DE2048201A1

DE2048201A1 - Halbleitervorrichtung

Info

Publication number: DE2048201A1
Application number: DE19702048201
Authority: DE
Inventors: Masakatsu Yonezawa Toshio Kato Taketoshi Yokohama Watanabe Ma saharu Kawasaki Akatsuka Minoru Yoko hama Nakamura, (Japan) HOIl 1 12
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1970-03-27
Filing date: 1970-09-30
Publication date: 1971-10-14
Also published as: ES384149A1; FR2083799A5; NL163903C; US3694707A; NL163903B; NL7014340A; GB1272033A; DE2048201B2

Description

BANKKONTO:
BANKHAUS H. AUFHÄUSER

Case 45540-3

Tokyo Shibaura Electric Co., Ltd., Kawasaki/Japan

Halblei tervorrichtung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Halbleitervorrichtung, bei der ein Schutzfilm ein freiliegendes Ende eines pn-Übergangs bedeckt.

Bei Halbleitervorrichtungen, wie Dioden, Transistoren oder integrierten Schaltkreisen, wird im allgemeinen ein isolierender Film, beispielsweise ein Siliciumdioxyd-Film, verwendet, der die Oberfläche des Halbleitersubstrats, insbesondere an den freiliegenden Enden eines pn-Übergangs, abdeckt, um die Vorrichtung vor Feuchtigkeitseinflüssen oder schädlichen Verunreinigungen zu schützen, so daß die Vorrichtung ihre vorgeschriebenen Eigenschaften beibehält.

Solche Siliciumdioxyd-Filme können auf das Substrat durch Erwärmen des Siliciumsubstrats in oxydierender Atmosphäre aufgebracht werden, wobei die Oberfläche oxydiert wird, oder es kann ein Siliciumdioxyd-Niederschlag auf dem Substrat durch Anwendung der chemischen Reaktion SiH₄ + O₂ —»- SiO₂ aufgebracht werden. Beide genannten Techniken schließen die Gefahr des Entstehens hoher Druckbeanspruchungen, beispielsweise von

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COPT

3 χ 10 dyn/crn im Siliciunidioxyd-Film auf Grund der großen Differenz der Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen dem SiIiciumdioxyd-Film und dem Substrat ein. So entstehen beispielsweise bei der Ausbildung eines Siliciumdioxyd-Films von'5 Mikron Dicke auf dem SiLiciumsubstrat eine große Anzahl von Sprüngen im Siliciumdioxyd-Film auf Grund der darin entstehenden hohen Spannung, so daß der Film seine ihm zugedachte Schutz funktion nicht oder nur sehr unvollständig erfüllen kann. Bei Mehrschicht- oder Mehrleiter-Halbleitervorrichtungen, etwa bei integrierten Schaltkreisen, entsteht dabei die Gefahr von Kurzschlüssen zwischen einer Vielzahl von Zuführungsdrähten. Aus diesem Grund kann der Siliciumdioxyd-Film auf dem Substrat ohne Sprünge nur bis zu einer Dicke von etwa 3 Mikron maximal hergestellt werden.

Aufgabe der Erfindung ist.es, eine Halbleitervorrichtung zu schaffen, die keine Sprünge im isolierenden Film aufweist, der das freiliegende Ende eines pn-Übergangs abdeckt, der in dem Halbleitersubstrat ausgebildet ist.

Eine erfindungsgemäße Halbleitervorrichtung ist gekennzeichnet durch ein Halbleitersubstrat mit einer Hauptfläche, an der ein Ende eines in dem Substrat ausgebildeten pn-Übergangs freiliegt und die eine Arsen und Phosphor enthaltende Schutzfläche auf der Hauptfläche aufweist, wobei der Schutzfilm mindestens das freiliegende Ende des pn-Übergangs bedeckt.

