DE2617855A1 - Halbleiterbauelement mit schottky- sperrschicht - Google Patents

Halbleiterbauelement mit schottky- sperrschicht

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DE2617855A1 DE19762617855 DE2617855A DE2617855A1 DE 2617855 A1 DE2617855 A1 DE 2617855A1 DE 19762617855 DE19762617855 DE 19762617855 DE 2617855 A DE2617855 A DE 2617855A DE 2617855 A1 DE2617855 A1 DE 2617855A1
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Description

PATtNlANWALTE *W
TER MEER - MÜLLER - STEINMEISTER
D-üOOO München 22 D-48OO Bielefeld
TiiltülralJu 4 Siokerwall 7
S76P29 23. April 1976
SONY CORPORATION
Tokio/Japan
Halbleiterbauelement mit Schottky-Sperrschicht
Gegenstand der Erfindung ist ein Halbleiterbauelement mit einer Schottky-Sperrschicht, etwa eine Schottky-Sperrschichtdiode, ein Transistor mit Schottky-Kollektorsperrschicht, ein Feldeffekttransistor mit Schottky-Sperrschichtgate und dergleichen. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Halbleiterbauelement nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Bei einer bekannten Schottky-Sperrschichtdiode, wie sie etwa in Fig. 1 der beigefügten Zeichnungen in prinzipieller Schnittdarstellung wiedergegeben ist, ist auf einem N-leitenden SiIiciumhalbleitersubstrat 1 mit beispielsweise niedriger Verunreinigungskonzentration ein Metallkontakt 2 abgeschieden, der aus
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einem Metall besteht, das in der Lage ist, zum Halbleitersubstrat eine Schottky-Sperrschicht 3 zu bilden, also beispielsweise Aluminium. Bei dem dargestellten Beispiel setzt sich das Halbleitersubstrat 1 aus einem N-leitenden ursprünglichen Substrat 4 mit hoher Verunreinigungskonzentration und einer N-leitenden Halbleiterschicht 5 zusammen, die eine relativ niedrige Verunreinigungskonzentration aufweist, und auf dem ursprünglichen Substrat 4 etwa durch einen epitaxialen Wachstumsprozess erzeugt wurde. Auf der Halbleiterschicht 5 ist der mit dieser Schicht eine Schottky-Sperrschicht 3 bildende MetalIkontakt 2 aufgebracht. Eine solche Schottky-Sperrschichtdiode ist üblicherweise mit einer isolierenden Schicht 6 aus Siliciumdioxid (SiO2) als Schutzschicht zur Oberflächenpassivierung mindestens auf der Oberfläche des Substrats 1 versehen. Die isolierende Schicht 6 weist ein Fenster 6a auf, über das der Metallkontakt 2 selektiv auf der Halbleiterschicht 5 in der Weise niedergeschlagen ist , daß die Randkante 3a der Schottky-Sperrschicht noch durch die isolierende Schicht 6 bedeckt wird, Das Bezugszeichen 7 weist auf die am ursprünglichen Substrat 4 angebrachte und mit diesem in ohm'schem Kontakt stehende Elektrode hinf die bei dem dargestellten Beispiel die Kathodenelektrode ist.
Diese so weit beschriebene Schottky-Sperrschichtdiode hat jedoch den Nachteil, daß die Durchbruch- oder Sperrspannung der Schottky-Sperrschicht 3 relativ niedrig liegt, da im Bereich der Kante 3a der Schottky-Sperrschicht eine relativ hohe Feldkonzentration auftritt. Insbesondere wenn SiO2 als Isolationsschicht 6 und als Schutzschicht zur Oberflächenpassivierung verwendet wird, wirkt sich zusätzlich noch eine Verzerrung aufgrund des großen Unterschieds im thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen der oberseitigen Siiiciumdioxidschicht und dem Material des Substrats 1, beispielsweise Silicium, oder der Halbleiterschicht verschlechternd aus, weil eine v/eitere Feldkonzentration an der innere ümrandungskante des diskontinuierlichen Bereichs der isolierenden Schicht 6 oder des Fensters 6a erfolgt, d,h. auch in diesem Fall an der ümrandungskante 3a der Schottky-Sperrschicht 3 , Wird diese Sperrschicht 3 nun mit einer Sperrspannung beauf-
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schlagt, so wird die sich in das Substrat 1 hinein erstreckende Verarmungsschicht an der Kante 3a der Sperrschicht 3 sehr schmal, wie in Fig. 1 durch eine strichpunktierte Linie a angegeben ist, so daß partiell eine sehr hohe Peldkonzentration auftritt mit der Folge eines Durchbruchs im Bereich dieser Kante.
Um diesen Durchbruch an der Umrandungskante 3a der Schottky-Sperrschicht zu vermeiden, wurde bereits vorgeschlagen, einen ringförmigen P-leitenden Bereich, also einen Bereich mit gegenüber dem j
; Substrat 1 unterschiedlicher Leitfähigkeit, einen sogenannten j Schutzring entlang der Umrandungskante 3a der Schottky-Sperr- i schicht 3 vorzusehen (vgl. Fig. 2), so daß sich eine Verarmungsschicht außerhalb des Bereichs 8 ausdehnen kann, wie in Fig. 2 durch eine strichpunktierte Linie a angegeben ist. Auf diese Weise läßt sich die Wirkung aufgrund der Verzerrung oder der Spannun-r : gen an der inneren Umrandungskante des Fensters 6a der isolieren- : den Schicht 6 vermeiden. '
Wie in Fig. 3 veranschaulicht, wurde außerdem vorgeschlagen, an der Kante des Fensters 6a einen abgeschrägten Abschnitt 6b der isolierenden Schicht 6 vorzusehen, so daß sich auch in diesem Fall, eine Ausdehnungsmöglichkeit für die Verarmungsschicht im Bereich der Kante 3a der Sperrschicht 3 ergibt aufgrund des Feldeinflusses, der von der am Metallkontakt 2 liegenden Spannung ausgeht (vgl. die strichpunktierte Linie a in Fig. 3).
