DE2605830A1 - Verfahren zur herstellung von halbleiterbauelementen - Google Patents
Verfahren zur herstellung von halbleiterbauelementenInfo
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Description
PATENTANWÄLTE Z
TER MEER - MÜLLER - STEINMEISTER
Triftstraße 4 Siekerwall 7
S76P15 13. Februar 1976
SONY CORPORATION
Tokyo/Japan
Tokyo/Japan
Verfahren zur Herstellung von Halbleiterbauelementen
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Halbleiterbausteinen und betrifft insbesondere ein Verfahren,
das sich besonders gut zur Herstellung von Dioden, Transistoren, Feldeffekt-Transistoren aber auch integrierten
Schaltkreisen eignet, bei denen das selektive Eindiffundieren von Verunreinigungen in ein Halbleitersubstrat über eine Maske
erfolgt, die gleichzeitig auch als Passivierungsschicht dient.
Bei der industriellen Herstellung von Halbleiterbauelementen
der erwähnten Art wird bisher eine SiO2"Schicht als Maske zur
gezielten selektiven Diffusion von Verunreinigungsmaterial vorgesehen. Die SiO^-Schicht verbleibt auf dem Halbleitersubstrat
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als Passivierungsschicht. Hinsichtlich bestimmter charakteristischer
Kennwerte der Halbleiterbauelemente jedoch ist die SiO2-Schichtsehr
unstabil.insbesondere gegen Feuchtigkeit, so daß der dadurch auftretende Leckstrom sich namentlich bei hoher
Umgebungsfeuchtigkeit verändert, wodurch die Zuverlässigkeit
des Halbleiterbauelements verschlechtert wird. Die SiO2-Schicht
hat den weiteren Nachteil, daß sich ihre Eigenschaften als Passivierungsschicht in Abhängigkeit vom Pegel der elektrischen
Vorspannungen am Bauelement und in Abhängigkeit von der Temperatur verändern bzw. verschlechtern.
Um diese Schwierigkeiten zu beseitigen, wurden bereits Halbleiterbauelemente
vorgeschlagen, die mit einer ersten Passivierungsschicht aus Sauerstoff enthaltendem polykristallinem
Silicium auf dem Halbleitersubstrat sowie mit einer zweiten Passivierungsschicht versehen sind, die beispielsweise aus
Stickstoffatome enthaltendem polykristallinem Silicium besteht.
Eine solche zweilagige Passivierung ist besonders dann gegen Feuchtigkeitseinflüsse widerstandsfähiger als eine reine
SiO2~Schicht, wenn über der zweiten Passivierungsschicht noch
eine weitere SiO^-Schicht vorgesehen wird. Bei der Herstellung eines solchen Halbleiterbauelements/beispielsweise eines Transistors,
werden zur Ausbildung eines Basis- und eines Emitterbereichs Verunreinigungen in das Halbleitersubstrat unter Verwendung
der SiO-j-Maskierungsschicht eindiffundiert; sodann wird
die SiO2-Maske vom Halbleitersubstrat entfernt, woraufhin durch
ein Wachstumsverfahren aus der Dampfphase die erste und sodann die zweite Passivierungsschicht aufgebracht werden. Um schließlich
die Elektroden für den Emitter bzw, die Basis niederschlagen zu können, werden anschließend die eiiste und zweite Passivierungsschicht
partiell abgeätzt, um entsprechende Fenster freizulegen. Obgleich dieses Verfahren zu vergleichsweise guten
Produkten führt, ist es doch relativ aufwendig und erfordert einen komplizierten Herstellungsablauf.
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Der Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von Halbleiterbauelementen anzugeben, bei dem
sich hinsichtlich des Verfahrensprodukts die oben aufgeführten Schwierigkeiten mit Feuchtigkeitseinflüssenf Temperatur- und
Spannungsabhängigkeiten usw. vermeiden lassen r das sich aber
durch wesentlich einfachere und leichter beherrschbare Verfahrensschritte bei der industriellen Anwendung auszeichnet,
gleichwohl aber zu Verfahrensprodukten führt, die den zuletzt
beschriebenen Halbleiterbauelementen mit zwei bzw. drei Passivierungsschichten
gleichwertig sind. Besonderer Wert soll dabei auf die hohe Stabilität und Zuverlässigkeit der einzelnen Kennwerte
der Halbleiterbauelemente unter den verschiedensten Betriebs- und Umweltbedingungen gelegt werden.
Eine erfindungsgemäße Lösung dieser technischen Aufgabe läßt sich hinsichtlich der Verfahrensschritte wie folgt kennzeichnen: Auf
einem Halbleitersubstrat wird eine erste Schicht aus polykristallinem Silicium erzeugt, das Sauerstoffatome enthält und auf dieser
ersten Abdeckung wird eine zweite polykristalline Siliciumschicht aufgebracht, die Stickstoffatome enthält, sodann wird
ein Teil der ersten und zweiten Schicht entfernt t um Diffusionsfenster auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats freizulegen,
in die Verunreinigungen eindiffundiert werden; nach dem Diffusionsvorgang
verbleiben die erste und zweite polykristalline Siliciumschicht auf dem Halbleitersubstrat.
