DE2812658C3

DE2812658C3 - Verfahren zum selektiven Diffundieren von Aluminium in ein Einkristall-Siliciumhalbleitersubstrat

Info

Publication number: DE2812658C3
Application number: DE2812658A
Authority: DE
Inventors: Sadao Okano
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1977-03-25
Filing date: 1978-03-22
Publication date: 1986-02-20
Also published as: US4290830A; DE2812658A1; JPS5733699B2; DE2812658B2; JPS53118367A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum selektiven Diffundieren von Aluminium in ein Einkristall-Siliciumhalbleitersubstrat, wobei auf wenigstens einer Hauptfläche des Substrats Aluminium in einem vorgegebenen Muster abgeschieden und das Substrat in einer aus einem nicht oxydierenden Gas und Sauerstoff bestehenden Atmosphäre bis zur Ausbildung einer zusammenhängenden Oxidschicht auf der Aluminium- und Siliciumoberfläche erhitzt wird.

Bekanntlich verwendet man als Dotierungsmittel vom P-Typ oder als Verunreinigungen, die in ein Einkristall-Siliciumsubstrat diffundieren gelassen werden, Bor, Aluminium, Gallium, Indium oder dergleichen. Von diesen Elementen ist Aluminium zur Ausbildung einer sehr tiefen Diffusionsschicht in dem Siliciumsubstrat das günstigste Dotierungsmittel, weil Aluminium den größten Diffusionskoeffizienten beim Diffundieren in das Siliciumsubstrat hat. Der Diffusionskoeffizient von Aluminium ist um das lOfache oder mehr größer als der von Bor und um ein Mehrfaches größer als der von Gallium. Außerdem beträgt die Zeit, die für das Diffundieren von Aluminium bei der Herstellung einer Diffusionsschicht vorgegebener Tiefe erforderlich ist, nur ein Zehntel oder weniger der Zeit, die für die Diffusion von Bor erforderlich ist, und nur einen Bruchteil der Zeit, die für die Diffusion von Gallium nötig ist. Zusätzlich hat Aluminium den Vorteil, daß das Auftreten von Verzerrungen im Siliciumkristallgitter auf ein Minimum reduziert werden kann und daß eine Wechselwirkung mit anderen Dotierungsmitteln vernachlässigbar ist. Bei der Diffusion von Aluminium in Silicium ergeben sich jedoch verschiedene Schwierigkeiten hinsichtlich der Konstruktion einer Vorrichtung für den Diffusionsprozeß. Weiterhin kann bei der Diffusion von Aluminium der Maskeneffekt bzw. der Abdeckeffekt eines Siliciumdioxydfilms nicht in zufriedenstellender Weise erreictit werden.

Man hat bereits Versuche unternommen, anstelle von Siliciumdioxid für die selektive Diffusion von Aluminium in Silicium eine selektive Diffusionsmaske aus anderen Materialien zu verwenden. Diese Versuche haben jedoch nicht zum Erfolg geführt. Als Maskenmaterialien wurden ein Siliciumnitridfilm, ein Metalloxidfilm, wie Aluminiumoxid, Halbleiterfilme oder aus diesen Materialien zusammengesetzte Filme vorgeschlagen. Bei diesen Maskenmaterialien stellen sich jedoch Schwierigkeiten bei der Herstellung der gewünschten Maske und dem Photoätzprozeß ein. Zusätzlich kommt ts

häufig vor, daß kleine Löcher und Risse in der Maske während der Diffusion auftreten und daß das Aluminium durch diese Löcher diffundiert Weiterhin neigt Aluminium dazu, mit dem Maskenmaterial zu reagieren, so daß eine Nachbehandlung schwierig ist Aus diesen Gründen eignen sich die bisher vorgeschlagenen Masken für die praktische Anwendung nicht besonders. Zum Stand der Technik gehört ein Verfahren zum Dotieren eines Siliciumsubstrates mit Aluminium, wobei auf der Oberfläche des Siliciumsubstrates das Aluminium oder Legierungen davon punktförmig oder knopfförmig aufgebracht wird. Dieses Verfahren wird auch als Temperaturgradient-Zonenschmelzverfahren bezeichnet und wurde aus der Technik der Herstellung eines Legierungsübergangs entwickelt Dieses Verfahren ist somit nicht direkt auf die selektive Diffusion bezogen. Zur Zeit ist es noch nicht möglich, das Grenzmuster zwischen den mit Aluminium zu dotierenden Bereichen und denen, die nicht dotiert werden sollen, sowie das Konzentrationsprofil des Dotierungsjnittels zufriedenstellend zu steuern.