Der Schutzring 8 jedoch stellt einen erhöhten Herstellungsaufwand dar und der abgeschrägte Abschnitts 6b an der
Umrandungskante des Fensters 6a der isolierenden Schicht 6 läßt sich nur schwer herstellen. Durch den Schutzring 8 wird der für ein solches Element erforderliche Flächenbedarf etwa im Rahmen einer integrierten Schaltung außerdem verhältnismäßig groß.
Bei den bekannten Halbleiterbauelementen mit Schottky-Sperrschicht tritt außerdem noch ein anderes Problem auf: Wird - wie oben beschrieben - eine Siliciumdioxidschicht auf der Oberfläche des HalbleiterSubstrats als Isolationsschicht bzw. zur Passivierung
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vorgesehen, so verursachen die darin fixierten elektrischen Ladungen, beispielsweise Natriumionen (Na ) einen meist unerwünschten Speichereffekt, so daß die Oberfläche des HalbleiterSubstrats instabil wird. Ist das Substrat beispielsweise P-leitend, so entsteht leicht ein N-leitender Kanal, durch den die Durchbruchspannung stark absinkt. Wird im Verlauf des Herstellungsverfahrens ein Halbleiterchip oder eine Halbleiterpille mit einem schmelzflüssigen Kunstharz umgeben, so wirkt die Polarisation des Harzes häufig durch die Siliciumdioxidschicht hindurch auf die Halbleiteroberfläche .
ι Um einen Teil dieser Schwierigkeiten zu vermeiden, wurde bereits j
! ι
vorgeschlagen, auf der Oberfläche des Siliciumhalbleitersubstratsj eine nicht-dotierte polykristalline Siliciumschicht vorzusehen.
Damit läßt sich insbesondere die erwähnte Speicherfunktion ver- ! bessern oder beseitigen, es tritt jedoch der andere Nachteil auf, ' daß der spezifische Widerstand verhältnismäßig niedrig wird, wodurch die Leckströme ansteigen, der Verstärkungsfaktor h-,-, für
Γ Γι
Emitter-Basisschaltung niedrig und die Rauschkennwerte verhältnismäßig groß werden.
Der Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, Halbleiterbau- : elemente mit Schottky-Sperrschicht auf einfach herstellbare Wei- ; se so zu verbessern, daß einerseits die Werte für die Sperr-? oder
Durchbruchspannung wesentlich verbessert werden ohne andererseits j
j andere Kenngrößen wie spezifischer Oberflächenwiderstand, Leckstrom, Stromverstärkungsfaktor und Rauschkennwerte zu verschlechtern. Insbesondere soll die Erfindung auch darauf gerichtet sein, den bisher zur Verbesserung der Durchbruchspannungswerte erforderlichen Aufwand (vgl. Fig. 3) und/oder Flächenbedarf für solche Bauelemente in einem Halbleiterkörper (vgl. Fig. 2) zu verringern .
Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe gibt der Patentan- ! spruch 1 an, für den vorteilhafte Weiterbildungen in der nachfolgenden Beschreibung erwähnt und in ünteransprüchen gekennzeichnet sind.
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Die Erfindung macht bei der Anwendung auf Schottky-Sperrschichten von der Feststellung Gebrauch, daß sauerstoff-dotiertes polykristallines Silicium einen ausreichend hohen spezifischen Widerstand besitzt, aber gleichzeitig auch im Vergleich zu Siliciumdioxid und nicht mit Sauerstoff dotiertem polykristallinem Silicium unterschiedliche elektrische und mechanische Eigenschaften aufweist. Die Erfindung schlägt vor, ein in bestimmter Weise sauerstoff-dotiertes polykristallines Silicium als hochohmige Schicht zur Passivierung der Oberfläche eines Halbleitersubstrats mit Schottky-Sperrschicht zu verwenden, wobei sich überraschenderweise dann erheblich verbesserte Werte für die Durchbruchspannung ergeben, wenn entsprechend der erfindungsgemäßen Lehre verfahren wird, wobei gleichzeitig die übrigen Parameter des Halbleiterbauelements weitgehend unbeeinflußt bleiben,
: Die Erfindung und vorteilhafte Einzelheiten werden nachfolgend ! unter Bezug auf die Zeichnungen in beispielsweiser Ausführungs- : form näher erläutert. Es zeigen;
Fig. 1 bis 3 vergrößerte Prinzipschnittdarstellungen von bereits kurz erwähnten bekannten Schottky-Sperrschichtdioden;
Fig. 4 eine vergrößerte Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung in Anwendung auf eine Schottky--Sperr-; schichtdiode;
i
Fig. 5 in graphischer Darstellung den Verlauf der Kurve des spezifischen Widerstands in Abhängigkeit von der Sauerstoff dotierung in einer oberflächenseitigen polykristalli-l nen Siliciumschicht;
Fig. 6 die schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Herstellung einer polykristallinen Siliciumschicht in Verbindung mit der Erfindung;
Fig. 7 bis 9 vergrößerte Schnittdarstellungen eines anderen Ausführungsbeispiels der Erfindung;
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E'ig. 10 die vergrößerte Perspektivansicht eines speziellen Abschnitts eines bekannten Transistors und
Fig. 11 die vergrößerte Schnittansicht für ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Bei der Schottky-Sperrschichtdiode mit erfindungsgemäßen Merkmalen nach Fig. 4 sind die den Teilen der Dioden nach den Fig. 1 bis 3 entsprechenden Abschnitte mit den gleichen Bezugshinweisen gekennzeichnet; eine besondere Beschreibung erscheint somit entbehrlich.
Anstelle der isolierenden Siliciumdioxidschicht 6 na.ch den Fig. 11 bis 3 ist eine polykristalline Siliciumschicht 9 auf der Oberfläche des HalbleiterSubstrats 1 vorhanden, die mit Sauerstoff ι dotiert ist oder Sauerstoff enthält und die aus Silicium mit einer bestimmten Verunreinigungskonzentration als Schutzschicht zur Passivierung hergestellt wurde und eine Dicke im Bereich zwischen 1000 Angström (R) und 1 Mikron (u) f beispielsweise von 5000 A aufweist. (Der hier verwendete Begriff "polykristallin" soll so verstanden werden, daß auch der als amorph zu bezeich- ; nende Bereich mit eingeschlossen ist.) Über der polykristalli- I nen Siliciumschicht 9 ist - falls aus bestimmten Gründen erforderlich - eine isolierende Schicht aus Siliciumdioxid SiO2 oder j Siliciumnitrit Si^N4 abgeschieden oder auch eine ähnliche poly- | kristalline Siliciumschicht 10, die mit Stickstoff (N) dotiert i ist und eine Stärke von beispielsweise 1500 A* aufweist; diese ■ Zusatzschicht dient zur Verbesserung der Eigenschaften der poly- ι kristallinen Siliciumschicht 9 gegen Wassereinflüsse oder zur
i Verbesserung des elektrischen Widerstands in Dickenrichtung,
Die Sauerstoffdotierung für die polykristalline Siliciumschicht 9 wird im Bereich zwischen 2 bis 45 Atom% gewähltf vorzugsweise im Bereich zwischen 14 bis 35 Atom%, wobei 20 Atom% einem besonders zu bevorzugenden Wert entsprechen.
