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DE2448478A1 - Verfahren zum herstellen von pn-halbleiteruebergaengen - Google Patents

Verfahren zum herstellen von pn-halbleiteruebergaengen

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Publication number
DE2448478A1
DE2448478A1 DE19742448478 DE2448478A DE2448478A1 DE 2448478 A1 DE2448478 A1 DE 2448478A1 DE 19742448478 DE19742448478 DE 19742448478 DE 2448478 A DE2448478 A DE 2448478A DE 2448478 A1 DE2448478 A1 DE 2448478A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
gallium
aluminum
substrate
semiconductor
nitride
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
DE19742448478
Other languages
English (en)
Inventor
Jerome John Cuomo
Harold John Hovel
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.)
International Business Machines Corp
Original Assignee
International Business Machines 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 International Business Machines Corp filed Critical International Business Machines Corp
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Pending legal-status Critical Current

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Description

j 2Ä48478
I ■ Böblingen, den 7. Oktober 1974
j bu/se
jAnmelderin: International Business Machines
j Corporation, Armonk, N. Y. 10504
:Amtliches Aktenzeichen: Neuanmeldung
!Aktenzeichen der Anmelderin: YO 972 122
'Verfahren zum Herstellen von PN-Halbleiterübergängen
|Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Material-
!gleichen PN-Halbleiterübergängen innerhalb von Substraten und von ■Material-verschiedenen und PN-Halbleiterübergängen an Substratober-, flächen. !
j '
I ι
;In der Halbleitertechnik sind sowohl Material-verschiedene über-' j igänge für die Anwendung als bistabile Schalter in Energie-unab- j jhängigen Speichern als auch bistabile Schaltelemente mit Material-] verschiedenen übergängen angewendet, die einen Zustand niedrigen ohmschen Widerstandes aufweisen, der durch den Ursprung einer Strom-Spannungskurve verläuft. Werden aus solchen Halbleiterbauelementen SpeicheranOrdnungen aufgebaut, dann resultiert aus dem ohmschen Verlauf der Strom-Spannungscharakteristik dieser Halbleiterbauelemente das Auftreten von Kriechströmen, die zu einem fehlerhaften Auslesen der Information im Speicher führen können. Um nun bei herkömmlichen Halbleiterbauelementen mit Materialverschiedenen übergängen diesen Effekt ausschalten zu können, mußte mit jedem Halbleiterbauelement dieser Art ein Gleichrichter in Serie geschaltet werden, so daß einem Material-verschiedenen Übergang ein Material-gleicher Übergang folgt. Als geeignete Gleich richter zu diesem Zweck dienen im allgemeinen Schottky-Dioden, Halbleiterdioden und Emitter-Kollektorstrecken eines Transistors ■bei gleitender Basisvorspannung.
j Die oben aufgezeigten Lösungsmöglichkeiten sind jedoch unvorteil-
ihaft. Dieser zusätzliche Gleichrichter nämlich erfordert in der
509817/1081
Herstellung einen nicht unbeträchlichten Mehraufwand mit hierdurch bedingten weiteren Verfahrensschritten, wie Photomaskierung, Aufwachsen einer Oxidschicht, Diffusionsverfahrensgänge usw., so daß der Herste1lungsaufwand zwangsläufig vergrößert wird. Außerdem iläßt sich eine Verminderung der Bitdiche eines hiermit hergestell-
,ten Speichers nicht vermeiden, da viele der herkömmlichen Lösungen ■eine zusätzlich vergrößerte Halbleiterchip-Oberfläche benötigen, !wenn die Gleichrichter planar auf dem Halbleiterchip angeordnet !sind und nicht vertikal im Chip untergebracht werden können.
Auf dem Gebiete der Halbleitertechnik ist die Dotierung eines Halbleiterkörpers mit Fremdatomen zur Erzeugung von Bereichen unterschiedlicher Leitfähigkeit im Halbleiter durch Anwendung von Diffusionsprozessen gasförmiger oder fester Körper und die Verwendung von Gallium und Aluminiumatomen als Dotierungsmittel allgemein bekannt. Beschrieben sind solche Verfahren beispielsweise in der US-Patentschrift Nr. 35 33 036, Nr. 27 94 846 und 35 74 009. In diesen Schriften wird der Stand der Technik bei der Dotierung mit Gallium oder Indium in Gasform und bei der Diffusion in einen Halbleiterkörper und die Verwendung einer festen Dotierungsatomschicht sowie die Diffusion in fester Form aus der festen Dotierungsquellenschicht in einen festen Halbleiterkörper beschrieben. In keiner dieser Schriften ist jedoch !weder die Bildung eines Material-verschiedenen Überganges noch die integrale Bildung eines Material-gleichen Überganges als Teil des Aufwachsens des Überganges zwischen verschiedenen Materialien vorgesehen.
In der US-Patentschrift Nr. 36 23 925 wird die Verwendung einer Schottky-Diode mit überlegenen Betriebseigenschaften in Sperrrichtung und ein Prozeß zur Herstellung einer solchen Schottky-Diode beschrieben.
