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Verfahren zum Herstellen eines Planartransistors vom pnp-Typ
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines Planartransistors vom pnp-Typ, bei dem in einen scheibenförmigen p-leitenden Germaniumkristall zunächst ein Donator zur Erzeugung einer Basiszone und dann in einen Teil der hiedurch umdotierten Halbleiteroberfläche ein der Erzeugung der Emitterzone dienender Akzeptor eindiffundiert und dabei das Randgebiet der Basiszone tiefer in den Halbleiterkristall als ihr mittlerer-die Steuerwirkung des Emitters auf den durch das p-leitende Grundmaterial gebildeten Kollektor vermittelnder - Teil in den Halbleiterkristall vorgetrieben wird.
Bei der Planartechnik werden als Halbleitergrundmaterial üblicherweise Siliciumeinkristalle mit einheitlicher Dotierung verwendet ; durch eine thermische Oxydation wird die Oberfläche eines solchen Einkristalles mit einem festhaftenden Film aus sitz überzogen. Dieser Film wird lokal wieder wegge- ätzt, so dass das Silicium an mindestens einer begrenzten, ein Fenster für den nachfolgenden Diffusionsprozess bildenden Stelle wieder freigelegt wird. In dieses Fenster wird ein den entgegengesetzten Leitungstyp zur Dotierung des Grundmaterials erzeugender Aktivator, vorzugsweise aus der Gasphase, zur Eindiffusion gebracht. An den nicht freigelegten Stellen der Halbleiteroberfläche wird dieser Aktivator von einem Eindringen in das abgedeckte Halbleitermaterial zurückgehalten.
Man erhält bei entsprechender Abstimmung der Dotierungsstärken am Diffusionsfenster eine Zone von entgegengesetztem Leitungstyp mit wannenförmigem pn-Übergang. Nach Regeneration der maskierenden Schicht am Ort des Diffusionsfensters wird an der gleichen Stelle ein neues, aber entsprechend kleineres Diffusionsfenster derart eingeätzt, dass es ringsum von neuerzeugtem maskierendem Material umgeben ist. In dieses neue Diffusionsfenster wird ein den gleichen Leitungstyp wie der des Grundmaterials erzeugender Dotierungsstoff so zur Eindiffusion gebracht, dass ein zweiter wannenförmiger pn-Übergang entsteht, der jedoch den durch den ersten Diffusionsvorgang entstandenen pn-Übergang an keiner Stelle berührt.
Die durch den zweiten Diffusionsprozess entstandene Zone vom Leitungstyp des Grundmaterials dient üblicherweise als Emitterzone, die durch den ersten Diffusionsprozess entstandene Zone von entgegengesetztem Leitungstyp als Basiszone und das ursprüngliche Material des Halbleiterkristalles als Kollektorzone. Die während des Diffusionsprozesses verwendete, vorzugsweise aus SiO bestehende maskierende Schicht verbleibt weitgehend an der Oberfläche des Halbleiterkristalles zum Schutz der anwesenden pn-Übergänge, worauf bei der Kontaktierung der einzelnen Zonen Rücksicht genommen wird.
Die entstandenen Verhältnisse sind in Fig. 1 dargestellt. Der Halbleiterkristall-l-aus Silicium besteht aus einem grösseren Bereich --2-- mit der ursprünglichen Dotierung, der Kollektorzone des Transistors, in die an einer Seite des Kristalles die wannenförmige Basiszone --4-- und in diese wieder die wannenförmige Emitterzone --6-- eingelassen ist. Der Basis-Kollektor-pn-Übergang ist mit --3--, der Emitter-Basis-pn-Übergang mit --5-- bezeichnet. Die von der Diffusionstechnik herrührende maskierende Schicht an der Oberfläche des Halbleiters --7-- ist in ihrem schliesslich erhaltenen Verlauf dargestellt ; sie wird in bekannter Weise zwecks Kontaktierung der Zonen --2, 4 und 6-- lokal entfernt und mit Elektroden --8-- versehen.
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Der beschriebene Stand der Technik lässt sich auf die Herstellung von Germaniumtransistoren übertragen. Das durch thermische Oxydation einer Germaniumoberfläche entstandene Germaniumoxyd weist jedoch keine merklichen maskierenden Eigenschaften auf. Es ist ausserdem auch nicht als Schutzschichtmaterial geeignet. Hiezu sind vielmehr Überzüge aus SiO oder SisN erforderlich.