Die Beziehung zwischen der Menge an dotiertem Sauerstoff in Atom%
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und dem spezifischen Widerstand in Ohm-Zentimetern (jj_cm) in polykristallinem Silicium gibt die Fig. 5 wieder. Wie sich aus dieser durch Meßwerte erhaltenen Kurve ersehen läßt, steigt der elektrische Widerstand sehr stark an, wenn die Menge an Sauerstoff zunimmt. Es sei erwähnt, daß die Kurve gemäß Fig. 5 an polykristallinem Silicium mit einer durchschnittlichen Korngröße im Bereich zwischen 200 und 300 A gemessen wurde.
Steigt die Sauerstoffmenge an, so steigt ersichtlicherweise auch der spezifische Widerstand der polykristallinen Siliciumschichtf so daß der Leckstrom kleiner wird, was erwünscht ist für eine passivierende Schutzschicht. Wird jedoch andererseits der Sauer-.stoffgehalt zu groß, so nähern sich die Eigenschaften des polykristallinen Siliciums denjenigen von SiO0, so daß der oben erwähnte nachteilige Einfluß auf die Passivierung zu erwarten ist,
!.Aufgrund zahlreicher Versuche wurde festgestelltf daß die Sauer-
ι
stoffdotierung im Bereich zwischen 2 und 45 Atom%, bevorzugter-' weise im Bereich zwischen 14 und 35 Atom%,liegen sollte, um ei- : ne gute Schutzschicht zur Passivierung und eine Schottky-Sperrschicht mit guten Durchbruchspannungswerten zu erhalten, worauf weiter unten noch näher eingegangen, wird, Die polykristalline Siliciumschicht sollte vorzugsweise so dotiert werden, daß der
7 11 spezifische Widerstand im Bereich zwischen 10 und 10 _i£cm liegt. Eine Substanz mit diesem spezifischen Widerstand läßt sich am besten als Halb- oder Semi-Isolator bezeichnen.
Die durchschnittliche Korngröße der sauerstoffdotierten polykristallinen Siliciumschicht 9-sollte zwischen 50 bis 1000 S gewählt werden. Wird nämlich die Korngröße kleiner als 50 8, so nähern sich die Eigenschaften der Schutzschicht denjenigen einer Siliciumdioxidschicht mit der Folge des erwähnten, unerwünschten Speichereffekts. Auch hinsichtlich der fabrikationsmäßigen Herstellung ergeben sich Nachteile, da in diesem Fall die Reaktionstemperatur beim chemischen Dampfniederschlagsverfahren (nachfolgend CVD-Verfahren = Chemical Vapor Deposition) erniedrigt werden muß, so daß die Wachstumsgeschwinjdigkeit für die polykristalline Siliciumschicht sehr klein wird,
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Steigt andererseits die Korngröße über 1000 S an, so erhöht sich dadurch auch der Leckstrom.
Für die Stickstoff-dotierte polykristalline Siliciumschicht 10, die über der sauerstoff-dotierten polykristallinen Siliciumschicht 9 abgeschieden ist, wird die Stickstoffdotierung zu über 10 Atom% gewählt; ihre Eigenschaften ähneln der einer Siliciumnitridschicht (Si^N.-Schicht). In der Praxis läßt sich die obere Siliciumschicht j 10 leicht mit Stickstoff in einer Menge dotieren, die zu SX3N.-
ähnlichen Eigenschaften führt. Mit der hier vorgeschlagenen j Schicht ergeben sich keinerlei Schwierigkeiten, aber auch eine S10N4 entsprechende Schicht ist voll befriedigend,
] Die auf dem Substrat 1 erzeugten sauerstoff- bzw« stickstoff-do- ; tierten polykristallinen S.il ic !umschichten 9 und 10 (vgl, wieder j Fig. 4) werden mit einem Fenster versehen, wobei zunächst die ! Schicht 10 mit Phosphorsäure oder mittels eines Plasma-Ätzver,- ; fahrens, beispielsweise eines Photoätzvorgangs geätzt wird und
anschließend wird die sauerstoff-dotierte Schicht 9 selektiv, ! beispielsweise mit einer Mischung aus Fluorsäure, Essigsäure und ι Salpetersäure geätzt,
Anschließend wird auf der Oberfläche des Substrats 1 bzw. auf der im Fenster der Schichten 10 und 9 freiliegenden Halbleiterschicht 5 ein Metallkontakt 2, beispielsweise aus Aluminium, niedergeschlagen, mit dem sich eine Schottky-Sperrschicht bilden läßt. Der Metallkontakt 2 überdeckt teilweise auch noch die isolierende Schicht 10.
Nachfolgend wird die Herstellung einer mit Sauerstoff oder Stickstoff dotierten Siliciumschicht unter Bezug auf die Fig, 6 beschrieben;
Zur Dotierung der polykristallinen Siliciumschicht 9 mit Sauerstoff ist ein Reaktionsofen 11 an eine Trägergasquelle 12, eine Siliciumspeisequelle 13 und eine Sauerstoffspeisequelle 14 angeschlossen. Dabei kann Stickstoffgas (N2) als Trägergas, Mono- ; silan (SiH,) als Siliciumspeisequelle 3 und ein Distickstoffoxid-
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gas (N0O), Stickstoffmonoxid (NO) oder Stickstoffdioxid (NO0) als Sauerstoffspeisequelle 14 dienen.
