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Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung mit Feldeffekttransistoren mit isolierten Steuerelektroden
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung mit Feldeffekttransistoren mit isolierten Steuerelektroden.
Es sind Schaltungsanordnungen mit pnp-und npn-Feldeffekttransistoren mit isolierten Steuerelektroden bekannt und die Erfindung bezweckt, ein Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung mit pnpund npn-Transistoren anzugeben, wobei die p-Typ-und n-Typ-Zonen in einem Einkristallkörper untergebracht sind.
Gemäss einem ersten Merkmal der Erfindung wird bei einem Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung mit Feldeffekttransistoren mit isolierten Steuerelektroden wenigstens eine Höhlung in einem Halbleiterausgangskörper des einen Leitfähigkeitstyps vorgesehen, welche den Halbleiterausgangskörper nur zum Teil durchquert, worauf Halbleitermaterial des andern Leitfähigkeitstyps epitaxial abgelagert wird, welches die Höhlung ausfüllt, während das überschüssige abgelagerte Material entfernt wird, so dass ein Einkristallkörper erhalten wird, der einen Teil des einen Leitfähigkeitstyps und am Ort der Höhlung einen Teil des andem Leitfähigkeitstyps besitzt,
wonach zwei Zonen des andern Leitfähigkeitstyps in einem Teil des einen Leitfähigkeitstyps zur Bildung von Quelle und Senke und zwei Zonen des einen Leitfähigkeitstyps in dem Teil des andern Leitfähigkeitstyps zur Bildung von Quelle und Senke untergebracht werden und ein Muster einer leitenden Schicht auf einer Isolierschicht auf dem Einkristallkörper zur Bildung von Steuerelektroden und Verbindungen mit diesen diffundierten Zonen und den Steuerelektroden angebracht werden.
Gemäss einem zweiten Merkmal der Erfindung werden zwei Höhlungen in einem Halbleiterausgangskörper des einen Leitfähigkeitstyps vorgesehen, welche beide den Halbleiterausgangskörper nur zum Teil durchqueren, worauf Halbleitermaterial des andern Leitfähigkeitstyps epitaxial derart angebracht wird, dass eine der Höhlungen ausgefüllt und die andere Höhlung nur teilweise gefüllt wird, während Halbleitermaterial des einen Leitfähigkeitstyps epitaxial zum Ausfüllen der andern Höhlung angebracht wird und das überschüssige abgelagerte Material entfernt wird, so dass ein Einkristallkörper erhalten wird, der einen Teil des einen Leitfähigkeitstyps und am Ort der einen Höhlung einen Teil des andern Leitfähigkeitstyps und am Ort der andern Höhlung einen Teil des andern Leitfähigkeitstyps rings um einen Teil des einen Leitfähigkeitstyps besitzt,
wobei die zwei Zonen des andern Leitfähigkeitstyps in dem epitaxial angewachsenen Material des einen Leitfähigkeitstyps am Ort der andern Höhlung angebracht werden.
Wenigstens die letzte Stufe bei der Bildung einer Höhlung kann aus einem Ätzverfahren bestehen.
Das Verfahren nach der Erfindung erleichtert die Herstellung von Festkörperschaltkreisen mit Paaren
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von pnp-und npn-Feldeffekttransistoren mit isolierten Steuerelektroden und eignet sich z. B. zum Er- zielen kleiner Gedächtnisspeicher mit solchen Paaren.
Die Vorrichtung kann mit einer Anzahl von pnp-und/oder einer Anzahl von npn-Feldeffekttransistoren mit isolierten Steuerelektroden versehen werden.
Eine Anzahl von Höhlungen kann für einen Typ von Feldeffekttransistoren mit isolierten Steuerelektroden (npn oder pnp) angebracht werden, wobei jede Höhlung einen einzigen Transistor besitzt.
Der Körper kann aus Silicium bestehen und die Isolierschicht kann durch Oxydation der Siliciumoberfläche erhalten werden.