Die Erfindung und vorteilhafte Einzelheiten werden im folgenden an mehreren Ausführungsbeispielen anhand von Zeichnungen erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 in graphischer Darstellung den Konzentrationsbereich von Arsen und Phosphor, mit dem sich erfindungsgemäß zu bevorzugende Ergebnisse erzielen lddjen;

FLg. 2 einen Schnitt durch eine Planardiode gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;

COPY

1 0 a 3 4 2 / 1 B 6 1

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Fig. 3 einen Schnitt durch einen integrierten Schaltkreis gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung, und

Fig. 4A bis 4P zeigen in Schnittansicht die verschiedenen Herstellungsstufen einer Mesa-Diode, die die erfindungsgemäßen Merkmale aufweist.

Zunächst soll die Erfindung anhand mehrerer Experimente erläutert werden.

Wird ein Siliciumdioxyd-Film, der Arsen und Phosphor enthält, auf einem Siliciumsubstrat aufgebracht, so erreicht der Wärmeausdehnungskoeffizient des Films etwa den entsprechenden Viert des Substrats, so daß keine Sprünge im Film auftreten. Der Grad, bis zu dem dieser Wärmeausdehnungskoeffizient des Films dem des Substrats angenähert werden kann, hängt vom Mischungsverhältnis und der Konzentration von Arsen und Phosphor im Film ab. In dem in Fig. 1 mit gestrichelten Linien umgebenen Bereich, insbesondere in dem schraffierten Bereich, läßt sich ein Siliciumdixyd-FiIm in bestimmter Dicke herstellen, ohne daß die Gefahr schädlicher Sprünge oder Risse auftritt. Innerhalb des erstgenannten Bereichs läßt sich ein Film von mehr als 20 Mikron Dicke herstellen, bei dem die Druck- oder allgemeine Spannungsbelastung

Q p

weniger als 3 χ IO tiyn/cm erreicht, und im letztgenannten engeren Bereich kann ein Film mit einer Dicke von 50 Mikron hergestellt werden, und die Spannung liegt noch immer unter Ix 10 dyn/cm . Im einzelnen ist der erstgenannte Bereich durch den Arsenanteil mit einer Verunreinigungskonzentration

19 21 / 3

von 2 χ 10 bis 4 χ 10 Atomen/cm und einer Phosphorkonzentration von 1 χ 10 bis 4 χ 10 Atomen/cm bestimmt, und der letztgenannte Bereich liegt innerhalb des erstgenannten Bereichs, wie die Fig. 1 zeigt, und darin liegt die entsprechende Atomkonzentration von Arsen und Phosphor im Verhältnis von 1:1 bis zu 1:10.

Die folgende Tabelle I zeigt das Verhältnis zwischen der Kon-

P As

zentration von Phosphor (N ) und Arsen (N ), die in einem Siliciumdioxyd-Film dabei entstehende Druck- bzw. Spannungsbeanspruchung und die herstellbare Maximaldicke eines Films.

1 0 9 fi L 2 I 1 K Π 1

COPt

·- 4 -Tabelle I

ρ ία Ί Spannung Maximale Dicke

Probe N (Atome/cm ) N (Atome/cm ) (dyn/cm²) (Mikron)