Die Gase von den Speisequellen 12, 13 und 14 werden miteinander vermischt und dem Reaktionsofen 11 zugeführt. Ein mit einer polykristallinen Siliciumschicht 9 zu versehendes Substrat 1 ist in den Reaktionsofen eingebracht und wird auf eine Temperatur von 600 bis 75O°C, beispielsweise von 65O°C aufgeheizt. Bei dieser .Temperatur reagieren Monosilan (SiH.) und die Stickstoffoxidgase j (N2O, NO oder NO2) miteinander und bilden die Sauerstoff enthaltende polykristalline Siliciumschicht 9 auf der Oberfläche des Substrats 1, Mit den Bezugshinweisen 15, 16 und 17 sind Ventile ■ zwischen den jeweiligen Speisequellen 12, 13 und 14 und dem Relaktionsofen 11 bezeichnet, um die zuzuführende Menge jedes Gases einstellen oder unterbrechen zu können.
!Der Grund, weshalb Monosilan als Siliciumspeisequelle verwendet jwird, ist der, daß sich aus SiH4 eine relativ feine polykristalli-'ne Siliciumschicht mit kleiner kristalliner Kornstruktur schon bei relativ niedriger Temperatur von beispielsweise 65O°C ergibt. Wird als Siliciumquelle beispielsweise SiCl4 verwendet, so muß die Reaktionstemperatur auf 900°C erhöht werden, wobei dann die IKristallkorngröße verhältnismäßig groß wird und damit der Leckstrom ansteigt. Bei Verwendung der genannten Stickstoffoxidgase als Sauerstoffquelle 24 andererseits, läßt sich der Sauerstoffanteil in der erzeugten polykristallinen Siliciumschicht leicht 'und zuverlässig einstellen und überwachen. Die Sauerstoffkonzentration kann dabei durch Auswahl des Mischungsverhältnisses von N3O, NO oder NO2 und SiH4 eingestellt werden, die dem Reakjtionsofen 11 zugeleitet werden,
,Der Grund, weshalb die Temperatur des Substrats 1 in einem Bejreich von 6QO und 75O°C gewählt wird, ist der, daß bei einer Tem-
' ο
peratur unter 600 C die Wachstumsgeschwindigkeit für die polykristalline Siliciumschicht zu klein und damit die Produktionslausbeute zu niedrig wird; andererseits ergibt sich bei einer !Temperatur über 75O°C ein zu schnelles Wachstum der polykristalli-
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-ΙΟΙ nen Siliciumschicht, wodurch es wiederum schwierig wird, die j Schichtstärke genau zu überwachen und außerdem wird - wie erjwähnt - die kristalline Korngröße zu groß.
Um die stickstoff-dotierte polykristalline Siliciumschicht 10 über der wie erwähnt erzeugten sauerstoff-dotierten polykristalli-j nen Siliciumschicht 9 auszubilden, wird eine Stickstoffspeise- | quelle 18, beispielsweise ein NH3 enthaltender Behälter, mit dem Reaktionsofen 11 über ein Einstellventil 19 verbunden. Während die sauerstoff-dotierte Schicht 9 erzeugt wird, bleibt das Ventil 19 geschlossen. Anschließend wird das Ventil 17 geschlossen und das Ventil 19 geöffnet, so daß sich die stickstoff-dotierte polykristalline Siliciumschicht 10 über der Schicht 9 ausbildet. Die beiden Schichten 9 und 10 lassen sich also auf einfache Weise nacheinander erzeugen.
Bei der soweit beschriebenen,beispielsweise nach dem obigen Verfahren hergestellten erfindungsgemäßen Schottky-Sperrschichtdiode liegt die sauerstoff-dotierte polykristalline Siliciumschicht 9 in unmittelbarem Kontakt mit der Oberfläche des Substrats 1 und reicht unmittelbar von der Grenze der Schottky-Sperrschicht 3 nach außen. Obwohl sich im prinzipiellen geometrischen Aufbau gegenüber der Anordnung nach Fig. 1 nichts geändert hat, zeigt sich doch, daß die Verhältnisse hinsichtlich der Durchbruchspannung an der Umrandungskante 3a wesentlich besser werden, d.h. die Sperr- oder Durchbruchspannungswerte steigen erheblich an. Als Grund für diese unerwartete Erhöhung der Durchbruchspannung einer Schottky-Sperrschicht bei Anwendung der Erfindung wird folgendes angenommen: Die polykristalline Siliciumschicht 9 weist zahlreiche Haft- oder Fangstellen auf, die eine große Anzahl von Ladungsträgern - im dargestellten Beispiel Elektronen - im Substrat 1 oder der halbleitenden Siliciumschicht 5 einfangen, so daß sichin einem sehr dünnen Substratoberflächenbereich unter der Schicht 9 eine Verarmungsschicht ausbildet, wie in Fig. 4 durch die strichpunktierte Linie a1 angegeben ist. Diese Verarmungsschicht a1 ist im Bereich der Kante 3a der Schottky-Sperχι
(schicht 3 mit der Verarmungsschicht a verbunden, so daß die FeId-
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- 11 konzentration in diesem Abschnitt verhindert wird.
Die Fig. 7 verdeutlicht ein anderes Ausführungsbeispiel für eine Schottky-Sperrschichtdiode mit erfindungsgemäßen Merkmalen: Bei diesem Beispiel ist ein isolierendes oder semi-isolierendes Substrat 19, beispielsweise ein eigenleitendes Substrat wie GaAs mit einer N-leitenden GaAs-Halbleiterschicht 20 versehen, die eine
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Verunreinigungskonzentration von etwa 1 χ 10 bxs 3 χ 10 cm und eine Stärke von 1 bis 3 ju aufweist und durch Epitaxialwachstum aufgebracht ist; das Substrat 19 und die Schicht 20 bilden !zusammen ein Halbleitersubstrat 21. Die Halbleiterschicht 20 jwird selektiv abgeätzt, um an den endseitigen Oberflächen einen iMetallkontakt 22, etwa aus Al oder Cr-An-Legierung, anzubringen, d.h. um eine Schottky-Sperrschicht 23 zu bilden. Sodann wird der übrige Bereich der Halbleitersschicht 20 mit einem ohm1sehen Metallkontakt 24 versehen, der beispielsweise aus Au-Ge-Legierung joder Ag-In-Legierung besteht. Auf die Halbleiterschicht 20 wird außerdem eine sauerstoff-dotierte polykristalline Siliciumschicht 9 als Schutzschicht zur Passivierung aufgebracht, über der - ähnslich wie in Fig. 4 - eine stickstoff-dotierte isolierende Schicht ,10 überlagert wird. Bei der Schottky-Sperrschichtdiode nach Fig. !7 wird die Seite der Halbleiterschicht 20 verwendet, so daß insgesamt für die Diode nur ein sehr kleiner Flächenbedarf benötigt ι
!wird.