In der DE-OS 25 06 436 wird ein Verfahren zum Herstellen einer aluminiumdotierten Isolationsschicht, bei dem auf einem Siliciumsubstrat eine Epittxschicht aus Silicium aufgebracht wird und auf dieser eine SiO2-Schicht erzeugt wird, wobei nach Herstellen von Diffusionsfenstern mittels eines Photolithographieprozesses Bor zur Herstellung der Basis und Aluminium zur Herstellung der Isolation aufgedampft wird und in ei-

nem zweiten Photolithographieprozeß das Aluminium bis auf die durch eine Maske vorgegebenen Teile in den Isolationsfenstern weggeätzt wird, die Isolationsdiffusion des Aluminiums und die Basisdiffusion des Bors gleichzeitig bei ca. 1180 bis 1230⁰C in einer nichtreduzierenden bzw. oxydierenden Schutzgasatmosphäre erfolgt, beschrieben. Nach Anspruch 2 kann die Schutzgasatmosphäre zunächst aus Stickstoff und danach aus Sauerstoff bestehen. Nach der Lehre dieser OS wird zuerst die gesamte Oberfläche des Siliciumsubstrats zu S1O2 oxydiert, dann werden die Isolations- und Basisdiffusionsfenster photolithographisch erzeugt, geätzt und Bor aufgebracht. Auf das Bor soll dann Aluminium durch Bedampfen aufgebracht und dann wiederum das Aluminium dort, wo es nicht notwendig war, photolithographisch weggeätzt werden, so daß das verbleibende Aluminium keine Berührung mit der danebenliegenden SiO₂-Schicht hat. Erst dann erfolgt der Diffusionsprozeß, und zwar am Anfang in einer Schutzgasatmosphäre aus Stickstoff und anschließend durch Zusatz von Sauerstoff.

Nach der US-PS 35 74 009 wird zuerst ein Siliciumsubstrat mit einer SKVSchicht versehen, in die dann die Diffusionsfenster geätzt werden zur Aufnahme von Bor. Keine dieser Literaturstellen lehrt das Aufbringen des Dotierungsmittels Aluminium ohne vorausgegangene Bildung einer Oxydschicht in einem vorgegebenen Muster auf einem Siliciumsubstrat.

In der US-PS 40 01 047 wird zwar gleichfalls zuerst Aluminium in einem vorgegebenen Muster auf einem Siliciumsubstrat abgeschieden, aber anschließend keine Diffusionsdotierung durchgeführt, sondern eine Legierungsdotierung, indem das Aluminium auf dem Siliciumsubstrat bis zur Schmelze erhitzt und die gebildete Legierung unter der Wirkung eines Temperaturgradienten in das Substrat eingebracht wird.

In der DE-OS 26 11 363 wird ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleiteranordnung beschrieben, wobei auf einem Siliciunikörper eine Aluminiumdiffusions-

quelle durch Niederschlagen von Aluminium erzeugt wird, dann der Körper in einer oxydierenden Atmosphäre erhitzt wird, so daß das Aluminium in den Körper hineindiffundiert wird und dann die verbleibenden Teile der Diffusionsquelle und der Sihciumoxydschicht entfernt werden.

Zur oxydierenden Atmosphäre wird ausgeführt, daß dies Luft sein kann, vorzugsweise aus einem Strom aus filtriertem Stickstoff und Sauerstoff besteht, wobei die Verhältnisse nicht kritisch sind, aber 10 bis 25% Sauerstoff bevorzugt wird. Es können auch noch andere Gase zugesetzt werden. Durch die Verwendung einer oxydierenden Atmosphäre soll die AJuminiumdiffusion in die Siiiciumoberfläche mit Ausnahme des Aluminiummusters verhindert und das Aluminium von den darunterliegenden Teilen des Substrats entfernt und in das oxydierende Medium transportiert werden.