:Da bekannte Schaltelemente mit Material-verschiedenem Übergang !zusätzliche Elemente benötigen, um das fehlerhafte Auslesen von !information möglichst klein zu halten, ergibt sich daraus die j _ „ _ _ _
Yo"972T2"2~ 509817/106 1""
Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Prozeß zu entwickeln, durch den automatisch ein Material-gleicher Übergang gleichzeitig mit einem Material-verschiedenen Übergang in einem integrierten Prozeß erzielt werden kann, wobei das Schaltelement mit Materialverschiedenem Übergang bistabile Schalteigenschaften als zugehöriger Teil des Aufwachsprozesses zusammen mit der automatischen Bildung eines Material gleichen PN-überganges aufweist. Außerdem soll der hierbei hergestellte Halbleiter eine hohe Oberflächenkonzentration von Fremdatomen, gleichzeitig jedoch eine sehr geringe Diffusionstiefe in der Größenordnung zwischen 100 und 3000 A aufweisen.
Die Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, daß Aluminiumnitrid und/oder Galliumnitrid auf Substratoberflächen zur Bildung des Material-verschiedenen Halbleiterübergangs aufgebracht wird, so daß in einem Diffusionsvorgang bei fester Phase Aluminium- bzw. Galliumatome in Substratzonen eindiffundieren, die dem Aluminium- bzw. Galliumnitrid benachbart sind.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich dabei aus den Unteransprüchen.
Wie bereits gesagt, sind Halbleiterbauelemente gemäß der Erfindung vorteilhaft zur Anwendung in Speicheranordnungen um fehlerhaftes Auslesen der Information weitgehend zu vermeiden, wobei bei Herstellung keine zusätzlichen Verfahrensschritte erforderlich sind. Werden der Material-verschiedene und der Material-gleiche Halbleiterübergang elektrisch in Serie geschaltet, dann ergibt sich die angeführte vorteilhafte Speicheranwendung ohne weiteres.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens besteht darin, daß ein Diffusionsprozeß unter relativ niedriger Temperatur Anwendung stattfindet. Es zeigt sich dabei, daß die gemäß Aufgabenstellung geforderten, äußerst geringen Diffusionstiefen in einfacher Weise zu erhalten sind.
YO 972 122 50981 7/106 1
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt un<·' wird anschließend näher beschrieben.
IEs zeigen:
Fig. 1 in Schnittansicht ein Ausführungsbeispiel für
einen nach der Erfindung hergestellten Halbleiter,
i tig. 2 in Draufsicht den in Fig. 1 gezeigten Halbleiter I
und
Fig. 3 in graphischer Darstellung die elektrische Schalt-j
: charakteristik des in den Fign. 1 und 2 gezeigten
, Halbleiters.
!Das Herstellungsverfahren gemäß der Erfindung umfaßt im wesentlichen den Niederschlag von Aluminiumnitrid oder Galliumnitrid auf ]ein Halbleitersubstrat und die Diffusion von Aluminiumatomen jaus Aluminiumnitrid oder Galliumatomen aus Galliumnitrid in das Substrat in den Aluminiumnitrid- oder Galliumnitridbereichen, um so einen Material-gleichen übergang im Substrat zu bilden.
Als Halbleitersubstrat können Silizium, Germanium, Siliziumkarbid, Germaniumkarbid und ähnliche Halbleitermaterialien verwendet werden. Als Halbleitersubstrat wird Silizium mit N-Leitfähigkeit bevorzugt. Die Bereitung von N-Silizium unter Anwendung von Dotierungsmaterial wie Arsen, Phosphor, Antimon und dergleichen zum Herbeiführen einer N-Leitfähigkeit im Silizium sind allgemein bekannt.
