DE2048201B2

DE2048201B2 - Halbleiterbauelement

Info

Publication number: DE2048201B2
Application number: DE19702048201
Authority: DE
Inventors: Masakatsu; Yonezawa Toshio; Kato Taketoshi; Yokohama; Watanabe Masaharu Kawasaki; Akatsuka Minoru Yokohama; Nakamura (Japan)
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1970-03-27
Filing date: 1970-09-30
Publication date: 1976-08-05
Also published as: NL163903C; DE2048201A1; NL7014340A; FR2083799A5; NL163903B; ES384149A1; US3694707A; GB1272033A

Description

Im folgenden werden bevorzugte Ausfuhrungsbeispiele der Erfindung an Hand der zugehörigen Zeichnung näher erläutert:

Fig. 1 zeigt in einer graphischen Darstellung den Konzentrationsbereich von Arsen und Phosphor des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelementes;

Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch eine Planardiode als einem Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 3 einen Schnitt durch einen integrierten Schaltkreis gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung, und

Fig. 4 A bis 4D zeigen in Schnittansicht die verschiedenen Herstellungsstufen eirer Mesa-Diode, die die erfindungsgemäßen Merkmale aufweist

Zunächst soll die Erfindung an Hand mehrerer Experimente erläutert werden.

Wird ein Siliziumdioxyd-Film, der Arsen und Phosphor enthält, auf einem Siliziumsubstrat aufgebracht, so erreicht der Wärmeausdehnungskoeffizient des Films etwa den entsprechenden Wert des Substrats, so daß keine Sprünge im Film auftreten. Der Grad, bis zu dem dieser Wärmeausdehnungskoeffizient des Films dem des Substrats angenähert werden kann, hängt vom Mischungsverhältnis und der Konzentration von Arsen und Phosphor im Film ab. In dem in Fig. 1 mit gestrichelten Linien umgebenen Bereich, insbesondere in dem schraffierten Bereich, läßt sich ein Siliziumdioxyd-Film in bestimmter Dicke herstellen, ohne daß die Gefahr schädlicher Sprünge oder Risse auftritt Innerhalb des erstgenannten Bereichs läßt sich ein Film von mehr als 20 Mikron Dicke herstellen, bei dem die Druck- oder allgemeine Spannungsbelastung weniger als 3 · 10⁸ dyn/cm² erreicht, und im letztgenannten engeren Bereich kann ein Film mit einer Dicke von 50 Mikron hergestellt werden, und die Spannung liegt noch immer unter I ■ 10* dyn/cm². Im einzelnen ist der erstgenannte Bereich durch den Arsenanteil mit einer Venmreinigungskonzentration von 2 ■ ΙΟ¹⁹ bis 4 · 10²¹ Atomen/cm³ und einer Phosphorkonzentration von 1 · ΙΟ²⁰ bis 4· 10²¹ Atomen/cm³ bestimmt, und der letztgenannte Bereich liegt innerhalb des erstgenannten

2Q48

Bereichs, wie die Fig. 1 zeigt und darin liegt die entsprechende Atomkonzentration voq Arsen und Phosphor im Verhältnis von 1:1 bis 1: JfO.

Die folgende Tabelle 1 zeigt das Verhältnis zwischen der Konzentration von Phosphor (N^ und Arsen (N*⁵), die in einem Siliziumdioxyd-FUm dabei entstehende Druck- bzw. Spannungsbeanspruchung jmd die herstellbare Maximaldicke eines Films.

Tabelle I

Probe	N^p	_NAS	Spannung	ΪΟβ	Maximale
				IG»	Dicke
	(Atome/ cm^)	(Atome/ cm³		ΙΟβ	(Mikron)
1	" £ 1 · 102"	4-102'	(dyn/cm2)	IQP	20
2	1 · 102O	3-102'	2,8	IQP	30
3	2-1020	2-1020	3	IQP	20
4	3 ■ 1020	3-1020	3	IQP	50
5	4-1020	8 ΙΟ'⁹	0,8	10»	50
6	2-102'	11021	0,8	ΙΟ»	60
7	3-102'	2 102'	0,7	ΙΟβ	55
8	3 ■ ΙΟ²'	2-1020	0,7 ■	10»	35
9	3-102·	3-ΙΟ'⁹	2,8	ΙΟβ	20
10	5 · 1020	3 ΙΟ'⁹	3 ·	25
11	0	O	3 ·	3
12	1 · 102'	O	2,39-	10
9,27·

IO

"5

20

In der obigen Tabelle entsprechen die Proben 1 bis 10 den Punkten in Fig. 1, wobei die entsprechenden Punkte entsprechend numeriert sind, während die Proben 11 und 12 dem Stand der Technik entsprechen. Die entsprechend der obigen Tabelle untersuchten Siliziumdioxyd-Filme waren mit Arsen und Phosphor dotiert, oder der (P + As)-dotierte Oxydfilm wurde so hergestellt, daß das Siliziumsubstrat in einer

SiH₄ + PH₃ + AsH₃ + O₂-Atmosphäre

erwärmt wi!^rde, um einen Siliziumdioxyd-FUm niederzuschlagen, worauf eine Wärmebehandlung bei einer Temperatur von 1000⁰C während 10 Minuten zur Verdichtung des Films erfolgte.

