DE2049696C3

DE2049696C3 - Halbleiterbauelement und Verfahren zum Herstellen

Info

Publication number: DE2049696C3
Application number: DE19702049696
Authority: DE
Inventors: Minoru Akatsuka; Taketoshi Yokohama Kato
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1970-02-07
Filing date: 1970-10-09
Publication date: 1982-02-18
Also published as: GB1288029A; NL7014842A; NL162512C; DE2049696B2; FR2080965B1; NL162512B; DE2049696A1; FR2080965A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement mit einem Halbleitersubstrat aus Silizium und einem hierin ausgebildeten mit Arsen und wenigstens einer anderen Verunreinigung dotierten Bereich.

Solche Halbleiterbauelemente mit einem Halbleitersubstrat aus Silizium, das z. B. mit Phosphor und Arsen bei einer bestimmten Gesamtkonzentration von Phosphor und Arsen dotiert ist ist in der österreichischen Patentschrift 24 33 18 beschrieben. Auch in der deutsehen Auslegeschrift 12 08 009 sind Halbleiterbauelemente der obengenannten Art beschrieben. Zur Verhinderung von Gitterdefekten werden hier zwei unterschiedliche Elemente zusammen in das Halbleitersubstrat diffundiert wobei das Atom des einen Elements ίο größer als das Substratatom und das Atom des anderen Elementes kleiner als das Substratatom ist Die beiden Elemente sind so ausgewählt daß deren mittlere Größe sich der Größe des Substratatoms nähert Die Verunreinigungsatome bilden hier einen Teil des Substratgitters. Insbesondere werden die Gitterdefekte, die durch die gegen die Si-Atome gezogenen P-Atome erzeugt werden, durch As-Atome kompensiert die größer als P-Atome sind, so daß Gitterdefekte in allerdings nur sehr grober Weise verhindert werden.
Der Erfindung iiegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Halbleiterbauelement der eingangs genannten Art eine bessere Versetzungsfreiheit zu erhalten.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst

daß das Verhältnis der Anzahl der Atome des Arsens pro Kubikzentimeter zur Anzahl der Atome der anderen Verunreinigung pro Kubikzentimeter 3-40:100 beträgt

Werden beispielsweise nur P-Atome in das Siliziumsubstrat diffundiert so werden die P-Atome gegen die Si-Atome gezogen, da das P-Atom kleiner als das Si-Atom ist. Dies würde zu Gitterdefekten führen. Bei einem Halbleiterbauelement gemäß der Erfindung mit kleinem Anteil von As-Atomen, die zusammen mit P-Atomen dotiert werden, lagern sich die As-Atome nun in den freien Plätzen im Gitter, so daß die P-Atome in ihre richtige Stellung geschoben und hierdurch Gitterdefekte vermieden werden.

Bei Halbleiterbauelementen mit einem Basisbereich geringer Breite wird darüber hinaus der sog. Emittertaucheffekt vermieden.

Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements und Verfahren zu seiner Herstellung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen

F i g. 1A bis ID Schnitte durch verschiedene Stufen zur Herstellung eines NPN-Planartransistors,

F i g. 2 eine schematische Darstellung der Vorrichtung, die geeignet für die Herstellung des in den F i g. 1A so bis 1D gezeigten Transistors ist,

F i g. 3A bis 3E Schnitte durch verschiedene Stufen in der Herstellung eines modifizierten PNP-Planartransistors,

F i g. 4A bis 4D zeigen Schnitte durch aufeinanderfolgende Herstellungsstufen einer Diode,

F i g. 5A bis 5D zeigen aufeinanderfolgende Schritte in der Herstellung eines gesteuerten Siliziumgleichrichters,

F i g. 6A bis 6D durch Röntgentopographie hergestellte Fotographien von Halbleiterbauelementen gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung und gemäß dem Stand der Technik,

Fig. 7A bis 7E Fotographien, die durch Röntgenstrahltopographie hergestellt wurden, um den Einfluß der Versetzungsdichte des Substrats auf Gitterdefekte zu zeigen,

Fig.8A ein Diagramm des Rauschfaktors eines Planartransistors vom NPN-Typ gemäß einem Ausfüh-

rungsbeispiel der Erfindung und eines bekannten ähnlichen Transistors,

Fig.8B ein Diagramm zwischen Rauschfaktor und Frequenz bei Transistoren, die verschiedene Kristallebenen benutzen,

