DE1958082C - Verfahren zum Herstellen einer Halbleiteranordnung - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Halbleiteranordnung mit einer Sperrschicht, bei dem innerhalb einer Ausnehmung einer auf dem Halbleiterkörper abgeschiedenen Isolierschicht eine Mciall-Halbleiterschicht mit einem ringsum im Abstand von der Ausnehmungsbegrenzung angeordneten Metallkontakt erzeugt wird, so daß eine ringförmige Randzone der Metall-Halbleiterschicht frei liegt, und bei dem ein ringförmiger, die Randzone der Metall-Halbleiterschicht einschließender hochohmiger Bereich gebildet wird, der sich bis zu einer der Eindringtiefe der Metall-Halbleiterschicht wenigstens gleichen Tiefe in den Halbleiterkörper hinein erstreckt.

Eine wesentliche Eigenschaft von Sperrschicht Halbleitcranordnungcn ist die Kcnnlinicnkrümmung Im Sperrboreich vor Erreichen der durch den Spannungsdurchbruch der Raumladungszonc gegebenen maximalen Sperrspannung. Eine scharfe Ausprägung des Kennlinicnknickcs im DurchbrucliJbereich bedeutet eine geringe Zunahme des Sperrslroincs bis zum Durchbruch, so daß ein vergleichsweise geringerer Sicherheitsabstand von der Durchbruchspannung ausreicht. Auch wird dadurch die durch Sperrspannung und Sperrslroni gegebene thermische Belastung der Halbleiteranordnung auch bei vergleichsweise hoher Aussteuerung im Sperrbereich vermindert.

Bei den in üblicherweise hergestellten Sperrschicht-Halbleiteranordnungen sind die Randbereiche der Sperrschicht bzw. des Dotierungsüberganges mehr oder weniger gekrümmt bzw. gewölbt und oft auch mit Zerklüftungen behaftet. Dadurch ergeben sich bei in Rückwärtsrichtung spannungsbeaufschlagter Sperrschicht örtliche Feldstärkeüberhöhungen und eine verminderte Dicke der Raumladungszonc Dies hat die genannte Erhöhung des Sperrstromes im Bereich vor der maximalen Sperrspannung, d. h. einen nur schwach gekrümmten Kennlinienverlauf an Stelle eines scharf ausgeprägten Knickes, und eine Verminderung der maximalen Sperrspannung selbst zur Folge.

^ur Abhilfe hat man bereits Halbleiteranordnungen mit einem den ebenen Bereich der Sperrschicht umgebenden Schirmring hergestellt (»The Bell System Technical Journal«, Vol. 47, No. 2, S. 195 bis 208, 1968). Der Schirmring ist hier durch einen in Rückwärtsrichtung spannungsbeaufschlagten PN-Übergang gebildet und bewirkt daher nur eine flächenhafte Isolierung infolge der Raumladungszone, die ihrerseits den einschränkenden Bedingungen der maximalen Sperrspannung unterliegt und außerdem wegen der erforderlichen Vorspannung in Rückwärtsrichtung eine bestimmte Potentialverteilung innerhalb des Halbleiterkörpers erforderlich macht. Letzteres führt insbesondere bei ausgedehnten Halbleiteranordnungen mit mehreren Sperrschichten zu unerwünschten Beschränkungen.