Grundsätzlich wird nach der Erfindung ein Halbleitersubstrat mit N-Leitfähigkeit benutzt, man kann jedoch auch ein Substrat mit P-Leitfähigkeit benutzen und darin Bereiche mit N-Leitfähigkeit in bekannter Weise durch Maskenverfahren und Diffusionsdotierung erzeugen. Silizium kann wie gesagt mit Arsen, Phosphor oder Antimon dotiert und dann nach dem später genauer zu beschreibenden Prozeß an der Siliziumoberfläche bzw. den N-leitenden Silizium-
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! ■ ■ -δ
pberflächenbereichen ein Material-verschiedener übergang ausgebildet werden. Außerdem kann nach Bedarf Silizium mit einer EigenjLeitfähigkeit wie das Halbleitersubstrat nach dem erfindungsgemäßen Prozeß mit Ausbildung entsprechender Zonen im eigenleitfähigen Silizium gebildet werden, die Gallium- und Aluminium-Dotierungstatome enthalten. :
i ;
JDie für die Bildung einer Schicht auf dem Halbleitersubstrat : jLm Prozeß nach der Erfindung verwendeten Materialien Gallium- ; jiitrid und Aluminiumnitrid sind allgemein bekannt. Die Ver-
i i
Sendung dieser Materialien als Quellenschicht jedoch, aus der ; äann also Galliumatome oder Aluminiumatome aus einer Festkörper- ] quelle in das Halbleitersubstrat hineindiffundiert werden, ist 3in wesentliches und neuartiges Merkmal vorliegender Erfindung. ; Die Diffusion von Galliumatomen aus dem als Quellenschicht dienen- \ den Galliumnitrid oder der Aluminiumatome aus dem als Quellen- j (schicht dienenden Aluminiumnitrid ist sowohl zeit- als auch j temperaturabhängig und diese Abhängigkeit gestattet eine sehr [genaue Lagesteuerung der Tiefe des Material-gleichen Überganges
km Halbleitersubstrat. Es erwies sich bisher als besonders
!Schwierig, geringe, im Bereich der Oberfläche liegende Übergangs-
!tiefen herzustellen, wenn die Quelle der Dotierungsatome hochkonzentriert war. Gemäß der Erfindung ist mit Galliumnitrid oder "Aluminiumnitrid nicht nur die Bildung von tief (z.B. mehr als 3000 im Halbleitersubstrat liegenden Übergängen möglich, sondern auch die Bildung s-ehr flacher Übergänge (z.B. 100 8 bis 3000 8) trotz der sehr hohen Oberflächenkonzentration.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren werden Galliumnitrid oder Aluminiumnitrid auf dem Halbleitersubstrat aufgewachsen und !diese Schicht bildet demnach die Quelle für in das Substrat hinein-
!diffundierende Atome. Bisher wurden z.B. Aufdampftechniken ;angewandt, bei denen verschiedene Galliumverbindungen in der | !Dampfphase mit Ammoniak reagierten, um Galliumnitridschichten j
auf verschiedenen Substraten aufwachsen zu lassen. Aufsprühen ι mit Elementaraluminium oder -gallium in reaktiver Stickstoff- j
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2.U8478 j
atmosphäre läßt sich ebenfalls zum Aufwachsen von Aluminiumnitrid oder Galliumnitrid auf einem Halbleitersubstrat verwenden. Eine i Aluminium- oder Galliumnitridschicht kann auch durch Aufdampfen von elementarem Gallium oder Aluminium in einer reaktiven Stick- j
ι stoff-Unterdruckatmosphäre niedergeschlagen werden. Beim Aufdampfenl !arbeitet man mit Temperaturen zwischen 700 und 900 0C während 15 Mijnuten bis zu 2 Stunden, beim Aufsprühen und Verdampfen mit Substrattemperaturen zwischen 0° und 800 0C während 10 Minuten bis zu 4 Stunden, wobei man vorzugsweise eine Temperatur von 600 C für (die Dauer von 30 Minuten einwirken läßt, um Schichten zwischen 1000 und 3000 8 Dicke zu erhalten. Im Rahmen der Erfindung sind
Temperaturen und Zeiten unter Berücksichtigung der Diffusion ivon Aluminium- oder Galliumatomen in das Substrat gewählt worden. Tieferreichende Diffusionen resultieren z.B., wenn die Aufwachstemperatur für das Nitrid hoch ist, wobei dann die Nitriddicke selbst dadurch eingestellt werden kann, daß man den Partialdruck der Gase oder des reaktiven Stickstoffs und die Zeit ändert. Flache Diffusionstiefen erhält man also durch Absenken der Temperatur^ und die Dicke der Nitridschicht läßt sich wiederum über Partialdruck und Einwirkzeit einstellen.
[Wie oben beschrieben, braucht man zur Bereitung eines Überganges zwischen verschiedenen Halbleitern, nämlich Aluminiumnitridschicht/ Galliumnitridschicht und Substratoberfläche, nur einen Quellenbereich bzw. eine Schicht aus Aluminiumnitrid oder Galliumnitrid gemäß der Erfindung auf das Halbleitersubstrat anzubringen. Aufgrund der Diffusion der Aluminiumatome aus dem Aluminiumnitrid joder der Galliumatome aus der Galliumnitridschicht, welche einen
wesentlichen Vorgang im Herstellungsprozeß darstellt, läßt ein dotierter, Aluminiumatome oder Galliumatome enthaltender Bereich einen übergang zwischen gleichen Materialien, z.B. einen PN-Überigang entstehen, wenn das Substrat aus N-leitendem Halbleitermaterial besteht.
!Die Dicke der Aluminiumnitridschicht oder der Galliumnitridschicht die als Quelle für das diffundierende Material dienen, ist nicht
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! 2Λ48Α78
I - 7 -
jvon besonderer Bedeutung, solange nur genügend Aluminium oder Gallium vorhanden ist/ um die gewünschte Konzentration der Fremdjatome zu erhalten. Unter Berücksichtigung leichter Schichtbildung piit verfügbaren Ausrüstungen arbeitet man im allgemeinen nit einer Schichtdicke zwischen 500 S und etwa 2 Mikron. Um die Eigenschaften eines bistabilen Schalters, als Produkt des erfinlungsgemäßen Herstellungsverfahrens, zu optimieren, liegt die Dicke der Aluminiumnitrid- oder Galliumnitridschicht vorzugsweise zwischen 1000 und 3000 A* ungeachtet der jeweils zu erzielenden Obergangstiefe.
