DE2104752A1 - Verfahren zum Herstellen einer Halbleiter-Kapazitätsdiode - Google Patents
Verfahren zum Herstellen einer Halbleiter-KapazitätsdiodeInfo
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Description
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Anmelder: PHiUPS PAiEJNERWALTUNG GMBH
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Akte: PHD- 1545
Anmeldung vom« 29 . Jan. 1971
Philips PatentVerwaltung GmbH., Hamburg 1, Steindamm
"Verfahren zum Herstellen einer Halbleiter-Kapazitätsdiode"
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Halbleiter-Kapazitätsdiode mit großer Kapazitäts-Variation
und exponentiellem Verlauf der Kapazitäts-Spannungs-Kenn-.
linie, bei dem auf ein niederohmiges Substrat zunächst eine hochohmige Schicht aufgebracht wird.
Unter einer Kapazitätsdiode mit großer Kapazitäts-Variation
und exponentiellem Verlauf der Kapazitäts-Spannungs-Kennlinie wird hier eine solche Diode verstanden, die in den Abstimmkreisen
von Rundfunk-Mittelwellenempfängern und kapazitiv abgestimmten Funkempfängern für ähnliche Wellenbereiche ver«
wendbar ist.
An solche Kapazitätsdioden muß neben der Forderung nach einem hohen Dotierungskonzentrationsunterschied des Halbleiter«
körpers und damit großer Kapazitäts-Variation die Forderung nach einem möglichst genau exponentiellem Verlauf der Kapazitäts-Spannungs-Kennlinie
gestellt werden.
Um Kapazitätsdioden herzustellen, die diesen Forderungen nahekommen, ist es bereits bekannt (DT-OS 1 6l4 775) von
einem Halbleiterkörper auszugehen, auf den eine erste und
55
6/Ί3αί/ - 2 ~
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eine zweite epitaktische Schicht aufgebracht sind, die beide
den Leitungstyp des Halbleiterkörpers haben und bei denen die Leitfähigkeit der an den Halbleiterkörper grenzenden ersten
epitaktischen Schicht kleiner ist als die Leitfähigkeit der zweiten epitaktischen Schicht und aus der zweiten epitaktischen
Schicht Störstellen in die erste epitaktische Schicht einzudiffundieren
und eine den pn-übergang bildende Zone in die zweite epitaktische Schicht einzubringen.
Weiter ist es bereits bekannt (DT-OS 1 947 300), zum Herstellen
von Kapazitätsdioden mit einem besonders steilen Übergang auf ein niederohmiges Substrat eine hochohmigere Schicht aufzubringen
und auf diese Schicht, mit Hilfe einer passivierenden Schicht, in die ein Loch hineingeätzt wird, eine weitere
Schicht epitaktisch aufzuwachsen, die stark entgegengesetzt dotiert ist, jedoch auch Dotierungsstoff der ersten, im Sub«
strat und der ersten aufgebrachten Schicht enthaltenen Art enthält. Bei der Erhitzung eins so aufgebauten .Diodenkörpers
diffundieren Dotierungsstoffe der ersten Art aus der epitaktisch aufgebrachten Schicht in die darunter liegende Halbleiterschicht
hinein, die ebenfalls mit Dotierungsstoffen der ersten Art dotiert ist.
Es hat sich jedoch gezeigt, daß es mit diesen bekannten Ver-*
fahren nicht möglich ist, eine Kapazitätsdiode herzustellen, deren Kapazitäts-Variationsbereich so groß und deren Verlauf
der Kapazitäts-Spannungs-Kennlinie so gut ist, daß sie als ■
Abstimmdiode in Mittelwellen-Rundfunkempfängern eingesetzt werden kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Stand der Technik zu verbessern und ausgehend von einem Verfahren zum Herstellen
einer Halbleiter-Kapazitätsdiode, bei dem auf ein niederohmiges Substrat zunächst eine hochohmige Schicht aufgebracht wird,
209833/0413
ein verbessertes Verfahren anzugeben, das die Herstellung einer
den oben erwähnten Anforderungen genügenden Kapazitätsdiode ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß auf die hochohmige Schicht gegebenenfalls mindestens eine weitere,
jeweils niederohmigere Schicht gleichen Leitungstyps aufgebracht wird, daß dann durch eine geeignete Wärmebehandlung
das sich aus den aufgebrachten Schichten ergebende stufenförmige Dotierungsprofil durch Ausdiffusion abgerundet wird
und daß vor dem Einbringen des pn-Überganges in die letzte Schicht mindestens eine Eindiffusion von gleichen Leitungstyp
erzeugenden Störstellenmaterial erfolgt, welche die ^f
Leitfähigkeit weiter erhöht.