Ferner ist es bekannt (deutsche Auslegeschrift 1 231 355), an der Oberfläche eines Halbleiterkörpers eines Leilfähigkeitstyps durch Eindiffundieren eines Dotierungsstoffes des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps eine hochohmige Ringzone und innerhalb der letzteren durch einen anderen DifTusionsvorgang eine Sperrschicht zu bilden. Die gekrümmten bzw. gewölbten Randbereiche der Sperrschicht sollen hierbei innerhalb der hochohmigen Ringzone liegen. Eine in hohem Maße ebene Sperrschicht ist auf diese Weise jedoch nicht ohne weiteres zu erzielen, weil das EindifTundiercn des Dotierungsstoffes, welcher mit dem Halbleiterkörper die nutzbare Sperrschicht bildet, nach dein Eindiffundieren des die hochohmige Ringzone erzeugenden Doüerungsstoffes erfolgt. Die Diffusion des erstgenannten Dotierungsstoffes verläuft also nicht innerhalb eines homogenen Materials, son dern einerseits in der durch die erste Diffusion bereits veränderten Ringzone und andererseits im unveränderten Bereich des Halbleiterkörper innerhalb der Ringzone vonstatten gehl. Dies kann eine unterschiedliche Diffusionsgeschwindigkeil und damit wiederum eine Unebenheit der Sperrschicht am inneren Rand der hochohmigen Ringzone zur Folge haben. Außerdem ist hier eine vergleichsweise genaue Dotierungseinstellung bei der Bildung der hochohmigen Ringzonc erforderlich, weil die verminderte Leitfähigkeit dieser Zone auf einem annähernden Gleichgewicht von Dotierunussioffcn entgegen eisten Leitfähigkeilstyps beruht. Endlich ist für die Formgebung des linieren Rundes der hochohmigen Ringzone während des ersten Diffusionsvorgangcs ein zentraler Maskenabschnitt erforderlich, der entsprechend genau bemessen und positioniert sowie anschließend vordem /weiten Diffusionsvorgang zur Bildung der Sperrschicht wieder entfernt werden muß. Dies bedeutet zusätzliche Genau igkeitsanf orderungen und Verfahrensschrilte mit entsprechender Verteuerung des Herstellungsvorganges.

Aufgabe der Erfindung ist demgegenüber die Schafiurm eines Herstellungsverfahrens der eingangs erwäiviicn Art für Sperrschicht-Halbleiteranordnungen mit Schirmring, welches die Bildung ebener Sperrschichten ermöglicht und insbesondere hinsichtlich d i iienheitsgrades des nutzbaren Sperrschichtsbereivon den Gegebenheiten unterschiedlicher Diffu nungsligur erläutert, die eine Halbleiteranordnung in schematischem Querschnitt zeigt-

ehe-· von den Gegebenheiten unterschiedlicher Diffusio!!-vorgänge und Dotierungsstoffe unabhängig ist, ami'crseiii aber im Gegensatz zu der Herstellung vi·!: PN-Schirmringen eine Volumenisolierung ermöglit: Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe kci zeichnet sich in Verbindung mit den eingangs er« unten Verfahrensmerkmalen dadurch, daß der rin: ;;>rmige, hochohmige Bereich als isolierender Sei niring ausgebildet wird, indem der rings um den Mi -!!kontakt frei liegende Bereich des Halbleiterkörpe. :nit einem Gasplasma beaufschlagt wird, welches Sa'.·--stoff-, Stickstoff- und/oder Kohlenstoff-Ionen en it.

■ Erzeugung bzw. das Einwachsen einer Oxidsi.;· Μ an einer Halbleiteroberfläche durch Plasmabc ischlagung ist bekannt (USA.-Patentschrift 3 438), jedoch nicht die Bildung von isolierenden Sl ; wringen mittels dieser an sich bekannten T V- · iik.

■.η Vorteil des erfindungsgemäßen Herstellungsvc '.lircns ist insbesondere seine Anpassung an die P!;. jrtechnik und an die Traganschlußtechnik (beam le; technique). Ferner ergibt sich der Vorteil, den M.iiükontakt als Maske bei der Plasmabeaufschlagin ■·_· /ur Umrißformgebung des isolierenden Schirmrii<;\ s zu verwenden, wodurch sich auf einfache Weise eii.. sehr genaue Positionierung des Schirmringes in be/1 ig auf die Sperrschicht ergibt. Da hierdurch eine behindere Oxidmaske entfällt, ergibt sich ein wesentliciier Hcrstellungsvorteil.

