DE3308689A1 - Verfahren zur integration von si-halbleiterbauelementen in einkristalline si-halbleiterbauelemente - Google Patents

Verfahren zur integration von si-halbleiterbauelementen in einkristalline si-halbleiterbauelemente

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Description

  • Verfahren zur Integration von Si-Halbleiterbauelementen
  • in einkristalline Si-Halbleiterbauelemente Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Es gibt hybride Integrationsverfahren von Si-Bauelementen mit anderen, nicht notwendigerweise aus Si bestehenden Bauelementen, sowie monolithische Integration von mehreren Si-Bauelementen gleicher oder unterschiedlicher Funktion.
  • Wenn zur Lösung technischer Probleme beide Verfahren möglich sind, besteht der Vorteil der monolithischen Integration meistens in der verbilligten Herstellung, die durch weniger Arbeitsschritte und weniger Platzbedarf pro Einzelelement gegeben ist. Außerdem bringt die bessere Möglichkeit zur Miniaturisierung häufig zusätzliche technische Vorteile. Der Nachteil besteht in der eingeschränkten Vielfalt der möglichen Kombinationen.
  • Speziell für Leistungsbauelemente ergeben sich für die monolithische Integration weitere schwerwiegende Einschränkungen, die im wesentlichen aus folgenden Gründen auftreten.
  • a) Bei Bauelementen größerer Leistung ist der'':Stromfluß vertikal gerichtet, die Bauelemente sind auf Trager platten mit guter Wärmeleitfähigkeit gelötet, legiert oder aufgepreßt, und die Elemente müssen hohe Sperr-Spannungen aufnehmen können Daraus ergibt sich, daß bei einer monolithischen Integration, bei der die Einzelelemente nebeneinander auf der Si-Scheibe ausgebildet werden, Serienschaltungen schwer realisierbar sind.
  • Es gibt die Möglichkeit, durch eine Aufeinanderfolge von Diffusion mit verschiedenen Substanzen und/oder durch Epitaxieverfahren Serien schaltungen herzustellen, jedoch sind diese Verfahren aufwendig und führen in der Regel zu großen Problemen der nachfolgend genannten Art.
  • b) Die Integration von bipolaren Elementen wird häufig dadurch erschwert, daß die beim Stromfluß injizierten Ladungsträger in andere integrierte Elemente ausdiffundieren und dort Störströme oder Fehlschaltungen verursachen. Für integrierte Elemente, die parallel auf einer Si-Scheibe ausgebildet sind, läßt sich dies zum Teil durch Reduktion der Trägerlebensdauern oder durch relativ große Abstände der Bauelemente verhindern. Bei Bauelementen, die zusätzlich auf eine bereits vorliegende Mehrschichtenstruktur aufzubringen sind, ist diese Möglichkeit sehr erschwert, weil die Diffusionslänge der Ladungsträger extrem stark, und eventuell lokal und in begrenzter Tiefe der Bauelemente durch eine Reduktion der Trägerlebenadauer vermindert werden müßte.
  • Es ist bereits bekannt, in diskrete Halb leiter schaltelemente aus einkristallinem Silizium weitere, das Schaltverhalten dieser Elemente steuernde Halbleiterbauelemente monolithisch oder hybride zu integrieren. Beispiele dafür sind: 1. Bei Dsrlington-Transietoren ist es vorteilhaft, den Steuerstrom durch eine Diode so zu verzweigen, daß der positive Ansteuerstrom ausschließlich der integrierten Treiberstufe, der negative aber auch der Leistungsstufe zugeführt wird. Das gleiche Problem tritt verschärft bei Gate-abschaltbaren Thyristoren (oder Thyristoren mit Gatestrom-unterstütztem Abschalten) auf, wenn diese Thyristoren eine An steuer stufe nach dem Darlington-Prinzip, also eine Art Amplifying Gute, haben.
  • 2. Bei Thyristoren, bei denen FehlzUndungen durch eine Kompensation des Störpotentisis der Steuerbasis verhindert werden sollen, ist es vorteilhaft, dieses Störpotential durch eine Diode zu begrenzen (DE-PS 27 39 183).
  • In beiden Fällen ist vorgeschlagen worden, diese in Serie liegenden Dioden als in der Si-Scheibe integrierte Elemente auszubilden, jedoch sind diese Verfahren aufwendig und benötigen eine sehr starke lokale Trägerlebensdauerverminderung, welche nicht nur in der Technologie aufwendig ist, sondern auch zu lokal erhöhten Sperratrömen führt (DE-OS 26 22 193).
