SE454631B - Sett for tillverkning av en integrerad halvledaranordning med den epitaxiella tillvexten uppdelad i tre separata steg stabiliserade vid tre olika temperaturer - Google Patents

Description

15 20 25 30 35 HO -.Wi 454 631 - 2' kollektorområdet, dvs. den som sträcker sig mellan basdiffusionens maximala inträngning och det försänkta skiktet, och är även direkt proportionell mot det faktiska tjockleksvärdet. Nämnda tjocklek re- duceras signifikant, tillsammans med den resulterande spänningen V(BR)cE0, genom utdiffusion hos det försänkta skiktet, vilket utgör det fenomen genom vilket detta intränger i epitaxskiktet. Denna in- trängning blir större ju högre temperatur halvledarelementen utsätts' för under den epitaxiella tillväxten, och ju högre temperatur som ut- nyttjas för de påföljande diffusionerna däri enligt kändP1aUaPfekflík» och även ju längre varaktighet dessa diffusioner har. Det bör ob- serveras att dessa diffusioner även måste inbegripa sådana för över- gångsisolering. Därav följer att den mest rationella metoden för uppnâende av maximal användbar epitaxial-tjocklek i kollektorområdet med ett minimum av förluster i epitaxial-tjocklek genom utdiffusion består i att reducera diffusionstiderna genom ökning av diffusions- hastigheten i de områden där detta är möjligt. Några processer base- rade på användning av polykristall för de isolerande områdena och kollektor-djupdiffusionen (så kallad sänka) är kända, hos vilka själva polykristallen betraktas såsom ett medel för uppnâende av snabba diffusioner inom dessa områden, och principen är även känd för epitaxiell alstring av polykristallen genom en föregående in- föring av polykristallina kärnor utnyttjande metoden med tillväxt i ángfasen och epitaxiell tillväxt av polykristallen och monokri- stallen tillsammans.

Det existerar emellertid faktiska svårigheter vid den sam- tidiga tillväxen av polykristallen och monokristallen på grund av vilka den senare blir av problematisk och sämre kvalitet, vilket ger ett lågt produktionsutbyte till följd av förefintligheten av skilda defekter (skiktningsfel). Inom ramen för ovannämnda huvud- syfte syftar uppfinningen även till att maximalt öka diffusions- hastigheten för dopämnena i de polykristallina områdena med hjälp av en metod, som möjliggör en kristallografisk orientering korre- lerad med denna maximihastighet och som kan reproduceras i industri- ell skala, samt vilken metod möjliggör en ren tillväxt i de mono- kristallina områdena, dvs. utan skiktningsfel, så att en användbar epitaxial-tjocklek för kollektorområdet uppnås med minsta möjliga förlust i epítaxial-tjocklek på grund av utdiffusion.

Ovannämnda syften uppnås genom att sättet enligt uppfinningen erhållit de i patentkravet 1 angivna kännetecknen.

Uppfinningen baserar sig på en uppdelad epitaxiell tillväxt, 10 15 20 25 30 35 HO _ __.-._-.........«_.¿ 3' 454 631 genom vilken samtidigt erhålles en polykristallin epitaxial- tjocklek, övervägande innehållande kiselkristaller med samma ori- entering (110> över de förutbestämda områdena för isoleringen och kollektorsänkan, och en monokristallin epitaxial-tjocklek med minsta möjliga defekta innehåll över de återstående områdena. Den- na uppdelning av den epitaxiella tillväxten består av ett första steg, vilket är avsett endast för utfällning av polykristaller, varvid tjockleken är minsta möjliga för uppnående av en domineran- de orientering <110> , typiskt cirka 6000 - 8000 Å, och reaktions- temperaturen ligger mellan 700°C och 80000, samt varvid reagensmed- len SiHu och H föreligger i volymproportionen 1/200 och tillväxt- hastigheten är approximativt 1000 Å/min, utan något dopämne i reak- tionen; och ett andra steg inbegripande begränsad tillväxt på poly- kristallen och monokristallen till en tjocklek av approximativt 30 000 A (mätt på monokristallen) med en reaktionstemperatur av cirka 1100°C, varvid reagensmedlen utgörs av SiC1u och H med PH3 som dopämne och en tillväxthastighet uppnås av 2000 - 3000 Å/min; plus ett tredje steg omedelbart följande efter det andra steget, hos vilket temperaturen ökas till cirka 1200°C och samma reagens- medel och dopämne används som i det andra steget, men med en högre koncentration av SiCl än i det andra steget, varvid en tillväxt- hastighet av 10 000 -u15 000 Å/min uppnås. Det tredje steget avslutas när den totala erforderliga tjockleken uppnåtts för det fastlagda värdet på V(BR)CEO.

