DE1439935A1 - Halbleitereinrichtung und Verfahren zu deren Herstellung - Google Patents
Halbleitereinrichtung und Verfahren zu deren HerstellungInfo
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Description
WEbTERIi ELECTRIC COMPAlTi, Incorporated Edwards-Iwersen-
Loar-Jioss 1-2-2-17
195 Broadway, Sew York 7, N. Y., ÜÖA
HalbleitereinriGhtung und Verfahren zu deren Herstellung
Die Erfindung bezieht sich auf Halbleitereinrichtungen und Verfahren zu deren Herstellung. Insbesondere befasst sich
die Erfindung mit Ausbildungen von öilizium-Halbleitereinrichtungen,
die durch Verfahren erhalten werden, die in neuer Weise die Schritte des Oxydmaskierens, des Wachsens
eines Halbleiterfilmes, der tfremdstoff-Diffusion und des
Metallniederscnlages zusammenfassen.
Der Zweck der Erfindung bezieht sich deshalb allgemein auf verbessert· Halbleitereinricntungen. Ein weiterer Zweck besteht
In leichteren Verfahren zur Herstellung von Halbleitereinrichtungen·
Darüberhinaus bezweckt die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von Einrichtungen, die bisher praktisch
nicht verwirklicht werden konnten.
einem Merkmal enthält das Verfahren nach der Erfindung
das Hiedersohlagen von filmen aus Halbleitermaterial, von denen Teile als Einkristallmaterial wachsen und andere Teile
in polykristalliner form wachsen.
Bei einer besonderen Ausführungsform des Verfahrens nach der
Erfindung ist eine Siliziumscheibe aus einem Einkristall mit n-Leitfahigkeit auf einer größeren fläche mit einem Überzug
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aus Siliziumoxyd .verseilen, mit Ausnahme einer besonders freigelassenen
Fläche, die vorteilhafterweise in der Mitte angeordnet Ist. Ein Silizium-Halbleitermaterial mit p-Leitfählgkeit
wird dann aus dem Dampfzustand auf die größere, oxydmaskierte Fläche der Scheibe niedergeschlagen,. Diese
niedergeschlagene. Halbleitersciilelit ist in ihrer Struktur
Iia allgemeinen in den Teilen, die auf dem Oxydüberzug niedergeschlagen sind, polykristallin* jedoch in dem Teil, der auf
der freigelassenen iiinkristallunterlage ist, einkristallin
oder epitaxial.
.Daraufhin wird ein weiterer Oxjdüberzug auf dieser gesamten
niedergeschlagenen HalbleiterschlcJat gebildet, mit Ausnahme
eines Mittelstückes des Einkristallteiles, das kleiner als der gesamte Teil ist. Dieses mittlere freigelassene Stück
wird dann vorzugsweise durch Dampfdiffusion in n-Leitfähigkeit
bis zu einer Tiefe umgewandelt,, die kleiner als die Dicke
der vorher niedergeschlagenen p-ScIalcht ist. Der Fläohenoxydüberzug
wird dann entfernt. Eine metallische, punktförmige
Elektrode wird an der Fläche des diffundierten η-Teiles angebracht, die nun die Emitterzone eines Transistars bildet.
Ein metallischer Ring wird dann, an der großen Fläche des
polykristallinen Bereiches angebracht, um die p-Schicht, die als Basiszone dient» su kontaktieren«, Zuletzt stellt eine
Elektrode geringen Widerstandes an der fiückfläche der Scheibe
In gleicher ffeise einen Kontakt mit der n-Unterläge her,
welche als Kollektorzone des Transistors bildet·
Das Verfahren nach der Erfindung stellt somit in einfacher Waise
Einrichtungen mit einem p-n—Übergang her, bei denen das
Ausmaß des Kollektorübergänges durch, eine Oxydüberzug-Maske
bestimmt wird, die ein Teil der fertigen Anordnung wird. Ein Merkmal des Verfahrens bestellt darin, daß ein Transistor
mit Emitter- und Kollektor-p-n-Übergängen von im wesentlichen
derselben Fläche hergestellt werden kann. Diese symmetrische i'ransistoranordnung ermöglicht eine niedrige Sättigungsspannung
(V ), was die Fähigkeiten der Einrichtung mit einer Schaltung erhöht.
Darüberhinaus wird durch Umkehr der vorstehend beschriebenen
Anordnung, so daß die ursprüngliche Unterlage den Emitterbereich bildet, und durch Herstellen einer Mehrzahl von unterschiedlichen
Basisbereichen und Kollektorbereichen eine sehr zweckmäßige Einrichtung mit gemeinsamemEmitter]« erhalten.
