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Verfahren zur Herstellung eines pn-Überganges in einer einkristallinen Halbleiteranordnung
Die österr. Patentschrift Nr. 230432 bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines pn-Überganges in einer einkristallinen Halbleiteranordnung, bei dem aus einem mit Donatoren und Akzeptoren verschiedener Diffusionskonstante dotierten Gebiet des Halbleiterkörpers, in welchem die Störstellenart mit dem kleineren Diffusionskoeffizienten überwiegt, beide Störstellenarten gleichzeitig in ein benachbartes Gebiet unter Bildung eines pn-Überganges in diesen benachbarten Gebiet eindiffundieren, das dadurch gekennzeichnet ist, dass auf eine einkristalline,
mit Donatoren und Akzeptoren hochdotierte Halbleiterunterlage eine einkristalline Halbleiterschicht durch thermisch-chemisches Zersetzen einer gasförmigen Halbleiterverbindung an der als Wärmequelle für die Zersetzung dienenden Oberfläche der Unterlage niedergeschlagen wird und dass nach Beendigung des Niederschlagverfahrens der so hergestellte Halbleiterkörper so lange erhitzt wird, bis von den beiden beim Tempern aus der Unterlage in die aufgewachsene Schicht eindiffundierenden Störstellenarten im wesentlichen nur die eine an der der Unterlage abgewendeten Seite der aufgewachsenen Schicht die gewünschte Leitfähigkeit hervorruft, die andere jedoch einen grossen Teil dieser Schicht praktisch noch nicht erreicht hat.
Auf diese Weise gelingt es in einer epitaktisch auf einer Unterlage entsprechender Kristallstruktur aufgewachsenen Halbleiterschicht eine Dotierung zu erzeugen, durch die in der aufgewachsenen Zone eine in Richtung auf die Unterlage vom kleineren Werte aus ansteigende Leitfähigkeit hervorgerufen wird.
Eine derartige -Dotierung ist beispielsweise für die Basiszone von Transistoren geeignet, deren Anwendungsgebiet eine möglichst. kleine Emitterkapazität erfordert.
Davon ausgehend hat es sich als vorteilhaft erwiesen, den in der österr. Patentschrift Nr. 230432 beschriebenen Dotierungsverlauf in der Aufwachsschicht auf begrenzte Bereiche, deren Ausdehnung durch die Abmessungen der herzustellenden Bauelemente bestimmt wird, zu beschränken, so dass beispielsweise nach Art des üblichen Planartransistors ein begrenzter Basisraum entsteht.
Derartige Anordnungen werden günstigerweise nach dem Verfahren gemäss der Erfindung zur Herstellung eines pn-Übergangs in einer einkristallinen Halbleiteranordnung hergestellt, bei dem aus einem mit Donatoren und Akzeptoren verschiedener Diffusionskonstante dotierten Gebiet des Halbleiterkörpers, in welchem die Störstellenart mit dem kleineren Diffusionskoeffizienten überwiegt, beide Störstellenarten gleichzeitig in ein benachbartes Gebiet unter Bildung eines pn-Übergangs in diesem benachbarten Gebiet eindiffundieren, was in der Weise geschieht, dass auf eine einkristalline,
mit Donatoren und Akzeptoren hochdotierte Halbleiterunterlage eine einkristalline Halbleiterschicht durch thermisch-chemisches Zersetzen einer gasförmigen Halbleiterverbindung an der als Wärmequelle für die Zersetzung dienenden Oberfläche der Unterlage niedergeschlagen wird und dass nach Beendigung des Niederschlagverfahrens der so hergestellte Halbleiterkörper so lange erhitzt wird, bis von den beim Tempern aus der Unterlage in die aufgewachsene Schicht eindiffundierenden Störstellenarten im wesentlichen nur die eine an der der Unterlage abgewendeten Seite der aufgewachsenen Schicht die gewünschte Leitfähigkeit hervorruft, die andere jedoch einen grossen Teil dieser Schicht praktisch noch nicht erreicht hat und das dadurch gekennzeichnet ist, dass nur ein begrenzter Bereich,
dessen Ausdehnung durch die Grösse des herzustellen-
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den Bauelements bestimmt wird, der Unterlage sowohl mit Donatoren als auch mit Akzeptoren versehen wird und dass die Oberfläche der auf der Unterlage aufgewachsenen einkristallinen Halbleiterschichl vor oder während des Diffusionsvorgangs mit einer Oxydschicht überzogen wird.
