Xsollerzonen in integrierten Schaltungen mit GroBraumintegration (large scale integration · LSZ) angewendet wordene
009822/1481

Claims (1)

195777/»
A 31 402-SZ
Ansprüche
Verfahren zur Herstellung einer gleichrichtenden Halbleitervorrichtung alt einer planaren Oberfläche und einer verdeckt angeordneten, koplanaren Sperrschicht alt gleichrichtender Wirkung « dadurch gekennzeichnet, das in des Halbleiterkörper durch die Xonenbeschuß eine Sone hohen spezifischen Widerstandes eingeführt ViXd9 die sich von der Oberfläche des HalbleiterkOrpers bis unter die gleichrichtende Sperrschicht erstreckt und einen la wesentlichen gleichförmigen Bereich uafasst, der einen Ring ua ein Gebiet des koplanaren Abschnitts der ' gleichrichtenden Grensf lache bestirnt.
2· Verfahren nach Anspruch 1» dadurch gekennzeichnet? dae Sauerstoff», Stickstoff·, Kohlenstoffionen oder Mischungen dieser Ionen in den Halbleiterkörper eingeführt verden.
3· Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dafi die gleichrichtende Grenzfläche ein pn-übergang ist«
4* Verfahren nach Anspruch 1 oder 2„ dadurch gekennzeichnet, daB die gleichrichtende Grenzfläche eine Schottky-Sperrschicht ist.
009822/ U61
5· Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiter Silizium enthält.
6ο Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 0 dadurch gekennzeichnet, dafi innerhalb des von der Zone hohen spezifischen Widerstandes umfassten Gebietes durch Xonenbeschuß Fremdstoffe eingeführt werden„ die den gleichen Leitfähigkeitsty wie der Bereich unterhalb der Sperrschicht aufweisen? derart, das eine elektrische Verbindung von der Oberfläche der Halbleitervorrichtung xu diesem Bereich gebildet wird.
7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Innerhalb des durch den Ring der ersten Zone bestimmten Gebietes eine zweite Zone hohen spezifischen Widerstandes erzeugt wird.
8. Gleichrichtende Halbleitervorrichtung, insbesondere hergestellt nach einem Verfahren gemäss einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Halbleiterkörper (10, 11 bzw. 50, 51) mit einer im wesentlichen planeren Hauptoberfläche und einer unterhalb der Oberfläche sowie koplanar zu dieser angeorneten, gleichrichtenden Sperrschicht (53) vorgesehen ist,daß die Grenzen der Sperrschicht durch einen isolierenden Schirmring (12, 23) bestimmt sind, der sich von der Oberfläche Ober eine die Sperrschichttiefe übertreffende Tiefe in den Halb· leiterkörper erstreckt? und daß der Schirmring
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eingeführte Sauerstoff·,, Stickstoff-· oder Kohlen*· stoffionen enthalte
9, Balbleitervorrichtung nach Anspruch 8« dadurch gekennzeichnet« dae eine durch einen Schirmring (23) eingeschlossene Zone des Halbleiters (215) vorgesehen 1st« die Fremdetoffe des gleichen Leitfahigkeitetyps wie die unterhalb der Sperrschicht (11) befindliche Zone enthält« derart, daß eine elektrische Verbindung von der Oberfläche der Balbleitervorrichtung su dieser Zone besteht.
QO90-22/U81
L e e r s e i t e
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US8865460B2 (en) 2005-08-12 2014-10-21 Clemson University Research Foundation Co-culture bioreactor system

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CH517381A (de) 1971-12-31
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FR2024916A1 (de) 1970-09-04
DE1957774B2 (de) 1972-10-26
US3586542A (en) 1971-06-22
GB1291450A (en) 1972-10-04
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