Bei einer Schottky-Sperrschichtdiode dieser Bauart läßt sich ein sonst zu beobachtender Durchbruch an der Endkante 23a der Schottky-Sperrschicht 23 die zur Oberfläche des HalbleiterSubstrats 20 reicht, wirksam verhindern.
Die Erfindung läßt sich nicht nur auf Schottky-Sperrschichtdioden, sondern auch auf andere Halbleiterbauelemente mit Schottky-Sperrschicht 'anwenden, beispielsweise auf Transistoren mit Schottky-Kollektorsperrschicht, also auf Transistoren, bei denen der Kollek torübergang durch eine Schottky-Sperrschicht gebildet ist; auch in diesem Fall ergeben sich vorteilhafte Wirkungen. Ein Beispiel jfür einen solchen Transistor sei nachfolgend unter Bezug auf die
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Fig. 8 erläutert:
Den Ausgangspunkt für das Halbleiterbauelement dieses Ausführungsbeispiel bildet ein P-leitendes Siliciumhalbleitersubstrat 31 mit einer hohen Verunreinigungskonzentration in der
20 -3 Größenordnung von beispielsweise 10 cm . Auf diesem Substrat wird durch Epitaxialwachstum eine Siliciumhalbleiterschicht 32 erzeugt, die ebenfalls P leitend ist, jedoch im Vergleich zum Substrat 31 eine niedrige Verunreinigungskonzentration aufweist, beispielsweise von 5 χ 10 cm . Auf dieser Schicht wird wiederum durch Epitaxialwachstum eine N-leitende Siliciumhalbleiterschicht 33 mit niedriger Verunreinigungskonzentration in ähnlicher Weise erzeugt, so daß sich insgesamt ein Halbleitersubstrat 34 ergibt. Von der die Halbleiterschicht 33 aufweisenden Oberfläche des HalbleiterSubstrats 34 aus werden sodann Verunreinigungen selektiv eihdiffundiert, so daß die Oberflächenkonzentration beispielsweise einen Wert von 10 cm erreicht; diese selektiv diffundierten Bereiche bilden einen ringförmigen j Basiskontaktbereich 35 mit hoher Verunreinigungskonzentration ' und gleicher Leitfähigkeit wie die Halbleiterschicht 33. Der ; ringförmige Bereich 35 umgibt einen Teil der Halbleiterschicht i
33 und zwar in einer Tiefe, die bis zum ursprünglichen Substrat !
31 durch die Halbleiterschichten 33 und 32 hindurchreicht. Diese !
I Diffusion wird so durchgeführt, daß zunächst auf dem Substrat 34 | eine - nicht gezeigte - Diffusionsmaske r beispielsweise aus SiO2/ erzeugt wird, die zur Freilegung eines Diffusionsfensters einem Photoätzprozess unterzogen wird; durch das erzeugte Fenster werden die Verunreinigungen eindiffundiert. Nach der Ausbildung des Bereichs 35 wird die als Diffusionsmaske dienende SiO2~Schich;t abgeätzt, woraufhin die sauerstoff-dotierte polykristalline Siliciumschicht 9 und die stickstoff-dotierte polykristalline Siliciumschicht 10 nacheinander auf die Oberfläche des Substrats
34 mittels des CVD-Verfahrens in gleicher Weise wie zuvor beschrieben aufgebracht werden. Sodann werden die Schichten 10 und 9 auf der Halbleiterschicht 33 in dem durch den Bereich 35 umgrenzten Abschnitt und auf dem Bereich 35 einem Photoätzprozess unterzogen, um die Elektrodenfenster 38 und 39 freizulegen. In
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i einem Dampfniederschlagsverfahren wird sodann eine Metallelektrodenschicht über die ganze Oberfläche einschließlich des inneren
I Bereichs dieser Fenster 38 und 39 aufgebracht, woraufhin die nicht benötigten Abschnitte durch Photoätzen entfernt werden, um
I einen Metallkontakt als Kollektorelektrode 36 zu erzeugen, die
' eine Schottky-Sperrschicht 37 bildet, die über das Fenster 38 als Kollektorübergang zur Halbleiterschicht 33 dient und um außer-r
; dem eine Basiselektrode 40 in ohm'sehen Kontakt mit dem Basisbereich 35 durch das Fenster 3 9 zu erzeugen. Weiterhin wird auf
; dem ursprünglichen Substrat 31 mit hoher Verunreinigungskonzen- ; tration eine Emitterelektrode 41 abgeschieden.
i Das P-leitende Substrat 31 und die darauf aufgebrachte P-leiten- , : de Halbleiterschicht 32 bilden einen Emitterbereich, die N-leitende Halbleiterschicht 33 dient als Basis, der PN-Übergang zwischen den Halbleiterschichten 32 und 33 dient als Emitterüber-
i gang und als Kollektorübergang ist die Schottky-Sperrschicht 37 :
anzusehen, so daß sich insgesamt ein Transistor ergibt. ι
I Bei diesem soweit beschriebenen Transistor ist die ümgrenzungs- |
r t
; kante 37a der Schottky-Sperrschicht 37 durch die sauerstoff-dotier-j· te polykristalline Siliciumschicht 9 bedeckt, so daß auch in die-| : sem Fall ein Durchbruch bei niedrigen Spannungswerten wirksam j I verhindert werden kann, d.h. die Sperrspannung wird beträchtlich i j erhöht. ,
! Ein solcher Transistor, dessen Kollektorübergang als Schottky-Sperrschicht ausgebildet ist, weist einen besonderen Vorteil auf, nämlich den , daß die Schalteigenschaften ausgezeichnet sind bei j verbessertem Frequenzgang; außerdem ist der Fabrikationsprozess j für solche Transistoren vereinfacht. Zur Herstellung von Tranj sistoren dieser Art werden für den Photoätzprozess oder den An-J passungsvorgang für die Belichtungsmaske, der nachfolgt, lediglich
! drei Verfahrensschritte einschließlich des Photoätzens für das j Diffusionsfenster benötigt, so z.B. das Ausbilden der SiO2-Schicht I für die selektive Diffusion des Bereichs 35, der Photoätzprozess zur Erzeugung der Elektrodenfenster 38 und 3 9 durch die Schichten
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10 und 9 und der Photoätzvorgang zur musterrichtigen Ausbildung
der Aluminiurametallschicht für die Elektroden 36 und 40.