F i g. 9A bis 9C verschiedene Charakteristiken eines Hochfrequenztransistors gemäß einem Ausführungsbeispie! der Erfindung und eines bekannten Hochfrequenztransistors,

Fig. 10 eine Fotographie eines Hochfrequenztransistors gensjS einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei zu sehen ist daß ein Emittertaucheffekt nicht vorhanden ist

F i g. 11 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem Phosphor/Arsen-Verhältnis und dem Emittertaucheffekt zeigt,

Fig. 12 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Zeitdauer einer Wärmebehandlung und der Lebensdauer einer Diode gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung und einer bekannten Diode zeigt

F i g. 13 ein Schaltbild eines Kreises, der zur Messung der Schaltzeit einer Schaltdiode verwendet wird,

Fig. 14 ein Diagramm zum Vergleich der Schaltzeiten der gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung und einer nach dem Stand der Technik,

Fig. 15A und 15B die Beziehung zwischen der Zeitdauer einer Wärmebehandlung und dem Vorwärtsspannungsabfall eines gesteuerten Silizium-Gleichrichters nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung nach dem Stand der Technik, wobei im Fall der in Fig. 15A ein versetzungsfreies Substrat verwendet wurde, wogegen im Fall der F i g. 15B eine (111)-Ebene als Substratobe^rfläche verwendet wurde,

F i g. 16 einen Vergleich der theoretischen Kurve der Verunreinigungskonzentration in einem diffundierten Bereich mit Verunreinigungskonzentrationskurven für verschiedene Mengenverhältnisse von Arsen zu Phosphor.

Mit Bezug auf die Fig. IA bis ID soll ein Verfahren zum Herstellen eines Planartransistors vom NPN-Typ beschrieben werden. Ein Siliziumdioxidfilm 42 wird auf eine Oberfläche 41, vorzugsweise eine (111)-Ebene eines Siliziumsubstrats 40 vom N-Typ, aufgebracht, welches, wie in F i g. 1A gezeigt, versetzungsfrei ist; eine öffnung wird im Film 42 mittels der Photoätztechnik ausgebildet. Eine Verunreinigung vom P-Typ wird in das Substrat durch die öffnung unter Bildung eines Leitfähigkeitsbereiches 43 vom P-Typ eindiffundiert, wodurch ein PN-Übergang zwischen dem Substrat 40 und dem Bereich 43, wie in F i g. 1B dargestellt, gebildet wird. Im Planartransistor wirkt das Substrat 40 als Kollektorbereich und der Bereich 43 vom P-Typ als Basisbereich. Ein Siliziumdioxidfilm wird dann auf die Oberfläche 41 aufgebracht und eine öffnung 44 in diesem Siliziumdioxid in der Mitte des Basisbereiches, wie in Fig. IC dargestellt, ausgebildet. Dann wird ein gasförmiges Gemisch, das eine Mischung aus Silan (S1H4) und Sauerstoff enthält, und — mit vorbestimmtem, später zu beschreibendem Verhältnis — eine Mischung aus Phosphorwasserstoff (PH3) und Arsenwasserstoff (ASH3) auf die freie Fläche des Substrats durch die Öffnung 44 aufgebracht, indem eine geeignete Vorrichtung, wie schematisch in Fig. 2 dargestellt, verwendet wird, um einen Siliziumdioxidfilm abzuscheiden, der mit Phosphor und Arsen auf dem freiliegenden Teil des Bereichs 43, wie er in F i g. 1D dargestellt ist, dotiert ist.

Die Konzentrationen der jeweiligen zu dotierenden Verunreinigungen können auf irgendwelche gewünschten Werte eingestellt werden, indem die Strömungsdurchsätze des Phosphorwasserstoffs und Arsenwasserstoffs geregelt werden, um den Siliziumdioxidfilm, der mit diesen Verunreinigungen dotiert ist, auszubilden. Somit werden die Strömungsdurchsätze des Phosphorwasserstoffs und Arsenwasserstoffs so eingestellt, daß der Arsendurchsatz das Verhältnis der Atome des Arsens pro Kubikzentimeter im dotierten Bereich zur Anzahl der Atome der anderen Verunreinigung pro Kubikzentimeter (Phosphor in diesem Fall) 3—40 :100, vorzugsweise 8—24 :100, beträgt

Dann wird das Substrat in einer Stickstoffatmosphäre bei einer Temperatur von etwa 1100"C 4 Stunden lang wärmebehandelt um die Verunreinigungen im Siliziumdioxidfilm in den Bereich 43 vom P-Typ zu diffundieren, ura einen N+-Bereich 45 zu bilden, der als Emitterbereich wirkt. Bei dem so hergestellten Transistor konnte, selbst wenn die Oberflächenkonzentration auf 4,0 χ 10²⁰ Atome/cm³ gesteigert wurde, ein Gitterdefekt und eine Segregation nicht bemerkt werden.

