DE3028185A1

DE3028185A1 - Verfahren zur erzeugung einer stoerstellenschicht

Info

Publication number: DE3028185A1
Application number: DE19803028185
Authority: DE
Inventors: Jagir S Multani; Jagtar Sandhu
Original assignee: Arris Technology Inc
Current assignee: Arris Technology Inc
Priority date: 1979-08-01
Filing date: 1980-07-25
Publication date: 1981-02-26
Also published as: FR2462780A1; IT8049389A0; GB2056168A; JPS5623742A; IT1145411B; FR2462780B1

Description

Verfahren zur Erzeugung einer Störstellenschicht

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung einer Störstellenschicht mit einem relativ graduellen Störstelleηverteilungsprofil in einem Substrat.

Eine der Grundtechniken bei der Herstellung von Halbleitereinrichtungen ist die Bildung bzw. die Erzeugung eines PN-Übergangs. Verschiedene Methoden zur Erzeugung eines PN-Ubergangs in einen Substrat sind bereits bekannt. Beispielsweise ist es bekannt, mit einem P-Siliciurasubstrat zu beginnen und entweder durch Ionenira-

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plantation oder durch Dotierungstechniken eine N-Störstelle in den Substrat zu verteilen, um die Leitfähigkeit des Substrats innerhalb der Grenzen des Verteilongisgsbistes ζυ ändern. Durch eine angemessene Auswahl der Verunreinigung (Störstelle) und durch Regulierung der Konzentration iisnd Konfiguration der verteilten Störstellen- oder Verunreinigungs-Schicht lassen sich die elektrischen Eigenschaften der resultierenden PN-Verbindung innerhalb Grenzen einstellen.

Eine Halbleitereinrichtung wird normalerweise Herstellungsverfahrensschritten unterliegen, nachdem der PN-Übergang erzeugt wurde, die die Konzentration und Konfiguration der Verunreinigungsschicht beeinträchtigen, und somit die elektrischen Eigenschaften des PN-Ubergangs. Beispielsweise finden aufeinanderfolgende Heizschritte über der Diffusionsteraperatur der verteilten Verunreinigung statt, die dazu tendieren, eine Diffusion der verteilten Verunreinigung hervorzurufen sowie ein Ausbreiten und Reduzieren der Konzentration der Verunreinigungsschicht, so daß eine Wanderung des PN-Ubergangs die Folge ist. Der Grad der Änderung der verteilten Verunreinigungsschicht hängt von der Konzentration der verteilten Verunreinigung, dem Diffusionskoeffizienten derselben und von Parametern der folgenden Heizschritte ab. Es ist daher erforderlich, diese Änderung der verteilten Verunreinigungsschicht, die durch folgende Heizprozeßschritte hervorgerufen werden, in Betracht zu ziehen, wenn die Art der ursprünglichen Verteilung bestimmt wird.

Bestimmte Verunreinigungen, beispielsweise Arsen oder Antimon, haben relativ kleine Diffusionskoeffizienten und somit findet die wesentliche Diffusion nur bei relativ hohen Temperaturen (1100 C) statt. Die folgenden Herstellungsschritte unter Hitze, die normalerweise

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bei einer Temperatur (950 C) stattfinden, die unter der Diffusionstemperatur dieser Verunreinigungen liegt, wird daher nur eine geringe Auswirkung auf die verteilte Verunreinigungsschicht derselben haben. Aus diesem Grund sind Verunreinigungen mit relativ hohen Diffusionskoeffizienten zur Verwendung bei der Herstellung von PN-Ubergöngen erwünscht, da -wenn sie einmal in eine Schicht mit der gewünschten Konzentration und Konfiguration verteilt sindsie gegenüber einer Änderung durch folgende Herstellungsschritte relativ immun sind.

Verunreinigungen mit niedrigen Diffusionskoeffizienten tendieren dazu, eine Schicht zu bilden, deren Verteilungsprofil eine relativ plötzliche Peripherie oder Grenze hat. Eine Schicht mit einer relativ abrupten Peripherie oder Grenze ergibt einen PN-Übergang mit einer relativ niedrigen Durchbruchspannung. Somit besteht ein Kompromiß zwischen den elektrischen Eigenschaften des gebildeten Übergangs und dem Widerstand desselben gegenüber den folgenden, unter Hitze ausgeführten Herstellungsschritten. Wenn eine exakte Steuerung der Eigenschaften des PN-Übergangs erwünscht ist, dann erfolgt dies auf Kosten einer hohen Durchbruchspannung.

Andererseits gibt es bestimmte Verunreinigungen wie Phosphor, die einen größeren Diffusionskoeffizienten haben und damit niedrigere Temperaturen erfordern, um die wesentliche Diffusion zu erreichen. Solche Verunreinigungen verteilen sich in eine Schicht mit einem Diffusionsprofil, das eine relativ graduelle Peripherie oder Grenze hat, jedoch wird die Schicht in größerem Umfang durch die folgenden durch Hitze erfolgenden Herstellungsschritte beeinträchtigt. Während es somit erwünscht ist, eine Schicht mit einem Verteilungsprofil zu schaffen, das eine relativ graduelle Peripherie oder Grenze hat,

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da letzteres in einer relativ hohen Durehbruchspannung resultiert, wenn derartige Verunreinigungen benutzt werden, ist es sehr schwierig, auf exakte Weise die Eigenschaften des PN-Uberganges wegen der relativ hohen Wirkung zu steuern, welche die folgenden mit Hitze ausgeführten FabrikationsSchritte auf die Konzentration und Konfiguration der Verunreinigungsschicht ausüben. Mit Verunreinigungen, wie beispielsweise Phosphor, muß damit ein bestimmter Grad an Kontrolle oder Steuerung der Konzentration und Konfiguration der Verunreinigungsschicht aufgegeben werden, um eine relativ hohe Durchbruchspannung zu erzielen.

