DE2365222A1 - Verfahren zur herstellung eines halbleiter-schaltelements mit einer zone relativ langer minoritaetstraeger-lebensdauer - Google Patents

Description

Verfahren zur Herstellung eines Halbleiter-Schaltelements mit einer Zone relativ langer Minorität&xäger-Lebensdauer

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Halbleiter-Schaltelemente wie Filmte, und Hybrid-Integrierte-Schaltkreise, die aus epitaxialen Siliziumlagen aufgebaut sind.

Ein Integrierter Schaltkreis (IC) ist eine Kombination aus untereinander verbundenen Schalt- oder Bauelementen, die un-

an-y trennbar auf oder in einem fortlaufenden Substrat geordnet sind, das als tragendes Material dient, auf oder in dem ein Integrierter Schaltkreis hergestellt oder an das ein Integrierter Schaltkreis angeschlossen wird. Ein Integrierter Schaltkreis wird allgemein in einem Chip aus Halbleitermaterial, normalerweise Silizium,hergestellt, wobei die Widerstände, Kondensatoren, Dioden, Transistoren, etc. (je nach Bedarf) in den Chip eingearbeitet und/oder auf diesen aufgebracht werden. Der Halbleiterkörper wird entweder von Einkristallmaterial oder Einkristall-Inseln in einem polykristallinen Material gebildet, je nach der Art der elektrischen Isolierung der Schaltkreiskomponenten.

Epitaxiale Siliziumlagen werden routinemäßig während der

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Herstellung von Film- und Äybrid-Integrierten Schaltkreisen auf Silizium-Substrate aufgebracht. Pur das Aufbringen von Einkristall-Silizium hoher Qualität auf einen Isolator sind jedoch strenge Anforderungen an den Isolator zu stellen. Die Wahl von Spinell und Saphir als Film-Substrate ergibt sich auf natürliche Weise, v/eil diese Stoffe Gitterebenen haben, die denjenigen von Silizium sehr näherkommen. Jedoch haben solche epitaxialen Siliziumlagen unabhängig von dem Substrat aufgrund ihrer Minoritäisträger-Lebensdauern begrenzte Anwendungen.

Siliziumlagen werden bei der Fertigung von Integrierten Schaltkreisen hoher Geschwindigkeit epitaxial auf Saphir-Substraten (Silizium auf Saphir) gezüchtet. Jedoch sind solche Siliziumlagen wegen ihrer sehr niedrigen MinoritäÄräger-Lebensdauern (von typischerweise 10 ns) besonders in ihren Anwendungen beschränkt (vgl. Allison, Dumin, Beiman, Mueller und Robinson, Proc. IEEE, 52 1490 (1969)). Die Anwendung solcher Siliziumlagen ist hauptsächlich auf MOS-Transistoren vom Steigerungstyp beschränkt worden. Jedoch ist selbst bei dieser Anwendung die niedrige Minoritäifträger-Lebensdauer für die elektrischen Eigenschaften den Schalt- oder Bauelements schädlich. Zwar ist die Wirkungsweise der MOS-Transistoren vom Steigerungstyp nicht von Minoritäisträgern abhängig, jedoch ist die Minoritätsträger-Lebensdauer insofern wichtig, als dadurch der Leckstrom des in Sperrichtung vorgespannten Drain-pn-übergangs bestimmt wird. Dieser Leckstrom ist besonders in komplementären MOS-Transistor-Schaltungen wesentlich, wo die endgültige Ruhe-.Energieableitung durch den Leckstrom der Drain-Diode bestimmt wird. Der Leckstrom ist umgekehrt proportional zur Minoritätsträger-Lebensdauer in der pn-tibergangs-Raumladungszone.

Epitaxial auf Substrate wie Saphir aufgebrachte Siliziumlagen können bei der Herstellung von bipolaren Transistoren nicht verwendet werden. Wenngleich die Grundbreiten solcher Bauelemente normalerweise sehr schmal sind, so ist doch die Minoritätßträger-Lebensdauer für die Verstärkung bipolarer

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Transistoren äußerst wichtig. Es ist die Injektion sowohl von Chlorwasserstoff (HCl) als auch Chlor (Cl ) bei der Oxydation verwendet worden, um die Lebensdauer solcher Bauelemente bis in den Bereich von 40 - 50 ns anzuheben (vgl. Robinson und Heiman, J-. Electrochera. Soc. 118, 141 (1971) sowie Ronen und Robinson, J.Electrochem. Soc. 119, 747 (1972)). Der dafür verantwortliche Mechanismus ist vermutlich eine Getterwirkung auf metallische Verunreinigungen durch die Eildung von flüchtigen Metallchloriden. Jedoch ist auch eine Zeit von 50 ns, die einer Diffusionslänge von wenigen Mikron entspricht, für die Herstellung von bipolaren Transistoren zu niedrig.

Dennoch macht die Möglichkeit, mit epitaxial gezüchteten Siliziumlagen gebildete Bauteile isolieren zu kennen, indem die Isoliereigenschaften des Substrats und die durch pn-übergänge, wie sie in solchen Lagen gebildet werden, gegebene niedrigere Kapazität ausgewertet werden, solche Lagen, bei der Herstellung Integrierter Schaltkreise äußerst wünschenswert. Solche Filme, würden in Integrierten Schaltkreisen allgemein Verwendung finden, wenn Minoritätsträger-Lebensdauern im ms-Bereich erzielt werden kennen.

Ein Verfahren zur Herstellung eines Ealbleiter-Schaltelements mit einer Zone relativ langer Minoritätsträger-Lebensdauer ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß neben einer Hauptfläche eines Substrats eine Siliziumlage gebildet wird, die stark mit einer unter Phosphor und Bor ausgewählten Verunreinigung dotiert ist, so daß die Oberflächen-Verunreinigungs-

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konzentration mehr als ΐ χ 1Ω /cm beträgt, und daß mindestens in Teilber-eichen der stark dotierten Siliziumlage eine Siliziumlage epitaxial gezüchtet wird, die verhältnismäßig schwach

17 3 mit einer Konzentration von weniger als etwa 1 χ 10 /cm dotiert ist, um so eine Zone mit einer verhältnismäßig langen Minoritätsträger-Lebensdauer zu bilden.

Wünschenswerterweise hat die stark dotierte Siliziumlage eine

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20 3 Verunreinigungskonzentration von mehr als 1 χ 10 /cm .

Die stark dotierte Halbleiterlage kann in einem Einkristallkörper aus Silizium oder in einer Epitaxiallage aus Silizium gebildet werden, die auf einen Isolator oder ein Halbleitersubstrat aufgebracht wurde. Im letztgenannten Fall ist die Siliziumlage vorzugsweise dadurch stark dotiert, daß die gewählte Verunreinigung in die bereits gebildete Epitaxiallage diffundiert wird.

Es ist davon auszugehen, daß die starke Dotierung mit verhältnismäßig kleinen Atomen den Gitteraufbau des Siliziums zusammenzieht und Metalle wie Natrium, Kupfer, Silber und Gold stärker in der stark dotierten Siliziumlage löslich werden läßt. Wenn somit die leicht dotierte Siliziumlage epitaxial gezüchtet wird, so wirkt die stark dotierte Lage als Getter, um die Konzentration der Metalle und möglicherweise weiterer die Lebenszeit kürzender Verunreinigungen in der schwach dotierten Lage beträchtlich zu verringern.

Die Erfindung weist sich als besonders nützlich in Verbindung mit DünnfiIm-Bauelementen, die epitaxial auf Isolier-Substrate wie Spinell (beispielsweise MgO : Al₃O₃) oder Saphir (Al₃O₃) aufgebracht werden. Diese Substrate, insbesondere Saphir, sind für ihre niedrigen Diffusionskoeffizienten gegenüber schweren Metallen bekannt. Das steht im Gegensatz zu dem Diffusionskoeffizienten schwerer Metalle in Einkristall-Bulk-Silizium. Diese Isolatoren sind daher nicht in der Lage, durch Diffusion die die Lebensdauer verkürzenden Verunreinigungen zu verringern, die in dünn^-epitaxial gezüchtete Lagen unter Verwendung bekannter Epitaxial-Verfahren eingebracht worden. Bei Verwendung der vorliegenden Erfindung kann die Minoritätsträger-Lebensdauer in einer aktiven Zone solcher Bauelemente um mindestens eine Größenordnung erhöht werden.

Dünnfilm-Bauelemente, und insbesondere Bauelemente mit auf Saphir aufgebrachtem Silizium lassen sich unter Anwendung der vorliegenden Erfindung in Situationen einsetzen, für die das bisher

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nicht möglich war. In solchen Bauelementen beträgt die Dicke der stark dotierten Siliziumlage vorzugsweise etwa 3 Mikron oder weniger, während die Dicke der schwach dotierten Siliziumlage vorzugsweise größer als etwa 1 ,u ist.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der zugehörigen Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch einen MOS-Kondensator eines erfindungsgemäß hergestellten Integrierten Schaltkreises;'

Fig. 2 ein Diagramm, das das C-V-Verhalten eines MOS-Kondensator s mit einem Aufbau ähnlich Fig. 1 erkennen läßt;

Fig. 3 ein Diagramm, das die Verunreinigungskonzentration in der schwach dotierten Siliziumlage eines MOS-Kondensators entsprechend Fig. 1 in Abhängigkeit von der Entfernung der Grenzfläche mit der Siliziumdioxyd-Lage erkennen läßt;

Fig. 4 ein Diagramm, das das C-t-Ansprechen eines MOS-Kondensator s nach Fig. 1 erkennen läßt;

Fig. 5 ein Diagramm, das einen Vergleich der Minoritätsträger-Lebensdauern verhältnismäßig schwach dotierter Epitaxial-Siliziumlagen bei Herstellung nach der Erfindung einerseits und nach anderen bekannten Methoden ' andererseits wiedergibt;

Eig. 6 ein Diagramm, das einen Vergleich der Minoritätsträger-Lebensdauern verhältnismäßig schwach dotierter epitaxialer Siliziumlagen bei Herstellung nach der Erfindung einerseits und nach bekannten sonstigen Verfahren andererseits wiedergibt;

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Fig. 7 ein Diagramm, das die Verunreinigungskonzentrations-Verteilung einer auf einem stark dotierten Siliziumsubstrat gezüchteten Epüaxiallage erkennen läßt;

Fig. 8 ein Diagramm, das einen Vergleich der erhöhten

Sperrspannungsdurchbrüche η-dotierter Siliziumlagen in hybriden Integrierten Schaltkreisen bei Herstellung nach der Erfindung einerseits und nach bekannten sonstigen Verfahren andererseits für verschiedene Aufwachs-Temperaturen wiedergibt;

Fig. 9 ein Diagramm, das die Verunreinigungskonzentrations-Verteilung eines pn-Übergangs erkennen läßt, der erfindungsgemäß gebildet wurde;

Fig. 10 einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäß hergestellten bipolaren Leistungstransistor;

Fig. 11 einen Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform eines bipolaren Transistors eines erfindungsgemäß hergestellten Integrierten Schaltkreises;

Fig. 12 einen Querschnitt durch eine weitere Abwandlung eines bipolaren Transistors eines erfindungsgemäß hergestellten Integrierten Schaltkreises;

Fig. 13 ein Diagramm, das die Verunreinigungskonzentrations-Verteilung der aktiven Zonen eines besonderen bipolaren Transistors ähnlich dem nach Fig. 10 erkennen läßt;

Fig. 14 ein Diagramm, das die Verstärkung als eine Funktion des Stroms des bipolaren Transistors erkennen läßt, dessen Verunreinigungskonzentrations-Verteilung mit Fig. 13 gezeigt ist;

Fig. 15 einen Querschnitt durch eine komplementäre MOS-Transistorschaltung einer nach der vorliegenden

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Erfindung hergestellten Computerspeicherschaltung;

Fig. 16 einen Teilschnitt durch eine abgewandelte Ausführungsform einer komplementären MOS-Transistorschaltung eines erfindungsgemäß hergestellten ComputerSpeicherschaltkreises; und

Fig. 17 schematisch einen Querschnitt durch ein erfindungsgemäß hergestelltes Bilderfassungs-Target einer hochauflösenden Fernsehkamera.

Im einzelnen zeigt Fig.. 1 eine Reihe MOS-Kondensatoren in einem Dünnfilm-Integrierten-Schaltkreis. Die Kondensatoren sind auf einem Isolator-Substrat 10 mit einer Hauptfläche 11 gebildet. Das Substrat kann Spinell wie Magnesiumäluminat der Formel MgO χ ^Α1ο°3 ^sein» wobei χ Werte zwischen etwa 0,64 und 6,7 haben kann. Im Handel ist ein Einkristall-Spinell-Magnesiumaluminat erhältlich, für das χ etwa 3,3 ist. Vorzugsweise ist das Substrat 10 jedoch Saphir (Al₂O₃), wobei die Hauptfläche mechanisch in der kristallographischen (1Ϊ02) -Ausrichtung poliert ist.

Nach geeigneter Behandlung, um beschädigte Bereiche zu entfernen und die Hauptfläche 11 zu reinigen, wird die Siliziumlage 12 epitaxial auf die Hauptfläche 11 aufgebracht. Vorzugsweise wird die Siliziumlage 12 auf das Saphir-Substrat durch Pyrolyse von Monosilanen (SiH₄) in Wasserstoffträgergas bei Temperaturen zwischen etwa 1025 und 1100 C mit einer Geschwindigkeit von etwa 2 bis 3 r/min aufgebracht. Die Lage hat vorzugsweise eine Dicke zwischen 2 und 3 u .

Es wird dann Phosphor in die Siliziumlage 12 durch Standard-Konstantquellen-, vorzugsweise Offenrohr-Verfahren diffundiert. Vorzugsweise ist die Diffusionsquelle Phosphin (PH-). Die Lage 12 wird so stark mit Phosphor dotiert, vorzugsweise bis zu

20 21 3

einer Konzentration zwischen 1 χ 10 und 1 χ 10 /cm .

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Danach wird eine verhältnismäßig leicht dotierte n-Siliziuinlage 13 epitaxial auf die stark dotierte Siliziumlage 12 durch Standard-Verfahren aufgebracht, um so einen nn-übergang 15 damit zu bilden. Vorzugsweise wird wiederum mit Pyrolyse von Monosilanen in Wasserstoffträgergas bei einer Temperatur zwischen 1025° und 1100° C gearbeitet. Die in das System arbeitende Verunreinigungsguelle ist vorzugsweise Phosphin (PH-) oder Arsin (AsH₃). Der epitaxiale Vorgang läuft wiederum mit einer Geschwindigkeit von etwa 2 bis 3 11/min ab, bis die Siliziumlage 13 eine Stärke von mehr als 1 Mikron und vorzugsweise zwischen 2 und 3 Mikron erreicht.

Die Siliziumlage 13 weist unmittelbar nach ihrem epitaxialen Aufwachsen noch keine unterschiedlich beschaffenen Zonen auf. Sie wird dann selektiv durch photolithographische Standardverfahren maskiert und ebenfalls selektiv mittels eines geeigneten Ätzmittels wie Kaliumhydroxid (KOH) geätzt, um in' der Siliziumlage 13 Inseln zu bilden, wie das mit Fig. 1 gezeigt ist. .

Es wird dann über die freigelegten Flächen der Siliziumlagen und 13 eine Siliziumdioxidlage 14 gebracht. Vorzugsweise wird die Oxidlage bei
2500 R aufgedampft.

wird die Oxidlage bei etwa 750 C bis zu einer Dicke von etwa

Es werden dann Fenster 16 durch photolithographische und Ätz-Standardverfahren in der Siliziumdioxidlage 14 geöffnet, um Bereiche der Siliziumlage 12 freizulegen. Es werden dann gleichzeitig Metallkontakte 17 und 18 gebildet, um mit der Siliziumlage 12 einen ohmschen Kontakt bzw. mit der Siliziumlage 13 den MOS-Kontakt zu bilden. Dies kann durch Aufdampfen von Aluminium oder einem anderen geeigneten Metall über dem Aufbau erfolgen, so daß die Fenster 16 geschlossen und eine unmittelbar angrenzende Abdeckung gebildet werden. Is wird dann mit "umkehr"- oder "Negativ"- Photomaskier- und Ätzverfahren gearbeitet, um die Metalläge an allen Stellen zu entfernen, außer in und in Nachbarschaft zu den Fenstern 16

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sowie an der für den frÖS-Kontakt gewünschten Stelle. Das in den Kontakt-Fenstern verbleibende Metall wird dann mit dem Silizium der Siliziumlage 12 durch Erwärmung legiert, um ohmsche Kontakte niedrigen Widerstands zu bilden.

Als Ergebnis erhält man einen Dünnfilm-Integrierten-Schaltkreis mit einer Reihe MOS-Kondensatoren,

Mit den Diagrammen nach Fig. 2-4 werden Daten wiedergegeben, wie sie bei der Untersuchung von MOS-Kondensatoren ähnlich den soeben beschriebenen im Hinblick auf deren Verunreinigungskonzentrations-Verteilung und Minoritätsträger-Lebensdauer ermittelt wurden»

Die Silizium-.auf-Saphir-Lagen der untersuchten Bauelemente wurden in einem horizontalen Reaktionsgerät gezüchtet, das durch eine externe HF-Induktionsspule erhitzt wurde. Vor dem epitaxialen Auwachsen der beiden Lagen 12 und 13 wurde der Graphit-Suszeptor gereinigt und bei etwa 1500 C mit reinem Silizium beschichtet. Die Saphir-Substrate 10 wurden mechanisch poliert, um eine Hauptflache 11 mit einer fcristallographisehen (1Ϊ02) "-Ausrichtung zu erhalten. Schaden der Hauptfläche 11 würden durch Wärmebehandlung einiger Substrate bei etwa 1475° C für 4 Stünden in Luft beseitigt. Einige Substrate wurden einer solchen Wärmebehandlung nicht ausgesetzt. Die Substrate wurden dann vor dem Einbringen in das Reaktionsgerät durch Entfettung mittels Kochen in einem H.SO. - HNO₃ -Gemisch gereinigt und anschließend mit H₃O₂ - H SO. einer Chelatbehandlung ausgesetzt.

Die bei der Untersuchung verwendeten MÖS-Kondensatoren wurden im übrigen wie vorstehend in Verbindung mit Fig. 1 beschrieben hergestellt,mit Ausnahme der Kontakte 16 und 17« Die Kontakte wurden unmittelbar durch selektiveVerdampfung durch eine den Aufbau abdeckende Metallmaske gebildet. Das Schaltelement wurde dann in Wasserstoff bei 400° G eine Stunde lang geglüht, um Ob_werflächenspannunqen zu beseitigen und so die Lebensdauer-

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messung leichter durchführen zu können.

Die Dotier-Profile wurden mittels der Ausbreitungswiderstand- und Gepulster-Kondensator-Verfahren gemessen (vgl* Mazur und Dickey, J. Electrochem. Soc. 113, 255 (1966) sowie van Gelder und Nicollian, J. Electrochem. Soc. 118, 138 (1971))» Dia Minoritätsträger-Lebensdauern wurden mittels des Gepulster-MOS-Kondensator-Verfahrensgemessen, bei dem das Bauelement auf eine tiefe Verarmung impuls-vorgespannt und dann auf seinen Quasi-Gleichgewicht-Zustand freigegeben wird (vgl. Schrodeiyund Guldberg, Solid-state Electronics, 14, 1285 (1971)).

In Fig. 2 ist die C-V-Charakteristik des MOS-Kondensators gezeigt worden. Die C-V-Messungen erfolgten bei 77° K, so daß die Kurve der Dotierung in Abhängigkeit von der Tiefe sich bequem auftragen ließ. Dies erfolgte, nachdem anhand eines Bulk-Silizium-MÖS-Kondensators verifiziert wurde, daß die von 300° K-C-V-Daten erhaltene Kurve für die Dotierung in Abhängigkeit von der Tiefe der für 77° K- Daten erhaltenen identisch war. Aus der C-V-Kurve kann das Dotier-Profil errechnet und dann entsprechend Fig. 3 aufgetragen Werden»

Ein typisches C-t-Ansprechen für die n-Siliziumlage 13 mit einer Minoritätsträger-Lebensdauer von 2,5 ii s ist mit Fig. 4 gezeigt* Aussagefähigere Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle I zusammengestellt, in der der Aufbau, die Aufwachs-Temperatur, Aufwachsgeschwindigkeit, Verunreinigungs-Konzentration und Minoritätsträger-Lebensdauer für MOS-Kondensatoren aufgeführt sind, die einmal nach der Erfindung, zum anderen nach dem Stand der Technik hergestellt wurden.

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Tabelle I

Aufbau	Aufwachs- temp. ( C)	Aufwachs- geschw. ( um/nin)	Verunrei- nigungs- Konzentr. (ND> (cm"J)	Minoritäts- träger-Le- bensdauer (^g)
n-Laqe -üuf- Saphir	1050	0,7	7 χ 1015	0,020
n-Lage -jauf- Saphir	1025	2,3	1 x 1016	0,045
n-Lage -äuf- n (+) - Lage- äuf- Saphir	1025	2,3	1 χ 1016	0,25
n-Lage -auf- n(+)- Lage- auf- Saphir	1025	2,3	4 x 1015	1,5

Aus Tabelle I ist unmittelbar ersichtlich, daß die vorliegende Erfindung die Minoritätsträger-Lebensdauer von Silizium-äuf-Saphir-Bauelementen mindestens um eine Größenordnung erhöht. Die Versuche Nr. 1 und 2 zeigen typische Minoritatsträger-Lebensdauern nach dem Stand der Technik von 20 bzw. 45 ns. Im Gegensatz dazu wurden unter Verwendung der vorliegenden Erfindung für die Versuche Nr. 3 und 4, wobei eine mit Phosphor dotierte Siliziumlage zwischen die mit Arsen dotierte Siliziumlage und das Saphir-Substrat gebracht wird, Minoritätsträger-Lebensdauern von 250 bzw. 1500 ns gemessen.

Bei.anderen gleichartigen Untersuchungen wurden Minoritätsträger-

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Lebensdauern in Verbindung mit der Erfindung in der mit Arsen dotiertön Siliziumlage gemessen, die bis zu 3 us (3000 ns) hoch waren.

Es wurden gleichartige Bauelemente hergestellt, um die Nützlichkeit der Erfindung bei der Herstellung von Halbleiter-Bauelementen in hybriden Integrierten-Schaltkreisen zu demonstrieren. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen sind mit Fig. 5 ^;* bis Fig. 9 wiedergegeben.

Es wurden Einkristall-n-Typ-Siliziumsubstrate durch das Schwebezonen-und Czochralski-Verfahren hergestellt. Die Substrate waren entweder (i) stark mit Phosphor bis zu

1 χ 10 /cm (0,0009 ohm-cm Spez.Widerstand), (ii) leicht

14 3
dotiert mit Phosphor auf 5 χ 10 /cm (10 ohm-cm Spez.Widerstand)

1 8 oder (iii) stark dotiert mit Antimon auf 7 χ 10 (0,008 ohm-cm Spez.Widerstand). Die Substrate wurden mechanisch und chemisch behandelt, so daß eine Hauptfläche davon jeweils eine um 2 von der (111)-Kristallebene abweichende kristallographische Ausrichtung hatte.

Jedes Substrat und insbesondere seine Hauptfläche wurde durch Entfetten in Aceton und Trichloräthylen, anschließendes Kochen in Schwefel-Salpetersäure (H-SO. :3.HN0_ : 3:1) gereinigt. Einige der Substrate wurden dann unter Verwendung von Ammoniumäthylendiamintetraacetat, einem Komplexwirkstoff für die Entfernung von Metallionen von den Substratflächen, einer Chelatbehandlung unterworfen. Nach dem Entfetten, Kochen und der Chelatbehandlung (sofern eingesetzt) wurde jedes Substrat gründlich in Super-Q-

Wasser, d.h. forlaufend umgewälztem dionisiertem Wasser, gespült. Wach einer in situ-Chlorwasserstoffätzung wurden dann entweder n- und/oder p- dotierte Siliziumlagen epitaxial auf die Hauptfläche der Siliziumsubstrate bei unterschiedlichen Temperaturen, d. h. 1100 , 1150 und 1250 C aufgebracht. Das epitaxiale Aufbringen oder Aufwachsen erfolgte in einem horizontalen Reaktionsgefäß mit externen EF-Induktionsheizelementen. Der Graphit-Suszeptor wurde vor jedem Versuch

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gereinigt und mit Silizium beschichtet. Das. Silizium wurde aus Siliziumtetrachlorid (SiCl ) in einem Wasserstoffträgergas aufgebracht. Der Wasserstoff war palladium (pd)-gereinigt, und alle Materialien hatten einen Ultra-Reinheitsgrad. Die Verunreinigung wurde in das System entweder als Arsin (AsH₃) oder Diboran (B₂Hg) -Gas eingeführt, um eine Verunreinigungs-Konzentration in der schwach dotierten Lage von etwa 1 bis

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2 χ 10 /cm zu erzeugen. Das epitaxiale Aufwachsen wurde mit einer Geschwindigkeit von etwa 1 u/min fortgesetzt, bis die Lage eine Stärke von etwa 3Ou erreicht hatte.

Die epitaxialen Lagen wurden auf ihre Minoritätsträger-Lebensdauer hin und die in den epitaxialen Lagen und durch diese gebildeten pn-übergänge wurden hinsichtlich ihres Strom-Spannungsverhaltens gemessen. Diese pn-übergänge gehörten drei Typen an, nämlich (i) flach in die epitaxialen Lagen diffundierte übergänge (Bordiffusion in h-dotierte epitaxiale Lagen); (ii) Substrat-Epitaxialübergänge (nur für mit Bor dotierte Epitaxial-Lagen auf η-dotierten Substraten verwendet); (iii) durch Aufwachsen einer Lage entgegengesetzten Leitungstyps auf eine erste epitaxial gezüchtete Lage gebildete Epitaxial-Epitaxial-übergänge. Bezüglich der Übergangs-Messungen wurde das Augenmerk besonders auf die Sperr-Durchbruchsspannung der übergänge gerichtet.

Die Minoritätsträger-Lebensdauer-Messungen für die n-dotierten epitaxialen Lagen auf η-dotierten Substraten sind mit Fig. gezeigt. Jeder wiedergegebene Punkt entspricht einem Mittelwert von zehn (10) Messungen an unterschiedlichen Bauelementen. Die Auswirkung der unterschiedlichen Reinigungsbehandlung ist aus dem Vergleich der bei 1150 C für die drei verschiedenen Aufbauten gemessenen Lebensdauern ersichtlich. Die Aufbauten, bei denen das Substrat vor dem epitaxialen Aufwachsen einer Chelat-Behandlung unterworfen worden war, wiesen erheblich höhere Lebensdauern auf. Es ist davon auszugehen, daß dies auf die stark ausgeprägte Metallkomplexeigenschaft des Chelat-Wirkstoffs zurückzuführen ist.

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Der Anstieg der Minoritätsträger-Lebensdauer bei Anwendung der vorliegenden Erfindung ist klar aus Fig. 5 ersichtlich, unabhängig von der Züchtungstemperatur war die Lebensdauer für η-dotierte epitaxiale Siliziumlagen auf stark mit Phosphor dotierten Silizium-Substraten beträchtlich größer. In Verbindung mit der vorliegenden Erfindung wurden bei einer Aufwachs-Temperatur von 1100° C Minoritätsträger-Lebensdauern von bis zu

us festgestellt.

Aus Fig. 5 läßt sich ebenfalls ersehen, daß die Minoritätsträger-Lebensdauer mit fallender Aufwachs-Temperatür ansteigt. Es ist davon auszugehen, daß dies auf eine Verringerung in der Menge an schweren Metallen zurückzuführen ist, die bei der niedrigeren Temperatur in das Epitaxial-System eingeführt werden.

Fig. 6 zeigt die Minoritätsträger-Lebensdauer-Messungen für p-dotierte epitaxiale Siliziumlagen auf η-dotierten Silizium-Substraten. Jeder gezeigte Punkt entspricht wiederum einem Mittelwert von zehn (10) Messungen an unterschiedlichen Bauelementen. Nachdem bezüglich der η-dotierten epitaxialen Siliziumlageh gefunden wurde, daß die Chelat-Behandlung eine erhebliche Auswirkung auf die Lebensdauer hatte, wurden alle Substrate vor der p-Epitaxialzüchtung einer Chelat-Behandlung unterworfen. Die Ergebnisse waren praktisch identisch mit den Beobachtungen bezüglich der η-EpitaxialZüchtung. Es wurden beträchtlich höhere Minoritätsträger-Lebensdauern verzeichnet, wenn stark mit Phosphor dotiertes Silizium als Grundlage für die epitaxial gezüchtete Lage verwendet wurde, wobei die besten Ergebnisse bei niedrigeren Aufwachs- bzw. Züchtungstemperaturen erzielt wurden.

Im Gegensatz zu den mit n-epitaxialen Siliziumlagen durchgeführten Untersuchungen verbesserte jedoch ein anschließendes Gettern der mit Bor dotierten epitaxialen Siliziumlagen in einem Zwei-Zonen-P„0_-Ofen mit auf einer Temperatur von 250 C befindlicher Getterquelle und auf einer Temperatur von 95O C befindlichen Silizium-Substraten (in einer Argon-Atmosphäre

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für .45 min) die Lebensdauern erheblich. Beispielsweise erhöhte ein solches Getter-Verfahren die Lebensdauer bei einer Züchtungstemperatur von 1150 C um einen Faktor von über 100, wie das mit Fig. 6 geneigt ist. Ähnliche Auswirkungen wurden bei den anderen Auftragtemperaturen gemessen, wobei jedoch für diese Temperaturen nur die Minoritätsträger-Lebensdauern nach dem Gettern in Fig. 6'gezeigt sind. Im Gegensatz dazu hatte diese Getterbehandlung auf die Lebensdauern in den n-dotierten epitaxialen Siliziumlagen praktisch keine Auswirkung. Es ist davon auszugehen, daß dieser Unterschied'auf einen Unterschied hinsichtlich der Verunreinigungen an schwerem Metall zurückzuführen ist, die bei Verwendung der Diboran-Dotierquelle in das System eingeführt v/erden.

Fig. 7 zeigt ein typisches Verunreigungs-Konzentrations-Profil der untersuchten η-dotierten Siliziumlagen auf stark mit Phosphor dotierten Silizium-Substraten. Die Lagenstärke betrug

14 etwa 3On- und die Dotierung schwankte zwischen 5x10 bis 2 χ 10 /cm , so daß für alle Verunreinigungs-Konzentrationen außer der niedrigsten eine Bulk- und nicht die Durchgreif-Durchbruchsspannung sichergestellt wurde.

Die Dioden wurden entweder durch eine flache Bordiffusion in die Siliziumlage oder durch Aufwachsen einer p-dotierten epitaxialen Siliziumlage auf der η-dotierten epitaxialen Siliziumlage gebildet. Es wurden dann durch selektives Atzen Mesa-Dioden mit einem Durchmesser von 1 mm erzeugt und an-' schließend durch Aufbringen einer Oxidlage passiviert, wie das durch die eingezeichnete Darstellung in Fig.8 veranschaulicht ist. Die Ergebnisse der Spannungsdurehbruchs-Messungen sind in Fig. 8 und den nachstehenden Tabellen II und III wiedergegeben. Das Verhältnis der gemessenen Durchbruchswerte zu den theoretischen Bulk-Durchbruchswerten (entsprechend der Lagen-Dotierung) ist als eine ,,Funktion der Auftrag-Temperatur aufgetragen worden. Die offenen Punkte beziehen sich auf diffundierte Dioden, während sich die vollen Punkte auf Epitaxial-EpitaxialHDioden beziehen.

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Die Zahlen neben den Punkten sind die theoretischen Durchbruchsspannungen, wobei die mit einem Stern versehenen Werte anzeigen, daß der Durchbruch durch Durchgreifen der Raumladungs-Zone zu dem η·(·+)-dotierten Substrat bestimmt wird.

Die Behandlungs- und Aufwachs-Bedingungen sowie die Dotier-Konzentrationen der Siliziumlagen sind mit Tabelle II wiedergegeben. Die'Sperrspannungswerte sind für zwei Stromwerte, nämlich weniger als 20 η Α und 5 mA angegeben. Der 5 mA-Wert wurde als Durchbruchsspannungs-Messung verwendet. Ebenso sind die theoretischen Durchbruchsspannungen gezeigt. Gleiche Daten für die Epitaxial-Epitaxial-Dioden sind in Tabelle III gezeigt.

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Tabelle II Kennwerte von diffundierten Dioden auf η-dotierten Epitaxial-Siliziumlägen

CO OO l\> CO

Substrat- Dotierung	Aufwachs- Temperatur	Epitaxial-Lage- Dotierung	Sperrspannung bei einem Strom von <20uA 5 mA	V ° (V) BD
Starke Dotierung mit Phosphor Spez.Widerst. O,0009A-cm	1150 1100 1150 1250 1150	1 χ 1o]j? 1 χ 10 1I T χ 10 = 4 X 1θ'ς 1 χ 1O15	250 320 265 300 220 280 260 335 255 . 310	320 320 320 700 320
Stark mit Antimon dotiert Spez.V.iderst. 0,008Λ-αη	1150 1100 1150 1250 1150	6 x 101^ 4 χ loJJ % Χ 10 4 χ 10 * 5 χ 10lft	250 400 265 440 250 370 235 300 240 470	490 480 -x) 490 700 580
Leicht mit Phos phor dotiert Spez.Widerst, ΙΟΛ-cm	1250	4 χ 1014	200 275	700 .

x) gibt die theoretische Durchgreif-Durchbruchsspannung an.

Tabelle III

Kennwerte von Epitaxial-Epitaxial-Dioden auf η-dotierten Epitaxial-

Siliziumlagen

CD OO rs> CD

cn

Substrat- Dotierung	Aufwachs- Temperatur	Epitaxial-Lage- Dotierung	Sperrspannung bei Durchbruch	V ° (V) BD
Starke Dotierung mit Phosphor Spez.Widerst. 0,0009 0hm-cm	1150 1250	V/5 x 10^ 2 χ 1014	235 bei < 1OuA 245 bei < 10^uA	240 500 x)
Stark mit Antimon dotiert Spez.Widerst. 0,008 0hm-cm	1150 1250	4 χ 1o]^ 2 x 101^	350 bei 200 JiA 290 bei 20^iA	700 500 x)
Leicht mit Phos phor dotiert Spez.Widerst. 50 0hm-cm	1150	1 χ 1015	24b bei 2OuA	325

x) gibt die theoretische Durchgreif-Durchbruchsspannung an,

NJ U) CJ)

Der allgemeine Trend dieser Messungen steht im Einklang mit den Lebensdauer-Daten, d. h., niedrigere Aufwachs-Temperaturen ergaben Bauelemente mit näher an den theoretischen Werten liegenden Durchbruchsspannungen. Ebenso hatten auf stark mit Phosphor dotierten Silizium-Substraten entsprechend der vorliegenden Erfindung hergestellte Dioden höhere Durchbruchswerte als die beiden anderen Substrate. Diese Dioden wiesen ebenfalls bessere I-V-Kennwerte auf, während die anderen häufig einen sehr niedrigen Durchbruchswert hatten. Die sehr niedrige ^V _BD der leicht dotierten Siliziumlagen (2 bis 4 χ 1O¹⁴'cm~³, mit dem entsprechend hohen V o) mag teilweise auf Oberflächen-

BD effekte zurückzuführen, sein.

Im Gegensatz zu den Lebensdauer-Daten hatte die Reinigungsbehandlung wenig Einfluß auf die Durchbruchs-Kennwerte. Die Chelat-Behandlung und die H₂O₂~Reinigung der Silizium-Substrate führten zu keinen Ergebnissen, die sich nennenswert von denjenigen der nicht auf diese Weise gereinigten Substraten unterschieden hätten.

Ebenso war zu beobachten, daß die Epitaxial-Epitaxial-Dioden sich weitgehend wie die diffundierten verhielten. Das zeigt an, daß solche übergänge nicht von Natur aus schlecht sind, sondern daß die Übergangs-Kennwerte bei niedrigerer Dotierung stärker von der Qualität der Siliziumlage abhängen,.

Mit Fig. 9 ist ein typisches Verunreinigungs-Konzentrations-Profil einer p-Epitaxial-Siliziumlage auf einem stark mit Phosphor dotierten Substrat gezeigt. Da ein natürlicher pnübergang gebildet wird, wenn eine p-dotierte Lage auf einem η-dotierten Substrat gezüchtet wird, wurden für diese Lagen nur die Substrat-Expitaxial-übergänge ausgewertet. Die Ergebnisse für eine Aufwachs-Temperatur von 1100 C, bei Chelat-Behandlung, sind mit der nachstehenden Tabelle IV wiedergegeben.

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Tabelle IV Kennwerte von Substrat-Epitaxial-Dioden auf p-dotierten Epitaxial-

CD CO (s> CD

Siliziumlagen für 1	Substrat- Dotierung	Gettern	100	C- Züchtungstemperatur	Sperrspannung bei einem Strom von < 20 li A 5 inA	255	V ° (V) BD
Starke Dotierung mit Phosphor	Nein	Siliziumlag.e-DjOtierung (pro cm )	210,	280	320
Spez.Widerst. 0,0009 Ohm-cm	P2°5		250	60	320 I
Stark mit Antimon dotiert	Nein		50	60	C 320 ,
Spez.Widerst. 0,008 0hm-cm	P2°5		45	265	320
Leicht mit Phos phor dotiert	Nein		250	315	320
Spez.Widerst. 10 Ohm-cm	P2°5		280		320
1 χ V5
1 χ 1015
1 χ 1015
1 X 1015
1 χ 1015
1 χ 1015

Ki CO CD

cn ί-ο

Wie mit diesen Messungen gezeigt, hatten die auf mit Phosphor dotierten SiIi2ium-Substraten hergestellten Dioden höhere Durchbruchsspannungen als die auf mit Antimon dotierten Silizium-Substraten, das gleiche wie; zuvor auf n-dotierten Siliziumlagen gemessen. Wie mit Tabelle IV ebenfalls gezeigt, hatte das Phosphor-Gettern wenig Auswirkung auf die Durchbruchsspannung.

Ähnlich n-Epitaxial-Siliziumlagen führten höhere Züchtungstemperaturen zu übergängen mit ungünstigeren Sperreigenschaften.

Gleichartige Untersuchungen wurden an mit Bor dotierten Silizium-Substraten durchgeführt, die eine Verunreinigungs-

20 3
Konzentration von etwa 1 χ 10 /cm hatten. Es wurde auf jeden Körper eine n- oder p-Siliziumlage epitaxial bis zu einer Stärke von 25 ία durch Auftrag mittels eines Silizium-Tetrachlor-

ο
wasserstoff-Systems bei etwa 1150 C aufgebracht, um einen pn- oder nn-übergang mit dem Körper zu bilden. Die n-Lagen

15 wurden mit Arsen bis zu einer Konzentration von etwa 1 χ 10 /cm dotiert, während die p-Lagen mit einer Konzentration von etwa

15 3
3 χ 10 /cm dotiert wurden. Die MOS-Kondensatoren wurden dann wie oben beschrieben gebildet, und die Minoritätsträger-Lebensdauern gemessen, ebenfalls wie oben beschrieben. Die n-dotierte Epitaxiallage hatte eine Minoritätsträger-Lebensdauer von etwa 100 us, während die p-dotierte Epitaxiallage" wegen der Verunreinigung durch die Diboran-Dotierquelle eine Lebensdauer von 0,5 11 s hatte. Es läßt sich zeigen, daß die Lebensdauer der letzteren durch den Einsatz der oben beschriebenen Gettertechnik verbessert wird.

Zur v/eiteren Veranschaulichung der Nützlichkeit der vorliegenden Erfindung wird nachstehend auf Fig. 10 bis 17 bezug genommen. Fig. to bis 14 veranschaulichen die Verwertbarkeit der Erfindung zur Herstellung bipolarer Transistoren in Hybrid- und Dünnfilm-Integrierten-Schaltkreisen. Fig. 15 und 16 zeigen die Anwendung der Erfindung bei der Herstellung komplementärer MOS-Transistoren für Computer-Speicherkreise. Und Fig. 17 zeigt die

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Verwertbarkeit der-Erfindung bei der Herstellung von Erfassungs-Targets hoher Auflösung für Fernsehkameraröhren.

Entsprechend Fig. 10 wird ein bipolarer npn-Leistungstransistör mit Mesa-Struktur hergestellt. Ein Einkristall-S^ilizium-Körper 20 wird vorgesehen, der eine Fhosphor-Verunreinigungs-Konzentration von etwa 1 χ 10' °/cm hat. Der Einkristall-Siliziuir-Körper 20 wird mechanisch und chemisch poliert, um so die Rauptfläche 21 mit einer kristallographischen Ausrichtung zu erhalten, die um 2° von der (111)-Kristallebene abweicht.

Auf der Hauptfläche 21 wird eine relativ schwach n-dotierte Siliziumlage 22 epitaxial gezüchtet, um eine örtlich nicht begrenzte Lage mit einer Tiefe von etwa 17 η und einen nn-Übergang 23 mit dem Körper 20 zu bilden. Vorzugsweise wird die Siliziumlage 22 aus einem Siliziumtetrachlorid in einem Wasserstoffträgergas durch Standard-Verfahren aufgebracht.

14 3 Die Siliziumlage 22 wird auf etwa 8 χ 10 /cm mit einer

η-Verunreinigung dotiert, indem Arsin (AsE-)-Gas in das Epitaxial-System eingeleitet wird.

Danach wird eine schwach p-dotierte Siliziumlage 24 epitaxial auf die Siliziumlage 22 aufgebracht, um eine örtlich nicht begrenzte Lage mit einer Tiefe von etwa 8 η zu bilden. Vorzugsweise wird das gleiche Auftrags-Verfahren angewandt wie beim Aufwachsen der epitaxial gezüchteten Lage 22. Die Siliziumlage

16 3
,wird auf 1 χ 10 /cm mit p-Verunreinigung dotiert, indem Diboran (B-H )-Gas in das Epitaxialsystem eingeleitet wird.

