DE1589900A1 - Halbleiter-Bauelemente mit Oberflaechenschutzschicht und Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents

Description

Patentanwalt· Dipl.-lng.R.Beetzii. 8i-_i£_., 12.9.1967 Dipl.-Ing. Lamprecht

H I TA CH I , LTD., Tokio (Japan)

Halbleiter-Bauelemente mit Oberflächenschutzschieht und Verfahren zu ihrer Herstellung

Die Erfindung bezieht sich auf Halbleiter-Bauelemente aus einem Halbleitersubstrat mit einer oder mehreren Leitfähigkeitszone{n) und einer Oxydschutzschicht sowie auf ein Verfahren zu ihrer Herstellung, wobei speziell die Herstellung von Halbleiter-Bauelemente bzw. -anordnungen mit gut stabilisierter Oberfläche angestrebt wird.

Halbleiter-Bauelemente werden im allgemeinen durch die äußere Atmosphäre empfindlich beeinflußt und aus diesem Grunde mit einem passivierenden Film überzogen. Durch einen solchen Überzug können jedoch Änderungen des Energieniveaus der Halbleiteroberflächen verursacht werden und weiterhin ist der Film im allgemeinen nicht vollkommen undurchlässig. Insbesondere wird aber durch Anwesenheit geladener Teilchen, wie von Metallionen, im Film das elektrische Potential an der Halbleiteroberfläche stark verändert.

Zur Beseitigung dieser Mängel wurde vorgeschlagen, die Oberfläche, eines solchen passivierenden Films, wie etwa eines SiO₂-FiImS, durch Bildung einer oberflächlichen Phosphatsilicat-

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glasschicht zu verändern, indem man ein Phosphor bzw. Phosphorverbindungen enthaltendes Gas in der Wärme auf sie einwirken läßt. Dabei wird angenommen, daß die Beweglichkeit von Ionen im SiO₂-FiIm durch eine solche Oberflächenschicht stark vermindert wird. ^;' -.-.....-

Eine reine Phosphatsilicatglasschicht, d.h. eine im wesentlichen aus SiO₂ und P₂Oc- zusammengesetzte Schicht, ist jedoch ' nach der herkömmlichen Arbeitsweise und unter Einhaltung besonderer Bedingungen schwierig bzw. kaum herstellbar. Im· allgemeinen bleibt einiges Phosphoroxyd auf der Oberfläche des Siliciumoxydfilms zurück, ohne sich umzusetzen. So muß beispielsweise die Oberfläche eines Halbleitersubstrates, das in einem schmalen Bereich eindiffundierte Fremdatome aufweist oder aufweisen soll, bei Temperaturen behandelt werden, die unter 1000⁰C liegen, damit die gewünschte Verteilung der Fremdatome erhalten bleibt öder wird. In einem solchen Temperaturbereich kann jedoch kaum verhindert werden, daß nicht umgesetztes Phosphoroxyd auf der Siliciumoxydfilmoberflache verbleibt. Dieses Phosphoroxyd hat eine starke chemische Aktivität und neigt dazu, Feuchtigkeit unter Bildung von Phosphorsäure zu absorbieren: Läßt man ein mit einem SiO₂-FiIm bedecktes Transistorplattchen, das der vor-^ stehend angegebenen Behandlung unterworfen wurde, zwei oder drei Stunden lang (unter normalen Bedingungen) liegen, so findet man, daß es Feuchtigkeit aus der Umgebung aufgenommen hat und ein weißes, gelartiges Aussehen zeigt.

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Diese angegebenen Erscheinungen verursachen eine Zunahme des Leck- oder Reststromes des Halbleiter-Bauelementes, eine starke Erniedrigung der Durchbruchsspannung und eine Veränderung des Stromverstärkungsfaktors. Sine ähnliche Tendenz wie bei Phosphoroxyd sseigt sich auch, wenn die Siliciumoxydsehicht mit Metallen wie Bar oder Blei (bzw. deren Verbindungen) für eine entsprechende Verglasung der Oberfläche behandelt wird.

