DE2354523C3 - Verfahren zur Erzeugung von elektrisch isolierenden Sperrbereichen in Halbleitermaterial - Google Patents
Verfahren zur Erzeugung von elektrisch isolierenden Sperrbereichen in HalbleitermaterialInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von elektrisch isolierenden Sperrbereichen in Halbleitermaterial
durch Ionenimplantation, insbesondere in epitaxial abgeschiedenen GaAs-Schichten auf einem
eine geringere Leitfähigkeit aufweisenden Substrat, bei dem in ausgewählte Bereiche des Halbleitermaterials
nichtdotierende Ionen eingeschossen werden und das Halbleitermaterial während de.» Ionenbeschusses auf
einer erhöhten Temperatur gehalten wird.
Ein solches Verfahren ist aus der DE-OS 19 57 774 bekannt. Nach dem bekannten Verfahren werden zur
Erzeugung der Sperrbereiche Sauerstoff-, Stickstoffoder Kohlenstoffionen mit einer solchen Energie in das
Halbleitermaterial eingeschossen, daß sie die vorgesehene Tiefe erreichen. Um einen bis zur Oberfläche des
Halbleitermaterials reichenden Sperrbereich zu erzeugen, wird die Strahlenergie von dem zum Erreichen der
gewünschten Schichtdicke erforderlichen Höchstwert bis auf Null vermindert. Die bei dem bekannten
Verfahren während der Ionenimplantation angewendete Erwärmung des Halbleitermaterials dient dazu,
Strahlungsschäden des Substrats zu beseitigen. Die dabei angewendete Temperatur beträgt wenigstens
6500C.
Aus der US-PS 35 15 956 ist ein ähnliches Verfahren bekannt, bei dem in das Halbleitermaterial als
nichtdotierende Ionen Wasserstoff-, Helium-, Sauerstoff- und Neonionen eingeschossen werden. Bei diesem
bekannten Verfahren findet eine Wärmebehandlung des Substrats nach der Ionenimplantation bei Temperaturen
zwischen 200 und 900° C zur Ausheilung von Strahlungsschäden statt, wodurch die isolierenden Eigenschaften
der Sperrbereiche verbessert werden. Aus der US-PS 36 63 308 ist die Erzeugung Von Sperrbereichen durch
die Implantation von Helium-, Wasserstoff- oder Argonionen bekannt. Die Dicke der Sperrbereiche läßt
sich durch die Art der lohen und die Anwendung der Strahlenergie steuern, wobei Strahlenergien im Bereich
zwischen 100 und 1000 keV Anwendung Finden. Eine Wärmebehandlung ist bei diesem Verfahren nicht
vorgesehen.
Aus der Zeitschrift Solid-State Elektronics, VoL 12,
1969, S. 209 bis 214, ist es bekannt, Sperrbereichc in Halbleitermaterial durch Protonenbeschuß zu erzeugen.
Die hierbei angewendeten Energien liegen über 100 keV. Die dabei erzeugten Sperrbereiche wurden
ίο einer Wärmebehandlung bei 3000C über einen Zeitraum
von 16 Stunden unterzogen, ohne daß sich die Dotierungsprofile veränderten; erst bei 400°C war eine
Veränderung festzustellen. Demgemäß ist es bei diesem Verfahren nicht möglich, durch die Bestrahlung
entstandene Schäden im Halbleitermaterial durch eine Wärmebehandlung bei höheren Temperaturen auszuheilen.
Wie vorstehend bereits erwähnt, ist aus der US-PS 36 63 308 die Verwendung von Argonionen und aus der
US-PS 35 15 956 die Verwendung von Neonionen zur Herstellung der Sperrbereiche bekannt Aus der DE-OS
19 57 774 ist es ferner bekannt, vor dem Ionenbeschuß auf das Halbleitermaterial im Abstand voneinander
angeordnete Metallelektroden aufzubringen, die zugleich als Maske gegen eine Implantation von Ionen in
die abgedeckten Bereiche dienen.
Bei den nach den bekannten Verfahren hergestellten Sperrbercichen ist zu beobachten, daß deren Widerstand
im Laufe der Zeit und insbesondere bei Einwirkung höherer Temperaturen abnimmt. Die
Temperaturempfindlichkeit der erzeugten Sperrbereiche wird in der US-PS 35 15 956 untersucht. Die
Abnahme der Wirksamkeit der isolierenden Bereiche mit der Zeit hat zur Folge, daß die Lebensdauer von
Halbleiter-Bauelementen, die mit solchen isolierenden Bereichen versehen sind, beschränkt ist. Außerdem ist
es von Nachteil, daß bei den bekannten Verfahren sehr hohe Beschleunigungsspannungen zur Ionenimplantation
benötigt werden.
