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DE2365222A1 - METHOD FOR MANUFACTURING A SEMICONDUCTOR SWITCHING ELEMENT WITH A ZONE RELATIVELY LONG MINORITY CARRIER LIFE - Google Patents

METHOD FOR MANUFACTURING A SEMICONDUCTOR SWITCHING ELEMENT WITH A ZONE RELATIVELY LONG MINORITY CARRIER LIFE

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Publication number
DE2365222A1
DE2365222A1 DE2365222A DE2365222A DE2365222A1 DE 2365222 A1 DE2365222 A1 DE 2365222A1 DE 2365222 A DE2365222 A DE 2365222A DE 2365222 A DE2365222 A DE 2365222A DE 2365222 A1 DE2365222 A1 DE 2365222A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
silicon layer
silicon
doped
layer
epitaxial
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
DE2365222A
Other languages
German (de)
Inventor
Prosenjit Rai-Choudhury
Dieter K Schroder
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Westinghouse Electric Corp
Original Assignee
Westinghouse Electric Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Westinghouse Electric Corp filed Critical Westinghouse Electric Corp
Publication of DE2365222A1 publication Critical patent/DE2365222A1/en
Pending legal-status Critical Current

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    • HELECTRICITY
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Description

Verfahren zur Herstellung eines Halbleiter-Schaltelements mit einer Zone relativ langer Minorität&xäger-Lebensdauer A method of manufacturing a semiconductor switching element having a relatively long minority & xager life zone

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Halbleiter-Schaltelemente wie Filmte, und Hybrid-Integrierte-Schaltkreise, die aus epitaxialen Siliziumlagen aufgebaut sind.The present invention relates to semiconductor switching elements like filmed, and hybrid integrated circuits that are constructed from epitaxial silicon layers.

Ein Integrierter Schaltkreis (IC) ist eine Kombination aus untereinander verbundenen Schalt- oder Bauelementen, die un-An integrated circuit (IC) is a combination of interconnected switching or components that

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.an-y separably arranged on or in a continuous substrate that serves as a load-bearing material, on or in the a Integrated circuit produced or to which an integrated circuit is connected. An integrated one Circuitry is generally made in a chip of semiconductor material, usually silicon, with the resistors, Capacitors, diodes, transistors, etc. (as required) incorporated into the chip and / or applied to it. The semiconductor body is either made of single crystal material or single crystal islands formed in a polycrystalline material, depending on the type of electrical insulation of the circuit components.

Epitaxiale Siliziumlagen werden routinemäßig während derEpitaxial silicon layers are routinely used during the

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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. Manufacture of film and hybrid integrated circuits applied to silicon substrates. Purely the application of However, high quality single crystal silicon on an insulator must meet stringent requirements for the insulator. the The choice of spinel and sapphire as film substrates arises naturally, some of these substances have lattice planes, that come very close to those of silicon. However have Such epitaxial silicon layers, regardless of the substrate, have limited applications because of their minority carrier lifetimes.

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. Silicon layers are used in the manufacture of integrated circuits Epitaxially grown on sapphire substrates (silicon on sapphire) at high speed. However, such silicon layers are because of their very low minority carrier lifetimes (of typically 10 ns) particularly limited in their applications (cf. Allison, Dumin, Beiman, Mueller and Robinson, Proc. IEEE, 52 1490 (1969)). The application of such silicon layers is mainly to step-up type MOS transistors been restricted. However, even with this application the low service life of minority carriers is detrimental to the electrical properties of the switching or component. Though For example, the operation of the step-up type MOS transistors is not dependent on minority carriers, but the minority carrier life is dependent important in that it determines the leakage current of the reverse-biased drain pn junction will. This leakage current is particularly common in complementary MOS transistor circuits essential where the final quiescent .Energy dissipation is determined by the leakage current of the drain diode will. The leakage current is inversely proportional to the life of the minority carrier in the pn junction space charge zone.

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 bipolarerSilicon layers applied epitaxially to substrates such as sapphire cannot be used in the manufacture of bipolar transistors be used. Although the basic widths of such components are normally very narrow, the minority carrier lifetime for amplification is more bipolar

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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.Transistors extremely important. The injection of both hydrogen chloride (HCl) and chlorine (Cl) has been used in the oxidation to increase the service life of such components up to the range of 40-50 ns (cf. Robinson and Heiman, J. Electrochera. Soc . 118 , 141 (1971) and Ronen and Robinson, J. Electrochem. Soc. 119 , 747 (1972)). The mechanism responsible for this is presumably a getter effect on metallic impurities through the formation of volatile metal chlorides. However, even a time of 50 ns, which corresponds to a diffusion length of a few microns, is too short for the production of bipolar transistors.

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.Nevertheless, the ability to isolate components formed with epitaxially grown silicon layers makes it possible by the Insulation properties of the substrate and those created by pn junctions, how they are formed in such layers, given lower capacitance, such layers, are evaluated during manufacture Integrated circuits extremely desirable. Such movies, would find general use in integrated circuits when minority carrier lifetimes in the ms range are achieved know.

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-One method of making a semiconductor switching element having a zone of relatively long minority carrier life is according to the invention characterized in that a silicon layer is formed in addition to a main surface of a substrate, which is heavily doped with an impurity selected from phosphorus and boron, so that the surface impurity

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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
19 3
concentration is more than ΐ χ 1Ω / cm, and that at least in partial areas of the heavily doped silicon layer, a silicon layer is grown epitaxially, which is relatively weak

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.17 3 with a concentration of less than about 1 χ 10 / cm is doped so as to form a zone with a relatively long minority carrier lifetime.

Wünschenswerterweise hat die stark dotierte Siliziumlage eineDesirably, the heavily doped silicon layer has one

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20 3 Verunreinigungskonzentration von mehr als 1 χ 10 /cm .20 3 impurity concentration of more than 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.The heavily doped semiconductor layer can be in a single crystal body made of silicon or in an epitaxial layer made of silicon, which are on an insulator or a semiconductor substrate was applied. In the latter case, the silicon layer is preferably heavily doped in that the selected contamination in the already formed epitaxial layer is diffused.

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.It can be assumed that the heavy doping with relatively small atoms pull together the lattice structure of silicon and metals like sodium, copper, silver and gold stronger can be soluble in the heavily doped silicon layer. Thus, when the lightly doped silicon layer is grown epitaxially, the heavily doped layer acts as a getter to shorten the concentration of the metals and possibly further the service life To reduce impurities in the weakly doped layer considerably.

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.The invention proves to be particularly useful in connection with thin-film components which are epitaxially applied to insulating substrates such as spinel (for example MgO: Al 3 O 3 ) or sapphire (Al 3 O 3 ). These substrates, especially sapphire, are known for their low diffusion coefficients towards heavy metals. This is in contrast to the diffusion coefficient of heavy metals in single crystal bulk silicon. Thus, these insulators are incapable of diffusion reducing the life-shortening impurities that have been introduced into thin ^ epitaxially grown layers using known epitaxial techniques. Using the present invention, the minority carrier lifetime in an active region of such devices can be increased by at least an order of magnitude.

