DE3301479C2

DE3301479C2 - Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterelementes

Info

Publication number: DE3301479C2
Application number: DE3301479A
Authority: DE
Inventors: Shunichi Hiratsuka Kanagawa Hiraki; Kiyoshi Yokohama Kikuchi; Masafumi kitakyushu Miyagawa; Shigeo Kawasaki Yawata
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1982-01-18
Filing date: 1983-01-18
Publication date: 1987-02-05
Also published as: US4451303A; GB2113911B; GB8300493D0; GB2113911A; DE3301479A1; JPS58122724A

Abstract

Nach dem Verfahren wird durch Diffusion von Aluminium ein Halbleiterelement mit einem tiefgreifenden P-Störstellenbereich (20) erzeugt. Es wird zunächst auf einem Halbleitersubstrat (12) eine poröse Aluminiumoxidschicht (14) hergestellt, auf der dann aus einem Material, das in starkem Maße die Sauerstoffdiffusion unterbindet, wie Al ↓2O ↓3, eine Diffusionsschutzschicht (16) erzeugt wird. Anschließend werden in die poröse Aluminiumoxidschicht durch die Diffusionsschutzschicht (16) hindurch Aluminiumionen implantiert. Danach erfolgt eine Wärmebehandlung, bei der das Aluminium des mit Aluminiumionen implantierten Bereichs in das Halbleitersubstrat (12) hineindiffundiert und einen P-Störstellenbereich (20) bildet. Alternativ wird auf dem Halbleitersubstrat eine poröse Aluminiumoxidschicht und darauf eine Aluminiumschicht ausgebildet. Auf die Aluminiumschicht wird dann die Diffusionsschutzschicht aufgebracht, und danach wird die Wärmebehandlung durchgeführt, bei der das Aluminium der Aluminiumschicht in das Halbleitersubstrat hineindiffundiert und den P-Störstellenbereich bildet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterelements, in welchem in einem Halbleitersubstrat ein P-Störstellenbereich ausgebildet wird, wonach auf dem Halbleitersubstrat zunächst eine Aluminiumschicht ausgebildet wird und dann auf der Aluminiumschicht eine Diffusionsschutzschicht ausgebildet wird und die so erhaltene Struktur erhitzt wird, damit Aluminium in der Aluminiumschicht in das Halbleitersubstrat eindiffundiert und dadurch den P-Störstellenbereich ausgebildet wird.
Aus der DE-OS 21 31 144 ist ein Verfahren zur Diffundierung von Aluminium in einen Halbleiter bekannt, wobei eine Aluminiumoxidschicht auf dem Halbleiter gebildet wird. Das wesentliche dieses bekannten Verfahrens besteht darin, daß die Aluminiumoxidschicht in einer wasserstoffhaltigen Atmosphäre erhitzt wird, wodurch Aluminium auf der Aluminiumoxidschicht in den Halbleiter eindiffundiert wird. Dabei wird zum Eindiffundieren von Aluminium in ein Halbleitersubstrat auf dem Halbleitersubstrat zunächst eine Aluminiumoxidschicht ausgebildet und es wird anschließend die Erhitzung der Aluminiumoxidschicht in der wasserstoffhaltigen Atmosphäre durchgeführt. Bei diesem bekannten Verfahren dient die Aluminiumoxidschicht selbst als Aluminiumdiffusionsquelle und die Diffusion wird auf thermischem Wege durchgeführt. Dabei ist eine vergleichsweise sehr große Energiezufuhr erforderlich, um zu bewirken, daß sich die Aluminiumoxidschicht zumindest teilweise zersetzen kann, was aber zur Folge hat, daß eine vergleichsweise lange Zeitperiode erforderlich ist, um die gewünschte Dosis an Aluminium freizusetzen und einzudiffundieren. Dabei ist es auch schwierig, die erhaltene Dosis genau zu steuern und es entstehen darüber hinaus durch das Freisetzen von Aluminium auf der Aluminiumoxidschicht Defektstellen in der Aluminiumoxidschicht, was auch für das Substrat selbst Nachteile mit sich bringt. Bei diesem bekannten Verfahren gelangt ferner auch eine Diffusions -schutzschicht zur Anwendung, die jedoch dazu dient, eine nach außen gerichtete Diffusion bzw. eine Auswärtsdiffusion von Aluminium aus der Aluminiumschicht heraus zu verhindern.
