DE3301479A1

DE3301479A1 - Verfahren zum herstellen eines halbleiterelementes

Info

Publication number: DE3301479A1
Application number: DE19833301479
Authority: DE
Inventors: Shunichi Hiratsuka Kanagawa Hiraki; Kiyoshi Yokohama Kikuchi; Masafumi kitakyushu Miyagawa; Shigeo Kawasaki Yawata
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1982-01-18
Filing date: 1983-01-18
Publication date: 1983-07-28
Also published as: GB2113911B; GB2113911A; GB8300493D0; JPS58122724A; US4451303A; DE3301479C2

Description

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TOKYO SHIBAURA DENKI KABUSHIKI KAISHA

Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterelementes

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Halbleiterelementen, insbesondere ein Verfahren, bei dem zur Bildung eines P-Störstellenbereichs Aluminium in das Halbleitersubstrat diffundiert wird.

Zur Bildung eines P-Störstellenbereichs in einem Halbleitersubstrat werden gewöhnlich Elemente der dritten Gruppe des periodischen Systems verwendet. Das häufigst benutzte Element der dritten Gruppe ist Bor, weil der Grad der Feststoff lösung von Bor in Silizium groß ist, so daß ein Bereich hoher Störstellendichte gebildet werden kann, und weil zweitens Bor auf einfache Weise in einen Halbleiter mit einer Siliziumoxidschicht als Maske diffundiert werden kann.

In einer Vorrichtung mit hoher Widerstandsfähigkeit und für hohe Leistung wird jedoch ein tiefer P-N-Übergang benötigt, um die wünschenswerten Eigenschaften zu erhalten.

Es ist deshalb eine Technik zur Bildung eines tiefen P-Störstellenbereichs erforderlich, um eine Vorrichtung mit hoher Widerstandsfähigkeit und hoher Leistung durch Diffusion einer P-Verunreinigung in ein N-Halbleitersubstrat zu erzeugen. Bei einer Vorrichtung z. B. , die eine Durchbruchsspannung von 4000 V hat, ist eine Diffusionseindringtiefe von etwa 130 μΐη erforderlich. Um einen derart tiefen P-Störstellenbereich zu erzeugen, bietet sich an, Verunreinigungen der dritten Elementengruppe zu verwenden, welche in Silizium den höchsten Diffusionskoeffizienten haben.

Der Diffusionskoeffizient (/D) der Elemente der dritten Gruppe in Silizium bei 1 200 ⁰C beträgt 0,6 μπι/ΖΗτ für Bor, 0,8 μΐη//Ετ für Gallium, 0,56 pm//Er für Indium und Tallium und 2,5 um//Er für Aluminium. Wird also Aluminium als Verunreinigung verwendet, so kann der Diffusionsübergang bei der benötigten Tiefe bei der niedrigsten Temperatur und in der kürzesten Zeit gebildet werden.

Es ist eine Technik zur Bildung eines P-Störstellenbereichs durch Diffusion von Aluminium in einem Siliziumsubstrat bekannt. Bei dieser herkömmlichen Technik wird zunächst eine metallische Aluminiumschicht auf dem Siliziumsubstrat abgelagert. Auf der metallischen Aluminiumschicht wird dann eine aus SiO₂ bestehende Diffusionsschutzschicht erzeugt. Anschließend wird dieser gesamte Aufbau erhitzt, so daß das die metallische Aluminiumschicht auf dem Siliziumsubstrat • bildende Aluminium diffundiert, womit der P-Störstellenbereich hergestellt ist.

Diese herkömmliche Technik hat jedoch die folgenden Mängel, so daß sie nicht in großem Umfang angewendet wird.

A) Aluminium hat einen niedrigen Schmelzpunkt und oxidiert sehr leicht, und wenn es einmal oxidiert ist, dann ist die Diffusion des Aluminiums blockiert, so daß die Bildung der Diffusionsschicht nicht mehr gesteuert werden kann. Dieses Problem läßt sich lösen, wenn das Diffundieren im Hochvakuum bei 10 Torr vorgenommen wird, womit jedoch der Nachteil sehr hoher Kosten bei der Herstellung verbunden ist.

B) Silizium und darauf abgelagertes metallisches Aluminium reagieren miteinander und bilden eine Legierungsschicht.