Während nach der vorstehenden Beschreibung das Oxiddotierungsverfahren angewendet wurde, um Verunreinigungen zur Bildung des N+ -Bereiches einzudiffundieren, ist es auch möglich, die Verunreinigungen in das Substrat einzudiffundieren, indem dieses zusammen mit den Quellen für die Verunreinigungen in einer offenen oder versiegelten Röhre erwärmt wird. Bei Verwendung einer versiegelten Röhre können die Quellen für die Verunreinigungen aus geeigneten Kombinationen aus Phosphorpentoxid, Phosphorsilizid, rotem Phosphor, Siliziumarsenid, Arsenid usw. bestehen. Die Art der Kombination und die Menge der in der Röhre versiegelten Quelle werden so gewählt, daß das oben genannte Verhältnis von Verunreinigungen im diffundierten Bereich erzeugt wird. Eine geeignete Kombination der Quelle besteht aus rotem Phosphor und Siliziumarsenid. Weiterhin wurde im obengenannten Beispiel Phosphor als Verunreinigung außer Arsen dargestellt; es ist jedoch klar, daß Verunreinigungen vom gleichen Leitfähigkeitstyp wie Antimon auch verwendet werden können. Obwohl nur das Dotieren von Antimon in das Substrat zu Versetzungen führt, verhindert doch die Zugabe von Arsen die Erzeugung von Versetzungen.

Die F i g. 3A bis 3E zeigen aufeinanderfolgende Schritte bei der Herstellung eines PNP-Transistors. Auf einer Oberfläche eines Siliziumsubstrats 48, welches tief mit Bor dotiert ist, wird ein Bereich vom P-Typ 49 durch die Technik des Wachsens in der Dampfphase, wie in Fig.3A dargestellt, gebildet und ein Siliziumdioxidfilm wird auf den Bereich 49 aufgebracht. Eine öffnung wird im Siliziumdioxidfilm ausgebildet. Eine gasförmige Mischung aus Phosphorwasserstoff (PH3) und Arsenwasserstoff (ASH3), der Phosphor und Arsen in einem Verhältnis von 100 : 8—24, bezogen auf die Anzahl der Atome, enthält, wird verwendet, um eine dotierte Oxidschicht 50 auf dem Siliziumdioxidfilm und auf der Fläche des Bereiches 49 auszubilden, der in der Öffnung freiliegt, wodurch Phosphor und Arsen im Bereich vom P-Typ diffundiert werden und so ein Bereich 51 vom N-Typ geschaffen wird, der als Basisbereich, wie in F i g. 3C dargestellt, wirkt. Dann wird eine gasförmige 50 : 1 -Mischung aus Borhydrid (62Ht₁) und Arsenwasserstoff (ASH3) in eine Diffusionseinrichtung mit geöffneter Röhre eingelassen, um einen Oxidfilm 52 zu bilden, der mit Bor und Arsen und auf dem Siliciumdioxidfilm und dem Bereich 51 vom N-Typ, wie in Fig. 3D gezeigt ist, dotiert ist. Die Anordnung wird dann 1,5 Stunden lang

bei einer Temperatur von etwa 1100°C erwärmt, um Bor und Arsen in den Bereich 51 vom N-Typ einzudiffundieren und einen Bereich 53 vom P+-Typ zu bilden, der als Emitterbereich dient, wie in Fig.3E dargestellt. Unter diesen Bedingungen wird es möglich, einen Emitterbereich mit einer Oberflächenkonzentration von 3 χ 10²⁰ Atomen/cm³ und einer Dicke von 3 Mikron zu formen. Die Verwendung des mit Arsen dotierten Oxidfilms sorgt für die Erzeugung einer geringen Beanspruchung im Film.