Dünnfilm-Bauelemente, und insbesondere Bauelemente mit auf Saphir aufgebrachtem Silizium lassen sich unter Anwendung der vorliegenden Erfindung in Situationen einsetzen, für die das bisherThin film devices, and particularly devices with silicon deposited on sapphire, can be made using the present invention Using the invention in situations for which the previously

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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.was not possible. In such devices, the thickness of the heavily doped silicon layer is preferably about 3 microns or less, while the thickness of the lightly doped silicon layer is preferably greater than about 1.0 µ.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der zugehörigen Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen:The invention is explained below on the basis of exemplary embodiments explained in connection with the accompanying drawing. In the drawing show:

Fig. 1 einen Querschnitt durch einen MOS-Kondensator eines erfindungsgemäß hergestellten Integrierten Schaltkreises;' 1 shows a cross section through a MOS capacitor of an integrated circuit produced according to the invention;

Fig. 2 ein Diagramm, das das C-V-Verhalten eines MOS-Kondensator s mit einem Aufbau ähnlich Fig. 1 erkennen läßt;Fig. 2 is a diagram showing the C-V behavior of a MOS capacitor s can be seen with a structure similar to FIG. 1;

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;3 is a diagram showing the impurity concentration in the lightly doped silicon layer of a MOS capacitor corresponding to FIG. 1 as a function of the distance between the interface and the silicon dioxide layer reveals;

Fig. 4 ein Diagramm, das das C-t-Ansprechen eines MOS-Kondensator s nach Fig. 1 erkennen läßt;FIG. 4 is a diagram showing the C-t response of a MOS capacitor according to FIG. 1;

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;Figure 5 is a graph comparing minority carrier lifetimes relatively lightly doped epitaxial silicon layers when manufactured according to the Invention on the one hand and by other known methods on the other hand reproduces;

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;Prop. Figure 6 is a graph comparing minority carrier lifetimes relatively lightly doped epitaxial silicon layers when manufactured according to the Invention on the one hand and according to known other methods on the other hand reproduces;

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Fig. 7 ein Diagramm, das die Verunreinigungskonzentrations-Verteilung einer auf einem stark dotierten Siliziumsubstrat gezüchteten Epüaxiallage erkennen läßt;Fig. 7 is a graph showing impurity concentration distribution shows an epoxy-axial layer grown on a heavily doped silicon substrate;

Fig. 8 ein Diagramm, das einen Vergleich der erhöhten8 is a diagram showing a comparison of the increased

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;Reverse voltage breakdowns of η-doped silicon layers in hybrid integrated circuits during manufacture according to the invention on the one hand and other known methods on the other hand for different Represents growth temperatures;

Fig. 9 ein Diagramm, das die Verunreinigungskonzentrations-Verteilung eines pn-Übergangs erkennen läßt, der erfindungsgemäß gebildet wurde;Fig. 9 is a graph showing impurity concentration distribution reveals a pn junction that was formed according to the invention;

Fig. 10 einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäß hergestellten bipolaren Leistungstransistor;10 shows a cross section through one produced according to the invention bipolar power transistor;

Fig. 11 einen Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform eines bipolaren Transistors eines erfindungsgemäß hergestellten Integrierten Schaltkreises;11 shows a cross section through a further embodiment a bipolar transistor of an integrated circuit manufactured according to the invention;

Fig. 12 einen Querschnitt durch eine weitere Abwandlung eines bipolaren Transistors eines erfindungsgemäß hergestellten Integrierten Schaltkreises;12 shows a cross section through a further modification of a bipolar transistor of one produced according to the invention Integrated circuit;

Fig. 13 ein Diagramm, das die Verunreinigungskonzentrations-Verteilung der aktiven Zonen eines besonderen bipolaren Transistors ähnlich dem nach Fig. 10 erkennen läßt;Fig. 13 is a graph showing impurity concentration distribution the active zones of a particular bipolar transistor similar to that of FIG. 10 can be seen;

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;14 is a graph showing gain as a function of the current of the bipolar transistor reveals its impurity concentration distribution with Figure 13 is shown;

Fig. 15 einen Querschnitt durch eine komplementäre MOS-Transistorschaltung einer nach der vorliegenden15 shows a cross section through a complementary MOS transistor circuit one after the present

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Erfindung hergestellten Computerspeicherschaltung;Computer memory circuit made in accordance with the invention;

Fig. 16 einen Teilschnitt durch eine abgewandelte Ausführungsform einer komplementären MOS-Transistorschaltung eines erfindungsgemäß hergestellten ComputerSpeicherschaltkreises; und16 shows a partial section through a modified embodiment of a complementary MOS transistor circuit a computer memory circuit made in accordance with the present invention; and

Fig. 17 schematisch einen Querschnitt durch ein erfindungsgemäß hergestelltes Bilderfassungs-Target einer hochauflösenden Fernsehkamera.17 schematically shows a cross section through an image acquisition target of a high resolution produced according to the invention Television camera.

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.In detail, Fig. 1 shows a series of MOS capacitors in a thin film integrated circuit. The capacitors are formed on an insulator substrate 10 with a main surface 11. The substrate may be as spinel of the formula MgO Magnesiumäluminat χ Α 1ο ° 3 be "wherein χ values between about 0.64 and 6.7 can have. A single crystal spinel magnesium aluminate is commercially available for which χ is about 3.3. Preferably, however, the substrate 10 is sapphire (Al 2 O 3 ), the main surface being mechanically polished in the crystallographic (10 02) orientation.

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 .After suitable treatment in order to remove damaged areas and to clean the main surface 11, the silicon layer 12 is applied epitaxially to the main surface 11. The silicon layer 12 is preferably applied to the sapphire substrate by pyrolysis of monosilanes (SiH 4 ) in hydrogen carrier gas at temperatures between approximately 1025 and 1100 ° C. at a rate of approximately 2 to 3 rpm. The layer preferably has a thickness between 2 and 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 zuIt is then phosphorus in the silicon layer 12 by standard constant source, preferably diffused open tube method. Preferably the diffusion source is phosphine (PH-). The layer 12 is so heavily doped with phosphorus, preferably up to

20 21 320 21 3

einer Konzentration zwischen 1 χ 10 und 1 χ 10 /cm .a concentration between 1 χ 10 and 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.Thereafter, a relatively lightly doped n-type silicon layer 13 is epitaxially applied to the heavily doped silicon layer 12 by standard methods in order to form an nn junction 15 therewith. Pyrolysis of monosilanes in hydrogen carrier gas at a temperature between 1025.degree. And 1100.degree. C. is again preferred. The source of contamination working in the system is preferably phosphine (PH-) or arsine (AsH 3 ). The epitaxial process again takes place at a rate of about 2 to 3 11 / min until the silicon layer 13 reaches a thickness of more than 1 micron and preferably between 2 and 3 microns.

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. .Immediately after its epitaxial growth, the silicon layer 13 does not yet have any zones of different nature. It is then selectively masked by standard photolithographic processes and also selectively by means of a suitable etchant such as potassium hydroxide (KOH) to form islands in the silicon layer 13, like that with FIG. 1 is shown. .

