DE1297763B - Verfahren zum Herstellen eines Transistors fuer sehr hohe Frequenzen - Google Patents

Description

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Die Grenzfrequenz eines Transistors wird von der tische Schicht hineindiffundiert. Die hier entstandenen durch die Kapazität zwischen Emitter und Basis so- Zonen sind jedoch nicht als Basiszonen für Transiwie deren Widerstand bedingten Zeitkonstante stören, sondern zur Erzeugung leitender Kanäle bei C_Ey_e—T_e, der Laufzeit r_ö in der Basis, der durch die der Herstellung sogenannter integrierter Schaltungen Kollektorkapazität und den Kollektorserienwiderstand 5 vorgesehen.

bestimmten Zeitkonstante C_cr_c = x_c und der Entlee- Bevorzugte Weiterbildungen der vorliegenden Er-

rungszeit x_sc des Kollektors bestimmt. Bei neuen SiIi- findung sehen vor, daß die Diffusion aus dem durch ziumtransistortypen kann bei Anwendung epitak- die Belegung mit dem für die Basiszone bestimmten tischer Herstellungsmethoden ein besonders kleines r_c Dotierungsstoff entstandenen Depot derart gesteuert sowie auch ein kleines x_b erzielt werden. Hingegen ist io wird, daß der Leitungstyp der epitaktisch niedergees nicht gelungen, x_e im Sinne höchster Frequenzen schlagenen Zone bis zu deren freier, dem Grundgünstig zu beeinflussen. Da außerdem x_e durch den material gegenüberliegender Oberfläche durch dieses zu erzeugenden Transistorstrom festgelegt wird, Dotierungsmaterial bestimmt wird. Außerdem kann läßt sich diese Größe nicht im Interesse hoher Fre- es zweckmäßig sein, wenn die epitaktisch niedergequenzen willkürlich beeinflussen. Aus diesem Grund 15 schlagene Schicht die gesamte Querschnittsfläche des hat man sich, um ein kleines x_e zu erreichen, bemüht, Grundkristalls bedeckt. Vorzugsweise dient schließimmer kleinere Emitterflächen zu machen. Die zu lieh für die Erzeugung des Depots an Dotierungsdiesem Zweck notwendige Markierungstechnik setzt material und zum Herstellen des Emitters die bejedoch einer solchen Bemühung eine Grenze. Um kannte Planartechnik.

ferner ein kleines C_E zu erreichen, ist es zweckmäßig, 20 Nachdem bei den bekannten Anordnungen kein die Dotierungskonzentration an der Emitterfläche Transistor vorgesehen ist, dessen Basiszone eine Störherabzusetzen. Bei Anwendung der üblichen Metho- Stellenverteilung aufweist, wie sie mit dem Verfahren den ist es jedoch schwierig, diese Reduktion in zu- nach der Erfindung erreicht wird, werden auch beim friedenstellender Weise zu erreichen. Bekannten die oben beschriebenen günstigen Wirkun-

In F i g. 1 ist ein Diagramm für die ideale Dotie- 25 gen nicht erreicht.

rungsverteilung eines Hochfrequenztransistors mit In den Fig. 2a bis 2c sind die einzelnen Schritte

Driftfeld dargestellt. Als Ordinate sind die jeweiligen des vorliegenden Verfahrens an Hand der Herstel-Dotierungskonzentrationen N, als Abszisse der Ab- lung eines npn-Transistors erläutert. Zunächst wird stand χ eines jeweils betrachteten Punktes von der die Oberfläche eines Halbleiterkristalls C am Ort der Halbleiteroberfläche aufgetragen. A bedeutet die 30 zu erzeugenden Basiszone mit dem die Basiszone erGrenze zwischen Emitter und Basis, B die Grenze zeugenden Dotierungsmaterial (im Beispielsfall mit zwischen Basis und Kollektor. Mit η und ρ ist der einem Akzeptor) belegt. Dabei entsteht ein Depot B jeweilige Leitungstyp bezeichnet. Wenn entsprechend dieses Dotierungsmaterials, das gegebenenfalls dabei den Verhältnissen in Fig. 1 die Dotierungskonzen- etwas in den Halbleiterkristall eindiffundieren kann, tration in der Basis am Emitterübergang zunächst 35 Die Belegung erfolgt zweckmäßig unter Verwendung klein gehalten wird und dann mit wachsender Anna- der bei der Planartechnik üblichen Maskierung, herung an den Kollektor zunächst sehr steil ansteigt, Bildet sich bei der Belegung Oxyd, so muß dieses vor um mit weiterer Annäherung an den Kollektor wieder der Durchführung des epitaktischen Prozesses minabzufallen, dann erhält man zunächst eine Verkleine- destens am Ort der Basiszone entfernt werden. Im rung von τ₆ wegen des Vorhandenseins eines auf die 40 Beispielsfall ist sie über die ganze Breite des z. B. aus Ladungsträger beschleunigend wirkenden Driftfeldes. Silizium bestehenden Kristalls C entfernt worden, wie Außerdem kann der Basisdiffusionswiderstand klein aus den Fig. 2a und 2b ersichtlich, gemacht werden. Schließlich kann man durch Ein- Auf dem DepotB wird, wie in Fig. 2b dargestellt,

