DE2827330C2 - Verfahren zur Verminderung des Breitbandrauschens - Google Patents

Verfahren zur Verminderung des Breitbandrauschens

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DE2827330C2
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Deutsche ITT Industries GmbH
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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verminderung des Breitbandrauschens bei unter Anwendung von Diffusionsvorgängen hergestellten Halbleiterbauelementen.
Das Rauschen bei elektrischen bzw. elektronischen Bauelementen ist aus naheliegenden Gründen ein überaus unerwünschtes Signal. Man versucht deshalb, diesem Umstand bei Herstellungsverfahren von Halbleiterbauelementen dadurch Rechnung zu tragen, daß man für diese einen bestimmten Aufbau wählt. So wird z. B. in der DE-OS 21 62 020 vorgeschlagen, daß zur Herstellung einer rauscharmen Feldeffekt-Halbleiteranordnung die Kanalzone zwischen einer mit einer Flächenseite des Substrats zusammenfallenden Außenfläche und einer im Substrat liegenden Begrenzungsfläche einen Zwischenbereich mit im Vergleich zum Bereich der Außenfläche größerer elektrischen Leitfähigkeit ausweist.
Solche Maßnahmen tragen natürlich nicht zur Vereinfachung der Herstellungsverfahren von Halbleiterbauelementen bei, was überdies auch noch aus der DE-OS 24 54 561 deutlich wird.
Zudem handelt es sich bei dem Gegenstand der beiden genannten Offenlegungsschriften um ganz bestimmte Halbleiteranordnungen bzw. nur auf ihre Ausbildung abzielende Verfahrensschritte und nicht um ein allgemein anwendbares Verfahren zur Rauschverminderung.
Zum Rauschen bei Halbleiterbauelementen, also z. B. bei Transistoren oder Dioden, tragen mehrere Faktoren bei, nämlich das sogenannte Schrotrauschen, das thermische Widerstandsrauschen der Bahnwiderstände, das Stromverteilungsrauschen und das Funkelrauschen, das durch Widerstandsänderungen in den Grenzschichten und Oberflächeneffekte hervorgerufen wird. Im Gegensatz zum Schrotrauschen und thermischen Rauschen ist das Funkelrauschen frequenzabhängig, mit zunehmender Frequenz wird es kleiner und man
bezeichnet es deshalb auch als —Rauschen. Zum —Rauschen tragen die 3 folgenden Effekte bei:
1. Burst noise
2. Rauschen bedingt durch Modulation der OberfJächenkonzentration . .
3. Rauschen in Verbindung mit der Basiszone
s . ■·-.■■"■
Die Entstehungsursache für »burst noise« ist in Oberflächeneffekten zu suchen. Einen wesentlichen Einfluß hat dabei die Oberflächenverspannung, die zum Beispiel dann eintreten kann, wenn das Angebot an Dotieratomen, z. B. Phosphor, zu groß ist Ein weiterer Grund ist z. B. im thermischen Schock zu suchen, da ein zu rasches Abkühlen zum Einfrieren von Gitterfehlern führen kann. Darüber hinaus läßt sich auch eine Abhängigkeit des »burst noise« von der verwendeten
ι s Dotierstoffquelle zeigen.
Das durch Modulation der Oberflächenrekombination bedingte Rauschen erklärt sich aus den in der Zwischenschicht Oxid-Halbleiter lokalisierten Oberflächenzuständen. Diese können sein Oxidtraps, Siliciumoberflächenzustände, Zwischenschicht-Energiezustände, lonenzentren im Oxid. Die Oberflächen- .oder Energiezustände wirken dabei wie ionisierte Donatoren und sind in der Lage, Moleküle zu binden, wobei es sich dabei meistens um Wassermolekülc handelt Aufgrund ihrer thermischen Energie können diese Moleküle die Bindung mit den Aktivzentren lösen und so lange in der Zwischenschicht Oxid-Halbleiter vagabundieren, bis sie sich wieder an ein aktives Zentrum anlagern. Das Lösen und Wiederherstellen einer Bindung moduliert die
Oberflächenrekombination. Die dritte Komponente, die zum —Rauschen
beiträgt, nämlich das Rauschen in Verbindung mit der Basiszone, beruht auf den in der Basiszone vorhandenen zwei Widerständen, nämlich dem Widerstand zwischen dem Basiskontakt und dem Emitter und dem Widerstand unter dem Emitter.