Die Fig.4A bis 4D zeigen aufeinanderfolgende Schritte bei der Herstellung einer Diode. So werden Arsen und wenigstens eine Verunreinigung vom N-Typ, bei der es sich nicht um Arsen handelt, in die gegenüberliegenden Oberflächen eines Siliziumsubsirats 54 vom N-Typ eindiffundiert, um Leitfänigkeitsbereiche 55 vom N+-Typ auf beiden Seiten hiervon zu bilden, und dann wird einer der Bereiche vom N+ -Typ, wie in F i g. 4A gezeigt, entfernt. In diesem Fall wird das Verhältnis der Anzahl der Atome des im Leitfähigkeitsbereich vom N ⁺ -Typ diffundierten Arsens zur Anzahl der Atome der Verunreinigung vom N-Leitfähigkeitstyp außer Arsen auf einen Wert innerhalb eines Bereiches von 8 bis 24 :100 bestimmt. Dann werden sämtliche Oberflächen des Substrats mit einem Siliziumdioxidfilm 56 abgedeckt und wenigstens eine Verunreinigung vom P-Typ sowie Arsen werden in das Substrat 54 bei einem definierten Verhältnis durch eine öffnung 57 diffundiert, die im Siliziumdioxidfilm ausgebildet ist, um einen Leitfähigkeitsbereich 58 vom P+-Typ im Substrat 54, wie in Fig.4C gezeigt, zu bilden. Wieder wird das Verhältnis der Anzahl der Atome des im Leitfähigkeitsbereich vom P⁺-Typ diffundierten Arsens zur Anzahl der Atome der Verunreinigung vom P-Typ auf einen Wert innerhalb eines Bereiches von 8 bis 24 :100 bestimmt Dann wird der Siliziumdoxidfilm 56 entfernt, und eine Anodenelektrode 60 und eine Kathodenelektrode 59 werden am Bereich 58 vom P+-Typ und dem Bereich 55 vom N+-Typ jeweils zur Vervollständigung einer Diode befestigt, wie in F i g. 4D gezeigt. Es war möglich, die Verunreinigungskonzentration in den diffundierten, in der oben beschriebenen Weise hergestellten Bereichen auf einen hohen Wert von 7,5 χ 10²⁰ Atomen/cm³ beispielsweise zu steigern, und die Tatsache, daß kein Gitterdefekt in den diffundierten Bereichen vorhanden war, ließ sich durch Gammastrahlenfotographie bestätigen.

Die F i g. 5A bis 5D zeigen aufeinanderfolgende Schritte bei der Herstellung eines gesteuerten Silizium-Gleichrichters. Wieder werden Arsen und wenigstens eine Verunreinigung vom P-Typ in gegenüberliegende Flächen eines Siüciusnsubsirats 61 vom N-Typ bei einem definierten Verhältnis diffundiert um Leitfähigkeitsbereiche 62 und 63 vom P-Typ auf den gegenüberliegenden Seiten des Substrats zu bilden. Das Verhältnis der Anzahl der Atome des in den Leitfähigkeitsbereichen vom P-Typ diffundierten Arsens zur Anzahl der Atome der Verunreinigung vom P-Typ wird auf einen Wert innerhalb eines Bereiches von 8 bis 24 :100 festgelegt Dann wird die gesamte Oberfläche des Halbleiterkörpers mit einem Siliziumdioxidfilm 64, wie in Fig.5A gezeigt überdeckt und eine Öffnung 65 wird durch den Teil des Siliziumdioxidfilms 64 ausgebildet der über einem der Leitfähigkeitsbereiche 63 vom P-Typ, wie in F i g. 5B gezeigt liegt Arsen und wenigstens eine Verunreinigung vom N-Typ außer Arsen werden durch die öffnung 65 bei einem definierten Verhältnis diffundiert, um einen Leitfähigkeitsbereich 66 vom N+-Typ in einem der Leitfähigkeitsbereiche 63 vom P-Typ, wie in F i g. 5C gezeigt, zu bilden. Das Verhältnis der Anzahl der Atome des im Leitfähigkeitsbereich 66 vom N-Typ diffundierten Arsens zur Anzahl der Atome ■-, der Verunreinigung vom N-Typ wird auf einen Wert innerhalb eines Bereiches von 8 bis 24 :100 festgelegt. Nach Entfernung des Siliziumdioxidfilms 64 werden Metallfilme unter Dampf auf den Bereich 66 vom N ⁺ -Typ, den Bereich 63 vom P-Typ benachbart diesem

ίο bzw. den Bereich 62 vom P-Typ zur Bildung einer Kathodenelektrode 67, einer Steuerelektrode 68 und einer Anodenelektrode 69 abgeschieden, wie in F i g. 5D dargestellt.