Eine solche Anordnung mit gemeinsamem Emitter ermöglicht eine Einrichtung einheitlicher Art, die insbesondere für Anwendungen
bei logischen Schaltungen zweckmäßig ist. Brauchbare Anordnungen mit gemeinsamem Emitter sind, vom praktischen Standpunkt
gesehen, bisher tatsächlich nicht verwirklicht worden.
Ein weitere» Merkmal des Verfahrens nach der Erfindung stellt eine Ausführungsart dar, bei der wenigstens ein p-n-Übergang
mit einer Grenzschicht hergestellt wird, die vollständig abgedeckt ist und von der umgebenden Atmosphäre geschützt ist.
Beispielhafte Ausführungsforiaen der Erfindung sind in der
Zeichnung dargestellt, und zwar sind
Fig. 1-4 schematiscne Schnitte einer Halbleiterscheibe, die die aufeinanderfolgenden Herstellungsschritte
nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zeigen, Pig. 5 eine Aufsicht auf den in Fig. 4 im Schnitt
dargestellten Tranaistor p
• · ' BADORIQINAL
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. 6 ein schnitt eines gemäß der Erfindung hergestellten
Transistors mit einem zusätzlichen Bereich hohen spezifischen Widerstandes und
Fig, 7 und 8 Schnitte anderer Halbleitereinrichtungen,
die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt sind*
Die Herstellung einer Einrientung nach der Erfindung beginnt
gemäß Pig. 1 mit einer Mnkristallscheibe 11 aus Silizium
einer bestimmten Leitfähigkeit, bei der besonderen Ausführungsform aus stark dotiertem η-Silizium. Das Verfahren kann im
allgemeinen mit einem relativ großen Materialstreifen ausgeführt werden , auf dem eine Mehrzahl von einzelnen Einrichtungen
hergestellt wird. In der Zeichnung ist nur ein Teil des Streifens dargestellt, was jedoch ausreicht, um die Herstellung
einer einzelnen Einrichtung zu zeigen;
Auf einer großen Fläche des Streifens wird ein Überzug 12 aus Siliziumoxyd (SiO2) gebildet, der auf dem Teil 15 nicht
durchläuft, sondern vielmehr die Einkristall-Unterlage freiläßt. Diese Anordnung kann zweokmäßigerweise durch Anwendung
eines Verfahrens der thermalen Oxydfilmbildung oder durch
Niederschlag eines Siliziumoxydes mittels Dampf hergestellt werden. Der freigelassene Teil 13 wird dann, vorzugsweise durch
Anwenden eines Photowiderstandsverfahrens hergestellt. Die teilweise maskierte Siliziumunterlage wird dann einem Dampfniederschlag
aus Silizium ausgesetzt, um die in Fig« 2 dargestellte Anordnung zu erhalten. Vorzugsweise ist der*Mittelteil 15
dta niedergeschlagenen Materials, der auf der Einkristall-Unterlage
ruht, gleichermaßen monokristallin. Der Umfangeteil 14-dee
Filmes, der epitaxial auf der Oxidschicht niedergeschla-
bad omsrnmo
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gen ist, besteht vorzugsweise aus poly kristallinem Silizium.
Bei einer "bevorzugten Ausfünrungsform wird der niedergeschlagene
Film 0,002 mm stark gemacht. Bis zu diesem Punkt ist mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ein Halbleiterelement hergestellt
worden, das nur das Anbringen metallischer Elektroden an den gegenüberligenden Flächen und die Zuführung von leitungen
erfordert, um eine Diode zu bilden, Eine solche Diode hat den Vorteil, daß die Grenzen des p-n-Überganges nicht
eine Fläche durchschneiden und somit stabiler sind als bei Anordnungen, bei denen eine p-n-Überg'angsgrenze freigelassen
wird. Insbesondere kann ein zufriedenstellender elektrischer Kontakt mit der niedergeschlagenen p-Zone dadurch erhalten
werden, daß metallische Elektroden auf einem beliebigen Teil der oberen Fläche der Scheibe, der den polykristallinen Teil
enthält, angebracht werden.
