DE2617398A1

DE2617398A1 - Halbleiterbauelement und verfahren zu seiner herstellung

Info

Publication number: DE2617398A1
Application number: DE19762617398
Authority: DE
Inventors: Motoaki Abe; Teruaki Aoki; Takeshi Matsushita; Tadayoshi Mifune
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1975-04-21
Filing date: 1976-04-21
Publication date: 1976-11-04
Also published as: JPS51123562A; CA1059241A; NL7604238A; GB1532456A; FR2309039A1; US4081292A; FR2309039B1

Description

!^JA!"tN !ANWAM I.

TER MtEF-I - MÜLLER - STEINMEiSTER

D-üOOO München 22 D-4ÜOO Bielefeld

InItMi ulk: \ iJKikorwall 7

S76P28 21. April 1976

SONY CORPORATION
Tokio / Japan

Halbleiterbauelement und Verfahren zu seiner Herstellung

Die Erfindung bezieht sich auf ein Halbleiterbauelement und ein Verfahren zu seiner Herstellung und betrifft insbesondere Halbleiterbauelemente wie Dioden, Transistoren und/oder Widerstände, die mit einer oder mehreren Oberflächenpassivierungsschicht(en) versehen sind, sowie das Verfahren zu deren Herstellung.

Zu den herkömmlichen, für Halbleiterbauelemente geeigneten Passivierungsschichten gehören Schichten aus SiO₂, mit Phosphor versetztem Glas sowie Si₃N₄. Bei SiO₂-Schichten werden leicht an einer Oberfläche des Halbleitersubstrats elektrische Ladungen von der SiO₂~Schicht aus induziert, die durch Polarisation in

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ORfGlNAL tNSPECTED

einem umhüllenden schmelzbaren Kunstharz fixiert werden, wodurch vor allem eine Verschlechterung der Sperr- oder Durchbruchspannung und der Betriebszuverlässigkeit aufgrund der Einflüsse von externen elektrischen Feldern eintritt. Die obigen Passivierungsschichten weisen außerdem eine schlechte Widerstandsfähigkeit gegen Wassereinflüsse auf, so daß die Leck- oder Sperrströme in Abhängigkeit von der ümgebungsfeuchtigkeit schwanken.

Zur Passivierung von Halbleiterbauelementen wurde auch bereits die Verwendung einer reinen polykristallinen Siliciumschicht vorgeschlagen. Die Ergebnisse sind jedoch unbefriedigend, da vergleichsweise hohe Leck- oder Sperr ströme und ein kleiner Wert für h„ (Stromverstärkungsfaktor in Emitter-Basisschaltung) die Folge sind, obgleich sich eine hohe Sperr- oder Durchbruchspannung er-• reichen läßt,

! Inhalt der deutschen Patentanmeldungen P 25 13 459.2 und ; P 25 47 304,5 ist bereits der Vorschlag zur Passivierung eine j polykristalline Siliciumschicht vorzusehen, die Sauerstoff- und/ I oder Stickstoffatome enthält, wobei sich für die polykristalline Siliciumschicht Widerstandseigenschaften ergeben, die als semiisolierend bezeichnet werden können, d.h. spezifische Widerstän-

7 11 !

de, die im Bereich von etwa 10 - 10 JT.cm liegen. Die Durch-

; bruch- oder Sperrspannung und die Zuverlässigkeit und Wider- j Standsfähigkeit gegen Wassereinflüsse werden erheblich verbes- ! sert. Diese Schichtart wurde nicht nur zur Passivierung empfoh- i len, sondern auch zur Ausbildung eines Widerstands oder dergleichen in oder an der Oberfläche eines Halbleitersubstrats. Die polykristalline Siliciumschicht wird nach dem älteren Vorschlag einheitlich durch ein chemisches Dampfniederschlagsverfahren erzeugt, bei dem Silicium durch thermische Zersetzung von SiH. abgeschieden wird und Sauerstoff oder Stickstoff in das Silicium durch Zersetzung von Stickstoffoxid (N₂O etc.) bzw, NH₃ dotiert wird. Dieses Verfahren eignet sich gut zur Ausbildung einer einheitlichen Passivierungsschicht. Es ist jedoch schwierig, die Gasströmungsmenge genau zu überwachen und die Temperatur so zu bestimmen, daß sich eine bestimmte Sauerstoff- oder Stickstoffkonzentration zur selektiven Ausbildung einer Schicht ergibt,

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oder um das Konzentrationsprofil, also den Konzentrationsgradienten, in Querrrichtung zu variieren.