Es wird dann über die freigelegten Flächen der Siliziumlagen und 13 eine Siliziumdioxidlage 14 gebracht. Vorzugsweise wird die Oxidlage bei
2500 R aufgedampft.
A silicon dioxide layer 14 is then placed over the exposed areas of the silicon layers 13 and 13. The oxide layer is preferably at
2500 R vapor-deposited.

wird die Oxidlage bei etwa 750 C bis zu einer Dicke von etwathe oxide layer is at about 750 C to a thickness of about

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 16There are then windows 16 by photolithographic and Standard etching process opened in the silicon dioxide layer 14, in order to expose areas of the silicon layer 12. There are then simultaneously formed metal contacts 17 and 18 to with the Silicon layer 12 to form an ohmic contact or to form the MOS contact with silicon layer 13. This can be done by vapor deposition made of aluminum or other suitable metal over the structure so that the windows 16 closed and one immediately adjacent cover are formed. Is is then made using "reverse" or "negative" photomasking and etching processes worked to remove the metal saw in all places, except in and in the vicinity of windows 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.as well as at the desired location for the frÖS contact. This in The metal remaining in the contact windows is then connected to the The silicon of the silicon layer 12 is alloyed by heating in order to form ohmic contacts of low resistance.

Als Ergebnis erhält man einen Dünnfilm-Integrierten-Schaltkreis mit einer Reihe MOS-Kondensatoren,As a result, a thin film integrated circuit is obtained with a number of MOS capacitors,

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»With the diagrams according to Fig. 2-4 data are reproduced, as they are in the investigation of MOS capacitors similar to those just described with regard to their impurity concentration distribution and minority carrier lifespans were determined »

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.The silicon-on-sapphire layers of the components examined were grown in a horizontal reaction device that was heated by an external RF induction coil. Before the two layers 12 and 13 were epitaxially grown, the graphite susceptor was cleaned and coated with pure silicon at about 1500.degree. The sapphire substrates 10 were mechanically polished to give a major surface 11 with a crystallographic (10 02) "orientation. Damage to the major surface 11 would be removed by heat treating some substrates at about 1475 ° C for 4 hours in air. Some substrates were one The substrates were then cleaned by degreasing by boiling in an H.SO.-HNO 3 mixture and then subjected to a chelation treatment with H 3 O 2 -H SO.

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 Obwerflächenspannunqen zu beseitigen und so die Lebensdauer-The MÖS capacitors used in the investigation were otherwise manufactured as described above in connection with FIG. 1, with the exception of contacts 16 and 17. The contacts were formed directly by selective evaporation through a metal mask covering the structure. The switching element was then annealed in hydrogen at 400 ° G for an hour, w erflächenspannunqen to whether to eliminate and so the lifetime

409829/076-1409829 / 076-1

messung leichter durchführen zu können.measurement easier to carry out.

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)).The doping profiles were measured by means of the expansion resistance and pulsed capacitor methods (cf. * Mazur and Dickey, J. Electrochem. Soc. 113 , 255 (1966) and van Gelder and Nicollian, J. Electrochem. Soc. 118 , 138 (1971)) “The minority carrier lifetimes were measured using the pulsed MOS capacitor method, in which the component is pulse-biased to deep depletion and then released to its quasi-equilibrium state (cf. Schrodeiy and 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»In Fig. 2 is the C-V characteristic of the MOS capacitor has been shown. The C-V measurements were carried out at 77 ° K, so that the curve of the doping as a function of the depth changes easy to apply. This was done after a bulk silicon MÖS capacitor was used to verify that the The curve for the doping as a function of depth obtained for 300 ° K-C-V data is identical to that obtained for 77 ° K data was. The doping profile can be calculated from the C-V curve and then plotted according to Fig. 3 »

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.A typical C-t response for the n-type silicon layer 13 with a Minority carrier lifetime of 2.5 ii s is shown with Fig. 4 * More meaningful results are summarized in the following table I, in which the structure, the growth temperature, Growth rate, impurity concentration and minority carrier lifetime for MOS capacitors are listed are, which were produced on the one hand according to the invention, on the other hand according to the prior art.

409829/0751409829/0751

Tabelle ITable I.

Aufbauconstruction Aufwachs-
temp. ( C)
Growing up
temp. (C)
Aufwachs-
geschw.
( um/nin)
Growing up
speed
(at / nin)
Verunrei-
nigungs-
Konzentr.
(ND>
(cm"J)
Contaminant
inclination
Concentr.
(N D>
(cm " J )
Minoritäts-
träger-Le-
bensdauer
(^g)
Minority
carrier-Le-
service life
(^ g)
n-Laqe
-üuf-
Saphir
n-Laqe
-uf-
sapphire
10501050 0,70.7 7 χ 1015 7 χ 10 15 0,0200.020
n-Lage
-jauf-
Saphir
n-position
-jauf-
sapphire
10251025 2,32.3 1 x 1016 1 x 10 16 0,0450.045
n-Lage
-äuf-
n (+) -
Lage-
äuf-
Saphir
n-position
-up-
n (+) -
Location-
incidentally
sapphire
10251025 2,32.3 1 χ 1016 1 χ 10 16 0,250.25
n-Lage
-auf-
n(+)-
Lage-
auf-
Saphir
n-position
-on-
n (+) -
Location-
on-
sapphire
10251025 2,32.3 4 x 1015 4 x 10 15 1,51.5

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.From Table I it is immediately apparent that the present invention improves the minority carrier life of silicon-on-sapphire devices increased by at least an order of magnitude. Trials 1 and 2 show typical minority carrier lifetimes according to the state of the art of 20 or 45 ns. In contrast, using the present Invention for experiments nos. 3 and 4, with a silicon layer doped with phosphorus between the silicon layer doped with arsenic and the sapphire substrate is brought in, minority carrier lifetimes of 250 and 1500 ns, respectively, are measured.

Bei.anderen gleichartigen Untersuchungen wurden Minoritätsträger-In other similar studies, minority

A09829/075VA09829 / 075V

Lebensdauern in Verbindung mit der Erfindung in der mit Arsen dotiertön Siliziumlage gemessen, die bis zu 3 us (3000 ns) hoch waren.Lifetimes associated with the invention in that with arsenic doped silicon layer measured up to 3 us (3000 ns) were high.

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.Similar devices were fabricated to demonstrate the usefulness of the invention in fabricating semiconductor devices in hybrid integrated circuits. The results of these investigations are shown in FIG. 5 ; * to Fig. 9 reproduced.

Es wurden Einkristall-n-Typ-Siliziumsubstrate durch das Schwebezonen-und Czochralski-Verfahren hergestellt. Die Substrate waren entweder (i) stark mit Phosphor bis zuThere were single crystal n-type silicon substrates by the Floating zone and Czochralski process produced. the Substrates were either (i) strong with up to phosphorus

1 χ 10 /cm (0,0009 ohm-cm Spez.Widerstand), (ii) leicht1 χ 10 / cm (0.0009 ohm-cm specific resistance), (ii) light

14 3
dotiert mit Phosphor auf 5 χ 10 /cm (10 ohm-cm Spez.Widerstand)
14 3
doped with phosphorus to 5 χ 10 / cm (10 ohm-cm specific resistance)

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.1 8 or (iii) heavily doped with antimony to 7 χ 10 (0.008 ohm-cm Specific resistance). The substrates were mechanical and chemical treated so that a major surface thereof each have a crystallographic orientation deviating by 2 from the (111) crystal plane would have.