Demgemäß liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs beschriebenen Art
anzugeben, das mit niedrigeren lonenenergien durchführbar ist und zur Erzeugung von dauerhaft stabilen,
isolierenden Sperrbereichen führt.
Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß als nichtdotierende Ionen Neon-, Argon-,
Krypton- oder Xenonionen verwendet werden, daß diese Ionen mit einer Energie von etwa 20 keV oder
weniger eingeschossen werden und daß die auf diese Weise an der Oberfläche des Halbleitermaterials
erzeugten Störstellen durch Anwendung der erhöhten, im Bereich zwischen 200° C und 500° C liegenden
Temperaturen eindiffundiert werden.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren finden keine Zerstörungen der Struktur des Halbleitermaterials statt,
die im Laufe der Zeit ausheilen und dadurch zu Änderungen der Isoliereigenschaften führen könnten.
Daher lassen sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren elektrisch isolierende Sperrbereiche erzeugen, die
eine wesentlich bessere thermische Stabilität aufweisen. Darüber hinaus ist die Ionenimplantation mit einer
Apparatur mit vergleichsweise geringer Beschleunigungsspannung durchzuführen.
Bei einer bevorzugten Form des erfindungsgemäßen Verfahrens werden vor dem Ionenbeschuß auf das
Halbleitermaterial im Abstand voneinander angeordnete Metallelektroden aufgebracht, die zugleich als Maske
gegen eine Implantation von Ionen in die abgedeckten
Bereiche dienen. Diese Maßnahme ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren besonders wirksam, weil
Ionen verhältnismäßig geringer Energie eingesetzt werden.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der in der Zeichnung veranschaulichten Ausführungsbeispiele näher
beschrieben und erläutert. Es zeig*
F i g. 1 in schematischer Darstellung einen Schnitt durch einen Galliumarsenid-Kristall nach einem ersten
Schritt des Verfahrens,
Fig.2a und 2b in Draufsicht und im Schnitt die Halbleiteranordnung nach Fig. 1, nachdem in deren
Epitaxialschicht Ionen implantiert worden sind,
F i g. 3 eine monolithische integrierte Schaltungsverbindung zwischen benachbarten, auf demselben Chip
angeordneten, dielektrisch isolierten Halbleiteranordnungen und
Fig.4a und 4b in Draufsicht und im Schnitt eine
weitere nach dem Verfahren hergestellte Halbleiteranordnung.
Die Fig. 1 zeigt ein n-Substrat 10 mit hohem spezifischen Widerstand, auf das eine epitaxiale
η+-Schicht 12 aus Galliumarsenid (GaAs) aufgebracht worden ist, beispielsweise nach dem Arsentrichlorid-Verfahren,
bei dem Arsentrichlorid (AsCl3) mit elementarem
Gallium zur Reaktion gebracht wird, um Galliumarsenid abzuscheiden und die epitaxiale Schicht
12 zu bilden.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren werden, wie aus den F i g. 2a und 2b zu ersehen ist, in der
epitaxialen Schicht 12 mehrere Einkristallinseln 14, 16, 18 und 20 gebildet, indem ausgewählte Bereiche der
epitaxialen Schicht 12 mit einem diese Bereiche abtastenden oder durch eine Maske abgeschatteten
Ionenstrahl 22 bestrahlt werden, der nacheinander Sperrbereiche 28,30 und 32, die diese Inseln umgeben, in
der epitaxialen Schicht 12 erzeugt. Besonders vorteilhaft ist es, wenn gemäß einer bevorzugten Ausführungsart der Erfindung Argonionen verwendet werden. Die
Implantation erzeugt elektrisch kompensierende Störstellen, die in Richtung auf das Substrat 10 nach innen
diffundieren, und auf diese Weise die Inseln 14,16,18,20
bilden. Während der Ionenimplantation wird die in Fig. 2 dargestellte Halbleiteranordnung auf eine
erhöhte Temperatur, die üblicherweise zwischen 2000C
und 500°C liegt, erwärmt, um die Diffusion der kompensierenden Störstellen in die Epitaxialschicht 12
zu fördern.