Die am meisten wünschenswerte Situation würde sein, eine Verunreinigung zu verwenden, die in eine Schicht mit einer relativ graduellen Peripherie oder Grenze verteilt werden kann, was in einem PN-Übergang mit einer relativ hohen Durchbruchspannung resultiert und gleichzeitig einen kleinen Diffusionskoeffizienten hat, so daß die folgenden unter Hitze ausgeführten Fabrikationsschritte eine relativ geringe Wirkung auf die Konzentration und Konfiguration der Verunreinigungsschicht haben. Je kleiner der Diffusionskoeffizient jedoch ist, umso abrupter ist die Peripherie der verteilten Schicht. Daher besteht somit immer ein Kompromiß zwischen den elektrischen Eigenschaften des Überganges und der Fähigkeit, die Konzentration und Konfiguration der Verunreinigungsschicht zu steuern. Bei der Herstellung des. Halbleiters muß man eine Eigenschaft zum Nachteil der anderen auswählen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Erzeugung bzw. Herstellung eines PN-Uberganges bei einem Halbleiter zu schaffen, mit dem eine hohe Durchbruchspannung erreichbar ist, ohne daß die Fähigkeit der Steuerung der Verunreinigungskonzentration

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(Störstellenkonzentration) und der Tiefe des Übergangs (der Sperrschicht) benachteiligt werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1 gelöst.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus_den Unteransprüchen.

Die Erfindung schafft insbesondere ein Verfahren zur Erzeugung eines PN-Uberganges mit einer relativ hohen Durchbruchspannung, wobei zwei unterschiedliche Verunreinigungen in getrennten Schichten in dem Substrat verteilt werden, die danach verschmolzen bzw. gemischt werden, um eine einzige Schicht mit beiden Verunreinigungen zu bilden.

Die Erfindung schafft ein Verfahren zur Herstellung eines PN-Überganges mit einer relativ hohen Durchbruchspannung, wobei eine zweite Verunreinigung benutzt wird, um ein graduelles Verteilungsprofil zu erzeugen, wobei die zweite Verunreinigung in einer Schicht mit einer relativ graduellen Peripherie resultiert.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren läßt sich ein PN-Übergang mit einer relativ hohen Durchbruchspannung erzeugen, wobei nur Übliche Herstellungstechniken verwendet werden.

Außerdem wird durch das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines PN-Ubergangs mit einer relativ hohen Durchbruchspannung erreicht, daß nur relativ einfache Herstellungsschritte beinhaltet sind, welche mit der Üblichen Ausrüstung ausfuhrbar sind.

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Gemäß der Erfindung werden Ionen einer ersten Verunreinigung, die eine bestimmte Leitfähigkeit festlegen und einen relativ niedrigen Diffusionskoeffizienten haben, in einem Gebiet in dem Substrat verteilt, um eine erste Verunreinigungs- oder Störstellenschicht zu bilden. Ionen mit einer zweiten Verunreinigung, die die gleiche Leitfähigkeit bestimmt und einen relativ hohen Diffusionskoeffizienten hat, wird in dem gleichen Gebiet im Substrat verteilt, um eine zweite Verunreinigungs- oder StörStellenschicht zu schaffen. Die zweite Verunreinigungsschicht ist tiefer in das Substrat als die erste Verunreinigungsschicht verteilt. Die ersten und zweiten Verunreinigungen werden diffundiert, damit die ersten und zweiten Schichten miteinander verschmelzen, so daß eine einzige Verunreinigungsschicht geschaffen wird, die aus ersten und zweiten Verunreinigungen bzw. Störstellen besteht.

Die erste Verunreinigung wird derart gewählt, daß sie einen relativ niedrigen Diffusionskoeffizienten hat, weil die folgenden Fabrikationsschritte unter Hitze eine geringe Wirkung auf das Verteilungsprofil derselben haben. Die zweite Verunreinigung wird derart gewählt, daß sie einen höheren Diffusionskoeffizienten hat, so daß das Verteilungsprofil dieser Schicht relativ graduell sein wird. Die verschmolzene Schicht wird daher relativ immun gegenüber folgenden Erhitzungsschritten sein, da sie aus einer Kombination von zwei Verunreinigungen gebildet ist, ergibt jedoch einen übergang mit einer hohen Durchbruchspannung.

Die Verunreinigungs-- oder 'Störstellenkonzentration der ersten Störstellenschicht wird so gesteuert, daß sie wesentlich höher als die Störstellenkonzentration der zweiten Störstellenschicht ist, um die Tendenz der verschmolzenen bzw. vermischten Schicht zu redu-

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zieren, während der folgenden Erhitzungsschritte sich zu verteilen bzw. auszubreiten. Die Konzentration der ersten Störstellenschicht kann z.B. zwei Größenordnungen größer als die Konzentration der zweiten Störstellenschicht sein.

Die zweite Störstellenschicht wird nit einer größeren Tiefe als die erste Störstellenschicht hergestellt. Durch die Herstellung der zweiten Störstellenschicht mit einer größeren Tiefe gegenüber der ersten Störstellenschicht wird der Abschnitt der verschmolzenen Schicht nahe der Peripherie oder Grenze derselben aus einem relativ hohen Prozentsatz der zweiten Verunreinigung bestehen, wenn die erste und zweite Schicht verschmolzen werden. Damit hat die erste Störstellenschicht eine relativ graduelle Verteilung an deren Grenze und wegen der höheren Konzentration der ersten Störstellen im Körper der Schicht wird gleichzeitig die Konfiguration derselben in wesentlichen immun gegenüber einer Änderung durch nachfolgende Erhitzungsfabrikationsschritten sein.

