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DE1276215C2 - Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauelementes mit mindestens einem p-n-UEbergang - Google Patents

Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauelementes mit mindestens einem p-n-UEbergang

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DE1276215C2
DE1276215C2 DE1965S0096425 DES0096425A DE1276215C2 DE 1276215 C2 DE1276215 C2 DE 1276215C2 DE 1965S0096425 DE1965S0096425 DE 1965S0096425 DE S0096425 A DES0096425 A DE S0096425A DE 1276215 C2 DE1276215 C2 DE 1276215C2
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Siemens AG
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Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND
DEUTSCHES
PATENTAMT
PATENTSCHRIFT
Int. Cl.:
HOU
DeutscheKl.: 21g-11/02
Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
P 12 76 215.1-33 (S 96425)
8. Aprill 965
29. August 1968
10. April 1969
Auslegetag:
Ausgabetag.
Patentschrift stimmt mit der Auslegeschrift uberein
Eines der wesentlichen Merkmale der Verfahren zum Herstellen von sogenannten Planar-Halbleiterbauelementen, insbesondere auf Siliziumbasis, bestellt darin, daß auf der Oberfläche eines Halbleiterkristalls des einen Leitungstyps zunächst eine möglichst ungestörte, insbesondere aus SiO2 bestehende Schutzschicht, vorzugsweise durch Oxydation, hergestellt und dann durch EindifIundieren eines gasförmigen, den entgegengesetzten Leitungstyp erzeugenden Dotierungsstoffes in den Halbleiterkristall ein p-n-Über- gang hergestellt wird. Bei diesem Herstellungsverfahren wird der entstehende p-n-Übergang unter die Schutzschicht verschoben. Dadurch ist die Ausbildung der durch Anlagerung von Feuchtigkeit und anderen in der Atmosphäre stets vorhandenen polaren Substanzen bedingten Störungen weitgehend unterbunden. Dabei ist es nicht unbedingt notwendig, daß der den p-n-Übergang erzeugende Dotierungsstoff durch ein Fenster in der vorher erzeugten Schutzschicht in den Halbleiterkristall eindiffundiert wird, ao da der p-n-Übergang auch unter eine nachträglich erzeugte Schutzschicht, z. B. eine SiO2-Schicht — selbst wenn diese durch Oxydation der Kristalloberfläche entstanden ist — durch eine weitere, nachfolgende Diffusion verschoben werden kann. Ein der- artiges Verfahren ist jedoch langwierig und kann zu einer erheblichen Verschlechterung der passivierenden Eigenschaften der Schutzschicht neben weiteren Nachteilen führen, obwohl er andererseits auch zu besonders günstigen Halbleiterbauelementen (mit einer hohen Durchbruchspanmmg) führen kann.
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauelementes mit mindestens einem p-n-Übergang, bei dem der Halbleiterkristall mit einer Folge aus drei unterschiedlich dotierten Zonen versehen wird, von denen die beiden äußeren Zonen entgegengesetzten Leitungstyp aufweisen. Die Erfindung besteht darin, daß die mittlere Zone und die beiden äußeren Zonen in an sich bekannter Weise mit solchen Stoffen dotiert und einer solchen Wärmebehandlung unterworfen werden, daß der Leitungstyp der gesamten mittleren Zone in den entgegengesetzten Leitungstyp umschlägt und die Umwandlung des Leitungstyps der mittleren Zone ohne oder nur teilweise durch Störstellendiffusion im Bereich der mittleren Zone stattfindet, während der Leitungstyp der beiden äußeren Zonen erhalten bleibt, daß nach der Dotierung der Zonen des HaIbleiterkristalls die Kristalloberfläche mindestens an denjenigen Stellen,, an denen der p-n-Übergang zwisehen der mittleren Zone nach der Umwandlung ihres Leitungstyps und der zu ihr nach der Umwandlung Verfahren zum Herstellen eines
Halbleiterbauelementes mit mindestens einem
p-n-Übergang
Patentiert für
Siemens Aktiengesellschaft, Berlin und München, 8000 München 2, Wittelsbacherplatz 2
Als Erfinder benannt: Dr. Friedlich Kraus, 8014 Neubiberg
ihres Leitungstyps den entgegengesetzten Leitungstyp aufweisenden äußeren Zone die Kristalloberfläche erreichen wird, mit einer Schutzschicht abgedeckt wird und daß erst dann die Wärmebehandlung zur Umwandlung des Leitungstyps der mittleren Zone vorgenommen wird.