Wie F i g. 3 zeigt, kann die Anordnung nach F i g. 2 sodann nach bei monolithischen Halbleitern üblichen
Verfahrenstechniken, einschließlich üblicher mit Ionenimplantation arbeitender Dotierverfahren, weiter bearbeitet
werden, wobei in einer Einkristallinsel 18 beispielsweise ein npn-Galliumarsenidtrar:sistor 34 und
in einer anderen Einkristallinsel 20 ein passiver Element. wie z. B. ein ionenimplantierter Widerstand 36, hergestellt
wird. Die Herstellung dieser aktiven und passiven Elemente 34 bzw. 36 kann mit Hilfe üblicher Masken·
und Ionenimplantationstechniken erfolgen, indem beispielsweise eine geeignete isolierende Schicht 38, wie
z. B. eine SiOrSchicht, in der dargestellten Weise an der Oberfläche der Epitaxialschicht 12 erzeugt und als
Maske gegen p- oder n-Fremdionen, die in die epitaxiale Galliumarsenidschicht 12 implantiert werden sollen,
benutzt wird. Die aus S1O2 bestehende isolierende Schicht 38 kann auch als Träger für eine als ohmscher
Kontakt wirkende metallische Schicht 40 verwendet werden, die unter Anwendung üblicher Aufdampfverfahren
auf die freiliegenden Oberflächen des Emitterbereichs des Galliumarsenidtransistors 34 und des einen
Endes des ionenimplantierten Widerstandes 36 aufgebracht wird.
Die Fig.4 zeigt ein n-Galliumarsenidsubstrat 41 mit
hohem spezifischem Widerstand, auf das eine epitaxiale Schicht 42 aus n-Galliumarsenid aufgebracht worden ist;
ferner sind in der dargestellten Weise auf der Oberfläche der epitaxialen Galliumarsenidschicht 42
mehrere einzeln im Abstand voneinander angeordnete Schottky-Sperrelektroden 44, 46, 48 und 50 aus Metall
angeordnet Diese Schottky-Sperrelektroden bilden bekanntlich an der Metall-Galliumarsenid-Grenzfläche
Schottky-Sperrschichten, wobei diese Metallelektroden zugleich als Maske für Argonionen dienen, die in die
freiliegenden Flächen der Epitaxialschicht 42 eingeschossen werden, um die verschiedenen, von den
Schottky-Sperrschichtdioden 52 und 54 gebildeten Bereiche vollständig voneinander zu isolieren. Diese
Isolation vermindert die elektrischen Streufelder an den Rändern 56 und 58 der Schottky-Sperrschichten, was
wiederum zu einer Erhöhung der Durchbruchsspannung der Schottky-Spsrrschichtdioden 52 und 54 führt.
Vergleichsmessungen für diese Durchbruchsspannungen vor und nach der Ionenimplantation sind in dem
nachfolgenden Beispiel 2 angegeben.
Im folgenden werden zwei spezielle Durchführungsbeispiele des Verfahrens beschrieben:
Ein n-Galliumarsenidsubstrat mit einem spezifischen Widerstand von 10 Ohm-cm oder mehr und einer
Dicke von etwa 0,5 mm wurde an seiner einen Seite geläppt und polier; und sodann in ein Epitaxialreaklionsgefäß
gebracht, in dem eine n + -GaAs-Epitaxialschicht
mit einem spezifischen Widerstand von etwa 10-' Ohm · cm und einer Dicke von etwa 10 μιτι auf das
Substrat aufgebracht wurde. Zur Bildung dieser Epitaxialschicht wurde H2-Gas durch eine AsCU-Waschflasche
geblasen, die auf Zimmertemperatur gehalten wurde, und sodann aus der Waschflasche
einem als Galliumquelle dienenden Ofen zugeführt, in dem sich flüssiges Gallium in einem Schiffchen befand
und der in einer ersten Zone des Epitaxialreaktionsgefäßes angeordnet war. Nachdem die Galliumquelle mit
Arsen gesättigt war, d.h. bei 850°C etwa 8% Arsen enthielt, das durch das H2-Trägergas in den Ofen
transportiert worden war, strömte ein aus GaCl und As bestehender Dampf zu der Keimzone des Epitaxialreaktionsgefäßes,
die auf etwa 750° C gehalten wurde. Hier wurde das Galliumarsenid an der Oberfläche des
GaAs-Substrats zu einer Schicht abgeschieden, wie sie in F i g. 1 dargestellt ist.
Nach dem Abkühlen wurde die Halbleiteranordnung nach Fig. 1 in eine Implantationskammer gebracht, in
der sie auf etwa 400° C erhitzt wurde, um die durch die Ionenimplantation bewirkte Störstellenbildung in dem
Kristallgitter der Epitaxialschicht 12 zu fördern. Nachdem diese Temperatur erreicht war, wurde, wie in
Fig. 2b angedeutet, ein Argonionenstrahl mit einer Energie von 20 keV auf ausgewählte Bereiche der
Oberfläche der n+-Epitaxialschicht 12 fokussiert, so daß
Argonionen mit einer Dosis in der Größenordnung von 1016 Atomen/cm2 in den Kristall eingeschossen wurden
und Störstellen erzeugten, die bis in eine Tiefe, die gleich oder größer war als die Dicke der Epitaxialschicht 12,
eindiffundierten. Die in Fig.2b dargestellten Sperrbereiche
28, 30 und 32 sind etwa 10 μηι breit und
mindestens 10 μΐη tief. Der spezifische Widerstand
dieser Bereiche wurde durch das beschriebene Verfahren auf etwa 107 Ohm · cm erhöht. Dadurch wird eine
nennenswerte Wechsel- oder Gleichstromkopplung über diese elektrisch isolierenden Sperrbereiche vermieden.