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-Every substrate and especially its major surface has been through Degrease in acetone and trichlorethylene, then boil in sulfur-nitric acid (H-SO.: 3.HN0_: 3: 1) cleaned. Some the substrates were then made using ammonium ethylenediamine tetraacetate, a complex active ingredient for removal of metal ions from the substrate surfaces, a chelation treatment subject. After degreasing, boiling, and chelating (if used), each substrate was thoroughly immersed 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 VersuchWater, i.e. continuously circulated deionized water, rinsed. Wake up an in situ hydrogen chloride etch then either n- and / or p-doped silicon layers epitaxially on the main surface of the silicon substrates at different temperatures, d. H. 1100, 1150 and 1250 C. The epitaxial application or growth took place in one horizontal reaction vessel with external EF induction heating elements. The graphite susceptor was used before each experiment

409829/0751409829/0751

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 biscleaned and coated with silicon. That. Silicon was applied from silicon tetrachloride (SiCl) in a hydrogen carrier gas. The hydrogen was palladium (pd) purified and all materials were ultra-pure. The impurity was introduced into the system as either arsine (AsH 3 ) or diborane (B 2 Hg) gas to achieve an impurity concentration in the lightly doped layer of about 1 to

15 3
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.
15 3
2 χ 10 / cm to produce. The epitaxial growth was continued at a rate of about 1 rpm until the sheet reached a thickness of about 30 µ.

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.The epitaxial layers were limited to their minority carrier lifetime and the pn junctions formed in the epitaxial layers and by them were determined with regard to their current-voltage behavior measured. These pn junctions were of three types, namely (i) flat in the epitaxial layers diffused transitions (boron diffusion into h-doped epitaxial Layers); (ii) substrate epitaxial junctions (used only for boron-doped epitaxial layers on η-doped substrates); (iii) epitaxial-epitaxial junctions formed by growing a layer of opposite conductivity type on a first epitaxially grown layer. With regard to the transition measurements, particular attention was paid to the reverse breakdown voltage the transitions directed.

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.The minority carrier lifetime measurements for the n-doped epitaxial layers on η-doped substrates are shown with FIG. Each point shown corresponds to a mean value of ten (10) measurements on different components. The impact of the different cleaning treatment is from comparing the one at 1150 C for the three different ones Superstructures measured lifetimes can be seen. The structures in which the substrate is a Chelated treatment had significantly longer lifetimes. It can be assumed that this on the highly pronounced metal complex properties of the chelating agent is due.

409829/0751409829/0751

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 zuThe increase in minority carrier lifetime using the In the present invention, as is clear from Fig. 5, the life was independent of the culture temperature considerably larger for η-doped epitaxial silicon layers on silicon substrates heavily doped with phosphorus. In connection with the present invention, at a growth temperature of 1100 ° C., minority carrier lifetimes of up to

us festgestellt.us noted.

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.It can also be seen from Fig. 5 that the minority carrier lifetime increases with decreasing wake-up temperature. It is believed that this is due to a reduction in the amount due to heavy metals introduced into the epitaxial system at the lower temperature.

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.6 shows the minority carrier lifetime measurements for p-doped epitaxial silicon layers on η-doped silicon substrates. Each point shown corresponds in turn to an average of ten (10) measurements on different components. After it was found with respect to the η-doped epitaxial silicon layer that the chelation treatment is a had a significant impact on longevity, all substrates were chelated prior to p-epitaxial growth subject. The results were practically identical to the observations on η-epitaxial growth. There were Significantly higher minority carrier lifetimes recorded when heavily doped with phosphorus silicon as the basis for the epitaxially grown layer was used, with best results at lower growth temperatures were achieved.

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-AtmosphäreIn contrast to those implemented with n-epitaxial silicon layers Investigations, however, improved a subsequent gettering of the boron-doped epitaxial silicon layers in a two-zone P “0_ oven with a temperature of 250 C located getter source and at a temperature of 95O C silicon substrates (in an argon atmosphere

409829/07 51409829/07 51

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.for .45 min) the lifespan is considerable. For example increased such a getter process increases the lifetime of a Growing temperature of 1150 C by a factor of over 100, as is inclined with Fig. 6. Similar effects were measured at the other application temperatures, but for these temperatures, only the minority carrier lifetimes after gettering are shown in FIG. 6 '. In contrast, had this getter treatment has practically no effect on the lifetimes in the n-doped epitaxial silicon layers. It is to assume that this difference is due to a difference in terms of heavy metal impurities that enter the System introduced.

Fig. 7 zeigt ein typisches Verunreigungs-Konzentrations-Profil der untersuchten η-dotierten Siliziumlagen auf stark mit Phosphor dotierten Silizium-Substraten. Die Lagenstärke betrugFig. 7 shows a typical impurity concentration profile of the investigated η-doped silicon layers on silicon substrates heavily doped with phosphorus. The layer thickness was

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.14 about 3On- and the doping varied between 5x10 to 2 χ 10 / cm, so that for all but the lowest impurity concentrations a bulk rather than the punch-through breakdown voltage was ensured.

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.The diodes were either made by a flat board diffusion into the silicon layer or by growing a p-doped epitaxial silicon layer on the η-doped epitaxial Silicon layer formed. It was then made by selective etching Mesa diodes with a diameter of 1 mm are generated and then passivated by applying an oxide layer, such as which is illustrated by the illustration drawn in FIG is. The results of the stress rupture measurements are shown in Figure 8 and Tables II and below III reproduced. The ratio of the measured breakthrough values to the theoretical bulk breakthrough values (corresponding to the layer doping) has been plotted as a function of the application temperature. The open points refer to diffused diodes, while the full dots refer to epitaxial-epitaxial H diodes.

4098 2 9/07 514098 2 9/07 51

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.The numbers next to the dots are the theoretical breakdown voltages, the values marked with an asterisk indicate that the breakthrough is through reaching through the space charge zone to the η · (· +) - doped substrate is determined.

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.The treatment and growth conditions as well as the doping concentrations of the silicon layers are shown in Table II. The reverse voltage values are for two current values, namely less than 20 η Α and 5 mA specified. The 5 mA value was used as the breakdown voltage measurement. The theoretical breakdown voltages are also shown. Same dates for the epitaxial-epitaxial diodes are shown in Table III.

409829/0751409829/0751

Tabelle II Kennwerte von diffundierten Dioden auf η-dotierten Epitaxial-SiliziumlägenTable II Characteristic values of diffused diodes on η-doped epitaxial silicon layers

CO OO l\> COCO OO l \> CO

Substrat-
Dotierung
Substrate
Doping
Aufwachs-
Temperatur
Growing up
temperature
Epitaxial-Lage-
Dotierung
Epitaxial location
Doping
Sperrspannung bei einem
Strom von
<20uA 5 mA
Reverse voltage at one
Current from
<20uA 5 mA
V ° (V)
BD
V ° (V)
BD
Starke Dotierung
mit Phosphor
Spez.Widerst.
O,0009A-cm
Heavy endowment
with phosphorus
Specific resistance
O, 0009A-cm
1150
1100
1150
1250
1150
1150
1100
1150
1250
1150
1 χ 1o]j?
1 χ 10 1I
T χ 10 =
4 X 1θ'ς
1 χ 1O15
1 χ 1o] j?
1 χ 10 1 I.
T χ 10 =
4 X 1θ'ς
1 χ 1O 15
250 320
265 300
220 280
260 335
255 . 310
250 320
265 300
220 280
260 335
255. 310
320
320
320
700
320
320
320
320
700
320
Stark mit Antimon
dotiert
Spez.V.iderst.
0,008Λ-αη
Strong with antimony
endowed
Spec.V.iderst.
0.008Λ-αη
1150
1100
1150
1250
1150
1150
1100
1150
1250
1150
6 x 101^
4 χ loJJ
% Χ 10 4
χ 10 *
5 χ 10lft
6 x 10 1 ^
4 χ loJJ
% Χ 10 4
χ 10 *
5 χ 10 lft
250 400
265 440
250 370
235 300
240 470
250 400
265 440
250 370
235 300
240 470
490
480 -x)
490
700
580
490
480 -x)
490
700
580
Leicht mit Phos
phor dotiert
Spez.Widerst,
ΙΟΛ-cm
Easy with Phos
phosphorus doped
Special resistance,
ΙΟΛ-cm
12501250 4 χ 1014 4 χ 10 14 200 275200 275 700 .700.

x) gibt die theoretische Durchgreif-Durchbruchsspannung an.x) indicates the theoretical punch through breakdown voltage.