Vorzugsweise wird die erste Verunreinigung durch Implantation verteilt und anschließend eine partielle Diffusion der implantierten Ionen ausgeführt, um die erste Störstellenschicht zu bilden. Die erste Störstellenschicht kann auch durch andere Dotierungsmethoden, beispielsweise Diffusion, gebildet werden, wenn es erwünscht ist. Wenn die beiden. Störstellenschichten hergestellt sind, wird das Substrat erhitzt, um die ersten und zweiten Störstellen durch Diffusion wieder zu verteilen und zu vermischen, so daß sich eine einzige Störstellenschicht aus beiden Störstellen ergibt.

Wenn Ionenimplantationstechniken benutzt werden, werden die beiden Störstellen vorzugsweise mit etwa der gleichen Beschleunigungs-

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energie implantiert. Da die zweiten Störstellen bzw. die zweite Verunreinigung so gewählt ist, daß sis eine geringere Atomzahl als die erste Verunreinigung hat, wird die zweite Störstellenschicht eine Spitzenkonzentration an einer Tiefe haben, die größer als die Tiefe der Spitzenkonzentration der ersten Störstellenschicht ist. Aus diesem Grund fuhrt die Implantation im wesentlichen mit der gleichen Beschleunigungsspannung in der gewünschten mittleren Schichtkonfiguration.

Es ist erwünscht, jedoch nicht erforderlich, die Ionenimplantationsschritte durch eine relativ dünne Oxidschicht auszuführen, die auf der Oberfläche des Substrats gebildet ist. Diese relativ dünne Oxidschicht ist virtuell transparent gegenüber den implantierten, d.h. "eingeimpften" Ionen, verhindert jedoch eine Beschädigung der Oberfläche des Substrats, die durch das Einimpfen mit hohen Beschleunigungsenergien hervorgerufen werden kann.

Gemäß der Erfindung werden Ionen einer ersten Verunreinigung (Arsen) für eine vorbestimmte Leitfähigkeit und ext relativ niedrigem Diffusionskoeffizienten in einem Substrat verteilt, um darin eine erste Störstellenschicht zu bilden, indem sie mit einer bestimmten Beschleunigungsenergie eingeimpft werden, wonach eine Erhitzung erfolgt, um die eingeimpften Ionen teilweise zu diffundieren, d.h. durch Diffusion zu verteilen. Ionen einer zweiten Verunreinigung (Phosphor), welche die gleiche Leitfähigkeit bestimmt und einen relativ hohen Diffusionskoeffizienten hat, werden in einem Substrat durch eine zweite Ioneneinimpfung verteilt, um eine zweite Verunreinigungsschicht zu bilden, die tiefer im Substrat als die erste Störstellenschicht liegt. Die erste Störstellen- oder Verunreinigungsschicht hat im wesentlichen größere Störstellenkonzentration

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als die zweite Schicht. Die ersten und zweiten Störstellen werden durch Erhitzen des Substrats diffundiert, wodurch sich die Schichten verschmelzen, um eine einzige Störstellenschicht zu bilden, die aus den ersten und zweiten Störstellen besteht. Die resultierende Störstellenschicht ist im wesentlichen immun gegenüber folgenden Erhitzungsschritten bei der Herstellung und hat ein relativ graduelles, d.h. allmähliches Verteilungsprofil solcher Art, daß der gebildete PN-Übergang eine relativ hohe Durchbruchspannung hat.

Die Erfindung schafft somit ein Verfahren zur Herstellung von Halbleitereinrichtungen, insbesondere ein Verfahren zur Herstellung eines PN-Uberganges in einem Substrat, welches im wesentlichen immun gegenüber Hitze ist, die in folgenden Herstellungsschritten auftritt _f und eine relativ hohe Durchbruchspannung aufweist.

Im folgenden werden bevorzugte Ausfuhrungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines PN-Uberganges mit einer relativ hohen Durchbruchspannung unter Bezugnahme auf die Zeichnung zur Erläuterung weiterer Merkmale beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine grafische Darstellung zur Erläuterung des Unterschiedes zwischen einem relativ abrupten Konzentrationsprofil und einen relativ graduellen Konzentrationsprofil,

Fig. 2 eine grafische Darstellung zur Erläuterung der Durchbruchspannungen, die sich aus den Konzentrationsprofilen nach Fig. 1 ergeben,

Fig. 3 eine grafische Darstellung der Verteilungskurven der ersten

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und zweiten Störstellen innerhalb des Substrats vor dem Diffusionsschritt,

Fig. 4 eine grafische Darstellung der StörStellenkonzentrationskurve nach dem Diffusionsschritt,

Fig. 5 eine Querschnittsansicht eines Substrats mit einer Ionen-Implantationsmaske darauf,

Fig. 6 eine Querschnittsansicht eines Substrats nach der Implantation der ersten Störstelle,

Fig. 7 eine Querschnittsansicht eines Substrats nach einer Teildiffusion der ersten Störstelle,

Fig. 8 eine Querschnittsansicht eines Substrats nach der Implantation der zweiten Störstelle, und

Fig. 9 eine Querschnittsansicht eines Substrats nach Diffusion der

ersten und zweiten Störstellen zur Bildung einer einzigen Störstellenschicht.