Der Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, ein Halbleiterbauelement und ein Verfahren zu seiner Herstellung, insbesondere zur Herstellung einer verbesserten Oberflächenpassivierungsschicht zu schaffen.

Erfindungsgemäße Lösungen dieser technischen Aufgabe sind in den j Patentansprüchen angegeben; vorteilhafte Weiterbildungen des J Erfindungsgegenstands sind in der nachfolgenden Beschreibung ent-, halten und in Unteransprüchen gekennzeichnet. j

Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, ein Halbleiterbauelement insbesondere an dessen Hauptfläche mit einer Siliciumcompoundschicht, also einer zusammengesetzten Siliciumschicht oder Siliciumverbindungsschicht zu versehen, in die Siliciumionen implantiert wer-■ den, um diese in eine halb- oder semi-isolierende Schicht umzu- ι wandeln. Durch diesen Vorgang werden die Passivierungseigenschaften der Siliciumcompoundschicht verbessert und außerdem lassen ; sich die Sauerstoff- oder Stickstoffkonzentration und -verteilung ' ^: genau steuern und überwachen. '

' Die Siliciumcompoundschicht wird in eine polykristalline oder j amorphe Siliciumschicht mit einer Korngröße von weniger als ί 1000 8, insbesondere 100 bis 200 8 umgewandelt. Die Dosierung der ■zu implantierenden Si -Ionen, z. B, für eine SiO^-Schicht, wird so 'gewählt, daß sich am Grund der semi-isolierenden Schicht eine ΊSauerstoffkonzentration von 2 bis 45 Atom%_f vorzugsweise von I 15 bis 35 Atom%, ergibt, um eine gute Passivierung zu erreichen, :Es wurde festgestellt, daß der Leckstrom ansteigt, wenn der j Sauerstoffgehalt unter der angegebenen Untergrenze liegt, während J sich praktisch die bei SiO^-Passivierungsschichten zu beanstan- !denden Nachteile ergeben, wenn der Sauerstoffgehalt wesentlich über der angegebenen Obergrenze gewählt wird. Bei der Implantation von Si -Ionen in eine Si₃N₄-SChIClIt wird die Dosierung vorzugsweise so gewählt, daß sich am Grund der semi-isolierenden

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Schicht eine Stickstoffkonzentration von mehr als 1O Atom% ergibt. Der spezifische Widerstand und die Schutzeigenschaften

j gegen Wassereinflüsse werden schlechter, wenn der Stickstoffge- ; halt wesentlich unter dem angegebenen Wert liegt,

Die Erfindung und vorteilhafte Einzelheiten werden nachfolgend unter Bezug auf die Zeichnung in beispielsweisen Ausführungs- j formen näher erläutert. Es zeigen; j

[ j

Fig. 1A bis 1C schematische Schnittdarstellungen eines Bipolar- ^:

\ transistors im Verlauf der einzelnen Stufen des erfin- j

dungsgemäßen Herstellungsverfahrens; :

Fig. 2 in graphischer Darstellung das Konzentrationsprofil der implantierten Siliciumionen und

¹ Fig. 3A und 3B ebenfalls Schnittdarstellungen eines Bipolar- ' transistors in unterschiedlichen Stufen eines erfindungs- j

\ gemäßen Herstellungsverfahrens in anderer Durchführungsart .

Der in den Fig. 1A bis 1C veranschaulichte Bipolartransistor weist ein N-leitendes Siliciumsubstrat 1 auf, in das ein P-leitender Basisbereich 2 und ein N -leitender Emitterbereich 3 eindiffundiert sind. Für die Emitter- bzw. Basisdiffusion wird eine ₂ [ Schicht mit abgestufter Dicke verwendet. Die Stärke dieser Schicht !beträgt 0,22 μ über dem Kollektor-Basisübergang J ; sie ist dün-'ner über dem Emitter-Basisübergang J und ist am dünnsten über ■ dem Emitter.

