DE2932976A1

DE2932976A1 - Halbleiterbauelement

Info

Publication number: DE2932976A1
Application number: DE19792932976
Authority: DE
Inventors: Hisao Hayashi; Takeshi Matsushita; Norizaku Ohuchi; Hisayoshi Yamoto
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1978-08-14
Filing date: 1979-08-14
Publication date: 1980-02-28
Also published as: FR2435127B1; CA1136773A; GB2029096B; GB2029096A; US4302763A; FR2435127A1

Description

BESCHREIBUNG

Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung.

Dieses Halbleiterbauelement weißt innerhalb eines Halbleitersubstrats einen ersten Bereich eines ersten Leitfähigkeitstyps, einen zweiten Bereich eines zweiten Leitfähigkeitstyps sowie einen dritten Bereich mit der Leitfähigkeitsart des ersten Bereichs auf. Alle drei Bereiehe sind mit entsprechenden Elektroden bzw. Kontaktbereichen versehen. In erster Linie bezieht sich die Erfindung auf Bipolartransistoren mit HeteroÜbergang oder sogenannte GCS-Transistören (GCS = Gate Controlled Switch).

Im allgemeinen ist die Energiebandlücke eines Emitterbereichs innerhalb eines Transistors breiter als jene des Basisbereichs bzw. des Kollektorbereichs. Diese Energiebandlücke wirkt als Sperre für Minoritätsladungsträger, die von der Basis injiziert werden. Der Anteil, mit dem Minoritätsladungsträger durch Elektronen rekombiniert werden, wenn erstere sich auf die Seite des Emitterbereichs zu bewegen, wird durch die Sperre reduziert. Dementsprechend sinkt auch der Basisstrom I₀ ab, so daß ein bestimmter relativ hoch liegender Stromverstärkungsfaktor erwartet werden kann. Da die Rekombinationsgeschwindigkeit im Übergang jedoch hoch ist, sind bis heute keine Transistoren entwickelt worden, die einen ausreichend hohen Stromverstärkungsfaktor aufweisen.

Der Erfindung liegt damit in erster Linie die Aufgabe zugrunde, ein Halbleiterbauelement der eingangs genannten

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Gattung zu schaffen, das sich durch einen hohen Stromverstärkungsfaktor h (Stromverstärkungsfaktor im Emitterschaltung) auszeichnet. Insbesondere soll ein Halbleiterbauelement geschaffen werden, das sich durch eine überragende Schalter-Kennlinie auszeichnet und bei dem eine partielle Uberkonzentration elektrischer Strompfade vermieden ist, so daß die Werte der Durchbruchspannung wesentlich höher liegen.

Im Zusammenhang mit der gestellten Aufgabe liegt der Erfindung auch das Ziel zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung der umrissenen Halbleiterbauelemente anzugeben, durch das sich der spezifische Widerstand des Emitters eines Transistors oder die Kathode bei einem Thyristor mit hoher Genauigkeit innerhalb eines gewünschten Bereichs einstellen läßt, um die oben erwähnte gute Schalterkennlinie zu erzielen. In diesem Zusammenhang spielt auch der Wunsch eine Rolle, einen Emitter mit niedriger Konzentration unter gut steuerbaren Herstellungsbedingungen zu erzielen.

Die erfindungsgemäße Lösung der gestellten Aufgabe ist im Patentanspruch 1 hinsichtlich des Halbleiterbauelements angegeben.

Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren ist im Patentanspruch 4 enthalten. Vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgedankens sind in Unteransprüchen gekennzeichnet.

Eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements umfaßt ein Halbleitersubstrat, in dem drei unterschiedliche Halbleiterbereiche ausgebildet sind. Der erste vorzugsweise durch das Substrat selbst gebildete Halbleiterbereich weist einen ersten Leitfähigkeits-

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typ auf. In dem Substrat ist ein zweiter Halbleiterbereich mit einer zweiten Leitfähigkeitsart ausgebildet, der unmittelbar an den ersten Halbleiterbereich angrenzt. Wiederum angrenzend an den zweiten Halbleiterbereich befindet sich ein dritter Bereich mit einer Leitfähigkeitsart, die der des ersten Bereichs entspricht. Zum dritten Halbleiterbereich gehört wenigstens ein auf dem Substrat vorhandener Abschnitt, der aus dem gleichen Element wie das Substrat und Sauerstoff besteht. Die Energiebandlücke dieses Ab-Schnitts ist größer als jene des zweiten Bereichs und am Halbleiterbauelement sind Mittel vorhanden, um Majoritätsladungsträger vom ersten in den dritten Bereich zu befördern.

Die Erfindung und vorteilhafte Einzelheiten werden nachfolgend unter Bezug auf die Zeichnung in beispielsweiser Ausführungsform näher erläutert.

Es zeigen:
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Fig. 1 in Prinzip-Schnittdarstellung den grundsätzlichen Aufbau eines Bipolartransistors mit HeteroÜbergang gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2 in Prinzip-Schnittdarstellung den grundsätzlichen Aufbau eines Bipolartransistors mit HeteroÜbergang gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 3 in graphischer Darstellung den Verlauf des Energiebands innerhalb des Transistors von Fig. 1;

Fig. 4 verdeutliche den Verlauf des Energiebands des Transistors von Fig. 2;

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Fig. 5 in einer Schnittdarstellung den Aufbau eines

Transistors gemäß der ersten anhand von Fig. 1 verdeutlichten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 6 in einem graphischen Schaubild den Zusammenhang zwischen der Emitterkonzentration und

dem Stromverstärkungsfaktor h-^ (Emitterschaltung) bei unterschiedlichen Rekombinationsgeschwindigkeiten ;

Fig. 7 in einem Schaubild den Zusammenhang zwischen ■j 0 der Wärmebehandlungstemperatur und dem Strom

verstärkungsfaktor;

Fig. 8 in graphischer Darstellung den Zusammenhang zwischen dem Stromverstärkungsfaktor h„„ und dem Kollektorstrom I-;

■J5 Fig. 9 in graphischer Darstellung den Zusammenhang

zwischen dem Proportionalitätsfaktor N_ß/D und dem Stromverstärkungsfaktor, wobei mit N_n die Basisverunreinigungskonzentration und mit D„ die Basisdiffusionskonstante für Minori-

tätsladungsträger bezeichnet sind;

Fig. 10 die Schnittdarstellung eines Transistors gemäß der anhand von Fig. 2 im Prinzip verdeutlichten zweiten Ausführungsform der Erfindung; Fig. 11 in graphischer Darstellung die Veränderung des spezifischen Widerstands/ wenn die Emitter

der Transistoren nach den Fig. 1 und 2 lediglich mit Bor dotiert werden;

Fig. 12 die schematische Schnittdarstellung einer Vorrichtung zur Erzeugung von Halbleiterwachstum aus der Dampfphase;

Fig. 13 in graphischer Darstellung den Zusammenhang

zwischen der Silicium-, der Sauerstoff- und der Phosphorkonzentration bei unterschiedlichen

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Strömungsmengen von N₂O bei konstanten Strömungsmengen von PH₃;
Fig. 14 in graphischer Darstellung den Zusammenhang zwischen dem spezifischen Widerstand und der Strömungsmenge von N-O bei unterschiedlichen

Wärmebehandlungstemperaturen und einer konstanten Strömungsmenge von PH₃; Fig. 15 in graphischer Darstellung den Zusammenhang zwischen dem spezifischen Widerstand und der Strömungsmenge von PH₃ bei unterschiedlichen

Strömungsmengen von N-O;

Fig. 16 in graphischer Darstellung den Zusammenhang zwischen dem spezifischen Widerstand und der Wärmebehandlungszeit bei konstanten Temperaturen und unterschiedlichen Strömungsmengen von

N₂O und PH₃;