Der Sauerstoffgehalt ist also nicht kritisch.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht deshalb darin, ein Verfahren zum selektiven Diffundieren von Aluminium in ein Einkristallsiliciumsubstrat nur an gewünschten Bereichen zu schaffen, wobei dieses Verfahren es ermöglichen soll, die Grenze zwischen den Diffusionsbereichen und den diffusionsfreien Bereichen in einem gewünschten Muster sowie gleichzeitig das Verunreinigungskonzentrationsprofil im Diffusionsbereich mit hoher Genauigkeit zu steuern. Das erfindungsgemäße Verfahren soll es ermöglichen, innerhalb kurzer Zeit und mit einer hohen Ausbeute eine Vielzahl von Inseln oder Quellen in einem Siliciumsubstrat auszubilden, die durch PN-Übergänge isoliert sind. Weiterhin soll das Verfahren die Ausbildung einer Vielzahl von Bereichen in einem Siliciumsubstrat ermöglichen, in die Aluminium diffundiert ist und die sich voneinander hinsichtlich Tiefe und Konzentrationsverteilung unterscheiden, wobei die Anzahl der Herstellungsschritte auf ein Minimum reduziert sein soll.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum selektiven Diffundieren von Aluminium in ein Einkristall-Siliciumhalbleitersubstrat gelöst, wobei auf wenigstens einer Hauptfläche des Substrats Aluminium in einem vorgegebenen Muster abgeschieden und das Substrat in einer aus einem nicht oxydierenden Gas und Sauerstoff bestehenden Atmo-Sphäre bis zur Ausbildung einer zusammenhängenden Oxidschicht auf der Aluminium-Siliciumoberfläche erhitzt wird. Dieses Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß die Atmosphäre 0,05 bis 10 Vol.-% Sauerstoff enthält.

Bei diesem Verfahren wird die Dicke dec auf der Oberfläche der Diffusionsquellenschicht gebildeten Oxidfilms so gewählt, daß sie ausreicht, um das Verdampfen des Aluminiums zu unterdrücken. Der auf der freien Oberfläche des Substrats ausgebildete Oxidfilm dient als Diffusionsmaske.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann Aluminium nur in dem gewünschten Bereich des Silicium-Einkristallsubstrats eindiffundieren, und die Bildung von Cristobalit, die zur Zerstörung der Genauigkeit des Musters führen würde, wird verhindert.

Dabei wird der Oxydationsschritt gleichzeitig mit dem Erhitzen für die Diffusion durchgeführt.

Der Oxydationsschritt kann während der Anfangsphase des Erhitzens für die Diffusion dadurch ausgeführt werden, daß das Siliciumsubstrat mit der Diffusionsquellenschicht aus Aluminium in vorgegebener Stärke und ausgebildetem Muster einer oxydierenden Atmosphäre ausgesetzt wird, während das Substrat während der restlichen Phase der Diffusion in einer nicht oxydierenden Atmosphäre angeordnet wird.

Vorzugsweise ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Dicke der Aluminiumschicht kleiner als 2 μπτ. Schließlich kann erfindungsgemäß die Aluminiumdiffusionsquellenschicht aus wenigstens einem Materia! gebildet werden, das aus Aluminium und Aluminium-Silicium-Legierangen auswählbar ist

Das erfindungsgemäße Verfahren ist verschiedenen Modifizierungen zugänglich.

So kann das erfindungsgemäße Erhitzen in der Atmosphäre mit der definierten Zusammensetzung vorteilhaft für ein Einkristall-Halbleitersubstrat vom η-Typ für die Halbleiterherstellung angewendet werden, bei welchem wenigstens eine der Schichten, bestehend aus einer Aluminiumschicht und einer Aluminium-Silicium-Legierungsschicht, auf die gegenüberliegenden Hauptflächen des Substrats in einem gitterförmigen Muster einander gegenüberliegend ausgebildet wird und eine Vielzahl von elektrisch voneinander durch PN-Übergängen isolierten Inseln durch thermische Behandlung erzeugt wird, um Aluminium in das Substrat in entgegengesetzten Richtungen von den gegenüberliegenden Hauptflächen des Substrats entsprechend dem Muster zu diffundieren.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform werden eine erste und eine zweite Diffusionsquellenschicht, die sich voneinander bezüglich des Aluminiumgehalts unterscheiden, auf einer Hauptfläche des Substrats jeweils in vorgegebenen Mustern ausgebildet und gleichzeitig ein erster und ein zweiter Diffusionsbereich, die sich voneinander im Hinblick auf mindestens eine Größe, bestehend aus Diffusionstiefe und Konzentrationsprofil, unterscheiden, entsprechend den jeweiligen Mustern erzeugt. Bei der zuletzt genannten Verfahrensweise ist es vorteilhaft, wenn die erste Diffusionsquellenschicht von einer von zwei Schichten, nämlich einer Aluminiumschicht oder einer Aluminium-Silicium-Legierungsschicht, und die zweite Diffusionsquellenschicht aus einer Aluminiumschicht mit einer anderen Dicke als die erste Diffusionsquellenschicht, und einer Aluminium-Silicium-Legierungsschicht gebildet werden, die sich von der die zweite Diffusionsquellenschicht bildenden Aluminium-Silicium-Legierungsschicht im Hinblick auf wenigstens eine der Größen Dicke und chemische Zusammensetzung unterscheidet

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigen

F i g. la bis Id in Schnittansichten ein Siliciumsubstrat als Beispiel zur Erläuterung der selektiven Aluminiumdiffusion gemäß der Erfindung,

