DE1514888C - Verfahren zum Herstellen eines planaren Germaniumtransistors - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Her- es infolge der kleinen Abmessungen der Anordstellen eines planaren Germaniumtransistors für hohe nungen notwendig, verbreiterte Kontakte zu verFrequenzen auf einem mit einer epitaktischen wenden, damit das Anschließen der Zuleitungsdrähte Schicht überzogenen Germaniumplättchen sowie erleichtert wird. Dadurch wird es' erforderlich, die einer unter Verwendung einer Siliciumoxidmaskie- 5 Anordnung mit einem Isoliermaterial zu überziehen, rung selektiv diffundierten Basiszone und mit darauf nachdem die Kontakte in die Oberfläche einlegiert aufgedampften Emitter-Basis-Kontakten. sind. Leider muß jedoch das bevorzugte Isolier-

Damit ein Transistor bei hohen Frequenzen be- material, nämlich Siliciumoxid, bei hohen Temperatrieben werden kann, müssen die aktiven Teile der türen aufgebracht werden, wenn undurchlässige Emitterzone, der Basiszone und der Kollektorzone io Überzüge benötigt werden. Dadurch wird die Anordsehr kleine räumliche Abmessungen haben; vor allem nung infolge weiterer Diffusion oder Legierung in muß die Breite der Basis sehr gering sein und in sehr den Zonen oder Kontakten für hohe Frequenzen geringen Toleranzen gehalten werden. Bei Frequen- unbrauchbar.

zen im Bereich von 5 GHz oder mehr soll die Es ist bereits bekannt (Zeitschrift »Electronics«, Flächenausdehnung der Emitterzone beispielsweise 15 6. April 1964, S. 62 bis 65), eine amorphe Schicht kleiner als etwa 65 Quadratmikrometer sein. Dies aus Siliciumdioxid auf ein Germaniumplättchen bei bedingt Abmessungstoleranzen, welche die üblichen hohen Temperaturen niederzuschlagen. Die Anwen-Herstellungsverfahren der Germaniumtransistoren dung einer hohen Temperatur besitzt jedoch den ungeeignet machen. Die zum Aufdampfen der Emit- Nachteil, daß sich der Grenzschichtübergang verter- und Basisstreifen üblicherweise verwendeten 20 breitert und sich die charakteristischen Eigenschaften Metallmaskierungen sind bei so kleinen Abmessungen des Germaniumtränsistors nicht einhalten lassen, unhandlich und für komplizierte geometrische For- Zum Stand der Technik können auch noch die men nicht geeignet. Die Verwendung von Legierungs- USA.-Patentschriften 3122 817 und 3 025 589 geperlen ist für ein Herstellungsverfahren unpraktisch, nannt werden, in denen Diffusionsverfahren zum weil die Perlen infolge ihrer außerordentlich geringen 25 Herstellen von Halbleiterkörpern aus Silicium für Größe, beispielsweise einer Kugel von 6 μηι Durch- Halbleiteranordnungen unter Verwendung der Oxidmesser, für das bloße Auge unsichtbar sind und maskierungstechnik beschrieben sind, daher nicht mit gewöhnlichen Hilfsmitteln, beispiels- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verweise Pinzetten, gehandhabt werden können. Doch fahren zum Herstellen eines Germaniumtransistors selbst wenn legierte Emitterzonen mit so kleinen Ab- 30 mit kleinen geometrischen Abmessungen zu schaffen, messungen hergestellt werden könnten, bestünde der für einen Betrieb bei hohen Frequenzen geeignet nochdasProblemderAnbringungdesEmitterkontakts. und von solcher Form ist, daß eine Massenherstellung

Bei der Herstellung von Siliciumtransistoren und erleichtert wird. Insbesondere soll mit der Erfindung integrierten Halbleiterschaltungsanordnungen wurde ein Verfahren zur Herstellung eines planaren Gerdurch die Kombination von Siliciumoxidmaskierungs- 35 maniumtransistors mit verbreiterten Kontakten geverfahren und Lichtdruckverfahren eine große Viel- schaffen werden. Schließlich soll mit der Erfindung seitigkeit hinsichtlich der geometrischen Form der ein Verfahren geschaffen werden, mit welchem eine Anordnungen ermöglicht, und die Größe der wirk- Germaniumanordnung in dem Gebiet, in welchem samen Bereiche konnte so weit verringert werden, sich ein pn-übergang zur Oberfläche erstreckt, passiwie dies für den Betrieb bei außerordentlich hohen 40 viert wird.