Gegenüber dem bisher angewendeten Verfahren ergibt sich eine wesentliche Vereinfachung, was nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen
unter Bezug auf die Zeichnung weiter verdeutlicht wird. Es zeigen:
Fig. 1A bis 1E Prinzip-Schnittdarstellungen zur Verdeutlichung
einzelner Herstellungsstufen eines Transistors nach einer Durchführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens;
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Fig. 2 die schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Erzeugung von polykristallinen Silic!umschichten aus
einer Dampfphase, wobei die niedergeschlagenen Schichten entweder Sauerstoffatome oder Stickstoffatome enthalten
können;
Fig. 3 zeigt die Prinzip-Schnittdarstellung einer zu Prüfzwecken erzeugten Diode, die eine polykristalline
Siliciumschicht aufweist, die nach einer anderen Ausführungsform
der Erfindung erzeugt wurde und
Fig.4A bis 4E wiederum Schnittdarstellungen zur Verdeutlichung der einzelnen Herstellungsstufen eines MOS-FET nach
einer weiteren Ausfuhrungsform der Erfindung.
Zunächst wird anhand der Fig. 1A bis 1E das erfindungsgemäße
Verfahren am Beispiel der Herstellung eines Transistors mit hoher Sperr- oder Durchbruchspannung erläutert:
Auf der Hauptoberfläche eines N~ -Typ-Halbleitersubstrats 1, das
gleichzeitig als Kollektorbereich dient, wird als erste Passivierungsschicht eine polykristalline Siliciumschicht 2 erzeugt,
die eine bestimmte Menge an Sauerstoffatomen enthält, (vgl. Fig. 1A). Über der polykristallinen Siliciumschicht 2 wird als
zweite Passivierungsschicht eine weitere polykristalline Siliciumschicht 3 aufgebracht, die eine vorbestimmte Menge von Stickstoffatomen
enthält. Schließlich wird über der polykristallinen Siliciumschicht 3 eine weitere polykristalline Siliciumschicht 4
mit einem bestimmten Anteil an Sauerstoffatomen aufgebracht. Die
polykristallinen Siliciumschichten 2, 3 und 4 werden nach einem bekannten Dampfwachstumsverfahren erzeugt%
Wie nachfolgend erläutert wird, werden bestimmte Bereiche
für den Anteil an Sauerstoffatomen und Stickstoffatomen sowie für die Dicken der polykristallinen Siliciumschichten 2, 3 und 4
bevorzugt. So soll beispielsweise die Dicke der polykristallinen
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Siliciumschicht 2 etwa 5000 S betragen, während der Gehalt an
Sauerstoffatomen bei etwa 15 Atomprozent liegen sollte. Die Dicke der polykristallinen Siliciumschicht 3 beträgt etwa
1500 S, während der Gehalt an Stickstoffatomen bei etwa 50
Atomprozent liegen sollte. Schließlich wird für die polykristalline Siliciumschicht 4 eine Dicke von etwa 5000 K und ein Anteil
an Sauerstoffatomen von etwa 15 Atomprozent bevorzugt. Die polykristallinen Siliciumschichten 2, 3 und.4 können aufeinanderfolgend
mittels der in Fig.2 veranschaulichten Vorrichtung aufgebracht werden, deren Funktion und Arbeitsweise weiter
unten erläutert wird.
Sodann wird auf die oberste polykristalline Siliciumschicht 4 eine Ätzabdeckung 5 in vorbestimmtem Muster als Maskierungsschicht aufgebracht und die polykristallinen Siliciumschichten
4, 3 und 2 werden durch ein Plasma-Ätzverfahren teilweise entfernt,
um eine öffnung 6 für die Basis-Diffusion zu bilden (vgl, Fig. 1B). Anstelle der Plasma-Ätzung können auch chemische
Ätzlösungen Anwendung finden. Dabei kommt für die polykristalline
Siliciumschicht 3 beispielsweise Pyrophosphorsäure und für die polykristallinen Siliciumschichten 4 und 2 eine Mischlösung
aus Fluorwasserstoffsäure und Salpetersäure in Frage.