  • 3. Bei Thyristoren, deren Zündung im Falle rasch ansteigender oder hoher Vorwärts-Blockspannung verhindert werden soll, ist vorgeschlagen worden, die Emitternebenschlüsse durch integrierte MOS-Transistoren zu schalten (DE-AS 26 25 917).
  • Die technologische Ausführung dieser Transistoren bedingt die Einbeziehung zusätzlicher, für die einkristalline MOS-Technologie typischer Technologie schritte in die Herstellung de s des Leistungabauelementes, wodurch Aufwand und Ausbeute des Herstellungsverfahrens ungünstig beeinflußt werden.
  • Die in den Absätzen a) und b) sowie 1, 2 und 3 aufgeführten Nachteile der einkristallinen monolithischen Integration werden vermieden, indem eine hybride Technik angewendet wird, bei der durch metallische Querverbindungen oder durch Aufeinanderlöten (oder Kleben) der Elemente die Einzelbauelemente verbunden werden. Dadurch entsteht jedoch zusätzlicher Flächenbedarf, und die Zuverlässigkeit des hybriden Bauelementes ist in der Regel verringert.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Integration von Si-Halbleiterbauelementen in einkristalline Si-Halbleiterbauelemente zu schaffen, welches Vorteile der monolithischen Integration und der hybriden Technik vereinigt.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die gekennzeichneten Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
  • Zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
  • Durch die Erfindung werden insbesondere folgende Vorteile erzielt: Die zu integrierenden Si-Halbleiterbauelemente können mit Si-Abscheideverfahren erzeugt werden, die in einem so niedrigen Temperaturbereich liegen, daß die für monolithische Halbleiter typischen Diffusionstemperaturen nicht erreicht werden; nicht einmal die Temperaturen für Golddiffusion (800 bis 900 OC) werden erreicht. Die zu integrierenden Si-Halbleiterbauelemente können auch auf eine bereits bestehende Metallisierung aufgebracht werden.
  • Die Erfindung wird nachstehend anhand von in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 einen Ausschnitt eines Darlington-Transistors, Fig. 2 eine vergrößerte Darstellung einer in den Transistor integrierten Diode, Fig. 3 einen Ausschnitt eines Thyristors mit geschaltetem Emitternebenschluß, Fig. 4 eine vergrößerte Darstellung eines zum Schalten des Emitternebenschlusses integrierten Feldeffekttransi stors.
  • In Fig. 1 ist eine an sich bekannte Dsrlington-Transistor-Struktur 1 dargestellt, die aus zwei Transistorbereichen, dem Leistungstransistorteil 2 und dem Steuertransistorteil 3 besteht. Die Darlington-Transistor-Struktur 1 ist eine aus vier Schichten bestehende dreifach-diffundierte Transistorstruktur mit einer hochdotierten n+-Kollektorschicht 5, einer schwach n-dotierten Kollektorschicht 6, einer p-dotierten Steuerbasisschicht 7, die für beide Teiltransistorteile 2 und 3 gleichartig ausgebildet und - wie nicht weiter dargestellt - teilweise zusammenhängend ausgebildet ist, aus unterteilten n+-Emitterschichten 8 des Leistungstransistorteils 2 und einer entsprechenden Schicht 9 des Steuertransistors 3, einer kollektorseitigen Metallisierung 10, Metallisierungen 11 und 12 der Steuerbasisschichten 7, Metallisierungen 13 der n -Emitter des Leistungstransistorteils 2, einer n -Emittermetallisierung 14 des Steuertransistorteils 3, Oxidabdeckungen 15 und an die Oberfläche der Struktur 1 tretenden n+ p-Übergänge. Die Metallisierungen 11, 12 und 13 sind jeweils zusammenhängend, angedeutet durch die ersatzweise eingezeichneten leitenden Verbindungen 11a, 12a und 13a. Außerdem bilden 10 den Kollektoranschluß C, 12 bzw. 12a den Basisanschluß B und 13 bzw. 13a den Emitteranschluß E.
  • Wie aus den Fig. 1 und 2 ersichtlich, weist die einkristalline Si-Struktur 1 eine integrierte Diode 4 auf, die erfindungsgemäß nicht als einkristallines Si-Bauelement, sondern als amorphes oder polykristallines Si-Bauelement ausgebildet ist, welches direkt auf die Si-Struktur 1 aufgewachsen ist.