1 Ix 1O²⁰ 4 χ 1O²¹

2 Ix 1O²⁰ 3 χ 1O²¹

3 2 χ 1O²⁰ 2 χ 1O²⁰

4 3 χ 1O²⁰ 3 χ 1O²⁰

PD 19

5 4 x 1CT^U 8 χ 1O^X*

6 2 χ 1O²¹ 1 χ 1O²¹

21 21

7 3 χ IO 2 χ 10

8 3 χ 1O²¹ 2 χ 1O²⁰

?1 1Q

9 3 χ 10 3 χ KT*

10 5 χ 1O²⁰ 3 χ 1O¹⁹

11 O O

12 Ix ΙΟ²¹ O

In der obigen Tabelle entsprechen die Proben 1 bis 10 den Punkten in Fig. 1, wobei die entsprechenden Punkte entsprechend numeriert sind, während die Proben 11 und 12 dem Stand der Technik entsprechen. Die entsprechend der obigen Tabelle untersuchten Siliciumdioxyd-Filme waren mit Arsen und Phosphor dotiert oder der (P + As)-dotierte Oxydfilm wurde so hergestellt, daß das Siliciumsubstrat in einer SiH₄ + PH₃ + AsH₃ + O_- Atmosphäre erwärmt wurde, um einen Siliciumdioxyd-Film niederzuschlagen, worauf eine Wärmebehandlung bei einer Temperatur von IOC
folgte,

2,8	X	10⁸	.20
3	X	10⁸	30
3	X	ao⁸	20
0,8	X	W⁸	50
0,8	X	10⁸	50
0,7	X	10⁸	60
0,7	X	10⁸	55
2,8	X	10⁸	35
3	X	10⁸	20
3	X	10⁸	25
2,39	X	10⁹	^: 3
9,27	X	10 ⁸	10

von 1000⁰C während 10 Minuten zur Verdichtung des Films er-

Wie sich aus Tabelle I ergibt, kann mit jeder Probe ein Siliciumdioxyd-Film auf einer Halbleitervorrichtung von mehr als 20 Mikron Dicke erzeugt werden, ohne daß die Spannung auf Werte

Q O ■ ' .'■-.-■.■■■■■

über 3 χ 10 dyn/cm ansteigt, wobei insbesondere die Proben bis 7 in dem schraffierten Bereich die besten Ergebnisse zeigten. Beispielsweise kann ein erster Film, der unmittelbar auf

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PPI !! ' ■ ■ ^; ·^; "■ '■■ ■ W' a. »ill ,; 9ψξ I! »i|! ■ ;■

das Substrat aufgebracht ist, aus Siliciumnitrid bestehen, und ein zweiter, auf den ersten Film aufzubringender Film kann aus (P + As)-dotiertem Oxyd bestehen. Weiterhin kann der erste Film aus reinem Siliciumdioxyd-Film bestehen, während der zweite Film aus (P + As)-dotiertem Oxyd bestehen kann, und schließlich kann ein zusätzlicher dritter Film über dem zweiten Film aus Siliciumnitrid aufgebracht sein.

Die erwähnte vorteilhafte Wirkung läßt sich auch bei der Anwendung auf andere geeignete Halbleitersubsträte erreichen, beispielsweise bei Germanium oder Galliumarsenid, und es können auch andere Schutzfilme, wie etwa Siliciumnitrid, vorgesehen Jj werden»

Es wird nun eine Halbleitervorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung unter Bezug auf Fig. 2 näher erläutert.

Die dargestellte η np -Planardiode weist ein η-leitendes SiIiciumsubstrat 10 auf, auf dessen einer Seite ein η -Bereich 11 durch Diffusion von n-Verunreinigungen, etwa von Phosphor, ausgebildet ist. Ein ρ -Isolationsbereich 12 ist auf der anderen Hauptfläche des Substrats mittels selektiver Diffusion erzeugt, so daß ein pn-übergang 13 dazwischenliegt, dessen Ende auf der Stirnseite des Substrats freiliegt. Als diese letztgenannte Hauptfläche kann die (111)-Fläche verwendet werden. Ein dünner ™ Silciiumdioxyd-Film 14 ist auf der letztgenannten Hauptseite des Substrats und über dem freiliegenden Ende des pn-Übergangs niedergeschlagen. Der Siliciumdioxyd-Film 14 ist mit einem weiteren Siliciumdioxyd-Film 15 überdeckt, der Arsen in einer Kon-

