DE1288197B - - Google Patents
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von isolierten NPN- oder PNP-Feldeffekttransistoren
in großer Stückzahl mit einem extrem schmalen Steuertorspalt zwischen den Hauptelektroden.
Das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung ermöglicht die reproduzierbare Herstellung
einer Vielzahl derartiger Verstärkerelemente aus einem einzigen einkristallinen Plättchen aus Silizium, wobei
der auf Grund von elektrischen Kurzschlüssen zwischen Quelle und Senke auftretende Fabrikationsausschuß
fast völlig verschwindet.
Unter der Bezeichnung P-MOST wurden Feldeffekttransistoren bekannt, deren Leitungsmechanismus auf
Defektelektronen beruht und die sich gut zur Einfügung in integrierte Schaltungen eignen.
Bei den bisher bekannten Verfahren zum Herstellen beispielsweise einer NPN-Struktur eines derartigen
Verstärkerelementes beginnt man gewöhnlich mit der Herstellung eines einkristallinen Substratplättchens aus
Silizium. Siliziumdioxid wird danach auf die Oberfläche dieses Plättchens durch Aufdampfen von Siliziumdioxid
oder durch thermische Oxydation des Siliziums in einer Sauerstoffatmosphäre oder in einem
Gemenge von Sauerstoff und Wasserdampf aufgebracht, wobei beispielsweise eine Maskierung z. B. as
aus einem lichtempfindlichen Lack (Photolack) in Form eines Musters über der Siliziumdioxidschicht
angebracht werden kann. Diese Maske weist eine solche Gestalt auf, daß diejenigen Flächenbereiche,
welche den Hauptelektroden des isolierten Feldeffekttransistors entsprechen, von dem Photolack unbedeckt
bleiben. Das Siliziumdioxid wird an den freigelegten Stellen mit Fluorwasserstoffsäure von dem Siliziumsubstrat
weggeätzt. Es wird dann eine N-Leitfähigkeit erzeugende Diffusion mit Phosphor, Arsen oder Antimon
ausgeführt, wodurch die Gebiete der Hauptelektroden mit einem dazwischenliegenden P-Ieitenden
Gebiet entstehen. Dieses P-Ieitende Gebiet wird später die Funktion der Steuerelektrode des Feldeffekttransistors
übernehmen. Das soeben beschriebene Verfahren leidet unter drei verschiedenen Nachteilen:
a) Da innerhalb der Maske zwei Durchbrüche offen gelassen werden, existieren vier Kanten, die das
Auflösungsvermögen und damit die zu definie- 4g rende Breite der Hauptelektroden beeinträchtigen
und auch die Breite des Steuertorspaltes, welche zwischen den Hauptelektroden liegt, Undefiniert
lassen.
b) ; Da während des zuni Erzeugen der Hauptelek-
troden erforderlichen Diffusionsprozesses zwei getrennte Diffusionsgebiete entstehen, die die
Tendenz aufweisen, sich im Grundkörper Silizium auszubreiten, besteht die Möglichkeit, daß die
beiden durch Diffusion erzeugten Gebiete kurzgeschlossen werden.
Besonders wenn sehr enge Steuertorspalten erreicht werden sollen, wird die Wahrscheinlichkeit
für das Eintreten eines Kurzschlusses besonders groß sein. Da es für Feldeffekttransistoren außerordentlich
günstig ist, über schmale Breiten der Steuertorspalte zu verfügen, und da bei der Benutzung
derartiger Verstärkerelemente für Zwecke der integrierten Schaltungstechnik auf der Grundlage
eines einkristallinen Substrates geringe Fertigungsausschüsse erstrebt werden, stellt die Wahrscheinlichkeit
eines Kurzschlusses zwischen den Hauptelektroden ein ernsthaftes Problem dar.