Die Bildung dieses Material-gleichen Überganges in einem ialbleitersubstrat ist auf Diffusion von Aluminiums aus Aluminiumnitrid oder von Galliums aus Galliumnitrid in äas Substrat hinein zurückzuführen, wobei das Aluminiumnitrid Dzw. Galliumnitrid im Substrat eine P-leitende Zone bildet. Die Lage des Material-gleichen Überganges im Halbleitersubstrat liird bestimmt durch die Diffusionstiefe der vom Quellenaluminiumiitrid oder -galliumnitrid in das Substrat eindringenden Alumilium- oder Galliumatome. Die Tiefe dieser P-leitenden Zone hängt (7on der Substrattemperatur während des Aufwachsens der Schicht .und äer Zeitdauer ab, während der das Substrat auf dieser Diffusionstemperatur gehalten wird.
Durch Anwendung des erfindungsgemäßen Galliumnitrid- oder Alumiliumnitridverfahrens, bei dem eine Schicht oder ein Bereich aus Salliumnitrid oder Aluminiumnitrid auf einem Halbleitersubstrat aufgewachsen werden, ist die größte Oberflächenkonzentration der Aluminium- oder Galliumatome an der Grenzfläche zwischen Substrat and Nitridschicht im wesentlichen gleich der theoretischen Gitter-
22 konzentration im Nitrid, die bei etwa 10 Aluminium- oder Gallium-
atomen pro cm liegt. Die Diffusion der Gallium- oder Aluminiumatome aus der Galliumnitrid- oder Aluminiumnitrid-Quellenschicht Ln das Halbleitersubstrat hinein ist eine Festkörperdiffusion, lie durch folgende Formel beschrieben ist:
*0972122 509817/106 1
N(X,t) =
No
2
(e
erfc
Worin N die Aluminium- oder Galliumkonzentration· im Substrat bei einer Tiefe χ und zur Zeit t ist, wobei diese Zeit t diejenige Zeit ist, in der das Substrat auf einer Temperatur gehalten wird, die hoch genug ist, um die Diffusion der Gallium-· pder Aluminiumatome in das Substrat zu ermöglichen. No ist die Dberflächenkonzentration der Gallium- oder Aluminiumatome in der Gallium- oder Aluminiumnitridschicht und D ist der Diffusionskoeffizient. Bei einer Oberflächenkonzentration der
22 3 Sallium- oder Aluminiumatome von 10 pro cm an der Grenzfläche zwischen Substrat und Nitrid ergeben sich zur Erzielung eines Material-gleichen Überganges in einer bestimmten Tiefe im substrat die in der nachfolgenden Tabelle 1 aufgeführten jzeiten bei verschiedenen Substrattemperaturen zwischen 600 'und 900 0C.
TABELLE 1
tr °c
2 DGa
(cm /see)
Tiefe
(cm /see)
ZeitGa (sec)
(see)
900 6xiO~15 1,4xiO~14
800 6x10"16 1,4x10"15
Il Il
700 6xiO~17 1,4x10"16
Il Il Il
600 6x10"18 1,4x10"17
Anmerkung: Diffusionsdetails:
1000 1000 100 500 100 100
641
66410
64
16000 640 6400
275
2750 27,5
6880 275 2750
:No
Atome/cm , P(Si ) =2x10
Ohm/cm.
Nimmt man an, daß die theoretische Gitterkonzentration der Aluminium- oder Galliumatome in der Aluminium- oder Galliumnitrid-Oberflächenschicht im Silizium nicht erreicht wird, sondern eine Oberflächenkonzentration, die nur 1/1000 der theoretischen Gitter
19 :onzentratlon beträgt, d.h., eine Konzentration von 10 Atomen >ro cm , so lassen sich nach dem erfindungsgemäßen Verfahren Ma-Iterial-jgleiche übergänge. in_„eiiiem._Halt3leJ.ter5ubstrat mit Diffu- Y0 972 122 509817/1061
2A48478
ionstemperatüren zwischen 600 und 1000 C in einem für die Diffusion praktikablen Zeitabschnitt erreichen. Eine höhere oubstrattemperatur kann in der in Tabelle 2 als Beispiel gegebenen Prozeßfolge aufgrund der niedrigeren Oberflächenkonzentrabion erwünscht sein. Die Diffusion läßt sich am besten in einer Seitdauer von 4 bis 5 Stunden durchführen. Größere Zeiträume können zwar benutzt werden, sind aber in zunehmendem Maße unerwünscht; andererseits erfordern kürzere Zeitabschnitte für die gebräuchlichsten Halbleitersysteme eine größere Genauigkeit in der Prozeßsteuerung, womit im allgemeinen die eingesparte Zeit nicht gerechtfertigt ist.