Fig. 1 zeigt den Unterschied zwischen einer Störstellenschicht mit einer graduellen oder nicht abrupten Peripherie oder Grenze und weist somit eine graduelle, d.h. allmählich ansteigende bzw. abfallende Verteilungsprofilkurve auf, sowie einer Störstellenschicht, die eine abrupte Peripherie oder Grenze hat und somit eine steil abfallende Verteilungsprofilkurve besitzt. Entlang der Abszisse in Fig. 1 ist die Tiefe von der Oberfläche eines P-Substrats und entlang der Ordinate die Störstellenkonzentration (P oder N) aufgetragen, wobei diese Störstellen unterhalb

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der Oberfläche des Substrats verteilt sind. Die voll ausgezeichnete Kurve veranschaulicht die Störstellenschicht mit einer relativ graduellen Peripherie oder Grenze. Die gestrichelte Linie zeigt eine Störstellenschicht mit einer relativ abrupt abfallenden Peripherie oder Grenze.

In Fig. 2 sind grafisch die Durchbruchspannungen dargestellt, die sich bei PN-Übergängen ergeben, die aus Störstellenschichten gebildet sind, die die Eigenschaften der in Fig. 1 gezeigten Kurven haben.In Fig. 2 ist entlang der Abszisse die Durchbruchspannung und entlang der Ordinate die Größe eines Stromes dargestellt, der Über den PN-Übergang fließt. Die voll ausgezeichnete Linie in Fig. 2 entspricht den elektrischen Eigenschaften eines PN-Übergangs mit einer Störstellenschicht mit einer relativ graduellen Peripherie oder Grenze, wie es in Fig. 1 voll ausgezeichnet ist. Die gestrichelte Kurve in Fig. 2 repräsentiert die elektrischen Eigenschaften eines PN-Übergangs aus einer Störstellenschicht mit einer relativ plötzlichen Grenze oder Peripherie, wie dies in Fig. 1 gestrichelt dargestellt ist. Aus Fig. 2 ist ersichtlich, daß der übergang mit einer höheren Durchbruchspannung aus der Verwendung einer Störstellenschicht mit einer relativ graduellen Verteilungsprofilkurve resultiert.

Fig. 3 ist eine grafische Darstellung der Verteilungsprofilkurven fUr die erste und zweite Störstellenschicht für einen Verfahrenszwischenabschnitt oder etwa in der Mitte des Verfahrens liegenden Abschnitt, jedoch vor dem Verschmelzen der Störstellenschichten. In Fig. 3 repräsentiert die Abszisse die Tiefe von der Oberfläche eines P-Substrats und die Ordinate die Konzentration der N-Störstellen, die darin verteilt sind. Die Kurve 10 gibt das Verteilungsprofil für die ersten Störstellen an, nachdem dieselben in das Substrat eingeimpft sind,

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jedoch bevor sie teilweise diffundiert sind. Die vertikale Linie 12, die die Kurve 10 schneidet bzw. teilt, repräsentiert die Tiefe von der Oberfläche des Substrats von der Spitze der Profilkurve 10. Die gestrichelte Linie 10' repräsentiert das Verteilungsprofil der ersten Störstellen nach deren vollständigen Verteilung, d.h. nachdem die eingeimpften Ionen in einen Zwischendiffusionsschritt teilweise diffundiert sind. Es ist zu beachten, daß dieser Zwischendiffusionsschritt die Verteilungskurve 10 in einem Grad verbreitern läßt, welcher durch die Parameter dieses Diffusionszwischenschrittes bestimmt wird.

Die Kurve 14 repräsentiert das Verteilungsprofil der zweiten Störstellen nach deren Einimpfung in das Substrat. Die vertikale Linie 16, die die Kurve 14 schneidet bzw. teilt, repräsentiert die Spitze der Verteilungskurve für die zweite Verunreinigung. Die Linie 16 ist weiter von der Oberfläche des Substrats entfernt als die Linie 12, was anzeigt, daß die Spitze der Verteilungskurve für die zweiten Störstellen, d.h. die zweite Verunreinigung, tiefer in das Substrat als die Spitze der Verteilungskurve für die erste Verunreinigung ist. Dies bedeutet, daß die zweite Störstellenschicht an einer Stelle sich befindet, die tiefer innerhalb des Substrats liegt, als die erste ftörstellenschicht. Außerdem zeigt Fig. 3 die Tatsache, daß die zweite Störstellenschicht eine Störstellenkonzentration aufweist, die wesentlich geringer als die Konzentration der ersten Störstellenschicht ist.

Nachdem die erste und zweite Störstellenschicht innerhalb des Substrats erzeugt sind, wird das Substrat erhitzt, damit die ersten und zweiten Störstellen diffundieren, wodurch die ersten und zweiten Störstellenschichten in einer einzigen Störstellenschicht verschmolzen werden; die Verteilungskurve dieser Schicht ist durch die Kurve 18 in Fig.4

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gezeigt. Die Abszisse in Fig. 4 gibt die Tiefe von der Oberfläche des P-Substrats an, während die °rdinate die Konzentration der kombinierten N-Störstellen veranschaulicht. Wie in Fig. 4 gezeigt ist, verlieren die Schichten vollständig ihre einzelnen Identitäten und bilden eine einzige Störstellenschicht rait N-StSrstellen, die eine relativ graduelle Konzentrationsprofilkurve aufweist, wobei Fig. 4 den Zustand nach dem Diffusionsschritt und dem Verschmelzen der ersten und zweiten Schichten veranschaulicht.

