DE3708474A1 - Majoritaetstraeger-halbleiterbauelement und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents
Majoritaetstraeger-halbleiterbauelement und verfahren zu seiner herstellungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Majoritätsträger-Halbleiter
bauelement aus wenigstens einer 3-Schicht-Struktur wech
selnden Leitungstyps, wobei die mittlere hochdotierte
Schicht so dünn ist, daß sie ohne äußere angelegte Span
nung keine freien beweglichen Ladungsträger enthält.
Dioden dieser Art sind in der DE-OS 28 00 820, in der
GB-PS 15 73 309 sowie im Artikel von J. M. Shannon in
Appl. Phys. Lett. 35, S. 63, 1979, bereits vorgeschlagen
worden. Bei den neuartigen Majoritätsträger-Bauelementen
werden energetische Barrieren für Majoritätsträger da
durch erzeugt, daß in einem einkristallinen Halbleiter
material eine extrem dünne Schicht kontradotiert einge
bettet wird. So wird beispielsweise in ein n-leitfähiges
Material mit einer Dotierung von 1014 Atomen/cm3 eine
nur ca. 10 nm dicke Trennschicht extrem hoher Dotierung
von ca. 1019 Atomen/cm3 eingebaut. Wegen der geringen
Dicke der kontradotierten Schicht verbleiben dort nur
Akzeptorrümpfe, während die beweglichen Löcher vollstän
dig ausgeräumt sind. Solche Bauelemente haben im wesent
lichen das Verhalten einer Schottky-Diode mit dem Vor
teil, daß sie relativ rauscharm sind, da die Barriere im
Halbleitervolumen und nicht an der Halbleiteroberfläche
angeordnet ist. Ferner sind auch schon vertikale Transi
storkonfigurationen vorgeschlagen worden, bei denen heiße
Ladungsträger über eine Emissionsbarriere gesteuert in
eine dünne Basiszone einfließen, wonach sie über eine
daran anschließende 2. Barriere abgesaugt werden. Die
Barriereschichten werden auch bei solchen Transistoren
durch extrem schmale, gegenüber dem Umgebungsmaterial
kontradotierte Bereiche gebildet, die durch Diffusion
oder Ionenimplantation erzeugt werden und die so schmal
sind, daß in ihnen nur Akzeptorrümpfe verbleiben.
Dioden der genannten Art aus 3-Schicht-Strukturen wer
den insbesondere für Höchstfrequenzzwecke angewendet.
Ein bekanntes Herstellungsverfahren für solche Majori
tätsträger-Diodenstrukturen sieht vor, daß zunächst auf
einem Substrat eine Epitaxieschicht abgeschieden wird.
Durch eine nachfolgende zweifache Ionenimplantation wird
diese Epitaxieschicht in drei unterschiedlich dotierte
Bereiche unterteilt, wobei die mittlere Schicht eine
möglichst hohe Akzeptorkonzentration bei möglichst ge
ringer Schichtdicke aufweist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Majoritäts
träger-Halbleiterbauelement anzugeben, das leicht her
stellbar ist, abrupte Übergänge zwischen den einzelnen
Schichten aufweist und dessen Potentialbarriere auf ein
fache Weise einstellbar ist. Diese Aufgabe wird erfin
dungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruches 1 ge
löst.
Durch das selektive Wachstum der 3-Schicht-Strukturen
in Öffnungen einer Passivierungsschicht können vonein
ander isolierte Bauelemente hergestellt werden, wobei
durch die Wahl der Dickenverhältnisse der 3-Schicht-
Struktur und der Passivierungsschicht störende Kanten
effekte vermieden werden. Die 3-Schicht-Struktur nach
der Erfindung wird durch Tieftemperatur-Niederdruck-Gas
phasenepitaxie hergestellt. Dieses Verfahren hat den
Vorteil, daß die drei Schichten in einem Arbeitsprozeß
hergestellt werden können und steilere Dotierungsprofile
als mit der Ionenimplantation möglich sind. Bei der Tief
temperatur-Niederdruck-Gasphasenepitaxie scheiden sich
auf der Passivierungsschicht keine störenden Stoffe ab.