Tabelle 2 zeigt die mit verschiedenen Halbleitersubstrattempecaturen und Diffusionszeiten erzielbaren Tiefen des Materialjleichen Überganges, wo die Oberflächenkonzentration nur etwa 1/1000 der theoretischen Gitterkonzentration beträgt.
TABELLE 2
^D,
Ic) (cm'
Tiefe
(R) 		Zeit(Ga)
(see)		 Zeit (Al)
(see)
1000 400 172
100 4 • 1,72
1000 4000 1720
100 40 17,2
Il 400 172
Il 4000 1720
Il 40000 17200
1000
900
800
700
600
6x10
-14
1,4x10
-13
6x10
-15
1,4x10
-14
6x10
6x10
6x10
-16
-17
-18
1,4x10 1,4x10 1,4x10
-15 -16 -17
,Anmerkung: Diffusionsdetails: No = 2x10
19
Atome/cm ; ρ (Si.,)=2x10
0hm/cm
Wie aus den Zahlen in Tabellen 1 und 2 hervorgeht, lassen sich mit verschiedenen Temperaturen und Zeiten für die Diffusion der Alumimium- und Galliumatome in das Halbleitersubstrat sowohl flachliegen de als auch tiefere Übergangstiefen erreichen. Abhängig vom voirge-
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jsehenen Endzweck des erfindungsgernäß hergestellten Halbleiterbauelementes kann man durch entsprechende Wahl der Diffusionszeiten ;und Temperaturen einen Übergang in einer jeweils gewünschten Bubstrattiefe gewährleisten. Um tieferliegende Übergänge zwischen Bruchteilen eines pia bis zu mehreren pm Tiefe zu errei-■chen, kann man auch mit wesentlich längeren Zeitabschnitten bei jeder Temperatur arbeiten.
!Als Alternative des erfindungsgemäßen Prozesses kann eine Galliumjoder Aluminiumnitridschicht auf einem Halbleitersubstrat auch bei einer Temperatur aufgewachsen werden, die zur Bildung der Schicht zwar ausreicht, jedoch zu niedrig ist, um eine nennensiwerte Diffusion von Gallium- oder Aluminiumatomen in das Substrat hineinzugestatten. Bei Temperaturen unter 500 0C diffundiert beispielsweise Galliumnitrid und unter 450 bis 500 0C Aluminiumnitrid nicht in das Halbleitersubstrat. Nach Bedarf kann die Galliumnitrid- oder Aluminiumnitridschicht auf dem Halbleitersubstrat auch durch Sprühen oder reaktive Vakuumverdampfung aufgewachsen werden; um Galliumatome oder Aluminiumatome in einer späteren Wärmebehandlung mit den Zeit- und Temperaturdaten der Tabellen 1 und 2 auf die gewünschte Übergangstiefe in das Substrat eindiffundieren zu lassen. In einem solchen Fall, wo die Aufheizung als gesonderter vom Aufwachsen der Aluminiumnitrid- oder Galliumnitridschicht getrennter Verfahrensschritt nicht in der Aufwachskammer und bei hohen Temperaturen zur Erzielung tieferliegender Übergänge durchgeführt wird, kann es notwendig werden, die Galliumnitrid- oder Aluminiumnitridschicht vor Zersetzung bei den verwendeten hohen Temperaturen zu schützen. Mit Schützen ist hier die Verwendung einer Schutzatmosphäre oder einer Schutzschicht gemeint, die diese Zersetzung verhindern soll. Eine solche Schutzjatmosphäre kann eine Ammoniakatmosphäre sein, die durch das !Gleichgewicht mit dem Aluminiumnitrid oder dem Galliumnitrid und seinen Zersetzungsprodukten die Zersetzung des Aluminiumnitrids oder Galliumnitrids während des Aufheiζvorganges verhindert. Um die Zersetzung zu verhindern, kann in gleicher Weise eine reaktive Stickstoffatmosphäre verwendet werden. Die Galliumnitridschicht oder die Aluminiumnitridschicht kann auch durch
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Niederschlagen eines Schutzüberzuges beispielsweise aus Siliziumdioxid, Aluminiumoxid und dergleichen vor Zersetzung geschützt werden. Zur Ausführung eines gesonderten Diffusionsverfahrensschrittes braucht das Halbleitersubstrat mit dem aufgewachsenen Aluminiumnitrid oder Galliumnitrid nur in einem abgeschlossenen Bereich, wie beispielsweise einem Ofen erwärmt zu werden, der in einfachster Weise aus einem geschlossenen Heizrohr mit einer Schutzatmosphäre besteht. Je nachdem kann aber auch eine Schutzschicht, beispielsweise aus Siliziumdioxid, auf die Aluminiumoder Galliumnitridschicht aufgetragen, um diese vor Zersetzung zu schützen, und dann der Erwärmungsschritt durchgeführt werden. Solche Schutzschichten können auf bekannte Art durch Sprühen, Aufdampfen usw. aufgetragen werden.
