DE2900747C2 - Verfahren zur Herstellung einer Halbleiteranordnung - Google Patents
Verfahren zur Herstellung einer HalbleiteranordnungInfo
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Description
a) selektive Ausbildung von Vertiefungen (3) in wenigstens einer Hauptoberfläche des Siliziumhalbleitersubstrats
(1),
b) Abscheidung von Aluminium (4) oder einer Aluminiumsiliziumlegierung in den Vertiefungen
(3).
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
laß das Mischgas 0,05 bis 10Vol.-% SauerstoTf enthält
3. Verwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 zur Bildung von gitterförmigen Isolationsbereichen
(5), entlang derer das Halbleitersubstrat in einzelne Halbleiterbauelemente unterteilt wird.
30
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleiteranordnung, bei dem Aluminium
selektiv nach Ablagerung auf einem Siliziumhalbleitersubstrat .in das Substrat miuels Wärmebehandlung
in einer gasförmigen, Sauerstoff enthaltenden Atmo-Sphäre, insbesondere einer Misc :gasatmosphäre aus
Stickstoff und Sauerstoff, eindiffundiert wird.
Aluminium ist ein P-Dotierelement mit einer hohen Diffusionsgeschwindigkeit in Silizium und daher hoch
wirksam zur Bildung einer tiefdiffundierten Schicht, wie z. B. einer durchdiffundierten Schicht für Isolationszwecke. Aus der DE-OS 26 11 363 ist bereits ein
Verfahren der eingangs genannten Art bekannt, gemäß dem man Aluminiumdiffusionsquellenschichten in der
Form eines vorbestimmten Musters auf der Hauptfläche eines Siliziumhalbleitersubstrats ablagert und das
Aluminium selektiv in das Substrat mittels Wärmebehandlung in einer gasförmigen Sauerstoff oder diesen
und Stickstoff enthaltenden Atmosphäre eindiffundiert. Durch einen abschließenden Ätzvorgang werden dann
Aluminiumreste einschließlich ihrer oxidierten und legierten Teile an der Oberfläche des Substrats entfernt.
Dieses bekannte Verfahren stößt jedoch auf das Problem, daß das Muster der gebildeten diffundierten
Schichten in Abhängigkeit von den Bedingungen der anfänglichen Phase der zur Legierung von Silizium und
Aluminium und der Aluminiumdiffusion erforderlichen Wärmebehandlung unregelmäßig wird. Insbesondere
werden in Abhängigkeit von solchen Bedingungen, wie Unterschieden der durch die während der Diffusions-Prozesses
gebildeten Legierung belegten Fläche und des Benetzungszustandes und -grades der getropften Kante
der Aluminiumdiffusionsquellenschicht, die Tiefe und die Konzentration der Diffusion und die Genauigkeit
des Musters unregelmäßig, und ihre Reproduzierbarkeit verringert sich.
Weiter werden auf der Hauptfläche des Siliziumhalbleitersubstrats.
das dem DiffusionsDrozeß unterworfen wurde, Oxidschichten der Silizium-Aluminium-Legierung
gebildet, die eine hohe Beständigkeit gegen eine Beseitigung durch das erwähnte Ätzen aufweisen.
Im nachfolgenden Verfahrensabschnitt verursachen diese Rückstände einen Schaden einer Fotomaske und
eine Beeinträchtigung der Montage des Halbleiterbauelements auf dem zugehörigen Sockel und verschlechtern
daher die Genauigkeit der Lageeinstellung der Fotomaske.
Andererseits ist aus der US-PS 33 6Γ794 ein
Verfahren zur Herstellung von integrierten Schaltungen mit einer Gruppe von Gleichrichterübergängen bekannt,
bei dem auf beiden Hauptflächen des Halbleitersubstrats zunächst Nuten ausgebildet werden und dann
beispielsweise Aluminium durch Dampfdiffusionstechnik ohne Masken in das Substrat zur Bildung von
pn-0bergängen eindiffundiert wird. Nachher folgt ein mechanisches Läppen beider Hauptflächen unter
Beseitigung der Nuten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art so zu verbessern,
daß sich die Genauigkeit des Aluminiummusters erhöhen läßt, daß eine höhere Diffusionsgeschwindigkeit
als beim bekannten Verfahren erzielbar ist und daß eine Schädigung der Fotomaske und Fehler bei der
Montage des Halbleiterbauelements auf seinem Sockel infolge von Aluminium- oder Aluminiumoxidrückständen
in einfacher Weise verhindert werden.