Frequenzen erforderlich ist. Silicium ist jedoch für Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die SiIiden Betrieb bei hohen Frequenzen weniger geeignet ciumoxidschicht auf der epitäktischen Schicht bei als Germanium, da die Beweglichkeit der Ladungs- einer Temperatur aufgebracht wird, die unter der träger in Silicium nur ein Drittel bis ein Viertel der- Temperatur liegt, bei welcher die Diffusion von Störjenigen von Germanium beträgt. 45 stoffen in Germanium erfolgt, und daß eine Germa-

Obgleich also Germanium für Hochfrequenz- niumoxidschicht zwischen der Siliciumoxidschicht anordnungen vorzuziehen ist, war es bisher nicht und der epitaktischen Schicht angebracht wird, die den möglich, die vorteilhaften Photomaskierungsver- obenliegenden Basis-Kollektor-Übergang überdeckt, fahren zur Abgrenzung der Übergangsgebiete und Bei der Durchführung des Verfahrens wird eine der Kontaktflächen anzuwenden. Germaniumoxid er- so neuartige Kombination von Herstellungsschritten für gibt keine gute Diffusionsmaske; außerdem subli- die Herstellung von Germaniumtransistoren vermiert es bereits bei verhältnismäßig niedrigen Tem- wendet, die zum Teil bisher noch nicht verfügbar peraturen. Es wurde zwar bereits erkannt, daß SiIi- waren. Dabei werden Siliciumoxidmasken für eine ciumoxid auf eine Germaniumfläche aufgebracht und selektive Diffusion der Basiszone des Transistors verdann stellenweise so fortgeätzt werden kann, daß eine 55 wendet und dann die Basis- und Emitterkontakte Diffusionsmaske erhalten wird, jedoch wurde dieses oder-elektroden mit Hilfe von Photoätzschutzmasken Verfahren bisher nicht angewendet, weil es zu ver- aufgebracht, bei denen zwei getrennte Überzüge aus schlechterten Eigenschaften der Halbleiteranord- Ätzschutzmaterial verwendet werden. Zur Abgrennung führt. Man glaubt, daß die Verschlechterung zung der von der Basiselektrode und der Emitterdarauf zurückzuführen ist, daß ungebundenes Ger- 60 elektrode eingenommenen Flächen kann Siliciumoxid manium unter dem Siliciumoxidüberzug vorhanden verwendet werden. Ferner dient Siliciumoxid zur Beist, wie später noch erläutert wird. Ferner wurde bis- deckung der Basis- und Emittermetalle nach Beendiher kein brauchbares Verfahren entwickelt, mit wel- gung der bei hoher Temperatur durchgeführten Difchem Kontakte oder Elektroden von kleinen geo- fusions- und Legierungsmaßnahmen, jedoch wird metrischen Abmessungen an Germaniumhalbleiter- 65 dieses Oxid bei einer niedrigen Temperatur aufge- ■ anordnungen in gleicher Weise angebracht werden bracht, welche die Eigenschaften der Halbleiterkönnen, wie dies in der Technologie der planaren anordnung nicht beeinflußt. Eine passivierende Ger-Siliciumhalbleiteranordnungen üblich ist. Ferner wird mäniumoxidschicht wird auf dem Gebiet über der

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Kante des Basis-Kollektor-Übergangs an der Ober- Scheibe, welche bei allen nachstehend beschriebenen

fläche gebildet, und zwar unter der für die Basis- Operationen im ganzen bleibt, bis es schließlich ge-

diffusion verwendeten Oxidmaske. ritzt und gebrochen wird, damit die Einheiten an-

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung wird schließend getrennt eingeschlossen werden können,

die Siliciumoxidschicht bei einer Temperatur von 300 5 Die Dickeabmessungen und die spezifischen Wider-

bis 450° C aufgebracht. stände des Ausgangsmaterials werden entsprechend

Erfindungsgemäß wird auch sowohl die Silicium- den gewünschten elektrischen Eigenschaften des fer-

oxidschicht als auch die Germaniumoxidschicht in tigen Transistors gewählt,

einer Atmosphäre mit Sauerstoff gebildet. Die Germaniumplättchen werden zunächst mit

Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, io einem Material überzogen, das als Diffusionsmaske

daß nach der Basisdifrusion ein zweiter Oxidüberzug wirkt. Erfindungsgemäß wird ein Überzug 13 aus

bei niedriger Temperatur gebildet wird. Siliciumoxid auf der Oberseite des Plättchens mit

Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Hilfe eines pyrolytischen Auftragsverfahrens ange-