Anschließend werden über die öffnung 6 bei einer Temperatur von
94O°C Boratome niedergeschlagen oder in das Halbleitersubstrat 1 hinein vordiffundiert und anschließend durch die öffnung 6
bei einer Temperatur von 124O°C in einer Sauerstoffatmosphäre
während 10 Stunden in das Halbleitersubstrat 1 eindiffundiert, um einen P -Basisbereich 7 zu erzeugen (vgl. Fig. 1C). Bei
diesem Diffusionsvorgang entsteht auf der Unterfläche des Halbleitersubstrats
1 eine P+ -Typ-Halbleiteifschicht 8, die vor der
nachfolgenden Emitter-Diffusion abgeätzt wird. Bei der Basis-*
Diffusion wirkt die polykristalline Siliciumschicht 4 als Stopper und wird in der O^-Atmosphäre in eine SiO2~Schicht 9
als dritte Passivierungsschicht umgewandelt,
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Sodann wird ein bestimmter Teil der SiC^-Schicht 9 entfernt, um
ein (nicht gezeigtes) Fenster für die Emitter-Diffusion mittels eines herkömmlichen Photoätzverfahrens herzustellen. Über die so
erzeugte Öffnung werden sodann Phosphoratome in den Basisbereich 7 eindiffundiert,um einen N -Typ-Emitterbereich 10 zu erzeugen
(vgl. Fig. 1D). Beim Vorgang der Emitter-Diffusion werden im
Basisbereich 7 bei einer Temperatur von 1150°C Phosphoratome
niedergeschlagen und vordiffundiert und anschließend bei einet Temperatur von 124O°C während 1 Stunde in einer Sauerstoff
atmosphäre eindiffundiert. Als Ergebnis erhält man auf dem Emitterbereich 10 eine SiO^-Schicht, die an die SiO^-Schicht 9
angrenzt. Auf der Unterfläche des Halbleitersubstrats 1 entsteht
dabei gleichzeitig eine N -Typ-Halbleiterschicht 11. Bei der Emitter-Diffusion wirkt die SiO^-Schicht hinsichtlich der
Diffusion von Phosphoratomen als vollständiger Stopper. Soll ein Hochfrequenz-Transistor mit niedriger Durchbruch- oder Sperrspannung
entstehen, so wird die SiO„-Schicht 9 nicht als Stopper
benötigt, vielmehr reicht dazu die polykristalline Siliciumschicht 3 aus. Dementsprechend wird für diesen Fall die anfänglich
hergestellte polykristalline Siliciumschicht 4 dann nicht
benötigt, wenn ein Transistor mit niedriger Durchbruchspannung entstehen soll. Für Transistoren mit hoher Durchbruchspannung
jedoch ist die polykristalline Siliciumschicht 4, d.h. die SiO~-
Schicht 9 erforderlich.
Sodann wird die SiO2-Schicht 9 teilweise durch ein Photoätzverfahren
entfernt, um bestimmte Fenster zu erzeugen. Diese Fenster werden mit einer Emitterelektrode 12 bzw. einer Basiselektrode
13 ausgefüllt (vgl. Fig. 1E). Obgleich in der Fig. 1E nicht dargestellt, wird eine Kollektorelektrode em als Kollektorbereich
wirkenden Halbleitersubstrat 1 befestigt.
Unter Bezug auf die Fig. 2 wird nachfolgend das Verfahren zur
Herstellung der erwähnten Passivierungsschichten 2f 3 und 4 auf
dem Halbleitersubstrat 1 beschrieben:
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Die Vorrichtung nach Fig. 2 wird normalerweise für chemische Dampfniederschlagsverfahren verwendet. Ein Ofen 14 der Vor-<
richtung ist mit einer Mehrzahl von Behältern 15, 16, 17 und 18 verbunden, von denen aus über geeignete Ventile und Strömungsmeßgeräte
bestimmte Gase zugeführt werden können. Der Ofen 14 enthält das Halbleitersubstrat 1, Dieses Halbleitersubstrat
-1 wird mittels einer den Ofen 14 umgebenden Heizvor->
richtung auf eine Temperatur von etwa 65O°C gebracht,Diese
Temperatur von etwa 65O°C findet Anwendung, wenn Monosilan
SiH4 die Silicium-Speiseguelle bildet. Wird irgendein anderes
Silangas als Speisequelle für den Siliciumniederschlag vorgesehen, so bestimmt sich die Heiztemperatur nach der Reaktionstemperatur für dieses Gas . Dem Ofen 14 können Monosilan SiH4
vom ersten Behälter 15, Stickstoffoxid, beispielsweise Distickstoffoxid
N-O vom zweiten Behälter 16, Ammoniak NH3 vom dritten
Behälter 17 und Stickstoffgas N2 vom vierten Behälter 18 als
Trägergas zugeführt werden. In diesem Fall wird dem Ofen 14 vom Behälter- 15 aus ein Inertgas zugeführt, das 5% Monosilan
SiH4 enthält.
Zur Erzeugung der ersten Passivierungsschicht 2 (vgl. Fig. 1A) werden Monosilan SiH- und Distickstoffmonoxid N0O auf das Halb-
fr £,
leitersubstrat 1 zusammen mit dem Trägergas geleitet. Die Sauerstoffkonzentration
in der erzeugten polykristallinen Siliciumschicht 2 ist bestimmt durch das Anteilsverhältnis von N3O zu
SiH4. Bei dieser Ausführungsform wird dieses Strömungsverhältnis
von N3O : SiH4 zu etwa ein Sechstel gewählt, womit sich ein
Sauerstoffanteil von 15 Atomprozent in der polykristallinen
Siliciumschicht 2 ergibt. Anstelle von N2O kann auch NO2 oder
NO als Sauerstofflieferant für die polykristalline Siliciumschicht
vorgesehen sein. Die Strömungs- oder Anteilsmenge von NO2 oder NO läßt sich leicht so einregulieren, daß sich eine
bevorzugte Sauerstoffkonzentration ergibt.
Zur kontinuierlichen Ausbildung der zweiten polykristallinen
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Siliciumschicht 3 auf der ersten polykristallinen Siliciumschicht
2 wird vorzugsweise Ammoniak NH-. anstelle von Distickstoffmonoxid
N^O zugeführt.