Tabelle IIITable III

Kennwerte von Epitaxial-Epitaxial-Dioden auf η-dotierten Epitaxial-Characteristic values of epitaxial-epitaxial diodes on η-doped epitaxial

SiliziumlagenSilicon layers

CD OO rs> CDCD OO rs> CD

cncn

Substrat-
Dotierung
Substrate
Doping
Aufwachs-
Temperatur
Growing up
temperature
Epitaxial-Lage-
Dotierung
Epitaxial location
Doping
Sperrspannung bei
Durchbruch
Reverse voltage at
breakthrough
V ° (V)
BD
V ° (V)
BD
Starke Dotierung
mit Phosphor
Spez.Widerst.
0,0009 0hm-cm
Heavy endowment
with phosphorus
Specific resistance
0.0009 ohm-cm
1150
1250
1150
1250
V/5 x 10^
2 χ 1014
V / 5 x 10 ^
2 χ 10 14
235 bei < 1OuA
245 bei < 10^uA
235 at <1OuA
245 at <10 ^ uA
240
500 x)
240
500 x)
Stark mit Antimon
dotiert
Spez.Widerst.
0,008 0hm-cm
Strong with antimony
endowed
Specific resistance
0.008 ohm-cm
1150
1250
1150
1250
4 χ 1o]^
2 x 101^
4 χ 1o] ^
2 x 10 1 ^
350 bei 200 JiA
290 bei 20^iA
350 at 200 JiA
290 at 20 ^ iA
700
500 x)
700
500 x)
Leicht mit Phos
phor dotiert
Spez.Widerst.
50 0hm-cm
Easy with Phos
phosphorus doped
Specific resistance
50 ohm-cm
11501150 1 χ 1015 1 χ 10 15 24b bei 2OuA24b at 2OuA 325325

x) gibt die theoretische Durchgreif-Durchbruchsspannung an,x) indicates the theoretical punch-through breakdown voltage,

NJ U) CJ)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-The general trend of these measurements is consistent with the lifetime data, ie lower growth temperatures resulted in devices with breakdown voltages closer to the theoretical values. Likewise, diodes produced according to the present invention on silicon substrates heavily doped with phosphorus had higher breakdown values than the other two substrates. These diodes also had better IV characteristics, while the others often had a very low breakdown value. The very low V BD of the lightly doped silicon layers (2 to 4 χ 1O 14 'cm ~ 3 , with the correspondingly high V o) may be partly due to surface

BD effekte zurückzuführen, sein.BD effects can be attributed to it.

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.In contrast to the service life data, the cleaning treatment had little effect on the breakthrough parameters. The chelation treatment and the H 2 O 2 cleaning of the silicon substrates did not lead to any results that differed significantly from those of the substrates not cleaned in this way.

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,.It was also observed that the epitaxial-epitaxial diodes behaved largely like the diffused ones. This indicates that such transitions are not inherently bad, but that the transition characteristics are stronger with lower doping depend on the quality of the silicon layer.

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.With Fig. 9 is a typical impurity concentration profile a p-epitaxial silicon layer on a strong with Phosphorus doped substrate shown. Since a natural pn junction is formed when a p-doped layer is on a η-doped substrate is grown, only the substrate-epitaxial transitions were evaluated for these layers. The results for a growth temperature of 1100 C, with chelation treatment, are shown in Table IV below.

409829/0751409829/0751

Tabelle IV Kennwerte von Substrat-Epitaxial-Dioden auf p-dotierten Epitaxial-Table IV Characteristic values of substrate epitaxial diodes on p-doped epitaxial

CD CO (s> CDCD CO (s> CD

Siliziumlagen für 1Silicon layers for 1 Substrat-
Dotierung
Substrate
Doping
GetternGetters 100100 C- ZüchtungstemperaturC- growing temperature Sperrspannung bei einem
Strom von
< 20 li A 5 inA
Reverse voltage at one
Current from
<20 left A 5 inA
255255 V ° (V)
BD
V ° (V)
BD
Starke Dotierung
mit Phosphor
Heavy endowment
with phosphorus
Neinno Siliziumlag.e-DjOtierung
(pro cm )
Silicon layer e-dioation
(per cm)
210,210 280280 320320
Spez.Widerst.
0,0009 Ohm-cm
Specific resistance
0.0009 ohm-cm
P2°5 P 2 ° 5 250250 6060 320
I
320
I.
Stark mit Antimon
dotiert
Strong with antimony
endowed
Neinno 5050 6060 C
320 ,
C.
320,
Spez.Widerst.
0,008 0hm-cm
Specific resistance
0.008 ohm-cm
P2°5 P 2 ° 5 4545 265265 320320
Leicht mit Phos
phor dotiert
Easy with Phos
phosphorus doped
Neinno 250250 315315 320320
Spez.Widerst.
10 Ohm-cm
Specific resistance
10 ohm-cm
P2°5 P 2 ° 5 280280 320320
1 χ V5 1 χ V 5 1 χ 1015 1 χ 10 15 1 χ 1015 1 χ 10 15 1 X 1015 1 X 10 15 1 χ 1015 1 χ 10 15 1 χ 1015 1 χ 10 15

Ki CO CDKi CO CD

cn ί-οcn 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. As shown by these measurements, those had on with phosphorus doped SiIi2ium substrates manufactured diodes higher Breakdown voltages than those doped with antimony Silicon substrates, the same as; previously on n-doped Measured silicon layers. As also shown in Table IV, phosphorus gettering had little effect on breakdown voltage.

Ähnlich n-Epitaxial-Siliziumlagen führten höhere Züchtungstemperaturen zu übergängen mit ungünstigeren Sperreigenschaften.Similarly, n-epitaxial silicon layers resulted in higher growth temperatures to transitions with less favorable blocking properties.

Gleichartige Untersuchungen wurden an mit Bor dotierten Silizium-Substraten durchgeführt, die eine Verunreinigungs-Similar investigations were carried out on silicon substrates doped with boron, which

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-
20 3
Concentration of about 1 χ 10 / cm. An n- or p-silicon layer was epitaxially applied to each body up to a thickness of 25 ία by means of a silicon tetrachloro

ο
wasserstoff-Systems bei etwa 1150 C aufgebracht, um einen pn- oder nn-übergang mit dem Körper zu bilden. Die n-Lagen
ο
hydrogen system at around 1150 C to form a pn or nn junction with the body. The n-layers

15 wurden mit Arsen bis zu einer Konzentration von etwa 1 χ 10 /cm dotiert, während die p-Lagen mit einer Konzentration von etwa15 were treated with arsenic up to a concentration of about 1 χ 10 / cm doped, while the p-layers with a concentration of about

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.
15 3
3 χ 10 / cm were doped. The MOS capacitors were then formed as described above and the minority carrier lifetimes measured, also as described above. The n-doped epitaxial layer had a minority carrier lifetime of about 100 µs, while the p-doped epitaxial layer "had a lifetime of 0.5 11 s because of the contamination by the diborane doping source. It can be shown that the lifetime of the latter is improved by using the getter technique described above.