Fig. 17 in graphischer Darstellung den Zusammenhang zwischen dem spezifischen Widerstand und der Wärmebehandlungszeit bei einer anderen Behandlungstemperatur und bei unterschiedlichen

Strömungsmengen von N„0 und PH₃;

Fig. 18 in graphischer Darstellung den Zusmamenhang zwischen dem spezifischen Widerstand und der Wärmebehandlungszeit bei konstanter Behandlungstemperatur und bei unterschiedlichen Dempf-

niederschlagstemperaturen;

Fig. 19 in graphischer Darstellung den Zusammenhang zwischen dem spezifischen Widerstand und der Wärmebehandlungszeit bei einer anderen konstanten Temperatur und für unterschiedliche Dampf-

niederschlagsbemperaturen;

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Fig. 20 in graphischer Darstellung den Zusammenhang zwischen dem spezifischen Widerstand und der Strömungsmenge von N₂O bei einer konstanten Strömungsmenge von B^H, und bei unterschiedliehen Wärmebehandlungszeiten;

Fig. 21 in graphischer Darstellung den Zusammenhang zwischen dem spezifischen Widerstand und der Strömungsmenge von B₂Hg;

Fig. 22 in schematischer Schnittdarstellung eine an-

dere Vorrichtung zur Erzeugung von Halbleiterwachstum aus der Dampfphase und

Fig. 23 in Schnittdarstellung einen GCS-Transistor gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung.

Unter Bezug auf die Zeichnungen wird zunächst ein Bipolartransistor mit HeteroÜbergang gemäß den verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung beschrieben. Der grundlegende Aufbau dieser Ausführungsformen läßt sich aus den Fig. 1 und

,

ersehen:

Bei der Ausführungsform nach Fig. 1 ist in der Hauptfläche eines als N-leitender Kollektorbereich wirkenden Siliziumsubstrats 1 ein P-leitender Basisbereich 2 durch Diffusion ausgebildet. Der Basisbereich 2 ist mindestens

partiell durch eine SIPOS-Schicht (SIPOS = S_emi-Insulating Polys_ilicon) / also eine semi-isolierende polykristalline Siliziumschicht oder durch eine POPOS-Schicht 3 (POPOS = P-d£ped Polysilicon)/ also eine P-dotierte polykristalline Siliziumschicht überdeckt. Die POPOS-Schicht 3 dient als Emitterbereich.

Bei der anderen in Fig. 2 dargestellten grundsätzlichen

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Ausführungsform ist in der Basis 2 mittels eines Diffusionsverfahrens ein N -leitender Halbleiterbereich 3a niedriger Verunreinigungskonzentration ausgebildet, über dem N -leitenden Halbleiterbereich 3a ist eine POPOS-Schicht 3b aufgebracht. Der Emitterbereich 3 besteht also aus dem Bereich 3a und der POPOS-Schicht 3b.

Die POPOS-Schicht 3 (Fig. 1) bzw. 3b (Fig. 2) besteht wie erwähnt - aus einer semi-isolierenden polykristallinen Siliziumschicht (N-leitender SIPOS-Schicht) , die eine bestimmte Verunreinigungskonzentration und Sauerstoff enthält. Die Herstellung erfolgt in prinzipiell bekannter Weise unter Verwendung von SiH. als Si-Quelle, von N₂O als Sauerstoffquelle und von PH-. als Phosphorquelle. Diese Gase werden über das Halbleitersubstrat 1 geleitet, wobei N₂ als Trägergas dient und die thermische Zersetzung bei einer Temperatur von 650⁰C unter Ausbildung eines dünnen POPOS-Films erfolgt. Beispielsweise besteht die POPOS-Schicht aus 44 Atom-% Sauerstoff, bezogen auf die Atomzahl, 0,6 Atom-% Phosphor und 55,4 Atom-% Silizium. Der spezifische Widerstand der POPOS-Schicht liegt bei 10 bis 10 Si cm, je nach dem Anteil von Phosphor; er ist niedriger als der im Bereich von 10 bis 10 Jlcm liegende spezifische Widerstand einer reinen Sauerstoff enthaltenden polykristallinen Siliziumschicht (im folgenden "Polysiliziumschicht"). Ein solcher niedriger spezifischer Widerstand wird beispielsweise nach dem Niederschlag aus der Dampfphase durch eine Wärmebehandlung während 60 Minuten bei 1000⁰C erhalten. Als Grund für das erzielte Ergebnis wird angenommen, da^die inaktiven P-Atome durch die Wärmebehandlung aktiviert werden und sich das Fermi-Niveau in das Leitungsband verschiebt.

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Die Fig. 3 und 4 zeigen Energiebändermodelle der Bipolartransistoren mit HeteroÜbergang gemäß den Fig. 1 bzw. POPOS-Schichten, die viel Sauerstoff enthalten, zeigen ähnliche Eigenschaften wie SiO₂- Die Energiebandlücke eines solchen POPOS-Materials ist größer als jene von normalem Si. Wie die Fig. 3 und 4 erkennen lassen, beträgt die Energiebandlücke von POPOS 1,5eV und jene von Si nur 1,1eV. Es existiert also eine Löchersperre AE„ von etwa 0,2eV am HeteroÜbergang zwischen POPOS (N-SIPOS) und Si. In anderen Worten: Wegen der Löchersperre Δ. E„ (Fig. 3) ist es für Löcher schwieriger, vom Basisbereich in den Emitterbereich zu gelangen. Oder andererseits (Fig. 4) werden durch die Löchersperre A E_v Löcher festgehalten. Hinsichtlich Fig. 4 ist zu fordern, daß die Tiefe des Emitterbereichs 3a kleiner ist als die Diffusionslänge der Minoritätsladungsträger (Löcher). Da sich die Löcher zum Emitterbereich hin bewegen, werden sie durch die Löchersperre Δ E_v wirksam gebunden und der Rekombinationsanteil an Löchern ist niedriger. Damit läßt sich ein höherer h_ -Wert erreichen als bei einem Tran-

Γ Ei

sistor mit HomoÜbergang. Die Verunreinigungskonzentration in der Basis kann damit bei gleichem h -Wert höher gewählt werden oder anders ausgedrückt, der spezifische Widerstand des Basisbereichs kann niedriger liegen. Dies ist von ganz besonderem Vorteil für Halbleiterschalterelemente.

Bei dem Transistor, auf den sich das Bild der Fig. 3 bezieht, ist im Gegensatz zum Transistor, dessen Energieband in Fig. 4 dargestellt ist, kein N-leitender Si-Emitterbereich vorhanden. Die N-leitende SIPOS-Schicht liegt unmittelbar auf dem P-Basisbereich. Damit ist die Speicherung von Löchern sehr gering, die vom Basis- in den Emitterbereich . injiziert werden. Der Transistor nach Fig. 1 bzw. Flg. 3 zeichnet sich daher durch eine hervorragende Freguenzgang-

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ORIGINAL INSPECTED

kennlinie aus. Enthält die POPOS-Schicht 3 bzw. 3b einen bestimmten Sauerstoffanteil, so ergibt sich ein guter Passivierungseffekt und die elektrischen Kennwerte sind besser.

An den Grenzflächen zwischen der POPOS-Schicht und der Si-Schicht existieren bestimmte Grenzniveaus (BL). Diese Grenz-Niveaus dienen als RekombinationsZentren. Aus diesem Grund ist es zu bevorzugen, diese Grenzniveaus durch Wärmebehandlung zu beseitigen. Beim Beispiel der Fig. 3 etwa wird der Transistor unter N^-Atmosphäre während etwa 10 Minuten einer Temperatur von 900⁰C ausgesetzt. Der Transistor, auf den sich die Fig. 4 bezieht, dagegen wird ebenfalls unter N--Atmosphäre während etwa 10 Minuten einer Wärmebehandlung bei 1000 C unterworfen. Auch wenn der Transistor bei niedrigerer Temperatur (etwa bei 350 C) unter HL·- Atmosphäre wärmebehandelt wird, vermindert sich bereits der Rekombinationsanteil im Bereich der Grenze und der Injektionswirkungsgrad steigt an.