Die Höhlung (en) kann (können) sich in dem Ausgangskörper von einer ebenen Oberfläche dieses Körpers her erstrecken. Dies erleichtert das Entfernen des überschüssigen abgelagerten Materials z. B. durch mechanisches Polieren.
Der Halbleiterausgangskörper kann homogen sein.
Bei epitaxialem Anwachsen in einer Höhlung in einem p-Typ-Körper oder in einer p-Typ-Zone kann eine n+-Schicht auf der Wand der Höhlung vorgesehen werden und bei epitaxialem Anwachsen in einemn-Typ-Körper oder in einer n-Typ-Zone kann eine p+-Schicht durch Diffusion oder durch vorhergehendes epitaxiales Anwachsen vorgesehen werden.
Andere Einzelteile können in dem Körper oder auf der Isolierschicht angebracht werden, um mittels eines Leitungsmusters eine kompliziertere Vorrichtung zu erzielen.
Das Muster der leitenden Schicht kann aus Metall, z. B. Aluminium, bestehen.
Die Erfindung betrifft weiter Vorrichtungen mit Feldeffekttransistoren mit isolierten Steuerelektroden, die durch ein Verfahren nach der Erfindung hergestellt sind.
Die Erfindung wird nachstehend beispielsweise an Hand der Zeichnungen näher erläutert ; es zeigt : Fig. 1 einen Querschnitt längs der Linie I-I in Fig. 2 ; Fig. 2 eine Draufsicht und Fig. 3 ein Schaltbild einer ersten Ausführungsform, und Fig. 4 einen Querschnitt, entsprechend dem nach Fig. 1, einer zweiten Ausführungsform in einer Zwischenstufe des Verfahrens.
Ein Körper aus p-Typ-Silicium mit einem spezifischen Widerstand von 5 Ohm. cm in Form einer Platte mit einem Durchmesser von z. B. 2 cm wird bis auf eine Dicke von z. B. 300 jn gelappt und z. B. durch Ätzung poliert, so dass eine reine Kristallstruktur und eine plane Spiegeloberfläche auf einer der Hauptflächen erhalten werden. Aus einem solchen Körper lassen sich leicht 100 Paare von Feldeffekttransistoren mit isolierten Steuerelektroden herstellen. Einfachheitshalber beschränkt sich die nachfolgende Beschreibung auf die Herstellung von nur einem Paar von Transistoren.
Eine Oxydschicht wird auf dem Körper z. B. durch Erhitzung des Körpers in nassem Sauerstoff, mit Wasserdampf bei 98 C gesättigt, während einer Stunde bei 10000C angebracht. Eine photo-empfindliche Maskierungsschicht wird auf der Oxydschicht angebracht und derart belichtet, dass ein Gebiet von etwa 100 p x 130 li vor der einfallenden Strahlung abgeschirmt wird. Die nicht belichteten Teile der Maskierung werden in einem Entwickler entfernt Geeignete Maskierungsmaterialien sind bekannt und käuflich erhältlich.
In bestimmten Fällen kann die verbleibende, belichtete Maskierungsschicht durch einen Wärmeprozess gehärtet werden. Die Oxydschicht wird über ein Gebiet entfernt, das dem abgeschirmten Ge- biet entspricht, z. B. durch Ätzung. Ein geeignetes Ätzmittel wird dadurch erhalten, dass ein Gewichtsteil Ammoniumflourid mit 4 Gew.-Teilen Wasser versetzt wird, denen 3 VoL-% 40% Fluorwasserstoff- ; äure zugesetzt wird. Danach wird mittels eines langsam wirkenden Siliciumätzmittels (die Ätzge- schwindigkeit beträgt vorzugsweise 6 Jl/min) eine Höhlung mit einer Tiefe von 12 Jl in dem Körper angebracht.
Ein geeignetes Ätzmittelbesteht aus 10 VoL -Teilen 40go Fluorwasserstoffsäure und 90 VoL-Tei- [en 7 o Salpetersäure.