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 dieTo further illustrate the usefulness of the present In the following, reference is made to FIGS. 10-17. Figs. To 14 illustrate the usefulness of the invention for the production of bipolar transistors in hybrid and thin-film integrated circuits. Figures 15 and 16 show the application of the invention in the manufacture of complementary MOS transistors for computer memory circuits. And Fig. 17 shows the

409829/0751409829/0751

Verwertbarkeit der-Erfindung bei der Herstellung von Erfassungs-Targets hoher Auflösung für Fernsehkameraröhren.Utility of the invention in the manufacture of acquisition targets high resolution for television camera tubes.

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.According to FIG. 10, a bipolar npn power transistor is used made with mesa structure. A single crystal silicon body 20 is provided which has a phosphorus impurity concentration of about 1 10 '° / cm. The single crystal silicon body 20 is mechanically and chemically polished so as to provide the main surface 21 with a crystallographic orientation obtained, which deviates by 2 ° from the (111) crystal plane.

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.A relatively weakly n-doped silicon layer 22 is epitaxially grown on the main surface 21 in order to form a locally non-delimited layer with a depth of approximately 17 η and an nn junction 23 with the body 20. The silicon layer 22 is preferably applied from a silicon tetrachloride in a hydrogen carrier gas by standard methods.

14 3 Die Siliziumlage 22 wird auf etwa 8 χ 10 /cm mit einer14 3 The silicon layer 22 is to about 8 χ 10 / cm with a

η-Verunreinigung dotiert, indem Arsin (AsE-)-Gas in das Epitaxial-System eingeleitet wird.η-impurity doped by adding arsine (AsE) gas to the Epitaxial system is initiated.

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 SiliziumlageThereafter, a weakly p-doped silicon layer 24 is applied epitaxially to the silicon layer 22 in order to form a locally non-delimited layer with a depth of approximately 8 η . The same application method is preferably used as when growing the epitaxially grown layer 22. The silicon layer

16 3
,wird auf 1 χ 10 /cm mit p-Verunreinigung dotiert, indem Diboran (B-H )-Gas in das Epitaxialsystem eingeleitet wird.
16 3
, is doped to 1 χ 10 / cm with p-impurity by introducing diborane (BH) gas into the epitaxial system.

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 zuThe silicon layers 22 and 24 are then selectively etched designed like an island, as shown in FIG. 10. The surface of the epitaxially applied layers is selectively through a standard photolithographic process in which Areas of the epitaxial layers that are to be removed are exposed. The exposed areas are then through windows treated in the masking layer with a suitable etchant such as potassium hydroxide (KOH) in order to make parts of the silicon layers 22 and 24

409829/0751409829/0751

entfernen und die mit Fig. 10 angedeuteten Inseln zurückzulassen. Danach wird die Maskierungslage entfernt.remove and leave the islands indicated by FIG. 10 behind. The masking layer is then removed.

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.The oxide layer 25 is then formed over the exposed areas of the structure to a depth of approximately 2500 Å. The layer 25 is preferably made by vaporising silicon dioxide over the exposed area in a nitrogen atmosphere evaporated from about 700 C.

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
Windows 26 are then opened in the oxide layer 25 to form the emitter regions 27 of the transistor by standard photolithographic and diffusion techniques. Preferably, a constant diffusion source of phosphine gas is diffused using an open pipe system. The diffusion is preferably carried out with a surface contamination concentration between
1.5

20 21 320 21 3

zwischen 1 χ 1O und 1 χ 10 /cm und einer Tiefe von etwabetween 1 χ 10 and 1 χ 10 / cm and a depth of about

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.Windows 28 and 29 are then opened in the oxide layer 25 around patches of the silicon layer 24 or the main surface to uncover and to ensure an ohmic contact with the Easis or collector zones of the transistor. Ground these windows preferably by standard photolithographic and etching processes opened.

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,Metal contacts 30, 31 and 32 are formed simultaneously to make ohmic contacts with the emitter, base and collector regions of the transistors. This is done by evaporating aluminum or other suitable metal over the structure to close the windows 26, 28 and 29 and form a continuous layer of metal over the oxide layer 25. A "negative n mask with a standard photolithographic process and a suitable etchant such as 10% sodium hydroxide solution are used to remove the metal layer in all locations except in the closed windows 26, 28 and 29 or in their immediate vicinity. The Metal in the windows is then alloyed with the silicon by heating the body 20,

409829/0751409829/0751

so daß sich ohmsche Kontakte mit niedrigem' Widerstand ergeben.so that ohmic contacts with low 'resistance result.

Auf diese Weise werden eine Reihe npn-Transistoren in einem Hybrid-Integrierten-Schaltkreis gebildet.This way a number of npn transistors become in one Hybrid integrated circuit formed.

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 vonAs shown in FIG. 11, a series of npn transistors are used in the same manner low power in a thin film integrated circuit educated. A sapphire substrate 33 is made in a (1102) crystallographic orientation with a major surface Mistake. The silicon layer 35 is then epitaxially applied to the main surface 34 with a depth of approximately 3 μ by pyrolysis of a monosilane hydrogen carrier gas system is applied at a rate of about 2 to 3 ii / min, with a Self-doping is reduced. The silicon layer 35 is then with phosphorus down to an impurity concentration of

21 321 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.about 1 χ 10 / cm n-doped by standard diffusion processes. A constant diffusion source made of phosphine (PH 3 ) is preferably used in an open-pipe system in order to diffuse phosphorus into the silicon layer 35.

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. Thereafter, the transistors as described in the strongly η-doped silicon layer 35 described above in connection with Figure 1O ^ -. / As for 'the Dicke.der layers - formed. The η-doped silicon layer 22 'has a thickness of about 1.5 11, the η-doped silicon layer 24 1 has a thickness of about 0.8 Ai and the emitter zone 27 "has a thickness of 0.4, u. For the sake of simplicity, the reference numbers have each been provided with an apostrophe character C) to denote the corresponding elements as described above.

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" gezüchtetFig. 12 shows a series of npn transistors in a thin film integrated circuit similar to that shown with FIG. The structure is identical, with the exception that the one with 27 " designated emitter epitaxially on one designated here with 24 ″ Silicon layer is grown instead of being diffused into it. Preferably, the emitter 27 ″ by selective Lpitaxy grown through cas window 26 "in oxide layer 25"

4098297 075 14098297 075 1

(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.(see Rai-Choudhury and Schroder, J. Electrochem Soc .: Solid State Science, 118 , 107 (1971)). Alternatively, the emitter 27 "can indeir by epitaxial growth on a locally non-limited layer on the layer 24" and by subsequent selective stranding of islands as shown above. layers 22 "and 24" are selectively etched.

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.13 and 14 are the impurity concentration distribution and the gain of the power transistor of FIG. 10 is shown. In Fig. 13, curves A, B and C show the impurity concentrations of the collector, base and emitter zones of the transistor. In Fig. 14, curve A shows the common emitter current gain of the transistor as a function of the collector current. It shows that the long lifetimes, as they are conveyed by the invention, a large-area transistor a high current gain to lend. From Fig. 14, the minority carrier lifetime of the epitaxially grown layer 24 / with a value of calculate about 1OO .us.