Der Transistor nach dieser Ausführungsform läßt sich mittels gewöhnlicher Diffusionstechnik bzw. eines Dampfwachstumverfahrens herstellen. Der N -leitende Bereich 3a niedriger Verunreinigungskonzentration jedoch wird bevorzugt dadurch gewonnen, daß die SIPOS-Schicht 3b als Diffusionsquelle dient. In diesem Fall werden Verunreinigungen der POPOS-Schicht 3b bis zu geringer Tiefe in den P-leitenden Basisbereich 2 eindiffundiert, um die Oberflächenschicht des letzteren Bereichs in einen N-leitenden Bereich umzuwandeln. Auf diese Weise bildet sich der N-leitende Bereich

3a mit einer Verunreinigungskonzentration von weniger als 10¹⁹ cm"³,
Bereich 2.

10 cm~ , beispielsweise von 10 cm auf dem P-leitenden

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Die Fig. 5 zeigt ein konkretes Ausführungsbeispiel eines Bipolartransistors mit HeteroÜbergang gemäß der Erfindung. Die bereits in der Fig. 1 verwendeten Bezugszeichen finden auch hier Anwendung, soweit es sich um entsprechende Teile bzw. Bereiche handelt. Der Basisbereich 2 ist auf dem Bereich 1 durch Ionenimplantation erzeugt. Ein P -Schutzring umgibt den im Bereich 1 liegenden Basisbereich 2. Auf dem Bereich 1 ist ein SiCU-Film 8 aufgebracht. Weiterhin sind eine Emitterelektrode 5, eine Basiselektrode 6 und eine Kollektorelektrode 7 vorhanden, die vorzugsweise aus Al (Aluminium) bestehen. Diese Elektroden können jedoch auch einen dreilagigen Aufbau aus Ti (Titan)-W (Wolfram) - Al (Aluminium) aufweisen, wobei in diesem Fall die Al-Schicht als unterste Schicht verwendet wird.

Die Fig. 6 verdeutlicht den Zusammenhang zwischen der Emi-tterkonzentration und dem Stromverstärkungsfaktor h_„. Bei diesem Schaubild wird von einer Emittertiefe von 0 ,3μΐη ausgegangen und die Rekombinationsgeschwindigkeit S zwischen Al und Si beträgt 3 χ 10 cm/sec, die Rekombinationsgeschwindigkeit S zwischen Polysilizium und Si beträgt 5000 cm/sec, die Rekombinationsgeschwindigkeit S zwischen Si und SiO- liegt bei 1 bis 10 cm/sec während die Gummel-Zahl G₁, für die Basis

13 4
1 χ 10 sec/cm beträgt. Bei einem herkömmlichen Transistor liegt die Emitterkonzentration *£. 10 cm und der h_p_-Wert beträgt etwa 10. Im Gegensatz dazu ist beim Transistor gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung die Rekombinationsgeschwindigkeit S durch Wasserstoff-Wärmebehandlung vermindert, und ebenso liegt die Emitterkonzentration niedriger, bei-

18 —3
spielsweise bei 10 cm . Entspricht S der Zahl 100, so ist der h^ -Wert größer als 100. Dies zeigt, daß die Korrelation zwischen der Rekombinationsgeschwindigkext S und dem Stromverstärkungsfaktor h _E hinsichtlich des Werts von G_ß sehr gut ist.

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Die Fig. 7 zeigt, daß die Stromverstärkung durch die Wasserstoffwärmebehandlung ansteigt. Dies bedeutet, daß der Grenzwert der Rekombinationsgeschwindigkeit durch Dotieren mit Wasserstoffatomen zur Erhöhung des h„„-Werts absinkt. Es wurde gefunden, daß sich der spezifische Widerstand einer P enthaltenden SIPOS-Schicht durch die Wasserstoff-Wärmebehandlung auf etwa 1/10 des Ausgangswerts abfällt. Andererseits kann in der Al-Elektrode enthaltenes H₂ in die SIPOS-Schicht eindotiert werden. In diesem Fall wird der Transistor einer Wärmebehandlung bei einer Temperatur von 350 bis 500° C während 30 Minuten unter N₃-Atmosphäre unterworfen. Besteht die Elektrode aus Al, so ist an der Grenze zwischen der POPOS-Schicht und der Al-Schicht Wasser vorhanden, welches mit dem Al reagiert, so daß Wasserstoffatome entstehen. Wird dagegen ein dreilagiger Aufbau aus Ti-W-Al für die Elektrode verwendet, so reagiert Ti mit H₂ , so daß es für das in der Al-Schicht enthaltene H₂ schwierig wird, die Grenze zwischen der POPOS-Schicht und dem Si zu erreichen. Wird dagegen nur ein einlagiger Aufbau, nämlich eine Al-Elektrode verwendet, so kann das H₂ die Grenze zwischen der POPOS-Schicht und dem Si leicht erreichen. Als Folge davon erhöht sich der η_ρ_,-Wert auf das etwa Zehnfache des Ausgangswerts. Der spezifische Widerstand der POPOS-Schicht und damit der Emitterwiderstand vermindern sich ganz erheblich (r « 0,065XL.),

Die Fig. 8 zeigt die !!„„-Kennlinie eines Transistors mit diesem Aufbau. Ersichtlicherweise liegt der h_p„-Wert

wesentlich höher im Vergleich zu sonstigen Transistoren

19 —3 mit hoher Emitterkonzentration ( ^. 10 cm ).

Im allgemeinen ist die Stromverstärkung eines Transistors umgekehrt proportional zum Wert N_B/D_, wobei mit

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2 Ng die Basisverunreinigungskonzentration/cm und mit D_ß die Basisdiffusionskonstante für Minoritätsladungsträger bezeichnet ist. Diesen Zusammenhang zeigt die Fig. 9. Daraus ist ersichtlich, daß der Stromverstärkungsfaktor eines Transistors mit diesem Aufbau mehr als 50 χ größer ist als der eines herkömmlichen Transistors mit HomoÜbergang.

Die Fig. 10 zeigt eine zweite Ausführungsform der Erfindung mit bestimmten Verbesserungen gegenüber dem HaIbleiterbauelement der Fig. 5. Die bereits aus Fig. 5 bekannten Bereiche und Abschnitte sind mit den gleichen Bezugshinweisen gekennzeichnet.

In diesem Fall liegt auch über dem Basis-Kollektorübergang eine POPOS-Schicht 9 und bildet einen Teil einer vorspringenden Elektrode, die den Basis-Kollektorübergang überdeckt. Damit wird das an den übergang angrenzende elektrische Feld "entspannt", was zu einer Verbesserung der Zuverlässigkeit des Transistors führt. Im Gegensatz zum Transistor nach Fig. 5 ist der flache N -leitende Emitterbereich 3a durch Diffusion von Verunreinigungen der POPOS-Schicht 3b erzeugt. Gleichzeitig wird im Bereich 1 ein N-leitender Kanalbegrenzer 11 durch Diffusion von Verunreinigungen des POPOS-Films 10 erzeugt, der vom Bereich 2 einen gewissen Abstand aufweist. Nach dem Aufbringen der POPOS-Schichtabschnitte 3b und 10 auf den Bereich 2 werden also der flache Emitterbereich 3a und der Kanalbegrenzer gleichzeitig erzeugt. Durch diese Maßnahme läßt sich die Herstellungszeit für einen solchen Transistor nennenswert verkürzen. Die POPOS-Filmschicht 10 über dem Kanalbegrenzer 11 kann als vorstehende Elektrode benutzt werden. Auf diese Weise läßt sich die Transistorzuverlässigkeit weiter verbessern. Wie beim Transistor nach Fig. 5 sind die Al-Elektroden 5 und 6 auf den POPOS-Schichten 3b und 9 ausgebildet.