c) Da bei der Fabrikation eine maximale elektrische Isolation der einzelnen Bauelemente erzielt werden
soll, die sich auf dem gleichen Substrat befinden, ist es nötig, die verschiedenen Bauelemente voneinander
durch eine Siliziumschicht mit möglichst hohem spezifischem Widerstand zu isolieren. Oft
wäre es vorteilhafter, Silizium von relativ niedrigem spezifischem Widerstand als Substrat zu
verwenden; in diesen Fällen ist jedoch die Isolation zwischen den einzelnen Bauelementen nicht
ausreichend. Zum Herstellen von Feldeffekttransistoren geht man gewöhnlich von einem Siliziumplättchen
vom P-Leitungstyp mit einer spezifischen Leitfähigkeit von 0,5 bis 10 Ω · cm aus,
weil dieses leichter verfügbar ist als Material mit hohem spezifischem Widerstand. Infolgedessen
ist die Isolation zwischen den einzelnen Bauelementen im allgemeinen gering. Fernerhin wird
eine möglichst hohe Reproduzierbarkeit der Eigenschaften des Substratmaterials angestrebt,
wodurch beträchtliche Kosten bei der Qualitätskontrolle dieses Materials entstehen.
Die vorliegende Erfindung setzt sich zur Aufgabe, ein Verfahren zum Herstellen von isolierten Feldeffekttransistoren
aufzuzeigen, welches die obengenannten Nachteile vermeidet.
Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Verfahren dadurch gelöst, daß
auf der Oberfläche eines Halbleitersubstrates eine Schicht von entgegengesetzter Leitfähigkeit epitaktisch
niedergeschlagen wird,
auf dieser Schicht eine erste dielektrische Oxydschicht aufgebracht wird,
auf dieser Schicht eine erste dielektrische Oxydschicht aufgebracht wird,
diese Schicht mit einer ersten Maske mit engen geradlinigen Öffnungen überdeckt und die erste
dielektrische Oxydschicht im Bereich dieser öffnungen entfernt wird,
durch die so offen gelegten Bereiche zur Erzeugung der Steuertorspalte vom Leitfähigkeitstyp des
Halbleitersubstrates eine Dotierungssubstanz in die epitaktisch niedergeschlagene Schicht eindiffundiert
wird,
eine zweite dielektrische Oxydschicht durch die erste Maske hindurch auf die erste dielektrische
und auf die epitaktisch niedergeschlagene Schicht aufgebracht wird,
mittels einer zweiten Maskenanordnung mit engen geradlinigen Öffnungen zu beiden Seiten der
Steuertorgebiete die dielektrische Oxydschicht bis auf die die Hauptelektroden lokalisierenden Teile
der epitaktisch niedergeschlagenen Schicht durch Ätzen entfernt wird,
Aluminium auf die dielektrischen Schichtbereiche und auf die die Hauptelektroden lokalisierenden
Teile der epitaktisch niedergeschlagenen Schicht aufgedampft wird,
schließlich durch Öffnungen in einer dritten Maske Steuerelektroden sowie Hauptelektroden auf der
Oberfläche des verbliebenen Teiles der zweiten dielektrischen Schicht lokalisiert werden, nachdem
die diesen Maskenöffhungen entsprechenden Bereiche der Aluminiumschicht durch Ätzen entfernt
wurden.
Das Verfahren gemäß der Erfindung liefert eine Methode zum Herstellen von isolierten Feldeffekttransistoren
für die Verwendung in integrierten oder nichtintegrierten Schaltungen, welche es gestattet,
Steuertore mit Spaltbreiten zu erzeugen, die lediglich durch das Auflösungsvermögen eines einzigen linearen
Durchbruches in der Maske begrenzt ist, wodurch jede Möglichkeit eines Kurzschlusses zwischen den
Hauptelektroden weitgehend vermieden wird. Die Qualität des Substrates braucht nicht sehr gut oder
reproduzierbar zu sein, da die Steuercharakteristik während des Herstellungsprozesses festgelegt wird.