21 3
zentration von 1 χ 10 Atomen/cm und Phosphor in einer Konzentration von 2 χ 10 Atomen/cm enthält. Der zweite isolierende Schutzfilm 15 kann eine Dicke von 3 bis 15 Mikron, .aufweisen. Die erhaltene Anordnung kann bei einer Temperatur von 1000⁰C während etwa 10 Minuten zur Verdichtung des isolierenden Films erwärmt werden* Auf den n- und p-Bereichen 11 und 12 werden eine Anoden- und eine Kathodenelektrode 16A bzw. 16B angebracht. Die Anödenelektrode 16A ist mit einer Wolframplatte 17, beispielsweise einer nicht gezeigten Umhüllung, verbunden,

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während die Kathodenelektrode 16B mit einem Durchführungsdraht 18 verbunden ist. Das Substrat und die Schutzfilme werden schließlich mit Epoxydharz 19, außer im Bereich der Leitungsdurchführung, umgeben. ...·..

Fig. 3 zeigt als weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung.,, einen integrierten Schaltkreis. Der Schaltkreis weist in. .einem Siliciumsubstrat 21 drei aktive Halbleiterelemente 20 auf, die jeweils mindestens einen pn-übergang besitzen. Das. Ende des pn-Übergangs liegt an der Hauptseite des Substrats 21 frei. Auf der anderen Hauptseite ist ein reiner Siliciumdioxydfilm 22 von 2 Mikron Stärke, außer im dem Bereich des Elements, an

dem eine Elektrode zu befestigen ist, aufgebracht. Ein weiterer Siliciumdioxydfilm 23 ist auf dem isolierenden Film 22_<niedergeschlagen und enthält Arsen und Phosphor jeweils in einer Verunreinigungskönzentration von 3 χ 10 Atomen/cm . Metallelektroden 24 sind jeweils an entsprechenden Stellen mit den aktiven Elementen 20 verbunden.

Unter Bezug auf die Fig. 4A bis 4D wird nun ein Verfahren zur Herstellung einer Mesa-Diode beschrieben. Von entgegengesetzten Seiten eines p-Siliciumplättchens 40 von 300 Mikron Dicke aus wird Phosphor und Bor so eindiffundiert, daß ein η -leitender Bereich 41 von 30 Mikron Tiefe und ein ρ -Bereich 42 von 50 Mikron Tiefe auf beiden Seitenflächen jeweils ausgebildet wird. In die Hauptfläche des Plättchens werden durch selektives Ätzen Nuten 43 so eingebracht, daß deren Tiefe größer ist als die des n⁺-Bereichs 41 (Fig. 4A). Auf dieser Fläche des Plättchens und Wänden der Nuten wird ein. erster isolierender Film 44 aus Siliciumdioxyd und dann auf der.gesamten Fläche des ersten Films ein zweiter isolierender Film 45 aus (P + As)-dotiertem Oxyd aufgebracht, wobei der letzt-

21

genannte Film Phosphor in einer Konzentration von 2 χ 10 Atomen/cm und Arsen in einer Konzentration von 5 χ 10 Atomen/cm enthält (Fig. 4B). Der zweite Schutzfilm 45 kann so ausgebildet werden, daß das Plättchen bei einer Temperatur von 5OO°C in einer Atmosphäre von 12 l/std. SiH₄, 190 l/std. PH₃₁ 47 l/std. AsH- und 100 l/std. O₃ erwärmt wird. Das Substrat 40, das mit

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den isolierenden Filmen verbunden ist, wird dann bei einer Temperatur von 1OOO°C während IO Minuten in einer Stickstoffatmosphäre erwärmt, um die Filme ausreichend zu verdichten. Der zweischichtige Siliciumdioxyd-Film wird dann von der Plättchenoberfläche, außer an den Innenwänden der Nuten 43, entfernt (Fig. 4C). Die Plättchenoberfläche wird dann entlang der Mittellinie der Nuten geritzt und in Mesa-Diodenelemente zerteilt (Fig. 4D).