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Die SiO₂-Schicht .8 kann gegen Al durch die POPOS-Schichten 3b und 9 geschützt werden.

Wie oben erwähnt, dient die Wärmebehandlung zur Verminderung der Grenzniveaus zwischen der POPOS-Schicht und dem Si und zur Anhebung des h -Werts. Es wurde gefunden, daß sich für das Halbleitersubstrat Halblexterplättchen mit einer Kristallstruktur (100) besonders gut eignen. Die Grenzniveaudichte in einem Halbleiterplättchen der Kristallstruktür (100) ist etwa halb so groß wie die bei einem Plättchen mit einer Kristallstruktur von (111). Als Grund dafür wird angenommen, daß die Anzahl der Bindungen kleiner ist.

Als Anwendungsbeispiel für die oben beschriebene POPOS-schicht wird ein Photoelement mit einem POPOS-Si-Heteroübergang betrachtet. Auch in diesem Fall ist eine Wasserstoff-Wärmebehandlung erforderlich. Als Beispiel für diese Anwendungsart der Erfindung wird eine Solarbatterie betrachtet. Die Leerlauf-Klemmenspannung erhöht sich um etwa 60 mV auf 12OmV. Es kann eine Verbesserung des Wirkungsgrads von 2 auf 4 % erwartet werden. Die Dicke der Lichtempfangs-SlPOS-Schicht wird so eingestellt, daß sie nicht reflektierend ist.

Als anderes Anwendungsbeispiel wird eine lichtemittierende Diode (LED) betrachtet. Bei solchen Bauelementen ist es schwierig, Minoritätsladungsträger in der N-Schicht zu speichern, wenn ein üblicher N⁺-N-P -Aufbau vorliegt. Mit einer solchen üblichen Silizium-LED läßt sich ein hoher Wirkungsgrad nicht erzielen. Wird jedoch gemäß der Erfindung ein Aufbau mit doppeltem HeteroÜbergang gewählt, der Bor enthält, also eine POPOS-N-P-SIPOS-Anordnung, so werden Ladungsträger in der N- bzw. P-Schicht eingefangen. Mit

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einer solchen Struktur mit doppeltem HeteroÜbergang lassen sich also LED-Elemente mit hohem Wirkungsgrad erzielen.

Im allgemeinen fließt bei kleinem Lichtausgangssignal auch nur ein kleiner Emitterstrom in einem Phototransistor. Dementsprechend ist die Übergangsimpedanz zwischen Emitter und Basis hoch und der Viert des Faktors r C _p liegt so hoch, daß die Ansprechzeit des Phototransistors relativ groß ist. Fließt dagegen bei kleinem Lichtsignal ein großer Emitterstrom, so bedeutet dies, daß der r -Wert klein und die Ansprechzeit des Phototransistors kürzer ist. Bei Anwendung der vorliegenden Erfindung ergibt sich durch den SIPOS-Si-H^teroübergang ein hoher h -Wert und ein kleiner Wert für r . Dementsprechend ist die Ansprechzeit des Phototransistors um eine Größenordnung besser. Bei einer nichtreflektierenden Struktur muß die Stärke der SIPOS-Filmschicht der Beziehung N χ -^- (N ungeradzahlig) entsprechen.

Der spezifische Widerstnad, die Energiebandlücke und die Anzahl der Fangstellen der SIPOS-Schicht läßt sich durch den Anteil von Sauerstoff und Verunreinigungen steuern. Als Material für die Verunreinigungen kommen nicht nur P für N-leitende Verunreinigungen, sondern auch P-leitende Verunreinigungen also etwa ^B infrage. Bei den soweit beschriebenen Ausführungsformen läßt sich der Leitfähigkeitstyp des Halbleiterbereichs auch in die jeweils andere Form umwandeln. Die Konzentration der Verunreinigung bzw. des Sauerstoffs in der SIPOS-Schicht kann in verschiedener Richtung Änderungen unterliegen.
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Unter Bezug auf die Fig. 12 bis 22 wird nachfolgend ein Verfahren zur Herstellung der POPOS-Schichten 3, 3b, 9 und 10 beschrieben.

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Ganz allgemein kann ein semiisolierender Film wie die oben erwähnte POPOS-Schicht auf der Basis von Polysilizium hergestellt werden, beispielsweise durch thermische Zersetzung von SiH₄ bei einer Temperatur von etwa 650°C. Dabei ergibt sich ein spezifischer Widerstand von f- 10 J2, cm Der so entstehende Polysiliziumfilm wird zur Einstellung des spezifischen Widerstands mit einem Verunreinigungsmaterial, also etwa mit B oder P dotiert. Ein Prozeß dieser Art ist bereits vorgeschlagen worden.

Fig. 11 zeigt in ausgezogener Linie den Zusammenhang zwischen dem spezifischen Widerstand von Polysilizium und der Konzentration von Bor als Verunreinigungsmaterial. Der Zusammenhang zwischen dem spezifischen Widerstand von PoIy-Silizium und der Konzentration von Phosphor ist ähnlich wie der bei der Dotierung mit Bor.

Aus Fig. 11 ist ersichtlich, daß sich der spezifische Widerstand im Bereich von 10 bis 10 _flcm stark ändert.

Es ist daher sehr schwierig oder unmöglich, den spezifischen Widerstand von Polysilizium auf einen definierten Wert einzustellen, beispielsweise im Bereich von 0,1 bis 100 Jlcm. Die gestrichelte Linie in Fig. 11 verdeutlicht den Fall, daß eine einkristalline Siliziumschicht mit Bor als Verunreinigungsmaterial dotiert wird. Ersichtlicherweise ändert sich der spezifische Widerstand einer solchen einkristallinen Siliziumschicht wesenltich gleichmäßiger als der von polykristallinem Silizium.

Mit dem nachfolgend unter bezug auf die Fig. 12 bis 22 beschriebenen Verfahren lassen sich diese Schwierigkeiten bei der bekannten Prozeßführung beseitigen:

Zur Herstellung der POPOS-Filmschicht gemäß der Erfindung wird eine DampfWachstumsvorrichtung verwendet, wie sie

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die Fig. 12 in Prinzipdarstellung zeigt. Diese Vorrichtung wird auch als "Horizontalreaktionsofen" bezeichnet. In einem solchen Ofen 20 wird ein nicht gezeigtes Siliziumplättchen einer Diffusionsbehandlung unterworfen und wird zu diesem Zweck auf eine durchlässige Platte 21 als Träger gelegt und durch externe Infrarotlampen 22 auf eine Wachstumstemperatur von 640 C aufgeheizt. Gleichzeitig wird ein bestimmtes Gasgemisch 25 über Ventile 23 und unter Kontrolle von Strömungsmessern 24 in den Ofen 20 eingeleitet. Das Gasgemisch 25 besteht aus Monosilan (SiH.), Distickstoffoxid (N₂O) und Phosphin (PH₃). Als Trägergas wird N₂ verwendet und dem Ofen 20 mit einer Strömungsmenge von 25 "t/min, zugeführt. Das Gasgemisch gelangt zusammen mit dem Trägergas auf das Halbleiterplättchen. Während SiH₄ und PH₃ sich unter Bildung eines polykristallinen Siliziumfilms,der P in gleichmäßiger Verteilung enthält, thermisch zersetzen und auf dem Plättchen niederschlagen, bewirkt die Oxidationsreaktion von N₂O eine gleichförmige Dotierung des wachsenden PoIysiliziumfilms mit Sauerstoff.