Nachstehend wird die Erfindung an Hand zweier Ausführungsbeispiele sowie der Figuren beschrieben.
Es zeigen
F i g. 1 bis 14 verschiedene Verfahrensschritte bei der Herstellung von Feldeffekttransistoren entsprechend
dem Verfahren gemäß der Erfindung. Zur Vereinfachung sind nur drei Feldeffekttransistoren dargestellt.
Als Ausgangspunkt des vorliegenden Herstellungsverfahrens benötigt man ein Siliziumsubstrat 1 vom
P-Leitfähigkeitstyp (F i g. 1), auf welches, wie in F i g. 2 gezeigt, epitaktisch eine Siliziumschicht 2
niedergeschlagen wird. Die epitaktische Schicht kann durch ein konventionelles Dampfzüchtungsverfahren
erzeugt werden, z. B. durch die Reduktion von Siliziumtetrachlorid durch Wasserstoff bei 1200 bis
1250°C. Das die N-Leitfähigkeit erzeugende Dotierungsmaterial wird während des Dampfzüchtungsprozesses
in Form von Phosphin oder Arsenwasserstoff in ausreichenden Mengen zugesetzt, um eine
Ladungsträgerkonzentration innerhalb der epitaktischen Schicht von etwa 5 · 1017 Elektronen pro
Kubikzentimeter zu gewährleisten. Die epitaktische Schicht wird bis zu einer Dicke von 3 bis 5 μπι gezüchtet.
Die Benutzung einer aufgedampften Deckschicht aus epitaktischem N-Ieitendem Material auf
das P-Ieitende Substrat bringt es mit sich, daß der Wert des spezifischen Widerstandes bzw. die Beweglichkeit
der Ladungsträger innerhalb des Substratmaterials im Gegensatz zu den konventionellen Verfahren
zur Herstellung von Feldeffekttransistoren bedeutungslos wird.
Die bisher benutzten Verfahren erforderten eine sehr genaue Kontrolle der Substrateigenschaften. Das hier
beschriebene Verfahren eröffnet die Möglichkeit, die Kennlinie des Feldeffekttransistors festzulegen, ohne
auf die Eigenschaften des Substratmaterials vom P-Leitfähigkeitstyp Rücksicht nehmen zu müssen.
Weiterhin werden bei der Herstellung der Steuertorelektroden nach dem Verfahren der vorliegenden Erfindung
die erhaltenen Durchbruchsspannungen im Zenergebiet sehr viel größer sein, als dies mit einem
der konventionellen Verfahren erreichbar ist. Nach der epitaktischen Herstellung der Deckschicht auf dem
Siliziumkristall wird diese mit Hilfe eines bekannten Oxydationsprozesses oxydiert, wodurch sich eine Siliziumdioxidschicht
3 in F i g. 3 ergibt. Dies geschieht vorzugsweise durch Erhitzen in Sauerstoffbei 1050 °C,
welcher eine Flußgeschwindigkeit von 21/Min. über eine Zeitdauer von 16 Stunden besitzt. Wie F i g. 4
zeigt, wird weiterhin ein Photolackmuster 4 auf diese Siliziumdioxidschicht 3 aufgebracht. Ein wichtiges
Merkmal besteht darin, daß die Steuerzone durch eine einzige schmale Linie mit der Bezeichnung 5 innerhalb
des Photolackmusters repräsentiert wird. Hierdurch entfällt die Notwendigkeit der Kontrolle der Steuertorbreite, wobei jedoch deren Genauigkeit davon ab-
hängt, mit welcher Präzision die den Hauptelektroden entsprechenden linearen Öffnungen im Muster hergestellt
werden können.