Die folgende Tabelle II zeigt die Ergebnisse von Lebensdauer-Versuchen an den obenerwähnten Dioden bei verschiedenen Dicken des (P + As)-dotierten Oxydfilms im Vergleich zu herkömmlichen Dioden dieser Art.

Tabelle IX

Filmdicke Ursprüngliche Ausbeute nach Ausbeute nach der Probe I II Ausbeute (%) dem I.Versuch 2. Ver such sb eur teilung

83 0 12 81 92 91 89 93 98 99

In Tabelle II ist mit der Filmdicke die Dicke des Siliciumdioxyd-Films bezeichnet, wobei I einen reinen Siliciumdioxyd-Film und II den (P + As)-dotierten Siliciumdioxyd-Film kennzeichnet. Mit "ursprünglicher Ausbeute" ist eine Ausbeute vor dem ersten Lebensdauerversuch bezeichnet, und mit "1.Versuch" und "2..Ver such" ist ein Lebensdauerversuch von 100 bzw. 1000

1	-	2	-	87	86
2	0,2	—	89	26
3	0,2	2	91	37
4	0,2	3	88	86
5	0,2	5	93	93
6	0,2	10	91	91
7	0,2	15	89	89
8	0,2	20	95	94
9	0,2	50	98	98
10	2	99	99

Stunden bezeichnet, wobei der Lebensdauerversuch unter Anlegen einer 300 Volt-Gleichspannung an die Diode erfolgt und der Durchgangsstrom in Rückwärtsrichtung gemessen wird und die Ausbeutebeurteilung auf einem Strompegel von 1 mA erfolgt.

Die Proben 1 bis 3 entsprechend dem Stand der Technik, wobei lediglich die Probe. 1 einer Mesa-Diode entspricht, die eine Metallumhüllung aufwies· und der Film in Spalte II der Pirobe 3 lediglich mit Phosphor dotiert war»Die Probe 10 zeigt den Fall, bei dem eine Metallumhüllung verwendet wurde.

Wie sich aus Tabelle II klar ergibt, können die erfindungsgemäßgen Dioden (Proben 4 bis 10) mit einer hohen ursprünglichen Ausbeuterate hergestellt werden, und auch nach dem 1. und 2. Lebensdauertest ergeben sich nur geringfügig veränderte Diodenkennwerte.

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Claims

_ 9 —

Patentansprüche

SS — 53 25 SS SZ SS SS S SZ SS μ ZS SZ ~ S SS — SS — ZS SZ SZ SS — SZ SS « SC

Θ Halbleitervorrichtung, gekennzeichnet durch ein Halbleitersubstrat mit einer Hauptfläche, an der ein Ende eines in dem Substrat ausgebildeten pn-Übergangs freiliegt, und mit einem Arsen und Phosphor enthaltenden Schutzfilm auf der Hauptfläche, der mindestens das freiliegende Ende des pn-Übergangs bedeckt.
2.) Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1,dadurch _t gekennzeichnet , daß der Film aus einer ersten und einer zweiten Filmschicht besteht und daß die erste Filmschicht unmittelbar auf die Hauptfläche des Substrats und die zweite Filmschicht auf die erste Filmschicht aufgebracht wird und Arsen und Phosphr enthält.
3.) Halbleitervorrichtung nach Anspruch 2, d a d u r c h gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Filmschichten Siliciumdioxyd-Filmschichten sind und.das Substrat ein Siliciumsubstrat ist.
4.) Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Arsen und Phosphor

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in einer Verunreinigungskonzentration von 2 χ 10 bis 4 χ 10 Atomen/cm bzw. von 1 χ 10 bis 4 χ 10 Atomen/

3
cm vorliegt.
5.) Halbleitervorrichtung nach Anspruch 4, d a d u r c h gekennzeichnet, daß das Arsen und der Phosphor in einem Verhältnis der Atomkonzentrationen von 1:1 bis 1:10 gemischt sind.

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