Eine n+-Zone wird darauf in der Höhlung durch die Diffusion von Phosphor in die Wände untergebracht Der verbleibende Teil des Körpers wird von der Einwirkung des Phosphors mittels einer Oxydschicht abgeschirmt. Die Phosphordiffusion erfolgt dadurch, dass Stickstoff mit einer Geschwindigkeit zon 20 ml/min durch Phosphoroxychlorid bei 15 C durchgeleitet und Stickstoff mit einer Geschwindigkeit von 200 ml/min dem erhaltenen Gasgemisch zugesetzt wird, wonach das Ganze über den Halblei- : erkörper geleitet wird. Bei der Diffusion wird der Körper während 30 min auf 1050 C erhitzt.
Der verbleibende Teil der Oxydschicht wird darauf durch Ätzung entfernt.
Die Tiefe der Höhlung wird durch Messung geprüft. Die Oberfläche des Körpers wird zum epitaxia- en Anwachsen vorbereitet.
Dies kann durch Entfettung in Trichloräthylen, Kochen in 701o Salpetersäure, Entfernen der erhalenen Oxydschicht mittels Fluorwasserstoffdampf und Waschen in destilliertem und entionisiertem Was-
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ser erfolgen.
Der so vorbereitete Körper wird in einen Ofen geführt und mit einer epitaxialen n-Typ-Schichtver- sehen, welche die Höhlung nahezu vollkommen ausfüllen kann. Die Aussenfläche der epitaxialen
Schicht entspricht den Konturen der Körperoberfläche. Das epitaxiale Anwachsen kann durch Erhitzung des Körpers auf eine Temperatur von 1250 C mittels Hochfrequenzerhitzung in einem Ofen in einer At- mosphäre sehr reinen Wasserstoffes erhalten werden. Siliciumtetrachlorid und eine kleine Menge Phos- phortrichlorid werden in die Atmosphäre im Ofen eingeführt, so dass durch die Reaktion mit dem Was- serstoff eine phosphor-dotierte, epitaxiale Siliciumschicht erhalten wird, deren spezifischer Widerstand
2 Ohm. cm beträgt.
Nach dem epitaxialen Anwachsen wird der Körper aus dem Ofen entfernt und poliert, bis die Ober- fläche glatt ist und der Umfang des pn-Überganges am Ort der Höhlung durch Ätzung mit einem geeigneten Ätzmittel sichtbar wird. Die etwaige Anbringung der n+-Schicht macht den pn-Übergang leichter sichtbar.
Nach dementfetten undkochen in 7 o Salpetersäure wird wieder eine Oxydschicht auf dem Körper vorgesehen. Die Oxydschicht wird in zwei kleinen Gebieten zum Eindiffundieren von Bor in das epit- axiale n-Typ-Material entfernt.
Die kleinen"Fenster"sind zueinander parallele Rechtecke von 20 Jl X 120 Jl in einem Abstand von
15 jn voneinander. Die Bordiffusion erfolgt durch Darüberleiten einer Stickstoffströmung über eine auf
10500C erhitzte Menge Bornitrid, wonach man nur die erhaltene Gasströmung über den auf 10500C erhitzten Körper fliessen lässt. Innerhalb 10 min erhält man eine hinreichende Diffusionstiefe von 1 u.
Die Fenster werden durch Anwachsen von Oxyd wieder geschlossen, und zur Diffusion von Phosphor in den pn-Typ-Ausgangskörper werden zwei kleine parallele Fenster von 40 p x 20 p in einem Abstand von 15 u voneinander in der Oxydschicht angebracht. Der Phosphor wird auf die vorstehend beschriebene Weise eindiffundiert. Eine hinreichende Tiefe von 1 Jl wird bei der n-Typ-Diffusion erzielt, wenn der Körper während 15 min auf 10000C erhitzt wird.