stellen einer kleinen Emitterkapazität auch x_e klein eine Schicht des Halbleiters vom Typ des Grundhalten. 45 materials (im Beispielsfall vom η-Typ) epitaktisch Um die obige Struktur zu erhalten, schlägt die Er- niedergeschlagen. Die seitliche Ausdehnung dieser findung bei einem Verfahren zum Herstellen eines Schicht entspricht im Beispielsfall der des Kollektor-Transistors für sehr hohe Freqenzen vor, daß zu- teiles C. Ist eine Grenzfrequenz von etwa 1000 MHz nächst an der Oberfläche einer im wesentlichen als beabsichtigt, so kann man die Dicke der epitaktischen Kollektor vorgesehenen Halbleiterkristalls am Ort 50 Schicht E_v auf etwa 0,3 bis 2 μ einstellen. Gelegentder zu erzeugenden Basiszone eine Belegung mit dem lieh kann sie auch dicker gemacht werden. Die epifür die Basiszone vorgesehenen Dotierungsmaterial taktische Schicht wird zweckmäßig mit größerem vorgenommen wird, daß dann auf die Oberfläche des spezifischen Widerstand eingestellt, auf diese Weise entstandenen Depots eine Halbleiter- Die epitaktische Schicht E₁, kann an ihrer Oberschicht vom Leitungstyp des Grundmaterials epitak- 55 fläche, wie aus Fig. 2 c ersichtlich, mit einer Siliziumtisch niedergeschlagen wird, daß ferner das Dotie- dioxyd-Maskierung zur Erzeugung des Emitters verrungsmaterial für die Basiszone sowohl in den Grund- sehen werden. Die den Emitter bestimmende Öffnung kristall als auch in die epitaktisch niedergeschlagene ist in der Figur noch nicht eingezeichnet. Außerdem Schicht unter Wechsel des Leitungstyps eindiffundiert wird nach Erzeugung der epitaktischen Schicht E₁, wird und daß schließlich in der auf diese Weise ent- 60 entsprechend der Lehre der Erfindung das die Basisstandenen Basiszone eine Emitterzone hergestellt zone bestimmende Dotierungsmaterial aus dem wird. Depots, falls dies während des epitaktischen Pro-An sich ist es bekannt, auf einem einkristallinen zesses noch nicht in ausreichendem Maß geschehen Halbleiterkörper zunächst eine stark dotierte Zone sein sollte, sowohl in die epitaktische Schicht als auch und auf dieser eine schwach dotierte epitaktische 65 in das Grundmaterial eindiffundiert. Wie aus der Zone zu erzeugen, wobei bei anschließenden Wärme- Zeichnung ersichtlich, erfolgt die Diffusion derart, behandlungen Dotierungsstoff aus der stark dotierten daß sich der Leitungstyp in der epitaktischen Zone£_p Zone sowohl in das Substrat als auch in die epitak- bis an die Oberfläche derselben umwandelt. Bei dieser

Gelegenheit ist es möglich, die ideale Dotierungsverteilung entsprechend F i g. 1 durch Regulierung der Diffusionszeit und der Dicke der epitaktischen Schicht zu erreichen.

Nach diesen Schritten wird in der Siliziumdioxyd-Schicht die erforderliche Öffnung für die Diffusion des Emitters erzeugt. Der Transistor wird dann in üblicher Weise fertiggestellt.

Im folgenden wird ein weiter detailliertes Beispiel des Verfahrens nach der Erfindung gegeben.

Als Dotierungsmaterial zur Erzeugung der Basisdotierung wird z. B. Bor verwendet, mit welchem die Halbleiteroberfläche am Ort der Basiszone etwa 10 Minuten bei etwa 970° C zur Belegung der Halbleiteroberfläche ein wenig eindiffundiert wird. Als Grundmaterial wird ein Substrat aus η-leitendem Silizium mit einem spezifischen Widerstand von etwa 0,5 bis 0,8 Ohm · cm und einer Dicke von 0,5 μ verwendet, welches als eptitaktische Schicht auf einem η-leitenden Siliziumkristall mit einer Dicke von ao 150 μ und einem spezifischen Widerstand von 0,01 Ohm · cm aufgebracht ist. Anschließend wird durch die Reaktion