Während die oben beschriebenen Halbleiterbauelemente Siliziumsubstrate, die nach einem üblichen Verfahren, beispielsweise dem Schwebezonenverfahren, gebildet wurden, benutzen, so kann der erfindungsgemäße Erfolg gesteigert werden, wenn das sogenannte versetzungsfreie Siliziumsubstrat benutzt wird. Mit dem Ausdruck »versetzungsfreies Silizium«, wie er hier benutzt wird, ist ein Siliziumkörper mit einer Versetzungsdichte von weniger als 1000 cm-³ bezeichnet; solch ein Siliziumkörper kann nach einem Verfahren hergestellt werden, wie es in der japanischen Patentschrift 18 402 aus dem Jahre 1965 beschrieben ist. Es handelt sich dort um eine Verbesserung des Schwebezonenverfahrens oder des Sockelziehverfahrens, welches in Applied Physics, 31, 736 (1930) beschrieben ist. Nach dem letztgenannten Verfahren wird ein Siliziumkörper auf einem Sockel gelagert, der mit Schlitzen versehen ist, um den Fluß von Hochfrequenzstrom zu verhindern, und der Siliziumkörper wird in einer inerten Atmosphäre im Vakuum mittels Hochfrequenzinduktionsheizung geschmolzen. Dann wird ein extrem feiner Kristallkeim in das geschmolzene Silicium getaucht und der Kristallkeim unter Drehung nach oben gezogen, wodurch der reine Siliziumkristall auf diese Weise wächst

Durch Versuche wurde auch festgestellt, daß Fehler der Kristalle, wie Gitterfehler und Segregationen, aufgrund des Diffundierens von Verunreinigungen in das Substrat auch durch die Orientierungen der Kristalle auf der Oberfläche des Substrats beeinflußt werden. Es wurde auch gefunden, daß die Benutzung der (Ill)-Ebene als Hauptfläche oder mit den Verunreinigungen zu diffundierende Oberfläche die Erzeugung solcher Fehler auf ein Minimum herabsetzt Aus diesem Grund werden nach den oben beschriebenen Beispielen die (lll)-Ebenen als Hauptflächen der Substrate

so gewählt

Bei bekannten Halbleiterbauelementen bilden sich Fehler, wenn die Qberfiächenkonzentration im diffundierten Bereich in den Substraten 8 χ ΙΟ²' Atome/cm³ überschreitet; bei den Halbleiterbauelement nach der Erfindung jedoch, bei denen der dotierte Bereich an eine (lll)-Ebene eingrenzt kann die Defektdichte im wesentlichen auf Null reduziert werden.

Die Fig.6A bis 6D zeigen Fotographien der Substratflächen von Halbleiterbauelementen nach der Erfindung und nach dem Stand der Technik. Mit Röntgenstrahlen wurden die Fotographien hergestellt Die verwendeten Substrate umfassen Siliziumkristalle vom N-Typ mit einer Versetzungsdichte von 5000 bis 6000 cm-² und einen spezifischen Widerstand von 1—2 Ohm cm und ihre (lll)-Flächen wurden als Hauptflächen verwendet F i g. 6A zeigt eine Fotographie eines Substrats, in das nur Arsen nach bekannten Verfahren eindiffundiert wurde und welches viele

2. Transistor für Hochfrequenzzwecke

Ein Gemisch aus Phosphor und Arsen, mit einem Verhältnis der Anzahl der Atome des Arsens zu der der Phosphor von 8—24:100 beträgt, wird in eine Hauptfläche eines versetzungsfreien und sauerstofffreien Siliziumsubstrats vom N-Typ dotiert, das einen spezifischen Widerstand von 4 Ohm cm aufwies, um einen Emitterbereich mit einer Oberflächenkonzentration von 4 χ 10²⁰/cm³ mittels des obengenannten Oxiddotierungsüberzugsverfahrens zu bilden, um einen Transistor für Hochfrequenzzwecke zu erhalten. Ein ähnlicher Transistor wurde hergestellt, unter Verwendung eines Siliziumsubstrats, welches nach dem üblichen Aufzienverfahren hergestellt wurde; es erfolgte jedoch die Diffusion mit Verunreinigungen in der gleichen Weise wie gerade beschrieben. Wie in den ausgezogenen Linien in Fig.9A zu erkennen, betrug der mittlere Wert der Grenzfrequenz des erstgenannten Transistors etwa 1500MHz, wogegen der des zweitgenannten Transistors bei etwa 700 MHz lag, wie durch die gestrichelten Linien in Fig.9A gezeigt. Bei Hochfrequenztransistoren, bei denen es notwendig ist, die Basisbreite zu vermindern, um die Hochfrequenzcharakteristiken zu verbessern, führt dies leicht zu einer Verminderung der Emitter-Kollektor-Durchbruchsspannung. Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung jedoch, die mit versetzungsfreien Substraten arbeiten, wird eine solche Verminderung im Vcio-Wert nicht beobachtet und trotzdem ist der Vceo-Wert um etwa 15 V höher als bei den üblichen »Overlay-Transistoren«.