Die Konfiguration der Verteilungsprofilkurve 18 der verschmolzenen Störstellenschicht und insbesondere deren graduelle Grenze ist zum großen Teil auf die molekularen Eigenschaften der zweiten Störstellen bzw. der zweiten Verunreinigung zurückzuführen, d.h. auf den relativ hohen Diffusionskoeffizienten der zweiten Verunreinigung und die Tatsache, daß die zweite Verunreinigung tiefer in das Substrat als die erste Verunreinigung eingeimpft werden kann. Andererseits ist die relative Unempfindlichkeit der Konfiguration der verschmolzenen Schicht gegenüber nachfolgenden Erhitzungsschritten zum großen Teil auf die molekularen Eigenschaften der ersten Verunreinigung zurückzuführen, d.h. auf den relativ niedrigen Diffusionskoeffizienten der ersten Verunreinigung und auf die Tatsache, daß die erste Verunreinigung mit einer wesentlich größeren Konzentration als die zweite Verunreinigung verteilt ist.

Die Fig. 5 bis 9 zeigen die Herstellungsschritte bzw. Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens. Nach Fig. 5 weist ein P-Siliciumsubstrat 20 eine Oberfläche 22, auf der eine Ionenimplantationsmaske 24 geformt ist, auf. Die Maske 24 kann Siliciumdioxid oder ähnliches Material aufweisen. Die Maske 24 wird auf übliche Weise hergestellt.

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Eine Schicht aus Siliciumdioxid wird auf der Oberfläche 22 des Substrats 20 mit einer Dicke von etwa 5000 A aufgewachsen oder aufgebracht. Eine nicht dargestellte Photoresist-Schicht wird dann auf der Oberfläche der Siliciumdioxidschicht 24 hergestellt. Eine Maske wird auf die Oberseite der Photoresist-Schicht aufgesetzt. Die Maske ist Über alle Abschnitte mit Ausnahme des Abschnittes Ober dem Gebiet in dem Substrat, wo der PN-Übergang erzeugt werden soll, transparent. Diese Einheit wird dann Licht ausgesetzt und entwickelt. Die nicht entwickelten Abschnitte der Photoresist-Schicht und der darunterliegenden Siliciumdioxidschicht 24 werden einem Ätzvorgang ausgesetzt, wodurch die Substratfläche 22 über den Gebieten freigelegt wird, wo der PN-Übergang gebildet werden soll.Danach wird eine relativ dünne Oxidschicht 26 mit etwa 200 A Dicke auf die freigelegte Oberfläche 22 des Substrats 20 aufgewachsen, so daß die in Fig. 5 gezeigte Einheit erzeugt wird.

Es ist zu beachten, daß Siliciumdioxid in Form einer Schicht mit etwa 5000 A Dicke gegenüber der Einimpfung von Ionen mit geringen Energien opak ist. Wenn jedoch eine relativ dünne Schicht von etwa 200 A Dicke vorliegt, ist das Siliciumdioxid gegenüber der Einimpfung von Ionen relativ transparent. Wenn somit die Einheit während des Einimpfungsprozesses freigegeben wird, hindern die dicken Oxidabschnitte der Schicht 24 die Ionen daran, in das Substrat eingeimpft zu werden, während die relativ dünne Oxidschicht 26 das Einimpfen der Ionen in das Substrat unterhalb derselben gestattet. Die relativ dünne Oxidschicht 26 wird in den Einimpfungsgebieten dazu benutzt, um eine Beschädigung der Substratoberfläche 22 zu verhindern, die häufig dann auftritt, wenn Ionen mit relativ hohen Beschleunigungsenergien eingeimpft werden.

Fig. 6 veranschaulicht das Substrat, wie es nach dem Einimpfen der

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ersten Verunreinigung erscheint. Die erste Verunreinigung wird derart ausgewählt,daß sie eine relativ hohe Atomzahl hat und einen relativ niedrigen Diffusionskoeffizienten, so daß eine relativ höhe Temperatur erforderlich ist, am die wesentliche Diffusion derselben zu erhalten. Vorzugsweise werden Arsen- oder Antimon-Ionen als erste Verunreinigung ausgewählt, d.h. für die ersten Störstellen. Arsen beispielsweise hat eine Atomzahl von 33 und erfordert eine Temperatur von etwa 1100 C, um die wesentliche Diffusion zu erhalten. Da die folgenden Herstellungsschritte bei etwas niedrigerer Temperatur, etwa 950 C, stattfinden, werden diese Schritte nur eine geringe Wirkung auf die Plazierung der eingeimpften Arsen-Ionen haben.

Es wird bevorzugt, die Arsen-Ionen so tief wie möglich einzuimpfen und somit wird das Gerät zur Ioneneinimpfung nahe seiner maximalen Beschleunigungsenergie eingestellt, etwa 100 KeV. Jedoch können auch niedrigere Energien benutzt werden. Die typische Einimpfungsdosis liegt bei etwa 5,0 χ 10 /co , was in einer Arsen-Ionen-

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konzentration von etwa 5 χ 10 /cm (ionendichte) resultiert. Das Ergebnis der Arseneinimpfung ist eine Schicht mit eingeimpften Arsen-Ionen 28, die unterhalb der dünnen Oxidschicht 26 gebildet werden.

Wenn die Arsen-Ionen durch Einimpfung eingeführt wurden, wie es bevorzugt wird, wird die Arsenschicht 28 dann partiell in das Siliciumsubstrat 20 bei einer Umgebung von N„ oder O^/N» oder 0„ bei Temperaturen diffundiert, die typischerweise in der Nähe von 1100 C liegen. Die Zeit für diesen Teildiffusionsschritt ist relativ kurz. Wenn der partielle Diffusionsschritt beendet ist, hat die diffundierte Arsenschicht 28' das in Fig. 7 gezeigte Aussehen.