Gemäß der Erindung kann die Herstellung fortgesetzt werden, um eine Halbleitereinrichtung mit drei Bereichen herzustellen,
die durch Anbringen eines weiteren Überzuges 16 aus Siliziumoxyd auf die obere Seite der vorher niedergeschlagenen Filme
und Schiohten als Transistor verwendbar gemacht wird. Wiederum
wird ein Teil des Oxydüberzuges entfernt, um die darunterliegende
Silizium-Unterlage freizulegen.Diese freigelegte !fläche ist kleiner als die Fläch· des Einkriatall-Jdittelteiles·
Das Halbleiterelement wird dann einer Dampfdiffusion mit einem n-Fremdetoff, vorzugsweise Phosphor ausgesetzt, welche die
Leitfähigkeit des Teiles 17 des Einkristallmaterials, das unter der freigelassenen Mittelfläohe liegt, ändert. Vorzugsweise
hat der η-Bereich eine Tiefe von 0,001 mm. Daraufhin wird das Element in Flußsäure behandelt, um den Fläohenoxyd-
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überzug 16 zu entfernen.·Eine metallische Mittelelektrode
wird auf der Fläche des n-Bereiches 17 und eine Hingelektrode
an der polykristallinen Schicht 14 angebracht. Vorteilhafter-■ weise kann die Oxydschicht lediglich teilweise durch ein
Photowiderstands-Verfahren entfernt werden, um die Bildung der Basiselektrode zu ermöglicnen. In einem solchen Falle
bildet die Oxydschicht einen Schutzüberzug über einem, i'eil
der Fläche der Einrichtung. Die Elektrode 18 bildet somit die Emitterverbindung und die Elektrode·19 die .Basisverbindung.
Eine zusätzliche metallische schicht kann auf die Bodenfläche der Scheibe plattiert werden, um eine Elektrode zu der
Kollektorzone 11 zu bilden, welche die ursprüngliche Silizium-Unterlage
enthält. Die Hing- und'Punktform der Elektrode
ist in der in Fig. 5 dargestellten Ansicht der oberen Fläche der vollständigen .Einrichtung zu sehen. Wie schematisch, in
Fig. 4 dargestellt ist, kann der Halbleiter in eine Umhüllung eingebaut und eingekapselt werden.
Eine Betrachtung der Darstellungen zeigt die Vorteile dieser besonderen Anordnung und das Verfahren zu deren Herstellung.
Im besonderen ist die Fläche des Kollektorüberganges durch das Ausmaß der ursprünglichen Oxydmaske 12 und der freigelassenen
Fläche 13 bestimmt. Diese Fläche ist mit der Fläche dta diffundierten Teiles 17 vergleichbar, die gleichermaßen
durch eine Oxydmaske bestimmt wird. Gleichzeitig ermöglicht das Verfahren die Verwendung einer Diffusion aus dem festen
Zustand, um die Dicke des Basisbereiches genau zu bestimmen,
der für den Betrieb bei hohen Frequenzen vorzugsweise klein ist; Die Anbringung von Elektroden, insbesondere an dem Basisbereich,
wird des weiteren dadurch vereinfacht, daß ein relativ großer Bereich der großen. Fläche der Scheibe zum An-
BAD ORIGINAL
bringen der Ringelektrode * 19 verfügbar ibt.
Darüberhinaus können bei einem anderen Verfahren zum Herstellen einer Halbleitereinrichtung mit drei Bereichen, insbesondere
für Anwendungen bei Hochfrequenztransistoren, die aufeinanderfolgenden Schritte des Wachsens des Halbleiterfilmee und der
Diffusion vorteilhafterweise umgekehrt werden. Insbesondere kann das Unterlagematerial 11 der Fig. 1 ursprünglich einen
p-n-Übergang enthalten, der durch eine anfängliche Diffusion
erzeugt worden ist. Bei einer solchen Anordnung bildet der Leitfähigkeitebereich nahe der oberen Fläche den Basisbereicn
des '.Transistors. Auf dieser oberen Fläche werden mehrere
.'.leine Emitterbereiche durch Wachsen eines Halbleitermateriala
einer Leitfähigkeit, die der Leitfähigkeit des Basisbereiches entgegengesetzt ist, hergestellt, ümitterbereiche können sehr
klein sein und sind durch Flächen bestimmt, die aus dem Qacydüberzug
ausgeätzt worden sind.
Wenn es erwünscht ist, den querschnitt des Kollektorüberganges
von solchen !Transistoren zu verringern, kann die Notwendigkeit, eine solcne Verringerung durch Ätzen zu erreichen, durch ein
anfängliches Diffundieren vermieden werden, das lediglich auf die Basisbereiche beschränkt ist, vorzugsweiseJdurctsjVerwendung
von Oxydmaskierung. Daraufhin können die Emitterbereiche von geringerer Fläche als die Basisbereicne auf der oberen
Fläche der Basisbereiche wacnsen, wie dies oben beschrieben worden ist.