Der verbleibende Teil der Oxydschicht wird durch Ätzung entfernt und es wird eine neue Oxydschicht durch Erhitzung des Körpers in einer Atmosphäre trockenen Sauerstoffes bei 12000C vorgesehen.
Die Oxydschicht kann eine Dicke von 1000 bis 2000 haben, indem 15 min bzw. 1 h lang erhitzt wird.
In der Oxydschicht werden Fenster zum Anbringen von Kontakten auf den diffundierten n-Typ-und p-Typ-Zonen auf dem p-Typ-Körper und auf dem epitaxial abgelagerten n-Typ-Material vorgesehen.
Das obenerwähnte Anwachsen und die Diffusion erfolgen auf einer Seite der Platte.
Die Oxydschicht wird auch von der andern Seite der Platte entfernt und auf dieser andern Seite wird Gold bis zu einer Tiefe von einigen Hundert aufgedampft. Der Körper wird während 1 h auf 9500C erhitzt, um das Gold in die Platte eindiffundieren zu lassen, worauf das überschüssige Gold in Königswasser weggeätzt wird. Diese andere Seite wird darauf wieder geläppt und ein Gemisch aus PO und BÖ, 03'in Glycerin suspendiert, wird darauf angebracht. Der Körper wird dann während 1 h auf 8 50 erhitzt, um das Ausdiffundieren unerwünschten, schnell diffundierten Metalles, z. B. Kupfer, zu erleichtem, Die Erhitzung des angebrachten PO. greift die zurückbleibende Oxydschicht in einem gewissen Masse an.
Wenn eine höhere Stabilität der Vorrichtung verlangt wird, können weitere Massnahmen getroffen werden, um die Oberfläche der Oxydschicht in ein phosphorhaltiges Glas umzuwandeln.
Nach der Reinigung der Oberfläche, z. B. durch Tauchen des Körpers in ein Ätzmittel aus Ammoniumfluorid während 20 sec, wird eine Aluminiumschicht mit einer Dicke von 3000 auf die Oxydschicht und das Halbleitermaterial in den Fenstern im Vakuum aufgedampft. Eine gute Haftung ergibt sich durch Erhitzung des Körpers auf etwa 1500C während der Anbringung des Aluminiums. Ein photoempfindliches Material wird auf dem Aluminium angebracht, belichtet und entwickelt, so dass ein Muster von Verbindungen und zwei Steuerelektroden erhalten wird. Das überschüssige Aluminium wird durch ein Bad aus Phosphorsäure bei einer Temperatur über 30 C entfernt.
Die Fig. 1 und 2 zeigen eine fertige Vorrichtung mit einem p-Typ-Körper epitaxial abgelagertem n-Typ-Material--2--, dessen Umfang in Fig. 2 durch die gestrichelte Linie --3-- angedeutet ist, einer n+-diffundierten Schicht --4--, p-Typ diffundierten Zonen --5--, n-Typ-Zonen --6-- und einer Oxydschicht-'7-.
Ferner sind Aluminium-Steuerelektroden --8 und 9-- und Aluminiumleitungen vorgesehen. Die Leitung --10-- stellt die Verbindung mit der Quelle, die Leitung --11-- die Verbindung zwischen den Steuerelektroden-8 und 9--, die Leitung -- 12-- die Verbindung zwischen Senke -- 5--und Quelle -- 6--,
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die Leitung --13-- die Verbindung mit der Senke --6-- und die Leitungen --14 und 15-- die Verbin- dungen mit den Zonen --2 bzw. l-her.
Fig. 3 zeigt ein Schaltbild der Vorrichtung nach den Fig. 1 und 2. Ein solches Schaltbild ist allgemein bekannt und kann ein Schaltkreis für Schaltzwecke mit einem zusätzlichen Paar von Feldeffekttransistoren mit isolierten Steuerelektroden genannt werden. Die Diffusion von Gold in den Körper, wie vorstehend erwähnt, liefert solche Oberflächeneigenschaften des Körpers-l-und des abgelagerten Materials --2-- unter der Oxydschicht, dass, wenn eine der Steuerelektroden in bezug auf eine der Quellen Nullpotential führt, praktisch kein Strom von der Quelle zur Senke in dem betreffenden Transistor fliesst. Die Teile --1 und 2-- (Unterlagen) können auch vorgespannt werden. In einer komplizierten Schaltung mit einer Anzahl von Transistoren (z.