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Es ist ferner möglich, das Substrat mit Ionen der ersten Verunreinigung bzw. Störstellenart durch übliche Diffusionsmethoden zu dotieren. Wenn diese Möglichkeit gewählt wird, findet die Diffusion der Arsen-Ionen während der Dotierung statt und es ist kein getrennter, partieller Diffusionsschritt erforderlich.

Nunmehr werden Phosphor-Ionen durch die gleiche dünne Oxidschicht mit der maximalen Energie des Ionen-Implantationsgerätes, etwa 100 KeV, mit einer wesentlich geringeren Dosis als bei Arsen-Implantation eingeimpft. Vorzugsweise beträgt die sich ergebende Phosphorkonzentration (Dichte) etwa 2 Größenordnungen weniger als die eingeimpfte Arsenkonzentration. Eine typische Phosphoreinimpfungsdosis von

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5,0 χ 10 /cm wird bevorzugt und ergibt eine Phosphordichte von

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etwa 5 χ 10 /cm im Substrat. Bei der gleichen Beschleunigungsenergie, wie sie für die Arsen-Einimpfung verwendet wurde, wird das Phosphor in eine größere Tiefe unter die Oberfläche 22 des Siliciumsubstrats eingeimpft, da Phosphor eine geringere Atomzahl (15) als Arsen hat. Damit wird die eingeimpfte Phosphorschicht 30 tiefer im Substrat liegen als die eingeimpfte Arsenschicht 28. Nach der Phosphoreinimpfung ergibt sich die Einheit, wie sie in Fig. 8 gezeigt ist.

Nach der Phosphoreinimpfung wird die Einheit Diffusionsbedingungen bei Temperaturen ausgesetzt, die etwa gleich der Diffusionstemperatur fUr die erste Verunreinigung ist, d.h. etwa 1100 C beträgt, wobei eine Oxidationsumgebung über eine vorbestimmte Zeit vorliegt. Ferner ist es auch möglich, einen Teil dieses Diffusionsschrittes in einer Stickstoffumgebung oder einer Umgebung, die durch eine Kombination von Sauerstoff und Stickstoff besteht, auszuführen. Das Ergebnis dieses Erhitzungsschrittes ist, daß die Arsenschicht 28' und die Phosphorschicht 30 in eine einzige N-Schicht 32 sowohl mit Arsen-

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als auch ait Phosphor-Ionen verschmolzen werden. Die Diffusionszeit wird durch die gewünschte endgültige Tiefe des Übergangs bzw. der Grenzschicht bestimmt, wobei die Konzentrations- bzw» Dichte· Dosen der eingeimpften Ionen berücksichtigt werden. Viele geeignete Kombinationen von Zeiten und Temperaturen können für die Diffusion benutzt werden. Nach der Diffusion ergibt sich die Einheit, wie sie in Fig. 9 gezeigt ist.

Nach der Bildung des PN-Uberganges wird die Einheit verschiedenen zusätzlichen Herstellungs- oder Bearbeitungsschritten ausgesetzt. Einige dieser folgenden Verfahrensschritte beinhalten die Erhitzung der Einheit, jedoch finden diese Heizschritte üblicherweise bei etwa 950 C statt und haben somit nur eine geringe Auswirkung auf die Konzentration oder Konfiguration der verschmolzenen Schicht 32 wegen des niedrigen Diffusionskoeffizienten und der hohen Konzentration (Dichte) der Arsen-Ionen. Die verschmolzene Schicht 32 hat jedoch eine relativ graduelle Konzentratiqnsprofilkurve, d.h. eine relativ graduelle Peripherie oder Grenze infolge der tiefer eingeimpften Phosphor-Ionen.

Somit ist ersichtlich, daß vorliegende Erfindung fin Verfahren zur Herstellung eines PN-Uberganges in einem Substrat schafft, welcher eine hohe Durchbruchspannung hat, jedoch es dem Hersteller ermöglicht, die Eigenschaften des PN-Uberganges exakt zu steuern. Dieses Ergebnis wird dadurch erreicht, daß eine relativ hohe Konzentration von ersten Störstellen mit einer hohen Atorazc M und einem niedrigen Diffusionskoeffizienten eingeimpft wird, um uine erste Störstellenschicht zu bilden, daß eine geringere Konzentration einer zweiten Verunreinigung mit einer niedrigen Atorozahl und einem höheren Diffusionskoeffizienten eingeimpft wird,um eine zweite Schicht in

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größerer Tiefe gegenüber der ersten Schicht zu bilden und daß das Substrat erhitzt wird, um die verteilten bzw. eingeimpften Störstellen zu diffundieren, wodurch die Schichten in eine einzige Schicht sowohl aus den ersten und zweiten Störstellen bestehend, verschmolzen wird. Auf diese Weise hat die verschmolzene Schicht die Eigenschaft der ersten Verunreinigung, d.h. sie gibt dem Hersteller die Möglichkeit, die Konzentration und Konfiguration der Schicht exakt zu steuern, sowie die Eigenschaft der zweiten Verunreinigung, d.h. ein relativ graduelles Verteilungsprofil.

Unter "Verteilungsprofil" wird ersichtlicherweise der Dichteverlauf der Störstellen verstanden.