Ziel der Erfindung ist daher ein Halbleiter-Bauelement mit OberflMchenschutzsehlcht mit verbesserter Stabilität sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Elements unter Aufrechterhaltung einer hohen Verläßlichkeit und hohen Durchbruchsspannung.

Das zu diesem Zweck entwickelte erfindungsgemäße Halbleiter-Bauelement ist im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, daß die Oxydschutzschicht eine verglaste Oberflächenschicht aufweist, die nach außen hin durch eine weitere isolierende Schicht vollständig abgedeckt ist.

Insbesondere besteht dabei die Oxydschutzschicht aus p und in ihre Oberfläche sind Phosphor-, Bor- und/oder Bleioxyd eingelagert, während die für den Abschluß der verglasten Oberflächenschicht, gegen die äußere Atmosphäre vorgesehene Abdeckschicht im wesentlichen aus einer Siliciumverbindung und insbesondere aus Siliciuraoxyd besteht.

Das erfindungsgemäße Verfahren-zur Herstellung eines solchen

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Halbleiter-Bauelementes umfaßt daher im wesentlichen folgende Schritte: Behandlung einer insbesondere durch thermische Zersetzung einer Siliciumverbindung auf einem eine oder mehrere Leitfähigkeitszone(n) aufweisenden Halbleitersubstrat gebildeten Oxyd- insbesondere Siliciumoxydschutzschicht bei relativ niedrigen Temperaturen zur Bildung einer verglasten Oberflächenschicht insbesondere durch Abscheidung von Phosphor-, Bor- und/oder Bleioxyd und unmittelbar daran anschließende Abscheidung einer Abdeckschicht auf der verglasten Oberflächenschicht, insbesondere eines Oxydfilms durch thermische Zersetzung von Organosilanen, wobei" die verglaste Schicht der äußeren Atmosphäre oder einer feuchten Atmosphäre nicht ausgesetzt, sondern vielmehr von dieser isoliert gehalten werden soll.

Besonders wesentlich ist bei der vorliegenden Erfindung, daß dafür gesorgt wird, daß die verglaste Oberfläche nicht mit der äußeren, Feuchtigkeit enthaltenden Atmosphäre in Berührung kommt.

Gemäß der Erfindung können, wie aus der nachfolgenden Beschreibung ohne weiteres verständlich werden wird, mit Bor- oder Bleioxyd verglaste und abgedeckte Schutzschichten vorgesehen werden, die ausgeprägteste Wirkung kann jedoch speziell erwartet werden, wenn das erfindungsgemäße Verfahren bei einer durch Phosphoroxyd verglasten Oberfläche angewandt wird.

Im nachfolgenden wird eine bevorzugte Ausführungsart der Erfindung unter Bezugnahme auf die angefügten Zeichnungen beschrieben. 009833/1513 ΰ·:

Pig. 1 bis 4 zeigen schematisch den Querschnitt

eines Planartransistors in einzelnen ... Herstellungsstadien.

Fig. 1 zeigt eine Transistoranordnung mit einer n-leitenden Emitterzone > und einer p-leitenden Basiszone 2 in einem n-leitenden SiIieiumsubstrat 1 (Kollektorzone). Die beide Zonen umfassende oberfläche des Substrats ist mit einem SiGg-PiIm 4 bedeckt. Bei der Herstellung eines solchen Elementes wird der für das Eindiffundieren der Fremdatome benötigte SiO₂-FiIm zunächst vollständig wieder entfernt und dann ein neuer SiOp-FiIm 4 einer Dicke in der Gegend von 5000 S in einem Reaktions-

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rohr bei 74o C und einem Druck von 10 mmHg durch thermische Zersetzung eines gasförmigen Organosilans (beispielsweise von 'Tetraäthoocysilan) gebildet.