SiCl₄ + 2 H₂ -> Si + 4 HCl

eine epitaktische Schicht mit einem spezifischen Widerstand von 0,5 bis 0,8 Ohm · cm aufgebracht. Bei einer Reaktionstemperatur von 1150° C und einer Reaktionsdauer von 0,5 bis 1 Minute kann eine epitaktische Schicht von 0,6 bis 0,7 μ Stärke erhalten werden. Gleichzeitig findet aus dem durch den Belegungsvorgang erzeugten Depot für das die Basiszone bedingende Dotierungsmaterial eine Diffusion statt. Die Verhältnisse werden dabei so aufeinander abgestimmt, daß sich die entstehende Basiszone bis an die Oberfläche der epitaktischen Schicht erstreckt. Zu dem genannten Zeitpunkt beträgt die Oberflächenkonzentration an der Basisschicht 10¹⁹ cm~³ und ihre Tiefe 1,5 μ. Zur Erzeugung des Emitters durch einen Diffusionsprozeß wird die Anordnung zunächst für etwa 3 Minuten der Einwirkung von Phosphorpentoxyd-Dampf bei 1100° C unterworfen und anschließend zum Zweck der Justierung der Diffusionstiefe für 5 bis 10 Minuten bei 1100° C nacherhitzt. Man erhält hierdurch eine Emitterschicht mit einer Tiefe von 1 bis 1,1 μ und einer Oberflächenkonzentration von 2 · ΙΟ²⁰"³.

In F i g. 3 sind die Abmessungen eines in dieser Weise hergestellten Transistors dargestellt, wobei F i g. 3a einen seitlichen Schnitt und F i g. 3 b eine Aufsicht darstellt. Wenn die Emitterfläche auf 20 X 40 μ und die Basisfläche auf 60 X 60 μ, wie in der Zeichnung dargestellt, eingestellt wird, erhält man eine Frequenzabhängigkeit vom Emitterstrom, wie sie in F i g. 4 gezeigt ist.

F i g. 4 zeigt die Beziehung zwischen dem Emitterstrom J_E und der oberen Grenzfrequenz. Dabei bedeutet die Kurve 1 die Charakteristik eines entsprechend der Lehre der Erfindung mit den obigen Dimensionen hergestellten Transistors und die Kurve 2 die Charakteristik eines dimensionsgleichen, jedoch durch die üblichen Methoden hergestellten Transistors. Wie aus diesen Zeichnungen ersichtlich ist, besteht durch Anwendung des Verfahrens nach der Erfindung die Möglichkeit, die Grenzfrequenz des Transistors scharf zu erhöhen und die Hochfrequenzcharakteristik zu verbessern. Ferner ist als weiterer Vorteil festzustellen, daß die Emitterkapazität C_E klein gemacht werden kann, wodurch die Grenzfrequenz f_T vergrößert wird. Außerdem muß bei ultrahohen Frequenzen wegen des Geräuschpegels der auf Grund der Vorspannungen bedingte Strom verkleinert werden, wodurch bei einem Transistor, der nach der Lehre der Erfindung hergestellt wurde, die Grenzfrequenz f_T mit kleinen Strömen größer wird und auf diese Weise den Transistor für den Betrieb bei kleinen Strömen geeignet macht. Schließlich ist im Fall einer Betätigung als Schalter festzustellen, daß die Eingangskapazität abnimmt und daß deshalb die Schaltzeit herabgesetzt werden kann.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herstellen eines Transistors für sehr hohe Frequenzen, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst an der Oberfläche eines im wesentlichen als Kollektor vorgesehenen Halbleiterkristalls am Ort der zu erzeugenden Basiszone eine Belegung mit dem für die Basiszone vorgesehenen Dotierungsmaterial vorgenommen wird, daß dann auf die Oberfläche des auf diese Weise entstandenen Depots eine Halbleiterschicht vom Leitungstyp des Grundmaterials epitaktisch niedergeschlagen wird, daß ferner das Dotierungsmaterial für die Basiszone sowohl in den Grundkristall als auch in die epitaktisch niedergeschlagene Schicht unter Wechsel des Leitungstyps eindiffundiert wird und daß schließlich in der auf diese Weise entstandenen Basiszone eine Emitterzone hergestellt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Diffusion aus dem durch die Belegung mit dem für die Basiszone bestimmten Dotierungsmaterial entstandenen Depot derart gesteuert wird, daß der Leitungstyp der epitaktisch niedergeschlagenen Zone bis zu deren freier, dem Grundmaterial gegenüberliegender Oberfläche durch dieses Dotierungsmaterial bestimmt wird (Fig. 2c).

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die epitaktisch niedergeschlagene Schicht die gesamte Querschnittsfläche des Grundkristalls (C) bedeckt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß für die Erzeugung des Depots an Dotierungsmaterial und zum Herstellen des Emitters die Planartechnik angewendet wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen