Полупроводниковое устройство

 

О П И С А Н И Е 1щ638289

ИЗОБРЕТЕНИЯ

Союз Советских

Социалистических

Республик

К ПАТЕНТУ (61) Дополнительный к патенту (22) Заявлено 28.03.75 (21) 2121500/18-25 (51) И Кл."Н 011. 27/04 (23) Приоритет — (32) 30.03.74

Государственный комитет (3 1 ) 36 1 75/74 (33) Япония (43) Опубликовано 15.12.78, Бюллетень № 46 (53) УДК 621.382 (088.8) по делам изобретений и открытий (45) Дата опубликования описания 30.12.78 (72) Авторы изобретения

Иностранцы

Такеси Мацусита, Хисао Хаяси, Теруаки Аоки, Хисаеси Ямото и Есиюки Кавана (Япония) с

Иностранная фирма

«Сони Корпорейшн» (Япония) (71) Заявитель

4 4 с (54) ПОЛУПРОВОДНИКОВОЕ УСТРОЙСТВО

Изобретение относится к полупроводниковым устройствам, и в частности к полупроводниковым устройствам, содержащим слой пассивирующего покрытия.

Известен способ покрытия полупроводни- 5 ковых устройств пассивирующим слоем.

Материалом слоя служит обычно SiO>, и слой обычно выполняется методом парового выращивания (1). В известном устройстве слой ЯОз непосредственно соседствует с IO подложкой.

Однако именно такой слой SiO имеет недостатки.

Во-первых, там где PN-переход выходит на поверхность подложки, слой SiO> вызы- 15 вает эффект уменьшения обратного напряжения пробоя перехода. Именно поэтому положительный заряд, существующий в слое SiO>, вызывает нежелательную функцию запоминания. Более того, эти положи- 20 тельные и отрицательные заряды фиксируются вследствие поляризации в окружающей капсуле из смолы.

Во-вторых, граница между слоем SiOz u кремниевой подложкой способна нарушать- 25 ся из-за различий в коэффициентах теплового расширения SiO> и Si.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является полупроводниковое устройство, содержащее полупроводниковую монокристаллическую подложку с нанесенным на нее пассивирующим слоем. Пассивирующий слой изготовляется двойным, причем он состоит из поликристаллического Si, нанесенного на подложку, а затем слоя ЯОг. Поскольку сопротивление слоя поликристаллического Si меньше, чем слоя SiO, не возникает, в отличие от одиночного слоя SiOq, никакого электрического заряда.

В соответствии с этим, напряжение пробоя PN-перехода в поверхности подложки может быть увеличено. Более того, может быть повышена надежность.,Однако, поскольку электрические заряды в подложке могут протекать через слой поликристаллического Si, нанесение двойного слоя обладает такими недостатками, как увеличение обратного тока утечки, понижение h+E и возрастание шума.

Целью изобретения является повышение качества изоляции.

Цель достигается тем, что в предлагаемом устройстве пассивирующий слой изго638289 товляют пз поликристаллического кремния, содержащего от 2 до 45 ат. О/О кислорода, что содержание кислорода в поликристаллическом кремниевом слое составляет от 14 до 35 ат. О/О и что толщина поликристаллио ческого слоя от 1000 Л до 2 мкм.

Используя предлагаемое изобретение, можно значительно повысить напряжение пробоя перехода в подложке и исключить влияние внешнего электрического поля. Кроме того, можно существенно увеличить наде>кность. Можно также значительно снизить обратный ток утечки, Кроме того, можно значительно улучшить шумовую характеристику, и более того, предотвратить тепловые искажения.

Предпочтительно, чтобы средний размер зерна поликристаллического кремния был о менее 1000 Л например в пределах от 100 о до 1000 A. Практически между кремниевой подложкой полупроводника и слоем поликристаллического кремния нет SiO>.

На фиг. 1 — 6 показана последовательность изготовления транзисторного устройства с использованием предложенного пассивирующего слоя; на фиг. 7 — установка для нанесения слоев поликристаллического кремния, легированного кислородом; на фиг. 8 — зависимость токов утечек между коллектором и базой от величины предложенного обратного напряжения на коллекторный переход.

Пример. Используют полупроводниковую подложку 1 из кремния типа N с низкой концентрацией примесей. Слой 2, состоящий из $10>, образустся па полупроводниковой подложке 1 обычным способом термического окисления. В слое SiO> вскрывают окна 3 и 4 (фиг, 1) . Через эти окна в полупроводниковую подложку 1 выдают примеси типа P для образования базовой полупроводниковой области 5 полупроводниковой зоны 6 в качестве защитного кольца. Во время операции введения примесей в окнах посредством термического окисления образуется слой $10 . Как показано на фиг. 2, в слое SiO> вскрывают окно 7, расположенное над полупроводниковой областью типа P. Примеси типа N вводят в полупроводниковую область 5 типа Р, образуя в ней полупроводниковую зону 8 типа N.

Как это показано на фиг. 3 слой SiOq удаляется с полупроводниковой подложки

1 травлением. Полукристаллический кремний, содержащий кислород, наносят на открытую полупроводниковую подложку 1, образуя слой 9.

Как это показано на фиг. 4, слой 9 поликристаллического кремния, имеющий заданную толщину, образуют на полупроводниковои подложке 1 методом выращивания испарением так, чтобы покрыть открыту1о часть PN-перехода 10. Толщина слоя 9 по5

65 лпкристаллнчсского кремния предпочтительC но составляет от 1000 А до 2 мкм. Лучший пассивирующий эффект может быть получен при толщине слоя более 5000А. Однако при толщине более 2 мкм углы электродов могут легче сломаться. Слой 9 поликристаллического кремния содер>кит кислород в количестве от 2 до 45 ат. О/О. С точки зрения пассивирования предпочтительно, чтобы толщина слоя 9 поликристаллического кремния была как можно больше. Слой 9 поликристаллического кремния достаточно широк, чтобы покрыть открытую часть РУ-перехода 10 и площадь обедненного слоя, который образуется в том случае, когда

PN-переход 10 имеет обратное смещение.

Как показано на фиг. 5 слои 11, состоящие из SiO>, образуют на слое 9 поликристаллического кремния способом выращивания испарением. В слое 11, состоящем из SiO>, обычным способом фототравления вскрывают окна 12, 13. Окна 12 и 13 заполняют базовым электродом 14 и эмиттерным электродом 15, как это показано на фиг. 6.

Так как слой 11, состоящий из SiOq, образуется на слое 9 поликристаллического кремния, то могут быть улучшены свойства водонепроницаемости и снижения накопления электрических зарядов. Так как посредством слоя поликристаллического кремния, содержащего кислород, и слоя, состоящего из SiO>, образуется двойной слой, то полупроводниковое устройство не подвержено действию электрических зарядов, существующих в слое, состоящем из $10>, в противоположность обы чному полупроводниковому устройству. Причина этого заключается в том, что электрические заряды не могут проходить через слой 9 поликристаллического кремния, содержащего кислород, который размещается между слоем 11, состоящим из $10 и полупроводниковои подложкои 1, Полупроводниковая зона 6 типа Р, которая служит защитным кольцом вокруг полупроводниковой области 5 типа Р, образуется методом диффузии. Обедненный слой образуется рядом с РЛ -переходом 10 между полупроводниковой области 5 типа P и полупроводниковой подложкой 1 в том случае, когда íà PN-переходе 10 подается напряжение обратного смещения. Полупроводниковая зона 6 типа P расположена на таком расстоянии от полупроводниковой области 5 типа Р, что образующийся обедненный слой может простираться до полупроводниковой зоны 6 типа P. Сочетание такого расположения зон слоя поликристаллического кремния дает в результате значительное повышение пробивного напряжения на РЛ -переходе 10, Образование слоя 9 поликристаллического кремния иллюстрируется на фиг. 7. Газовая смесь, состоящая из моносилана SiH4, поступающего из резервуара 16, и однооки638289

5 си азота NgO, поступающей из резервуара

17, подается через соответствующие клапаны в аппарат для выращивания испарением

18, в котором находится полупроводниковая подложка 19. Газообразный Nz, который поступает из резервуара 20 и служит газомносителем, пропускается через аппарат с постоянным расходом 25 л, мин, а моносилан SiH4 подается в аппарат с постоянным расходом 30 см /мин. Расход NqO изменяется как О, 10, 20, 30, 150, 300 и 1200 смз/мин.