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Claims

DIPL-PHYS. F. ENDLICH _QERMERINQ 23. Juli 1980 S/br

PATENTANWALT

DIPL.-PHYS. F. ENDLICH, POSTFACH, D-8034 QERMERINQ

TELEX: 52 1730 paled

Meine Akte: G-4766

General Instrument Corporation,Clifton,N.J., USA

Patentansprüche

Verfahren zur Erzeugung einer Störstellenschicht mit einem relativ graduellen Störstellenverteilungsprofil in einem Substrat,

dadurch gekennzeichnet, daß Ionen einer ersten Verunreinigung (As), die eine vorbestimmte Leitfähigkeit bestimmen, und mit einem relativ niedrigen Diffusionskoeffizienten in dem Substrat (20) zur Bildung einer ersten Störstellenschicht (28) verteilt werden, deren Spitzenstörstellenkonzentration in einer ersten Tiefe (12) liegt,

daß Ionen einer zweiten Verunreinigung (Ph), die eine vorbestimmte Leitfähigkeit bestimmt, und mit einem relativ hohen Diffusionskoeffizienten in dem Substrat (20) zur Bildung einer zweiten Störstellenschicht (30) verteilt werden, deren Spitzenstörstellenkonzentration in einer zweiten Tiefe (16) liegt,und daß die ersten und zweiten Verunreinigungen (As,Ph)

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diffundiert werden/ um die ersten und zweiten Schichten (28,30) in eine einzige Störstellenschicht (32) zu verschmelzen, die aus den ersten und beiden Verunreinigungen gebildet ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Tiefe (16) größer als die erste Tiefe (12) ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Verteilung bzw. Aufteilung der ersten Verunreinigung (As) die erste Verunreinigung mit einer ersten Konzentration (1O) verteilt wird und daß bei der Verteilung der zweiten Verunreinigung (Ph) die zweite Verunreinigung mit einer zweiten Konzentration (14) verteilt wird, und daß die erste Konzentration (1O) größer als die zweite Konzentration (14) gewählt ist.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Konzentration (1O) etwa zwei Größenordnungen größer als die zweite Konzentration (14) gewählt wird.
5. Verfahren nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Verunreinigung (As) eine erste Atomzahl und die zweite Verunreinigung (Ph) eine zweite Atomzahl hat, und daß die erste und zweite Tiefe (12, 16) wenigstens teilweise Funktionen der ersten und zweiten Atomzahlen darstellen.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Atomzahl größer als die zweite Atomzahl gewählt ist.

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7. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß während des Diffusionsschrittes das Substrat (20) auf eine Temperatur erhitzt wird, die ausreicht, um im wesentlichen die Diffusion der ersten Verunreinigung hervorzurufen.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur gleich oder höher als die Temperatur gewählt wird, die ausreicht, um im wesentlichen die Diffusion der zweiten Verunreinigung hervorzurufen.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur höher als die Temperatur gewählt wird, die ausreicht, um im wesentlichen die Diffusion der zweiten Verunreinigung hervorzurufen.
10. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Diffusion außerdem die Heizzeit reguliert bzw. gesteuert wird, um die Konfiguration der einzigen Störstellenschicht zu steuern.
11. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Verteilung der ersten Verunreinigung Ionen der ersten Verunreinigung in das Substrat eingeimpft werden.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß während der Einimpfung eine Oxidschicht (24) auf der Oberfläche des Substrats gebildet und die Ionen durch diese Oxidschicht eingeimpft werden.

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13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt der Verteilung der ersten Verunreinigung das Aufheizen des Substrats zur partiellen Diffusion der Ionen der ersten Verunreinigung nach der Einimpfung beinhaltet.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß während des Schrittes der Verteilung der ersten Verunreinigung die Diffusion von Ionen der ersten Verunreinigung in das Substrat vorgenommen wird.
15. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß während des Schrittes der Verteilung der zweiten Verunreinigung Ionen der zweiten Verunreinigung in das Substrat eingeimpft werden.
16. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,dadurch gekennzeichnet, daß als erste Verunreinigung Arsen gewählt wird.
17. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß als erste Verunreinigung Antimon gewählt wird.
18. Verfahren nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als zweite Verunreinigung Phosphor ge= wählt wird.
19. Verfahren nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, da= durch gekennzeichnet, daß bei der Verteilung der ersten Verunreinigung die erste Verunreinigung mit einer Dosis von etwa 5 χ 10 /cm verteilt wird.

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20. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß während der Verteilung der zweiten Verunreinigung (Ph) die zweite Verunreinigung mit einer Dosis von etwa 5 χ 10 /cn verteilt wird.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 20_# dadurch gekennzeichnet, daß bei der Verteilung der zweiten Verunreinigung die zweite Verunreinigung mit einer Konzentration bzw. Dichte von etwa 5 χ 10 /cm verteilt wird.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Schritte der Einimpfung der ersten und zweiten Verunreinigungen (As,Ph) bei etwa der gleichen Beschleunigungsenergie ausgeführt werden.
23. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschleunigungsenergie etwa 100 KeV beträgt.

24. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß während des Schrittes der Erhitzung das Substrat auf etwa 1100 C bei einer oxidierenden Umgebung bzw. in einer oxidierenden Atmosphäre erhitzt wird.

25. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß während der Erhitzung das Substrat in einer Stickstoffatraosphäre auf etwa 1100 C erhitzt wird.

26. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß während des Schrittes der Erhitzung das Substrat in einer Sauerstoff- und Stickstoffatmosphäre auf etwa 1100 C erhitzt wird.