Aus der DE-AS 21 48 431 ist ein Verfahren zum Herstellen einer Halbleitervorrichtung bekannt, bei dem ein einen Fremdstoff enthaltender Oxidfilm auf eine Fläche eines Halbleitersubstrats aufgebracht und der Fremdstoff aus dem Oxidfilm durch Erhitzen des mit dem Oxidfilm versehenen Substrats in einer oxidierenden Atmosphäre in das Substrat eindiffundiert wird. Bei diesem bekannten Verfahren besteht das wesentliche darin, daß auf dem den Fremdstoff enthaltenden Oxidfilm über den Zonen des Substrats, in die der Fremdstoff einzudiffundieren ist, Oxidations- Schutzfilme ausgebildet werden, die verhindern, daß der Fremdstoff den Oxidfilm nach außen diffundiert. Ferner wird das Erhitzen in einer Wasserdampf enthaltenden oxidierenden Atmosphäre durchgeführt, wodurch der Fremdstoff nur in den Zonen, in die der Fremdstoff einzudiffundieren ist, auch wirklich eindiffundiert wird. Auch bei diesem bekannten Verfahren dient der Oxidationsschutzfilm ausschließlich dazu, eine nach auswärts gerichtete Diffusion zu verhindern.
Aus der Literaturstelle "JP-Patent Abstract", 4, 1980, Band 4, Nr. 157 ist ein Verfahren zur Herstellung von Halbleitervorrichtungen bekannt, wonach auf einem Siliziumsubstrat ein Feldoxidationsfilm und ein Gateoxidationsfilm ausgebildet werden und auf dem Gateoxidationsfilm eine Polysilizium-Gateelektrode ausgebildet wird. Auf diese Struktur wird dann ein Siliziumfilm mit As- Dotierung in der Größenordnung von 5 × 10²¹/cm³, ein Arsensilikatglasfilm mit ungefähr der gleichen As-Konzentration und schließlich ein Schutzisolierfilm aufgetragen. Dann wird As in das Substrat injiziert und die ganze Anordnung wird auf ca. 1000°C erhitzt. Dadurch wird das in den genannten Filmen enthaltene As in Form von Ionen in das Substrat eindiffundiert, um dadurch n-Schichten auszubilden.
Aus der Zeitschrift "IEEE Journal of Solid States Circuits", Band SC-11, No. 4, August 1976, Seiten 491 bis 495 ist die Herstellung von Transistoren mit sogenannten Arsen-implantierten Polysilemittern bekannt. Bei der Herstellung derartiger Polysiltransistoren wird die Basisdotierung dieser Transistoren in einem einzigen Implantationsschritt mit B-Ionen durch ein 0,1 µm Oxid oder mit BF₂-Molekülen durchgeführt. Der Dosierungsbereich schwankt zwischen 5 × 10¹²/cm^-2 bis 2 × 10¹⁴/cm^-2, woran sich dann eine Erhitzung auf 900°C für 30 Minuten anschließt. Nach dieser Implantation wird der Halbleiter mit einer pyrolitischen Oxidschicht bedeckt und es werden die Emitteröffnungen mit Hilfe herkömmlicher Verfahren eingebracht. Es wird dann eine nichtdotierte polykristalline Siliziumschicht für den Polysilemitter aufgebracht, und zwar mit einer Dicke von typisch 0,3 µm. Die Schichten werden genau wie bei der herkömmlichen Metalloxid-Halbleitertechnologie aufgebracht. Die auf diese Weise hergestellten Polysiltransistoren zeichnen sich durch einen höheren Stromverstärkungsfaktor aufgrund der besseren Emitterausführung aus, einen niedrigeren Basiswiderstand und ebenso eine höhere Stromkapazität und verbesserte Emitter-Basis-Durchbruchskennlinie.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfach durchführbares Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterelements der eingangs definierten Art zu schaffen, mit dem ein tiefliegender P-Störstellenbereich in dem Halbleiterelement bei guter Kontrollierbarkeit der Ausbildung des P-Störstellenbereichs durch Diffusion von Aluminium erzeugt werden kann.