Wie sich aus Tabelle I ergibt, kann mit jeder Probe ein Siliziumdioxyd-Film auf einer Halbleitervorrichtung von mehr als 20 Mikron Dicke erzeugt werden, ohne daß die Spannung auf Werte über 3 ■ 10* dyn/cnr ansteigt, wobei insbesondere die Proben 4 bis 7 in dem schraffierten Bereich die besten Ergebnisse zeigten. Beispielsweise kann ein erster FUm, der unmittelbar auf das Substrat aufgebracht ist, aus Siliziumnitrid bestehen, und ein zweiter, auf den ersten Film aufzubringender Film kann aus (P+As)-dotiertem Oxyd bestehen. Weiterhin kann der erste Film aus reinem Siliziumdioxyd-Film bestehen, während der zweite Film aus (P + As)-dotiertem Oxyd bestehen kann, und schließlich kann ein zusätzlicher dritter FUm über dem zweiten Film aus Siliziumnitrid aufgebracht sein.

Die erwähnte vorteilhafte Wirkung läßt sich auch bei der Anwendung auf andere geeignete Halbleitersubstrate erreichen, beispielsweise bei Germanium oder Galliumarsenid, und es können auch andere Schutzfilme, wie etwa Siliziumnitrid, vorgesehen werden.

Es wird nun eine Halbleitervorrichtung gemäß einer Ausführungsforra der Erfindung unter Bezug auf F i g. 2 näher erläutert.

Die dargestellte n⁺np⁺-Planardiode weist ein n-leitendes Siliziumsubstrat IQ auf, auf dessen einer Seite ein n⁺-Bereich 11 durch Diffusion von n-Verunreinigungen, etwa von Phosphor, ausgebildet ist Ein P⁺-Isolationsbereich 12 ist auf der anderen Hauptfläche des Substrats mittels selektiver Diffusion erzeugt, so daß ein pn-übergang 13 dazwischenliegt, dessen Ende auf der Stirnseite des Substrats frei liegt Als diese letztgenannte Hauptfläche kann die (lll)-Fläche verwendet werden. Ein dünner SUiziumdioxyd-Film 14 ist auf der letztgenannten Hauptseite des Substrats und über dem frei liegenden Ende des pn-Übergangs niedergeschlagen. Der Siliziumdioxyd-Film 14 ist mit einem weiteren Siliziumdioxyd-Film 15 überdeckt, der Arsen in einer Konzentration von 1 · 10²' Atomen/cm³ und Phosphor in einer Konzentration von 2 · 10²' Atomen/ cm³ enthält. Der zweite isolierende Schutzfilm IS kann eine Dicke von 3 bis 15 Mikron aufweisen. Die erhaltene Anordnung kann bei einerTemperaturvonlOOO°C während etwa 10 Minuten zur Verdichtung des isolierenden Films erwärmt werden. Auf den n- und p-Bereichen 11 und 12 werden eine Anoden- und eine Kathodenelektrode 16A bzw. 16B angebracht. Die Anodenelektrode \6A ist mit einer Wolframplatte 17, beispielsweise einer nicht gezeigten Umhüllung, verbunden, während die Kathodenelektrode 16 β mit einem Durchführungsdraht 18 verbunden ist. Das Substrat und die Schutzfilme werden schließlich mit Epoxydharz 19, außer im Bereich der Leitungsdurchführung, umgeben.

F i g. 3 zeigt als weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung einen integrierten Schaltkreis. Der Schaltkreis weist in einem Siliziumsubstrat 21 drei aktive Halbleiterelemente 20 auf, die jeweils mindestens einen pn-Übergang besitzen. Das Ende des pn-Übergangs liegt an der Hauptseite des Substrats 21 frei. Auf der anderen Hauptseite ist ein reiner Siliziumdioxyd-Film 22 von 2 Mikron Stärke, außer in dem Bereich des Elements, an dem eine Elektrode zu befestigen ist, aufgebracht. Ein weiterer Siliziumdioxyd-Film 23 ist auf dem isolierenden Film 22 niedergeschlagen und enthält Arsen und Phosphor jeweils in einer Verunreinigungskonzentration von 3 · 10²⁰ Atomen/cm³. Metallelektroden 24 sind jeweils an entsprechenden Stellen mit den aktiven Elementen 20 verbunden.