Das Wachstum der zweiten polykristallinen Siliciumschicht 3 wird vorzugsweise ebenfalls bei einer Temperatur von 65Q°C
durchgeführt. Die Konzentration an Stickstoffatomen in der gewachsenen polykristallinen Siliciumschicht 3 ist gegeben
durch das Strömungsanteilsverhältnis von NH3 zu SiH., Bei
dieser Ausführungsform wird das Verhältnis von NH_ zu SiH4 bei
der Herstellung der zweiten polykristallinen Siliciumschicht 3 zu etwa 100/30 gewählt.
Vorzugsweise sollen die Passivierungsschichten 2 und 3 alle freiliegenden Teile der PN-Übergänge im Halbleitersubstrat 1
des Transistors bedecken (vgl. Fig. 1E). Alle freiliegenden Teile des Kollektor-Übergangs Jc zwischen dem Kollektorbereich
1 und dem Basisbereich 7 und des Emitter-Übergangs Je zwischen dem Emitterbereich 10 und dem Basisbereich 7 sind unmittelbar
mit der polykristallinen Siliciumschicht 2 als erster Passivierungsschicht überdeckt. Insbesondere ist Wert darauf zu legen,
daß der freiliegende Teil des Kollektorübergangs Jc der im Betrieb des Transistors in SperrrJchtung vorgespannt ist, mit
der polykristallinen Siliciumschicht 2 bedeckt ist. Wird als Schutzring für den Transistor mit hoher Durchbruchspannung ein
(nicht gezeigter) P-leitender Halbleiterbereich vorgesehenf so
wird der Überdeckungsgrad der polykristallinen Siliciumschicht
2 so breit gewählt, daß nicht nur der freiliegende Teil des Kollektor-Übergangs Jc, sondern außerdem der freiliegende Bereich
der Verarmungsschicht überdeckt ist,»die sich ergibt, wenn der Kollektor-Übergang Jc in Sperrrichtung vorgespannt ist.
Dieser Bereich der Verarmungsschicht wird auch "Schutzring-Bereich" oder "Feldbegrenzungs-Bereich" genannt;er liegt an der
oberen Oberfläche des P-Typ-Halbleiterbereichs, so daß in diesem
Fall der gesamte Bereich zwischen dem Kollektorbereich 1 und dem
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P-Typ-Halbleiterbereich überdeckt wird. Der freiliegende Teil
des Emitter-Übergangs Je kann unmittelbar durch eine übliche SiO2-Schicht bedeckt werden. In diesem Fall jedoch erhöht sich
die Anzahl der Herstellungsstufen mehr oder weniger. Die polykristalline
Siliciumschicht 3 als zweite Passivierungsschicht ist mindestens so breit, daß die polykristalline Siliciumschicht
9 als erste Passivierungsschicht überdeckt ist.
In diesem Fall wirkt die Sauerstoff enthaltende polykristalline Siliciumschicht 3 als Stopper für die Diffusion von Boratomen
und die aus der polykristallinen Siliciumschicht umgewandelte SiO2-Schicht wirkt als Stopper für die Diffusion von Phosphoratomen.
Bei der Herstellung der Halbleitervorrichtung werden die Elektroden auf dem Emitter- und Basisbereich auf einfache
Weise dadurch hergestellt, daß die polykristalline Siliciumschicht
und die SiO^-Schicht als Diffusionsmaske auf dem Halbleitersubstrat
verbleiben. Der Herstellungsprozess wird also vergleichsweise sehr einfach und besonders genau.
Der Grund, weshalb die polykristallinen Siliciumschichten als Diffusionsmasken verwendet werden, besteht in erster Linie darin,
daß diese Schichten bei relativ niedrigen Temperaturen von etwa 65O°C hergestellt werden können und ihre Diffusionskonstanten
sehr klein sind. Die keinen Sauerstoff enthaltende polykristalline Siliciumschicht besitzt annähernd die gleiche Diffusionskonstante
wie eine einkristalline Siliciumschicht. Die Diffusionskonstante der polykristallinen Siliciumschicht vermindert
sich mit dem Anteil an Sauerstoffatomen beträchtlich. Eine Sauerstoff enthaltende polykristalline Siliciumschicht ist
also hinsichtlich der Verwndung als Diffusionsmaske besonders vorteilhaft.