F i g. 2 in Mikrophotographie die Oberflächen von Siliciumsubstraten, nachdem sie der selektiven Aluminiumdiffusionsbehandlung ausgesetzt worden sind,

Fig. 3a bis 3c Mikrophotographien der Oberflächen der Siliciumsubstrate, die in einem Winkel von 5° 43' nach der selektiven Aluminiumdiffusion geläppt wurden,

Fig.4 in einem Diagramm die Abhängigkeit der Stärke der Aluminiumdiffusicnsquellenschicht, die durch Aufdampfung gebildet wurde, von der Tiefe der Aluminiumdiffusion,

Fig.5 in einem Diagramm die Abhängigkeit zwischen der Stärke der aufgedampften Aluminiumqueilenschicht und der maximalen Konzentration der Aluminiumdiffusionsschicht,
F i g. 6 bis 6f Schnittansichten von Siliciumsubstraten

zur Erläuterung der Herstellung eines Thyristors gemäß der Erfindung.

Die Erfindung wird anhand der nachstehenden Beispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert.

Beispiel 1

Das in Fig. lagezeigte Einkristall-Siliciumhalbleitersubstrat mit einer Leitfähigkeit vom N-Typ hat einen spezifischen Widerstand im Bereich von 100 bis ι ο 110 Ω cm, eine kristallographische Achse <111>, einen Durchmesser von 50 mm, eine Stärke im Bereich von 500 bis 525 μΐη und ist versetzungsfrei. Dieses Substrat kann in einem Zonenschmelzverfahren hergestellt werden und hat wenigstens eine Hauptfläche, die auf optische Qualität poliert ist. Fig. Ib zeigt das Siliciumhalbleitersubstrat mit einer auf der Hauptfläche durch Vakuumverdampfen ausgebildeten Aluminiumschicht, wobei ein Aluminiumdraht mit einer Reinheit von 99,9995% als Aluminiumquelle durch einen Elektronenstrahl erhitzt wird und das Aluminium bei einem Druck im Bereich von 2 χ 10-⁶bis3 χ 10-⁶Torr abgeschieden wird. Die Temperatur des Siliciumsubstrates wird in einem Bereich von 230 bis 250⁰C liegend gewählt Die Stärke der aufgedampften Aluminiumschicht beträgt 1,0 ± 0,1 μπι. Fig. lc zeigt die Aluminiumschicht 12 nach dem Ätzen in der üblichen photolithographischen Weise, d. h. die Schicht hat das gewünschte Muster. Bei der gezeigten Ausführungsform wird die Aluminiumschicht 12 zu einem gitterförmigen Muster geätzt das aus Streifen mit Breiten von 25,50,100, 250 und 500 μπι zusammen gesetzt ist wobei eine Ätzlösung, bestehend aus einem Gemisch von 720 ml 85%iger Phosphorsäure, 60 ml Eisessig, 30 ml einer 69- bis 71%igen Salpetersäure und 150 ml Wasser bei einer Lösungstemperatur von 75° C verwendet wird. Nach der Ätzbehandlung wird das Siliciumhalbleitersubstrat U 96 h auf einer Temperatur von 1250°C in einem Diffusionsofen gehalten, wodurch das Aluminium in das Siliciumsubstrat aus der Aluminiumquellenschicht 12 diffundiert und Diffusionsbereiche und PN-Übergänge 14 gemäß F i g. Id gebildet werden. In Verbindung mit der Diffusion spielt die Atmosphäre, in der die Diffusion ausgeführt wird, eine wesentliche Rolle. Wenn die Diffusion in einem Sauerstoff strom von 1,5 l/min ausgeführt wird, stellen sich Risse an den Abschnitten ein, an denen der auf der Oberfläche des Siliciumhalbleitersubstrates gebildete Siliciumdioxidfilm in Kontakt mit der Aluminiumschicht kommt wodurch Diffusionsbereiche gebildet werden, die längs der Risse eine seitliche unregelmäßige Erstreckung haben. Solche Oberflächenzustände des Siliciumsubstrates können aus dem in Fig.2 gezeigten Photo ersehen werden, das mit einem Differentialinterferenzmikroskop aufgenommen wurde. Auf dem Photo sind die Abschnitte, die in Schwarz erscheinen, die Diffusionsbereiche, die unter der Aluminiumschicht 12 des gitterartigen Musters ausgebildet sind. Risse werden in dem Siliciumdioxidfilm in der Nähe der Diffusionsbereiche erzeugt. Eine Untersuchung mit der Elektronenbeugung zeigt daß das Entstehen der Risse der Umkristallisierung des Siliciumdioxidfilms in die Cristobalitstruktur zuzuschreiben ist Häufig wird eine Sauerstoffatmosphäre verwendet wenn eine Verunreinigung in ein Siliciumsubstrat diffundiert wird, weil der während der Diffusion gebildete Siliciumdioxidfilm als Maske für einen nachfolgenden Diffusionsprozeß verwendet werden kann. So kann beispielsweise der Siliciumdioxidfilm, der während eines Diffusionsprozesses zur Bildung eines Basisbereiches ausgebildet wird, als Maske für eine nachfolgende Diffusion verwendet werden, um einen Emitterbereich durch Dotierung mit Phosphor auszubilden. Nach der Diffusion des Aluminiums nimmt der so ausgebildete Siliciumdioxidfilm Aluminium infolge der stärkeren Segregationsneigung des Aluminiums an der Zwischenfläche zwischen dem Silicium und dem Siliciumdioxidfilm auf. Demzufolge wird die Umkristallisierung des Siliciumdioxids in die Cristobalitstruktur in hohem Maße begünstigt, wodurch in dem Oberflächenbereich des Siliciumsubstrates merkliche Beanspruchungen und Verwindungen hervorgerufen werden, die zur Folge haben, daß die Diffusion des Aluminiums so fortschreitet, daß das Muster oder die Dimensionsgenauigkeit beträchtlich verschlechtert wird. Diese Erscheinung stellt sich unabhängig von der Stärke und der Mustergröße der aufgedampften Aluminiumschicht ein. Es hat sich gezeigt daß die Diffusion von Aluminium in einem nicht oxydierenden Gasstrom aus Stickstoff oder Argon mit einem Strom von 1,5 l/min zu einer Diffusion in Bereiche führt, an denen die Diffusion nicht erfolgen sollte, wodurch es nicht möglich ist die selektive Diffusion zu erreichen. Man nimmt an, daß die unerwünschte Diffusion der Tatsache zuzuschreiben ist, daß das Aluminium in der Atmosphäre des nicht oxydierenden Gasstroms verdampft und in das Siliciumsubstrat in der Gas- bzw. Dampfphase diffundiert Die Möglichkeit der selektiven Diffusion in einem oxydierenden Gasstrom kann unabhängig von einem qualitativ schlechter gewordenen Muster oder einer schlechter gewordenen Dimensionsgenauigkeit dadurch erklärt werden, daß die Oberfläche der Aluminiumschicht der Oxydation unterliegt wodurch die Verdampfung des Aluminiums schwierig wird, und daß der auf der Oberfläche des Siliciumsubstrates gebildete Siliciumdioxidfilm einen Maskeneffekt für die Diffusion des Aluminiums bewirkt.