Unter Bezug auf die Fig. 4 A bis 4D wird nun ein Verfahren zur Herstellung einer Mesa-Diode beschrieben. Von entgegengesetzten Seiten eines P-Siliziumplättchens 40 von 300 Mikron Dicke aus wird Phosphor und Bor so eindiffundiert, daß ein η+-leitender Bereich 41 von 30 Mikron Tiefe und ein p+-Bereich 42 von 50 Mikron Tiefe auf beiden Seitenflächen jeweils ausgebildet wird. In die Hauptfläche des Plättchens werden durch selektives Ätzen Nuten 43 so eingebracht, daß deren Tiefe größer ist als die des η+-Bereichs 41 (Pig. 4A). Auf dieser Fläche des Plättchens und Wänden der Nuten wird ein erster isolierender Film 44 aus Siliziumdioxyd und dann auf der gesamten Fläche des ersten Films ein zweiter isolierender Film 45 aus (P+As)-dotiertem Oxyd aufgebracht, wobei der letztgenannte Film Phosphor in einer Konzentration von 2 · IfJ^' Atomen/cm³ und Arsen in einer Konzentration von 5 · 10²⁰ Atomen/cm³ enthält (Fig. 4B). Der zweite Schutzfilm 45 kann so ausgebildet werden, daß das Plättchen bei einer Temperatur von 500⁰C in einer

Atmosphäre von 12 l/Std. SiH₄,1901/Std. PH₃,471/Std. AsH₃ und 100 1/Std. O₂ erwärmt wird. Das Substrat 40, das mit den isolierenden Filmen verbunden ist, wird dann bei einer Temperatur von 1000⁰C während 10 Minuten in einer Stickstoffatmosphäre erwärmt, um die Filme ausreichend zu verdichten. Der zweischichtige Siliziumdioxyd-Film wird dann von der Plättchenoberfläche, außer an den Innenwänden der Nuten 43, entfernt (Fig. 4C). Die Plättchenoberfiüche wird dann entlang der Mittellinie der Nuten geritzt und in Mesa-Diodenelemente zerteilt (Fig. 4D).

Die folgende Tabelle II zeigt die Ergebnisse von Lebensdauer-Versuchen an den obenerwähnten Dioden bei verschiedenen Dicken des (P + As)-dotierten Oxydfilms im Vergleich zu herkömmlichen Dioden dieser Art.

Tabelle	II	Il	Ur	Aus	Aus
Probe	Filmdicke		sprüng	beute	beute
	1		liche	nach	nach
			Aus	dem	der
			beute	1. Ver	2.Ver-
				such	suchs-
					beurtei-
		—	(%)		lung
		-	87	86	83
1	_	2	89	26	0
2	2	3	91	37	12
3	0,2	5	88	86	81
4	0,2	10	93	93	92
5	0,2	15	91	91	91
6	0,2	20	89	89	89
7	0,2	50	95	94	93
8	0,2	2	98	98	98
9	0,2		99	99	99
10	0,2

In Tabelle II ist mit der Filmdicke die Dicke des Siliziumdioxyd-Films bezeichnet, wobei I einen reinen Siliziumdioxyd-Film und Il den (P + As)-dotierten Siliziumdioxyd-Film kennzeichnet Mit »Ursprünglicher Ausbeute« ist eine Ausbeute vor dem ersten Lebensdauerversuch bezeichnet, und mit »1.Versuch« und »2. Versuch« ist ein Lebensdauerversuch von 100 bzw. 1000 Stunden bezeichnet, wobei der Lebemsdauerversuch unter Anlegen einer 300-Volt-Gleichsipannung an die Diode erfolgt und der Durchgangsstrom in Rückwärtsrichtung gemessen wird und die Ausbeutebeurteilung auf einem Strompegel von 1 mA erfolgt. Die Proben 1 bis 3 entsprechen dem Stand dei Technik, wobei lediglich die Probe 1 einer Mesa-Diode entspricht, die eine Metallumhüllung aufwies und dei Film in Spalte II der Probe 3 lediglich mit Phosphoi dotiert war. Die Probe 10 zeigt den Fall, bei dem eine Metallumhüllung verwendet wurde.