Die Sauerstoff enthaltende polykristalline Siliciumschicht 2 wird auf der Oberfläche des Transistors 15 erzeugt. Dieser
Transistor 15 zeichnet sich also durch eine hervorragende Ober-
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flächenpassivierung aus. Bei herkömmlichen Transistoren der
hier vergleichbaren Art andererseits dient eine SiO^-Schicht
als Passivierungsschicht für die Oberfläche, Durch die in dieser SiO2-Schicht zwangsläufig induzierten elektrischen Ladungen
entsteht eine unerwünschte Speicherfunktion. Es bildet
sich sehr häufig ein Kanal im Halbleitersubstrat des Transistors aus. Darüber hinaus wird die elektrische Ladung noch aufgrund
von Polarisationseffekten im umgebenden abschirmenden Kunstharz fixiert. Als Folge davon wird die Durchbruchspannung für
den PN-Übergang beträchtlich erniedrigt und die Zuverlässigkeit verschlechtert sich erheblich aufgrund externer elektrischer
Feldeinflüsse'. Diese Nachteile herkömmlicher Transistoren lassen sich durch die polycristalline Siliciumschicht 2 vermeiden,
da der spezifische Widerstand in dieser Schicht niedriger liegt als der einer SiO--Schicht. Die Durchbruchspannung des PN-Übergangs
andererseits wird durch die polycristalline Siliciumschicht 2 beträchtlich höher. Da diese polykristalline Siliciumschicht
2 einen geeigneten Mengenanteil von Sauerstoffatomen enthält, liegt wiederum der spezifische Widerstand dieser Schicht höher
als der einer reinen polykristallinen Siliciumschicht, so daß sich elektrische Ladungen nur schwer durch die polykristalline
Siliciumschicht 2 hindurchbewegen können und sich mithin ein nur sehr niedriger Leckstrom in Sperrrichtung ergibt.
Da der thermische Ausdehnungskoeffizient der polykristallinen
Siliciumschicht 2 nahe gleich ist dem des Halbleitersubstrats 1 wird auch der Kontakt zwischen der Schicht 2 und dem Halbleitersubstrat
1 nicht mit der Zeit schlechter. Dies bedeutet andererseits, daß der Passivierungseffekt wesentlich besser ist.
Da bei dieser Ausführungsform die Stickstoffatome enthaltende
polykristalline Siliciumschicht 3 über der polykristallinen Siliciumschicht 2 aufgebracht ist, ergibt sich eine erheblich
verbesserte Widerstandsfähigkeit gegen Feuchtigkeitseinflüsse,
Um diese Widerstandfähigkeit gegen Feuchtigkeit zu überprüfen,
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wurde eine Diode hergestellt, deren prinzipiellen Aufbau die Fig. 3 veranschaulicht. An dieser Diode wurde die Spannungs/
Strom-Kennlinie vor und nach einer intensiven Aussetzung des Bauelements in Wasserdampf gemessen. Bei dieser Diode wies
die erste polykristalline Siliciumschicht 2 eine Dicke von 5000 A* auf und ihr Wachstum erfolgte bei einem Strömungsanteil-Verhältnis
vori N2O/SiO2 =1/3, während die zweite polykristalline
Siliciumschicht 3 eine Dicke von 2000 R aufwies und bei einem Strömungsanteil-Verhältnis von NH^/SiH. = 2/3
auf der ersten polykristallinen Siliciumschicht 2 hergestellt wurde. Auf dem P-leitenden Halbleiterbereich 7 wird eine Elektrode
16 und auf der unteren Oberfläche des Halbleitersubstrats
1 eine weitere Elektrode 17 niedergeschlagen. Bei der Überprüfung
zeigte sich, daß die Durchbruchspannung in Sperrrichtung Vß vor und nach der Wasserdampfbehandlung unverändert
blieb und daß gleichzeitig nur ein sehr niedriger Leckstrom festzustellen war. Daraus kann geschlossen werden, daß die
polykristallinen Siliciumschichten 3 und 2 sehr widerstandsfähig gegen Feuchtxgkextseinflüsse sind.
Der Transistor nach einer Ausführungsform der Erfindung weist einen guten Passivierungseffekt auf und es zeigten sich nur
sehr geringe Veränderungen der Kennwerte bei Änderungen der elektrischen Vorspannung und der Temperatur. Ein Transistor
erfindungsgemäßer Herstellungsart, bei dem externe Zuleitungen
auf der SiO2-Schicht 9 mit den dort freiliegenden Elektroden
verbunden sind, weist eine wesentlich verbesserte Stabilität und Zuverlässigkeit seiner Kennwerte auf und dank der SiO2-Schicht
9 ergibt sich auch ein höherer Wer£ für die Durchbruchspannung. Weiterhin zeigte sich, daß eine elektrische
Ladungsverkopplung zwischen der SiO2-Schicht 9 und dem Halbleitersubstrat
1 durch die polykristallinen Siliciumschichten
2 und 3 verhindert wurde. Der Einfluß der in der SiO2-Schicht
vorhandenen elektrischen Ladung kann also vernachlässigt werden,
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Die polykristalline Siliciumschicht 2 soll 2 bis 45 Atomprozent an Sauerstoffatomen enthalten. Um eine gute Wirkung zu erzielen,
sollte der Sauerstoff anteil 10 bis 30 Atomprozent und Vorzugs-·
weise 13 bis 20 Atomprozent betragen. Ist der Anteil an Sauer-1
stoffatomen in der polykristallinen Siliciumschicht 2 zu klein,
so steigt der Leck-Sperrstrom an. Ist die Menge an Sauerstoffatomen
in der polykristallinen Siliciumschicht 2 dagegen zu groß, so verhält sich diese Schicht annähernd ähnlich wie eine
SiO2-Schicht.