Es wurden Studien und Versuche ausgeführt um ein Verfahren zu schaffen, welches die Durchführung der Aluminiumdiffusion ohne qualitative Herabsetzung des Musters oder eine Verschlechterung der Dimensionsgenauigkeit der diffundierten Bereiche infolge der Umkristallisierung in die Cristobalitstruktur ermöglicht, wobei die Verdampfung des Aluminiums unterdrückt und der Vorteil des Maskencffcktes aufgrund des Siliciumdioxidfilms ausgenützt wird. Zunächst führt man die Diffusion von Aluminium in einer Atmosphäre in Form eines Stickstoffstroms von

14 l/min durch, wobei man gasförmigen Sauerstoff in Mengen von 300 ml/min (17%), 165 ml/min (10%),

15 ml/min (1%), 3 ml/min (0,2%) und 0,7 bis 0,8 ml/min (0,05%) durch Dosierung mittels eines Mikromengenstrommeßgerätes zusetzt Es zeigt sich, daß die Bereiche, in denen die Diffusion nicht auftreten soll, vor jeglicher Diffusion des Aluminiums in zufriedenstellender Weise dann geschützt sind, wenn als Diffusionsatmosphäre die Gasströme der genannten Zusammensetzungen verwendet werden, mit Ausnahme des Gasstroms mit 17% Sauerstoff. In diesem Fall wird eine Cristobalitstruktur in der Aluminiumschicht in der Nähe der OBerfläche des Siliciumsubstrates erzeugt was zu einer unregelmäßigen seitlichen Ausdehnung der Diffusion führt wie dies der Fall bei der Diffusion ist die in der Atmosphäre erfolgt welche aus einem Strom aus reinem gasförmigem Sauerstoff besteht Es zeigt sich, daß die Diffusion des Aluminiums in das Siliciumsubstrat

aus der darauf abgeschiedenen Aluminiumschicht mit zufriedenstellenden Ergebnissen in einer Atmosphäre eines nicht oxydierenden Gasstroms bewirkt werden kann, der gasförmigen Sauerstoff in einem Verhältnis im Bereich von 0,05 bis 10% enthält