Dadurch wird die Oberfläche des Siliziumsubstrats nach der Diffusion des Aluminiums weiß, und es entsteht eine Legierungsvertiefung .

C) SiO₂ dringt relativ leicht durch Aluminium hindurch. Wenn das Aluminium in das Siliziumsubstrat hineindiffundiert ist,

ist Aluminium auch in die SiO₂-Schicht hineindiffundiert.

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Mit anderen Worten, es tritt eine unerwünschte sogenannte Auswärtsdiffusion auf.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterelementes zu schaffen, bei dem ein tiefer P-Störstellenbereich durch Diffusion von Aluminium erzeugt werden kann.

Ferner soll bei diesem Verfahren verhindert werden, daß während des Diffusionsschrittes Aluminium oxidiert, so daß ein tiefer P-Störstellenbereich bei guter Kontrollierbarkeit erhalten wird. Darüber hinaus soll bei dem Verfahren vermieden werden, daß die Oberfläche des Halbleitersubstrats weiß wird und eine Legierungsmulde auf der Oberfläche des Substrats entsteht, nachdem das Aluminium in das Substrat hineindiffundiert ist. Und schließlich soll mit dem Verfahren auch vermieden werden, daß eine Auswärtsdiffusion auftritt, wenn das Aluminium in das Halbleitersubstrat hineindiffundiert ist.

Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterelementes wird zuerst auf einem Halbleitersubstrat eine poröse Aluminiumoxidschicht ausgebildet. Anschließend wird auf der porösen Aluminiumoxidschicht eine Diffusionsschutzschicht aus einem Material erzeugt, das eine starke Fähigkeit besitzt, Sauerstoffdiffusion zu verhindern, und durch die Diffusionsschutzschicht werden Aluminiumionen in die poröse Aluminiumoxidschicht implantiert. Das Ganze wird dann erhitzt, damit Aluminium in das Halbleitersubstrat diffundiert, wodurch ein P-Störstellenbereich erzeugt wird.

Wahlweise kann auf dem Halbleitersubstrat eine poröse Aluminiumoxidschicht ausgebildet und dann auf der porösen Aluminiumoxidschicht eine Aluminiumschicht erzeugt werden. Auf dieser Aluminiumschicht wird dann anschließend eine Diffusionsschutzschicht aus einem Material mit hoher Fähigkeit, die Sauerstoffdiffusion zu verhindern, erzeugt, und der ge-

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samte Aufbau wird dann erhitzt, damit das Aluminium, das die Aluminiumschicht bildet, in das Halbleitersubstrat hineindiffundiert, wodurch ein P-Störstellenbereich erzeugt wird.
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Bei dem Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Halbleiterelementes wird für die Erzeugung des Diffusionsschutzfilms aus einem Material, das in starkem Maße in der Lage ist, die Sauerstoffdiffusion zu verhindern, z. B.

Aluminiumoxid, Siliziumnitrid, Siliziumcarbid oder Aluminiumnitrid verwendet. Dadurch kann die Oxidation des Aluminiums während des Diffusionsvorgangs vermieden werden. Auf diese Weise kann ein tiefgehender Aluminiumdiffusionsbereich kontrolliert erzeugt werden, ohne daß das Diffundieren von Aluminium behindert wird. Durch ein derartiges Material, das in starkem Maße die Sauerstoffdiffusion verhindert, tritt nur sehr wenig Aluminium hindurch. Es findet also auch keine wesentliche Auswärtsdiffusion während des Diffusionsschrittes statt. Außerdem sind bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die als Diffusionsquelle dienende Aluminiumschicht und das Halbleitersubstrat durch die poröse Aluminiumoxidschicht voneinander getrennt. Dadurch wird sowohl vermieden, daß die Oberfläche des Substrats weiß wird,als auch die Entstehung einer Legierungsmulde, was durch Reaktion der Aluminiumschicht mit dem Halbleitersubstrat bedingt wäre. Außerdem können die Diffusionsparameter (p , X.)'mit hoher Genauigkeit gesteuert werden, da die Aluminiumatome in das Si-Substrat hineindiffundieren können, ohne daß sie anscheinend durch eine Einwirkung des porösen Aluminiumoxids beeinflußt werden.