Der Erfindung liegt somit die Erkenntnis zugrunde, daß es möglich ist, das gewünschte Dotierungsprofil durch das Aufbringen
gegebenenfalls mindestens einer (d.h. keiner, einer oder mehrerer) niederohmigen Schicht auf "die hochohmige
Schicht des Grundkörpers, eine das stufenförmige Dotierungsprofil abrundende Wärmebehandlung und mindestens eine anschließende
Eindiffusion zu erzeugen.
Das mit dem Verfahren nach der Erfindung erreichte Dotierungs-
profil kann der Beziehung N(x) « l/x entsprechen, der ein
Kapazitätsverlauf In C = K - k* χ UR entspricht. Dieser Kapa- ™
zitätsverlauf ist einer der von den Anwendern von Kapazitätsdioden gewünschten Verläufe.
In den beiden Beziehungen bedeuten:
N(x) = die Störstellenkonzentration am Orte,
x= Abstand von der Halbleiteroberfläche des Halbleiterkörpers
der Diode
C = Diodenkapazität
K = Diodenkapazität bei UR = 0 (Diffusionskapazität)
k* = Proportionalitätsfaktor
UR = an der Diode anliegende Sperrspannung.
209833/0413 " * "
Ein zu den geforderten Eigenschaften der Kapazitätsdiode führendes Dotierungsprofil läßt sich schon erreichen, wenn auf
die hochohmige Schicht des Halbleitergrundkörpers eine niederohmigere
Schicht aufgebracht und in diese dann ein Störstellen« material eindiffundiert wird oder auf die hochohmige Schicht
des Halbleitergrundkörpers keine weitere Schicht aufgebracht, dann aber mindestens zwei Storstellenmaterialien unterschiedlicher
Dotierungsgeschwindigkeit mit unterschiedlicher Konzentration eindiffundiert werden0
Durch die Eindiffusion wird die Störstellenkonzentration in der letzten Sei
At/cnr erhöht.
At/cnr erhöht.
17 IQ der letzten Schicht vorzugsweise bis auf 5.10 ' bis 5.10 ^
Zweckmäßigerweise wird als Halbleitermaterial Silizium verwen«
det, das mit Antimon dotiert sein kann und die Schichten auf das Substrat epitaktisch aufgewachsen und mit Phosphor dotiert.
Vorzugsweise wird auch Phosphor in die letzte epitaktisch aufgewachsene Schicht eindiffundiert. Sollen zwei Storstellenmaterialien
eindiffundiert werden, so wird neben Phosphor Arsen oder Antimon verwendet.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß mit einem von den Standardverfahren zur Herstellung
von Halbleiterbauelementen nicht sehr abweichenden Verfahren gut reproduzierbar Kapazitätsdioden hergestellt werden können,
deren Kapazitäts-Variationsbereich so groß und deren Kapazitätsverlauf so gut sind, daß sie als Abstimmelemente in Mittelwellen-Rundfunkempfängern
und in Geräten, in denen ähnliche Anforderungen an die Abstimmelemente gestellt werden, eingesetzt werden können.
Zwei Ausführungsbeispiele des Verfahrens nach der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher
beschrieben. Es zeigen?
- 5 209833/041 3
Pig. 1 das Dotierungsprofil einer gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel
des Verfahrens nach der Erfindung hergestellten Kapazitätsdiode (Zweifach-Epitaxie und Einfachdiffusion)
^
Fig. 2 das Dotierungsprofil einer gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel
des Verfahrens nach der Erfindung hergestellten Kapazitätsdiode (Dreifach-Epitaxie und Einfachdiffusion)
,
Fig. 3 das Dotierungsprofil einer gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel
des Verfahrens nach der Erfindung hergestellten Kapazitätsdiode (Einfach-Epitaxie und gleichzeitige
Zwei-Komponenten-Diffusion) und
Fig. 4 die Kapazitäts-Spannungs-Kennlinie einer Kapazitätsdiode
mit einem Dotierungsprofil gemäß Fig. 1 oder Fig. 2.