Der oben beschriebene Transistor weist ersichtlicherweise einen j Übergang zwischen einem niedrig- und einem stark-dotierten Be- i reich auf, nämlich einen L/H-Übergang 43 (leicht/hoch-dotiert); ! Dieser L/H-Übergang liegt im Emitterbereich zwischen dem hoch- j dotierten Substrat 31 und der niedrig-dotierten Halbleiterschicht 32 gegenüber dem Emitterübergang 42. Wird der Abstand zwischen
den Übergängen 42 und 43 kleiner gewählt als es der Diffusions- j länge der Minoritätsladungsträger in der Halbleiterschicht 32 ! entspricht, so werden die von der Basis in den Emitter injizier- , ten Ladungsträger - in diesem Fall Elektronen - durch den L/H- j Übergang 43 ab-, also zurückgestoßen, so daß sich der aufgrund
dieser Elektronen ergebende Strom vermindert, woraus folgt, daß
sich ein sehr hoher Stromverstärkungsfaktor h für die Emitter-Basisschaltung erzielen läßt. Wird bei deisem Aufbau jedoch der
Transistor klemmen_yertauscht, also im Umkehrbetrieb betrach-; tet, so daß die Elektrode 36 als Emitterelektrode und die Elektrode 41 als Kollektorelektrode (vgl. Fig. 8) dient, so bildet die '■ Schottky-Sperrschicht den Emitterübergang. Da an der Schottky- | Sperrschicht keine Ladungsträger injiziert werden, ist der ' Stromverstärkungsfaktor h™, bei diesem ümkehrbetrieb praktisch
Null. In anderen Worten: Der so aufgebaute Transistor läßt sich
gut als asymmetrischer Transistor verwenden, ■
Die Fig. 9 zeigt eine weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung,' bei dem eine Schottky-Sperrschicht am Gate eines Feldeffekttransistors vorgesehen ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist ein
P-leitendes Siliciumhalbleitersubstrat 51 in einem Abschnitt mit einem N-leitenden Halbleiterbereich 52 geringer Verunreinigungskonzentration versehen; in diesem Bereich liegen Source- und
Drain-Bereiche 53 bzw. 54. Auf der Oberfläche des Substrats 51,
das den Bereich 52 aufweist, werden aufeinanderfolgend die sauerstoff-dotierte bzw. Stickstoff-dotierte polykristalline SiIiciumschicht 9 bzw, 10 durch das erwähnte CVD-Verfahren aufgebracht. In diese Schichten 9 und 10 werden sodann die Fenster 55,
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56 bzw. 57 für die Source-, Drain- bzw. Gate-Elektrode eingebracht. Sodann wird auf der gesamten Oberfläche einschließlich der innseitigen Bereiche dieser Fenster 55, 56 und 57 ein Aluminiumelektrodenmetall niedergeschlagen, dessen nicht benötigte Abschnitte anschließend durch Fotoätzen entfernt werden, um die Source-, Drain- bzw. Gate-Elektroden 58, 59 bzw. 60 zu erhalten. In diesem Fall bildet sich die Schottky-Sperrschicht 61 unter der Gate-Elektrode 60 auf dem niedrig-N-dotierten Bereich 52 durch das Fenster 57 aus, während die Elektroden 58 und 59 ohm1-sehe Kontakte zu den hoch-dotierten Source- bzw. Drain-Bereichen j 53 bzw. 54 in den Fenstern 55 bzw, 56 bilden.
Bei diesem soweit beschriebenen Feldeffekttransistor ist ebenfalls die Randkante der Schottky-Sperrschicht 61 in ähnlicher Weise j durch die sauerstoff-dotierte polykristalline Siliciumschicht j überdeckt, so daß sich wiederum eine wesentlich höhere Durchbruchspannung ergibt. Wie bei den anderen Beispielen ist auch : hier die isolierende Schicht 10 über der Schicht 9 vorhanden.