Uppfinningen kommer att beskrivas närmare i det följande med hjälp av en icke begränsande tillverkningsmetod för en halvledar- anordning under hänvisning till fig. 1-11 på bifogade ritning, av vilka figurer endast fig. H, 6 och 7 hänför sig till den nya delen av metoden. Dimensionerna av de i figurerna visade skikten och öpp- ningarna är icke skalenliga. Pig. 1 på ritningen visar isolerings- masken, fig. 2 visar isolerings-fördopningen, fig. 3 visar öppningen för kollektorsänkan, fig. H visar det första steget av den epitaxiel- la utfällningen enligt uppfinningen, fig. 5 visar defínieringen av de geometriska konturer som förinställts vid det första steget, fig. 6 visar det andra steget av den epitaxiella utfällningen enligt uppfinningen,fig. 7 visar det tredje steget av den epitaxiella ut- fällningen enligt uppfinningen, fig. 8 visar den övre dopningen av isoleringsstaplarna, fig. 9 visar diffusionen av isoleringsdopämnet, fig. 10 visar bildandet av basområdet, och fig. 11 visar bildandet av emitterområdet och fullbordandet av kollektorsänkan. ' 10 15 20 25 30 35 40 454 631 . H Se fig. 1 - Substratet 1 av P-ledande kisel är redan förbe- rett med ett N+-dopet försänkt skikt 2 och med en Si02-mask 3, vil- ken är försedd med öppningar endast i de monokristallina områdena i och för bildande av isoleringen. Detta är förut känt.

Se fig. 2. - Substratet P+-fördopas vid isoleringsstaplarnas bottenområden 5 igenom öppningarna H enligt fig. 1. Detta är förut kast.

Se fig. 3 - Definiering av kollektorsänkans geometriska kontur i form av en öppning 6 i S102-masken 3 vid omrâdet för det försänk- ta skiktet 2. Detta är förut känt.

Se fig. H. - Epitaxiell utfällning (första steget) av polykri- stallint kisel över hela ytan, omfattande masken 3 med öppningarna 4 och 6. Det generella konceptet för denna operation är känt, men förhållandena, i avsikt att uppnå den dominerande orienteringen <fi10> i polykristallen, för realisering av uppfinningen i samband med följande operationer är såsom följer: Tjocklek mellan 6000 A och 8000 Å, temperatur mellan 700°C och 800°C, reagensmedel Sifiu och H i volymproportion 1/200, samt tillväxthastighet 1000 Å/min.

Se fig. 5. Definiering av de geometriska konturer, som för- inställts vid det första steget. Figuren visar endast resultatet av operationerna. Allt polykisel som erhållits vid den i fig. R vi- sade operationen täcks med SiO2. Denna andra oxid maskeras med foto- resist för skydd av de områden av det andra Si02-skiktet, som befin- ner sig över det polykisel som förefinnes i öppningarna H och 6.

Den andra oxiden angrips kemiskt och avlägsnas från de områden, som icke är skyddade av fotoresisten, polykristallen angrips kemiskt och avlägsnas, och fotoresisten avlägsnas, varefter hela den åter- stående oxiden kemiskt angrips till dess att den helt avlägsnats.

