DE3610157A1 - Verfahren zur herstellung mindestens eines pn-ueberganges - Google Patents
Verfahren zur herstellung mindestens eines pn-uebergangesInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung
mindestens eines pn-Überganges nach dem Oberbegriff des
Patentanspruches 1.
Die Erfindung betrifft insbesondere ein Verfahren zur
unterschiedlichen Dotierung von Verbindungshalbleitern,
die aus Elementen der II. bis VI. Hauptgruppe des Perioden
systems der Elemente zusammengesetzt sind. Derartige
Verbindungshalbleiter enthalten z. B. die Elemente Gallium
(Ga), Indium (In), Arsen (As) sowie Phosphor (P).
Die Erfindung betrifft die Dotierung von Verbindungshalb
leitern zur Erzeugung von lokal begrenzten Strukturen mit
unterschiedlichem Leitungstyp unter Anwendung von zwei
verschiedenen Dotierstoffen. Während Dotierverfahren mit
nur einem Dotierstoff relativ einfach durchzuführen sind,
erfordert die Anwendung von zwei Dotierstoffen die gegen
seitige Anpassung der Dotierschritte. Da eine derartige
Dotierung in zwei Schritten erfolgt, ist die Temperatur
belastung eines Halbleiterkörpers erheblich größer als bei
einem einzigen Dotiervorgang.
Dabei ist es in nachteiliger Weise möglich, daß sich der
Verbindungshalbleiter zersetzt, da seine chemischen Kompo
nenten einen unterschiedlichen Dampfdruck besitzen. Bei
einem beispielhaft gewählten GaAs-Verbindungshalbleiter
besitzt das Arsen einen höheren Dampfdruck als Gallium.
Für die Dotierung derartiger Verbindungshalbleiter sind Epi
taxie-, Implantations- sowie Diffusionsverfahren derzeit
üblich. Jedoch sind alle diese Verfahren bei der Erzeugung
von zwei unterschiedlich dotierten Zonen, die im wesent
lichen parallel zur Oberfläche des Halbleiterkörpers
verlaufen, so daß der entstandene pn-Übergang ebenfalls im
wesentlichen parallel zu der Oberfläche liegt, mit Nach
teilen behaftet.
Das Dotieren während eines Epitaxieverfahrens erfolgt
bevorzugt ganzflächig. Zur Abgrenzung lokaler Strukturen
muß entweder ein zusätzlicher Diffusionsprozeß oder eine
Mesa-Ätzung vorgenommen werden. Selektive Epitaxie ist im
Prinzip möglich, indem die für eine Beschichtung nicht
vorgesehenen Bereiche mit Siliziumdioxid abgedeckt werden.
Die praktischen Schwierigkeiten in diesem Verfahren be
stehen darin, daß die freiliegenden Stellen nicht zuver
lässig beschichtet werden, oder daß die neue Schicht die
Randbereiche überwuchert und diese zusätzlichen Wülste
mechanisch entfernt werden müssen. Der Hauptnachteil für
Verbindungshalbleiter besteht jedoch in der langen Dauer,
ungefähr eine Stunde, des Epitaxieprozesses und den dabei
nötigen relativ hohen Temperaturen (600-700°C).
Demgegenüber haben Implantationsverfahren scheinbar den
Vorteil, daß sie bei Raumtemperatur durchgeführt werden.
Jede Implantation erfordert jedoch einen Tempervorgang bei
hohen Temperaturen (größer 700°C) zum Ausheilen von
Implantationsschäden innerhalb des Kristallgefüges des
Halbleiterkörpers sowie zur Aktivierung des implantierten
Dotierstoffes. Demnach ist ein Implantationsvorgang zwangs
läufig mit einem Hochtemperaturschritt verbunden. Bei
diesem Temperschritt wird aber außerdem die Kristallober
fläche angegriffen. Um die Oberfläche während des Temperns
zu schützen, muß in einem weiteren Verfahrensschritt bei
ebenfalls erhöhter Temperatur SiO2 (in einem CVD ("chemi
cal-vapour deposition")-Verfahren bei einer Temperatur
von ungefähr 450°C) oder Si3N4 (in einem Plasma-Beschich
tungsverfahren bei einer Temperatur von ungefähr 300°C)
abgeschieden werden.