Die Erfindung läßt sich auch auf einen Bipolartransistor anwen-I den, bei dem sich die Basiselektrode über einen Kollektorbereich , erstreckt, um in Bezug zum Kollektorbereich eine Schottky-Sperrj schicht zu bilden, um dadurch die Schaltgeschwindigkeit, insbesondere Schaltvorgänge bei nichtleitendem Zustand, erheblich zu verkürzen. Unter Bezug auf die Fig. 10 wird zunächst ein herkömm-j licher Transistor dieser Art beschrieben: Auf einem N-leitenden Siliciumhalbleitersubstrat 71 mit hoher Verunreinigungskonzentration ist durch Epitaxialwachstum eine Siliciumhalbleiterschicht 62 gleicher Leitfähigkeit ausgebildet, jedoch mit niedriger Verunreinigungskonzentration; die Teile 71 und 72 bilden das gesamte Halbleitersubstrat 73 und den Kollektorbereich, Die Halbleiterschicht 72 auf dem Substrat 73 ist in einem Abschnitt mit einem P-leitenden Basisbereich 74 durch selektive Diffusion und in einem Teilabschnitt dieses Bereichs 74 außerdem mit einem N-leitenden Emitterbereich 75 versehen, der ebenfalls durdh selektive Diffusion erzeugt wurde. Der Basisbereich 74 weist beispielsweise ringförmige Gestalt auf, so daß ein Abschnitt 72a des
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Kollektorbereichs bzw. der N-leitenden Halbleiterschicht 72 dem durch den Bereich 74 eingegrenzten Abschnitt gegenüberliegt. Auf dem Basisbereich 74 wurde sodann eine Basiselektrode 76 niedergeschlagen, die sich über den Abschnitt 72a des Kollektorbereichs erstreckt, so daß sich zum Basisbereich 74 ein ohm'scher Kontakt und zum Abschnitt 72a des Kollektorbereichs eine Schottky-Sperrschicht 77 ergibt. Die gesamte Kante der Schottky-Sperrschicht 77 wird durch den Basisbereich 74 eingerahmt. Mit Bezugshinweisen 78 ist eine isolierende, zur Passivierung dienende Schutz- ; schicht aus SiO2 bezeichnet. Weiterhin ist eine Emitterelektrode
79 vorhanden. i
! . Da bei diesem Transistor die Basiselektrode 76 auch über die ;
ι
ι Schottky-Sperrschicht 77 den Kollektorbereich erfaßt, lassen sich' die im Kollektorbereich während der AUS-Zeit des Transistors ge- j speicherten Minoritätsladungsträger wirksam entfernen, so daß ; sich eine sehr scharfe Ausschaltflanke oder anders ausgedrückt, j eine hohe Schaltgeschwindigkeit ergibt. Da außerdem die Kante ,
, 77a der Schottky-Sperrschicht 77 durch den Basisbereich 74 eingerahmt ist, wirkt dieser Bereich genauso wie der in Fig. 2 dar- ; gestellte Schutzring, so daß die Sperrspannung der Schottky-Sperrschicht beträchtlich erhöht wird. ί
: I
Da bei diesem Aufbau des Transistors jedoch die Umgrenzungskante i der Schottky-Sperrschicht 77 durch den Basisbereich 74 einge- j rahmt ist, ergibt sich insgesamt ein relativ größerer Flächenbe- ι darf auf einem Halbleiterchip. Dies ist insbesondere unerwünscht, wenn ein solcher Transistor als Schaltkreiselement eines inte-
j grierten HalbleiterSchaltkreises vorgesehen wird, weil dadurch die Gesamtfläche vergrößert wird und keine optimale Packungsdichte erzielt werden kann.
j Bei Anwendung der Erfindung läßt sich dieser Nachteil vermeiden, was aus der nachfolgenden Erläuterung eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung in Anwendung auf einen integrierten Schalt kries unter Bezug auf die Fig. 11 erläutert wird. In diesem Fall ist ein P-leitendes Siliciumhalbleitersubstrat 81 mit einer durch
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Epitaxialwachstum erzeugten N-leitenden Siliciumhalbleiterschicht 82 versehen; die Teile 81 und 82 bilden gemeinsam das Halbleitersubstrat 83 für den integrierten Schaltkreis. Die Halbleitershicht 82 wird zur Ausbildung eines P-leitenden Isolationsbej reichs selektiv diffundiert und zwar bis zu einer Tiefe, die bis zum Substrat 81 reicht, so daß die Halbleiterschicht 82 in eine Mehrzahl von Abschnitten 82A, 82B, 82C, ... durch Isolationsbereiche 84 unterteilt wird. In einem Teilbereich 82b soll beispielsweise ein Transistor in folgender Weise entstehen:
i Als Kollektorbereich dient der Abschnitt 82B der Halbleiterschich-J: 82; in einen Teilbereich wird ein P-leitender Basisbereich 85 se-j lektiv eindiffundiert und außerdem wird ebenfalls durch Diffu- j
sion ein N-leitender Emitterbereich 86 mit relativ hoher Verun- j reinigungskonzentration in einem Abschnitt des Basisbereichs 85 I erzeugt. Gleichzeitig mit der Diffusion des Bereichs 86 wird im j
Kollektorbereich des N-leitenden Abschnitts 82B ein Kontaktbe- '
reich 87 mit hoher Verunreinigungskonzentration als Kollektorkontaktbereich erzeugt. Unter dem Abschnitt 82B wird vor Erzeu- [ gen der Halbleiterschicht 82 mittels Epitaxialwachstum außerdem } ein N-leitender Kollektortiefenbereich 88 hoher Verunreinigungs- ! konzentration erzeugt. Gemäß der Erfindung werden auch in diesem : Fall die sauerstoff-dotierte bzw. die stickstoff-dotierte poly- ; kristalline Siliciumschicht 9 bzw. 10 aufeinanderfolgend mittels , j des CVC-Verfahrens auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats 83 in gleicher Weise wie zuvor beschrieben erzeugt. Diese Schichten J 10 bzw. 9 werden mit einem Emitterelektrodenfenster bzw. einem Kollektorelektrodenfenster über dem Emitterbereich 86 und dem j
Kollektorelektrodenkontaktbereich 87 versehen. Außerdem wird ein i
Basiselektrodenfenster erzeugt, das über dem Basisbereich 85 und \ dem N-leitenden, niedrig-dotierten Halbleiterbereich 82B des Kollektorbereichs liegt. Anschließend erfolgt durch Niederschlagen von Aluminium die Ausbildung der Emitter- bzw. Kollektor- bzw. Baiselektroden 89 bzw. 90 bzw. 91 über die jeweils zugeordneten Fenster. In diesem Fall bilden die Elektroden 89 und 90 einen ohm'sehen Kontakt mit dem Emitterbereich 86 und dem Kollektorkontaktbereich 87, da beide relativ hohe Verunreinigungskonzen-
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tration aufweisen. Auch die Basiselektrode 91 bildet einen ohm1sehen Kontakt zum Basisbereich 85; die Basiselektrode 91 liegt jedoch auch über dem N-leitenden, relativ niedrig-dotierten Kollektorbereich und bildet zu diesem eine Schottky-Sperr-