  • Die Diode 4 besteht aus einer oder mehreren dotierten oder undotierten Schichten 41, 42, 43 aus amorphem oder mikrokristallinem Silizium und den entsprechenden Metallschichten 121, 141 als Kontaktierung, wobei die Metallschicht 141 schon auf dem Element 1 vorhanden ist.
  • Die Oxidschicht 15 dient in diesem Bereich auch zur Verhinderung eines direkten Kurzschlusses des darunterliegenden n+ p-Überganges 18 der Schichten 7, 9. Anstelle der Schichten 41 bis 43 kann auch eine einzige dotierte oder undotierte Si-Schicht verwendet werden, die mit einer der Metallelektroden eine Schottky-Struktur bildet. Diese kann noch durch eine Isolatorschicht zwischen Si und Elektrode ergänzt werden (MIS-Diode).
  • Die Herstellung dieser Schichten oder Schichtenfolgen geschieht durch Zersetzung von gasförmigen Siliziumhydriden (Silanen: SiH4, Si2H6 ...) in einem geeigneten Reaktionsgefäß entweder durch Piasmadeposition oder durch chemische Gasphasendeposition (chemical vapour deposition) oder auch durch Kathodenzerstäuben eines festen Siliziumtargets. Die Dotierung erfolgt entweder durch Zusetzen geeigneter Gase zum Reaktionsgas (PH3, B2H6, AsH3 für P-, B-, As-Dotierung) und/oder durch Dotierung des festen Targetmaterials beim Kathodenzerstäuben.
  • Die Dotierungshöhe wird bei den Gasphasenverfahren durch die Gaszusammensetzung gegeben, typische Werte für ein Partialdruckverhältnis Dotiergas/Silan liegen bei etwa 1 % oder darunter.
  • Die Dicke aller Si-Schichten zusammen ist von der Größenordnung 1 um.
  • Um besondere Anforderungen an die a-Si-Dioden zu erfiilen (z.B. hinsichtlich des Sperrvermögens), können auch mehr als zwei Si-Schichten verwendet werden, z. B. zusätzlich noch eine undotierte (i) Schicht oder schwach dotierte Schichten: p-i-n-Schichtenfolge, wie im dargestellten Beispiel, oder p + pnn -Schichtenfolgen.
  • Eine nach dem vorstehend beschriebenen Verfahren hergestellte Diode hat bei einer Fläche von 3 mm2 einen Ersatzwiderstand von 5 Ohm, so daß ein für die Beschleunigung des Ausschaltverhaltens wirksamer Aussaugatrom von ca. 1 A mit geringem Spannungsaufwand auf den Steueranschluß 11 des Lasttransistorteils 2 geschaltet werden kann.
  • Die Herstellung der Diode in der beschriebenen Weise und ihre Ausführungsform gemäß Fig. 2 haben also den Vorteil, daß dieses Element mit dem einkristallinen Leistungsbauelement so gekoppelt ist, daß keine störenden Wechselwirkungen durch unerwünschte Ladungsträgerinjektionen in das einkristalline Bauelement auftreten, und daß das Herstellungsverfahren der Diode einfach ist, da es nur aus wenigen maskierten Technologieschritten besteht und keine Hochtemperaturprozesse notwendig sind.
  • In Fig. 3 ist der Ausschnitt eines mit geringer optischer Steuerleistung ansteuerbaren Thyristors gezeigt, dessen Störzündempfindlichkeit durch Schalten eines Emitternebenschlusses herabgesetzt ist.
  • Im vorliegenden Beispiel wird ein Feldeffekttransistor aus amorphem Si-Material verwendet. Das für seine Herstellung verwendete halbisolierende amorphe Silizium und die Oxidschichten werden bereits zur Verbesserung der Sperrspannungsfestigkeit an der Bauelementoberfläche eingesetzt, so daß der zusätzliche Aufwand gering ist.
  • Der dargestellte Thyristor 501 besteht wieder aus zwei Bereichen 502 und 503, wobei der Bereich 502 den Leistungsthyristorteil, der Bereich 503 den Ansteuerthyristorteil darstellen. Von den jeweils vier Schichten alternierenden Leitfähigkeitstyps sind die p+-Emitterschicht 504 und die n-Basisschicht 505 beiden Bereichen gemeinsam ausgebildet; die p-Steuerbasisschicht 506 besteht aus teilweise zusammenhängenden Bereichen 562, 563 des Leistungsthyristor- und des Steuerthyristorteils.