Die Korngröße des polykristallinen Siliciums sollte vorzugsweise unter 1000 S , beispielsweise im Bereich von 100 bis 200 A*
liegen. Ist die Korngröße zu groß, werden Elektronen eingefangen und in der polykristallinen Siliciumschicht gespeichert, so daß
das erwähnte Speicherphänomen auftritt und eine ausreichende Betriebsstabxlität nicht erzielt werden kann. Die polykristalline
Siliciumschicht 3 sollte einen Anteil an Stickstoff von mehr als 10 Atomprozent enthalten« Bei weniger als 10 Atomprozent
an Stickstoff tritt an der Oberfläche dieser polykristallinen Siliciumschicht häufig ein di-elektrischer Durchbruch auf.
Es besteht dann die Gefahr eines Kurzschlusses der Elektroden und damit einer Entladung der polykristallinen Siliciumschicht
über die Oberfläche, Die Eigenschaften der einen zu geringen Anteil an Sauerstoff enthaltenden polykristallinen Siliciumschicht
andererseits sind annähernd ähnlich jenen von reinem polykristallinen Silicium, das - wie dargelegt ->
nicht aus-' reichend widerstandsfähig gegen Wassereinflüsse ist. Das polykristalline
Silicium kann einen zu hohen Stickstoffanteil enthalten. Selbst polykristallines Silicium, da.s Stickstoff in
einer Konzentration enthält, die nahezu derjenigen von Si3N4
entspricht, besitzt noch eine ausreichende Widerstandsfähigkeit
gegen Wasser.
Die Dicke T- der polykristallinen Siliciumschicht 2 sollte vorzugsweise im Bereich von 0,15 11 ^ T1 ^ 2,0 ^i liegen. Es ließ
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sich nachweisen, daß die Sperrstromkennwerte nach einer Wärmebehandlung
schlechter werden, wenn die Dicke T^ kleiner ist als 0,15 ^u. Da sich Elektroden nicht in zufriedenstellendem
Maße auf einer zu dicken polykristallinen Siliciumschicht her-·
stellen lassen, sollte die Dicke dieser polykristallinen SiIi-1
ciumschicht unter 2,0^u liegen. Die Stärke T2 der polykristallinen
Siliciumschicht 3 wird vorzugsweise über 0,1 Ji gewählt f um
eine befriedigende Widerstandsfähigkeit gegen Feuchtigkeitseinflüsse zu gewährleisten und um die Entstehung von Feinlunkern
und feinsten Löchern zu vermeiden. Damit ergibt sich, daß die zusammengefaßte Stärke (T1 + T2) der polykristallinen Siliciumschichten
2 und 3 unter 2 ja liegen sollte (T1 + T2 ^ 2 μ),
da sich die Elektroden nur für eine solche Stärke der polykristallinen Siliciumschichten 2 und 3 befriedigend herstellen
lassen.
Unter Bezug auf die Fig. 3 wird nachfolgend die Herstellung einer Diode nach einer anderen Ausführungsform der Erfindung
beschrieben:
Zunächst werden die erste und zweite polykristalline Siliciumschicht
2 bzw. 3 aufeinanderfolgend durch ein Dampfwachstumsverfahren in der oben beschriebenen Weise auf dem Halbleitersubstrat
1 erzeugt. An einem vorbestimmten Bereich werden sodann die erste und zweite polykristalline Siliciumschicht 2
und 3 durch das erwähnte Plasma-Ätzverfahren entfernt, um ein Fenster zum Eindiffundieren von P-Typ-Verunreinigungen, etwa
Boratomen, in das Halbleitersubstrat 1 freizulegen. Nach diesem Diffusionsvorgang wird eine Elektrode 16 auf dem P-Typ-Halbleiterbereich
7 niedergeschlagen.
Während des Diffusionsvorgangs wirkt die Stickstoffatome enthaltende
polykristalline Siliciumschicht 3 als Diffusionsmaske oder als Diffusionsstopper. Nach dem Diffusionsvorgang entsteht
auf dem Halbleitersubstrat 1 eine dünne SiO2~Schicht f die leicht
mittels einer Ätzlösung, etwa verdünnter Fluorwasserstoffsäure,
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entfernt werden kann, um die Elektrode niederschlagen zu können. Der Herstellungsvorgang ist sehr einfach. Auch in diesem
Fall sollte die Gesamtdicke der polykristallinen Siliciumschichten 2 und 3 unter 2 u liegen. Die statischen Kennwerte,
d.h. insbesondere die Spannungs/Strom-Sperrkennlinie der Diode
entspricht annähernd derjenigen einer herkömmlichen Diode (V- = 7O V). Der Leckstrom liegt jedoch sehr niedrig.
Unter Bezug auf die Fig. 4A bis 4E wird nachfolgend die Her-'
stellung eines MOS-FET gemäß einer anderen Ausführungsform der
Erfindung beschrieben:
Auf der Hauptoberfläche eines N-leitenden Siüciumsubstrats 21
wird (vgl. Fig. 4A) eine polykristalline Siliciumschicht 22 erzeugt, die Sauerstoffatome enthält, über der polykristallinen
Siliciumschicht 22 wird sodann eine Si-^N^-Schicht 23 ausgebildet,die
ihrerseits mit einer SiO^-Schicht 29 bedeckt wird. Die Schichten 22, 23 und 29 lassen sich mittels der Dampfwachstumsvorrichtung
nach Fig. 2 herstellen.