Die Siliziumlagen 22 und 24 werden dann durch selektives Ätzen inselartig ausgestaltet, wie das mit Fig. 10 gezeigt ist. Die Oberfläche der epitaxial aufgebrachten Lagen wird selektiv durch ein photolithographisches Standard-Verfahren maskiert, bei dem Flächen der Epitaxial-Lagen belichtet werden, die entfernt werden sollen. Die belichteten Flächen werden dann durch Fenster in der Maskierungslage mit einem geeigneten Ätzmittel wie Kalilauge (KOH) behandelt, um Teile der Siliziumlagen 22 und 24 zu

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entfernen und die mit Fig. 10 angedeuteten Inseln zurückzulassen. Danach wird die Maskierungslage entfernt.

Es wird dann die Oxydlage 25 über den freigelegten Flächen des Äufbaus mit einer Tiefe von etwa 2500 A gebildet. Vorzugsweise wird die Lage 25 durch /mfdampfen von Siliziumdioxid über die freigelegte Fläche in einer Stickstoffatmo Sphäre von etwa 700 C aufgedampft.

Es werden dann Fenster 26 in der Oxydlage 25 geöffnet, um die Emitter-Zonen 27 des Transistors durch photolithographische und Diffusions-Standard-Verfahren zu bilden. Vorzugsweise wird eine Konstant-Diffusions-Quelle aus Phosphingas unter Verwendung eines Offen-Rohr-Systems diffundiert. Die Diffusion erfolgt vorzugsweise mit einer Oberflächen-Verunreinigungs-Konzentration zwi
1,5

20 21 3

zwischen 1 χ 1O und 1 χ 10 /cm und einer Tiefe von etwa

Es werden dann in der Oxydlage 25 Fenster 28 und 29 geöffnet, um Flechenbereiche der Siliziumlage 24 bzw. der Hauptfläche freizulegen und für einen ohmschen Kontakt mit den Easis- bzw. Kollektor-Zonen des Transistors zu sorgen. Diese Fenster v?erden vorzugsweise durch photolithographische und Ätz-Standard-Verfahren geöffnet.

Es werden gleichzeitig Metallkontakte 30, 31 und 32 gebildet, um ohmsche Kontakte mit der Emitter-, Basis- und Kollektor-Zone der Transistoren herzustellen. Dies erfolgt durch Verdampfung von Aluminium oder einem anderen geeigneten Metall über dem Aufbau, um die Fenster 26, 28 und 29 zu schließen und eine kontinuierliche Metallage über der Gxydlage 25 zu bilden. Eine "Negativⁿ-Maske mit einem photolithographischen Standard-Verfahren und einem geeigneten Ätzmittel wie 10 % Natriumlauge werden verwendet, um die Metallage an allen Stellen zu entfernen, außer in den geschlossenen Fenstern 26, 28 und 29 bzw. in ihrer unmittelbaren Kachbarschaft. Das Metall in den Fenstern wird dann mit dem Silizium legiert, indem der Körper 20 erwärmt wird,

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so daß sich ohmsche Kontakte mit niedrigem' Widerstand ergeben.

Auf diese Weise werden eine Reihe npn-Transistoren in einem Hybrid-Integrierten-Schaltkreis gebildet.

Entsprechend Fig. 11 werden in gleicher Weise eine Reihe npn-Transistoren niedriger Leistung in einem Dünnfilm-Integrierten-Schaltkreis gebildet. Ein Saphir-Substrat 33 wird in einer kristallographischen (1102)-Ausrichtung mit einer Hauptfläche versehen. Es wird dann die Siliziumlage 35 epitaxial auf die Hauptfläche 34 mit einer Tiefe von etwa 3 ,u durch Pyrolyse eines Monosilane-Wasserstoffträgergas-Systems bei einer Geschwindigkeit von etwa 2 bis 3 ii/min aufgebracht, wobei ein Selbstdotieren verringert wird. Die Siliziumlage 35 wird danach mit Phosphor bis auf eine Verunreinigungs-Konzentration von

21 3

etwa 1 χ 10 /cm durch Standard-Diffusions-Verfahren n-dotiert. Vorzugsweise wird eine Konstant-Diffusions-Quelle aus Phosphin (PH₃) in einem Offen-Rohr-System verwendet, um Phosphor in die Siliziumlage 35 zu diffundieren.

Danach werden die Transistoren auf der stark η-dotieren Siliziumlage 35 wie zuvor in Verbindung mit Fig. 1O beschrieben^-/Was ' die Dicke.der Lagen angeht - gebildet. Die η-dotierte Siliziumlage 22' hat eine Stärke von etwa 1,5 11, die η-dotierte Siliziumlage 24¹ hat eine Stärke von etwa 0,8 Ai und die Emitter-Zone 27" hat eine Stärke von 0,4 ,u. Der Einfachheit halber sind die Eezugszahlen jeweils mit einem Apostropfizeichen C) versehen worden, um die entsprechenden Elemente wie oben beschrieben zu bezeichnen.

Fig. 12 zeigt eine Reihe npn-Transistören in einem Dünnfilm-Integrierten-Schaltkreis ähnlich dem mit Fig. 11 gezeigten. Der Aufbau ist identisch, mit der· Ausnahme, daß der hier mit 27" bezeichnete Emitter epitaxial auf einer hier mit 24" bezeichneten Siliziumlage gezüchtet wird, anstatt in diese diffundiert zu werden. Vorzugsweise wird der Emitter 27" durch selektive Lpitaxie durch cas Fenster 26" in der Oxydlage 25" gezüchtet

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(vgl. Rai-Choudhury und Schroder, J.Electrochem Soc.: Solid State Science, 118, 107 (1971)). Alternativ kann der Emitter 27" durch epitaxiales Aufwachsen auf eine örtlich nicht begrenzte Lage auf der Lage 24" und durch anschließendes selektives litzen von Inseln wie zuvor gezeigt, indeir. die Lagen 22" und 24" selektiv geätzt werden, hergestellt werden.

Mit Fig. 13 und 14 sind die Verunreinigungs-Konzentrations-Verteilung und die Verstärkung des Leistungs-Transistors der Fig. 10 wiedergegeben. In Fig. 13 zeigen die Kurven A, B und C die Verunreinigungs-Konzentrationen der Kollektor-, Basis- bzw. Emitter-Zonen des Transistors. In Fig. 14 zeigt die Kurve A die gemeinsame Emitter-Strom-Verstärkung des Transistors als Funktion des Kollektor-Stroms. Sie läßt erkennen, daß die hohen Lebensdauern, wie sie durch die Erfindung vermittelt werden, einem großflächigen Transistor eine hohe Stromverstärkung verleihen. Aus Fig. 14 läßt die Minoritätsträger-Lebensdauer der epitaxial gezüchteten Lage 24 /mit einem ftert von etwa 1OO .us berechnen.

Es läßt sich somit aus Fig.11 bis 14 entnehmen, daß die vorliegende Erfindung die Verwendung bipolarer Transistoren in Anwendungsfällen möglich macht, wo eine Minoritätsträger-Lebensdauer oder das Äquivalent, Diffüsionslänge, einen Parameter von äußerster Wichtigkeit darstellen. Die Erfindung eröffnet somit nicht nur die Einsatzmöglichkeit von Bulk-Silizium-Transistoren, sondern auch von Dünnfilm- und insbesondere Silizium-auf-Saphir-Transistoren.

TIq. 15 zeigt eine komplementäre MOS-Transistor-Schaltung, wie sie sich für eine Computer-Speicher-Schaltung eignet, in einem Dünnfilm-Integrierten-Schaltkreis. Ein Saphir-Substrat 4O wird mit einer Hauptfläche 41 in der kristallographischen (1102)-Ausrichtung versehen. Eine Siliziumlage 42 wird vorzugsweise durch Pyrolyse von Monosilanen (Sill ) in einem Wasserstoffträgergas bei etwa 1OOO° c epitaxial aufgebracht. Das epitaxiale

/ noooo /nr/ci

Aufbringen der Siliziumlage 42 erfolgt mit einen; V'ert von etwa 2 bis 3 αϊ pro Minute auf eine liefe von etv/a 3 μ .

Die Siliziumlage 42 v/ird dann durch Standard-Diffusions-Verfanren stark mit Phosphor dotiert. Der Einfachheit halber kann die Siliziumlage 42 vorzugsweise mit einer Konstant-Diffusions-Cuelle aus Phosphin-Gas in einem Offen-Rohr-System dotiert werden. Die Lage v/ird vorzugsweise auf eine Flächenverunreinigungs-Konzentration zwischen -1 χ 10 und 1 χ 10 /cm dotiert.