Während man bei Anwendung der Planartechnik auf Siliciumkristalle die Bedeckung der Halbleiteroberfläche mit einer SiO-oderSiN-Schicht durch Reaktion der Halbleiteroberfläche mit einem Oxydationsmittel bzw. elementarem Stickstoff unmittelbar erreichen kann, muss im Fall der Verwendung von Germanium als Halbleitermaterial das den Schutzfilm bildende Material durch einen thermischen Prozess, vorzugsweise durch thermische Zersetzung gasförmiger Siloxanverbindungen, an der erhitzten Halbleiteroberfläche oder durch einen Aufdampf- bzw. Kathodenzerstäubungsprozess aufgebracht werden.
Es hat sich nun gezeigt, dass ein Querschnittsprofil der Basiszone, etwa in Form eines lateinischen "H", sich im Interesse eines günstigen Verstärkungsverlaufes bis zu sehr hohen Frequenzen empfiehlt.
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ren wird jedesmal der"H"-förmige Querschnitt der Basiszone in zwei Diffusionsschritten erzeugt, so dass bis zur Fertigstellung des Emitters insgesamt drei Diffusionsschritte notwendig sind. Beispielsweise wird bei dem Verfahren nach der USA-Patentschrift Nr. 3,305, 913 zunächst eine ringförmige, den Randteil der späteren Basiszone bildende Zone erzeugt, deren Oberfläche dann mit einer Diffusionsmaskierung abgedeckt wird. Dann wird an dem von dieser ringförmigen Zone umschlossenen Gebiet die Maskierung entfernt und der gleiche Dotierungsstoff zur Erzeugung des mittleren Teiles der Basiszone zum Eindiffundieren gebracht.
Als dritter Schritt folgt die Eindiffusion des Emitters.
Bei dem Verfahren nach der brit. Patentschrift Nr. l, 018,673 wird umgekehrt zunächst der mittlere, weniger tief in den Halbleiterkristall reichende Teil der Basiszone erzeugt, dann dessen Oberfläche mit einer Oxydmaskierung abgedeckt und schliesslich der ringförmige äussere Teil der Basiszone eindiffundiert. Mit der Herstellung des Emitters sind es wieder drei Diffusionsvorgänge.
Beim Verfahren nach der brit. Patentschrift Nr. 1, 026,019 wird zunächst durch vorbereitende Diffusionsprozesse am Ort der zu erzeugenden Basiszone ein Dotierungsunterschied im Ausgangskristall derart erzeugt, dass die. Dotierungskonzentration am Rand der zu erzeugenden Basiszone kleiner als in der Mitte ist. Beim Eindiffundieren des die Basiszone erzeugenden Aktivators müssen dann die Randteile der Basiszone tiefer in den Kristall als ihr Zentrum hineinreichen.
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vermindern.
Erfindungsgemässwird dies bei einem Verfahren zur Herstellung eines Planartransistors vom pnp-Typ mit den eingangs beschriebenen Herstellungsmerkmalen erreicht, indem zunächst die Gesamtmenge des für die Dotierung der Basiszone vorgesehenen Donators in den Germaniumkristall eingebracht und dann der zunächst wannenförmige Verlauf des hiedurch entstandenen pn-Überganges ausschliesslich durch die Wirkung des nunmehr zur Eindiffusion gelangenden, den Emitter dotierenden Akzeptors zum gewünschten Verlauf modifiziert wird.
Dies geschieht, indem in den etwa 3 Ohm. cm spezifischen Widerstand aufweisenden Germaniumgrundkristall Phosphor mit einer Oberflächenkonzentration von 1019 Atomen/cm3 oder Arsen mit einer Oberflächenkonzentration von 1019 bis 1020 Atomen/cms bis zu einer Tiefe von etwa 1 u eindiffundiert und in die umdotierte Zone zur Erzeugung der Emitterzone dienendes Bor oder Aluminium mit einer Oberflächenkonzentration von mindestens 1021 Atomen/cm und bis zu einer Tiefe von 0,7 bis 0,8 fi eindiffundiert wird.