Das in Fig. 1 gezeigte erfindungsgemäß hergestellte Ausführungsbeispiel eines Halbleiters enthält ein Halbleitersubstrat aus Silizium, welches mit Arsen, Phosphor oder Antimon dotiert ist, um das Silizium N-leitend zu machen. Eine Siliziumdioxidschicht 2 wird auf dem Halbleitersubstrat gebildet. Mit einer solchen Siliziumdioxidschicht kann man arbeiten, wenn die Gallium- oder Aluminiumnitridschicht nur auf ausgewählten Teilen des Halbleitersubstrates aufgewachsen und ein Halbleiterplättchen mit einer Gallium- oder Aluminiumnitridschicht in isolierten Zonen hergestellt werden soll. Die Gallium- oder Auminiumnitridschicht wird in einem bekannten Verfahren mit Unterdruck aufgedampft oder aufgesprüht. In die Zone 4 des Halbleitersubstrates 1 werden Galliumatome oder Aluminiumatome aus der Galliumnitrid- oder Aluminiumnitrid-Quellenschicht 3 eindiffundiert, um dadurch den PN-Übergang 5 zu bilden. Die N-leitende Streifenzone 6 kann bei Bedarf eingebaut werden.
In einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung kann das Halbleitersubstrat 1 aus reinem Silizium oder P-leitendem Silizium oder aus Silizium bestehen, das in bestimmten Zonen mit, Arsen, Phosphor oder Antimon zur Bildung beispielsweise einer Streifenzone aus N-leitenden Silizium im Halbleiter dotiert
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|ist. Dabei wird dann die Gallium- öder Aluminimmnitridschicht jüber der N-leitenden Streifenzone erzeugt., um einen PN-Übergang in diesem N-leitenden Siliziumstreifen herbeizuführen.
[Die Siliziumdioxiäschicht 2 kann bei Bedarf auch auf einem Halbleitersubstrat 1 aus reinem Silizium aufgebracht, ein (Streifenmuster in das Siliziumdioxid durcih iPhotomaskierung geätzt und die H-leitende Streifenzone 6 mit Hilfe von Arsen-, Phosphor- oder Antlmondotiexungen in konventionellem Diffusionsvorgang gebildet werden. Anschließend kann eine zweite Schicht aus SiQ2 aufgewachsen., Inseln oder Ausschnitte durch Photomaskierung geätzt und eine Gallium- oder Aluminiumnitridschicht 3 über der Siliziumdioxidmaske mit Fenstern und/oder Ausschnitten zur Bildung Material-verschiedener übergänge an der Grenzfläche zwischen Schicht 3 und der Oberfläche des Siliziumsubstrates 1 aufgewachsen werden. Eine Zone P-leitenden Siliziums 4 wird durch Diffusion von Gallium- oder Aluminiumatomen aus der Gallium- oder Aluminiumnitridschicht 3 in das Halbleitersubstrat 1 und die Zone S mit dem PN-Übergang 5 im N-leitenden Silizium gebildet, das vorher auf Substrat 1 gebildet war. Durch übliche Masken-und Itztechnlken kann das Nitrid von unerwünschten Bereichen ferngehalten warden.
Bei Bedarf kann eine ähnliche Struktur auch dadurch gebildet werden, daß man die zweite Siliziumdioxidschicht wegläßt, eine gleichförmige. Aluminium- oder Galliumnitridschicht niederschlägt und diese Schicht nur dort nicht wegätzt, wo eine Aluminium- oder Galliumdiffusion auftreten soll.
Ein solches Element kann mit Anschlußstellen am Siliziumhalbleitersubstrat 1 und an der Gallium- oder Aluminiumnitridschicht versehen werden, um einen Material-verschiedenen übergang und einen PN-Übergang zu bekommen, der elektrisch in Reihe geschaltet und im Halbleitersubstrat vertikal angeordnet ist. Damit ergibt sich eine Möglichkeit, einen erfindungsgemäßen Halblei-
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ter wirksam zu nutzen.
'Fig. 2 zeigt eine Draufsicht des in Fig. 1 gezeigten Elementes, (in der dieselben Bezugszahlen verwendet werden wie in Fig.
i
I
jln Fig. 3 sind die elektrischen Werte eines bistabilen Schaltlelementes mit Material-verschiedenem Übergang angegeben, wellches nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurde, Idas im Zusammenhang mit Fig. 1 beschrieben wurde. Der hohejWiderstands-Zustand 7 kann in einen Zustand niedrigen Widerstandes 8 und umgekehrt überführt v/erden. Der Zustand niedrigen (Widerstandes ist ein gleichrichtender Zustand und kein ohmscher
(zustand und schaltet die oben erwähnten Kriechwegprobleme aus.
;in den Fign. 1,2 und 3 ist nur ein Ausführungsbeispiel der
j .