Wie vorstehend durch die Worte »in an sich bekannter Weise« zum Ausdruck gebracht ist, war es bereits bekannt, daß ein Halbleitertristall mit solchen Stoffen dotiert und einer solchen Wärmebehandlung unterworfen werden kann, daß der Leitungstyp in dem ganzen Halbleiterkristall oder in einem Teil des Halbleiterkristalls sich in den entgegengesetzten Leitungstyp umwandelt und die Umwandlung ohne oder nur teilweise durch Störstellendiffusion stattfindet. Es war außerdem bekannt, Kristalloberflächen mit einer Schutzschicht zu versehen und diese Schutzschicht als Diffusionsmaske bei der Herstefiung von sogenannten Planar-Halbleiterbauelementen zu verwenden. Schließlich war das Eindtffundieren von n- bzw. p-Leitfähigkeit bewirkenden Stoffen in einen HalbieiterkristalI zum Erzeugen von p-tt-Übergängen bekannt.
Bei der Ausführung des Verfahrens nach der Erfindung wird zur Bildung der Folge von drei unterschiedlich dotierten Zonen in dem HalbleiterkristaU vorzugsweise so verfahren, daß zunächst der Halbleiterkristall mit einem Dotierungsstoff versehen wird, dessen Leitungstyp sich durch eine spezifische Wärmebehandlung auch ohne merkliche Störstellendiffusion ändern läßt, daß dann in dem Halbleiterkristall zwei vbn einer wie vorstehend angegebenen dotierten Zonte getrennte Zone von einander entgegengesetzten! Leitungstyp ohne Umwandlung des Leitungstyps der mittleren Zonfe derart erzeugt wer-
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3 4
den, daß die beiden äußeren Zonen im Gegensatz zur der Fall. Es besteht aber auch die Möglichkeit, den
mittleren Zone ihren Leitungstyp bei der spezifischen die Umwandlung bestimmenden DotierungsstofI erst
Wärmebehandlung zur Umwandlung des Leitungs- nach der Bildung der beiden äußeren Zonen in den
typs der mittleren Zone nicht ändern. Halbleiterkristall einzubringen, wie im zweiten Aus-
Bei der Ausführung des Verfahrens nach der Erfin- 5 führungsbeispiel gezeigt wird. Als Dotierungsstoffe,
dung empfiehlt sich, bei der Herstellung der beiden die die Umwandlung des Leitungstyps bei einer
äußeren Zonen deren kleinsten Abstand größer als Wärmebehandlung bewirken, kommen vor allem
die Strecke einzustellen, welche die DotierungsstofIe Sauerstoff, Schwefel und verwandte Elemente, gege-
der beiden äußeren Zonen in der mittleren Zone bei benenfalls Kohlenstoff, und auch Schwermetalle, z. B.
nachfolgenden Erwärmungen des Hälbleiterkristalls, io Kupfer, in Betracht.
die zur Fertigstellung des Halbleiterbauelementes an- In beiden Ausführungsbeispielen sollen Mesagewendet werden, maximal diffundieren können, was dioden (Mesoxdioden) aus dem in F i g. 2 dargestellinfolge der Langsamkeit der zu erwartenden Diffu- ten Halbleiterkristall und dessen Schutzschicht — und sionsvorgänge ohne Schwierigkeiten zu erreichen ist. zwar gleichzeitig mehrere von ihnen aus einer einFür die Dotierung der mittleren Zone bestehen im 15 zigen Halbleiterscheibe — hergestellt werden. Zu wesentlichen folgende Möglichkeiten: diesem Zweck wird in der Halbleiterscheibe 1 zu-
a) Die mittlere Zone enthält als einzigen Dotie- nächst eine Zonenfolge n+pp+ erzeugt, und dann rungsstoff einen solchen die Umwandlung des der Leitungstyp der mittleren Zone in den n-Lei-Lehungstyps bestimmenden Stoff, QeT bei einei tungstyp umgewandelt. In der F 1 g. 1 ist der Haib-Wärmebehandlung in einem Temperaturbereich 20 leiterkristall 1 in dem Zustand nach der Erzeugung B1 als Akzeptor und in einem anderen Tempe- der Dreizonenfolge in der F i g. 2 nach der Erzeugung raturbereich B2 als Donator eingebaut wird. der Mesaberge und der Schutzschicht dargestellt. Die Falls mit einem solchen Dotierungsstoff der ge- umzuwandelnde mittlere Zone ist mit 2, die η+-Zone samte Halbleiterkristall dotiert wird, muß die mit 3 und die p+-Zone mit 4 bezeichnet. Auf der Dotierung derjenigen äußeren Zone, deren Lei- 25 Seite der p+-Zone 4 werden verschiedene Mesatungstyp gleich dem der mittleren Zone vor der berge 5 herausgeätzt, wobei der Halbleiterkristall 1 Umwandlung ist, mit einem diesen Leitungstyp durch Ätzung bis in die mittlere Zone 2 hinein abgeerzeugenden, seine Dotierungswirkung bei einer tragen wird. Dann wird die Kristallobernäche minde-Wärmebehandlung nicht ändernden Dotierungs- stens an der gesamten mit den Mesabergen 5 verStoff in einer Konzentration erfolgen, die höher 30 sehenen Seite mit einer SiO2-Schicht 6 überzogen, ist als die des zur Umwandlung zugesetzten Do- worauf sich die üblichen zur Fertigstellung der eintierungsstoffes. zelnen Dioden erforderlichen und bekannten, insbe-
b) Enthält auch die mittlere Zone neben dem sondere der Kontaktierung dienenden, Arbeitsschritte — unter a) genannten — die Umwandlung ihres anschließen.