Das Wesentliche wird an Hand der Fig. 2 erläutert. Hier ist der Zustand unmittelbar vor dem Eindiffundieren des die Emitterzone erzeugenden Aktivators dargestellt. Die Bezugszeichen entsprechen im wesentlichen den in Fig. 1 verwendeten Bezugszeichen. Hinzu kommt das zur Erzeugung der Emitterzone dienende Diffusionsfenster --9-- in der maskierenden Schicht --7--. Der in dieser Phase des erfindungs- gemässenverfahrens noch wannenförmig verlaufende pn-Übergang-3-zwischen Basiszone und Kollektorzone --2-- hat eine gleichmässige Tiefe --D-- unterhalb des Emitterfensters --9-- erreicht. Der seitliche Abstand des Randes des Emitterfensters --9-- vom Rand des Kollektor-Basis-Überganges --3-- ist mit-d-bezeichnet.
Für das erfindungsgemässe Verfahren ist die Forderung
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Bevorzugt wird man jedoch
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einstellen. Diese Beziehung muss für den kürzesten Abstand --d-- überall längs des Randes des Emitter- fensters --9-- erfüllt sein.
Der Dotierungsvorgang wird bevorzugt unmittelbar aus der freien Gasphase vorgenommen. Eine Alternative ist eine Festkörperdiffusion, bei der beispielsweise der maskierte Germaniumkristall in entsprechend stark dotiertes Germaniumpulver eingebettet und auf Diffusionstemperatur erhitzt wird. Die Dotierungsstoffe Arsen, Phosphor und Aluminium können unmittelbar in elementarem Zustand angewendet werden, während zur Erzeugung eines borhaltigen Gases ein Germanium-Bor-Gemisch verdampft werden muss. Die Verwendung von Halogeniden der dotierenden Elemente erweist sich wegen der starken Ätzwirkung als ungeeignet. Will man eine chemische Verbindung verwenden, so kommen bestenfalls Hydride oder Nitride in Betracht.
Die Wirkungsweise und die einzelnen Stufen des erfindungsgemässen Verfahrens werden nun an Hand der Fig. 3 bis 6 erläutert, wobei die Bezugszeichen der Fig. l und 2 verwendet werden.
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3deckung --7 a-- dargestellt. In dieser Bedeckung wird ein zur Erzeugung der Basiszone --4-- dienendes Diffusionsfenster --10-- eingeätzt. Dann wird der die Basiszone erzeugende Aktivator in der bei der Planartechnik üblichen Weise zur Eindiffusion gebracht, so dass die Basiszone --4-- und ein wannenförmiger pn-Übergang --3-- mit ebenem Boden entstehen. Dieser Zustand ist in Fig. 4 gezeigt.
Nach Erreichung dieses Zustandes wird die Oberfläche des Halbleiterkristalles, vorzugsweise ohne Entfernung der alten maskierenden Schicht --7a--, mit einer neuen maskierenden Schicht --7b-- aus sitz überzogen. In dieser SiO-Schicht wird im Bereich der Basiszone --4-- das zur Erzeugung des Emitters dienende Diffusionsfenster --9-- eingeätzt, wobei die oben dargelegten Gesichtspunkte beachtet werden.
Nach der Erzeugung des Emitterfensters --9-- wird der zur Erzeugung der Emitterzone gemäss der
Erfindung dienende Dotierungsstoff zur Eindiffusion gebracht. Bei Beachtung der oben dargelegten, der
Lehre der Erfindung entsprechenden Vorschriften wird ein Weiterdiffundieren des die Basiszone bestim- menden Dotierungsstoffes in den Kollektorbereich im mittleren Teil der Basiszone unterbunden, während dieses Weiterdiffundieren im Randteil der Basiszone weitgehend ungehemmt ist. Die Folge ist eine "H"-förmige Struktur der Basiszone und ein entsprechend eingebuchteter Verlauf des Basis-Kollektor- - pn-Überganges-3--. Dieser Zustand ist in Fig. 5 gezeigt. Zur Fertigstellung des Transistors wird schliesslich das Oxyd --7a, 7b-- lokal entfernt und Basis-bzw.
Kollektorelektroden-8--, beispielsweise in der aus Fig. 6 ersichtlichen Weise, erzeugt.
Offensichtlich tritt eine Einwirkung des den Emitter dotierenden Aktivators auf das Diffusionsverhalten des die Basiszone bildenden Aktivators ein, derart, dass durch die Wirkung des Emitteraktivators ein Weiterdiffundieren des die Basiszone bildenden Aktivators unterbunden wird. Es ist klar, dass sich diese Wirkung nur auf eine verhältnismässig kleine Entfernung erstrecken kann und sich ausserdem auch nicht bei beliebigen Konzentrationsverhältnissen beobachten lässt. Ausserdem ist das Verfahren nicht auf Silicium als Halbleitermaterial übertragbar. Selbst bei Verwendung von Germanium als Halbleitermaterial gibt es nur wenig Möglichkeiten, nämlich Kombinationen der Dotierungsstoffe Phosphor und Arsen, für die Basiszone mit den Dotierungsstoffen Aluminium und Bor für die Emitterzone.