schicht 92. Da die Basiselektrode 91 auch Einfluß auf den Kollek-! torbereich über die Schottky-Sperrschicht 92 hat, so ergibt sich i ähnlich wie beim Transistor nach Fig. 10 ein besonderer Effekt- ! nämlich eine wesentliche Erhöhung der Schaltgeschwindigkeit im j AUS-Zustand. Da die Kante der Schottky-Sperrschicht 92 aißerdem durch den Basisbereich 85 und die sauerstoffdotierte polykristal-. line Siliciumschicht 9 eingerahmt ist, ergibt sich auch in die- ι sem Fall ein sehr günstiger Wert für die Durchbruchspannung. j
Bei dieser Ausfuhrungsform der Erfindung ist es nicht erforder- Ϊ lieh, die gesamte Kante der Schottky-Sperrschicht 92 einzurahmen,: so daß der vom Basisbereich bedeckte Flächenabschnitt sehr klein werden kann, so daß insgesamt die für den Transistor benötigte Gesamtfläche kleiner wird. Als Vorteil ergibt sich daraus, daß die Packungsdichte eines mit solchen Transistoren bestückten in- ; tegrierten Schaltkreises erhöht werden kann. I
Wie die oben beschriebenen verschiedenen Anwendungsbeispiele der : Erfindung zeigen, läßt sich die sauer stoff-dotierte polykristalli-r ne Siliciumschicht als Schutzfilm zur Passivierung und wesentlichen Verbesserung der Durchbruchspannung an der Umrandungskante einer Schottky-Sperrschicht bei Halbleiterbauelementen verwenden, die aus verschiedenen Gründen mit einer solchen Schottky-Sperrschicht versehen sind. Insbesondere kann bei den erfindungsgemäßen Halbleiterbauelementen auf einen Schutzringbereich oder einen schwierig herzustellenden abgeschrägten Abschnitt einer isolierenden SiO--Schutzschicht verzichtet werden. Beispiele für solche bekannten Maßnahmen zur Erhöhung der Durchbruchspannung bei einer Schottky-Sperrschicht wurden oben unter Bezug auf die Fig. 2 und 3 beschrieben. Im Ergebnis zeigt sich, daß die Herstellung solcher Halbleiterbauelemente wesentlich einfacher wird,
'wird die stickstoff-dotierte polykristalline Siliciumschicht 10
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unmittelbar auf das Halbleitersubstrat abgeschieden, so zeigen sich ähnliche Eigenschaften wir bei Siliciumnitrid (Si^N.). Wird eine solche Schicht daher direkt auf das Halbleitersubstrat aufgebracht, so ist eine leicht auftretende Verzerrung an der Grenzfläche zu beobachten, so daß die Kennwerte des Halbleiterbauelements stark verschlechtert werden, ähnlich wie oben hinsichtlich der Si^N.-Schicht erwähnt. Wird dagegen die sauerstoff-dotierte polykristalline Siliciumschicht 9 direkt auf das Halbleitersubstrat aufgebracht und wird diese Schicht durch die stickstoffdotierte Schicht 10 überdeckt, so treten die aufgeführten Schwierigkeiten nicht ein.
Bei den beschriebenen Ausführungsbeispielen liegt die stickstoffdotierte über der sauerstoff-dotierten polykristallinen Siliciumschicht. Anstelle der Schicht 10 oder auch über der Schicht 10 kann eine isolierende Schicht, etwa eine SiO2-Schicht abgeschieden werden.
Bei den erwähnten Ausführungsbeispielen überdeckt die sauerstoffdotierte polykristalline Siliciumschicht 9 den Außenumfang der Schottky-Sperrschicht in Berührungskontakt mit der Umrandungskante. Es kann sich als zweckmäßig erweisen, die Schicht 9 so anzuordnen, daß sie einen geringfügigen Abstand von der Umrandungskante der Schottky-Sperrschicht aufweist; auch in diesem Fall läßt sich ein zu früher Durchbruch an der Umrandungskante der Sperrschicht wirksam verhindern. Für diesen Fall wird die lagemäßige Zuordnung zwischen der sauerstoff-dotierten polykristallinen Siliciumschicht 9 und der Schottky-Sperrschicht so gewählt, daß die von der Umrandungskante der Sperrschicht ausgehende Verarmungsschicht in Verbindung gelangt mit der Verarmungsschicht unter der Schicht 9 bevor ein Durchbruch an der Sperrschichtumrandung auftritt, d.h. also bei einer Spannung, die niedriger liegt als die Durchbruchspannung.
Bei den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen war vorgesehen, die sauerstoff-dotierte polykristalline Siliciumschicht 9 nach dem CVD-Verfahren zu erzeugen; die Sauerstoffdotierung kann je-
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- 20 doch auch mittels Ioneninjektion oder dergleichen erfolgen.
Die Erfindung ist nicht auf die erläuterten Ausführungsbeispiele beschränkt. Sie ist prinzipiell auf alle Halbleiterbauelemente mit Schottky-Sperrschicht anwendbar. Auch die Leitfähigkeitsarten der jeweiligen Elemente können umgekehrt liegen, wobei sich auch für diesen Fall ähnlich vorteilhafte Effekte erzielen lassen.
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Claims (1)

  1. SONY CORPORATION
    S76P29
    Patentansprüche
    Halbleiterbauelement mit einer durch einen Metallkontakt und. ein Halbleitersubstrat mit bestimmter Verunreinigungskonzentration gebildeten Schottky-Sperrschicht;, gekennzeichnet durch eine am oder um den Randbereich des Metallkontakts(2? 22f 36? 60? 76;.91) ausgebildete polykristalline Siliciumschicht (B)t die Sauerstoff in einem Konzentrationsbereich von 2 bis 45 Atom% enthält.
    2, Halbleiterbauelement nach Anspruch 1f gekennzeichnet durch eine die polykristalline Siliciumschicht überdeckende isolierende Schiclii (10),
    3« Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oclsr 2? dadurch gekennzeichnet ( daß das Halbleitersubstrat auf einem isolierenden Substrat (19) angeordnet ist νιιά daß der Metal!kontakt (22) an einem Seitenabschnitt des Halbleitersubstrats ausgebildet ist und sich bis über das isolierende Substrat erstreckte
    4. Halbleiterbauelement nach einem der vorstehenden Ansprüche mit einem Emitter f einem Basis- und, einem Koilektorbereieh,«, wobei d.er Metallkontakt sine Schottky-Sperrschicht zum Kollektorbereich und! einen ©hia"seilen Kontakt zum, Basisbereich bildet ? dadurch g e k e η η a e i c h η e t ? daj3 dia polykristalline Siliciiintschiclrt auEsrdesa einen 5?eil des PH-Übergangs zwischen des Kollektor und äem Basisbereich über.-. deckt.
DE19762617855 1975-04-25 1976-04-23 Halbleiterbauelement mit schottky- sperrschicht Withdrawn DE2617855A1 (de)

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