Obwohl die vorangehend beschriebenen Anordnungen die Aufteilung von mehreren Elementen in getrennte Transistoren bein-
"·.■·■■■ BAD ORIGINAL
haltet, worauf often. Bezug genommen worden ist, kann die ungeteilte
Anordnung als eine Einrichtung mit gemeinsamem Emitter verwendet werden, wobei der Unterlagebereich 11 als Emitter
dient und mehrere Leitungen an den verschiedenen Basis- und Kollektor!)ereichen angebracht sind. Eine solche Anordnung hat
wegen ihrer Übergangssymmetrie besondere Vorteile für Schaltzweeke.
Weitere Änderungen dieses besonderen Verfahrens der Erfindung
können verwendet werden, um umfangreichere Einrichtungen mit besonderen Anwendungen herzustellen. In Fig. 6 ist ein
!Transistor dargestellt, der Im allgemeinen nach dem oben be— .
sehriebenen Verfahren mit dem zusätzlichen Merkmal,, daß das
anfänglich niedergeschlagene Halbleitermaterial ein n-Material
(v) hohen spezifischen rfiderstandes ist, hergestellt worden ist. Dies ergibt eine Anordnung mit besonders vorteilhaften
Eigenschaften für hohe Schaltgeschwindigkeiten und für eine Verstärkung im Hochfrequenzbereich.
Die Erfindung bezieht sich darüberhinaus insbesondere auf die Herstellung von mehrschichtigen Einrichtungen, bei denen die
Anbringung der Elektroden in einfacher Weise erfolgen kann. Fig. 7 zeigt eine andere Ausführungsform der Herstellung einer
Transistoranordnung, die mit einer Silizium-Unterlage 71 aus einem Material (n+) geringen spezifischen Widerstandes beginnt,
Eine Oxydschieht 72 ist auf einer Fläche dieser Unterlage gebildet und eine Schicht 74 aus einem Metall mit einer relativ
honen Schmelztemperatur (schwtr schmelzbares Metall)·, vorzugsweise
Tantal oder Molybdän, wird dann auf die obere Fläche der Oxydschicht gespritzt. Eine Photowiderstandsmaske wird
BADORIGfNAL
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dann auf der Fläche der Metallschicht 741 die alles außer
einem Mittelteil bedeckt, gebildet. Durch chemisches Ätzen werden der unmaskierte Teil der Metallschicht und die darunterliegende
Oxydschicht entfernt, um einen Teil der Einkristall-Unterlage freizulegen. Eine Schicht aus Silizium mit einer
p-Leitfähigkeit wächst dann durch Dampf nie der schlag auf dieser
Fläche der Scheibe, wobei der Mittelteil 75 eine Einkristallanordnung
bildet, während der Umfangsteil 76 aus polykristallinen!
Material besteht. Der Film wächst bis zu einer ausreichenden Tiefe, um eine nachfolgende Diffusion eines n-Fremdstoffes,
z, B. Phosphor, in den Flächenteil 77 zum Herstellen einer Emitterzone zu ermöglichen.
Der Einschluß der Schicht 74 aus schwer schmelzbarem Metall zusätzlich zur Erzeugung einer geeigneten Anordnung zum Anbringen
einer Leitung an einen Bereich mit einer Zwischen— leitfähigkeit ermöglicht bei dieser besonderen Ausführungsform eine verbesserte seitliche Leitfähigkeit für den Basiskontakt
und einen Schutz für die darunterliegende Oxydsohlent.
Ein anderes Verfahren, um diese Anordnung zu erhalten, beinhaltet den Niederschlag einer ersten Oxydschicht auf dem Unterlagematerial
, woraufhin ein Niederschlag der Metallschicht und zuletzt die Bildung einer darüberliegenden Oxydschicht
folgt. Ein "Fenster" durch alle drei Schichten wird dann durch eine Photowiderstandsmaske und eine Reihe von chemischen Ätzvorgängen
erzeugt, so daß ein Teil der Fläche der Unterlage freigelegt wird. Diesem Vorgang folgen dann die oben erwähnten-Schritte
ohne einen weiteren Niederschlag auf Oxyd- oder Metall-
BAOOWGfNAt
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schichten. Insbesondere wird der n++Teil 73 durch Diffusion
hergestellt und der epitaxlale Mittelteil durch Niederschlag,
wie vorstehend beschrieben worden ist, erzeugt, woraufhin die ' letzte Diffusion des n-Bereiches 77 folgt. Dieses abgewandelte
Verfahren ergibt vom Standpunk't der .Registrierung Vorteile,
da dasselbe "fenster" sowohl für die Diffusion als auch für das epitaxiale Wachsen verwendet wird.