,'Erfindung gezeigt. Die Siliziumdioxidschicht in Fig. 1 kann jdurch Bildung der Gallium- oder Aluminiumnitridschicht 3 j !über der ganzen Oberfläche des Halbleitersubstrates 1 zerstört !werden, wodurch eine P-leitende Siliziumzone 4 neben der Gal- j Hum- oder Aluminiumnitridschicht 3 über der gesamten Oberfläche I des Halbleitersubstrates entsteht. Die Siliziumdioxidschicht 2 ! wird nur benötigt, wo aus strukturellen Überlegungen nicht die ganze Oberfläche des Halbleitersubstrates mit einer Gallium-
JEine Siliziumscheibe mit 0,3 mm Dicke wird auf einer Seite !spiegelglatt poliert. Die Scheibe ist N-leitend, mit Phosphor
I 18
ibis zu einer Konzentration von 1 x10 Phosphoratomen pro cm dotiert und chemisch mit Trichloräthylen, Aceton und Methylalkohol gereinigt und mit Flußsäure geätzt, in entionisiertem
{oder Aluminiumnitridschicht überzogen werden soll. ]
Die folgenden Beispiele zeigen das Verfahren der Erfindung im einzelnen. Sie sollen der Veranschaulichung dienen und stellen t keinerlei Einschränkung der Erfindung dar. ]
Beispiel I
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j - 14 -
Wasser gespült und getrocknet. Dieser Wafer wird dann in eine iKathodenzerstäubungsanlage eingebracht, die mit einer Gallium-,kathode ausgerüstet ist und auf einen Druck von 10 Torr gebracht wird. Der Wafer wird dann auch auf 700 0C erhitzt; ionisierter Stickstoff wird in die Kammer mit einem Druck von. ■ -2
2 χ 10 Torr eingeführt. Wenn an das Zerstäubungssystem ein hochfrequenter Strom unter einer Leistung von 100 Watt ange- !legt wird, wird Gallium von der Galliumkathode losgelöst und ,verbindet sich mit dem ionisierten Stickstoff zu einer Galliumjnitridschicht auf dem Siliziumsubstrat, welches als Anode wirkt. |Das Zerstäuben von Gallium raid der Niederschlag von Galliumnifcirid wird für 60 Minuten fortgesetzt, um so eine Galliumnitridschich|t jvon 2000 £ Dicke zu erzeugen. Gleichzeitig diffundieren Gallimm-Iatome in das N-leitende Siiiziumsubstrat ein und erzeugen einen JPN-Übergang im Silizium in einer Tiefe von etwa 200 8 unterhalb ider Grenzfläche zwischen Silizium- und Galliumnitrid. Wenn ohmische Kontakte aus Gold-Antimon an das Siliziumsubstrat und ohm-
Ische Kontakte aus Indium-Aluminium am Galliumnitrid durch Aufdampfen hergestellt werden f ergibt sich ein bistabiler Schalter jmit dem in Fig. 3 gezeigten Verhalten.
!Beispiel 2
Ein Siliziumwafer von 0,3 mm Dicke wird auf einer Seite spiegelglatt poliert. Der Wafer ist P-leitend und auf etwa
-ι ς ο
10 pro cm mit Bor dotiert. Der Wafer wird chemisch in Tri-
'chloräthylen, Aceton und Methylalkohol gereinigt und anschliei ßend mit Flußsäure geätzt, dann in entionisiertem Wasser gespült und gereinigt. Der Wafer wird in eine Anlage für Niej dertemperaturniederschlag von Tetraethylorthosilikat gelegt und eine Schicht von SlO2 auf der Waferoberfläche aufgewachsen. Mit photolithographischen Photowiderstandsverfahren be-I kannter Art werden 10 pm breite Streifen in die SiO2-Schicht j mit gepufferter Flußsäure geätzt. Der Wafer wird dann in ein Diffusionssystem gelegt und Phosphor in die^ Streifenbereiche j ; bis zu einer Tiefe von 2 pm bei einer Oberflächenkonzen- j
18 3 ί
I tration von etwa 2x10 Atomen pro cm diffundiert. Eine zweite |
; ι
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SiO.-Schicht wird auf der gesamten Oberfläche !niedergeschlagen and Löcher mit einem Durchmesser *ron 5 jam in fliese zweite SiO „-Schicht auf der in vorher diffundierten Streif ein iphofcolithographisch weggeätzt- Ber Wafer wird in eine mit «eiaaer JÖLiaminiumkathode ausgerüsteten Eerstäufeungskammer eingesetzt,, deren IDraack auf 10 !Torr herabgesetzt ist, und dann aaaf etwa ©DO *°€ erhitzt» ©ie Kammer wird aaaf einen Druck von 2x1O Tcsrr mit .ioaaisiertem Stickstoff gefüllt. Wenn jhochfregoenter Strom 17On 1OO Watt an das !ZerstäubJingssystem angelegt wird,, wijcd won. der ^ltiamimiMmkathöde Äliaminiwmmetall gelöst nand irerbiiadet sich miit dem JL©nisiertem Stickstoff za einer Alimiiinajamnitrldschidht aaf dem Siliiziuiasabsirat und über den oxydierten feilen- ©as ZeristSuljein aand !Niederschlagen von Aluminiumnitrid wird für 30 Minuten fortgesetzt und so eine Al^iniumnitrMsehicait wan 3SOD S Disdke erzeugt.. «Gleichzeitig diffundieren ÄlaminiaHHatcsBEie im die ü-leitenden Siliziumstreifen und erzeugen eine If-leitende Siliziiuminsel und einen PJSJ-ibergang in einer Tiefe von €QQ £ won der ßrenzf lache zwischen Aluminium und Silizium. Der Wafer wird der Zerstäubungslkammer entnommen <and SiiO„ wem den unerjmnschten Bereicheaa photDlithographisch und darch ützen Im. gepufferter Flußsäure entfernt. Ohmsche Kontakte sbs indiium-ÄlumtoiMm werden am ikluminiumnitrid und ohmsche JRontakte aus Gold-antimon am iJ-leitenden Silizitamstreifen angebracht nnü so ein Ibis tab iler Schalter hergestellt,, der das in Fig. 3 gezeigte elektrische -; · Verhalten aufweist^