Die Ausführungen lassen erkennen, daß es eine Reihe
von Ursachen für das —-Rauschen gibt Insbesondere
/
sind es die Oberflächenzustände in der Zwischenschicht Oxid-Halbleiter, die eine Rolle Spielen, und von denen sich bestimmte Formen durch technologische Maßnahmen beeinflussen lassen. Dies sind insbesondere die Oxidtraps, Zwischenschicht-Energiezustände und lonenzentren im Oxid.
Die Anwendung von bestimmten technologischen Maßnahmen zur Behebung von Fehlern bei elektrisch oder elektronischen Bauelementen ist bekannt lnsbesondere sind Temperungsverfahren in der Halbleitertechnologie weit verbreitet. So wird z. B. in der DE-OS 1544 262 ein Verfahren zum räumlichen Ausgleichen der Fehlstellenkonzentration von isolierenden bzw. halbleitenden Bestandteilen elektrischer Bauelemente beschrieben, die eine Kristallstruktur mit Fehlstellen bzw. Dotierungen besitzen. Derartige Bestandteile sind beispielsweise dielektrische oder ferromagnetische Keramiken wie Bariumtitanat, Mangan-Zink-Ferrit, dotiertes Silicium, dotiertes Germanium oder dergleichen. Da ihre Kristallstrukturen, die im wesentlichen ihre Eigenschaften bestimmen, in der Regel nicht homogen aufgebaut sind, sondern Fehlstellen und Versetzungen besitzen, so ist es erforderlich, derartige Schaden zu beheben, was nach der genannten Erfindung durch ein Temperungsverfahren mit erheblichen inneren Temperaturgradienten bewirkt wird.
Ferner wird nach der DE-OS 19 43 805 beim Herstellen von Halbleiteranordnungen aus Silicium, die
in einem aus anorganischem Material insbesondere Metall, bestehenden Gehäuse untergebracht sind, die Bauelemente zur Unschädlichmachung von Spuren verschiedener Schwermetalle einer Temperung bei einer Temperatur von 200-2500C für eine Dauer von 10 bis 20 Minuten unterworfen. Längere Temperaturen oder Temperaturerhöhungen sind nach dem beschriebenen Verfahren wegen der Gefahr einer Veränderung der durch die Dotierung eingestellten elektrischen Eigenschaften zu vermeiden. ι ο
Das nachträgliche Tempern auf 120-3000C bei der Herstellung von Gleichrichtern, Transistoren oder anderen Halbleiterbauelementen, bei denen Legierungen und Lötungen vorgenommen werden, wird auch in Rudolf Rost »Silicium als Halbleiter«, 1966, Verlag is Berliner Union Stuttgart, auf Seite 49 in Zusammenhang mit der Verschiebung von Kupfer von Zwisrhengitterplätzen auf Gitterplätze genannt
Der im Anspruch 1 angegebenen Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
anzugeben, mit dessen Hilfe das —-Rauschen auf
einfachste Weise merklich verringert werden kann.
Überraschenderweise hat es sich nun gezeigt, daß mit Hilfe einer Temperaturbehandlung unter nicht zu erwartenden Bedingungen, nämlich 400 bis 900° C in Stickstoffatmosphäre, Aufheizdauer 20 bis 30 Minuten, Haltedauer 20 Minuten und Abkühlzeit 20 bis 30
Minuten auch das —-Rauschen bei Halbleiterbauele-
/
menten weitgehend verringert werden kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann sowohl in Verbindung mit Planardiffusionsquellen wie Bornitrid-Quellscheiben und Phosphor-Quellscheiben (SiP2 O7) als auch mit flüssigen Diffusionsquelle wie Phosphoroxychlorid (POCI3) angewendet werden.