Leitungstyps bestimmenden Dotierungsstoff 35 Beim ersten Ausführungsbeispiel besteht der Halbnoch einen weiteren, seine Dotierungswirkung leiterkristall 1 aus p-leitendem, mit Sauerstoff dotiernicht ändernden Dotierungsstofl, so muß dieser tem Silizium, dessen Stauerstoffdotierung oberhalb in der mittleren Zone stets in geringerer Konzen- von 1000° C erfolgt und das vorzugsweise durch tration als der die Umwandlung bestimmende Kristallisation aus der Schmelze hergesellt ist. Unter Dotierungsstofl vorhanden sein, da sonst der 40 diesen Bedingungen eingebauter Sauerstoff erscheint seine Dotierungswirkung nicht ändernde Dotie- weder als Donator noch als Akzeptor. Die Dotierung rungsstoff den Leitungstyp der mittleren Zone ergibt p-Leitung und ist auf einen spezifischen Widerdauernd festlegen würde. stand von mindestens 1 Ohm ■ cm bei Normaltempe-
c) Der die Umwandlung des Leitungstyps der mitt- ratur eingestellt, z. B. durch einen Borgehalt von leren Zone bestimmende Dotierungsstoff kann 45 2 · IOie Atomen/cm3 bei einem ohne weiteres zu auch derart ausgewählt sein, daß er nicht wie die verwirklichenden Sauerstoffgehalt von IO17 bis unter a) genannten Dotierungsstoffe in den IO18 Atomen/cm3. In dem auf diese Weise mit einer Halbleiterkristall eingebaut wird, sondern bei Grunddotierung versehenen Siliziumkristall wird nun einer Wärmebehandlung in einem Temperatur- bei beispielsweise 1200° C auf der einen Seite eine bereich B3 als Donator oder Akzeptor und in 50 ρ+-Zone 4 durch Bordiffusion, auf der anderen Seite einem anderen TemperaturbereichB4 als neu- eine η+-Zone 3 durch Phosphordiffusion gebildet, trale Substanz, d. h. weder als Akzeptor noch als Die Leitfähigkeit in den beiden Zonen 4 und 3 entDonator, eingebaut wird. spricht z. B. einem Gehalt von IO20 Bor- bzw. Phos-
d) Weiterhin ist es denkbar, zu der die Umwand- phoratomen je Kubikzentimeter. Nach dem Diffu-Iung des Leitungstyps der mittleren Zone be- 55 sionsprozeß werden die Mesaberge 5 an der p+-Seite stimmenden Dotierung eine Kombination zweier herausgeätzt. Dann wird die Kristalloberfläche minoder mehrerer Stoffe oder einen komplexen destens an dieser Seite vollständig mit einer SiO2-Stoff, der bei seinem Zerfall im Halbleiterkristall Schicht 6 überzogen, was zweckmäßig durch Oxydawirksam wird, zu verwenden. Bei dem Zerfall tion der Kristalloberfläche geschieht. Durch eine etwa kann eine Dotierungswirkung entwickelt oder 60 3stündige Wärmebehandlung bei etwa 450° C wird eine Dotierungswirkung des komplexen Stoffes bei der angegebenen Konzentration der Dotierungszum Verschwinden gebracht werden. stoffe die mittlere Zone 2 infolge ihres Sauerstoff-
Das Einbringen des die Umwandlung des Leitungs- gehaltes n-leitend. typs der mittleren Zone bestimmenden Dotierungs- Will man die »umgekehrte«: Zonenfolge herstellen, stoffes kann bereits beim Entstehen des Halbleiter- 65 so kann man unmittelbar nach der Erzeugung der beikristalls, also gewissermaßen als Grunddotierung, er- den äußeren Zonen 3 und 4 die 450° C-Wärmefolgen. Dies ist bei dem nachfolgenden ersten Aus- behandlung vornehmen, von der n+-Seite her die führungsbeispiel des Verfahrens nach der Erfindung Mesaberge 5 ätzen, dann eine Schutzschicht 6, z. B.