!ine so hergestellte Halbleiteranordnung mit volumenisolierendem Schirmring unterscheidet sich v.in solchen mit PN-Schirmring sowohl durch ihre Einfachheit wie auch durch die Möglichkeit, eine Sperrschicht, z. B. für eine Diode od. dgl., mit geringerem Serienwiderstand in der Subslratschicht herzustcllen. Auch entfällt die bei einem PN-Schirmring vorhandene Parallelkapazität zur nutzbaren Sperrschicht. Im einzelnen hat sich insbesondere bei SchoUky-Sperrschichten herausgestellt, daß die Sperr-Durchbruchspannung einer mit einem PN-Schirmring versehenen Sperrschicht dieser Art stark von dem Gradienten der Fremdstoffkonzentration des Scliirmringüberganges beeinflußt wird und daß ein solcher Übergang mit schwachem Konzentrationsgefälle der» Durchbruch begünstigt. Ein derartiger Übergang erfordert ein stärkeres Substrat, was wiederum zur Erhöhung des parasitären Widerstandes beiträgt. Diese Nachteile werden ebenfalls vcrmieden.

Das Verfahren läßt sich insbesondere mit Vorteil für Halbleitcranordnungen mit Metallsiücid-Siliciumsperrschicht anwenden, indem ein Halbleiterkörper aus Silicium verwendet und die Metall-Halbleiterschicht durch ein Silicid gebildet wird. Als Material für den Metallkontakt kommt hierbei insbesondere Zirkon, Hafnium, Aluminium, Wolfram, Tantal oder Niob in Betracht. Als Metallkomponente des Silicids haben sich Nickel, Titan, Zirkon, Hafnium oder eines der sechs Platinmetalle als vorteilhaft erwiesen, Die Erfindung wird weiter an Hand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeich-

Beispiel 1

Bei der dargestellten Ausführung ist ein aus N^T-Silicium bestehendes Substrat 10 mit einer n-leitenden Schicht 11 auf seiner Oberfläche vorgesehen. Nach einem üblichen Verfahren, z. B. durch Dampf- oder Plasma-Oxidation oder durch pyrolytische Abscheidung von SiO₂, wird auf der Oberfläche der N-leitenden Schicht eine Oxidschicht als Isolierschicht 12 erzeugt. Für diese Oxidschicht kommt z. B. eine Dicke in den Grenzen zwischen 1000 A und 10 000 A in Betracht, wobei diese Grenzen jedoch nicht kritisch sind. In der Oxidschicht wird sodann eine Ausnehmung, mit einem Durchmessenr α in der Größenordnung von 25 Mikron ausgeätzt, wobei dieser Durchmesserwert wiederum nur als Beispiel zu betrachten ist. In der Ausnehmung wird ein zur Bildung einer MeUill-Halbleiterschicht 13 im vorliegenden Fall einer Silicidschicht, geeignetes Metall abgeschieden. Zu den in dieser Hinsicht wirksamsten Metallen gehören Nikkei, Titan, Zirkon, Hafnium und die sechs Metalle der Platingruppe. Für die Abscheidung kommen verschiedene übliche Verfahren in Betracht, z. B. Aufdampfen oder Kathodenzerstäubung. Das Metall kann z. B. auch über die gesamte Oberfläche aufgebracht und der gesamte Halbleiterkörper sodann auf eine Temperatur von mehr als 400° C, üblicherweise auf eine Temperatur in der Größenordnung von 700° C, erhitzt werden, um die Bildung der Silicidschicht in der Ausnehmung zu beschleunigen. Das auf der Oxidschicht verbleibende Metall kann sodann durch Ätzen oder entgegengesetzt gerichtete Kathodenzerstäubung entfernt werden. Die Dicke des zur Silicidbildung abgeschiedenen Metallfilms beträgt zweckmäßig 1000 A, kann gegebenenfalls jedoch auch in einem Bereich von 400 A bis 2000 A liegen. Nach der Silicidbildung wird eine aus Titan bestehende Schicht 14 und eine aus Platin bestehende mittlere Schicht 15 zur Bildung eines Metallkontaktes, z. B. eines üblichen Traganschlusses (beam lead) aufgebracht. Für diese Schichten kommen Dicken von 1000 A bzw. 3000A in Betracht, wobei es sich wiederum nicht um kritische Werte handelt. Es sollte ausreichend Titan aufgebracht werden, um eine gute Haftung des Metallkontaktes an dem Silicid zu erreichen. Außerdem wirkt das Titan, als Getter. Für diese Zwecke ist eine Schichtdicke von 500 A bis 2000 A ausreichend. Die Platinschicht dieni: lediglich zur Trennung der Titanschicht von einer später aufgebrachten Goldauflage und sollte etwas stärker als die Titanschicht sein, z. B. also eine Dicke zwischen 1000 A und 5000 A aufweisen. Sodann wird eine Goldauflage 16 mit Abmessungen, welche den Umriß des Metallkontaktes bestimmen, auf einem vorgegebenen Abschnitt der Titan-Platin-Schicht in der Weise abgeschieden, daß eine Ringzone zwischen dieser Goldauflagc und dem Rand der Ausnehmung bzw. dem umgebenden Oxid verbleibt. Die Dicke der Goldauflagc beträgt z. B. 1 bis 20 Mikron und sollte wenigstens das Doppelte der Tilan-Platin-Schichtdicke ausmachen, um eine anschließende Rückzerstäubung zu ermöglichen. Im übrigen ist diese Schichtdicke vergleichsweise unkritisch. Die Schichten des Metallkonlakles können nach einem der üblichen Verfahren, elektrolytisch aufgebracht werden. Form und Größe des Metallkontaktes sind unkritisch, sofern die Ring-