Fig. 1 zeigt das Dotierungsprofil einer gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel des Verfahrens nach der Erfindung hergestellten
Kapazitätsdiode. Ausgegangen wird von einem Siliziumsubstrat 1, das mit Antimon so η -dotiert ist, daß sich ein
Widerstand von etwa 12 Qam ergibt.
Auf dieses Substrat wird dann mit Hilfe der üblichen Verfahren eine erste epitaktische Siliziumschicht 2 von 9 pm bis 12,5
Dicke aufgebracht, die mit Phosphor so stark η-dotiert ist, daß sich ein Widerstand von 8 bis 12 flcm, d.h. etwa 10 ftcm
ergibt. Auf diese erste epitaktische Schicht 2 wird dann, vorzugsweise mit dem gleichen Verfahren, eine zweite epitaktische
Siliziumschicht 3 mit einer Dicke von 2,9 pm bis 3,3
aufgebracht, die ebenfalls mit Phosphor so dotiert ist, daß sich ein V/iderstand von 0,95 bis 1,3 ßcm, d.h. etwa 1 ßcm ergibt.
In der B\Lg. 1 ist über den Abstand χ in μτη von der Siliziumoberfläche
des Halbleiterkörpers an gerechnet die Dotierungs-
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konzentration N in At/cnr aufgetragen. Die den Dotierungs«·
konzentrationen zugeordneten Widerstandswerte sind neben den entsprechenden Abschnitten des Profils angegeben. Auf die
zweite epitaktische Schicht 3 wird ein in der Figur nicht dargestelltes thermisches Oxid aufgebracht. Durch die für dieses
Aufbringen erforderliche Wärmebehandlung tritt gleichzeitig eine Ausdiffusion aus den epitaktischen Schichten auf, so daß
das vorher stufenförmige Dotierungsprofil abgerundet wird.
In das Siliziumoxid wird dann ein Diffusionsfenster eingebracht und durch dieses Phosphor mit einer Oberflächenkonzentration
von vorzugsweise 5 χ 10 At/onr eindiffundiert. Das
sich durch diese Phosphoreindiffusion allein ergebende Do-*
tierungsprofil 4 ist in die Fig. 1 gestrichelt eingezeichnet. Während dieser Eindiffusion und während der oben erwähnten,
für die Oxidation erforderlichen Wärmebehandlung diffundiert auch das in der zweiten epitaktischen Schicht 3 enthaltene
Phosphor einerseits und das im Substrat 1 enthaltene Antimon in die erste epitaktische Schicht 2 und erzeugt, für sich gesehen, die ebenfalls gestrichelt in die Figur eingetragenen
Dotierungsprofile 5a und 5b. Diese Dotierungsprofile überlagern
sich und führen so zu dem endgültigen Dotierungsprofil 6e
Nachdem die Diffusion zur Erzeugung dieses Dotierungsprofils abgeschlossen ist, wird die Oberfläche des Halbleiterkörpers
zum Beispiel erneut oxidiert und in diese Oxidschicht dann ein weiteres Diffusionsfenster eingebracht, das grosser ist
als das zur Eindiffusion des Phosphors dienende Fenster und durch das dann zur Erzeugung des pn«Uberganges (was in der
Figur nicht mehr dargestellt ist) Bor bis zu einer Tiefe von etwa 0,9 μΐη eindiffundiert wird.
Naoh diesem zweiten Diffusionsschritt ist die eigentliche Kapazitätsdiode fertiggestellt; die weitere Behandlung des
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Halbleiterkörpers, d.h. Kontaktieren, Umhüllen, etc., erfolgt
nach den bekannten Techniken, auf deren Schilderung hier verzichtet wird.
Fig. 2 zeigt das Dotierungsprofil einer gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel des Verfahrens nach der Erfindung hergestellten
Kapazitätsdiode.
Das Verfahren entspricht weitgehend dem des ersten Ausführungsbeispieles, es ist lediglich auf die zweite epitaktische
Schicht 3 noch eine dritte epitaktische Schicht 7 von etwa
2 am Dicke und einem Widerstand von etwa 0,2 Qcm aufgebracht.