Wie durch Bezugshinweis 5 angedeutet, werden Si -Ionen durch eijnen entsprechenden Strahl in das Substrat 1 bei einer Beschleunigungsenergie von 200 keV implantiert. Der mittlere Strahl- oder ;Eindringbereich R der Ionen beträgt 0,22 μ (Fig. 1A).

j P

j Die graphische Darstellung der Fig. 2 verdeutlicht die Siliciumi ionenkonzentration in der SiO₂-Schicht 4 und dem Substrat 1. 'Ein tieferer Bereich der SiO₂-Schicht 4 weist einen hohen Anteil

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an Siliciumioiien auf und wird mit Sauerstoff in eine polykristalline Siliciumschicht umgewandelt, deren spezifischer Widerstand ! niedriger liegt als der von SiO₂ (Fig. 1B). In der SiO₂~Schicht, deren Stärke im wesentlichen gleich R ist, ist die Siliciumkonzentration ein Maximum und die Sauerstoffkonzentration ein

■ Minimum an der Zwischenflache zwischen dem Substrat 1 und der semi-ioslierenden Schicht 6. Die Sauerstoffkonzentration liegt höher im oberen Bereich der Schicht 6. In der SiO₂-Schicht mit einer geringeren Dicke als R liegt die semi-isolierende Schicht

P ι

6 im oberen Abschnitt vor. Die semi-isolierende Schicht überdeckt j

die PN-übergänge J und J , wobei die Sauerstoffkonzentration an ^{3 J} e c'

J niedrig und bei J hoch liegt.

Durch die SiO₂-Schicht 4 hindurch gelangen auch Si -Ionen in das Substrat 1, so daß der Oberflächenbereich des Substrats 1 in eine : amorphe Siliciumschicht 7 umgewandelt wird. Durch eine Wärmebehandlung bei einer Temperatur oberhalb von 500°C wird die amorphe

■ Schicht 7 wiederum zu einem Einkristall umgewandelt (Fig. 1C).

. Die SiO₂~Schicht 4 wird selektiv mittels HF geätzt, während die polykristalline Siliciumschicht 7 zur Kontaktierung von Emitter ' und Basis selektiv mittels einer Ätzlösung in der Zusammensetzung ι ' HNO₃:HF:HCOOH = 5:1:4 geätzt wird. i

Es sei kurz erwähnt, was sich bei der Si -Ionendosierung und ei- _i ner angenommenen Sauerstoffkonzentration von 20 Atom% an der ! j ι

ί Zwischenfläche zwischen der semi-isolierenden Schicht 6 und dem !

Halbleitersubstrat 1 ergibt. Die SiO^-Schicht weist eine Dicke i von 0,22 μ auf und die Beschleunigungsenergie beträgt 200 keV. Werden der SiO₂-Schicht χ Siliciumatome zugesetzt, so ergibt sich mit dem Ansatz

= 0,2 ·

(1+x) + 2

der Wert χ = 7. Dies bedeutet, daß sieben Siliciumatome pro !

23 1 Mol SiO₉ injiziert werden müssen. Es sind also 1,6 χ 10 Si-

3 +

1iciumatome/cm zu injizieren. Die tatsächliche Si -Ionendosie-

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rung liegt bei 1,6 χ ΊΟ cm

Die erfindungsgemäße semi-isolierende Schicht ergibt gute Passivierungseigenschaften, da sie einen geringeren spezifischen Widerstand besitzt als SiO₂ und externe elektrische Felder gut abschirmt. Auch der Leckstrom wird kleiner im Vergleich zu reinem polykristallinem Silicium. Die SiO2-Schicht 4 auf der semiisolierenden Schicht 6 dient außerdem als Schutz gegen Wasserbzw. Wasserdampfeinflüsse und verbessert die elektrische Isolation. ; ι

Die Fig. 3A bis 3B verdeutlichen eine zweite Ausführungsform der Erfindung:

Auf einem Siliciumsubstrat 1 werden eine SiO2-Schicht 14 mit einer Stärke von 0,12 u und eine SioN.-Schicht 24 mit einer Stärke von 0,1 μ abgeschieden. Sodann erfolgt die Si -Ionenimplantation mittels eines Ionenstrahls mit einer Energie von etwas weniger als

18 —2

200 keV in einer Dosierung von etwa 1,6 χ 10 cm . R ist kleiner als die Gesamtstärke der SiO₂-Schicht 14 und der Si^N.-Schicht 24 (Fig. 3A).