Diese Aufgabe wird ausgehend von dem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß als Aluminiumschicht eine poröse Aluminiumschicht auf dem Halbleitersubstrat ausgebildet wird, daß ferner die Diffusionsschutzschicht aus einem Material besteht, welches in hohem Maße eine Sauerstoffdiffusion unterbindet, und daß in die Aluminiumschicht durch die Diffusionsschutzschicht hindurch Aluminiumionen implantiert werden.
Bei dem Verfahren nach der vorliegenden Erfindung wirkt nicht die Aluminiumschicht ansich als Diffusionsquelle, sondern das in die Aluminiumschicht implantierte Aluminium in Form von Aluminiumionen wirkt als Diffusionsquelle. Durch die poröse Ausbildung der Aluminiumschicht wird die Möglichkeit geschaffen, eine gewünschte Menge von freiem Aluminium aufzunehmen, und zwar ungeachtet der negativen Einflüsse einer solchen Schicht, die in mechanischer Spannung, Volumenexpansion der Aluminiumschicht usw. liegen. Durch die Erfindung wird die Möglichkeit geschaffen, eine gewünschte Menge von Aluminium innerhalb der porösen Aluminiumschicht für die Diffusion zur Verfügung zu stellen, wobei die Dosierung des freien Aluminiums im Gegensatz zu den bekannten Verfahren sehr genau vorgenommen werden kann.
Durch die Schutzschicht bei dem Verfahren nach der vorliegenden Erfindung wird verhindert, daß das implantierte Aluminium mit Sauerstoff in Verbindung treten kann.
Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 bis 4.
Die Beschreibung der Erfindung erfolgt nunmehr im einzelnen unter Bezugnahme auf die Zeichnung, in der in den Fig. 1 bis 8 schematische Schnittbilder für die Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt sind.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zunächst gemäß Fig. 1 auf einem Halbleitersubstrat 12 eine poröse Aluminiumoxidschicht 14 hergestellt. Diese kann dadurch erzeugt werden, daß auf dem Substrat 12 eine Aluminiumschicht ausgebildet und einem anodischen Oxidationsvorgang unterworfen wird. Zur Ausbildung der Aluminiumschicht auf dem Substrat können die bekannten Techniken angewendet werden wie Aufdampfen, das Sputter-Verfahren oder ein CVD-Verfahren. Die Stärke der Aluminiumschicht hängt von der beabsichtigten Tiefe des herzustellenden P-Störstellenbereichs ab und beträgt normalerweise 0,1 bis 1 µm. Als Elektrolyt bei der anodischen Oxidation kann verdünnte organische Säure dienen wie wäßrige Oxalsäurelösung oder anorganische Säure wie verdünnte Schwefelsäure. Als bevorzugter Elektrolyt dient eine 10%ge wäßrige Oxalsäurelösung. Bei der anodischen Oxidation kann z. B. Plantin als Kathode verwendet werden. Die Dicke der porösen Aluminiumoxidschicht, die bei der anodischen Oxidation gebildet wird, hängt von der Dicke der Aluminiumschicht ab, die oxidiert wird, und beträgt normalerweise 50 nm bis 1,0 µm.
Es wird dann gemäß Fig. 2 auf der porösen Aluminiumoxid -schicht 14 eine Diffusionsschutzschicht 16 ausgebildet, die aus einem Material besteht, das eine hohe Fähigkeit besitzt, die Sauerstoffdiffusion zu verhindern. Diese Diffusionsschutzschicht 16 wird beispielsweise aus Aluminiumoxid, Siliziumnitrid, Siliziumcarbid oder Aluminiumnitrid hergestellt. Besonders bevorzugt ist Aluminiumoxid. Die beste Dicke der Schicht 16 beträgt 50 bis 300 nm. Unter 50 nm wird die Unterbrechung des Sauerstoffs ungenügend. Ist die Schicht dicker als 300 nm, können leicht Risse entstehen. Die Diffusionsschutzschicht 16 kann mit bekannten Techniken hergestellt werden, z. B. mit dem CVD-Verfahren oder dem Sputter-Verfahren.