Såsom slutresultat återstår de geometriska konturerna av isole- ringen 7 och sänkan 8 i relief pâ substratet. Samtliga angivna ope- rationer är förut kända. Endast beskaffenheten med den <ïHÛ -ori- enterade polykristallen med en tjocklek 9 mellan 6000 Å och 8000 Å, bildad vid den såsom det första steget angivna operationen, hänför sig till uppfinningen.

Se fig. 6. - Epitaxiell utfällning (andra steget). En be- gränsad epitaxiell tillväxt realiseras till en resulterande tjock- lek 10 av cirka 30 000 Å (mätt på monokristallen) över både de om- råden, på vilka polykristallen skall tillväxa, och de områden, på vilka monokristallen skall tillväxa. Tíllväxtbetingelserna är: Reaktionstemperatur cirka 110000, reagensmedel SiClu ¿ch H med PH3 som dopämne, samt tillväxthastighet 2000 - 3000 Å/min. Denna be- 10 15 20 25 30 35 HO s' 454 631 gränsade tillväxt, med dess reaktionsbetingelser, utgör en del av uppfinningen i relation till den efterföljande tillväxten med andra reaktionsbetingelser. Under detta steg börjar diffusionen av isoleringsomrádena 7 och kollektorsänkans område 8, med en par- tiell utdiffusion hos det försänkta skiktet, såsom framgår av fig. 11.

Se fig. 7 - Epitaxiell utfällning (tredje steget). En be- gränsad epítaxiell tillväxt (12) realiseras mellan den tjocklek av cirka 30 000 A, som redan erhållits vid det andra steget, och den totala för anordningen erforderliga tjockleken. Exempelvis vid en anordning med en minimigenombrottsspänning V(BR)CE0 av 100 volt skulle denna totala tjocklek behöva uppgå till 210 000 - 250 000 Å.

Tillväxtbetingelserna för detta tredje steg är helt annorlunda än vid det andra steget. Temperaturen höjs till cirka 1200°C och till- växthastighbten ökar till 10 000 - 15 000 Å/min, icke endast bero- ende på den höjda temperaturen utan även på grund av en ökning av halten SiClu relaterat till halten H, jämfört med förhållandena vid det föregående steget (andra epitaxiella tillväxten).Vid detta tred- je steg förekommer ytterligare diffusion i isöleringsomrádena 7 och kollektorsänkans omrâde 8, jämte ytterligare utdiffusion hos det för- sänkta skiktet. De speciella tillväxtbetingelserna för det tredje steget utgör även en väsentlig del av uppfinningen. Övergången från det andra till det tredje steget av epitaxíell tillväxt sker över den strikt nödvändiga tidsperiod, som krävs för att den epitaxiella reaktionen skall uppnå den för det tredje steget nya stabiliserade temperaturen.

Se fig. 8 - övre dopning av isoleringsstaplarna. Denna opera- tion utförs enligt känd teknik. Figuren visar endast mellantill- ståndet, där det i öppningarna 7' tillförda P-dopämnet, icke ännu har diffunderat. Dessa öppningar är, såsom visas, anordnade i ett skikt 13 av SíO2, vilket anbringas efter den tredje epitaxiella tillväxten, därefter naskas med en fotoresist och sedan kemiskt an- grips. Detta SiO2-skikt bildas på termisk väg.

Se fig. 9. - Diffusion av isoleringsdopämnet. Förfarandet är känt. Endast den dominerande förefintligheten av <ï1Q> -orientering i den polykristall, som erhållits med de tre epitaxiella tillväxt- stegen på <ÜOQ> -substratet, hänför sig till uppfinningen. Fig. 9 vi- sar hur diffusionen i de skilda områdena och utdiffusionen hos det försänkta skiktet fortskrider. Därvid förflyttar sig icke endast det dopämne, som tillförts överst vid isoleríngsstapeln i riktning mot 10 15 20 25 454 631 6 substratet, utan det P-dopämne, som tidigare tillförts vid plat- sen 5 enligt fig. 2 förflyttar sig även i riktning mot det område, som ligger omedelbart nedanför öppningarna 7'. Diffusionen av kol- lektorsänkan sträcker sig även in i dess egen polykristallina sta- pel, och utdiffusionen hos det försänkta skiktet 10 sträcker sig in i monokristallen. Öppningarna 7' slutes på grund av inverkan av den oxiderande atmosfär, i vilken operationen enligt känd teknik äger rum.