Zeichnung beschrieben. Es zeigt bracht, für das ein Gerät verwendet wird, wie es

Fig. 1 eine seitliche Schnittansicht eines Halb- 15 schematisch in Fig. 2 dargestellt ist. Mehrere Ger-

leiterplättchens in einer frühen Stufe des erfindungs- maniumscheiben 14, von denen jede Hunderte der

gemäßen Verfahrens, Plättchen 10 in zusammenhängender Form enthält,

F i g. 2 eine schematische Darstellung einer Vor- werden in einem Schiff 15 im Innern eines Röhrenrichtung zum Aufbringen von SUitiumoxidüberzügen, ofens 16 angeordnet. Die Temperatur in dem Ofen wie sie bei dem Verfahren nach der Erfindung ange- 20 wird durch Heizwicklungen 17 und eine nicht dargewendet wird, stellte Regelanordnung genau kontrolliert. Durch

Fig. 3 eine perspektivische Schnittansieht des Erzeugung einer Atmosphäre aus Stoffen, die eine

Halbleiterplättchens von Fig. 1 nach einer späteren Disproportionierungsreaktion hervorrufen, wird er-

Herstellungsstufe, reicht, daß Siliciumoxid auf der Scheibe 14 nieder-

F i g. 4 eine seitliche Schnittansicht des Halbleiter- 25 geschlagen wird. Zu diesem Zweck wird eine beplättchens von F i g. 3 bei einer späteren Herstellungs- stimmte Menge Silan, beispielsweise flüssiges Tetrastufe, äthylorthosilicat oder Tetraäthoxysilan, in eine

F i g. 5 eine seitliche Schnittansicht eines Geräts Flasche 18 eingebracht, und Sauerstoff wird in Blasen

zur Durchführung des bei der Erfindung angewen- durch die Flüssigkeit getrieben, indem er über einen

deten Diffusionsschritts, 30 Einlaß 19 nach unten in die Flüssigkeit und über

F i g. 6 eine stark vergrößerte seitliche Schnitt- die Leitungen 20 und 21 aus dem Gefäß herausge-

ansicht eines Teils des Plättchens von F i g. 4, nach- drückt wird. Diese Gasströmung wird so stark auf-

dem eine der Verfahrensmaßnahmen nach der Er- rechterhalten, daß alle anderen Gase aus demRöh-

findung daran vorgenommen worden ist, renofen ausgespült werden. Bevor das Niederschlagen

F i g. 7, 8 und 10 vergrößerte seitliche Schnitt- 35 beginnt, kann der Röhrenofen dadurch gereinigt

ansichten eines Teils des Halbleiterplättchens von werden, daß große Mengen eines Gases, wie Wasser-

Fig.-4 in verschiedenen aufeinanderfolgenden Her- stoff oder Argon, aus einem Einlaß 22 in den Ofen

Stellungsstufen, gepreßt werden, indem die Ventile 23,24 und 25

F i g. 9 eine perspektivische Schnittansicht der entsprechend betätigt werden. Während des Nieder-

Vorrichtung von F i g. 8 nach dem Entfernen des 4° schlagens kann zusätzlich Sauerstoff durch den Ein-

Maskierungsmaterials und nach dem Legieren, laß 22 eingeführt werden.

Fig. 11 eine stark vergrößerte Oberansicht eines An dieser Stelle sei betont, daß die Oxidniederfertigen Halbleiterplättchens der Erfindung, schlagung nach der Erfindung bei viel niedrigeren

F i g. 12 eine Oberansicht eines Teiles eines Halb- Temperaturen erfolgt, als sie bisher zur Anwendung

leiterplättchens mit einer undurchlässigen Maske, wie 45 kamen. Gewöhnlich ist das zum Transport des Silan-

sie in der herkömmlichen Planartechnik verwendet dampfs in den Ofen verwendete Gas Stickstoff

wird. od. dgl., und die Reaktion sowie die Niederschlagung

F i g. 13 eine Oberansicht eines Teiles, eines Halb- von Siliciumoxid erfolgt infolge einer hohen Ofen-

leiterplättchens mit einer undurchlässigen Maske, wie temperatur. Bei den üblichen Verfahren kann die

sie gemäß einem Merkmal der Erfindung angewendet 50 Ofentemperatur 600 bis 700° C oder mehr betragen,

wird, und Bei diesen Temperaturen erfolgt eine Diffusion der

Fig. 14 eine Schnittansicht nach der Linie 3-3 von in der Scheibe befindlichen Verunreinigungen ziem-

F i g. 13. lieh schnell. Die Reaktion kann etwa 20 Minuten

Das Ausgangsmaterial für die Herstellung von dauern, während welcher Zeit ein Übergang einige

Transistoren nach der Erfindung ist ein Germanium- 55 zehntel Mikrometer einwandern kann, was bei einer

plättchen mit einer Dicke von etwa 100 μπι, das vor- Vorrichtung der hier in Frage kommenden Art diese

zugsweise in der (1 1 1)-Ebene geschnitten ist und für Hochleistungszwecke unbrauchbar machen kann,

auf dem eine schwach dotierte epitaktische Schicht Im Gegensatz zu den früheren Verfahren kommt für

angebracht ist.. Gemäß F i g. 1 würde ein Transistor das Aufbringen des Siliciumoxids eine Temperatur

aus einem Plättchen 10 hergestellt werden, das einen 60 in dem Ofen 16 zwischen 300 und 450° C zur An-