  • Die n+-Emitterschichten 572, 573 des Leistungsthyristorteils 502 und des Steuerthyristorteils 503 hängen nicht zusammen.
  • Die Metallisierungen 508 und 509 sind die anoden- und kathodenseitigen Lastkontakte; die Metallisierung 510 ist der Steuerkontakt des Lastthyristorteils 502. Die Metallisierung 511 kontaktiert die n+-Emitterschicht 573 des Steuerthyristorteils 563.
  • Die Schicht 573 ist über eine in der Figur nur schematisch angedeutete elektrisch leitende Verbindung 512 der Metallisierungen 510 und 511 mit der Steuerbasisschicht 562 verbunden.
  • Die nicht metallisierten Oberflächen des Si-Bauelementes 501 sind - bis auf den Randbereich, der hier nicht eingezeichnet ist - mit einer SiO,-Schicht 513 bedeckt.
  • Der in Fig. 4 zusätzlich in Draufsicht dargestellte integrierte Feldeffekttransistor 514 besteht aus einer näherungsweise intrinsischen Schicht 515 aus amorphem Silizium, die mit einer Metallschicht 516 bedeckt ist, welche aus zwei getrennten Teilen 661 und 662 besteht.
  • Die diese Teile trennende Ätzung 517 ist etwa 1 um breit und hat einen mäanderförmigen Verlauf, so daß sich eine Gesamtlänge dieses Kanals von einigen cm ergibt. Diese Struktur ist mit einer Oxidschicht 518 bedeckt, die das Gateoxid des Feldeffekttransistors bildet.
  • Die Gateelektrode 519 ist eine ihrerseits die gesamte Kanalstruktur 517 überdeckende Metallisierung. Die Teile 661 und 662 der Metallisierung 516 bilden die Source- und Drain-Elektrode des Feldeffekttransistors 514 und sind jeweils mit der n+ -Emitterachicht 573 und der Steuerbasisschicht 563 elektrisch kontaktiert.
  • Die Schichtdicke des Oxids 518 richtet sich nach der vorgesehenen Ansteuerspannung an der Gateelektrode 519 und liegt typischerweise bei einigen zehntel Mikrometern, kann aber, falls die Anodenspannung zur Aufsteuerung herangezogen wird, über 1 um liegen.
  • Der Feldeffekttransistor wird beim Auftreten von hohen, ansteigenden Vorwärtsspannungen (du/dt) oder durch die an der Gateelektrode 519 anliegende Anodenspannung selbst in bekannter Weise in einen Durchlaßzustand geschaltet, in welchem er einen ohmschen Widerstand von weniger als 10.000 Ohm annimmt.
  • In diesem Zustand ist dann durch den vergrößerten Emitternebenschluß die Zündempfindlichkeit des Bauelementes derart reduziert, daß keine Gefahr von du/dt-Störzündungen, also Störzündungen durch kapazitive Ströme bei steil ansteigenden Vorwärtsspannungen, besteht.

Claims (5)

  1. Verfahren zur Integration von Si-Halbleiterbauelementen in einkristalline Si-Halbleiterbauelemente Patentansprüche-Verfahren zur Integration von Si-Halbleiterbauelementen in einkristalline Si-Halbleiterbauelemente, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale: a) für das zu integrierende Si-Halbleiterbauelement (4) wird amorphes, mikrokristallines oder polykristallines Silizium verwendet, b) dieses Halbleiterbauelement (4) wird direkt durch Aufwachsen auf das aus einkristallinem Silizium bestehende Halbleiterbauelement (1) erzeugt.
  2. 2. Halbleiterbauelement aus einkristallinem Silizium mit integriertem Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das amorphe, mikrokristalline oder polykristalline Si-Halbleiterbauelement (4, 514) als das das Schaltverhalten des einkristallinen Bauelementes (1, 501) steuernde Hilfsbauelement ausgebildet ist.
  3. 3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das das Schaltverhalten steuernde integrierte ßauelement (4) eine Diode ist.
  4. 4. Halbleiterbauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das das Schaltverhalten steuernde integrierte Bauelement ein Feldeffekttransistor (514) ist.
  5. 5. Verfahren zur Integration nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zu integrierende, nicht einkristalline Halbleiterbauelement bei Prozeßtemperaturen < 500 0C hergestellt wird.
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