Die Fig.3a bis 3c zeigen Mikrophotographien typischer Proben eines Siliciumsubstrates, das mit Aluminium unter den vorstehend beschriebenen Bedingungen dotiert worden ist. Die Siliciumsubstrate sind an den jeweiligen Randabschnitten mit einem Winkel von 5° 43' geläppt und anschließend gefärbt. Die Photographien der Fig.3a, 3b und 3c entsprechen den Siliciumsubstraten, in die Aluminium in den Atmosphären, bestehend aus den nicht oxydierenden Gasströmen, diffundiert ist, die 100%, 17% bzw. 1% Sauerstoff enthalten. Im oberen Drittel des Photos erscheinen die Aluminiumschicht und die Siliciumoberfläche in Schwarz zusammen mit Rissen, die in dem Siliciumdioxidfilm gebildet sind Die unteren zwei Drittel der Photos entsprechen dem im Winkel geläppten und gefärbten Abschnitt, wobei der dunkelgraue Bereich ein P-Typ-Bereich ist, in den Aluminium diffundiert ist

Beispiel 2

Es wird der Einfluß der Stärke der Aluminiumquellenschicht untersucht, die auf dem Siliciumsubstrat abgeschieden wird. Der Diffusionsprozeß ist der gleiche wie in Beispiel 1, in dem auf die Fig. la bis Id Bezug genommen wurde. Die Stärke der Aluminiumschicht wird jedoch so gowählt, daß sie 0,1,0,3,1,0, 2,0,3,0 bzw. 8,0 μΐπ beträgt Die Diffusion wird in einer Atmosphäre aus einem Stickstoffgasstrom von 1,5 l/min ausgeführt, dem ein Sauerstoffgasstrom von 8 ml/min zugesetzt ist Es zeigt sich, daß, wenn die Stärke der Aluminiumschicht 3,0 μπι überschreitet sich eine Streifenbildung der Aluminiumschicht in der Oberfläche des Siliciumsubstrates in Richtungen einstellt, die zur Kristallorientierung ausgerichtet ist, wodurch das Muster der selektiven Diffusion gestört wird. Eine derartige Streifenbildung der Aluminiumschicht tritt meistens in den Richtungen <110> und <211> in einer (Hl)-Ebene, in der "Richtung~< ~1TÖ>~ Tn einer (100)-Ebene, in einer < 110>-Richtung in einer (110)-Ebene und in den Richtungen <110> und <111> in einer (211)-Ebene auf. Die Richtungen entsprechen den Kristallachsen <100>, <211>, <111> und <110>. Der Diffusionskoeffizient des Aluminiums beträgt bei 1250⁰C 6,29 · 10-», 6,30 · 10-", 6,49 ■ 10-" bzw. 6,70 · 10-" cm²/s. Eine Abhängigkeit des Diffusionskoeffizienten von der Orientierung des Kristalls kann nicht beobachtet werden. Aus dem vorstehenden läßt sich schließen, daß die Stärke der Aluminiumschicht kleiner als 2 μπι sein soll und daß die Anordnung des Musters fluchtend zu der Kristallorientierung ausgerichtet werden soll, um eine verbesserte selektive Diffusion zu erhalten.

Man hat festgestellt, daß die Tiefe der Diffusion des Aluminiums in dem Siliciumsubstrat sowie die Konzentration der Diffusion von der Stärke der abgeschiedenen Aluminiumquellenschicht abhängen. F i g. 4 und 5 zeigen graphisch die Änderungen der Tiefe der Diffusion bzw. der Konzentration der Diffusion als Funktion der Stärke der Aluminiumschicht unter der Bedingung, daß die Diffusion bei 1250⁰C während 96 h ausgeführt wird. Man sieht daß die Diffusionstiefe und die Konzentration durch Ändern der Stärke der abgelegten Aluminiumschicht gesteuert werden können. Eine geringe Stärke der Aluminiumschicht erzeugt jedoch eine Ungleichförmigkeit hinsichtlich der Diffusionstiefe und der Konzentration, weil es schwierig ist, die Abscheidung einer Aluminiumschicht mit geringer Stärke zu steuern, und Meßfehler auftreten. Um diese Nachteile zu vermeiden, wird eine Silicium-Aluminium-Legierung als Aluminiumquelle auf dem Siliciumsubstrat durch Vakuumaufdampfung abgeschieden. Wenn eine eutektische Legierung aus Silicium-Aluminium verwendet

ίο wird, können eine Diffusionstiefe und eine Konzentration, die im wesentlichen denen entsprechen, die mit einer Aluminiummenge erreichbar sind, welche dem Aluminiumgehalt in der Legierung entspricht, mit verringerter Ungleichförmigkeit erzielt werden.