Die Siliziurclage 43 wird dann epitaxial gezüchtet und gleichzeitig schwach dotiert, vorzugsweise durch Pyrolyse von Monosilanen in Wasserstoffgas wie zuvor beschrieben, um einen nn-übergang 44 mit der Siliziumlage 42 zu bilden. Die Siliziumlage 43 erhält eine Dotierung vom η-Typ mit einer Verunretii-

14 3 gungs-Konzentration von etwa 5 χ 1.0 /cm durch fortlaufende Einspeisung vorzugsweise von Ar sin (AsH«) in das epitaxiale System von einer konstanten Quelle. Vorzugsweise erfolgt das epitaxiale Aufbringen mit einer hohen Geschwindigkeit von beispielsweise 5 η/min, um eine Selbstdotierung der Siliziumlage 43 aus der Siliziumlage 42 zu verringern. Die Siliziumlage 43 wird vorzugsweise auf eine Tiefe von etwa 2 bis 3 η gezüchtet.

Danach wird die Siliziumlage 43 selektiv maskiert und geätzt, um Bereiche der Lage zu entfernen und Paare von Inseln 45 und (vgl.Fig. 15) für die MOS-Transistoren zu bilden. Dies erfolgt vorzugsweise durch photolithographische Standard-Verfahren, wobei ein geeignetes Ätzmittel wie Kalilauge, das kristallographisch empfindlich ist, verwendet wird.

Es wird dann die Oxydlage 47 über die freigelegten Flächen der Siliziumlagen 42 und 43 mit einer Tiefe von etwa 25OO S aufgebracht. Dies erfolgt vorzugsweise durch Aufdampfung bei etwa 700° C. Die Oxydlage 47 wird dann von einer der beiden Inseln, d. h. der Insel 45, entfernt, so daß eine selektive Diffusion der schwach dotierten Siliziumlage 43 erfolgen kann.

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Es wird dann eine geeignete "p-Verunreinigung wie Bor durch Standard-Diffusions-Verfahren in die freigelegten Inseln 45 diffundiert. Vorzugsweise wird eine Konstant-Diffusions-Quelle aus Diboran verwendet. Die 'Siliziumlage 43 im Bereich der Inseln 45 wird dann kompensiert und schwach mit einer Verun-

15 3 reinigungs-Konzentration von etwa 5 χ 10 /cm p-dotiert.

Die freigelegten p-dotierten Inseln 45 in der schwach dotierten Siliziumlage 43 werden dann durch Ausdehnung der Oxydlage 47 abgedeckt. Dies erfolgt vorzugsweise wiederum durch Aufdampfen bei etwa 700° C.

Es werden dann in der Oxydlage 47 im Bereich der Insel 46 Fenster 48 und 49 geöffnet und die stark p-dotierten Source- und Drain-Zonen 50 und 51 in die η-dotierte Insel 46 diffundiert. Dies erfolgt vorzugsweise durch photolithographische und Diffusions-Standard-Verfahren wie oben erläutert. Vorzugsweise wird eine Konstant-Diffusions-Quelle mit Diboran in einem Offen-Rohr-System verwendet. Vorzugsweise beträgt die Verun-

17 3 reinigungs-Konzentration etwa 5 χ 10 /cm , um eine Diffusion durch die stark η-dotierte Siliziumlage 42 zu erhalten und für eine Isolierung der n-Känal-Zone 52 zu sorgen. Die Verunreinigungs-rKonzentration soll so niedrig gehalten v/erden, wie das innerhalb der Grenzen der Arbeitsweise des' Transistors möglich ist, um einen so gut wie möglich isolierenden pn-übergang mit der stark η-dotierten Siliziumlage 42 zu erhalten und zu gewährleisten, daß die Source- und Drain-Zonen 50 und 51 die stark dotierte Siliziumlage 42 nicht nennenswert durchsetzen.

Die Fenster 48 und 49 werden dann durch Erweiterung der Oxydlage 47 wie oben beschrieben geschlossen.

Es werden dann' in dän pr-dotierten Inseln 45 Fenster 53 und 54 geöffnet und die stark η-dotierten iource- und Drain-Zonen 55

19 ' und Ϊ--6 vorzugsweise mit einer Konzentration"von etwa 1 χ 10 /cm~ in die p-dotierten Inseln 45 diffundiert. Dies erfolgt wiederum

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durch photolithographische und Diffusions-Standard-Verfahren. Vorzugsweise wird eine Konstant-Diffusions-Quelle mit Phosphin in einem Offen-Rohr-Verfahren eingesetzt. Es muß jedoch darauf geachtet werden, daß gewährleistet ist, daß die Source- und Drain-Zonen' 55 und 56 die Siliziumlage 43 nicht durchsetzen und das Schaltelement kurzschließen. Eine gute Isolierung der p-Kanal-Zone 57 wird wegen der vorhergehenden unbestimmten Diffusion von p-Verunreinigung in die Insel 45 vorgesehen.

Die Fenster 48 und 49 v/erden erneut geöffnet, und es wird das Fenster 58 geöffnet, um Teile oder Bereiche der stark dotierten Siliziumlage 42 freizulegen. Dies erfolgt wiederum durch photolithographische und Ätz-Standard-Verfahren. Vorzugsweise v/erden in der Oxydlage 47 ebenfalls Quellen 59 und 60 gebildet, indem der Ätzvorgang bei der Eildung der Fenster angehalten, ein weiterer Teil der Photomaske entfernt und der Ätzvorgang wieder fortgesetzt wird.

Metallkontakte 61 ..- 66 werden gleichzeitig gebildet, um ohmsche Kontakte mit der Siliziumlage 42 und den Source- bzw. Drain-Zonen 50, 51, 55 bzw. 56 und MOS-Kontakte mit dem Kanal 52 bzw. 57 zu bilden.

Dies erfolgt durch Aufdampfen von Aluminium oder einem anderen geeigneten Metall auf dem Aufbau, so daß die Fenster 48, 49, 53, 54 und 58 und die Quellen oder Senken 59 und 60 geschlossen werden und eine kontinuierliche Metallage über der Oxydlage 47 gebildet wird. Es werden dann eine "Negativ"-Maske mit einen, photolithographischen Standard-Verfahren und ein geeignetes Ätzmittel wie 10 % Katriumlauge verv?endet, um die Metallage von allen Stellen zu entfernen, außer in den geschlossenen Fenstern und Senken sowie in den daran angrenzenden Bereichen. Das Metall in den Fenstern wird dann durch Erwärmung des Jiufbaus mit dem Silizium legiert, um ohmsche Kontakte niedrigen Widerstands zu bilden. 1-Js sei darauf hingewiesen, daß die Senken 59 und 60 die Läge und den Abstand der FOS-Kontakte

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von den Kanal-Zonen bestimmen.

Das so gebildete Dünnfilm-Siliziuro-auf-Saphir-Schaltelement ist eine komplementäre MOS-Transistor-Schaltung, die in der Steigerungs-Betriebsart arbeiten kann. Der Kontakt 61 bringt eine Sperrspannung an die pn-übergänge mit der Siliziumlage 42, um den Transistor zu isolieren. Der Kontakt 62 ist den Source-Zonen 50 und 55 des komplementären Transistors gemeinsam, so daß cie Schaltung als Flipflop arbeiten kann. Die Schaltung kann somit im Speicherkreis eines Computers Einsatz finden.

Mit Fig. 16 ist eine ähnliche komplementäre MOS-Transistor-Schaltung gezeigt. Der Unterschied besteht darin, daß hier der ρ(+)η(-)ρ(+)-Transistor durch einen ρ(+)ρ(-)ρ(+)-Transistor ersetzt ist, der in der Tief-Verarmungs-Steigerungs-Betriebsart arbeiten kann. Dies erfolgt durch Dotierung der schwach dotierten Siliziuir.lage 43' mit einer p-Verunreinigung wie Bor anstelle Phosphor während des epitaxialen Aufwachsens , um so einen pn-übergang 44' anstelle des nn-übergangs 44 zu bilden. Vorzugsweise wird die Verunreinigungs-Konzentration

13 3 im Übergangsbereich auf etwa 1x10 /cm gehalten, um in der Kanal-Zone den hohen Widerstand für das Arbeiten in der Tief-Verarmungs-/Steigerungs-Betriebsart zu schaffen.

Dieses Schaltelement hat den Vorteil, daß eine Reihe von Schritten eliminiert wird, die bei der Herstellung der komplementären MOS-Transistor-Schaltung notwendig sind, die oben in Verbindung mit Fig. 15 erläutert wurde. Ferner wird dabei für eine bessere Isolierung der Schaltung gesorgt, da keine Isolier-pn-Übergänge zwischen der stark dotierten Source- und Drain-Zone und der stark dotierten Siliziumlage 42' notwendig sind.