Die Lösung dieser Aufgabe sieht folgende, vor dem Diffusionsschritt vorzunehmende Verfahrensschritte
vor:
a) selektive Ausbildung von Vertiefungen in wenigstens einer Hauptoberfläche des Siliziumhalbleitersubstrats,
b) Abscheidung von Aluminium oder einer Aluminiumsiliziumlegierung
in den Vertiefungen.
Vorzugsweise enthält das Mischgas 0,05 bis 10 Vol.-%
Sauerstoff.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich vorteilhaft zur Bildung von gitterförmiger.· Isolationsbereichen,
entlang derer das Halbleitersubstrat in einzelne Halbleiterbauelemente unterteilt wird.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren verursachen Oxidschichten der auf der Hauptoberfläche des der
Aluminiumdiffusion unterworfenen Halbleitersubstrats gebildeten Silizium-Aluminium-Legierung keinen Schaden
einer Fotomaske, und gleichzeitig läßt sich die Genauigkeit der Lageeinstellung der Fotomaske verbessern.
Fehler bei der Montage eines so hergestellten Halbleiterbauelements auf einem Sockel lassen sich
ebenfalls verhindern. Außerdem läßt sich die Genauigkeit des Aluminiummusters verbessern, da ein Kantenabtropfen
der Aluminiumablagerungsschicht verhindert ist. Schließlich läßt sich die Diffusionsgeschwindigkeit
erhöhen, da eine dickere Aluminiumablagerungsschicht verwendet werden kann.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung im folgenden, im Vergleich zum Stand
der Technik, näher erläutert: es zeigen
Fig. 1 a bis If Längsschnittansichten eines Halbleitersubstrals
zur Veranschaulichung der einzelnen Schritte des Herstellungsverfahrens gemäß der Erfindung; und
F i g. 2 eine graphische Darstellung der Abhängigkeit der Tiefe und der maximalen Diffusionskonzentration
der Aluminiumdiffusion von der Dicke der abgeschiedenen Aluminiumschicht.
29 OO
Die Erfindung soll -.mn im einzelnen anhand eines
Beispiels einer Isolationsdiffusion erläutert werden, wie sie zur Herstellung eines Planarthyristors benötigt wird.
In Fig. la ist ein Siliziumhalbleitersubstrat 1 gezeigt
Das Siliziumhalbleitersubstrat 1 ist durch ein Schwebezonenverfahren hergestellt, wobei seine Oberflächen
auf Spiegelgüte poliert sind, und hat einen N-Leitfähigkeitstyp,
einen Widerstandswert von 90 bis 120 Hem,
einen von Versetzungen freien Zustand, eine Kristallachse von (Hl), einen Durchmesser von 50 cm und eine
Dicke von 450 μΐπ.
Wie in Fig. Ib gezeigt ist, werden auf den
gegenüberliegenden Hauptoberflächen des Siliziumhalbleitersubstrats 1 Fotoresistschichten 2 in der Form eines
bestimmten Musters mit dem Zweck gebildet, Fenster für die Ausbildung von Vertiefungen 3 in den
gegenüberliegenden Hauptoberflächen desSiliziumhalbleitersubstrats
1 zu bilden. Die Fotoresistschicht 2 hat eine Dicke von 3 μπι, und eine Mischlösung aus
Flußsäure, Salpetersäure und Essigsäure wird zum Ausätzen der Vertiefungen 3 bis zu einer Tiefe von
6 ± 1 .um verwendet Die Vertiefungen 3 sind so angeordnet, daß sie ein Muster eines rechtwinkligen
Gitters ergeben, und haben jeweils eine Breite von 116 μπι und einen gegenseitigen Abstand von 1,76 mm.