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.It can thus be seen from FIGS. 11 to 14 that the present Invention makes the use of bipolar transistors possible in applications where a minority carrier lifetime or the equivalent, diffusion length, a parameter of the utmost importance. The invention thus not only opens up the possibility of using bulk silicon transistors, but also of thin-film and especially silicon-on-sapphire transistors.

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 TIq. Fig. 15 shows a complementary MOS transistor circuit suitable for a computer memory circuit in a thin film integrated circuit. A sapphire substrate 40 is provided with a major surface 41 in the (1102) crystallographic orientation. A silicon layer 42 is preferably applied epitaxially by pyrolysis of monosilanes (Sill) in a hydrogen carrier gas at approximately 100 ° C.. The epitaxial

/ noooo /nr/ci/ noooo / no / 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 .The silicon layer 42 is applied with a; V'ert from about 2 to 3 αϊ per minute to a run of 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.The silicon layer 42 is then made by standard diffusion processes heavily doped with phosphorus. For the sake of simplicity, the silicon layer 42 can preferably have a constant diffusion source are doped from phosphine gas in an open-pipe system. The location is preferably set to a surface contaminant concentration doped between -1 10 and 1 χ 10 / cm.

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-The silicon layer 43 is then epitaxially grown and simultaneously weakly doped, preferably by pyrolysis of monosilanes in hydrogen gas as described above, to a Form nn junction 44 with the silicon layer 42. The silicon layer 43 receives a doping of the η-type with an impurity

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.14 3 gation concentration of about 5 χ 1.0 / cm by continuous Feed preferably of Ar sin (AsH «) into the epitaxial System from a constant source. The epitaxial application is preferably carried out at a high speed of for example 5 η / min to self-doping of the silicon layer 43 from the silicon layer 42 to reduce. The silicon layer 43 is preferably to a depth of about 2 to 3 η bred.

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.Thereafter, the silicon layer 43 is selectively masked and etched to remove areas of the layer and pairs of islands 45 and 45 (see Fig. 15) for the MOS transistors. This is preferably done using standard photolithographic processes, using a suitable etchant such as potassium hydroxide, which is crystallographic is sensitive to being used.

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.It is then the oxide layer 47 over the exposed areas of the silicon layers 42 and 43 with a depth of about 250 S upset. This is preferably done by vapor deposition about 700 ° C. The oxide layer 47 is then of one of the two Islands, d. H. the island 45, removed so that a selective Diffusion of the weakly doped silicon layer 43 can take place.

0 9 8 2 9/07510 9 8 2 9/0751

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-It then passes through a suitable "p-type impurity such as boron Standard diffusion method into the exposed islands 45 diffused. A constant diffusion source made of diborane is preferably used. The 'silicon layer 43 in the area of Islands 45 is then compensated and weak with an impurity

15 3 reinigungs-Konzentration von etwa 5 χ 10 /cm p-dotiert.15 3 cleaning concentration of about 5 χ 10 / cm p-doped.

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.The exposed p-doped islands 45 in the weakly doped silicon layer 43 are then made by expanding the oxide layer 47 covered. This is preferably done again by vapor deposition at about 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-Windows 48 and 49 are then opened in the oxide layer 47 in the region of the island 46 and the heavily p-doped source and drain regions 50 and 51 diffused into the η-doped island 46. This is preferably done by photolithographic and Diffusion standard procedure as explained above. Preferably, a constant diffusion source with diborane in one Open pipe system used. The impurity is preferably

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.17 3 cleaning concentration about 5 χ 10 / cm to a diffusion to be obtained by the heavily η-doped silicon layer 42 and for to provide isolation of the n-channel zone 52. The impurity concentration should be kept as low as possible within the limits of the operation of the transistor is in order to obtain and ensure a pn junction with the heavily η-doped silicon layer 42 that is as insulating as possible, that the source and drain zones 50 and 51 do not penetrate the heavily doped silicon layer 42 significantly.

Die Fenster 48 und 49 werden dann durch Erweiterung der Oxydlage 47 wie oben beschrieben geschlossen.The windows 48 and 49 are then closed by expanding the oxide layer 47 as described above.

Es werden dann' in dän pr-dotierten Inseln 45 Fenster 53 und 54 geöffnet und die stark η-dotierten iource- und Drain-Zonen 55There are then 45 windows 53 and 54 in Danish pr-doped islands open and the heavily η-doped iource and drain zones 55

19 ' und Ϊ--6 vorzugsweise mit einer Konzentration"von etwa 1 χ 10 /cm~ in die p-dotierten Inseln 45 diffundiert. Dies erfolgt wiederum19 'and Ϊ - 6 preferably with a concentration of about 1 χ 10 / cm ~ diffused into the p-doped islands 45. This is done in turn

0 3 8 2 9/07510 3 8 2 9/0751

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.by standard photolithographic and diffusion processes. A constant diffusion source with phosphine is preferably used in an open-tube process. However, it has to be on it care must be taken to ensure that the source and drain zones 55 and 56 do not penetrate the silicon layer 43 and short-circuit the switching element. Good isolation of the p-channel region 57 becomes indeterminate because of the foregoing Diffusion of p-impurity into island 45 is provided.

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.Windows 48 and 49 are reopened and window 58 is opened to view parts or areas of the heavily doped To expose silicon layer 42. Again, this is done using standard photolithographic and etching processes. Preferably v / ground sources 59 and 60 likewise formed in the oxide layer 47 by the etching process being stopped when the windows are formed, another part of the photomask is removed and the etching process is continued again.

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.Metal contacts 61 ..- 66 are formed at the same time to make ohmic contacts with the silicon layer 42 and the source and drain zones 50, 51, 55 or 56 and MOS contacts with channel 52 or 57 to form.

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-KontakteThis is done by vapor deposition of aluminum or another suitable metal on the structure, so that the windows 48, 49, 53, 54 and 58 and the sources or sinks 59 and 60 are closed and a continuous metal layer over the oxide layer 47 is formed. A "negative" mask is then created using a standard photolithographic process and a suitable one Etchants such as 10% sodium hydroxide are used to remove the metal layer to be removed from all places except in the closed windows and sinks and in the areas adjacent to them. The metal in the windows is then alloyed with the silicon by heating the structure to lower ohmic contacts To form resistance. 1-Js it should be noted that the Decrease 59 and 60 the length and spacing of the FOS contacts

4098 2 9/07514098 2 9/0751

von den Kanal-Zonen bestimmen.of the channel zones.

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.The thin-film silicon-on-sapphire switching element thus formed is a complementary MOS transistor circuit that can operate in the boost mode. The contact 61 brings a reverse voltage at the pn junctions with the silicon layer 42, to isolate the transistor. Contact 62 is common to source zones 50 and 55 of the complementary transistor, see above that the circuit can work as a flip-flop. The circuit can thus be used in the memory circuit of a computer.

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-Konzentration16, a similar complementary MOS transistor circuit is shown. The difference is that here the ρ (+) η (-) ρ (+) transistor is replaced by a ρ (+) ρ (-) ρ (+) transistor, which is used in the deep-depletion-increase Operating mode can work. This is done by doping the weakly doped silicon layer 43 'with a p-type impurity such as boron instead of phosphorus during the epitaxial growth in order to form a pn junction 44' instead of the nn junction 44. Preferably the impurity concentration is

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.13 3 kept at about 1x10 / cm in the transition area to allow in of the channel zone to provide the high resistance for operating in the deep depletion / increase mode.