Es werden dann Aluminiumionen durch die Diffusionsschutzschicht 16 hindurch in die poröse Aluminiumoxidschicht 14 hinein implantiert, wie in Fig. 3 angedeutet, wodurch in der Schicht 14 ein aluminiumionenimplantierter Bereich 18 entsteht. Dieser Bereich 18 umfaßt vorzugsweise den Teil der porösen Aluminiumoxidschicht 14, der nicht unmittelbar an der Trennschicht zwischen der Schicht 14 und dem Halbleitersubstrat 12 liegt, und zwar insbesondere die Ober -flächenschicht. Die Dosierung der Aluminiumionen, die implantiert werden, wird entsprechend der gewünschten Störstellendichte des herzustellenden P-Störstellenbereichs gewählt. Die Implantierungsenergie hängt von der Dicke der Diffusionsschutzschicht 16 ab. Bei einer dünnen Schicht 16 ist die Implantierungsenergie gering, bei einer dicken dagegen groß. Wenn die Dicke der Schicht 16 50 nm beträgt, wird eine Energie von gewöhnlich etwa 120 keV gewählt, bei einer Dicke von 300 nm dagegen eine Energie von etwa einigen 100 keV.
Im Anschluß an diesen Vorgang wird die Anordnung erhitzt, wobei das im aluminiumionenimplantierten Bereich 18 enthaltene Aluminium in das Halbleitersubstrat 12 hineindiffundiert und damit ein P-Störstellenbereich 20 entsteht, wie es in Fig. 4 dargestellt ist. Die Temperatur bei diesem Diffusionsschritt beträgt normalerweise 1100 bis 1250°C, und wenn die Diffusionstiefe etwa 100 µm betragen soll, beträgt die Diffusionszeit gewöhnlich 11 Stunden bei einer Temperatur von 1250°C.
Wenn die poröse Aluminiumoxidschicht 14 und die Diffusionsschutzschicht 16 entfernt werden, liegt ein Halbleitersubstrat 12 mit einer P-Störstellenschicht 20 vor, wie es in der Fig. 5 gezeigt ist. Das Beseitigen der Schichten kann z. B. mit Hilfe einer Mischung aus Chromsäure und Phosphorsäure oder Königswasser erfolgen.
Bei einem zweiten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens wird auf einem Halbleitersubstrat 12 eine poröse Aluminiumoxidschicht 14 erzeugt, wie bereits in Fig. 1 gezeigt, auf der dann eine Aluminiumschicht 22 ausgebildet wird, wie es die Fig. 6 darstellt. Zur Bildung der Aluminiumschicht 22 können bekannte Techniken wie das CVD-Verfahren, das Aufdampfverfahren oder das Sputter-Verfahren eingesetzt werden. Die Dicke der Aluminiumschicht 22 beträgt normalerweise 50 nm bis 1,0 µm.
Auf die Aluminiumschicht 22 wird anschließend eine Diffusionsschutzschicht aufgebracht, die aus einem Material besteht, das in hohem Maße die Sauerstoffdiffusion verhindert, z. B. Aluminiumoxid, Siliziumnitrid, Siliziumcarbid oder Aluminiumnitrid. Die Ausbildung der Diffusionsschutzschicht kann auf dieselbe Weise erfolgen wie beim ersten Ausführungsbeispiel. In Fig. 7 ist jedoch gezeigt, daß die Oberschicht der Aluminiumschicht 22 durch eine anodische Oxidation in eine nicht-poröse Aluminiumoxidschicht 24 umgewandelt wird und diese dann als Diffusionsschutzschicht dient.
Anschließend wird dieser gesamte Aufbau erhitzt, wobei das Aluminium der Aluminiumschicht 22 durch die poröse Aluminiumoxidschicht 14 in das Halbleitersubstrat 12 hineindiffundiert und gemäß Fig. 8 ein P-Störstellenbereich 20 im Halbleitersubstrat 12 entsteht. Dieser Diffusionsvorgang geschieht auf dieselbe Weise wie beim ersten Ausführungsbeispiel.
Wenn anschließend die poröse Aluminiumoxidschicht 14, die restliche Aluminiumschicht 22 und die Diffusionsschutzschicht 24 auf dieselbe Art wie beim ersten Ausführungsbeispiel entfernt werden, erhält man ein Halbleitersubstrat 12 mit P-Störstellenbereich 20, wie es in Fig. 5 gezeigt ist.