Während der thermischen Zersetzungsreaktion fließt SiH₄ mit konstanter Strömungsmenge von 30cc/min und PH₃ mit einer Strömungsmenge von 0,198cc/min (330ppm χ 600 cc/ min). Es ist wichtig, daß die Strömungsmenge von PH₃ hoch gewählt wird um zu erreichen, daß das Polysilizium fast bis zum Sättigungspunkt oder bis zur Festlösungsgrenze mit P dotiert wird. Die Strömungsmenge an N₂O wurde zur Bildung von fünf Sauerstoff/Phosphor/Polysiliziumfilmen unterschiedlicher Zusammensetzung wie folgt geändert: Occ/min, 28cc/ min, 48cc/min, 68cc/min und 88cc/min. Die so zusammengesetzte Filmschicht wirkt als Emitterballastwiderstand oder Emittervorlast. Die Zusammensetzungen der fünf so erzeugten Filme wurden in einem Röntgenstrahlmikroanalysierer untersucht. Die Ergebnisse zeigt die Fig. 13. Daraus läßt sich

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ablesen, daß die Sauerstoffkonzentration (in Atom-% entsprechend der Atomanzahl) mit der Zuflußmenge von N-O ansteigt, während die Konzentration von Phosphor abnimmt. Zu bevorzugende Bereiche sind 10 bis 50 Atom-% für Sauerstoff und 0,1 bis 3 Atom-% für Phosphor. Der Widerstand der so erhaltenen zusammengesetzten Filmschicht ist erstaunlich hoch.

Der nächste Schritt ist eine Wärmebehandlung zur Aktivierung der Verunreinigungen. Obgleich die Erwärmungszeit in jedem Fall 60 Minuten betrug, wurde die Temperatur bei gleicher ^-Atmosphäre in Stufen von 900⁰C, 1000⁰C bis 1100 C geändert. Die Ergebnisse zeigt die Fig. 14. Ersichtlicherweise hängt der spezifische Widerstand von der Wärmebehandlungstemperatur ab; er steigt mit zunehmender Strömungsmenge von N2O bei gleicher Behandlungstemperatur an.

Wenn die übrigen Bedingungen beibehalten werden, läßt sich auf"diese Weise der spezifische Widerstand insbesondere im Bereich von 0,1 bis 100-ii.cm exakt einstellen.

Bei konstanter Zuströmmenge von PH₃ steigt der spezifische Widerstand mit der Zuströmmenge an N^O, d.h. entsprechend der Sauerstoffdotierungsitienge an. Der spezifische Widerstand läßt sich damit auf einen gewünschten Wert genau einstellen. Da die Strömungsmenge von PH₃ relativ hoch, nämlich bei 0,198cc/min liegt, wird der zusammengesetzte Film bis fast zum Sättigungspunkt mit Phosphor dotiert. Die Phosphorkonzentration liegt höher als 10 cm , was nahe der Festlösungs- oder Mischkristallgrenze liegt. Es sei erwähnt, daß der zusammengesetzte Film nicht über eine Konzentration

21 —3
von 10 cm hinaus mit Phosphor dotiert werden kann. Aus Fig. 11 läßt sich ersehen, daß sich der spezifische Widerstand bei Änderungen der Phosphorkonzentration in einem so

20 -3 hohen Konzentrationsbereich wie 10 cm nicht mehr stark

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ändert im Gegensatz zu niedrigen Konzentrationsbereichen

17 19 -3 von beispielsweise 10 bis 10 cm . Liegt also die

20 -3

Phosphorkonzentration über 10 cm , so kann der spezifische Widerstand der betreffenden Filmschicht entsprechend der Strömungsmenge von N^O für die Sauerstoffdotierung auf einen gewünschten Wert eingestellt werden, und zwar unabhängig von Änderungen der Phosphorkonzentration.

Fig. 15 zeigt als experimentelle Ergebnisse den Zusammenhang zwischen dem spezifischen Widerstand und der Strömungsmenge an PHo. Bei diesen Untersuchungen betrugen die Mengenraten von SiH₄ und N₂ 30cc/min bzw. 25 €/min. Die Zustrommenge von N_?O wurde von 28cc/min auf 48cc/min geändert. Die zusammengesetzte Schicht bildete sich bei einer Wachsturnstemperatür von 640 C, gefolgt von einer Wärmebehandlung während einer Stunde unter N,,-Atmosphäre. Dies entsprach den Herstellungsbedingungen für die Testproben.

Aus Fig. 15 ist ersichtlich, daß sich der spezifische Widerstand über die Strömungsmenge von PH₃ einstellen läßt. Aus einem Vergleich mit Fig. 11 ist auch ersichtlich, daß sich der spezifische Widerstand dann verhältnismäßig leicht auf 0,1 bis 100-flcm einstellen läßt, wenn die zusammengesetzte Schicht stark mit Phosphor dotiert ist.

Die Fig. 16 verdeutlicht als experimentelle Ergebnisse den Zusammenhang zwischen dem spezifischen Widerstand und der Wärmebehandlungszeit. Bei diesem Experiment wurden die Strömungsmengen von SiH₄ und N₃ auf 30cc/min bzw. 25 €/min eingestellt. Die Strömungsmenge von PH^ wurde in Stufen geändert, und zwar von 0,124 über 0,31 bis 0,527cc/min. Die Strömungsmenge von N-O wurde ebenfalls geändert, und zwar in Stufen von 40 zu 5 0 und 60cc/min. Die zusammengesetzte

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Schicht entstand bei einer Wachstumstemperatur von 640 C, gefolgt von einer Wärmebehandlung bei einer Temperatur von 1000 C. Aus Fig. 16 läßt sich ersehen, daß der spezifische Widerstand in Abhängigkeit von der Wärmebehandl zeit absinkt und sich über die Wärmebehandlungsdauer ei im Bereich von 0,1 bis 100 SU cm einstellen läßt.

Die Fig. 17 zeigt als experimentelle Ergebnisse den Zusammenhang zwischen dem spezifischen Widerstand und der Wärmebehandlungszeit. Die Versuchsbedingungen waren die gleichen wie bei jenen der Fig. 16, lediglich mit dem Unterschied, daß die Behandlungstemperatur 1000 C betrug. Aus Fig. 17 läßt sich ersehen, daß sich der spezifische Widerstand mit der Wärmebehandlungsdauer in ähnlicher Weise ändert wie bei dem Verhältnis der Fig. 16. Fig. 18 zeigt als experimentelle Ergebnisse den Zusammenhang zwischen dem spezifischen Widerstand und der Wärmebehandlungsdauer. Bei diesem Versuch betrugen die Strömungsmengen von SiH. und PH, 30cc/min bzw. 0,198CcZmIn. Die Wachstumstemperatur für die zusammengesetzte Schicht wurde in Stufen, und zwar von 600 über 640 auf 6 70 C geändert. Die Wärmebehandlungstemperatur betrug 1000⁰C. Aus Fig. 18 ist ersichtlich, daß die Zersetzung von N₂O mit steigender Temperatur zunimmt, so daß sich der spezifische Widerstand erhöht.

Fig. 19 zeigt als experimentelle Ergebnisse den Zusammenhang zwischen dem spezifischen Widerstand und der Wärmebehandlungszeit. Die Versuchsbedingungen entsprachen jenen der Fig. 18 mit der Ausnahme, daß die Behandlungstemperatur 1100⁰C betrug. Aus Fig. 19 läßt sich ersehen, daß die eindotierten Verunreinigungen aktiviert wurden und daß der spezifische Widerstand als Folge der höheren Wärmebehandlungstemperatur absank.