Полупроводниковая подложка нагревается до температур от 600 до 750 С. Так как температура выращивания относительно низкая, то существует лишь небольшая возможность того, что примеси, содержащиеся в полупроводниковой структуре, диффузировать будут в слой 9 поликристаллического кремния.

При температуре ниже 600 С скорость выращивания слишком низка для практического производства. Также и при температуре выше 800 С скорость выр ащивания слишком высока и регулирование толщины слоя поликристаллического кремния оказывается очень трудным, а также и размер кристалла становится слишком большим.

Полукристаллический кремний осаждается на полупроводниковой базе вследствие термического разложения моносилана. В тоже самое время кислород из N>0 почти равномерно смешивается с поликристаллическим кремнием. Таким образом, на полупроводниковых подложках 1 может быть образовано до семи различных слоев поликристаллического кремния 9, содержащих различные количества кислорода, что соответствует семи различным расходам газообразного NqO, таким как О, 10, 20, 30, 150, 300 и 1200 см /мин. Затем на слоях 9 поликристаллического кремния образуются слои

11, состоящие из SiO>.

Соотношения между концентрацией кислорода и расходами NqO и SiH4

Отношение Концентрация

К О/SiH4 . кислорода, ат. o/o

0 отОдо 1,0

1/3 26,8

2/3 34,8

1 36,4

5 48,6

10 54,7

40 66,1

Указанные выше расходы N O относятся, соответственно, к расходам О, 10, 20, 30, 150, 300 и 1200 см /мин.

Приведенные результаты получены с помощью рентгснографнческого микроанализатора с напряжением ускорения 10 киловольт и диаметром луча 1 мкм. Концентрация атомного процента кислорода увеличивается как логарифмы отношения И О/%Н .

Кислород равномерно распределяется по всем слоям 9 поликристаллического кремния. Скорость выращивания поликристаллп5

55 (50

05 ческого кремния снижается при увеличении расхода N.O н прн уменьшении температуры выращивания.

Свойства слоев поликристаллического кремния, содержащих кислород с концентрацией менее, чем 2 ат. /о постепенно сближаются со свойствами слоя чистого поликристаллического кремния. Обратный ток, проходящий через слой поликристаллического кремния, содержащего кислород с концентрациями менее, чем 2 ат. о/о постепенно приближается к обратному току, проходящему через слой чистого поликристаллического кремния. Слои поликристаллического кремния, содержащие кислород в концентрациях более 45 ат. % проявляют такую же высокую неустойчивость, как и слой

SiO>. Поэтому соответственно требуется, чтобы концентрация кислорода находилась в пределах от 2 до 45 ат. . С точки зрения указанных ниже свойств, в частности надежности, предпочтительно, чтобы концентрация кислорода находилась в пределах от

14 до 35 ат. о/о и чтобы соотношение

N>O/SiH4 находилась именно в пределах от 1/6 до 1/3.

Измерения электронной днффракции показывают, что размер зерна кристалла в слое 9 поликристаллического кремния сосо тавляет примерно 500 A. Размер зерна чистого поликристаллического кремния составляет от 2 или 3 мкм до размера зерна аморфной основы в зависимости от условий выращивания. Поликристаллнческий кремний проявляет тенденцию быть более аморфным прн увеличении концентрации кислорода. Предпочтительно, чтобы средний о размер зерна был ниже 1000 А, например о находился бы в пределах от 100 до 1000 А.

Предпочтительно также чтобы слой поликристаллического кремния содержал как можно больше кристаллов кремния с разо мером зерен меньше 1000 Л, например в пределах от 100 до 1000 Л.

Прн измерениях поглощения в инфракрасной области спектра пнк абсорбции при длине волны 9,0 мкм н шпрокодпапазонный пик прп длине волн от 9,3 до 10,0 мкм наблюдаются в перекрывающей форме. Монокристалл кремния, содержащий кислород, абсорбирует инфракрасные лучи с длиной волны 9,0 мкм, SiO, абсорбирует инфракрасные лучи с длиной волны 10,0 мкм.