Die Beschreibung der Erfindung erfolgt nunmehr im einzelnen unter Bezugnahme auf die Zeichnung, in der in den Figuren 1 bis 8 schematisierte Schnittbilder für die Be-Schreibung bevorzugter Ausführungsformen des erfindungsge-

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- T-

mäßen Verfahrens dargestellt sind.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zunächst gemäß Fig. 1 auf einem Halbleitersubstrat 12 eine poröse Aluminiumoxidschicht 14 hergestellt. Diese kann dadurch erzeugt werden, daß auf dem Substrat 12 eine Aluminiumschicht ausgebildet und einem anodischen Oxidationsvorgang unterworfen wird. Zur Ausbildung der Aluminiumschicht aus dem Substrat können die bekannten Techniken angewendet werden wie Aufdampfen/ das Sputter-Verfahren oder ein CVD-Verfahren. Die Stärke der Aluminiumschicht hängt von der beabsichtigten Tiefe des herzustellen P-Störstellenbereichs ab und beträgt normalerweise 0,1 bis 1 μΐη. Als Elektrolyt bei der anodischen Oxidation kann verdünnte organische Säure dienen wie wäßrige Oxalsäurelösung oder anorganische Säure wie verdünnte Schwefelsäure. Als bevorzugter Elektrolyt dient eine 10-%-ge wäßrige Oxalsäurelösung. Bei der anodischen Oxidation kann z. B. Plantin als Kathode verwendet werden. Die Dicke der porösen Aluminiumoxidschicht, die bei der anodisehen Oxidation gebildet wird, hängt von der Dicke der Aluminiumschicht ab, die oxidiert wird, und beträgt normalerweise 50 nm bis 1,0 μΐη.

Es wird dann gemäß Fig. 2 auf der porösen Aluminiumoxidschicht 14 eine Diffusionsschutzschicht 16 ausgebildet, die aus einem Material besteht, das eine hohe Fähigkeit besitzt, die Sauerstoffdiffusion zu verhindern. Diese Diffusionsschutzschicht 16 wird beispielsweise aus Aluminiumoxid, Siliziumnitrid, Siliziumcarbid oder Aluminiumnitrid hergestellt. Besonders bevorzugt ist Aluminiumoxid. Die beste Dicke der Schicht 16 beträgt 50 bis 300 nm. Unter 50 nm wird die Unterbrechung des Sauerstoffs ungenügend. Ist die Schicht dicker als 300 nm, können leicht Risse entstehen. Die Diffusionsschutzschicht 16 kann mit bekannten Techniken hergestellt werden, z. B. mit dem CVD-Verfahren oder dem Sputter-Verfahren.

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Es werden dann Aluminiumionen durch die Diffusionssc.hutzschicht 16 hindurch in die poröse Aluminiumoxidschicht 14 hinein implantiert, wie in Fig. 3 angedeutet, wodurch in der Schicht 14 ein aluminiumionenimplantierter Bereich 18 entsteht. Dieser Bereich 18 umfaßt vorzugsweise den Teil der porösen Aluminiumoxidschicht 14, der nicht unmittelbar an der Trennschicht zwischen der Schicht 14 und dem Halbleitersubstrat 12 liegt, und zwar insbesondere die Oberflächenschicht. Die Dosierung der Aluminiumionen, die implantiert werden, wird entsprechend der gewünschten Störstellendichte des herzustellenden P-Störstellenbereichs gewählt. Die Implantierungsenergie hängt von der Dicke der Diffusionsschutzschicht 16 ab. Bei einer dünnen Schicht 16 ist die Implantierungsenergie gering, bei einer dicken dagegen groß. Wenn die Dicke der Schicht 16 50 nm beträgt, wird eine Energie von gewöhnlich etwa 120 keV gewählt, bei - einer Dicke von 300 nm dagegen eine Energie von etwa einigen 100 keV.

Im Anschluß an diesen Vorgang wird der Körper erhitzt, wobei das im aluminiumionenimplantierten Bereich 18 enthaltene Aluminium in das Halbleitersubstrat 12 hineindiffundiert und damit ein P-Störstellenbereich 20 entsteht, wie es die Fig. 4 darstellt. Die Temperatur bei diesem Diffusionsschritt beträgt normalerweise 1100 bis 1250 ⁰C, und wenn die Diffusionstiefe etwa 100 um betragen soll, beträgt die Diffusionszeit gewöhnlich 11 Stunden bei einer Temperatur von 1250 ⁰C.