Wie durch die gestrichelte Kurve 9B gezeigt, war es bei bekannten Transistoren unmöglich, Grenzfrequenzen von mehr als 900MHz zu erhalten; bei Ausführungsbeispielen der Erfindung wurde es jedoch möglich, höhere Grenzfrequenzen von 900 bis 1000 MHz, wie durch die ausgezogenen Linien gezeigt, zu erzeugen. F i g. 9C vergleicht die Verteilung der Werte von Vceo von Transistoren unter Verwendung der (lll)-Ebene, wobei ausgezogene Linien Ausführungsbeispiele nach der Erfindung und gestrichelte Linien bekannte Transistoren zeigen. Fig.9C zeigt, daß die Ausführungsbeispiele größere und stabilere Vc£o-Werte erreichen. Wie die Fotographie der Fig. 10 erkennen läßt, wird es möglich, ohne weiteres die gewünschte Basisbreite zu erreichen, da der Emittertaucheffekt fehlt, und so die Hochfrequenzcharakteristiken zu verbessern.

Es besteht keine Tendenz, die Basisbreite durch den Emittertaucheffekt zu vergrößern, die F i g. 11 zeigt ein Diagramm, welches die Beziehung zwischen dem Verhältnis der Basisbreite zum Emittertauchen und das Verhältnis von Arsen zu Phosphor erläutert F i g. 11 zeigt klar, daß ein Verhältnis von 8 bis 24 :100 von As/P zum Minimalwert von weniger als 0,15 des Verhältnisses der Basisbreite zum Emittertauchen führt und daß ein Verhältnis von 3 bis 40:100 von As/P zu einem relativ kleinen Emittertaucheffekt führt. Die Darstellung erfolgte mittels Röntgenstrahltopographie. Eine exakte theoretische Erklärung hierfür ist noch nicht klar; es wird jedoch angenommen, daß das Ausscheiden des Phosphors durch das Vorhandensein von Arsen verhindert wird Aus diesem Grunde können Basisbreiten, die genau gleich den Auslegungswerten sind, beispielsweise 1 Mikron oder weniger, ohne weiteres sichergestellt werden, wodurch bei hoher Ausnutzung oder hoher Ausbeute Hochfrequenztransistoren mit. Grenzfrequenzen von mehr als 1000MHz erzeugt; Defekte enthält, die durch schwarze Punkte und Streifen dargestellt sind. F i g. 6B zeigt eine Fotographie eines Substrats, in welches nur Phosphor nach bekannten Verfahren eindiffundiert wurde; auch hier sind eine große Anzahl von Defekten enthalten. Fig.6C zeigt eine Fotographie der Hauptfläche eines Substrats, das sowohl mit Arsen wie mit Phosphor, bei dem das Verhältnis der Anzahl der Atome von Arsen und Phosphor 150 :100, beträgt. Das Substrat enthält viele Fehlerstellen. Fig.6D zeigt eine Fotographie eines Substrats, das mit Arsen und Phosphor in einem Verhältnis von 3—6 :100, ausgedrückt in der Anzahl der Atome, dotiert ist. In diesem Fall ist die Anzahl der Fehler extrem klein.