Bei bzw. nach der Wärmebehandlung werden die SiO₂-Schicht 14 und die SioN--Schicht 24 in semi-isolierende Schichten 16 bzw. 26 umgewandelt und eine amorphe Siliciumschicht an der Oberseite des Substrats 1 (nicht gezeigt) wird zu einem Einkristall restauriert (Fig. 3B). Die semi-isolierende Schicht 16 enthält am. Grund ei-' nen Sauerstoffgehalt von 20 Atom%; die Sauerstoffkonzentration liegt höher im oberen Bereich. Der untere Bereich der semi-isolierenden Schicht 26 ist eine polykristalline Siliciumschicht, die weniger als 57 Atom% Stickstoff enthält, was dem Anteil in Si₃N₄ entspricht. Die gesamte SißN.-Schicht 24 wird in eine semi-isolierende Schicht umgewandelt, wenn die Schicht selbst dünner ist und die Ionenenergie niedriger liegt.

Wie in der erwähnten deutschen Patentanmeldung P 25 47 304.5 beschrieben, ergeben sich aus der Struktur der stickstoffdotierten polykristallinen Siliciumschicht und der sauerstoffdotierten polykristallinen

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j Siliciumschicht gute Schutzeigenschaften gegen Wassereinflüsse. ι Die Strom/Spannungskennlinie einer Diode läßt keine Veränderungen erkennen, wenn das Bauelement für längere Zeit einer gesättigten Dampfatmosphäre ausgesetzt wird.

Im Rahmen der Erfindung sind eine Reihe von Abwandlungen möglich, für die einige Beispiele angegeben seien: Die Beschleunigungs-

ienergie für den Ionenstrahl, die Dosierungsmenge und die Stärke ι der S1O2- oder SioN.-Schicht können modifxzxert werden. Das Do- j

sierungsprofil kann in Querrichtung verändert werden. Die Sauer- j stoff- und Stickstoff enthaltende polykristalline Siliciumschicht I

■ läßt sich aus einer Siliciumverbindung mit Sauerstoff und Stick- ' stoff gewinnen; diese Schicht kann zwischen zwei semi-isolieren- ■ den Schichten gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung liegen. Werden Si -Ionen selektiv implantiert, so läßt sich die Schicht selektiv durch ein für Silicium geeignetes Ätzmittel ätzen. Die Erfindung ist in analoger Weise auch auf Halbleiter-■beuelemente in Mesa-Struktur oder in Halbleiterkörpern ausgebildete Widerstände anwendbar.

Zusammenfassend läßt sich feststellen, daß mit der Erfindung Halbleiterbauelemente mit besserer Oberflächenpassivierung sowie ein Verfahren zur deren Herstellung geschaffen wurde, das im we-, sentlichen darin besteht, Siliciumionen mittels eines entsprechen-; ,den Ionenstrahls in eine Siliciumdioxidschicht auf einem SiIiiciumsubstrat zu implantieren, so daß die Siliciumdioxidschicht 'in eine semi-isolierende Schicht umgewandelt wird, die bessere i Passivierungseigenschaften aufweist.

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Claims

SONY CORPORATION
S76P28

Patentansprüche

Verfahren zur Herstellung von Halbleiterbauelementen, bei dem
auf einem die Bauelementestruktur enthaltenden Siliciumsubstrat eine isolierende Siliciumverbindungsschicht hergestellt
wird, dadurch gekennzeichnet, daß
in die Verbindungsschicht und in einen im Grenzbereich zur
Verbindungsschicht liegenden Abschnitt des Substrats Silicium-j ionen mittels eines Siliciumionenstrahls implantiert werden, <■ wodurch die Verbindungsschicht in eine semi-isolierende Schicht und der mit Siliciumionen dotierte Bereich des Substrats in ί amorphes Silicium umgewandelt werden und daß das so behandelte; Substrat zur Rückumwandlung des amorphen Bereichs des Sub- , strats in eine einkristalline Struktur einer Wärmebehandlung ! unterzogen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet , daß als Siliciumverbindungsschicht eine
SiO2~Schicht verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet , daß als Siliciumverbindungsschicht eine
813N₄-Schicht verwendet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2,dadurch gekennzeichnet , daß die Energie des Siliciumionenstrahls
so hoch gewählt wird, daß die Siliciumdioxidschicht in eine
polykristalline Siliciumschicht umgewandelt wird, die eine
Sauerstoffkonzentration am Grund der isolierenden Schicht
von 2 bis 45 Atom% aufweist.