Beispiel 3

Bei diesem Beispiel wird die selektive Diffusion des Aluminiums in ein Siliciumsubstrat gemäß der Erfindung dazu verwendet isolierte Schichten in Form von PN-Übergängen zu bilden. Nach dem Zonenschmelzverfahren wird ein Siliciumsubstrat mit einer Leitfähigkeit vom N-Typ hergestellt, das einen spezifischen Widerstand von 100 bis 110 Ω cm, eine Kristallorientierung (111) hat, versetzungsfrei ist, eine Stärke von 520 ±10 μπι und einen Durchmesser von 50 bis 53,5 mm aufweist Auf dem Siliciumsubstrat werden dann Aluminiumschichten von 1,0 μπτ Stärke auf beiden Hauptflächen durch Vakuumaufdampfen abgeschieden.

Die Aluminiumschichten werden in einem Gittermuster, das aus Streifen von 200 μπι Breite mit einer Gitterkonstanten von 5,6 mm zusammengesetzt ist, in der herkömmlichen photolithographischen Weise weggeätzt Die Richtungen, in denen die Streifen verlaufen, werden so ausgewählt, daß sie mit den Kristailachsen <110> und <211> zusammenfallen. Die Diffusion erfolgt bei 125O⁰C in einer Atmosphäre, die durch Mischen von Gasströmen aus Stickstoff mit 1,5 l/min und Sauerstoff mit 8 ml/min erhalten wird. Nach einer thermischen Behandlung von 110 h erstrecken sich die Diffusionsbereiche durch das Siliciumsubstrat von beiden Hauptflächen aus, wodurch eine Vielzahl von Inseln gebildet wird, die voneinander durch PN-Übergänge in dem Siliciumsubstrat vom N-Typ ausgebildet sind. Nach einer thermischen Behandlung von 150 h beträgt die maximale Konzentration des in das Siliciumsubstrat diffundierten Aluminiums

2 χ 10¹⁸ Atome/cm³, während die minimale Konzentration im Mittelabschnitt des Substrates bei 2 χ 10¹⁶ Ato-

5u me/cm³ liegt Nach dem Ätzen der Hauptfiächen des so erhaltenen Siliciumsubstrates wird auf den geätzten Oberflächen eine Passivierungsglasschicht gebildet und das Spannungssperrvermögen der Isolierbereiche zwischen den Siliciuminseln vom N-Typ gemessen. Es zeigt sich, daß die Isolierbereiche eine maximale Spannung von 2,6 kV und eine mittlere Spannung von 2,2 kV sperren können.

Beispiel 4

In diesem Beispiel wird die selektive Diffusion des Aluminiums in ein Siliciumhalbleitersubstrat zur Herstellung eines Thyristors der semiplanaren Bauweise mit einem Graben gezeigt Das in F ig. 6a gezeigte Siliciumhalbleitersubstrat 51 hat eine Leitfähigkeit vom N-Typ, einen spezifischen Widerstand von 53 Ω cm, ist versetzungsfrei, hat eine Kristallorientierung (111), eine Stärke von 230 μπι und einen Durchmesser von 50 mm.

Es wird nach dem Zonenschmelzverfahren hergestellt Bei dem in Fig.6b gezeigten Schritt werden Aluminiumschichten von 1,0 μπι Stärke auf den beiden Hauptflächen des Substrates 51 durch Vakuumaufdampfen abgeschieden. Durch eine Photoätzbehandlung werden Aluminiumschichten 52a und 52b gebildet. Diese Aluminiumschichten 52a und 526 bilden die Quellen für die selektive Diffusion des Aluminiums, um isolierte Bereiche mit PN-Übergängen zu erzeugen. Die Aluminiumschichten bilden ein gitterförmiges Muster, das aus Streifen zusammengesetzt ist, die sich senkrecht zueinander in den Richtungen der Kristallachsen <110> und <2U> erstrecken. Bei dem in Fig.6c gezeigten Schritt wird eine Aluminium-Silicium-Legierung von 0,6 μπι Stärke auf den Oberflächen des Siliciumsubstrates 51 einschließlich der selektiv abgeschiedenen Aluminiumschichten 52a und 52b mittels Vakuumaufdampfung abgeschieden. Dann wird die Aluminium-Silicium-Schicht von nur einer Hauptfläche einer Photoätzbehandlung unterworfen, um Aluminium-Silicium-Legierungsschichten 53a und 536 zu bilden.