B. 10,11, 12), die je einer gesonderten Höhlung zugehören, können die epitaxial angewachsenen Unterlagen im Betrieb auf verschiedene Weise vorgespannt werden.
In der vorstehend geschilderten Vorrichtung können die spezifischen Widerstände des Körpers --1-- und des angewachsenen Materials --2-- ohne Schwierigkeiten innerhalb weiter Grenzen gewählt werden.
Es wird einleuchten, dass die zwei Transistoren in andern als den vorerwähnten Schaltungen ange-
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mehrere pnp-Feldeffekttransistoren mit isolierten Steuerelektroden angebracht sind, kann jeder derselben in einer gesonderten Zone aus n-Typ-Material in einer gesonderten Höhlung untergebracht werden, um eine Streuwirkung zu verringern.
Obgleich vorstehend das epitaxiale Anwachsen von n-Typ-Material auf einem p-Typ-Körper beschrieben ist, kann auch p-Typ-Material auf einem n-Typ-Körper angebracht werden. Die n-Typ-Zo- nen--6-- können auch auf epitaxialem Wege in zwei kleinen, zusätzlichen Höhlungen untergebracht werden, die zu diesem Zweck vorher während des epitaxialen Anwachsens der n-Typ-Zone vorgesehen sind.
Die vorerwähnten Abmessungen dienen als Beispiel. Wenn z. B. Hochleistungstransistoren erforderlich sind, lassen sich diese Abmessungen anders wählen.
Fig. 4 zeigt eine Zwischenstufe in einer Abart des Verfahrens, wobei zwei Feldeffekttransistoren mit isolierten Steuerelektroden in je einer Öffnung untergebracht sind. Nach dem Anbringen dieser Öffnungen, von denen eine tiefer als die andere ist, in einem Halbleiterkörper mit p-Leitfähigkeit, wird epitaxial eine hinreichende Menge von n-Typ-Material in der untieferen Öffnung und teilweise in der tieferen Öffnung angebracht. Darauf wird p-Typ-Material epitaxial zum Ausfüllen der tieferen Öffnung in dieser angebracht. Das epitaxiale Anwachsen des pn-Typ-Materials kann in der für das n-Typ-Material vorstehend beschriebenen Weise erfolgen, wobei jedoch ein Dampfdruck von Decaboran (BH) am Ort der Höhlung aufrechterhalten wird, statt eines Dampfdruckes von Phosphortrichlorid.
Fig. 4 zeigt den Körper --20--, das n-Typ epitaxial angewachsene Material--21 und 22-- und das p-Typ epitaxial angewachsene Material -- 23--. Im allgemeinen ist es vorteilhafter, das epitaxiale Anwachsen in vorstehend beschriebener Weise durchzuführen, wobei ein Überschuss angewachsenen Materials z. B. bis zu dem durch die gestrichelte Linie --24-- angedeuteten Pegel entfernt wird.
Das Entfernen kann in zwei Stufen ausgeführt werden, gewünschtenfalls jeweils nach jedem Anwachsen. Darauf können p-Typ-und n-Typ-Zonen auf dem epitaxial angebrachten Material-21 bzw. 23--, eine Isolierschicht und Steuerelektroden und Leitungen entsprechend den Fig. 1 und 2 angebracht werden. In dieser Vorrichtung wird die Streuwirkung noch weiter herabgemindert als in der Vorrichtung nach den Fig. 1 und 2.
Die allgemeinen, an Hand der Fig. l, 2 und 3 gemachten Bemerkungen beziehen sich auf Fig. 4.
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