Kanteneffekte wie bei der Flüssigphasenepitaxie sind
gleichfalls ausgeschlossen. Das Substrat besteht vorzugs
weise aus Silizium und die Passivierungsschicht aus Si
liziumdioxid, wobei die Passivierungsschicht eine Viel
zahl von Öffnungen zur Abscheidung voneinander getrenn
ter 3-Schicht-Strukturen aufweisen kann. Durch die Dicke
der zuerst auf dem Substrat abgeschiedenen 3-Schicht-
Struktur kann die Höhe der Potentialbarriere eingestellt
werden.
Die Erfindung und ihre weitere vorteilhafte Ausgestal
tung soll anhand eines Ausführungsbeispieles näher er
läutert werden. In der Figur ist der Schnitt durch eine
3-Schicht-Struktur der erfindungsgemäßen Art dargestellt.
Auf einen hochdotierten n⁺-leitenden Substratkörper 1
aus einkristallinem Silizium wird durch thermische Oxi
dation eine Siliziumdioxidschicht 2 mit einer Schicht
dicke von ca. 0,6 bis 1,2 µm aufgebracht. Die Struktu
rierung der Oxidschicht erfolgt so, daß die Kanten der
z. B. rechteckförmigen Fenster 6 parallel zur (100)-
Orientierung angeordnet sind. Die strukturierte mit Fen
stern 6 versehene Anordnung wird einer chemischen Stan
dardreinigung unterworfen, bevor sie unmittelbar in den
Niederdruckreaktor eingebaut wird. Im Niederdruckreak
tor wird vorzugsweise mit Dichlorsilan und Wasserstoff
als Trägergas gearbeitet. Die Abscheidung der drei Halb
leiterschichten 3, 4 und 5 erfolgt in einem durchgehen
den Arbeitsprozeß, wobei jeweils nur die Zusammensetzung
der Gasströme verändert wird. Vor der Abscheidung der
ersten extrem niederdotierten n⁻-leitenden Schicht 3
erfolgt im Niederdruckreaktor eine in-situ-Reinigung.
Durch die in-situ-Reinigung wird das natürliche Oxid,
das sich im Fensterbereich wieder auf dem Silizium ge
bildet hat, entfernt. Dies geschieht durch Aufheizen
der Scheibe in der Niederdruckreaktoranlage auf ca.
890°C während einer Minute. Danach wird die Anlage auf
die Abscheidungstemperatur abgekühlt, wobei ein Gasstrom
von ca. 0,1 sccm Dichlorsilan den Reaktor durchfließt.
Die nächsten Verfahrensschritte dienen der Herstellung
der drei Schichten 3, 4 und 5. Zunächst wird eine un
dotierte Siliziumschicht 3 mit einer Dicke von ca. 0,5
bis 1,1 µm abgeschieden. Die Abscheidung erfolgt bei
2 mbar und 10 sccm Dichlorsilan sowie 300 sccm Wasser
stoff. Die Temperatur liegt unter 830°C beispielsweise
bei 800°C. Bei der Abscheidung der Schicht 3 wird den
Gasen kein Dotierungsmittel beigemischt. Trotzdem hat
die Schicht eine unvermeidbare, sehr geringe Hintergrund
dotierung. Auf die Schicht 3 wird unmittelbar im An
schluß an deren Abscheidung die sehr dünne p⁺-dotierte
Schicht 4 aufgebracht. Die Schicht 4 ist beispielsweise
10 bis 30 nm dick. Die Abscheidung dieser Schicht er
folgt unter 5 bis 10 sccm B2H6 1000 ppm in Wasserstoff.
Die Dotierungskonzentration der Schicht 4 liegt bei
spielsweise bei 3-6×1018 Atomen/cm3. Die 3. Schicht 5,
die n⁺-leitend ist und eine Dicke von ca. 20 nm aufweist,
wird unter 10-50 sccm PH3 1000 ppm in Wasserstoff ab
geschieden. Die Störstellenkonzentration dieser Schicht 5
liegt bei ca. 1-5×1019 Atomen/cm3. Bei der Abschei
dung der 3-Schicht-Struktur ist darauf zu achten, daß
die Gesamtdicke aller drei Schichten die der Passivie
rungsschicht 2 aus Siliziumdioxid nicht übersteigt.