Zur Ausbildung von Fenstern 20 und 26 (vgl. Fig. 4B) werden anschließend
bestimmte Bereiche der Schichten 22, 23 und 29 abgeätzt. Durch die Fenster 20 und 26 werden sodann P-Typ-Verunreinigungen,
etwa Boratome, in das Halbleitersubstrat 21 eindiffundiert,
um einen P-leitenden Source-Bereich 24 (Quelle) sowie einen P-leitenden Drain-Bereich 25 (Senke) zu erzeugen (vgl.
Fig. 4C). Bei diesem Diffusionsvorgang wirken die SiO2-Schicht
29 und die Si3N,-Schicht 23 als Diffusionsstopper, Angrenzend
an die SiO2-Schicht 29 wird sodann mindestens im Bereich der
Öffnungen 20 und 26 eine SiO-- Schicht 29 erzeugt.
Als Öffnung (nicht gezeigt) für den Niederschlag einer Gate-Elektrode
wird sodann ein bestimmter über einem Abschnitt (Gate-Bereich) des Halbleitersubstrats zwischen dem Source-Bereich
24 und dem Drain-Bereich 25 liegender Teil der Schichten 22, 23 und 29 abgeätzt. Im Bereich dieser Öffnung wird sodann
als Gate-Oxidationsschicht eine SiO2-Schicht durch thermische
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Oxidation angrenzend an die SiO^-Schicht 29 erzeugt (vgl.
Fig. 4D). Die polykristalline Siliciumschicht 22 und die Si^N.-Schicht 23 solltenvorzugsweise die freiliegenden Bereiche
des PN-Übergangs im Bereich der Hauptfläche des Halbleitersubstrats 21 (außer den freiliegenden Bereichen des PN-Übergangs
im Gate-Bereich) überdecken.
Anschließend werden Teile der über dem Source-Bereich 24 und
dem Drain-Bereich 25 liegenden S1O2-Schichten 29 abgeätzt, um
Fenster freizulegen, die mit einer Source-Elektrode 27 und einer Drain-Elektrode 28 ausgefüllt werden (vgl. Fig. 4E).
Eine Gate-Elektrode 30 (Gatt) wird auf der Gate-Oxidationsschicht niedergeschlagen.
Bei dieser Ausführungsform wirken die SiO^-Schichten 29 und
die SioN.-Schicht 23 als Diffusionsstopper. Wie bei der ersten
Ausführungsform werden die drei Schichten einschließlich der als Passivierungsschicht wirkenden polykristallinen Siliciumschicht
nicht vom Halbleitersubstrat 21 entfernt; sie verbleiben vielmehr auf diesem Grundkörper. Ersichtlicherweise
wird damit der Herstellungspozess für ein solches Halbleiterbauelement wesentlich vereinfacht. Darüber hinaus wird eine
gute Passivierung erreicht und die Widerstandsfähigkeit gegen Feuchtigkeitseinflüsse wird verbessert. Da die SiO^-Schicht
die oberste Schicht des MOS-FET bildet, bleiben die elektrischen Kennwerte zwischen den Anschlüssen der Gate-Elektrode 30 und
den anderen Elektroden sehr zuverlässig beibehalten. Da darüber hinaus der Feldbereich des Halbleitersubstrats 21 außerhalb des
Source-Bereichs 24 und des Drain-Bereichs 25 mit deren polykristallinen Siliciumschicht 22 bedeckt ist, ist es möglich,
einen aufgrund einer Inversionsschicht auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats 21 sonst oftmals zu beobachtenden unerwünschten
Kanal zu verhindern. Dies gilt namentlich für Koraplementärtypen
von MOS-rFETen, bei denen ein N-Kanal-MOS-FET (nicht ge-
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zeigt) angrenzendan den in Fig. 4E gezeigten MOS-FET vorgesehen wird. In diesem Fall ist es mit der Erfindung möglichf
die Ausbildung eines unerwünschten Leitungskanals zwischen den FETen zu verhindern. Es wird also auch bei komplementären
MOS-FETen - wenn diese nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt werden - kein sogenannter Kanal-Stopper, d.h, ein
sonst üblicher spezieller Diffusionsbereich benötigt, Da.rn.it ■
läßt sich die Integrations- oder Packungsdichte der Elemente erhöhen. Wird auf dem Feldbereich des HalbleiterSubstrats wie
bei der zuletzt beschriebenen Ausführungsform - eine poly kristalline Siliciumschicht mit guter Passivierungswirkung
vorgesehen, so lassen sich hohe Werte der parasitären Schwellenoder
Durchbruchspannung Par-Vth von mehr als 100 V erreichen« Bei der Ausbildung des N-Kanal-MOS-FETs kann ein unnötiges Eindiffundieren
von N-Typ-Verunreinigungen, etwa von Phosphoratomen durch die SiO^-Schicht 29 verhindert werden.