Bei der Einricntung der Fig. 8 ist eine Vierschicht-Anordnung
mit einer 'Trägerschicht hohen spezifischen voider Standes zwischen
zwei Bereichen hergestellt, wobei die elektrischen Kontakte an allen leitfähigen Zonen gewünschtenfalls angebracht werden.
Der Aufbau der Anordnung ist im allgemeinen der Anordnung gleichartig, die oben im Zusammenhang mit !'ig. 7 mit Zwischenschichten
aus schwer schmelzbarem Metall zum Herstellen von Kontakten zu den Bereichen mit einer Zwischenleitfähigkeit
beschrieben worden ist. Die Anbringung der Leitungen an diese Schichten 84 und 88 aus schwer schmelzbarem Metall kann durch
Entfernen der Umfangsteile der Scheibe, z. B. mittels Ätzen oder Ultraschallschneiden, erleichtert werden, wodurch die Umfangsflache
der Metallschichten freigelegt wird.
Das beschriebene Verfahren kann lediglich auf einen begrenzten Bereich eines großen Halbleiterkörpers, ζ. B. bei der Herstellung
einer zusammengefaßten Schaltungseinrichtung, angewendet werden. Die Scheibe kann ein besonderer Teil eines
großen Halbleiterkörpera sein.
BAD
809813/03Ct
Claims (2)
- /PatentansprücheVerfahren sur Herstellung einer Halbleltereinriohtung, bei de« eine Scheibe και «onokristttlllnea Halbleitermaterial einer Leitfähigkeit alt ersten and «weiten gegenüberliegende« grosser en Flächen hergestellt wird und ein erster Gxydöber-■ttg «of einer der flächen gebildet wird, der eine kleine Fläche unbedeckt lässt, dadurch gekenne«lehnet, dass auf der kleinen Fläche and den ersten OxydÜberaug ein erster film eaa nalbleltermaterial niedergeschlagen wird, dessen Leitfähigkeit von der Leitfähigkeit des !Teiles der Scheibe verschieden 1st, der unmittelbar an dem niedergeschlagenes Film anliegt, und dass gesonderte Kontakte geringen \r !Geratendes an beide flachen der £ciieil>s angebracht werden*
- 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nach de« Bledersohlagen des Halblelterfllmes ein aweiter Oxyd-Bbersug eof de« FiIa alt Ausnehme einer fläche koaxial su der anfänglich freigelassenen Fläche der Scheibe niedergeschlagen wird, dass ein Fremdstoff von dem nledergesehlftgana« 711a entgegengesetzter Leitfähigkeit in den frelgelasaeaait ttalbleiterfila eindiffundiert wird, dass ein ieil des swelt·« QxydBbersuges entfernt wird und dass gesonderte obajtche Koatakte an de« diffundiertes Bereich, an eine« IeIl des aaf ie« ersten OxydÖbenuf sledergesohlsgenen Ealbleiterfil«· und an der Seheibe angebracht werden«BAD ORfGHNAL 609813/0369β Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Niederschlagen des Halbleiterfilmes in die freigelassene Fläche der Scheibe ein bedeutender Betrag eines Fremdstoffes einer solchen Art eindiffundiert wird, dass die Leitfähigkeit des diffundierten Bereiches geändert wird·4· Verfahren naoh Anspruch I9 dadurch gekennzeichnet, dass nach dem niederschlagen des Ealbleiterfilmes auf dem ersten Oxydüberzug eine erste Schicht aus schwer schmelzbarem Metall, auf der' ersten Metallschicht ein zweiter Oxydüberzug, auf dem zweiten Oxydüberzug und dem freigelassenen Halbleitermaterial eine zweite Schicht aus Halbleitermaterial einer Leitfähigkeit, die von der Leitfähigkeit des anliegenden freigelassenen Teiles verschieden ist, auf der zweiten Ealbleitersohioht mit Ausnahme einer zu der anfänglich freigelassenen Fläche koaxialen Mittelfläch« eins sweite Schicht eines sohwer schmelzbaren Metalls, auf der zweiten Metallschicht eine dritte Oxydschicht und auf der dritten Oxydschicht und auf dem freigelassenen Mittelteil ein« weitere Schicht aus Halbleitermaterial niedergeschlagen werden.BAD 809813/0369
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