Claims (13)

aus Glas, bei niedriger Temperatur aufbringen und schließlich bei einer oberhalb 1000° C liegenden Temperatur eine mehrstündige Wärmebehandlung zur erneuten Umwandlung des Leitungstyps der mittleren Zone 2 vornehmen. Unter Umständen findet bei dieser Ausführungsweise ein Nachdiffundieren der Dotierungsstoffe der beiden äußeren Zonen 3 und 4 in die mittlere Zone 2 statt. Schließlich ist in manchen Fällen nicht zu umgehen, daß bei der Fertigung eines Halbleiterbauelementes der Übergang von einem vorangehenden Arbeitsschritt zu einem nachfolgenden Arbeitsschritt über einen Temperaturbereich führt, in dem eine Umwandlung der mittleren Zone stattfände, wenn die Erwärmung in diesem Temperaturbereich genügend lange dauern würde. Es empfiehlt sich deshalb, die Umwandlung der mittleren Zone durch eine Wärmebehandlung bei einer verhältnismäßig niedrigen Temperatur vorzunehmen. Nach dem zweiten Ausführungsbeispiel wird als Halbleitermaterial η-leitendes Germanium verwendet, dessen spezifischer Widerstand bei Normaltemperatur etwa 0,6 Ohm · cm beträgt. Durch Eindiffusion von Bor wird an der einen Seite eines scheibenförmigen Halbleiterkristalls 1 eine p+-leitende Zone 4 und durch Eindiffusion von Phosphor eine n+-leitende Zone 3 in üblicher, bekannter Weise hergestellt. Dann wird in den Halbleiterkristall 1 von allen Seiter her Kupfer eindiffundiert, indem zunächst die Oberfläche des Halbleiterkristalls mit einem Kupferüberzug versehen und das Kupfer durch eine Erwärmung auf etwa 850° C eindiffundiert wird. Man wendet zweckmäßig eine Diffusionsdauer von etwa einer halben Stunde an, so daß der Halbleiterkristall in der mittleren Zone 2 eine homogene p-Leitfähigkeit und einen spezifischen Widerstand von etwa 0,5 Ohm · cm erhält. Die Vielfachätzung zur Ausbildung der Mesaberge 5 erfolgt wiederum auf der Seite der P+-Zone 4. Die SiO2-Schicht 6 läßt sich außer durch Aufdampfen auch durch thermisches Zersetzen von Kieselsäuretetraäthylesterdampf, der — zweckmäßig mit Argon verdünnt — zur Bildung der SiO2-Schicht 6 mit der auf etwa 650 bis 700° C erhitzten Oberfläche des Germaniumkristalls 1 in Kontakt gebracht wird, aufbringen. Zur Umwandlung des p-Leitungstyps der mittleren Zone 2 in den n-Leitungstyp wird dann eine mehrstündige Wärmebehandlung bei etwa 520° C vorgenommen. Patentansprüche:
1. Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauelementes mit mindestens einem p-n-Übergang, bei dem der Halbleiterkristall mit einer Folge aus drei unterschiedlich dotierten Zonen versehen wird, von denen die beiden äußeren Zonen entgegengesetzten Leitungstyp aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Zone (2) und die beiden äußeren Zonen (3, 4) in an sich bekannter Weise mit solchen Stoffen dotiert und einer solchen Wärmebehandlung unterworfen werden, daß der Leitungstyp der gesamten mittleren Zone (2) in den entgegengesetzten Leitungstyp umschlägt und die Umwandlung des Leitungstyps der mittleren Zone (2) ohne oder nur teilweise durch Störstellendiffusion im Bereich der mittleren Zone (2) stattfindet, während der Leitungstyp der beiden äußeren Zonen (3, 4) erhalten bleibt, daß nach der Dotierung der Zonen (2, 3, 4)
des Halbleiterkristalls (1) die Kristalloberfläche mindestens an denjenigen Stellen, an denen der p-n-Ubergang zwischen der mittleren Zone (2) nach der Umwandlung ihres Leitungstyps und der zu ihr nach der Umwandlung ihres Leitungstyps den entgegengesetzten Leitungstyp aufweisenden äußeren Zone (4) die Kristalloberfläche erreichen wird, mit einer Schutzschicht (6) abgedeckt wird und daß erst dann die Wärmebehandlung zur Umwandlung des Leitungstyps der mittleren Zone (2) vorgenommen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Herstellung der beiden äußeren Zonen (3, 4) deren kleinster Abstand größer als die Strecke eingestellt wird, welche die Dotierungsstoffe der beiden äußeren Zonen (3, 4) in der mittleren Zone (2) bei nachfolgenden Erwärmungen, die zur Fertigstellung des Halbleiterbauelementes angewendet werden, maximal diffundieren können.