Широкодпапазопный пнк абсорбции при длине волн от 9,3 до 10,0 мкм смещается от

9,7 MI(M (при отношении NgO/S1H4 — 1,3) до

9,4 (прн отношении N>O/SiH4 — — 10) при увеличении концентрации кислорода. При термической обработке при 1100 С в течение

30 мин широкодиапазонный пик абсорбции заостряется н смещается в сторону коротких волн. Затем широкий пик абсорбции исчезает. Единичный пнк абсорбции паблюда638289 стся при длине волны 9,0 мкм при отношении N..O/SiH» — 1/3 — 1. При дальнейшем увеличении $10 пики абсорбции при длине волн 9,0 и 9,3 мкм наблюдаются в перекрывающей форме.

Из приведенных фактов следует вывод, что в зерна кристаллов поликристаллического кремния проникает достаточное количество кислорода и что вокруг зерен между

$10 и Si0 существует промежуточное соединение. Кроме того, из приведенных выше фактов видно, что проникновение кислорода в поликристаллический кремний может управляться термической обработкой, когда концентрация кислорода низкая. Измерения абсорбции видимого излучения и абсорбции ультрафиолетовых лучей показывают, что край полосы поглощения, когда коэффициент пропускания равен нулю; смещается в сторону волн короткой длины при увеличении концентрации кислорода. Из этого факта следует вывод, что слой 9 поликристаллического кремния является не простой смесью Si и SiO, но что кислород почти равномерно распределяется по всему поликристаллическому кремнию.

Показатель преломления измеряется с помощью эллипсометра. Показатель преломления чистого г оликристаллического кремния (Ь40/SiH» — — О) составляет примерно 4, а показатель преломления Si0 (N О/

/SiH4)40) составляет примерно 1,45, когда концентрация кислорода составляет

66,7 ат, /о. Было установлено, что показатель преломления поликристаллического кремния постепенно уменьшается при увеличении концентрации кислорода в пределах примерно от 4 до 1,45. Слой 9 поликристаллического кремния становится подобным слою SiO при концентрациях кислорода выше 45 ат. /о. Поэтому желательно, чтобы концентрация кислорода была выше

45 ат. /О. Из этого факта следует также вывод, что удельное сопротивление увеличивается при увеличении концентрации кислорода. Например, удельное сопротивление слоя 9 поликристаллического кремния составляет примерно 3 108 — 1»,10 при отношении N>0/$1Н» в пределах от 1/3 до 1. Эта всли нша лежит между удельным сопротивлением чистого поликристаллического кремния 3><10 Ом см и удельным сопротивлением SisN».

Процент забракованных изделий, для которых применяется слой поликристаллического кремния, содержащего 35 ат. /О, снижается примерно до 1/20 от количества забракованных изделий, для которых применяется слой SiOq. Так как коэффициент теплового расширения слоя поликристаллического кремния почти равен таковому полупроводниковой основы, то на контакт между слоем поликристаллического кремния и полупроводниковой основой не оказывает воздействия тепловая деформация и пере20 ход PN не подвергается тепловой деформации, что предупреждает ухудшение характеристик транзистора.

Формула изобретения

1. Полупроводниковое устройство, содержащее полупроводниковую монокристаллическую подложку с нанесенным на нее пассивирующим слоем, отл и ч а ю щ ее с я

30 тем, что, с целью повышения качества изоляции, пассивирующий слой изготовляют из поликристаллического кремния, содержащего от 2 до 45 ат, /о кислорода.

2. Устройство по п. 1, о т л и ч а ю щ е е с я

35 тем, что содержание кислорода в поликристаллическом кремниевом слое составляет от 14 до 35 ат. /О.

3. Устройство по п. 1 и 2, отл и ч а ю щеес я тем, что толщина поликристаллического

40 кремниевого слоя находится в пределах от о

1000 А до 2 мкм.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

45 1. Патент Англии М 31929, кл. 99/5/ с. 23, опубл. 1971.

638289 агюст

07

1 ,,00 ф 05 0

0.,У

1 и 0г

b ф 07

700

Налрягкение абратиого с е4риг В Жг/ ау

Составитель Е. Чудова

Техред С. Антипенко

Корректор О. Тюрина

Редактор И. Шубина

Типография, пр. Сапунова, 2

Заказ 2358/6 Изд. № 810 Тираж 922 Подписное

НПО Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, K-35, Раушская наб., д. 4/5