Danach wird der Oberflächenbereich des SiOp-Films 4 in einer Dampfphase aus POCiL, von 800°C unter Verwendung von Op als Trägergas innerhalb des Reaktionsrohres verglast. Dabei wird zunächst die .Oberflächenschicht des SiOp-Pilms mit der Dampfphase für eine einleitende Abscheidung in Kontakt gebracht und: mit all-mählicher Steigerung der Trägergasmengen wird die verglaste Schicht 5 (Fig· 2) in einer Dicke von etwa 1000 A gebildet;. Es wird angenommen (obwohl das nicht nicht gesichert istI* daß die verglaste Schicht 5 aus Phosphoroxyd oder aus einer Mischung von Phosphoroxyd und Siliciumoxyd besteht. Diese Schicht wird Im nachfolgenden als Glasschieht bezeichnet. Dann wird die Dampfphase im ^Reaktionsrohr unmittelbar anschließend wieder durch

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die für die SiOg-Abscheidung erforderliche Dampfphase ersetzt, ohne daß das an der Oberfläche verglaste Element aus dem Reaktionsrohr entfernt wird. Es wird dann unter im wesentlichen gleichen Bedingungen, wie bei der Abscheidung des SiOg-Films 4 ein zweiter Passivierungsfilm 6 (siehe Fig. 3) aus SiO₂ mit einer Dicke von 1000 S (0,1 /u) gebildet.

Die drei vorstehend angegebenen Herstellungsschritte finden in dem gleichen Reaktionsrohr unter jeweils entsprechender Veränderung der Dampfphase statt. Schließlich werden für die Anbringung der Basis- und Emitterelektrode 7 und 8 durch Aufdampfen von Aluminium entsprechende Teile der aus den Schichten 4, 5 und 6 bestehenden Oberflächenfilms nach dem bekannten Fotoätzverfahren entfernt.

Der gemäß der vorstehenden Ausführungsart hergestellte SiOp-FiIm (6) haftet fest an der -Glassehicht 5» Dadurch kann eine übermäßige (insbesondere in die Breite gehende) Ätzabtragung der Glassehicht 5 während der Herstellung der Elektrodenfenster oder -aussparungen (Fig. 4) durch bevorzugten Angriff der Phosphatglasschieht gemildert werden. Weiterhin wird dadurch, daß der Film 6 bei einer relativ niedrigen Temperatur unterhalb von 1000⁰C gebildet wird, verhindert, daß eindiffundierte Fremdatome ■ weiter diffundieren und daß Risse oder Sprünge im öatydfilm 5 auf Grund der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Oxydfilms 5 und des Haibleitersubstrats auftreten.

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Ss ist wichtig, daß die Behandlung zur Bildung der in Flg. 5 gezeigten Zusammensetzung in einer kurzen Zeit stattfindet« ohne daß die Glasschicht mit der äußeren Atmosphäre (einschließlich von Mischungen oder einer feuchten Atmosphäre) in Berührung kommt. Durch die angegebene Arbeitsweise wird eine Wasseraufnahme von Oberflächenteilen, die unverglast bleiben* d.h. an denen Phosphoroxyd zurückbleibt, vermieden und damit auch eine unstabile Charakteristik des Elementes. Zweck der Bildung des besagten Oxydfilms durch thermische Zersetzung von Grganosilan ist die Abschirmung der Oberfläche der Glasschicht gegen die äußere Atmosphäre. Dafür ist es ausreichend« wenn die Oxydschicht eine Dicke von 500 bis 5000 Ä (0,05 bis 0,5 /u) hat. Die nachfolgende Tabelle zeigt die Wirkungen der Behandlung gemäß der Erfindung; dabei wurde der Reststrom der Kollektor-Sperrschieht und der Stromverstärkungsfaktor bei einem gemäß der Erfindung hergestellten Planar-Transistor, wie er in Fig. 5 gezeigt wird, mit den entsprechenden Größen eines herkömmlichen und nicht derart behandelten Transistors verglichen.

	bekannt	Reststrom &»*] »KB -a0T	Änderung des Strom verstärkungsfaktors	-10 ~ +50
vor der "Alterung"	erfindungs gemäß	0.01~0.1	•	+10 w +20
nach der. "Alterung"	100 ,ν/3000
0.0 W5

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"Alterung"bedeutet hier, daß die Temperatur der Grenzbzw. Sperrschicht unter Betrieb 16 Stunden lang bei 20O⁰C gehalten wurde.