Wenn die poröse Aluminiumoxidschicht 14 und die Diffusionsschutzschicht 16 entfernt werden, liegt ein Halbleitersubstrat 12 mit einer P-Störstellenschicht 20 vor, wie es in der Fig. 5 gezeigt ist. Das Beseitigen der Schichten kann z. B. mit Hilfe einer Mischung aus Chromsäure und Phosphorsäure oder Königswasser erfolgen.

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Bei einem zweiten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens wird auf einem Halbleitersubstrat 12 eine poröse Aluminiumoxidschicht 14 erzeugt, wie bereits in Fig. 1 gezeigt, auf der dann eine Aluminiumschicht 22 ausgebildet wird, wie es die Fig. 6 darstellt. Zur Bildung der Aluminiumschicht 22 können bekannte Techniken wie das CVD-Verfahren, das Aufdampfverfahren oder das Sputter-Verfahren eingesetzt werden. Die Dicke der Aluminiumschicht 22 beträgt normalerweise 50 nm bis 1,0 μπι.

Auf die Aluminiumschicht 22 wird anschließend eine Diffusionsschützschicht aufgebracht, die aus einem Material besteht, das in hohem Maße die Sauerstoffdiffusion verhindert, z. B. Aluminiumoxid, Siliziumnitrid, Siliziumcarbid oder Aluminiumnitrid. Die Ausbildung der Diffusionsschutzschicht kann auf dieselbe Weise erfolgen wie beim ersten - Ausführungsbeispiel. In Fig. 7. ist jedoch gezeigt, daß die Oberschicht der Aluminiumschicht 22 durch eine anodische Oxidation in eine nicht-poröse Aluminiumoxidschicht 24 umgewandelt wird und diese dann als Diffusionsschutzschicht dient.

Anschließend wird dieser gesamte Aufbau erhitzt, wobei das Aluminium der Aluminiumschicht 22 durch die poröse Aluminiumoxidschicht 14 in das Halbleitersubstrat 12 hineindiffundiert und gemäß Fig. 8 ein P-Störstellenbereich 20 im Halbleitersubstrat 12 entsteht. Dieser Diffusionsvorgang geschieht auf dieselbe Weise wie beim ersten Ausführungsbeispiel.

Wenn anschließend die poröse Aluminiumoxidschxcht 14, die restliche Aluminiumschicht 22 und die Diffusionsschutzschicht 24 auf dieselbe Art wie beim ersten Ausführungsbeispiel entfernt werden, erhält man ein Halbleitersub- strat 12 mit P-Störstellenbereich 20, wie es in Fig. 5 gezeigt ist.

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Beispiel 1

Auf einem N-Silizium-Substrat wird eine etwa 500 nm dicke Aluminiumschicht aufgebracht. Diese wird einer anodischen Oxidation in einer 10-%-igen wäßrigen Oxalsäurelösung mit einer Stromdichte von 0,1 A/dm² während etwa 10 Minuten mit einer Kathode aus Platin ausgesetzt und dabei in eine poröse Aluminiumoxidschicht (Tonerdeschicht) etwa 1,0 μΐη dick umgewandelt. Auf der porösen Aluminiumoxidschicht (Tonerdeschicht) wird danach in einer Dicke von etwa 50 nm im CVD-Verfahren eine Aluminiumoxidschicht aufgebracht. Anschließend wird in die poröse Aluminiumoxidschicht (Tonerde-

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schicht) durch die Aluminiumoxidschicht Al mit einer Beschleunigungsspannung von 120 keV implantiert. Dieser gesamte Aufbau wird dann 11 Stunden lang bei 1250 ⁰C in einer Stickstoff-Atmosphäre belassen, wobei das Aluminium des ' ionenimplantierten Bereichs in das N-Silizium-Substrat hineindiffundiert. Man erhält so einen P-Störstellendiffusionsbereich von ρ = 30 Ω/D mit einer Tiefe von 100 μπι.

Mit einer Mischflüssigkeit aus Chromsäure und Phosphorsäure (CrO₃ + H₃PO₄ + H₃O = 64 g + 120 ml + 400 ml) werden anschließend die poröse Tonerdeschicht und die CVD-Aluminiumoxidschicht entfernt, so daß ein N-Siliziumsubstrat mit einem P-Diffusionsbereich vorliegt.