Die Fig.7A bis 7C zeigen Fotographien von Siliziumsubstraten verschiedener Versetzungsdichten, Diese Fotographien zeigen die Beziehung zwischen der Versetzungsdichte und der Erzeugung der Fehler. Die F i g. 7A bis 7C zeigen Fotographien der Substrate mit Versetzungsdichten von mehr als 1000 cm-², gleich 2000—5000 cm-² und mehr als 10 000 cm-², wobei eine Diffusion mit Phosphor in die (111)-Ebenen vorgenommen wurde, um jeweils eine Oberflächendichte von 4 χ 1O²⁰Cm-³ zu erzeugen. Diese Zahlen zeigen, daß die Anzahl der gebildeten Defekte proportional zur Versetzungsdichte der Substrate zunimmt. Die F i g. 7D und 7 E zeigen Fotographien von Siliziumsubstraten mit Versetzungsdichten von mehr als 2000 cm-² bzw. weniger als 1000 cm-², wobei eine Diffusion mit Arsen und Phosphor bei einem Verhältnis von 8—24 :100, ausgedrückt als Anzahl der Atome, bis auf eine Oberflächendichte von 7 χ 10²⁰Cm-'diffundiert wurde. Wie klar aus den F i g. 7A bis 7 E zu erkennen, nimmt die Anzahl der gebildeten Defekte mit der Versetzungsdichte des Substrats ab und wird kleiner, wenn sowohl Phosphor wie Arsen bei dem obengenannten Verhältnis verwendet werden, verglichen mit dem Fall, wo nur eine dieser Verunreinigungen allein benutzt wird.

Im Folgenden werden spezielle Ausführungsbeispiele der Erfindung erläutert.

1. Planartransistor vom NPN-Typ

Bornitrid (BN) wurde in eine Oberfläche eines versetzungsfreien Siliziumsubstrats vom N-Typ mit einem spezifischen Widerstand von 4 Ohm Zentimeter diffundiert, um einen Basisbereich zu bilden. Der Emitterbereich wurde gebildet indem ein Verunreinigungsgemisch aus Phosphor und Arsen bis zu einer Oberflächenkonzentration von 4 χ 10²¹VcIn³ mittels des Oxiddotierungsüberzugsverfahrens diffundiert wurde, um einen Transistor für Hörfrequenzzwecke zu vervollständigen. Der Rauschfaktor dieses Transistors wurde, verglichen mit dem einem ähnlichen Transistor mit einem Siliziumsubstrat, das nach dem üblichen Aufziehverfahren hergestellt und mit Verunreinigungen in der gleichen Weise diffundiert wurde. Fig.8A zeigt diesen Vergleich, wo ausgezogene Linien den Rauschfaktor des ersten o. g. Transistors zeigen, wogegen die gestrichelten Linien den des zweiten o. g. Transistors angeben. Wie durch die ausgezogenen Linien dargestellt, besitzt der erstgenannte Transistor einen extrem niedrigen Rauschfaktor von 1 dB bei einer Frequenz von 120 Hz und Nenngrößen von beispielsweise 6 V, 1 mA und 5000hm. Fig.8B zeigt die Rauschfaktoren für Transistoren vom NPN-Typ unter Verwendung von Substraten, deren Hauptebenen der Kristailflächen mit der Orientierung (lll)-Ebene (Kurve AX (1000)-Ebene (Kurve B)und (311 )-Ebene (Kurve Q.

werden.

Wird eine integrierte Schaltkreiseinrichtung mit einer Vielzahl gegenseitig isolierter Schaltkreiselemente benachbart einer Hauptflä.che eines Halbleitersubstrats hergestellt, so wird es möglich, Übergangsbereiche kleiner Breite zu bilden, da während der Schritte der Bildung diffundierter Schichten von PN-Übergängen der Schaltkreiselemente die N⁺- oder P+-Bereiche so gebildet werden können, daß sie hohe Konzentrationen aufweisen, ohne Gitterdefekte zu bilden und ohne daß die Breite der Bereiche benachbart den N ⁺ - oder P+-Bereichen durch den Emittertaucheffekt während der Bildung der Hochkonzentrationsbereiche verbreitert wird. So wird es ähnlich wie bei den oben beschriebenen Transistoren vom NPN-Typ und den Dioden möglich, integrierte Schaltungen hoher Ausbeuten zu erhalten, mit Schaltkreiselementen mit verbesserten Rausch- und Hochfrequenzcharakteristiken.