Diese bisher allgemein angewandte Maßnahme verhindert aus zwei Gründen eine weitere Verringerung
der Steuertorspaltbreite:
1. Wegen der bei jedem photolithographischen Verfahren vorhandenen Beschränkung des Auflösungsvermögens
ist der Abstand zweier paralleler bzw. konzentrischer Linien infolge von »Unterschneiden« und wegen der Körnung des
Materials auf einen unteren Wert von etwa 2 bis 3 μιη begrenzt, wenn auch die Liniendicke selbst
sehr viel schmaler als dieser Wert gemacht werden kann.
2. Soll durch zwei eng beieinanderliegende lineare Öffnungen einer Maske ein Dotierungsmaterial
diffundiert werden, so muß der Abstand zwischen den Linien derart sein, daß die Diffusionsfronten
der Dotierungsmaterialien aus der Umgebung einer jeder dieser Linien sich nicht überlappen,
was einen Kurzschluß zwischen beiden Gebieten zur Folge hat.
Da beim Verfahren nach der vorliegenden Erfindung lediglich der Steuertorspalt durch Diffusion
erzeugt wird, so ist die Spaltbreite des Steuertores lediglich durch das optische Auflösungsvermögen bestimmt, mit welcher eine Linie im
photographischen Prozeß abgebildet werden kann, und nicht durch den minimalen Abstand, welcher
zwischen zwei Linien eingehalten werden kann. Da weiterhin nur eine einzige Diffusionsfront
erzeugt wird, kann der obengenannte Kurzschluß nicht eintreten. Bezüglich der F i g. 4 sei noch
bemerkt, daß zusätzlich ein breites Isolationslinienmuster auf der Fläche gebildet wird, auf der
der Feldeffekttransistor entstehen soll. Dieses Linienmuster ist nicht kritisch bezüglich seiner
Dimensionen, da es z. B. bei der Herstellung integrierter Schaltungen lediglich dazu dient, eine
Diffusion zum Zwecke der Isolation der benachbarten Elemente zu ermöglichen. Das breite
Linienmuster 6 beeinflußt in keiner Weise die Breite des Steuertorspaltes. Da weiter auch die
Breite der Hauptelektroden die Arbeitsweise der Vorrichtung nicht beeinflussen, ist eine höhere
Genauigkeit des genannten zweiten Linienmusters nicht erforderlich. Für den Fall, daß man lediglich
ein einzelnes, in konventionellen Schaltungen anzuwendendes Steuerelement benötigt, braucht
man das zweite Linienmuster überhaupt nicht herzustellen.
In F i g. 5 wird das Siliziumdioxid innerhalb der Zonen 5 und 6 des Linienmusters mit gepufferter
Fluorwasserstoffsäure weggeätzt und die Photolackschicht mittels bekannter Verfahren entfernt. Nunmehr
wird Bor in den Halbleiterkörper (F i g. 7) eindiffundiert. Dieser Schritt wird in der Weise durchgeführt,
daß sowohl der Steuertorspalt 5 als auch der isolierende Kanal 6 (wenn dieser erforderlich ist) die
N-Ieitende epitaktische Schicht völlig unterbricht.