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5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Energie des Siliciumionenstrahls so hoch gewählt wird, daß die Siliciumdioxidschicht in eine polykristalline Schicht umgewandelt wird, die am Grund der isolierenden Schicht eine Sauerstoffkonzentration von 15 bis 35 Atom% aufweist.
6. Verfahren nach Anspruch 3_fdadurch gekennzeichnet , daß die Energie des Siliciumionenstrahls so hoch gewählt wird, daß die Siliciumdioxidschicht in eine polykristalline Siliciumschicht umgewandelt wird, die eine Stickstoffkonzentration am Grund der isolierenden Schicht von über 1O Atom% aufweist.
7. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche zur Herstellung eines Bipolartransistors, bei dem auf einer planaren Fläche eines den Kollektorbereich bildenden einkristallinen Halbleitersubstrats einer ersten Leitfähigkeit eine Siliciumdioxidmaske ausgebildet und selektiv geätzt wird, um ein Fenster für die Eindiffusion eines 3asisbereichs mit entgegengesetzter Leitfähigkeit in die planare Fläche und die Eindiffusion eines Emitterbereichs mit erster Leitfähigkeit innerhalb des planaren Flächenbereichs des Basisbereichs zu ermöglichen, dadurch gekennzeichnet daß die Stärke der SiO^-Maskxerungsschicht über einem Abschnitt des Basisbereichs und über dem Oberflächenbereich des Emitter-Basisübergangs vermindert und über dem radial innerhalb des Emxtter-Basxsübergangs liegenden Emitterbereich weiter reduziert wird, daß die die Basis und den Emitter aufweisende Seite des Substrats einem Siliciumionenstrahl mit einer mittleren Ioneneindringtiefe ausgesetzt wird_f die etwa der ursprünglichen Stärke der SiO₂-Schicht entspricht, derart daß der tiefere Bereich der SiO₂-Schicht in eine polykristalline Siliciumschicht und der obere Bereich des Substrats in eine amorphe Schicht umgewandelt werden und daß anschließend das so behandelte Substrat zur Rückumwandlung der amorphen Schicht in einen einkristallinen Abschnitt des Substrats einer

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Wärmebehandlung unterzogen wird.
8. Verfahren zur Herstellung eines Bipolartransistors nach Anspruch 7,dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur bei der Wärmebehandlung über 500^C liegt.
9. Verfahren zur Herstellung eines Bipolartransistors nach Anspruch 7 oder 8_fdadurch gekennzeichnet, daß die Beschleunigungsenergie des Siliciumionen-

I Strahls auf etwa 200 keV eingestellt wird.

j
10. Verfahren zur Herstellung eines Bipolartransistors nach

j einem der vorhergehenden Ansprüche 7 bis 9, dadurch

ι gekennzeichnet, daß die Beschleunigungsenergie

I des Siliciumionenstrahls so hoch gewählt wird, daß der über

; dem Kollektorbereich und über dem Basisbereich liegende Ab-

! schnitt der SiO^-Schicht in einen polykristallinen Abschnitt

! umgewandelt wird.

!
11. Verfahren zur Herstellung eines Bipolartransistors nach An-

j spruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß

das Substrat vor der Siliciumionenstrahlbehandlung mit ei- j

ι ner über der SiO₂-Schicht liegenden epitaxialen Si₃N₄-Schicht|

j derart versehen wird, daß die gesamte Stärke der ursprüng-

i liehen SiO₂-Schicht und der SigN.-Schicht etwa 1,12^u be-

I trägt bei einer vorgesehenen Dosierung des Si -Ionenstrahls

j von 1,6 χ 10 cm , so daß die Si₃N₄- und die SiO₂~Schicht

I nach der Wärmebehandlung in polykristalline Schichten umge-

ί wandelt sind.

^!
12, Halbleiterbauelement, hergestellt gemäß dem Verfahren nach

wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch j gekennzeichnet, daß auf wenigstens einer Ober- ! fläche eines Halbleitersubstrats eine Siliciumverbindungsschicht ausgebildet ist, die implantierte Siliciumionen enthält.

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13. Halbleiterbauelement nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet , daß die Verbindungsschicht eine SiC^-Schicht ist.
14. Halbleiterbauelement nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet , daß die Verbindungsschicht eine SioN^-Schicht ist.
15. Halbleiterbauelement, hergestellt gemäß wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 11, gekennzeichnet durch eine auf einem Siliciumsubstrat ausgebildete polykristalline Siliciumschicht, die Siliciumionen in selektiver Verteilung enthält.

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