Dabei geht man so vor, dass auf eine Unterlage eines bestimmten Leitungstyps auf begrenzte Bereiche, beispielsweise auf einen Bereich von der Grösse der gewünschten Basisausdehnung, beispielsweise von einigen J1. bis zu maximal 100 li, Dotierungsmaterial andern Leitungstyps aufgebracht und in den Halbleiterkörper eindiffundiert wird, oder dass Dotierungsmaterial, das gleichzeitig Donatoren und Akzeptoren in entsprechender Konzentration erhält, auf begrenzte Bereiche des Halbleiterkörpers aufgebracht und in diesen eindiffundiert wird.
Es ist vorgesehen, dass die auf begrenzte Bereiche oder Oberfläche beschränkte Auftragung der Dotierungsmaterialien durch Aufdampfen durch eine Maske bzw. durch Eindiffundieren unter Verwendung einer Oxydmaskierung erfolgt.
Eine andere Ausführungsform des Verfahrens gemäss der Erfindung sieht vor, dass die Begrenzung der dotierten Bereiche in der Weise vorgenommen wird, dass die Dotierungsmaterialien zunächst auf die ganze Oberfläche des Halbleiterkörpers'aufgebracht und dort eindiffundiert werden und dass danach an den nicht für die Dotierung vorgesehenen Stellen die Dotierungsmaterialien durch Ätzen abgetragen werden und dass dann die Dotierungsstoffe im Zuge einer Nachdiffusion in den Halbleiterkörper eindiffundiert werden.
Um vor Beginn des epitaktischen Aufwachsens eine glatte Oberfläche der Unterlage zu erhalten, ist es günstig, die Oberfläche der mit Donatoren und Akzeptoren versehenen Unterlage vor Beginn des Aufwachsvorgangs durch mechanische Mittel und/oder durch Ätzen einzuebnen.
Nähere Einzelheitea der Erfindung sind aus den an Ha. id de : Fig. 1-5 beschriebenen Ausführungs- beispielea zu entnehmen.
1'1 Je1 Fig. 1 und 2 ist der Verlauf der Konzentration der Akzeptoren te und der Donatoren nD in den mit einer "doppeltea" Dotierung versehenen Bereiche derHalbleiterunterlage 1 und der epitak- tisch aufgewachsenen Schicht 2 dargestellt.
Im vorliegenden Fall besteht die Unterlage 1 aus Silicium mit einer Donatorkonzentration von 1020 Atomen/cm Phosphor. Darauf wird unter Verwendung einer Maske Aluminium auf begrenzte Bereiche der Oberfläche der Unterlage 1, beispielsweise von der gewünschten Basisausdehnung aufgedampft und einlegiert, so dass in diesen Bereichen in einer Tiefe von 10 bis 30 p eine Dotierung mit einer Akzeptorenkonzentration von 1019 Atomen/cm Aluminium entsteht, Dann wird unter Anwendung der Epitaxie eine schwach mit Donatoren dotierte Aufwachsschicht 2 von 5 bis 10 fi Dicke aufgebracht, deren Oberfläche anschliessend oxydiert wird. Zuletzt wird die Anordnung in der in der österr.
Patentschrift Nr. 230432 beschriebenen Weise einer Temperung unterworfen, um die notwendige Diffusion der Dotierungsstoffe zu bewerkstelligen. Der Dotierungsverlauf entspricht dann in den Gebieten mit "doppelter" Dotierung dem in den Fig. 1 und 2 Dargestellten. In den Bereichen ausserhalb der doppelten Dotierung entspricht der Verlauf der Konzentration der Donatoren in der Halbleiterunterlage 1 und der epitaktischen Schicht 2 dem in Fig. 3 Dargestellten.
In Fig. 4 ist ein Beispiel für die räumliche Dotierungsverteilung in einem Halbleiterkörper dargestellt.
Auf eine n-dotierte Unterlage 1 aus Silicium ist eine ebenfalls n-dotierte Schicht 2 aus den gleichen Material epitaktisch aufgewachsen. In dieser Schicht ist ein begrenzter Bereich 3, beispielsweise das Basisgebiet, mit einer p-Dotierung versehen. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird das dadurch bewerkstelligt, dass auf einen begrenzten Bereich der Oberfläche der Unterlage 1 unter Anwendung einer Oxydmaskierung Bor in der gewünschten Konzentration, beispielsweise 1019 Atomem, aufgebracht und eindiffundiert wird. Nach Entfernen der Oxydmaske wird darauf die epitaktische Schicht 2 aufgebracht, Nach Beendigung des Aufwachsvorgangs wird die epitaktische Schicht mit einer Oxydschicht 4 versehen.