Fig. 3 zeigt das Dotierungsprofil einer gemäß einem dritten
Ausführungsbeispiel des Verfahrens gemäß der Erfindung hergestellten Kapazitätsdiode. Bei diesem Verfahren wird ausgegangen
von einem Substrat 1 mit nur einer epitaktisch aufgewachsenen hochohmigen Schicht 2. Die Kennwerte (Dicke und
Widerstand) dieser Schichten entsprechen denen des ersten Ausführungsbeispieles. Auf die hochohmige epitaktische Schicht
2 wird durch thermische Oxidation eine Siliziumdioxid-Abdeckschicht von etwa 0,45 μπι Dicke aufgebracht. In diese Schicht
werden dann Fenster für eine gleichzeitige ^-.Doppeldiffusion
eingebracht. Bei dieser Doppeldiffusion werden gleichseitig Phosphor mit einer Oberflächenkonzentration von etwa ^
5.10 At/cm^ und Antimon mit einer Oberflächenkonzentration m
bei der maximalen Löslichkeit von etwa 5.10 ^At/cnr eindiffundiert.
Die entsprechenden Eindringtiefen sind für Phosphor 2 bis 2,5 μΐη und für Antimon 1,3 bis 1,6 μΐη. Die sich durch
die beiden Diffusionen Jeweils allein ergebenden Dotierungsprofile sind in die Fig. 3 gestrichelt eingetragen und mit
den Kurzzeichen für die entsprechenden Störstellenmaterialien (P und Sb) bezeichnet. Diese beiden Dotierungsprofile überlagern
sich und führen so zu dem endgültigen Dotierungsprofil
Alle übrigen Verfahrensschritte entsprechen denen des ersten Ausführungsbeispieles.
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Fig. 4 zeigt nun die Kapazitätsänderung abhängig von der angelegten
Spannung einer gemäß einem der oben beschriebenen Ausführungsbeispiele der Erfindung hergestellten Diode. Diese
Kurve zeigt, daß mit einer Spannungsvariation von 1 bis 30 V
eine Kapazitätsänderung von etwa 10 bis 250 pP erreichbar ist.
Diese Kapazitätsänderung und der Verlauf der Kapazität in Abhängigkeit
von der Spannung sind so, daß eine solche Kapazitätsdiode in Mittelwellen-Rundfunkempfängern und in Geräten,
in denen an die Abstimmelemente ähnliche Anforderungen gestellt werden, eingesetzt werden kann.
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Claims (1)
- PatentansprücheIy Verfahren zum Herstellen einer Halbleiter-Kapazitätsdiode mit großer Kapazitätsvariation und exponent!ellern Verlauf der Kapazitäts-Spannungs-Kennlinie, bei dem auf ein niederahmiges Substrat zunächst eine hochohmige Schicht aufgebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß auf die hochohmige Schicht gegebenenfalls mindestens eine weitere, jeweils niederohmigere Schicht gleichen Leitungstyps aufgebracht wird, daß dann durch eine geeignete Wärmebehandlung das sich aus den aufgebrachten Schichten ergebende stufenförmige Dotierungsprofil durch Ausdiffusion abgerundet wird und daß vor dem Einbringen des pn-Überganges in die letzte Schicht mindestens eine Eindiffusion von gleichen ■ Leitungstyp erzeugenden Störstellenmaterial erfolgt, welche die Leitfähigkeit weiter erhöht.2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf die hochohmige Schicht eine niederohmige Schicht gleichen Leitungstyps aufgebracht wird.5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf die hochohmige Schicht zwei niederohmige Schichten gleichen Leitungstyps aufgebracht werden.4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Störstellenmaterialien unterschiedlicher Diffusionsgeschwindigkeit mit unterschiedlicher Konzentration eindiffundiert werden.5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Eindiffusion die Störstellenkonzentration in der letzten Schicht bis auf 5.1O17 bis 5.1O19 At/ciP erhöht wird.209833/0413 - io -6. Verfahren nach Anspruch 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Halbleitermaterial Silizium verwendet wird und die Schichten auf das Substrat epitaktisch aufgewachsen werden.7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die epitaktisch aufgewachsenen Schichten mit Phosphor dotiert werden und daß in die letzte Schicht Phosphor eindiffundiert wird.8. Verfahren nach den Ansprüchen 4 und 7 > dadurch gekennzeichnet, daß in die letzte Schicht Phosphor und Arsen eindiffundiert werden.9· Verfahren nach den Ansprüchen 4 und 7* dadurch gekennzeichnet, daß in die letzte Schicht Phosphor und Antimon eindiffundiert werden.10. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein mit Antimon dotiertes Substrat verwendet wird.20983 3/0413Leerseite
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