Nach Erzeugung der Hauptelektroden sowie des Steuertorgebietes 9 (F i g. 7) wird eine zweite Siliziumdioxidschicht
3 a mit einer Dicke von 0,1 bis 0,5 μπι auf die Oberfläche aufgebracht, wodurch sich die
Konfiguration von F i g. 8 ergibt. Aus Gründen der Kontinuität der Beschreibung wird hier ein Unterschied
zwischen den beiden Siliziumdioxidschichten gemacht, obwohl sie in Wirklichkeit stetig ineinander
übergehen. Ein Photolackmuster 4 wird dann auf der
Claims (3)
1. Verfahren zum Herstellen von isolierten Feldeffekttransistoren in großer Stückzahl mit einem
extrem schmalen Steuertorspalt zwischen den Hauptelektroden, dadurchgekennzeicfane t, daß
auf der Oberfläche eines Halbleitersubstrates eine Schicht von entgegengesetzter Leitfähigkeit
epitaktisch niedergeschlagen wird,
auf dieser Schicht eine erste dielektrische Oxydschicht aufgebracht wird,
diese Schicht mit einer ersten Maske mit engen geradlinigen Öffnungen überdeckt und die erste dielektrische Oxydschicht im Bereich dieser öffnungen entfernt wird,
durch die so offen gelegten Bereiche zur Er-
auf dieser Schicht eine erste dielektrische Oxydschicht aufgebracht wird,
diese Schicht mit einer ersten Maske mit engen geradlinigen Öffnungen überdeckt und die erste dielektrische Oxydschicht im Bereich dieser öffnungen entfernt wird,
durch die so offen gelegten Bereiche zur Er-
zeugung der Steuertorspalte vom Leitfähigkeitstyp des Halbleitersubstrates eine Dotierungssubstanz
in die epitaktisch niedergeschlagene Schicht eindiffundiert wird,
eine zweite dielektrische Oxydschicht durch die erste Maske hindurch auf die erste dielektrische und auf die epitaktisch niedergeschlagene Schicht aufgebracht wird,
mittels einer zweiten Maskenanordnung mit engen geradlinigen Öffnungen zu beiden Seiten der Steuertorgebiete die dielektrische Oxydschicht bis auf die die Hauptelektroden lokalisierenden Teile der epitaktisch niedergeschlagenen Schicht durch Ätzen entfernt wird,
Aluminium auf die dielektrischen Schichtbereiche und auf die die Hauptelektroden lokalisierenden Teile der epitaktisch niedergeschlagenen Schicht aufgedampft wird,
schließlich durch Öffnungen in einer dritten Maske Steuerelektroden sowie Hauptelektro-
eine zweite dielektrische Oxydschicht durch die erste Maske hindurch auf die erste dielektrische und auf die epitaktisch niedergeschlagene Schicht aufgebracht wird,
mittels einer zweiten Maskenanordnung mit engen geradlinigen Öffnungen zu beiden Seiten der Steuertorgebiete die dielektrische Oxydschicht bis auf die die Hauptelektroden lokalisierenden Teile der epitaktisch niedergeschlagenen Schicht durch Ätzen entfernt wird,
Aluminium auf die dielektrischen Schichtbereiche und auf die die Hauptelektroden lokalisierenden Teile der epitaktisch niedergeschlagenen Schicht aufgedampft wird,
schließlich durch Öffnungen in einer dritten Maske Steuerelektroden sowie Hauptelektro-
den auf der Oberfläche des verbliebenen Teiles der zweiten dielektrischen Schicht lokalisiert
werden, nachdem die diesen Maskenöffnungen entsprechenden Bereiche der Aluminiumschicht
durch Ätzen entfernt wurden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitersubstrat aus P-Ieitendem
Silizium mit der spezifischen Leitfähigkeit von etwa 1Ω · cm besteht, die epitaktisch aufgewachsene
Schicht N-Ieitend ist und die dielektrischen Schichten durch Oxydation des Siliziums zu Siliziumdioxid
gewonnen werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitersubstrat aus N-Ieitendem
Silizium mit der spezifischen Leitfähigkeit von etwa 1Ω · cm besteht, die epitaktisch aufgewachsene
Schicht P-Ieitend ist und die dielektrischen Schichten durch Oxydation des Siliziums zu Siliziumdioxid
gewonnen werden.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen 909505/1409
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Publications (2)
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DE1288197C2 DE1288197C2 (de) | 1975-08-28 |
DE1288197B true DE1288197B (de) | 1975-08-28 |
Family
ID=23504057
Family Applications (1)
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GB (1) | GB1094693A (de) |
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US3193418A (en) * | 1960-10-27 | 1965-07-06 | Fairchild Camera Instr Co | Semiconductor device fabrication |
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Non-Patent Citations (1)
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C2 | Grant after previous publication (2nd publication) |