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Bei dem soweit beschriebenen Verfahren wurde die Strömungsmenge von N^O bei gleichzeitiger überwachung der Behandlungstemperatur und -zeit mit der Bedingung geändert, daß die Phosphorkonzentration bis nahe am Sättigungspunkt eingestellt wird. Unter dieser Bedingung läßt sich ein gewünschter spezifischer Widerstand genau und vergleichsweise leicht erzielen. Bei diesem Verfahren ist es sehr wichtig, soviel PHo zuzuführen, daß die Phosphorkonzentration über

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10 cm wird. Unter dieser Bedingung kann der spezifische Widerstand innerhalb eines festgelegten Bereichs durch die Strömungsmenge von N„0 auf einen beliebigen Wert eingestellt werden. Die Wärmebehandlungstemperatur liegt vorzugsweise zwischen 900 und 1200⁰C. Aus praktischen Gründen sollte der Bereich von 950 bis 1100⁰C gewählt werden. Liegt die Behandlungstemperatur nämlich unter 900 C, so wird die Aktivierung unzureichend und der spezifische Widerstand wird nicht ausreichend erniedrigt. Liegt die Behandlungstemperatur dagegen über 1200°C, so wird der spezifische Widerstand zu niedrig und/oder andere Bereiche, beispielsweise Diffusionsbereiche werden unerwünscht nachteilig beeinflußt. Aus den gleichen Gründen ist eine Wärmebehandlungszeit von 10 bis 200 Minuten zu bevorzugen. Weiterhin sollte die Dampfwachstumstemperatur im Bereich von 580 bis 750⁰C liegen. Ist diese Temperatur zu niedrig, so tritt nur eine unzureichende Zersetzung auf, ist die Temperatur dagegen zu hoch, so wird der spezifische Widerstand zu hoch.

Bei dieser Ausführungsform ist eine Sauerstoffkonzentration im Widerstandsfilm von 10 bis 50 Atom-% und eine Phosphorkonzentration von 0,1 bis 3 Atom-% zu bevorzugen. Liegt die Sauerstoffkonzentration unter 10 Atom-%, so wird es schwierig, den spezifischen Widerstand in den gewünschtem Bereich anzugeben; liegt sie dagegen über 50 Atom-%,

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so wird der spezifische Widerstand zu hoch. Ist andererseits die Phosphorkonzentration niedriger als 0,1 Atom-%, so ändert sich der spezifische Widerstand in Abhängigkeit von der Phosphorkonzentration zu stark und es wird sehr schwierig, einen gewünschten spezifischen Widerstandswert einzustellen. Liegt die Konzentration dagegen über 3 Atom-%, so spielt die Tatsache eine Rolle, daß sich Silizium nicht mit überschüssigem Phosphor dotieren läßt.

Der nach dem soweit beschriebenen Verfahren erzeugte POPOS-FiIm wird in gewünschter Musteraufteilung geätzt. Beispielsweise kann ein POPOS-FiIm mit einem spezifsichen Widerstand von ζ - lOOÄcm leicht in ohmschen Kontakt mit einer metallischen Elektrode, insbesondere mit der Emitterelektrode gebracht werden. Da der POPOS-FiIm außerdem aus einem Material der Polysiliziumgruppe besteht, läßt er sich leicht bearbeiten und gut mit einer SiO₂~Schicht Kontaktieren. Der POPOS-FiIm eignet sich gut für einen GCS- oder GTO-Thyristor und kann als Diffusionsquelle eingesetzt werden (GTO = Gate Turn-Off (Thyristor)) . Außerdem eignet sich ein solcher POPOS-FiIm als Lastwiderstand in einem integrierten Schaltkreis. Als Siliziumquelle können auch andere Materialien als SiH. verwendet werden. Anstelle von Ν,Ο können NO, NO₂, H₂O oder O₂ als Sauerstofflieferant eingesetzt werden. NO ist zu bevorzugen, da die geeignete Reaktionstemperatur bei einer erwünschten Wachstumstemperatur in der Nähe von 640⁰C liegt. Als Verunreinigungsquelle können auch andere Materialien als PH₃ verwendet werden, beispielsweise PF₅, AsH₃, AsCl₃, SbH₃ oder SbCl₅, wenn N-Typ-Verunreinigung gewünscht wird oder BCl₃, BBr₃ oder B-H,-, wenn eine B-Typ-Verunreinigung erreicht werden soll.

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Nachfolgend wird ein Herstellungsverfahren unter Verwendung von B₂Hg beschrieben. Der Reaktionsprozeß ist ähnlich wie beim oben beschriebenen Verfahren. Ein Mischgas aus SiH₄, B₂H, und N₂O wird zusammen mit N₂ als Trägergas auf ein Halblexterplattchen geleitet, auf dem eine zusammengesetzte Schicht aufwächst, die aus polykristallinem Silizium besteht und eine definierte Menge von Sauerstoff bzw. Bor enthält. Um einen bestimmten spezifischen Widerstand zu erhalten, wird nachfolgend eine Wärmebehandlung durchgeführt. Die Fig.

20 zeigt als experimentelle Ergebnisse den Zusammenhang zwischen dem spezifischen Widerstand und der Strömungsmenge von N„0. Bei diesem Beispiel betrug die Zuströmmenge von SiH, 30cc/min, die Zuströmmenge von B₂H_fi betrug 100 ppm χ 1/min und die des N₂-Gases betrug 25 -C/min. Die zusammengesetzte Schicht wuchs bei einer Temperatur von 640 C auf. Die Wärmebehandlungszeit wurde zwischen 30 Minuten und einer Stunde geändert. Die Zuströmmenge an B₃Hg war so hoch, daß die Borkonzentration in der zusammengesetzten Schicht sich dem Sättigungspunkt annäherte. Unter Überwachung der Zuströmmenge von N₂O ließ sich jetzt der gewünschte spezifische Widerstand ohne besondere Schwierigkeiten erhalten.

Fig. 21 zeigt als Versuchsergebnisse den Zusammenhang zwischen dem spezifischen Widerstand und der Strömungsmenge von B₂H,. Bei diesem Versuch betrugen die Strömungemengen von SiH^ und N₂O 30cc/min bzw. 44cc/min. Die zusammengesetzte Schicht wuchs bei einer Temperatur von 640⁰C auf und die Behandlungstemperatur und -zeit betrug 1000 C bzw. 1 Stunde. Aus Fig.21 läßt sich ersehen, daß ein gewünschter spezifischer Widerstand unter Überwachung der Strömungsmenge von B₂Hg relativ leicht erzielt werden kann.

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Für dieses Herstellungsverfahren wurde ein Reaktionsofen verwendet, dessen Prinzipdarstellung die Fig. 22 zeigt. In diesen Ofen lassen sich mehr Halbleiterplättchen einsetzenals in den Reaktionsofen der Fig. 12. Die Gleichförmigkeit der Dicke und der Filmeigenschaften sind auch im Reaktionsofen der Fig. 22 befriedigend. Diese Art von öfen werden unter vermindertem Druck betrieben. Ein Reaktionsmischgas wird von einem Ende aus in den Ofen 30 eingeleitet und durch eine Vakuumpumpe am anderen Ende abgepumpt. Der Innenraum des Ofens 30 wird mittels einer den Ofen 30 umgebenden Heizeinrichtung 32 auf eine festgelegte Temperatur gebracht. Eine Mehrzahl von Halbleiterplättchen 33 wird in einem in den Ofen 30 einzusetzenden Schiffchen 31 aufgestellt.

Wird ein P-Typ-Verunreinigungsmaterial wie B₃Hg in einen gewöhnlichen Reaktionsofen eingesetzt, der zur Bildung der zusammengesetzten Schicht bei Atmosphärendruck betrieben wird, so zeigen sich Schwankungen des epezifisehen Widerstands der entstehenden zusammengesetzten Schicht in Strömungsrichtung des Reaktionsgases. Wird andererseits ein P-Typ-Verunreinigungsmaterial wie B₃H₆ in einen Reaktionsofen eingeleitet, der bei vermindertem Druck,etwa bei einem Druck von 0,2 bis 2 Torr betrieben wird, so sind die Schwankungen des spezifischen Widerstands der einzelnen Halbleiterplättchen wesentlich vermindert und es zeigt sich eine ganz wesentlich bessere Gleichförmigkeit.