Die Vorteile des offenbarten Verfahrens liegen darin, daß durch das Arbeiten in Stickstoff die Versetzungsdichte nicht so groß und damit eine geringere Oberflächenkonzentration gegeben ist. Ferner kommt es zum Ausheilen von Haftstellen im Oxid und schließlich bringt das Tempern bei niederer Temperatur zusätzlich ein Ausheilen der Versetzungsdichte.
Das Verfahren wird nun anhand zweier Ausführungsbeispiele beschrieben.
I. Dotierung mit Bornitrid-Scheiben als Planardiffusionsquellen. Zunächst werden die entsprechenden Quellscheiben der üblichen Vorbehandlung unterworfen, d.h. nach dem Reinigen und Aktivieren. (Sauerstoffbehandlung) werden die Scheiben stabilisiert, zu welchem Zweck sie eine gewisse Zeit bei einer bestimmten Temperatur mit trockenem, reinem Stickstoff behandelt werden. Die auf diese Weise vorbereiteten Quellscheiben werden anschließend zur Diffusion eingesetzt oder unter entsprechenden Bedingungen gelagert. Die Dotierungen der Halbleiterscheiben unter Zuhilfenahme der Bornitrid-Quellscheiben erfolgt in einer der herkömmlichen Diffusionsanlagen, wobei die zu dotierenden Halbleiterscheiben und die Quellscheiben in gewohnter Weise auf einem Quarzboot angeordnet sind. Als Schutzgas dient ein trockenes Inertgas wie z. B. Argon oder Stickstoff. Die Diffusion;temperatur richtet sich dabei nach dem angestrebten Bauelement. Die fertig dotierten Halbleiterscheiben werden zusätzlich einer Behandlung mit trockenem Stickstoff unterworfen, wobei die Temperatur zwischen 400° und 900'C gehalten wird. Die Aufheizdauer beträgt dabei 20 bis 30 Minuten .ind die Haltezeit ca. 20 Minuten. Daran schließt sich eine 20 bis 30 Minuten dauernde Abkühlzeit an.
2. Dotierung unter Zuhilfenahme einer flüssigen Dotierungsquelle. Die zu dotierenden Halbleiterscheiben werden in einer herkömmlichen Diffusionsanlage zunächst in der üblichen Weise nach dem Aufheizen unter Stickstoff unter Zuschaltung der Dotierungsquelle unter Zumischen von Sauerstoff, so daß das Verhältnis in der Gasmischung 5% O2 zu 95Vo N2 beträgt, dotiert Anschließend wird unter Abstellung der Sauerstoffzufuhr die Behandlung der dotierten Halbleiterscheiben mit trockenem Stickstoff wie in dem Ausführungsbeispiel 1 angegeben durchgeführt.

Claims (3)

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Verminderung des Breitbandrauschens bei unter Anwendung von Diffusionsvorgängen hergestellten Halbleiterbauelementen, dadurch gekennzeichnet, daß die Dotierung der Halbleiterscheibe in an sich bekannter Weise mittels fester oder flüssiger Dotierstoffe durchgeführt wird und daß dann die fertig dotierten Halbleiterscheiben einer Nachbehandlung in einer Stickstoffatmosphäre bei 400 bis 9000C unterworfen werden, wobei die Aufheizdauer 20 bis 30 Minuten, die Haltedauer 20 Minuten und die daran anschließende Abkühlzeit 20 bis 30 Minuten beträgt
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als feste Dotierstoffquelle Bornitrid-Quellscheiben verwendet werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als flüssig-gasförmige Dotierstoffquelle POCb verwendet wird.
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