zone zwischen dem Metallkontakt und dem Ausnehmungsrand erhalten bleibt. Das innerhalb der Ausnehmung frei liegende Platin wird dann durch Rückzersläubung entfernt. Während dieses Schrittes wirkt die Goldauflage als Maske und bestimmt den Umriß der verbleibenden Platinzone. Infolge der vergleichsweise großen Schichtdicke der Goidauflage ist die Rückzerstäubung für die letztere vernachlässigbar. Eine für die vorliegenden Zwecke anwendbare Rückzerstäubungstechnik ergibt sich aus der USA.-Patentschrift 3 271 286. Das durch den letzten Arbeitsschritt freigelegte Titan wird ebenfalls durch Rückzerstäubung entfernt. Es ergibt sich somit ein Metallkontakt, der aus einer unteren Titanschicht als Schicht 14, einer Platinschicht als mittlere Schicht IS und oberen Goldauflage 16 besteht.

Ausgehend von dem vorangehend beschriebenen Ausführungsbeispiel des Verfahrens sind sinngemäß verschiedene Abwandlungen denkbar. Wenn z. B. das Silicid vor der Bildung der Oxidschicht über die gesamte Substratoberfläche abgeschieden wird, so entfällt die Entfernung des silicidbildenden Metalls von der Oxidoberfläche. In diesem Verfahrensstadium kommt es darauf an, eine Ringzone zwischen dem Metallkontakt und dem Ausnehmungsrand und der Oxidschicht zu erhallen.

Sodann wird der innerhalb der Ausnehmung frei liegende Bereich des Halbleiterkörpers, im vorliegenden Fall also die hier befindliche Silicidschicht, die z. B. aus Zirkonsilicid besteht, mit einem Gasplasma beaufschlagt, welches Sauerstoff-, Stickstoff- und/oder Kohlenstoff-Ionen enthält. Dadurch wird der innerhalb der Ausnehmung befindliche Oberflächenbercich des Halbleiterkörpers bis in eine Tiefe, die wenigstens der Dicke der Silicidschicht entspricht, in isolierende Substanz umgewandelt. Es ergibt sich so ein isolierender Schirmring entsprechender Tiefe, der den unterhalb des Melallkontaktes befindlichen Silicid-Silicium-Übergang, d. h. die Sperrschicht, umgibt und die unebenen Randbereiche da" diesen Übergang bildenden Grenzfläche abschneidet. Im Fall der Anwendung eines saucrstoffionenhaltigen Plasmas erfolgt die Umwandlung des frei liegenden Halbleiterkörperbereiches in isolierende Substanz durch Oxidation des Silicids bzw. des darunter befindlichen Siliciums.