Das Siliziumhalbleitersubstrat wird dann mit Aluminiumabscheideschichten
4 überzogen, wie F i g. Ic zeigt Aluminium wird dazu bei einem Druck von 4 - 10~6
mbar von einer elektronenstrahlerhitzten Diffusionsquelle aus einem Aluminiumdraht einer Reinheit von sn
993995% auf dem bei einer Temperatur von 120 bis 1400C gehaltenen Substrat abgeschieden. Die erzeugte
Aluminiumschicht hat eine Dicke von 5 μπι.
Die auf den Fotoresistschichten 2 gebildeten Aluminiumabscheideschichten
4 werden vom Siliziumhalbleitersubstrat 1 durch Auflösen der Fotoresistschichten 2
mit einer Abblätterungsflüssigkeit entfernt, wie Fig. Id
andeutet. Danach bilden die abgeschiedenen Aluminiumschichten 4 ein Muster, gemäß dem sie nur noch in
den Vertiefungen 3 verbleiben, die in den Hauptoberflächen des Siliziumhalbleitersubstrats 1 gebildet sind.
Danach wird das Siliziumhalbleitersubstrat 1 erhitzt, um eine selektive Eindiffusion des Aluminiums in das
Substrat zu bewirken, wie Fig. Ie zeig«. Beim
Diffusionsprozeß spielen sowohl die anfängliche Warmebehandlung
zum Legieren als auch die Diffusionsatmosphäre wesentliche Rollen. Und zwar wird das
Siliziumhalbleitersubstrat 1 allmählich mit einer Temperaturanstiegsrate von nicht mehr als 10°C/min erhitzt,
nachdem seine Temperatur eine Temperatur etwas unter dem eutektischen Punkt (577°C) der Aluminium-Silizium-Legierung
erreicht hat, wodurch eine gute Benetzung der Vertiefungen des Siliziumhalbleitersubstrats
1 durch das Aluminium gesichert wird, so daß sich gleichmäßige Aluminium-Silizium-Legierungsschichten
bilden können, wodurch die Reproduzierbarkeit und die Genauigkeit des diffundierten Musters und Profils
verbessert werden können. Es ist ebenfalls vorteilhaft, das Substrat in einer Diffusionsatmosphäre aus einem
Mischgasstrom anzuordnen, der 0,05 bis 10Vol.-°/o Sauerstoff und nicht weniger als 90 Vol.-% Stickstoff
enthält, P-durchdiffundierte Schichten (diffundierte
Isolationsschichten) 5 werden durch Diffusion bei 125O0C während 72 h gebildet.
Gleichzeitig mit der Bildung der Isolations-Diffu- hs
sionsschichten entstehen Oxidschichten der Aluminium-Siiizium-Legierung
ais Diffusionsquellenrückstände 6 auf den Teilen der Oberflächen der selektiven Alummiumdiffusionsschichten 5. Die Oxidschicht wird
durch Röntgenbeugung als ein Stoff ermittelt, der
hauptsächlich «-Aluminiumoxid (AI2O3) enthält ^*.:.
sehr hart und chemisch schwierig aufzulösen ist
Im Fall, wo Aluminium auf der Hauptoberfläche des herkömmlichen Siliziumhalbleitersubstrats abgeschieden
und darin eindiffundiert wird, werden die Diffnsionsquellenrückstände
zu an der Hauptoberfläche des Siliziumhalbleitersubstrats vorliegenden unregelmäßigen
Vorsprüngen, und bei den nachfolgenden Verfahrensschritten neigen diese Vorsprünge dazu, die
Fotomaske zu schädigen und eine fehlerhafte Montage und Verbindung des Halbleiterbauelements mit dem
zugehörigen Sockel zu verursachen.
Bei dem Verfahren gemäß F i g. 1 sind, da Aluminium von der in der in der Hauptoberfläche des Süiziumhalbleitersubstrats
gebildeten Vertiefung aufgenommenen Diffusionsquelle selektiv diffundiert wird, die Diffusionsquellenrückstände
innerhalb der Vertiefung begrenzt ohne Vorsprünge zu bilden, die bis über die Hauptoberfläche
des Siliziumhalbleitersubstrats reichen würden, wodurch die herkömmlichen Nachteile !,-'.seitigt sind.