Diese zusätzliche Temperaturbelastung kann allerdings
vermieden werden, indem man ein sogenanntes spin-on-Glas
als Schutzschicht verwendet oder die Oberfläche mit einer
zweiten Halbleiterscheibe abdeckt, die in der englisch
sprachigen Literatur auch "proximity cap" genannt wird.
Der einem Fachmann geläufige Ausdruck "spin-on-Glas"
könnte auch mit "Aufschleuderglas" bezeichnet werden.
Vorteil von Implantationsvorgängen ist die leichte Struk
turierung der Halbleiter-Oberfläche mit Hilfe einer Lack
maske. Aber bei der Auswahl der Dotierstoffe ergeben sich
Schwierigkeiten. Nur Dotierstoffe, die n-Leitung erzeugen,
sind ohne Probleme anwendbar. Als p-Dotierstoffe müssen
Atome mit einer relativ hohen Massezahl eingesetzt werden,
wodurch sich bei derzeit gebräuchlichen Implantationsener
gien (kleiner 400 keV) nur sehr geringe Eindringtiefen
ergeben (kleiner 0,2 µm). In manchen Fällen mag dies
erwünscht sein. Wird jedoch eine breite p-dotierte Zone
gefordert, so ist die Implantation keine technische
Lösung.
Bei Diffusionsverfahren sind im Gegensatz zur Implantation
die p-Dotierstoffe leicht zugänglich, während n-Dotier
stoffe nur sehr flache Profile ergeben. Üblicherweise wird
der Dotierstoff über die Gasphase angeboten, dadurch ist
die Oberflächenkonzentration am Halbleiter festgelegt.
Eine Veränderung der Diffusionsbedingungen ist nur noch
über die Temperatur möglich. Die Diffusionstemperaturen
liegen bei 500°C bis 700°C, bedingen daher ebenfalls
eine hohe Temperaturbelastung des Halbleiterkörpers.
Eine zweifache lokale Dotierung kann lediglich getrennt in
zwei aufeinanderfolgenden Schritten durchgeführt werden,
wobei jeweils eines der genannten Dotierungsverfahren
eingesetzt wird. Da bei jedem dieser Vorgänge eine höhere
Temperatur erforderlich ist, ergibt sich zwangsläufig eine
sehr hohe Temperaturbelastung.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein gat
tungsgemäßes Verfahren anzugeben, das eine möglichst
geringe Temperaturbelastung der zu dotierenden Halbleiter
körper ermöglicht und bei dem gleichzeitig während des
Dotiervorganges die Oberfläche des Halbleiterkörpers
geschützt wird.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die im kennzeichnenden
Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale. Vorteil
hafte Ausgestaltungen und/oder Weiterbildungen sind den
Unteransprüchen entnehmbar.
Ein erster Vorteil der Erfindung besteht darin, daß im
wesentlichen gleichzeitig zwei Dotierstoffe in das Kri
stallgitter des Halbleiters eingebracht werden und dort
unterschiedliche Leitungstypen erzeugen.
Ein zweiter Vorteil besteht darin, daß eine Wärmebehand
lung durchgeführt wird, bei der gleichzeitig Implanta
tionsschäden ausgeheilt werden und ein Diffusionsvorgang
durchgeführt wird.
Ein dritter Vorteil besteht darin, daß die Wärmebehandlung
derart wählbar ist, daß bei bereits vorhandenen dotierten
und/oder undotierten Halbleiterschichten, pn-Übergängen
sowie Heteroübergängen eine störende Veränderung vermieden
wird.