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Zone (2) mit einem solchen die Umwandlung des Leitungstyps bestimmenden Stoff dotiert wird, der bei einer Wärmebehandlung in einem Temperaturbereich B1 als Akzeptor und in einem anderen Temperaturbereich B2 als Donator in den Halbleiterkristall (1) eingebaut wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Zone (2) mit einem solchen die Umwandlung des Leitungstyps bestimmenden Stoff dotiert wird, der bei einer Wärmebehandlung in einem Temperaturbereich B t als Akzeptor oder Donator und in einem anderen Temperaturbereich Bi als neutrale Substanz eingebaut wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zu der die Umwandlung des Leitungstyps der mittleren Zone (2) bestimmenden Dotierung eine Kombination zweier bzw. mehrerer Stoffe oder ein komplexer Stoff, der bei seinem Zerfall im Halbleiterkristall wirksam wird, verwendet wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Dotierung der mittleren Zone (2) als die Umwandelbarkeit des Leitungstyps bestimmender Stoff mindestens einer der Stoffe Sauerstoff, Schwefel, Kohlenstoff oder ein Schwermetall verwendet wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6. dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung von Silizium als Halbleitermaterial dieses mit Sauerstoff und mit einem seine Dotierungswirkung bei einer Wärmebehandlung nicht ändernden Akzeptormaterial dotiert wird, wobei die Sauerstoffkonzentration höher als die Konzentration des seine Dotierungswirkung bei einer Wärmebehandlung nicht ändernden Akzeptormaterials eingestellt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Umwandlung des Leitungstyps der mittleren Zone (2) in den n-Leitungstyp bei 450° C und die Umwandlung in den p- L eitungstyp bei 1000° C vorgenommen wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung von Germanium als Halbleitermaterial dieses mit Kupfer und mit einem seine Dotierungswirkun^
1 276
bei einer Wärmebehandlung nicht ändernden Donatormaterial dotiert wird, wobei die Kupferkonzentration höher als die Konzentration des seine Dotierungswirkung bei einer Wärmebehandlung nicht ändernden Donatormaterials eingestellt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Umwandlung des Leitungstyps der mittleren Zone (2) in den n-Leitungslyp bei 520° C und die Umwandlung in den p-Leitungstyp bei 850° C vorgenommen wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Dotierung der beiden äußeren Zonen (3, 4) bei höherer Temperatur als die Umwandlung der mittleren Zone (2) vorgenommen wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der die Umwandlung des Leitungstyps der mittleren Zone (2) bestimmende Stoff nach der den Leitungstyp der beiden äußeren Zonen (3, 4) bestimmenden Dotierung und vorzugsweise auch nach der den Leitungstyp der mittleren Zone (2) zunächst bestim-
menden Dotierung in den Halbleiterkristall (1) eir<diffundiert wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst an der die n-+Zone (3) bzw. die p+-Zone (4) aufweisende Seite eines scheibenförmigen Halbleiterkristalls (1) mit der Schichtenfolge n+np+ oder η+pp+ mindestens ein Mesaberg (5) durch eine den Halbleiterkristall (1), jedoch nicht die Mesaberge (5), bis mindestens in die mittlere Zone (2) hinein abtragende Ätzung erzeugt, dann die mit den Mesabergen (5) versehene Seite des Halbleiterkristalls (1) mit einer Schutzschicht (6) überzogen und dann die Wärmebehandlung zur Umwandlung des Leitungstyps der mittleren Zone (2) vorgenommen wird.
In Betracht gezogene Druckschriften: US A.-Patentschrift Nr. 2 603 692; The Bell System Technical Journal«, Bd. 35 (1956), Nr. 3, S. 661 bis 684;
»Journal of the IEE«, (Dezember 1963), S. 508 bis 510.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
«09 598/4Z7 1.6t · Bimd«dnickercl Berlin
DE1965S0096425 1965-04-08 1965-04-08 Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauelementes mit mindestens einem p-n-UEbergang Expired DE1276215C2 (de)

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Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2603692A (en) * 1945-12-29 1952-07-15 Bell Telephone Labor Inc Rectifier and method of making it

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US2603692A (en) * 1945-12-29 1952-07-15 Bell Telephone Labor Inc Rectifier and method of making it

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