Wird beispielsweise ein üblicher unter Atmosphärendruck zu betreibender Reaktionsofen zur Herstellung der zusammengesetzten Schicht verwendet, so erstreckt sich der Bereich des spezifischen Widerstands von 0,3_/2.cm bis 71 ,9 -ilcm. Wird andererseits der erwähnte bei vermindertem

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Druck zu betriebende Reaktionsofen verwendet, so liegt der Schwankungsbereich für den spezifischen Widerstand nur zwischen 13_ßcm bis zu 16Jlcm. Es zeigt sich also eine wesentliche und für praktische Bedürfnisse zufriedenstellende Gleichförmigkeit des spezifischen Widerstands.

Bei den soweit beschriebenen Verfahren werden Reak- -ionsmaterialien in Form von Gasen in den Ofen eingeleitet, um die zusammengesetzte Schicht zu bilden. Es können jedoch auch Reaktionsmaterialien eingesetzt werden, die anfänglich als Flüssigkeit oder in Festform vorliegen. In diesem Fall werden diese Materialien im Ofen bzw. aus den Halbleiterplättchen gasförmig. Es ist möglich, zunächst SiH₄ und N₂O in den Ofen einzuleiten, um eine Polysiliziumfilmschicht auf den Halbleiterplättchen zu erzeugen, die einen bestimmten Sauerstoffanteil enthält.und sodann das Verunreinigungsmaterial in den Ofen einzubringen, um die Polysiliziumfilmschicht mit einer Konzentration nahe des Sättigungspunkts zu dotieren. Alternativ dazu ist es auch möglich, zunächst SiH₄ und PH-, in den Ofen einzuleiten, um eine Polysiliziumfilmschicht mit einer Verunreinigungskonzentration im Bereich von 2 bis 3 Atom-% zu erzeugen und die Polysiliziumfilmschicht sodann mit Sauerstoff zu dotieren. In beiden Fällen läßt sich eine Widerstands-Filmschicht mit einem gewünschten spezifischen Widerstand durch das beschriebene Wärmebehandlungsverfahren erzielen. Im ersteren Fall kann eine Verunreinigung wie Phosphor von der Oberfläche aus in einem vorhergehenden Verfahrensschritt in die zusammengesetzte Schicht eindiffundiert werden oder es kann eine thermische Diffusion ausgehend von_c einem Oxid als Dotierungsmaterial gewählt werden. Im letzteren Fall kann Sauerstoff von der Oberfläche aus in

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die zusammengesetzte Schicht eindiffundiert werden, um diese mit einer gewünschten Sauerstoffmenge zu dotieren.

Die oben beschriebene POPOS-Schicht kann auf der Kathodenseite eines GCS oder GTO-Thyristors als Widerstand dienen (GCS = Gate Controlled S_witch)

Nachfolgend wird ein GCS-Thyristor als drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezug auf die Fig.

beschrieben:

Ein N -Typ-IIalbleiterbereich 41 als Kathode ist auf einem P-Typ-Halbleiterbereich 42 ausgebildet, der den Gate-Bereich darstellt. Ein P -Typ-Halbleiterbereich 44 als Anode liegt unter einem N -Typ-Halbleiterbereich 43 als Basis auf welcher ein P-Typ-Bereich 42 ausgebildet ist. Die Kathodenelektrode 46 ist mit dem N -Typ-Halbleiterbereich 41 verbunden. Eine Gate-Elektrode 47 und eine Anodenelektrode sind mit dem P-Typ-Halbleiterbereich 4 2 und dem P -Typ-Halbleiterbereich 44 verbunden. Bezugshinweis 49 bezeichnet einen SiO₂-FiIm. Es ist wichtig, daß ein POPOS-FiIm 3 als Widerstand auf einem Abschnitt des Oberflächenbereichs der Kathode 41 ausgebildet ist, welcher auf einen Abschnitt des Gate-Bereichs 42 ausgerichtet ist. Über der POPOS-Filmschicht 3 liegt die Kathodenelektrode 46. Wird ein GCS-Thyristor gemäß Fig. 23 in den nichtleitenden Zustand versetzt, so tritt eine Stromkonzentration im Abschnitt des Gate-Bereichs 42 auf, wenn der POPOS-FiIm 3 nicht vorhanden ist. Der spezifische Widerstand des POPOS-Films 3 wird vorzugsweise in einen Bereich von 10 bis lOOJßcm gelegt. Dabei ist ein Wert zu bevorzugen, der so nah wie möglich an der Untergrenze dieses Bereichs liegt.

Wird ein GCS-Thyristor gemäß Fig. 23 in den nicht-

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leitenden Zustand geschaltet, so steigt die Kathodenspannung aufgrund des Widerstands des POPOS-Films 3 an, so daß die Gate-Kathodenstrecke in Sperrichtung vorgespannt wird- Damit fließt kein Strom zur Kathode, sondern lediglich zum Gate. Beträgt die Fläche des Abschnitts 45 des Gate-Bereichs 42 beispielsweise 100 um χ 100 μίτι, ist die Dicke des Widerstandsfilms 3 zu 1 μπι gewählt und beträgt der spezifische Widerstand 10_ilcm, so ergibt sich der Kathodenwiderstand R aus der nachfolgenden Gleichung: 10

_{R =} ι * io"⁴ * io _{= 10}

(100 χ 10 )

Fließt also ein Strom von 1A, so wird die Kathodenspannung 10V, so daß die Gate-Kathodenstrecke in Sperrrichtung vorgespannt wird.

In einem Vergleichsversuch wurde ein GCS-Thyristor gemäß der Erfindung mit einem herkömmlichen GCS-Thyristor ohne POPOS-FiIm in der Ablenkschaltung eines Fernsehempfängers untersucht. Die Dicke des verwendeten POPOS-Films 3 betrug 1 um und sein spezifischer Widerstand lag bei 50_i7.cm. Der herkömmliche GCS-Thyristor war schon _?_ nach einem einzigen Entladevorgang durchgebrochen. Der erfindungsgemäße Thyristor dagegen zeigte noch keinen Durchbruch nach 1000 Entladevorgängen. Der Maximalstrom lag bei etwa 21 bis 22A.

__n Daraus läßt sich schließen, daß eine Stromkonzentration durch den Widerstandsfilm 3 wirksam verhindert werden kann. Oder in anderen Worten: Der GCS-Thyristor ist geschützt. Selbst wenn ein Gate-Durchbruch auftritt, so daß der Strom nicht über das GAte abgeführt werden kann, wird der Ausgangs-

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kreis durch den Widerstandsfilm 3 automatisch auf AUS-Bedingung geschaltet. Dies ist von sehr großem Vorteil, wie der Fachmann leicht einzusehen vermag. Außerdem ist die -^-Charakteristik wesentlich besser. Steigt beispielsweise der Arbeitsstrom von 2OA auf 4OA, so treten noch keinerlei Schwierigkeiten auf.

Die Lage und die Fläche des POPOS-Films 3 sind nicht auf die Ausführungsform gemäß dem beschriebenen Beispiel beschränkt. So kann die POPOS-Filmschicht 3 beispielsweise in der Mitte des Kathodenbereichs 41 angeordnet werden. Die Fläche des POPOS-Films 3 kann breiter sein als die Fläche des Abschnitts 45 des Gate-Bereichs 42. In diesem Fall ist zu bevorzugen, daß die Fläche des POPOS-Films 3 um mehr als 10 % breiter ist als die Fläche des Abschnitts 45 des Gate-Bereichs 42. Vorzugsweise sollte die Fläche des POPOS-Films 3 andererseits schmäler sein als 95 % der Fläche des Kathodenbereichs 41.