Auf die oberste Halbleiterschicht 5 der 3-Schicht-Struk
tur wird nun noch ein ohmscher Kontakt 7 aufgebracht,
der aus der untersten Teilschicht 7 a aus Titan, der mitt
leren Schicht 7 b aus Platin und der obersten Schicht 7 c
aus Gold besteht. Alle drei Teilschichten haben bei
spielsweise eine Dicke von 300 nm. Der ohmsche Gegenkon
takt 8 wird am Substrat 1 angebracht.
Claims (11)
1. Majoritätsträger-Halbleiterbauelement aus wenigstens
einer 3-Schicht-Struktur wechselnden Leitungstyps, wobei
die mittlere hochdotierte Schicht (4) so dünn ist, daß
sie ohne äußere angelegte Spannung keine freien beweg
lichen Ladungsträger enthält, dadurch gekennzeichnet,
daß die 3-Schicht-Struktur (3, 4, 5) auf einem Substrat
(1) in der Öffnung (6) einer das Substrat (1) bedecken
den Passivierungsschicht (2) angeordnet ist, wobei die
3-Schicht-Struktur (3, 4, 5) höchstens so dick ist wie
die Passivierungsschicht (2).
2. Majoritätsträger-Halbleiterbauelement nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die 3-Schicht-Struktur (3,
4, 5) aus Tieftemperatur-Niederdruck-Gasphasenepitaxie
schichten besteht.
3. Majoritätsträger-Halbleiterbauelement nach Anspruch 1
oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (1)
zahlreiche, in voneinander getrennten Öffnungen der Pas
sivierungsschicht (2) angeordnete 3-Schicht-Strukturen
(3, 4, 5) enthält.
4. Majoritätsträger-Halbleiterbauelement nach einem der
vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das
Substrat (1) aus Silizium und die Passivierungsschicht
(2) aus Siliziumdioxid besteht und ca. 0,6-1,2 µm dick
ist.
5. Majoritätsträger-Halbleiterbauelement nach einem der
vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die
erste, unmittelbar auf dem Substrat (1) angeordnete
Schicht (3) vom ersten Leitungstyp extrem schwach do
tiert und ca. 0,5-1 µm dick ist, die darauf angeord
nete 2. Schicht (4) vom entgegengesetzten Leitungstyp ca.
10-30 nm dick ist und eine Dotierung von ca. 3 bis
6×1018 Atome/cm3 aufweist und daß die 3. Schicht (5)
vom ersten Leitungstyp schließlich ca. 20 nm dick ist
und eine Dotierung von ca. 1-5×1019 Atome/cm3 auf
weist.
6. Majoritätsträger-Halbleiterbauelement nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, daß auf der 3-Schicht-Struktur
(3, 4, 5) ein ohmscher Metallkontakt (7) aus Titan-Pla
tin-Gold angeordnet ist.
7.Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauelementes
nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekenn
zeichnet, daß die 3-Schicht-Struktur (3, 4, 5) durch
Tieftemperatur-Niederdruck-Gasphasenepitaxie mit Dichlor
silan in einem Folgeprozeß hergestellt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,
daß die Abscheidung der Schichten der 3-Schicht-Struktur
(3, 4, 5) bei einem Druck von ca. 2 mbar und bei einer
Temperatur ca. 800°C erfolgt.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeich
net, daß bei der Abscheidung der 3-Schicht-Struktur (3,
4, 5) Wasserstoff als Trägergas verwendet wird.
10. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß vor der Abscheidung der 3-
Schicht-Struktur (3, 4, 5) in der Abscheidungskammer
des Epitaxiereaktors ein Oberflächenreinigungsprozeß
durch Aufheizen auf ca. 890°C und anschließendes Ab
kühlen auf die Abscheidungstemperatur unter dem Einfluß
einer geringen Menge von Dichlorsilan durchgeführt wird.
11. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Passivierungsschicht (2)
so strukturiert wird, daß bei rechteckförmigen Öffnun
gen (6) in der Passivierungsschicht die Öffnungskanten
parallel zur (100)-Kristallrichtung verlaufen.
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