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.This switching element has the advantage that a number of steps are eliminated that are involved in the manufacture of the complementary MOS transistor circuit are necessary, which was explained above in connection with FIG. Further a better isolation of the circuit is ensured, as there are no isolating pn junctions between the heavily doped Source and drain zone and the heavily doped silicon layer 42 'are necessary.

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 ComputerThe present invention thus serves to produce a complementary FOS transistor by silicon-on-sapphire, which has a much lower leakage current and therefore a much lower power loss. So computers can do it

409829/0751409829/0751

mit größeren Speichereinheiten hergestellt werden, indem CMOS-Transistor-Schaltungen verwendet werden.can be made with larger memory units using CMOS transistor circuits.

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.Referring to Fig. 17, an express detection target for a High resolution television camera tube using the present Invention made. The sapphire substrate 70 has a major surface 71 in the crystallographic (1102) orientation Mistake. The silicon layer 72 is then applied epitaxially to the main surface 71, preferably through Pyrolysis of monosilanes in a hydrogen carrier gas such as previously described. The epitaxial application is continued until the silicon layer 7O has a thickness of about 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-The silicon layer 72 is then made by a standard diffusion system heavily η-doped with phosphorus. Preferably, a "constant diffusion source with phosphine in an open-pipe system" is used used. The impurity concentration of the silicon

20 21 320 21 3

lage 72 liegt somit zwischen 1 χ 10 und 1 χ 10 /cm .position 72 is therefore between 1 10 and 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. GleichzeitigThe silicon layer 73 is then epitaxially applied to the silicon layer 72 applied with a thickness of about 5 to 10 u in order to form an nn junction 74 with the silicon layer 72. Preferably the epitaxial application takes place again by means of pyrolysis of monosilanes as explained above. Simultaneously

14 314 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.the silicon layer 73 is weakly doped to about 5 χ 10 / cm, adding arsine (AsH,) or phosphine (PE) gas into the epitaxial system is initiated.

Es wird dann die Siliziumdioxidlage 75 über der Siliziumlage mit einer Stärke von etwa 0,5 «gebildet. Vorzugsweise erfolgtThe silicon dioxide layer 75 is then formed over the silicon layer with a thickness of approximately 0.5 ″. Preferably done

ο
dies durch Aufdampfen bei etwa 700 C.
ο
this by vapor deposition at about 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 zuThe micro-windows 76 are then opened in the oxide layer 75. The micro-windows 76 typically have center-to-center spacings of 12.5 to 20 Ai in a checkerboard arrangement, with a window diameter of 6 to 10, and the like. Fs can be up to

A09829/0?51A09829 / 0? 51

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.Form 700,000 windows in one 1.2 χ 1.2 cm piece. Preferably v / ground the windows with the help of the electron image pro j ection systems manufactured as described in US patent applications Ser. No. 753 373, 869 229, 40 626 and 78 365 of August 19, 1968, October 24, 1969, May 26, 1970 and October 6, 1970, respectively is described, these applications each going back to the same assignee as the present application.

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.P-impurity zones 77 are then formed in the η-doped silicon layer 73 by means of diffusion through the windows 76 in the silicon dioxide layer. This is preferably done with the help of standard open-pipe diffusion processes with a constant diffusion source with diborane gas. The contamination zones 77 are preferably diffused to a depth of approximately 1 η. This creates tiny diodes in the silicon layer.

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.In practical use, the diodes are used as a scanning device Opposite electron beam 78, as shown with FIG. The heavily doped silicon layer 72 is thereby maintained at a positive potential with respect to a cathode 79 by means of an energy source 80, around the surface with reverse bias of the diodes to "download" an "equilibrium" potential. Interested Radiation 81 is incident from the substrate side, so that there is a charge storage in the diodes corresponding to the Distribution and intensity of incident light comes from. The scanning electron beam 78 forms the pattern of the stored charge of the diodes in an electrical input from the television camera tubes 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 dieThe sensitivity of the rapid detection target depends only on the ability of a minority carrier hole, which was caused by electron hole generation by means of incident radiation in the field-free, heavily doped silicon layer 72, to diffuse before recombination into the charge area of the diode. Laughing at that? T inority holder hole the

40982 9/07 5 140982 9/07 5 1

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.When it has reached the space charge zone, it becomes the p-doped zone v / pus-moving and stored as a positive charge. The true. probability of this event is called "catching efficiency" (collection efficiency). Thus, as can be seen, the hole "trap efficiency" is directly off the Minority carrier lifetime dependent, which must be in the ms range.

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.The present invention thus provides a high resolution image capture target made by a silicon-on-sapphire process. This results in a more durable image capture target than has previously been available. So far, such targets have been produced from self-supporting wafers made of n-monocrystalline silicon by typically etching the inner area to a thickness of about 10 to 15 η (cf. Gordon, Trans, of the Ket. Soc. Of AIME, 245 , 517 , 522-23 (1969)). Such switching elements were difficult to manufacture, had a low quantum yield and were sensitive to shock and vibration during operation. The present invention eliminates such difficulties and provides a target which is easily manufactured and which is resistant to both shock and vibration.

Patentansprüche: Patent claims :

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Claims (4)

Patentansprüche ;Claims; 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-Method of manufacturing a semiconductor switching element having a zone of relatively long minority carrier life, characterized in that in addition to a main surface one A silicon layer is formed on the substrate, which is highly contaminated with an impurity selected from phosphorus and boron is doped so that the surface impurity concentration 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
19 3
tration is more than 1 χ 10 / cm, and that at least in partial areas of the heavily doped silicon layer, a silicon layer is grown epitaxially, which is relatively weak with a concentration of less than about
17 317 3 1 χ 10 /cm dotiert ist, um so eine Zone mit einer verhältnismäßig langen Minoritätsträger-Lebensdauer zu bilden.1 χ 10 / cm is doped to form a zone with a relatively long minority carrier life.
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.2. The method according to claim 1, characterized in that the heavily doped silicon layer by forming the selected Contamination as at least a part of the semiconductor body will be produced. 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.
3. The method according to claim T or 2, characterized in that the heavily doped silicon layer by diffusion of the selected impurity up to a surface impurity!
is formed.
20 3 Verunreinigungs-Konzentration von mehr als 1 χ 10 /cm20 3 Impurity concentration of more than 1 χ 10 / cm
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.4. The method according to .Anspruch 1, characterized in that the heavily doped silicon layer by epitaxial growth of a silicon layer on an insulator substrate and then diffusing the selected impurity into at least parts of the epitaxially grown silicon layer is formed. 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Isolator-Substrat aus Saphir gebildet wird.5. The method according to claim 4, characterized in that the insulator substrate is formed from sapphire. 409829/0751409829/0751 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.6. The method according to claim 4 or 5, characterized in that that the surface contaminant concentration of the selected contamination of the epitaxial layer is greater than 1 χ 10 / cm. KN/nb 3KN / nb 3 4 09829/07514 09829/0751 LeerseiteBlank page
DE2365222A 1973-01-05 1973-12-31 METHOD FOR MANUFACTURING A SEMICONDUCTOR SWITCHING ELEMENT WITH A ZONE RELATIVELY LONG MINORITY CARRIER LIFE Pending DE2365222A1 (en)

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