Daran anschliessend wird der Halbleiterkörper einer Temperung unterworfen, wodurch eine Diffusion der Dotierungsstoffe in der Unterlage 1 und der epitaktischen Schicht 2 bewirkt wird, die zum erwünschten Verlauf der Dotierungskonzentration in diesen Gebieten führt. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel wurde in einem weiteren Verfahrensschritt der Emitter 5 durch Diffusion erzeugt.
Bei der Herstellung von Germaniumtransistoren ist das Verfahren in gleicher Weise anwendbar. In diesem Fall ist es zweckmässig, als GrunddotierungAkzeptoren und als partielleDotierungsstoffe Donatoren zu verwenden. Die Reihenfolge der Schichten ist dann umgekehrt zu der in Fig. 4 Dargestellten.
Soll zur Vereinfachung des Verfahrens die Oxydmaskierung zur partiellen Auftragung der Dotierungs-
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stoffe vermieden werden, so kann man, wie in den Fig. 5-8 schematisch dargestellt, vorgehen.
Zunächst wird, wie in Fig. 5 angedeutet, in einem ersten Verfahrensschritt die ganze Oberfläche der Unterlage 1 mit Dotierungsstoffen 11, im vorliegenden Fall bei Verwendung einer Unterlage aus ndotiertem Silicium mit Akzeptoren, z. B. Bor oder Aluminium, beladen.
In einem zweiten Verfahrensschritt wird die mit Dotierungsstoffen beladene Oberfläche bis auf die Bereiche 12 und 13, entsprechend Fig. 6, durch Ätzen abgetragen.
Bei der nachfolgenden Temperung diffundieren, wie in Fig. 7 angedeutet, die Dotierungsstoffe in die Oberfläche der Unterlage 1 ein und bilden auf diese Weise die dotierten Bereiche 12 und 13.
Zweckmässigerweise wird vor Beginn des Aufwachsvorgangs in einem weiteren Verfahrensschritt, wie beispielsweise in Fig. 8 angedeutet, die Oberfläche der Unterlage 1 durch mechanische oder chemische Mittel eingeebnet.
Das Verfahren eignet sich ausser zur Herstellung von Transistoren auch zur Herstellung von Dioden, insbesondere Varactordioden.
PA TENT ANSPRÜCHE :
1. Verfahren zum Herstellen eines pn-Überganges in einer einkristallinen Halbleiteranordnung, bei dem aus einem mit Donatoren und Akzeptoren verschiedener Diffusionskonstante dotierten Gebiet des Halbleiterkörpers, in welchem die Störstellenart mit dem kleineren Diffusionskoeffizienten überwiegt, beide Störstellenarten gleichzeitig in ein benachbartes Gebiet unter Bildung eines pn-Überganges in diesem benachbarten Gebiet eindiffundieren, was in der Weise geschieht, dass auf eine einkristalline mit Donatoren und Akzeptoren hochdotierte Halbleiterunterlage (1) eine einkristalline Halbleiterschicht (2) durch thermisch-chemisches Zersetzen einer gasförmigen Halbleiterverbindung an der als Wärmequelle für die Zersetzung dienenden Oberfläche der Unterlage (1)
niedergeschlagen wird und dass nach Beendigung des Niederschlagsverfahrens der so hergestellte Halbleiterkörper so lang erhitzt wird, bis von den beim Tempern aus der Unterlage (1) in die aufgewachsene Schicht (2) eindiffundierenden Störstellenarten im wesentlichen nur die eine an der der Unterlage (1) abgewendeten Seite der aufgewachsenen Schicht die gewünschte Leitfähigkeit hervorruft, die andere jedoch einen grossen Teil dieser Schicht praktisch noch nicht erreicht hat, dadurch gekennzeichnet, dass nur ein begrenzter Bereich (3), dessen Ausdehnung durch die Abmessungen der herzustellenden Bauelemente bestimmt wird, der Unterlage (1) sowohl mit Donatoren als auch mit Akzeptoren versehen wird und dass die Oberfläche der auf der Unterlage (1)
aufgewachsenen einkristallinen Halbleiterschicht (2) vor oder während des Diffusionsvorganges mit einer Oxydschicht (4) überzogen wird (Fig. 4).