Für die Plasmabeaufschlagung kommt z. B. ein Verfahren nach der USA.-Patentschrift 3 337 438 in Betracht. Die bloße Abscheidung eines Oxidfilms in der Ringzone wäre nicht ausreichend, da sich der isolierende Schirmring bis unter der Oberfläche und unter die Silicid-Silicium-Grenzfläche erstrecken sollte, und zwar in eine Tiefe, welche die Dicke der Raumladungsschicht übertrifft Im allgemeinen wird eine Erslreckung des Schirmringes um wenigstens 1000 A unter die Silicid-Silicium-Grenzfläche ausreichend sein. Bei Verwendung von Platin als silicidbildendes Metall wird das Platinsilicid vorzugsweise vor der Oxidation durch Rückzerstäubung entfernt, da das Platinsilicid der Oxidation widersteht. Es ergibt sich so eine Halbleiteranordnung mit einem auf seiner gesamten Flächenerstreckung planaren Übergang. Infolge der Verwendung des Metallkontaktes als Maske während der Plasmabeaufschlagung wird der Schirmring in genauer Ausrichtung mit dem Metallkontakt gebildet.

Bei der bisherigen Beschreibung ist von Metallsilicid-Spcrrschichtcn bzw. Grenzschichten die Rede gewesen. Es versteht sich jedoch, daß das Verfahren auch bei Metall-Halbleiter-Sperrschichten anwendbar ist, z. B. auf Aluniinium-Silicium-, Paladium-Gcrmanium-, Gold-Galliumarsenid-Spcrrschichten, wobei die Substratoberfläche die Grenzfläche bildet.

Beispiel 2

Eine Siliciumscheibe als Substrat 10 mit einer Epitaxialschicht als n-leilendcr Schicht 11 von etwa

1 Ohm cm spezifischen Widerstand ist als Halbleiterkörper vorgesehen. Eine 5 Mikron starke Oxidschicht als Isolierschicht 12 wird durch Pyrolyse von Tetraäthoxisilan in Wasserstoff bei 900° C gebildet. Es kommt auch eine Mischung von SiCl₄, CO₂ und H₂ mit einer Zersetzungstemperatur von 1000° C in Betracht. Das Oxid wird unter Anwendung eines üblichen fotolithografischen Verfahrens zur Bildung einer Ausnehmung mit dem Durchmesser α von etwa 25 Mikron gemäß F i g. 1 geätzt. Sodann wird auf die Oberfläche der Halbleiter-Vorrichtung ein Zirkonium von 0,1 Mikron Dicke durch Zerstäubung aufgebracht. Film und Substrat werden dann auf eine Temperatur von 700° C erhitzt, wobei sich in der Ausnehmung der Oxidschicht Zirkonsilicid bildet. Der Zirkonüberzug der Oxidschicht kann gegebenenfalls mit verdünnter Fluorwasserstoffsäure entfernt werden, die Zirkon auflöst, Zirkonsilicid jedoch nicht merklich angreift. Die Silicidschicht kann auch vor dei Bildung der Oxidschicht auf die gesamte Substratoberflächc aufgebracht werden, wobei der Verfahrensschritt zur Entfernung des Zirkons von der Oberfläche der Oxidschicht entfällt. Zur Bildung des Mctallkontaktes wird eine Auflage von 0,15 Mikron Titan und sodann 0,35 Mikron Platin aufgesprüht. Hier empfiehlt sich die Verwendung eines Zweikathodensystems, wie es in »Review of Scientific instruments«, 32, Seiten 642 bis 645 (1961) beschrieben ist. Über den Platin-Titan-Kontakt wird eine Auflage von 12 Mikron Gold elektrolytisch aufgebracht, z.B. durch Elektroplattierune gemäß USA.-Patcntschrift

2 905 601.