Die Erfindung beruht darauf, daß mindestens ein erster
Dotierstoff implantiert wird und mindestens ein zweiter
durch Diffusion in einen Halbleiterkörper eingebracht
wird. Die Ausheilung von Implantationsschäden und ein
Diffusionsvorgang werden gleichzeitig ausgeführt. Als
Diffusionsquelle dient ein spin-on-Glas wie es z. B. in der
DE-OS 24 47 204 beschrieben wird, das gleichzeitig als
Oberflächenschutz für den Halbleiter dient. Durch entspre
chende Zugabe einer geeigneten Verbindung einer entspre
chenden Menge des zweiten Dotierelements kann die spin-on-
Schicht für viele Anwendungsfälle aufbereitet werden.
Durch Änderung der Temperatur und Dauer des Temperprozes
ses, bei welchem gleichzeitig Ausheilung und Diffusion
erfolgt, können verschiedene Kombinationen an Dotierungs
profilen für zwei Dotierstoffe, die gegensätzlichen Lei
tungstyp erzeugen, hergestellt werden. Dies wird im fol
genden anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert
unter Bezugnahme auf eine der schematischen Zeichnungen.
Die Fig. 1 bis 3 zeigen schematische Darstellungen zur
Erläuterung des Verfahrens.
Fig. 1a zeigt einen Halbleiterkörper (Substrat) 1, der als
niedrig dotierte GaInAs-Epitaxieschicht ausgebildet ist.
Zur Erzeugung einer n-leitenden Zone werden zunächst
Si-Atome 2 als erster Dotierstoff implantiert, z. B. mit
einer Dosis von 4 × 1014 cm -3 sowie mit einer Implantations
energie von ungefähr 180 keV. Es entsteht eine Si-haltige
Implantationsschicht 3. Auf diese wird anschließend eine
Schicht 4 (Fig. 1b) aus einem spin-on-Glas aufgebracht,
das Zink (Zn) als zweiten Dotierstoff enthält, der eine
p-Dotierung bewirkt. Der Dotierstoffgehalt in dem spin-on-
Glas beträgt ungefähr 10 mol-%. Gemäß Fig. 1c entsteht
daraus während einer Wärmebehandlung während einer Zeit
von ungefähr zwei Minuten und einer Temperatur von unge
fähr 650°C gleichzeitig eine Oxidschicht 4′, eine Zn-hal
tige, p-dotierte Zone 5 sowie eine Si-haltige, n-dotierte
Zone 3′. Die p-dotierte Zone 5 entsteht, da Zn aus der
Oxidschicht 4′ in die n-dotierte Zone 3′ diffundiert und
weil die eindiffundierende Menge an Zn die in diesem
Bereich vorhandene Menge an Si übertrifft. Da die Diffu
sionszeit sehr kurz ist, erreicht die Zn-Dotierung keine
große Eindringtiefe, die von der Halbleiteroberfläche 7
aus gemessen wird, so daß der entstehende pn-Übergang 6
nahe an der Halbleiteroberfläche 7 liegt.
Fig. 2 zeigt die entstandene Ladungsträgerkonzentration C
in Abhängigkeit von der Eindringtiefe T.
Der entstandene pn-Übergang 6
liegt bei einer Tiefe von ungefähr 0,9 µm. Mit p bzw. n
sind die p- bzw. n-dotierten Zonen 5 bzw. 3′ bezeichnet.
Von dem in Fig. 1 erläuterten Herstellungsverfahren aus
gehend werden im folgenden weitere Ausführungsbeispiele
erläutert.