Se fig. 10 - Bildande av basomrâdet. Detta förfaringssteg ut- förs även enligt känd teknik, genom maskning med fotoresist och ke- misk angripníng av oxiden i och för öppning av det övre skíktet 13 av Si02 vid baszonen 15, varefter P-ytdopning och diffusion av det- ta dopämne äger rum. Samtidigt med bildandet av öppningen 15 öppnas ånyo de öppningar 7' , som blev slutna under isoleringsdiffusionen, i avsikt att möjliggöra en ytterligare påfyllning av P-dopämne i isoleringsstaplarna. Pig. 10 visar det diffunderade basomràde 16, som erhållits vid upphörandet av basdiffusionen.

Se fig. 11. - Bildande av emitteromràdet och fullbordande av kollektorsänkan. Det övre Sí02-skiktet sluts över basen och isole- ringsomrâdena enligt känd teknik, och öppnas därefter vid den poly- kristallina sänkans stapel 17 och vid emitterzonen 18. Diffusion med N+-dopämne igenom öppningarna 17, 18 sker därefter i och för bildande av emitteromrádet 19 och'för fullbordande av kollektor- sänkan 20. Av figurerna framgår inga av de efterföljande erforder- liga förfaringsstegen för fullbordande av anordningen enligt känd teknik före dess inkapsling, dvs. bildande av kontakter, metalli- sering av kontakter, eller skydd av alla aktiva områden mot ytde- generering.

Claims (2)

454 631 Patentkrav

1. Sätt för tillverkning av en integrerad halvledar- anordning, vilken innefattar minst en vertikal, bipolär planar-epitaxialtransistor av NPN-typ och övergàngsisolerings- staplar pà ett substrat av P-ledningstyp och kristallografisk orientering (100), vilket är underkastat epitaxiell tillväxt med halvledande områden av kisel, som är av polykristallin typ med samma ledningstyp som substratet för isoleringsomràdena och kollektorsänkans område, och av monokristallin typ med motsatt ledningstyp i förhållande till substratet för de ster- stäende partierna, samt ett flertal likartat isolerade över- gàngselement, k ä n n e t e c k n a t av att den epitaxiella tillväxten är uppdelad i tre separata steg stabiliserade vid tre olika temperaturer, nämligen ett första steg, vilket är ytbegränsat till isoleringsomràdena och kollektorsänkans omrâde och tjockleksbegränaat till cirka 6000 - 8000 Å under frånvaro av dopämne och vid en första temperatur av mellan 700°C och 800°C, varvid reagensmedel SiH4 och H utnyttjas i volymproportion 1/200 och tillväxthastigheten uppgår till cirka IOOOÅ/min, ett andra steg, vilket, förutom områdena i det första steget, även omfattar de återstående ytorna av substratet och är tjockleksbegränsat till cirka 30 000 Å och utfört under närvaro av ett PH3-dopämne vid en andra tempera- tur av cirka 1100°C, varvid reagensmedel SiC14 och H utnyttjas och tillväxthastigheten uppgår till 2000 - 3000 Å/min, samt ett tredje steg till den tjocklek, som är bestämd av konstruk- tionskraven, vid en tredje temperatur av cirka 1200°C och med reagensmedel av samma typ som vid det andra steget, men med en högre koncentration av SiC14 än i det andra steget, sa att en tillväxthastighet av 10 000 - 15 000 Å/min uppnås, varjämte det andra och det tredje steget är àtskilda endast den tid, som erfordras för att den epitaxiella reaktionen skall övergå fràn den andra till den tredje stabiliserade reaktionstempera- turen.

2. Sätt enligt kravet 1, k ä n n e t e c k n a t av att det polykristallina kiselmaterialet hos isoleringsomràdena och kollektorsänkans område har en dominerande kriatallogra- fisk orientering (110).