Bei dem in F i g. 6d gezeigten Zustand ist das Substrat von Fig.6c thermisch bei 1250°C 15h lang in einer Atmosphäre aus einem Stickstoffgasstrom mit 0,5% Sauerstoff behandelt worden, wodurch Aluminium selektiv in das Siliciumsubstrat aus den Aluminiumschichten 52a, 52b und den Aluminium-Silicium-Legierungsschichten 53a, 53f> diffundiert ist. Es werden gleichzeitig die selektiv diffundierten, isolierten Bereiche 54a und 54b mit PN-Übergang, die eine maximale Konzentration von etwa 2 χ 10¹⁸ Atome/cm³ haben, Diffusionsbereiche 55a, 55b, die eine Diffusionstiefe von 40 μιη haben, und Inseln 51/4 gebildet Bei dem in F i g. 6e gezeigten Schritt werden die Hauptflächen des Siliciumsubstrates geätzt, oxydiert, mittels Photolithographie mit einem Muster versehen und mit Phosphor zur Bildung eines Diffusionsbereiches 56 vom N-Typ diffundiert, wodurch man einen PNPN-vier-Schichtenaufbau erhält. Die Siliciumdioxydfilme sind mit 57a und 57b bezeichnet In diesem Zustand beträgt die Stärke des Emitterbereiches 56 vom N-Typ 9 μπ», die Stärke des Basisbereichs 55a vom P-Typ 36 μπι, die Stärke des Basisbereichs 51Λ vom N-Typ 140 μιη und die Stärke des Emitterbereiches 55b vom P-Typ 45 μΐη. Bei dem in Fig.6f gezeigten Schritt werden Gräben 58 durch Ätzen ausgebildet, die mittels Elektrophorese und Brennens mit Passivierungsglas 59 versehen .werden. Die Aluminiumschichten 60a und 60i> werden durch Vakuumaufdampfen gebildet, wobei sie als Kathode bzw. als Torelektroden dienen. Die Anode wird von einer Gold-Gallium-Legierungsschicht 61 gebildet Anschließend wird das Halbleitersubstrat in Pellets längs der Linie X-X in den PN-Übergangsbereichen geschnitten, in die selektiv Aluminium für die Isolierung diffundiert ist Ein so erhaltenes Pellet wird haftend auf einer Trägerplatte befestigt Anschließend werden die Elektroden mit den jeweiligen Leitungen versehen. Danach werden vorgegebene Abschnitte des Pellets und der Leitungen in eine gegossene Harzmasse eingebettet, wodurch der Thyristor fertig ist Die Vorwärtssperrspannung des so hergestellten Thyristors beträgt 1,1 kV, die Rückwärtssperrspannung 1,0 kV. Der Vorwärtsspannungsabfall liegt bei 1,0 V bei einer Stromdichte von 100 A/cm².

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zum selektiven Diffundieren von Aluminium in ein Siliciumhalbleitersubstrat, wird ein hochgenaues Diffusionsprofil und ein exaktes Muster auf vereinfachte Weise erreicht und Diffusionsbereiche großer Tiefe in extrem kurzer Zeit ausgebildet

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann die Vakuumaufdampfung und die Photolithographie zur

Ausbildung des Musters der Aluminiumschicht ersetzt werden durch ein Kathodenzerstäubungsverfahren, ein Verfahren, bei dem chemisch Dampf abgeschieden wird, durch ein Ionenplattierungsverfahren oder dergleichen. Die als Hauptkomponente Aluminium enthaltende

ίο Legierung kann Germanium, Zinn oder eine ähnliche Substanz anstelle von Silicium enthalten, wodurch die Diffusionskonzentration und Diffusionstiefe steuerbar sind. Außerdem können andere Dotierungsmittel, wie Bor, Gallium, Phosphor oder dergleichen, die relativ

is niedrige Diffusions werte haben, zusätzlich zu Aluminium verwendet werden, um ein Diffusionsprofil auszubilden, das eine Zwei-Stufen-Verteilung der Verunreinigungskonzentrationen aufweist

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum selektiven Diffundieren von Aluminium in ein Einkristall-Siliciumhalbleitersubstrat, wobei auf wenigstens eine Hauptfläche des Substrats Aluminium in einem vorgegebenen Muster abgeschieden, das Substrat in einer aus einem nicht oxydierenden Gas und Sauerstoff bestehenden Atmosphäre bis zur Ausbildung einer zusammenhängenden Oxidschicht auf der Aluminium- und Siliciumoberfläche erhitzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Atmosphäre 0,05 bis 10 Vol.-% Sauerstoff enthält.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Aluminium in einer Stärke von kleiner ab> 2 μηι abgeschieden wird.