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Claims (1)

  1. - 16 -
    PATENTANSPRÜCHE
    Verfahren zum Herstellen von Material-gleichen PN-Halbleiterübergängen innerhalb von Substraten und von Materialverschiedenen PN-Halbleiterübergängen an Substratoberflächen, dadurch gekennzeichnet, daß Aluminiumnitrid und/oder Galliumnitrid auf Substratoberflächen zur Bildung des Material-verschiedenen Halbleiterübergangs aufgebracht wird, so daß in einem Diffusionsvorgang bei fester Phase Aluminium- bzw. Galliumatome in Substratzonen eindiffundieren, die dem Aluminium- bzw. Galliumnitrid benachbart sind.
    J2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Halbleitersubstrat (1) Silizium, Garmanium, Silizium-
    : karbit oder Germaniumkarbit gewählt wird.
    |3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ι das Siliziumsubstrat (1) zumindest in den Aluminium- bzw. Galliumnitrid benachbarten Bereichen (4) N-leitend dotiert wird.
    4. Verfahren nach Anspruch 1 und/oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gallium- bzw. Aluminiumnitrid mit Hilfe von Maskenverfahren auf das Halbleitersubstrat schichtförmig (3) niedergeschlagen wird.
    5. Verfahren nach Anspruch 1 und/oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine flüchtige Galliumverbindung und Ammoniak bei einer Temperatur zwischen etwa 700 C bis etwa 900 0C während einer Zeitdauer zwischen etwa 15 Minuten bis zu etwa 2 Stunden über das Substrat (1) geleitet wird.
    6. Verfahren nach Anspruch 1 und/oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß elementares Aluminium bzw. Gallium in einer
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    reaktiven Stickstoffatmosphäre bei einer Temperatur zwischen 0° bis 800 0C" während einer Zeitdauer von etwa 10 Minuten bis etwa 4 Stunden zerstäubt und als Schicht (3) auf das Halbleitersubstrat (1) niedergeschlagen wird.
    7. Verfahren nach Anspruch 1 und/oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß elementares. Aluminium bzw. Gallium in einer reaktiven Stickstoffatmosphäre bei Temperaturen zwischen 0 C
    j t und etwa 800,°C während einer Zeitdauer zwischen etwa ' 10 MinutenJbis etwa 4 Stunden durch Verdampfen in Vakuum j als Schicht (3) auf das Halbleitersubstrat (1) niedergeschlagen wird.
    8. Verfahren mindestens nach Anspruch 1,, dadurch gekennzeichnet, daß Aluminium- bzw. Galliumnitrid bei hinreichend niedriger Temperatur auf das Substrat (1) aufgebracht wird, um zu verhindern, daß gleichzeitig Diffusion von Aluminium- bzw. Galliumatomen in das Halbleitersubstrat (1) herbeigeführt wird, daß anschließend das Substrat
    (1) mit dem hierauf aufgebrachten Aluminium bzw. Galliumnitrid auf eine Temperatur von etwa 600 0C bis etwa 800 0C bei Galliumnitrid und auf eine Temperatur von etwa 600 0C bis etwa 1000 °C bei Aluminiumnitrid unter Vermeidung von Dissoziation aufgeheizt wird.
    9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß
    die Temperatur beim Aufbringen der Gallium- bzw. Aluminiumnitridschicht (3) auf einen Wert zwischen Raumtemperatur und.500 °C eingestellt wird.
    10. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß auf einem Halbleitersubstrat (1) vor Niederschlag der Gallium- bzw.oAluminiumnitridschicht (3) eine Oxidschutzschicht (2) aufgetragen wird, die vorbe-
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    stimmte Bereiche der Halbleiteroberfläche freiläßt, die
    zumindest im Bezug auf die gesamte Halbleitersubstratoberfläche N-leitend dotierten Zonen (4) zugeordnet sind,
    und daß auf die Gallium- bzw. Aluminiumnitridschichten
    (3) und das Halbleitersubstrat (1) Anschlüsse angebracht
    werden, durch die die Material-gleichen und Material-verschiedenen Übergänge des Halbleiterbauelements elektrisch in Serie geschaltet werden können.
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