Zunächst läßt sich die Eindringtiefe des pn-Überganges 6
ohne Schwierigkeiten durch eine höhere Temperatur während
der Wärmebehandlung vergrößern. Eine längere Wärmebehand
lung vergrößert zwar durch die Eindringtiefe der n-dotier
ten Zone 3′, dabei wird aber auch die Verteilung der
n-Dotierung geändert. Dies kann zur Einstellung des sog. Do
tierungslevels auf der n-leitenden Seite des pn-Überganges
benutzt werden. Bei einer Veränderung des Dotierstoffange
bots im spin-on Glas zu höheren Werten kann sich der in
Fig. 3 gezeigte Effekt einstellen. Die diffundierende
p-Zone 5 durchläuft die implantierte n-Zone 3′, so daß
sich eine p-Zone 5 unterhalb der n-Zone 3′ ergibt. Auf
diese Weise ist z. B. die Erzeugung von sogenannten vergra
benen Halbleiterschichten ("buried layers") möglich. Dabei
muß die Höhe der Implantationsenergie, der Implantations
dosis, Temperatur und Verfahrensdauer auf dieses Ergebnis
abgestimmt sein.
Eine weitere Änderungsmöglichkeit ergibt sich durch den
Austausch der Dotierstoffelemente. Diffusionen aus einem
Dotierfilm sind auch für n-Leitung erzeugende Elemente
möglich. Die oben erwähnten Einschränkungen der Implanta
tionsmöglichkeiten bei p-Typ-Elementen bleiben zwar be
stehen, jedoch kann durch Kombination mit der Diffusion
eine Verbreiterung der p-Zonen erreicht werden oder die
schmale p-Zone wird ausgenutzt für eine Durchdiffusion
eines n-Typ-Elements. Dieser Vorgang entspricht Fig. 3,
wobei n mit p zu vertauschen ist.
In manchen Ausführungsbeispielen ist ein Implantationspeak
sehr nahe an der Halbleiteroberfläche erforderlich. Dieses
ist durch folgendes Verfahren erreichbar: Das spin-on-Glas
wird bereits vor der Implantation auf den Halbleiterkörper
aufgebracht. Die Oxidschicht wirkt als Implantationsbar
riere, so daß das Implantationsmaximum zur Oberfläche
verschoben wird. Außerdem reduziert die Schicht ein soge
nanntes Tunneln ("channeling"), welches auftritt, wenn in
kristallines Material direkt implantiert wird.
Es versteht sich, daß die beschriebenen Verfahren zur
Dotierung für eine Bauelementetechnologie nur dann sinn
voll sind, wenn eine laterale Strukturierung möglich ist.
Bei spin-on-Gläsern kann dies sehr einfach erreicht werden
durch Strukturieren der Schicht selbst. Nur der verblei
bende Rest wirkt dann als lokale Quelle. Es kann aber auch
wie bei Diffusion aus der Gasphase, zunächst eine struk
turierte Maskierungsschicht aufgebracht werden, über die
dann ganzflächig das spin-on Glas gelegt wird.
Das Verfahren ist nicht auf die beschriebenen Anwendungs
beispiele beschränkt, es kann im Gegenteil mit allen
Verbindungshalbleitern als Substrat eingesetzt werden,
sofern nur die entsprechende Dotiermaterialien auf diese
Substrate abgestimmt sind.
Weiterhin ist es möglich, anstatt eines Ionenimplanta
tionsverfahrens ein Implantationsverfahren mit Hilfe
einer sogenannten Stoßionisation zu verwenden, das bei
spielsweise in der deutschen Patentanmeldung P 34 42 460
beschrieben ist.
Außerdem ist es möglich, das erfindungsgemäße Verfahren
auf Halbleitermaterialien anzuwenden, die im wesentlichen
aus einem Element bestehen, z. B. Silizium (Si) oder Germa
nium (Ge).