Auf der Hauptfläche der Diffusionsbereichsseite des Siliziumsubstrats befindet sich weder das bekannte, oben beschriebene Weiß noch eine Legierungsschicht.

Beispiel 2

Auf einem N-Silizium-Substrat wird auf dieselbe Weise wie beim Beispiel 1 eine poröse Aluminiumoxidschicht (Tonerdeschicht) hergestellt. Darauf wird eine Aluminiumschicht von 50 nm Dicke aufgebracht. Diese Aluminiumschicht wird mit ei-

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-liner Spannung von etwa 50 V während 10 Minuten in einer 1-%-igen wäßrigen Ammoniumboratlösung einer anodischen Oxidation unterworfen, wobei die Oberflächenzone etwa 50 nm dick in nicht poröses Aluminiumoxid umgewandelt wird. Der ganze Körper wird dann in einer Stickstoffatmosphäre 11 Stunden lang bei 1250 ⁰C wärmebehandelt, wobei P-Störstellen in das N-Siliziumsubstrat hineindiffundieren. Anschließend werden die poröse Aluminiumoxidschicht, die restliche Aluminiumschicht und die nicht poröse Aluminiumoxidschicht auf dieselbe Weise wie beim Beispiel 1 beseitigt, so daß ein Siliziumsubstrat mit einem P-Diffusionsbereich vorliegt.

Es zeigten sich weder weiße Stellen noch Stellen einer Legierungsschicht auf der Hauptfläche des diffundierten Bereichs des Siliziumsubstrats.

Leerseite

Claims

330H79 38 063 TOKYO SHIBAURA DENKI KABUSHIKI KAISHA Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterelementes Patentansprüche 10

1.,' Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterelementes, in welchem in einem Halbleitersubstrat durch Diffusion von Aluminium unter Verwendung einer Diffusionsschutzschicht ein P-Störstellenbereich ausgebildet wird, gekennzeichnet durch folgende Schritte: - auf dem Halbleitersubstrat (12) wird eine poröse Aluminiumoxidschicht (Tonerdeschicht) (14) ausgebildet; auf der porösen Aluminiumoxidschicht (14) wird eine Diffusionsschutzschicht (16) aus einem Material erzeugt, das in hohem Maße die Sauerstoffdiffusion unterbindet; in die poröse Aluminiumoxidschicht (14) werden durch die Diffusionsschutzschicht (16) hindurch zur Bildung eines aluminiumionenimplantierten Bereichs (18) in der porösen AIuminiumoxidschicht (14) Aluminiumionen implantiert; der gesamte so hergestellte Aufbau wird erhitzt, wodurch das Aluminium des aluminiumionenimplantierten Bereichs (18) in das Halbleitersubstrat (12) diffundiert und darin einen P-Störstellenbereich (20) erzeugt.

2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

daß die Diffusionsschutzschicht (16) aus Aluminiumoxid, Siliziumnitrid, Siliziumcarbid oder Aluminiumnitrid besteht.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß die Aluminiumionen in den Oberflächenbereich der porösen Aluminiumoxidschicht (14) hineinimplantiert werden. 5

4. Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterelementes, bei welchem in einem Halbleitersubstrat durch Diffusion von Aluminium unter Verwendung einer Diffusionsschutzschicht ein P-Störstellenbereich ausgebildet wird, gekennzeichnet durch folgende Schritte: auf dem Halbleitersubstrat (12) wird eine poröse Aluminiumoxidschicht (14) ausgebildet, die dann mit einer Aluminiumoxidschicht (22) überdeckt wird; auf der Aluminiumschicht (22) wird aus einem Material, das

in hohem Maße Sauerstoffdiffusion verhindert, eine Diffu- - sionsschutzschicht (24) erzeugt; der gesamte, so hergestellte Aufbau wird erhitzt, wodurch Aluminium der Aluminiumschicht (22) durch die poröse AIuminiumoxidschicht (14) in das Halbleitersubstrat (12) hineindiffundiert und darin den P-Störstellenbereich (20) erzeugt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Diffusionsschutzschicht (24) aus Aluminiumoxid, Siliziumnitrid, Siliziumcarbid oder Aluminiumnitrid besteht.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Diffusionsschutzschicht (24) durch Umwandeln der Oberflächenschicht der Aluminiumschicht (22) in eine nicht

poröse Aluminiumoxidschicht gebildet wird. 35