Obgleich die Erfindung anhand zu bevorzugender Durchführungen
möglichkeiten beschrieben wurde, sind für den Fachmann eine Reihe von Abwandlungen möglich, ohne vom Grundgedanken der Erfindung
abzuweichen. So kann beispielsweise die Konzentration der Sauerstoff- oder der Stickstoffatome in der betreffenden
polykristallinen Siliciumschicht sich in Dickenrichtung dieser Schicht allmählich verändern. Die Grenzbereiche zwischen den
polykristallinen Siliciumschichten können sowohl Sauerstoffais auch Stickstoffatome enthalten. Natürlich ist es auch möglich,
einen umgekehrten Leitfähigkeitstyp für die Halbleiterbereiche vorzusehen. Die SiO2-Schicht sollte jedoch auf der
Stickstoffatome enthaltenden polykristallinen Siliciumschicht vorhanden sein, wenn N-Typ-Verunreinigungen .eindiffundiert
werden. Die Erfindung läßt sich auch auf die Herstellung eines PN-Übergangs bei einer IC-Trennung gut anwenden. In diesem
Fall wirkt- wenn P-Typ-Verunreinigungen in eine N-leitende Halbleiterschicht
in Dickenrichtung eindiffundiert werden - eine Stockstoffatome enthaltende polykristalline Siliciumschicht auch
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als oberste Schicht in befriedigender Weise als Diffusionsstopper.
Da nach der Erfindung die Diffusionsmaske im Herstellungsprozess der betreffenden Halbleiterbauelemente nicht entfernt zu
werden braucht, läßt sich die industrielle Herstellung ganz beträchtlich vereinfachen. Durch Verbindung der zweiten polykristallinen
Siliciumschicht als Diffusionsmaske mit der ersten polykristallinen Siliciumschicht mit guter Passivierungswirkung
läßt sich darüber hinaus der Einfluß elektrischer Ladungen in einem umgebenden Gießharz vermeiden. Außerdem werden die Kennwerte
des Halbleiterbauelements bei Änderungen der elektrischen Vorspannung, bei Temperatur- und Feuchtigkeitsschwankungen nicht
oder nur sehr wenig beeinflußt. Die nach dem Verfahren hergestellten Bauelemente zeigten eine hervorragende Zuverläßlichkeit
und Betriebsstabilität.
Zusammenfassend läßt sich feststellen, daß mit der Erfindung ein wesentlich vereinfachtes Verfahren zur Herstellung von
Halbleiterbauelementen geschaffen wurde, dessen Verfahrensschritte in kurzer Zusammenfassung im folgenden bestehen:
Auf einem vorbereiteten Halbleitersubstrat wird zunächst eine erste Sauerstoffatome enthaltende polykristalline Siliciumschicht
und dann darüber eine zweite Stickstoffatome enthaltende polykristalline Siliciumschicht erzeugt. Zur Herstellung von Diffusionsfenstern
werden sodann die beiden letztgenannten Schichten in bestimmten Bereichen entfernt und es wird ein Verunreinigungsmaterial über die Öffnung in das Halbleitersubstrat eindiffundiert,
um einen oder mehrere diffundierte Bereiche herzustellen. Dadurch, daß die aufgebrachten polykristallinen Siliciumschichten
nicht entfernt werden f läßt sich insbesondere der Prozess
der industriellen Herstellung von Halbleiterbauelementen und integrierten Schaltkreisen, etwa solchen mit komplementären MOS-Transistoren
wesentlich vereinfachen im Vergleich zu bisher be->
kannten Herstellungsverfahren, die zu vergleichbar guten Produkten führen.
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Claims (5)
- SONY CORPORATION 1ftS76P15 - Io -(F1248)Patentansprücheerfahren zur Herstellung von Halbleiterbauelementen, g e"-kennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte :Auf einer Halbleiterschicht wird eine erste Sauerstoffatome enthaltende und darüber eine zweite Stickstoffatome enthaltende polykristalline Siliciumschicht erzeugt; ein Teil der ersten und zweiten polykristallinen Siliciumschicht wird zur Ausbildung eines Diffusionsfensters selektiv entfernt;anschließend wird zur Erzeugung eines Diffusionsbereichs über das Fenster ein Verunreinigungsmaterial eines Leitfähigkeitstyps in die Halbleiterschicht eindiffundiert.
- 2. Verfahren nach Anspruch "!,dadurch gekennzeichnet,, daß in den Diffusionsbereich über ein Fenster, das in einer über dem Diffusionsbereich aufgebrachten Oxidationsschicht ausgebildet worden ist, ein Verunreinigungsmaterial eines anderen Leitfähigkeitstyps eindiffundiert wird.
- 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,dadurch gekennzeichnet , daß für die erste polykristalline Siliciumschicht ein Sauerstoffgehalt in Bereich von 2 bis 45 Atomprozent vorgesehen wird. " t
- 4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß für die zweite polykristalline Siliciumschicht ein Stickstoffanteil von über 10 Atomprozent vorgesehen wird.609838/0629
- 5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche f dadurch gekennzeichnet t daß die Korngröße des polykristallinen Siliciums unter 1000 S gewählt wird.609836/0629Le e rs e i t r"
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