Claims (10)
1. Verfahren zur Herstellung mindestens eines pn-Über
ganges in einem Halbleiterkörper, insbesondere in einem
III/V- oder II/VI oder II/IV-Halbleiterkörper, bei welchem
der pn-Übergang im wesentlichen parallel zur Halbleiter
oberfläche liegt und bei welchem mindestens eine Wärmebe
handlung des Halbleiterkörpers erfolgt, dadurch gekenn
zeichnet,
- - daß durch Implantation in den Halbleiterkörper (1) mindestens ein erstes Dotierelement eingebracht wird, das einen Leitungstyp erzeugt,
- - daß auf den Halbleiterkörper (1) eine Oxidschicht (4) aufgebracht wird, die mindestens ein zweites Dotierelement enthält, und
- - daß das zweite Dotierelement durch Diffusion in den Halbleiterkörper (1) eingebracht wird und dort einen anderen Leitungstyp erzeugt.
2. Verfahren zur Herstellung mindestens eines pn-Übergan
ges nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß während
der Diffusion des zweiten Dotierelementes eine Wärmebe
handlung angewandt wird, welche das erste Dotierelement
aktiviert.
3. Verfahren zur Herstellung mindestens eines pn-Übergan
ges nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die Diffusion derart gewählt wird, daß
das zweite Dotierelement eine geringere Eindringtiefe (6)
besitzt als das erste Dotierelement.
4. Verfahren zur Herstellung mindestens eines pn-Übergan
ges nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die Diffusion und/oder Implantation
derart gewählt wird (werden), daß die Eindringtiefe (8)
des zweiten Dotierelements größer ist als diejenige des
ersten Dotierelements.
5. Verfahren zur Herstellung mindestens eines pn-Übergan
ges nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß auf den Halbleiterkörper (1) ein
das zweite Dotierelement enthaltende spin-on-Glas aufge
bracht wird, aus dem anschließend die Oxidschicht (4′)
erzeugt wird.
6. Verfahren zur Herstellung mindestens eines pn-Übergan
ges nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet,
- - daß auf den Halbleiterkörper (1) zunächst ein spin-on-Glas aufgebracht wird, welches das zweite Dotierelement enthält
- - daß anschließend durch das spin-on-Glas hindurch eine Implantation erfolgt, welche das erste Dotierelement enthält, und
- - daß anschließend eine Wärmebehandlung erfolgt, durch welche die Aktivierung der ersten sowie die Diffusion des zweiten Dotierelements erfolgen.
7. Verfahren zur Herstellung mindestens eines pn-Übergan
ges nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet,
- - daß der Halbleiterkörper (1) aus einem Verbin dungshalbleiter besteht, in dem Silizium einen n- Leitungstyp erzeugt und Zink einen p-Leitungstyp,
- - daß das erste Dotierelement Silizium ist und implantiert wird und
- - daß das zweite Dotierelement Zink ist und dif fundiert wird.
8. Verfahren zur Herstellung mindestens eines pn-Übergan
ges nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die Implantation durch ein Ionenim
plantationsverfahren durchgeführt wird.
9. Verfahren zur Herstellung mindestens eines pn-Übergan
ges nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die Implantation durch ein Stoßionisa
tionsverfahren erfolgt.
10. Verfahren zur Herstellung mindestens eines pn-Über
ganges nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß ein Halbleiterkörper (1) erzeugt wird,
der eine dotierte vergrabene Halbleiterschicht (5, Fig. 3)
unterhalb einer vorher erzeugten ebenfalls dotierten
Halbleiterschicht besitzt.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19863610157 DE3610157A1 (de) | 1986-03-26 | 1986-03-26 | Verfahren zur herstellung mindestens eines pn-ueberganges |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19863610157 DE3610157A1 (de) | 1986-03-26 | 1986-03-26 | Verfahren zur herstellung mindestens eines pn-ueberganges |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE3610157A1 true DE3610157A1 (de) | 1987-10-01 |
Family
ID=6297300
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19863610157 Withdrawn DE3610157A1 (de) | 1986-03-26 | 1986-03-26 | Verfahren zur herstellung mindestens eines pn-ueberganges |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE3610157A1 (de) |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
8110 | Request for examination paragraph 44 | ||
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