Die Goldauflage 16 und die Schichten 14 und 15 begrenzen nun innen die ringförmige Ausnehmung. Durch Rückzerstäubung wird das Platin und das Titan der letztgenannten Schichten innerhalb dei Ausnehmung entfernt. Eine entsprechende Schichtdicke von Gold geht bei diesem Schritt verloren, jedoch ist dieser Anteil gering im Vergleich zu dei gesamten Dicke der Goldauflage. Der Schirmrini wird sodann durch Einwachsen einer Oxidschicht ir das frei liegende Zirkonsilicid und das darunter be findliche Silicium unter Verwendung des Mctallkon taktes als Maske hergestellt. Die Oxidation win durch Beaufschlagen der Silicidschicht mit hoch energetischem Sauerstoffplasma ausgeführt. Da Plasma wird in einer Mikrowellenquelle erzeugt, di mit einer Leistung von 300 bis 1000 Watt bei eine Frequenz von z. B. 2450 MHz mit Sauerstoff bei einen Druck von einem Torr und mit einer Gleichvorspar nung von 70VoIt zwischen den Elektroden arbeite Weitere Einzelheiten dieses Verfahrens ergeben sie aus der USA.-Patentschrift 3 337 438. Die Oxidschict wird bis zu einer Tiefe von etwa 2000A gerächte wozu eine Beaufschlagungsdauer mit dem Sauerstoff plasma von etwa 20 Minuten erforderlich ist

Es ergibt sich eine Halbleiteranordnung mit ein« verdeckten und durch einen isolierenden Schirmrir eingeschlossenen, ebenen Sperrschicht.

Beispiel 3

Das erläuterte Verfahren hat nicht nur für die erwähnten Metallsilicid-Silicium-Sperrschichten und Oxid-Schirmringe Bedeutung, vielmehr erstreckt es sich auch auf andere isolierende Schirmringstrukturen in Verbindung mit Sperrschichten. Eine mögliche Abwandlung ergibt sich durch Anwendung eines Siliciumnitrid-Schirmringes. Eine solche Halbleiteranordnung ist mit einem Verfahren herstellbar, welches weitgehend mit dem beschriebenen Verfahren zur Herstellung eines Oxid-Schirmringes übereinstimmt. Das Sauerstoffplasma wird dabei durch ein Stickstoffplasma ersetzt.

Es kommt im wesentlichen darauf an, daß der Schirmring isolierend ist. Hierfür kommt die Anwendung von Stickstoff-, Sauerstoff- und Kohlenstoffionen sowie von Verbindungen dieser Substanzen wie z. B. NO⁺ und CO⁺ in Betracht. Schirmringstrukturen der beschriebenen Art können ferner auch in Verbindung mit anderen Metall-Halbleiter-Sperrschichten verwendet werden, z. B. in Verbindung mit Paladium-, Germanium- und Gold-Galliumarsenid-Sperrschichten. Die Bezeichnung »Ring« umfaßt in diesem Zusammenhang die verschiedensten Ausführungen von umgreifenden Strukturen, wobei gegebenenfalls auch sternartige oder vieleckige Formen in Betracht kommen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herstellen einer Halbleiteranordnung mit einer Sperrschicht, bei dem inner- halb einer Ausnehmung einer auf dem Halbleiterkörper abgeschiedenen Isolierschicht eine Meiall-Halbleiterschicht mit einem ringsum im Abstand von der Ausnehmungsbegrenzung angeordneten Metallkontakt erzeugt wird, so daß eine ringförmige Randzone der Metall-Halbleiterschicht frei liegt, und bei dem ein ringförmiger, die Randzone der Metall-Halbleiterschicht einschließender hochohmiger Bereich gebildet wird, der sich bis zu einer der Eindringtiefe der Metall-Halblederschicht wenigstens gleichen Tiefe in den Halbleiterkörper hinein erstreckt, dadurch gekennzeichnet, daß der ringförmige, hochohmige Bereich als isolierender Schirmring ausgebildet wird, indem der rings um den Metall- kontakt (14,15,16) frei liegende Bereich des HaIblciterkörpers (10,11,13) mit einem Gasplasma beaufschlagt wird, welches Sauerstoff-, Stickstoff- und/oder Kohlenstoff-Ionen enthält.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Halbleiterkörper aus Silicium verwendet wird und die Metall-Halbleilerschicht durch ein Silicid gebildet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Material für den Metallkontakt Zirkon, Hafnium, Aluminium, Wolfram, Tantal oder Niob verwendet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Metallkompor<enle des SiIicids Nickel, Titan, Zirkon, Hafnium oder eines der sechs Platinmetalle verwendet wird.