Das diffundierte Muster (die Breite der diffundierten
Schicht in der Substratoberfläche) läßt sich mit einer Genauigkeit von innerhalb ±2% ausbilden, was eine
Verbesserung gegenüber einer Genauigkeit von ±7% nach dem '--erkömmlichen Verfahren darstellt
Außerdem sinkt die abgeschiedene Aluminiumschicht 4 nach dem bekannten Verfahren bei einer Dicke von
mehr als 3 μπι an ihrer Kante im Lauf der Diffusion ab,
und das diffundierte Muster deformiert sie». Daher ist es erforderlich, die Dicke der abgeschiedenen Aluminiumschichl
aus praktischen Gründen auf etwa 1 μπι zu beschränken.
Gemäß dem Herstellungsverfahren nach F i g. 1 wird die abgeschiedene Aluminiumschicht in die in der
Siliziumhalbleitersubstratoberfläche gebildete Vertiefung 3 gefüllt und verläuft daher nicht, so daß sich leicht
eine tiefdiffundierte Schicht mit hoher Konzentration erzeugen läßt.
Fig.2 zeigt die Abhängigkeit der Tiefe und der
maximalen Diffusionskonzentration der Aluminiumdiffusion von der Dicke der abgeschiedenen Aluminiumschicht.
Die in der Figur angedeuteten Werte beziehen sich besonders auf eine Diffusion von 96 h bei 1250° C,
zeigen jedoch die allgemeine Tendenz, daß sich eine hochkonzentrierte, tiefdiffundierte Schicht mit einer
dicken abgeschiedenen Aluminiumschicht leicht erhalten läßt. Die zur Bildung einer diffundierten Schicht mit
einer gewünschten Tiefe erforderliche Zeit läßt sich im Vergleich mit dem bekannten Verfahren um 20 bis 30%
senken.
Fig. If zeigt im Schnitt einen Planarthyristor, der durch ein Verfahren hergestellt wird, gemäß dem
Dotierritiel des P-Typs und des N-Typs zunächst in das
Siliziumhalbleitersubstrat 1, wie es in F i g. 1 e gezeigt ist, unter Anwendung der üblichen Halbleiteranordnungs-Herstellungstechnik
zur Bildung von P-N-Übergängen /1 bis h diffundiert werden; anschließend werden
Anoden-, Steuer- und Kathodenelektroden 7, 8 und 9 gebildet, und schließlich wird das Substrat einer
Aufteilung im mittleren Teil der diffundierten Isolationsschicht 5 unterworfen, um separate Plättchen zu
erhalten. Einzelne Plättchen werden auf einsm Sockel
montiert und mit Anschlüssen versehen. Die erhaltene Einheit wird in Isolierharz eingebettet, um einen
Planarthyristor fertigzustellen.
Während beim vorstehenden Ausführungsbeispiel
29 OO 747
das Abhebeverfahren unter Verwendung von Fotoresist /ur Bildung der abgeschiedenen Aluminiumschicht in
der Form des bestimmten Musters angewendet wurde, läßt sich das Musler der abgeschiedenen Aluminiumschicht
auch durch Fotoätzen herstellen. Anstelle der Diffusionsquelle aus der abgeschiedenen Aluminium
schicht läßt sich auch eine Diffusionsquelle aus einer Aluminium-Silizium-Legierung verwenden.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
Claims (1)
1. Verfallen zur Herstellung einer Halbleiteranordnung,
bei dem Aluminium selektiv nach Ablagerung auf einem Siliziumhalbleitersubstrat in das
Substrat mittels Wärmebehandlung in einer gasförmigen. Sauerstoff enthaltenden Atmosphäre, insbesondere
einer Mischgasatmosphäre aus Stickstoff und Sauerstoff, eindiffundiert wird, gekennzeichnet durch folgende, vor dem Diffusions-
schritt vorzunehmende Verfahrensschritte:
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