Beim Transistor der Fig. 10 kann der oben beschriebene POPOS-FiIm auch als EmitterballastwideEstand verwendet werden. Da sich der POPOS-FiIm durch einen sehr gut und sehr genau einstellbaren spezifischen Widerstand auszeichnet, kann er auch als Emitter-Ballastwiderstand verwendet werden, um eine Stromkonzentration zu verhindern. Das Problem einer verminderten Stärke oder Leistungsfähigkeit des Transistors aufgrund sehr feiner Muster, das bisher nicht vermieden /erden konnte, läßt sich durch den erfindungsgemäßen POPOS-FiIm lösen. Bei herkömmlichen Transistoren ist der Ballastwiderstand vom Emitterbereich getrennt angeordnet. Der für einerfindungsgemäßes Bauelement benötigte Flächenbereich ist damit kleiner als bei herkömmlichen Bauelementen dieser Art. Die Erfindung eignet sich daher gut für Leistungstransistoren hoher Schaltgeschwindigkeit, hoher Frequenz und

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hoher Leistung und für höhere Integrationsdichte.

Bei der beschriebenen Ausführungsform kann der Basisbereich 2 durch ein Ionenimplantationsverfahren hergestellt werden. In diesem Fall läßt sich der h -Wert innerhalb eines Bereichs von 10 bis zu mehreren Hundert entsprechend der Ionendosierung einstellen. Die Sperr- bzw. Durchbruchspannung kann bei Verwendung eines Schutzrings auf über 1000V angehoben werden. Der Faktor der Grenzfrequenz f kann höher liegen als 1 MHz (f > 100 MHz). Die Schalt-

geschwindigkeit ist um einige Male bis zum Zehnfachen rascher als die bei einem herkömmlichen Transistor vergleichbarer Bauart, also einem Transistor mit ähnlichen Sperrspannungs- und Arbeitsstromwerten, obgleich dabei zu berücksichtigen ist, daß diese Größen von der Meßschaltung abhängen. Die Temperaturcharakteristik des Widerstandsfilms 3b gemäß der Erfindung ist negativ. Hinsichtlich des Leitung smechanismus liegen also unterschiedliche Verhältnisse vor als bei einem gewöhnlichen Transistor herkömmlicher Bauart. Bei einem herkömmlichen Transistor besteht die Basiselektrode aus einem Schichtaufbau von Ti und W. Es ist erforderlich, daß die Oberflächenkonzentration des

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Basisbereichs bei 1x10 cm liegt, um einen guten Kontakt zwischen dem Basisbereich und der Ti/W-Schicht zu erhalten. Aus diesem Grund sollte unter der Basiselektrode zunächst eine P -Typ-Basiskontaktdiffusionsschicht hoher Konzentration liegen. Andererseits besteht die Basiselektrode 6 bei der erfindungsgemäßen Ausführungsform aus Al. Der Basisbereich ist direkt mit der Al-Schicht kontaktiert. Die Oberflächenkonzentration des Basisbereichs braucht bei dieser Ausführungsform nicht so hoch zu sein wie bei dem erwähnten herkömmlichen Transistor, um den ohmschen Basiskontakt zu erzielen. Ein Ätzprozeß zur Erzeugung eines Fensters für einen Diffusionsbereich hoher Konzentration ist für diesen Tran-

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sistor erfindungsgemäßer Ausführungsform nicht erforderlich.

Bei der Herstellung dieses erfindungsgemäßen Transistors wird unter Verwendung eines Photoresists ein Fenster zur Abscheidung der Basiselektrode im SiO₂-FiIm 8 ausgeätzt. Al wird aus der Dampfphase auf der gesamten Oberfläche des verwendeten Photoresists niedergeschlagen, überschüssige Photoresistbereiche werden durch Ätzen entfernt. Bei dieser Gelegenheit wird die auf nicht benötigten Photoresistabschnitten abgeschiedene Al-Schicht abgehoben, so daß nur in der öffnung im Photoresist die Al-Schicht 8 verbleibt. Beim herkömmlichen Herstellungsverfahren ist dieser Abhebevorgang nicht eingeschlossen. Jedoch kann ein Verfahrensschritt zur Ätzung der SiO₂-Schicht bei der Herstellung eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements eingespart werden. Wesentlich ist auch, daß ein sehr befriedigender ohmscher Kontakt für die Elektroden mit der wie oben beschrieben hergestellten Al-Schicht erreicht wird.

Im Rahmen des Erfindungsgedankens sind dem Fachmann eine Reihe von Abwandlungen ohne erfinderisches Zutun möglich. Beispielsweise kann die oben beschriebene SIPOS-Schicht in amorphem Zustand vorliegen. 25

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Claims

TER MEER - MÜLLER - STEINMEISTER

Beim Europäischen Patenlamt zugelassene Verireler Prof. Representatives before the European Patent Office - Mandataires agreed pres I'Oifice europeen des brevels

Dipl.-Chem. Dr. N. ter Meer Dipl.-lng. H. Steinmeister Dipl.-lng. F. E. Müller _o. .

Triftstrasse 4, S.ekerwall 7,

D-8000 MÜNCHEN 22 D-4800 BIELEFELD 1

S79P111 14. August 1979

Mü/vL

SONY CORPORATION

7-35, Kitashinagawa 6-chome, Shinagawa-ku, Tokyo/Japan

Halbleiterbauelement

Prioritäten: 14. August 1978, Japan, Ser.Nr. 98824/1978 14. August 1978, Japan, Ser.Nr. 98826/1978 29. Juni 1979, Japan, Ser.Nr. 83211/1979

PATENTANSPRÜCHE

Halbleiterbauelement mit

- einem Halbleitersubstrat,

- einem ersten Bereich eines ersten Leitfähigkeitstyps innerhalb des Substrats,

- einem zweiten an den ersten Bereich angrenzenden Bereich eines zweiten Leitfähigkeitstyps innerhalb des Substrats und

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- einem an den zweiten Bereich angrenzenden dritten Bereich mit einer Leitfähigkeit des ersten Typs,

dadurch gekennzeichnet, daß

- der dritte Bereich (3) wenigstens einen auf dem Substrat ausgebildeten Abschnitt (3; 3b) aufweist, der aus dem gleichen Element wie das Substrat und Sauerstoff zusammengesetzt ist und eine Energiebandlücke aufweist, die größer ist als die des zweiten Bereichs (2; 41) und

- Mittel am Halbleiterbauelement vorhanden sind, um Majoritätsladungsträger des ersten Bereichs (1; 43) zum dritten Bereich (3) zu befördern.
2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der dritte Bereich (3) einen zweiten im Substrat liegenden Abschnitt (3a) aufweist, dessen Breite (Weite) kleiner ist als die darin auftretende Diffusionslänge der Minoritätsladungsträger.
3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der dritte Bereich (3) einen zweiten im Substrat liegenden Abschnitt (3a) aufweist, und daß der spezifische Widerstand des ersten Abschnitts (3b) höher gewählt ist als der des zweiten Abschnitts (3a).
4. Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß auf einem Halbleitersubstrat eine Verbundschicht (3; 3b; 9; 49) in Form einer mit Sauerstoff und Verunreinigungen dotierten Siliciumschicht aufgebracht wird, daß die Sauerstoffkonzentration mit der Bedingung geändert wird, daß die Verunreinigungskonzentration dem Sättigungspunkt nahekommt, um den spezifischen Widerstand der Verbundschicht zu steuern und daß

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die Verbundschicht einer definiert festgelegten Wärmebehandlung unterzogen wird, um einen bestimmten spezifischen Widerstand zu erzielen.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß der zweite Bereich (3a) dadurch erzeugt wird, daß die Verunreinigung in der Verbundschicht (3; 3b) bis zu einer geringen Tiefe und mit niedriger Konzentration in den zweiten Bereich (2) durch ein Wärmebehandlungsverfahren eindiffundiert wird.

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