Beispiel 1

Auf einem N-Silizium-Substrat wird eine etwa 500 nm dicke Aluminiumschicht aufgebracht. Diese wird einer anodischen Oxidation in einer 10%igen wäßrigen Oxalsäurelösung mit einer Stromdichte von 0,1 A/dm² während etwa 10 Minuten mit einer Kathode aus Platin ausgesetzt und dabei in eine poröse Aluminiumoxidschicht (Tonerdeschicht) etwa 1,0 µm dick umgewandelt. Auf der porösen Aluminiumoxidschicht ( Tonerdeschicht) wird danach in einer Dicke von etwa 50 nm im CVD-Verfahren eine Aluminiumoxidschicht aufgebracht. Anschließend wird in die poröse Aluminiumoxidschicht ( Tonerdeschicht) durch die Aluminiumoxidschicht ²⁷Al&spplus; mit einer Beschleunigungsspannung von 120 keV implantiert. Dieser gesamte Aufbau wird dann 11 Stunden lang bei 1250°C in einer Stickstoff-Atmosphäre belassen, wobei das Aluminium des ionenimplantierten Bereichs in das N-Silizium-Substrat hineindiffundiert. Man erhält so einen P-Störstellendiffusionsbereich von ρ _s = 30 Ω/D mit einer Tiefe von 100 µm. Mit einer Mischflüssigkeit aus Chromsäure und Phosphorsäure (CrO₃ + H₃PO₄ + H₂O = 64 g + 120 ml + 400 ml) werden anschließend die poröse Tornerdeschicht und die CVD-Aluminiumoxidschicht entfernt, so daß ein N-Siliziumsubstrat mit einem P-Diffusionsbereich vorliegt.
Auf der Hauptfläche der Diffusionsbereichsseite des Siliziumsubstrats ensteht weder das bekannte Weiß, noch eine Legierungsschicht.

Beispiel 2

Auf einem N-Silizium-Substrat wird auf dieselbe Weise wie beim Beispiel 1 eine poröse Aluminiumoxidschicht ( Tonerdeschicht) hergestellt. Darauf wird eine Aluminiumschicht von 50 nm Dicke aufgebracht. Diese Aluminiumschicht wird mit einer Spannung von etwa 50 V während 10 Minuten in einer 1%igen wäßrigen Ammoniumboratlösung einer anodischen Oxidation unterworfen, wobei die Oberflächenzone etwa 50 nm dick in nicht poröses Aluminiumoxid umgewandelt wird. Der ganze Aufbau wird dann in einer Stickstoffatmosphäre 11 Stunden lang bei 1250°C wärmebehandelt, wobei P-Störstellen in das N-Siliziumsubstrat hineindiffundieren. Anschließend werden die poröse Aluminiumoxidschicht, die restliche Aluminiumschicht und die nicht poröse Aluminiumoxidschicht auf dieselbe Weise wie beim Beispiel 1 beseitigt, so daß ein Siliziumsubstrat mit einem P-Diffusionsbereich vorliegt.
Es zeigten sich weder weiße Stellen noch Stellen einer Legierungsschicht auf der Hauptfläche des diffundierten Bereichs des Siliziumsubstrats.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterelements, in welchem in einem Halbleitersubstrat ein P-Störstellenbereich ausgebildet wird, wonach auf dem Halbleitersubstrat zunächst eine Aluminiumschicht ausgebildet wird und dann auf der Aluminiumschicht eine Diffusionsschutzschicht ausgebildet wird und die so erhaltene Struktur erhitzt wird, damit Aluminium in der Aluminiumschicht in das Halbleitersubstrat eindiffundiert und dadurch der P-Störstellenbereich ausgebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß als Aluminiumschicht eine poröse Aluminiumschicht auf dem Halbleitersubstrat ausgebildet wird, daß ferner die Diffusionsschutzschicht aus einem Material besteht, welches in hohem Maße eine Sauerstoffdiffusion unterbindet, und daß in die Aluminiumschicht durch die Diffusionsschutzschicht hindurch Aluminiumionen implantiert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Diffusionsschutzschicht (16) aus Aluminiumoxid, Siliziumnitrid, Siliziumcarbid oder Aluminiumnitrid besteht.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aluminiumionen in den Oberflächenbereich der porösen Aluminiumoxidschicht (14) hineinimplantiert werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Diffusionsschutzschicht (24) durch Umwandeln der Oberflächenschicht der Aluminiumschicht (22) in eine nicht poröse Aluminiumoxidschicht gebildet wird.