3. Diode

Fig. 12 zeigt ein Diagramm, in dem das Verhältnis zwischen der Lebensdauer und der Periode einer Wärmebehandlung von 100 bis 300^cC einer großen Mesa-Diode verglichen wird, welche ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist (ausgezogene Linie, Kurve A), sowie einer nach dem Stand der Technik hergestellten Diode (gestrichelte Linie, Kurve B) Bei einer Gold enthaltenden Schaltdiode tritt, da kein Gitterdefekt in der die Verunreinigungen bei hoher Konzentration enthaltenden Schicht vorhanden ist, die Segregation des Goldes nicht auf. Aus diesem Grunde wird es möglich, ohne weiteres die Konzentration des Goldes nahe dem PN-Übergang zu regeln und so Abweichungen der Schaltzeit vom Bezugswert zu vermindern. Im allgemeinen wird die Messung der Schaltzeit Trr vorgenommen, indem ein Schaltkreis entsprechend Fig. 13 verwendet wird. Typische Ergebnisse der Messung sind in Fig. 14 gezeigt. Bekannte Schaltdioden (gestrichelte Kurve B) zeigen eine mittlere Schaltzeit von 2,0 μ Sekunden und eine maximale Abweichung von 1 μ Sekunde, wogegen die nach Ausführungsbeispielen der Erfindung ein Mittel von 2,0 μ Sekunden und eine maximale Abweichung von nur 0,03 μ Sekunden erkennen lassen, wie durch die ίο ausgezogene Kurve A angegeben ist.

4. Gesteuerte Silizium-Gleichrichter

Die Fig. 15A und 15B sind Diagramme, in denen die Beziehung zwischen dem Vorwärtsspannungsabfall und der Wärmebehandlungszeit von gesteuerten Silizium-Gleichrichtern nach Ausführungsbeispielen der Erfindung (Kurve A)\ma nach dem Stand der Technik (Kurve B)gezeigt ist. Fig. 15A zeigt die Charakteristiken der gesteuerten Silizium-Gleichrichter unter Verwendung versetzungsfreier Substrate, wogegen Fig. 15B die unter Verwendung der (lll)-Ebenen als Hauptfläche zeigt. Vergleicht man die Kurven A und ß, so wird es klar, daß der Vorwärtsspannungsabfall der Ausführungsbeispiele der Erfindung niedriger als der nach dem Stand der Technik ist.

Die in Fi g. 16 dargestellten Kurven zeigen Verunreinigungsverteilungen eines Bereiches mit einem Verhältnis von Arsen zu Phosphor von 3—40:100 (Kurve As < P) eines Bereichs der eine größere Menge Arsen als Phosphor enthält (Kurve As> P), sowie eines Bereichs, der Phosphor allein enthält (Kurve P). Die oberste Kurve zeigt, daß der erstgenannte Bereich die gleichförmigste Konzentration an Verunreinigungen aufweist

Hierzu 10 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprache:

1. Halbleiterbauelement mit einem Halbleitersubstrat aus Silizium und einem hierin ausgebildeten mit Arsen und wenigstens einer anderen Verunreinigung dotierten Bereich, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Anzahl der Atome des Arsens pro Kubikzentimeter zur Anzahl der Atome der anderen Verunreinigung pro Kubikzentimeter 3—40.100 beträgt

2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis 8—24:100 beträgt

3. Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet daß das Siliziumsubstrat (40, 48, 54, 61) versetzungsfrei ist

4. Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Siliziumssubstrats (40,48,54,61), an die der dotierte Bereich (45,53,58,66) angrenzt eine (111)-Ebene ist

5. Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der dotierte Bereich (45, 53, 58, 66) mit Phosphor, Bor oder Gallium als anderer Verunreinigung dotiert ist.

6. Verfahren zur Herstellung von Halbleiterbauelementen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung des dotierten Bereichs im Siliziumsubstrat Arsen und die andere(n) Verunreinigungen) gleichzeitig eingeführt werden.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zum Eindiffundieren der Verunreinigung in das Siliziumsubstrat auf dessen Oberfläche ein Siliziumdioxydfilm, der mit Arsen und der (den) andere(n) Verunreinigungen/ dotiert ist, gebildet und das Siliziumsubstrat erwärmt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß auf einer Fläche eines Siliziumsubstrats vom N-Typ ein Siliziumdioxydfilm, dotiert mit einer Verunreinigung vom P-Typ, ausgebildet wird, daß das Siliziumsubstrat erwärmt wird, um die Verunreinigung vom P-Typ in die Fläche des Siliziumsubstrats zu diffundieren und daß in das Siliziumsubstrat gleichzeitig Arsen und wenigstens eine Verunreinigung vom N-Typ in den Bereich vom P-Typ zur Bildung eines Bereichs vom N-Typ hierin diffundiert wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung des Bereichs vom N-Typ in dem Bereich vom P-Typ ein Siliziumdioxydfilm, dotiert mit Arsen und wenigstens einer Verunreinigung vom N-Typ ausgebildet wird und daß das Siliziumsubstrat erwärmt wird, um das Arsen und die Verunreinigung vom N-Typ in den Bereich vom P-Typ zu diffundieren.