Dabei ist es notwendig, dass sich die Wechselwirkung der beiden Dotierungsstoffe nur auf den zentralen Teil des Basis-Kollektor-Überganges und nicht etwa auch auf dessen Randteil erstreckt. Im Randgebiet des Kollektor-Basis-Überganges ist nämlich ein möglichst ungehemmtes Weiterdiffundieren des die Basiszone erzeugenden Dotierungsstoffes infolge der zur Erzeugung des Oxyds dienenden Wärmebehandlung und ge- gebenenfalls infolge eines sich anschliessenden Nachtemperns erwünscht. Erreicht wird dies durch die bereits beschriebene Abstimmung der zur Erzeugung der Basiszone bzw. der Emitterzone dienenden Diffusionsfenster in der maskierenden Schicht unter Berücksichtigung der vor dem Eindiffundieren des Emitters erreichten Diffusionstiefe --D--.
Zusammenfassend und ergänzend werden zum Abschluss nochmals die wesentlichen die Erfindung kennzeichnenden Daten zusammengestellt :
In einen p-leitenden Germaniumeinkristall mit etwa 3 Ohm. cm spezifischem Widerstand (z. B. durch Dotieren mit Indium mit etwa 1015 Indiumatomen/cm erreicht) wild zur Erzeugung der Basiszone zunächst Phosphor bis zu einer Tiefe --D-- von etwa l p eindiffundiert. Verwendet man statt dessen zur Dotierung der Basiszone das Element Arsen, so empfiehlt es sich ebenfalls, eine Eindringtiefe von etwas mehr als l einzustellen.
Die Oberflächenkonzentrationen werden auf etwa 1019 Phos- phoratome/cm3 bzw. lObislOArsenatome/cm eingestellt. Das zur Erzeugung der Emitterzone zu verwendende Bor oder Aluminium wird auf eine Oberflächenkonzentration von etwa 10 Zl Atomen/ern'
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eingestellt und bis zu einer Tiefe von etwa 0, 7 bis 0, 8 J. l eindiffundiert. Die Diffusionstemperatur für die Emitterdiffusion wird auf etwa 800 C, die Diffusionszeit auf etwa 90 min festgelegt. Der Abstand - d-der Umrandungen zwischen Basisdiffusionsfenster und Emitterdiffusionsfenster in der maskierenden Schicht beträgt mindestens 6 il.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zum Herstellen eines Planartransistors vom pnp-Typ, bei dem in einen scheibenförmigen p-leitenden Germaniumkristall zunächst ein Donator zur Erzeugung einer Basiszone und dann in einen Teil der hiedurch umdotierten Halbleiteroberfläche ein der Erzeugung der Emitterzone dienender Akzeptor eindiffundiert und dabei das Randgebiet der Basiszone tiefer in den Halbleiterkristall als ihr mittlerer-die Steuerwirkung des Emitters auf den durch das p-leitende Grundmaterial gebildeten Kollektor vermittelnder - Teil in den Halbleiterkristall vorgetrieben wird, dadurch gekennzeich- net,
dass zunächst die Gesamtmenge des für die Dotierung der Basiszone vorgesehenen Donators in den Germaniumkristall eingebracht und dann der zunächst wannenförmige Verlauf des hiedurch entstandenen pn-Überganges ausschliesslich durch die Wirkung zur Eindiffusion gelangenden, den Emitter dotierenden Akzeptors zum gewünschten Verlauf modifiziert wird, indem in den etwa 3 Ohm..
cm spezifischen Widerstand aufweisenden Germaniumgrundkristall Phosphor mit einer Oberflächenkonzentration von 10"Atomen/cm3 oder Arsen mit einer Oberflächenkonzentration von 1019 bis 1020 Ato- men/cm3 bis zu einer Tiefe von etwa 1 u eindiffundiert und dann in die umdotierte Zone zur Erzeugung der Emitterzone dienendes Bor oder Aluminium mit einer Oberflächenkonzentration von mindestens 1021 Atomen/cm3 und bis zu einer Tiefe von 0, 7 bis 0, 8 lui eindiffundiert wird.