Wenn beispielsweise die einander benachbarten Ränder der beiden isolierten Inseln 14 und 18 eine
Länge von 3 mm haben, so beträgt die Koppelkapazität zwischen diesen Inseln an diesen Rändern etwa 0,3 pF
und stellt für 1-GHz-Signal einen Wechselstrom-Kopplungswiderstand
von mehr als 400 Ohm dar.
Ein n+-Galliumarsenidsubstrat mit einem spezifischen
Widerstand von 1,8 χ 10-3Ohm · cm und einer
Dicke von etwa 0,5 mm wurde an einer Seite geläppt und poliert und sodann in ein Epitaxialreaktionsgefäß
gebracht, in dem eine n-GaAs-Epitaxialschicht von etwa 2,3 μιτι Dicke und einem spezifischen Widerstand von
etwa 2 χ 10-' Ohm · cm nach einem in der Dampfphase arbeitenden Epitaxialzuchtverfahren aufgebracht
wurde, beispielsweise nach dem in Verbindung mit Beispiel 1 beschriebenen Verfahren. Sodann wurde eine
der Fig.4 entsprechende Anordnung von Schottky-Sperrelektroden
44,46,48 und 50 auf die Oberfläche der Epitaxialschicht aufgebracht, indem dünnschichtige
Aluminiumflecke von etwa 0,15 mm Durchmesser mit Hilfe üblicher Vakuumbedampfungsverfahren aufgebracht
wurden. Nach diesem Verfahrensschritt durchgeführte Messungen ergaben, daß die erhaltenen Schottky-Sperrschichtdioden
eine Durchbruchsspannung von etwa 22 V aufwiesen. Die oben beschriebene Halbleiteranordnung
wurde sodann in eine lonenimplantationskammer gebracht und auf etwa 400°C erwärmt. Nach
Erreichen dieser Temperatur wurde die gesamte obere Fläche der Epitaxialschicht 42 mit einem Strahl von
20 keV-Argonionen mit einer Dosis von 1 χ ΙΟ16
Ionen/cm2 abgetastet. In die dem Ionenbeschuß ausgesetzten nicht maskierten Teile der Epitaxialschicht
wurden Störstellen des GaAs-Kristallgitters bis in eine Tiefe eindiffundiert, die gleich oder größer war als die
Dicke der Epitaxialschicht von 2,3 μηι. Diese Störstellen
erzeugten elektrisch kompensierende Lücken in dem GaAs-Kristallgitter, die den spezifischen Widerstand
der die Dioden umgebenden Sperrbereiche auf etwa 107Ohm-cm und mehr erhöhten und dabei die
Durchbruchsspannung der gebildeten Schottky-Sperrschichtdioden auf 52 V vergrößerten. Diese Vergrößerung
ist das Ergebnis einer wesentlichen Verminderung der Feldstärke der Streufelder an den Rändern 56 und
58 durch die Erzeugung der die Dioden umgebenden Sperrbereiche mit hohem spezifischem Widerstand.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (2)
1. Verfahren zur Erzeugung von elektrisch isolierenden Sperrbereichen in Halbleitermaterial
durch Ionenimplantation, insbesondere in epitaxial abgeschiedenen GaAs-Schichten auf einem eine
geringere Leitfähigkeit aufweisenden Substrat, bei dem in ausgewählte Bereiche des Halbleitermaterials
nichtdotierende Ionen eingeschossen werden und das Halbleitermaterial während des Ionenbeschusses
auf einer erhöhten Temperatur gehalten wird, dadurch gekennzeichnet, daß als nichtdotierende Ionen Neon-, Argon-, Kryptonoder
Xenonionen verwendet werden, daß diese Ionen mit einer Energie von etwa 20 keV oder
weniger eingeschossen werden und daß die auf diese Weise an der Oberfläche des Halbleitermate.rials (12,
42) erzeugten Störstellen durch Anwendung der erhöhten, im Bereich zwischen 2000C und 500° C
liegenden Temperaturen eindiffundiert werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Ionenbeschuß auf das
Halbleitermaterial (12, 42) im Abstand voneinander angeordnete Metallelektroden (44, 46, 48, 50)
aufgebracht werden, die zugleich als Maske gegen eine Implantation von Ionen in die abgedeckten
Bereiche (52,54) dienen.
Applications Claiming Priority (1)
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