Die vorliegende Erfindung dient somit zur Herstellung eines komplementären FOS-Transistors durch Sillζium-auf-Saphir, der einen viel niedrigeren Leck-Strom und insofern eine viel niedrigere Verlustleistung hat. Es können somit Computer

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mit größeren Speichereinheiten hergestellt werden, indem CMOS-Transistor-Schaltungen verwendet werden.

Entsprechend Fig. 17 wird ein Eilderfassungs-Target für eine Fernsehkameraröhre hoher .Auflösung unter Anwendung der vorliegenden Erfindung hergestellt. Das Saphir-Substrat 7O ist mit einer Hauptfläche 71 in der kristallographischen (1102)-Ausrichtung versehen. Die Siliziumlage 72 wird dann auf die Hauptfläche 71 epitaxial aufgebracht, vorzugsweise durch Pyrolyse von Monosilanen in einem Wasserstoffträgergas, wie das zuvor beschrieben wurde. Das epitaxiale Aufbringen wird so lange fortgesetzt, bis die Siliziumlage 7O eine Stärke von etwa 1 uhat.

Die Siliziumlage 72 wird dann durch ein Standard-Diffusions-System stark mit Phosphor η-dotiert. Vorzugsweise wird eine " Konstant-Diffusions-Quelle mit Phosphin in einem Offen-Rohr-System verwendet. Die Verunreinigungs-Konzentration der Silizium-

20 21 3

lage 72 liegt somit zwischen 1 χ 10 und 1 χ 10 /cm .

Es wird dann die Siliziumlage 73 epitaxial auf die Siliziumlage 72 mit einer Stärke von etwa 5 bis 1Ou aufgebracht um einen nn-übergang 74 mit der Siliziumlage 72 zu bilden. Vorzugsweise erfolgt das epitaxiale Aufbringen wiederum mittels Pyrolyse von Monosilanen wie zuvor erläutert. Gleichzeitig

14 3

wird die Siliziumlage 73 schwach auf etwa 5 χ 10 /cm dotiert, indem Arsin (AsH,)- oder Phosphin (PE-)-Gas in das Epitaxial-System eingeleitet wird.

Es wird dann die Siliziumdioxidlage 75 über der Siliziumlage mit einer Stärke von etwa 0,5 «gebildet. Vorzugsweise erfolgt

ο
dies durch Aufdampfen bei etwa 700 C.

Danach werden in der Oxydlage 75 die Mikro-Fenster 76 geöffnet. Die Mikro-Fenster 76 weisen typischerweise Mittenabstände von 12,5 bis 20 Ai in schachbrettartiger Anordnung auf, bei einem Fensterdurchmesser von 6 bis 10 ,u. Fs lassen sich so bis zu

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700' 000 Fenster in einem 1,2 χ 1,2 cm Stück bilden. Vorzugsweise v/erden die Fenster unter Zuhilfenahme des Elektronen-Bild-Pro j ektions-Sy stems hergestellt, wie es in den US-Patentanmeldungen Ser. No. 753 373, 869 229, 40 626 und 78 365 vom 19. 8. 1968, 24. 10. 1969, 26. 5..1970 bzw. 6. 10. 1970 beschrieben wird, wobei diese Anmeldungen jeweils auf dieselbe Änmelderin wie die vorliegende Anmeldung zurückgehen.

Es werden dann in der η-dotierten Siliziumlage 73 mittels Diffusion durch die Fenster 76 in der Siliziumdioxidlage p-Verunreinigungs-Zonen 77 gebildet. Dies erfolgt vorzugsweise ir.it Hilfe von Standard-Offen-Rohr-Diffusions-Verfahren mit einer Konstant-Diffusions-Quelle ir.it Diboran-Gas. Die Verunreinigungs-Zonen 77 werden vorzugsweise bis auf eine Tiefe von etwa 1 η diffundiert. Dadurch werden in der Siliziumlage winzige Dioden gebildet.

Im praktischen Einsatz werden die Dioden einem.abtastenden Elektronenstrahl 78 entgegengestellt, wie das mit Fig. 17 gezeigt ist. Dabei wird die stark dotierte Siliziumlage 72 mittels einer Energiequelle 80 auf einem gegenüber einer Kathode 79 positiven Potential gehalten, um die Oberfläche unter Vorspannung der Dioden in Sperrichtung auf ein "Gleichgewichts "-Potential "herunterzuladen". Interessierende Strahlung 81 fällt von der Substratseite aus ein, so daß es in den Dioden zu einer Ladungsspeicherung entsprechend der Verteilung und der Intensität des einfallenden Lichts kommt. Der abtastende Elektronenstrahl 78 formt das Muster der gespeicherten Ladung der Dioden in einen elektrischen Eingang von den Fernsehkamerarehren un.

Pie Empfindlichkeit des Eilderfassung-Targets hängt nur von der Fähigkeit eines Minoritätsträger-Loches, das durch riektronenlocherzeugung mittels einfallender Strahlung in der feldfreien stark dotierten Eiliziumlage 72 hervorgerufen wurde, ab, vor einer Rekombination in den Paumladungsbereich der Diode zu diffundieren. Lachdem das ?^Tinoritätsträger-Loch die

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Raumladungszone erreicht hat, wird es in die p-dotierte Zone v/eiterbewegt und als positive Ladung gespeichert. Die Wahr- . scheinlichkeit dieses Ereignisses wird als "Auffang-Wirkungsgrad" (collection efficiency) beizeichnet. Wie ersichtlich, ist der Loch-"Auffang-Wirkungsgrad" somit unmittelbar von der Minoritätsträger-Lebensdauer abhängig, die im ms-Bereich liegen muß.

Die vorliegende Erfindung stellt somit ein Bilderfassungs-Target hoher Auflösung zur Verfugung, das durch ein Silizium-auf-Saphir-Verfahren hergestellt wird. Das ergibt ein dauerhafteren Bilderfassungs-Target als es bisher verfügbar war. Bisher wurden solche Targets aus selbsttragenden Scheiben aus n-Einkristall-Silizium hergestellt, indem der innere Bereich typischerweise auf eine Stärke von etwa 10 bis 15 η geätzt wurde (vgl. Gordon, Trans, of the Ket. Soc. of AIME, 245, 517, 522-23 (1969)). Solche Schaltelemente ließen sich schwer herstellen, hatten eine niedrige Quantenausbeute und waren gegenüber Stoßen und Schwingungen im Betrieb empfindlich. Die vorliegende Erfindung eliminiert solche Schwierigkeiten und vermittelt ein einfach hergestelltes Target, das sowohl Stoßen als auch Schwingungen .gegenüber widerstandfähig ist.

Patentansprüche:

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Claims (4)

1. Patentansprüche ;

   Verfahren zur Herstellung eines Halbleiter-Schaltelements mit einer Zone relativ langer Minoritätsträger-Lebensdauer, dadurch gekennzeichnet, daß neben einer Eauptflache eines Substrats eine Siliziumlage gebildet wird, die stark mit einer unter Phosphor und Bor ausgewählten Verunreinigung dotiert ist, so daß die.Oberflächen-Verunreigungs-Konzen-

   19 3
   tration mehr als 1 χ 10 /cm beträgt, und daß mindestens in Teilbereichen der stark dotierten Siliziumlage eine Siliziumlage epitaxial gezüchtet wird, die verhältnismäßig schwach mit einer Konzentration von weniger als etwa

   17 3

   1 χ 10 /cm dotiert ist, um so eine Zone mit einer verhältnismäßig langen Minoritätsträger-Lebensdauer zu bilden.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die stark dotierte Siliziumlage durch Eildung der ausgewählten Verunreinigung als mindestens ein Teil des HaIbleiter-KÖrpers hergestellt wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch T oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die stark dotierte Siliziumlage durch Diffusion der ausgewählten Verunreinigung bis auf eine Oberflächen-Verunreinigung!
   gebildet wird.

   20 3 Verunreinigungs-Konzentration von mehr als 1 χ 10 /cm
4. 4. Verfahren nach .Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die stark dotierte Siliziumlage durch epitaxiales Aufwachsen einer Siliziumlage auf ein Isolator-Substrat und anschließendes Diffundieren der ausgewählten Verunreinigung mindestens in Teile der epitaxial gezüchteten Siliziumlage gebildet wird.

   5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Isolator-Substrat aus Saphir gebildet wird.

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   6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächen-Verunreinigungs-Konzentration der ausgewählten Verunreinigung der epitaxialen Lage größer als 1 χ 10 /cm ist.

   KN/nb 3

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