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27. Verfahren zur Herstellung eines PN-Uberganges mit einer relativ hohen Durchbruchspannung in einem Substrat, dadurch gekennzeichnet, daß Ionen einer ersten Verunreinigung (As), die eine vorbestimmte Leitfähigkeit bestimmt, eine gegebene Atomzahl und einen vorgegebenen Diffusionskoeffizienten hat, mit einer bestimmten Beschleunigungsenergie in das Substrat (20) mit entgegengesetzter Leitfähigkeit zur Bildung einer ersten Schicht (28) eingeimpft wird, deren Verteilungsspitze in einer ersten Tiefe (12) liegt,

daß Ionen einer zweiten Verunreinigung (Ph), die eine bestimmte Leitfähigkeit ergibt, eine höhere Atomzahl und einen höheren Diffusionskoeffizienten als die erste Verunreinigung hat, mit etwa der vorbestimmten Beschleunigungsenergie in das Substrat (20) eingeimpft werden, um eine zweite Schicht (30) zu bilden, deren Verteilungsspitze in einer zweiten Tiefe (16) liegt, und

daß das Substrat (20) erhitzt wird, um im wesentlichen die Diffusion der Ionen hervorzurufen, wodurch die erste und zweite Schicht (28,30) zur Bildung einer einzigen Störstellenschicht (32) vom Leitfähigkeitstyp zu bilden, die aus beiden Verunreinigungen (As,Ph) gebildet wird, die ein relativ graduelles Diffusionsprofil aufweist,

28. Verfahren nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß beim Einimpfen der Ionen der ersten Verunreinigung die Konzentration der eingeimpften Ionen der ersten Verunreinigung gesteuert bzw. geregelt wird.

29. Verfahren nach Anspruch 27 oder 28, dadurch gekennzeichnet, daß beim Einimpfen der Ionen einer zweiten Verunreinigung die Kon-

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zentration der eingeimpften Ionen der zweiten Verunreinigung gesteuert bzw. eingeregelt wird.

30. Verfahren nach einem der Ansprüche 27 bis 29, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentration der eingeimpften Ionen der ersten Verunreinigung größer als die Konzentration der eingeimpften Ionen der zweiten Verunreinigung ist.

31. Verfahren nach einem der Ansprüche 27 bis 30, dadurch gekennzeichnet, daß die Dosis der eingeimpften Ionen des ersten Typs (As) etwa 5 χ 10 /cm beträgt.

Verfahren nach einem der Ansprüche 27 bis 31, dadurch gekennzeichnet, daß die Dosis der eingeimpften Ionen der zweiten

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Verunreinigung (Ph) etwa 5 χ 10 /cm beträgt.

33. Verfahren nach einem der Ansprüche 27 bis 32, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Verunreinigung Arsen ist.

34. Verfahren nach einem der Ansprüche 27 bis 32, dadurch gekennzeichnet, daß als erste Verunreinigung Antimon gewählt wird.

35. Verfahren nach einem der Ansprüche 27 bis 34, dadurch gekennzeichnet, daß als zweite Verunreinigung Phosphor gewählt wird.

36. Verfahren nach einem der Ansprüche 27 bis 35, dadurch gekennzeichnet, daß als vorbestimmte Leitfähigkeit N-Leitung gewählt wird.

37. Verfahren nach einem der Ansprüche 27 bis 36, dadurch gekenn-

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zeichnet, daß bei der Einimpfung der ersten Verunreinigung das Substrat erhitzt wird, um die erste Verunreinigung teilweise zu diffundieren.

38. Verfahren zur Herstellung eines PN-Uberganges mit einer relativ hohen Durchbruchspannung, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflüche (22) des Substrats (20) mit Ausnahme von Gebieten auf der Substratoberfläche über den Gebieten, an welchen der PN-Übergang erzeugt werden soll, mit einer Maske versehen wird,

daß eine relativ dünne Oxidschicht (26) auf der Oberfläche der nicht maskierten Gebiete aufgewachsen wird, daß Ionen einer ersten Verunreinigung (As) mit einer bestimmten Beschleunigungsenergie in das Substrat (20) zur Bildung einer ersten Störstellenschicht (28) eingeimpft werden, wobei die erste Verunreinigung einen relativ niedrigen Diffusionskoeffizienten und eine relativ hohe Atomzahl hat, daß Ionen einer zweiten Verunreinigung (Ph) bei der vorbestimmten Beschleunigungsenergie durch die Oxidschicht (26) in das Substrat (20) zur Bildung einer zweiten Störstellenschicht (30) eingeimpft werden, wobei die zweite Verunreinigung einen relativ hohen Diffusionskoeffizienten und relativ niedrige Atomzahl aufweist,und daß das Substrat (20) erhitzt wird, um die ersten und zweiten Verunreinigungen zu diffundieren, damit die erste und zweite Störstellenschicht (28,30) eine einzige Störstellenschicht (32) mit den ersten und zweiten Verunreinigungen und mit einem relativ graduellen Störstellenprofil ergeben.

39. Verfahren nach Anspruch 38, dadurch gekennzeichnet, daß die Oxidschicht (26) etwa 200 Ä dick ist.

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40. Verfahren nach Anspruch 38 oder 39, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Herstellung einer Maske eine dicke Oxidschicht (24) mit etwa 5000 A Dicke erzeugt vnd der Teil der dicken Oxidschicht (26) an Gebieten entfernt wird, über welchen der PN-Übergang gebildet wird.

41. Verfahren nach einem der Ansprüche 38 bis 40, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentration der ersten Verunreinigung in der ersten Störstellenschicht größer als die Konzentration der zweiten Verunreinigung in der zweiten Störstellenschicht gewählt ist.

42. Verfahren nach einem der Ansprüche 38 bis 41, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schicht (28) bis auf eine Ti^i« eingeimpft ist, die kleiner als die Tiefe der zweiten Schicht ist.

43. Verfahren nach einem der Ansprüche 38 bis 42, dadurch gekennzeichnet, daß während des Schrittes der Erhitzung das Substrat auf die Diffusionstemperatur der ersten Verunreinigung erhitzt wird;

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