Wie aus der Tabelle hervorgeht, ist der Wert des Reststromes beim erfindungsgemäßen Transistor gegenüber dem entsprechenden Wert beim herkömmlichen Typ außerordentlich verbessert. Weiterhin ist die Änderung (rate of variation) des Stromverstärkungsfaktors gegenüber der bekannten Art auf die Hälfte vermindert. Aus diesen Ergebnissen folgt, daß die Oberfläche des Elementes nach der erfindungsgemaßen Behandlung besser stabilisiert ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist nicht auf irgendeinen besonderen Typ von Transistor beschränkt, sondern es kann bei verschiedenen Arten von Elementen, wie beim Planar- oder Mesa-Typ oder bei Dioden^-Elementen und Pestkörper-Schaltungsanordnungen angewandt werden. Besonders wirksam ist das erfindungsgemäße Verfahren bei Anwendung im Falle von Hochleistungstransistoren (ein Typ von Transistorelement mit einer hohen Durchbruchsspannung), die eine relativ starke Verglasungsbehandlung erfordern.

Obgleich bei der vorstehend erläuterten Ausführungsart der erste Oxydfilm 4 durch Abscheidung gebildet wurde, kann er ebenso ' auch durch thermische Oxydation des Siliciumsubstrats erhalten werden. Die gleiche Wirkung kann erzielt werden, wenn die Schicht 6 durch Si-,Ν^ gebildet wird. Weiter kann die Oberfläche der Absehe!dungsschicht 6 durch Bor, Phosphor oder Blei verglast werden. Noch weiter kann auch Germanium oder ein durch eine

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intermetallische Verbindung gebildeter Halbleiter als Halbleitersubstrat verwendet werden. Diese und andere Abwandlungen sind selbstverständlich möglich, ohne daß dadurch der Rahmen der Erfindung verlassen wird.

Claims (1)

1. Patentansprüche '

   1. Halbleiter-Bauelement aus einem Halbleitersubstrat mit einer oder mehreren Leitfähigkeitszone{n) und einer Oxydschutzschicht, dadurch g e k e η η ζ e i c h η e t , daß die Oxydschutzsehicht (4) eine verglaste Oberflächenschicht (5) aufweist, die nach außen hin durch eine weitere isolierende Schicht (6) vollständig abgedeckt ist.

   2. Halbleiter-Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die eigentliche Oxydsehutzschicht (4) aus SlO₂ besteht, ihre verglaste Oberflächenschicht {5) Phosphor-, Bor- und/oder Bleioxyd enthält und die Abdeckschioht (6) im wesentlichen durch eine Siliciumverbindung, insbesondere durch Siliciumoxyd, gebildet wird,

   >. Verfahren zur Herstellung eines Halbleiter-Bauelementes nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man ein mit einer oder mehreren Leitfähigkeitszone(n) versehenes Halbleitersubstrat zunächst in an sich bekannter Weise mit einer Oxydschicht versieht und daß man dann die Oxydschicht in der Wärme und in oxydierender Atmosphäre mit einer Phosphor, Bor und/oder Blei . enthaltenden Dampfphase in Berührung bringt und unmittelbar anschließend an die Abscheidung und gegebenenfalls Einlagerung der entsprechenden Oxyde auf bzw» in der Oberfläche eine Abdeckschicht aufbringt, ohne die Phosphor-,. Bor- und/oder Bleioxyd enthaltende Oberfläche einer feuchten Atmosphäre auszusetzen.

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   4. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß man ein mit einer oder mehreren Leitfähigkeltszone(n) versehenes Halbleitersubstrat in oxydierender Atmosphäre und bei einer Temperatur, die so niedrig gehalten wird, daß eine erneute Diffusion der eindiffundierten Fremdatome vermieden wird, nacheinander den Dämpfen eines Organosilans, von Phosphoroxydchlorid und erneut eines Organosilans aussetzt.

   5. Verfahren nach Anspruch J.oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Abscheidung der Oxydschutzschicht gegebenenfalls vom Eindiffundieren der leitfähigkeitsbestimmenden Fremdatome her vorhandene Abdeckschichten vollständig entfernt werden.

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