Wie sich aus Tabelle II klar ergibt, können dif erfindungsgemäßen Dioden (Proben 4 bis 10) mit eine: hohen ursprünglichen Ausbeuterate hergestellt werden und auch nach dem 1. und 2. Lebensdauertest ergeber sich nur geringfügig veränderte Diodenkennwerte.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

20 43

Patentanspruch:

Halbleiterbauelement aus einem Halbleitersubstrat aus Silizium, an dessen Oberfläche ein Ende eines s im Substrat gebildeten pn-Überganges frei liegt und dessen Oberfläche mit einem Arsen und Phosphor enthaltenden Schutzfilm aus Siliziumdioxid überzogen ist, der mindestens das frei liegende Ende des pn-Überganges bedeckt, dadurch gekennzeichnet, daß das Arsen in einer Konzentration von 2· 10" bis 4· H)²¹ Atomen/cm³ und der Phosphor in einer Konzentration von 1 · Ϊ0²⁰ bis 4- 10²ⁱ Atomen/cm·' vorliegt und daß das Arsen und der Phosphor in einem Verhältnis der Atomkonzentration von 1:1 bis 1:10 gemischt sind.

20

Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement aus einem Halbleitersubstrat aus Silizium, an dessen Oberfläche ein Ende eines im Substrat gebildeten pn-Überganges frei liegt und dessen Oberfläche mit einem Arsen und Phosphor enthaltenden Schutzfilm aus Siliziumdioxid überzogen ist der mindestens das frei liegende Ende des pn-Überganges bedeckt

Wie bei einem derartigen aus der US-PS 3465209 bekannten Halbleiterbauelement ist es allgemein bekannt und üblich. Halbleiterbauelemente mit Schute-Ulmen zu überziehen, die meist aus Siliziumdioxid bestehen, um das Bauelement vor FeuchtigkeitseinflüssenoderschädlichenVerunreinigungenzuschüteen, 3s damit das Element seine vorgeschriebenen Eigenschaften behält Bei dem aus der US-PS 34 65 209 bekannten Halbleiterbauelementsoll dieserSchutzfilmeineGetterfunktion erfüllen, d. h. Verunreinigungen auf der Substratoberfläche neutralisieren.

Es ist weiterhin bekannt, daß ein Halbleiterbauelement verschiedene wünschenswerte Eigenschaften zeigt, wenn der Siliziumdioxid-Schutzfilm entsprechend dick ausgebildet ist. Solche Schutzfilme können durch Erwärmen des Siliziumsubstrats in einer oxydierenden Atmosphäre auf das Substrat aufgebracht werden, oder es kann ein Siliziumdioxid-Niederschlag auf dem Substrat mittels der chemischen Reaktion

SiH₄+ O₂ - SiO₂ so

aufgebracht werden. Beide Techniken schließen jedoch die Gefahr des Entstehens zu hoher Druckspannungen von beispielsweise 3 -IO' dyn/cm² im Siliziumdioxidfilm auf Grund der großen Differenz der Wärmeausdehnungskoeffizienten des Siliziumdioxids und des Substratmaterials ein. Die maximal erreichbare Dicke des Siliziumdioxidfilms ist daher begrenzt, da diese Druckspannungen ab einer gewissen Dicke des Films dazu führen, daß Risse im Film auftreten und der Film somit die ihm zugedachte Funktion nicht oder nur unvollständig erfüllen kann. So entstehen beispielsweise derartige Risse bereits bei einer Filmdicke von 5μ. Bei Mehrschicht· oder Mehrleiter-Halbleitervorrichtungen, etwa bei integrierten Schaltkreisen, entsteht 6s dabei die Gefahr von Kurzschlüssen zwischen den Zuführungsdrähten. Aus diesem Grunde kann der Siliziumdioxidfilm auf dem Substrat bisher nur bis zu einer Dicke von maximal 3,« ausgebildet werden, ohne daß derartige Risse entstehen.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe liegt dahei darin, bei einem Halbleiterbauelement der eingangs genannten Art die Dicke des Schutefilmes zu erhöhen, ohne daß die Gefahr besteht, daß fcn Film Risseauftreten. Das heißt, daß der Wärmeausdehnungskoeffizient des Materials des Schutzfilmes an den Wärmeausdehnungskoeffizienten des Substratmaterials angepaßt werden soll.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Arsen in einer Konzentration von 2 · 10" bis 4· 10²¹ Atomen/cm³ und der Phosphor in einer Konzentration von 1 · 10²⁰ bis 4· ΙΟ²¹ Atomen/cm³ vorliegt und daß das Arsen und der Phosphor in einem Verhältnis der Atomkonzentrationen von 1:1 bis 1:10 gemischt sind.

Der Grad, bis zu dem eine Annäherung der Wärmeausdehnungskoeffizienten des Substratmaterials und des Siliziumdioxids erreicht werden kann, hängt somit vom Mischungsverhältnis und der Konzentration von Arsen und Phosphor im Film ab. Bei dem erfindungsgemäß vorgesehenen Konzentrationsbereichen und Verhältnissen der Atomkonzentrationen von Arsen und Phosphor besteht nunmehr die Möglichkeit, dickere Schutzfilme vorzusehen, ohne daß die Gefahr besteht, daß in den Filmen Risse auftreten.