Unterlageteil 11 aufweist, der stark mit Akzeptor- Wendung, was eine ausreichend niedrige Temperatur

störstoffen dotiert ist, beispielsweise mit einem spezi- im Hinblick auf die Temperaturen ist, bei welchen

fischen Widerstand von 0,005 Ohm.cm, und auf dem in Germanium eine Diffusion von Störstoffen erfolgt,

eine epitaktisch gewachsene Schicht 12 angeordnet Diese niedrige Temperatur wird durch Verwendung

fn ^{Die Scl}"^clltl² hat eine Dicke von etwa 1 bis 65 von Sauerstoff als Trägergas ermöglicht; in diesem

10 μπι, und der spezifische Widerstand dieser Schicht Fall wirkt der Sauerstoff nämlich nicht nur als Träger

betragt etwa 2 Ohm.cm. Das Plättchen 10 ist in Wirk- für den Silandampf in dem Ofen, sondern unterstützt

iichkeit nur ein kleiner, nicht abgetrennter Teil einer auch die Reaktion.

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Obwohl an dieser Stelle des Verfahrens die Schei- Übergangs beträgt dann etwa 1,25 μΐη. Die Scheiben ben nicht so empfindlich gegenüber hohen Tempera- werden an dieser Stelle des Verfahrens aus dem Ofen türen sind wie nach der Emitter- und Basislegierungs- entnommen und zur Erzeugung einer passiven Gerdiffusion, wird doch zweckmäßig auch bei der Oxid- maniumoxidoberfiäche einem Oxydationsverfahren niederschlagung eine niedrige Temperatur ange- 5 unterworfen, das für Transistoren gemäß der Erfinwendet, und zwar wegen des großen Unterschieds dung wichtig ist. Diese Stufe kann jedoch auch verder Wärmeausdehnungskoeffizienten von Siliciumoxid schoben werden, bis sämtliche bei hoher Temperatur und Germanium. Dieser Unterschied verursacht ein verlaufenden Verfahrensschritte an den Plättchen Verbiegen oder Krümmen der Scheibe, was die durchgeführt sind, oder sie kann dann noch einmal genaue Ausrichtung von Photomaskierungen in io wiederholt werden.

anschließenden Verfahrensstufen stört und eine Wird eine saubere Germaniumoberfläche Sauerstoff

Beschädigung der Scheibe oder der Oxidschicht oder Luft ausgesetzt, so bildet sich darauf ein sehr bedingen kann. dünner Überzug aus Germaniumoxid. Dieser Über-

Nach Aufbringung des Siliciumoxidüberzugs 13 zug, der wahrscheinlich primär Germaniummonoxid werden die Scheiben aus dem Ofen 16 entnommen, 15 ist, jedoch auch Germaniumdioxid enthält, ist für und auf die Oberseite wird ein Überzug 26 aus einem einen guten Betrieb der fertigen Vorrichtung erforphotographischen Ätzschutzmaterial aufgebracht, wie derlich. Da die Scheibe jedoch Diffusionstemperadies Fig. 3 zeigt. Das Ätzschutzmaterial dient der türen von etwa 700° C zur Bildung der Basiszone 30 selektiven Entfernung des Oxids 13 zur Diffusion der ausgesetzt wurde, ist ein beträchtlicher Anteil des Basiszone des Transistors. Der Überzug 26 wird 20 Germaniumoxids nicht nur von dem freiliegenden durch eine Maske belichtet, die eine Belichtung des Teil 29 der Germaniumoberfläche, sondern auch ganzen Überzugs mit Ausnahme eines Umrisses der unter der Siliciumoxidschicht 13 absublimiert. Wenn der Basiszone zuläßt. Die Ätzschutzschicht wird dann die Scheibe nach Entnahme aus dem Diffusionsofen in einem Entwickler dafür, z. B. Trichloräthylen, ent- der Luft ausgesetzt wird, bildet sich an der freiwickelt, wobei eine öffnung 27 zurückbleibt, in wel- 25 liegenden Oberfläche 29 erneut Germaniumoxid eher das Siliciumoxid 13 an der Stelle, wo es weg- unter Bildung eines sehr dünnen Überzugs 34, wie geätzt werden soll, freiliegt. Die Scheibe wird dann die stark vergrößerte Querschnittsansicht von F i g. 6 in ein Ätzmittel, z. B. gepufferte Flußsäure, zur Ent- zeigt. Leider bildet sich unter der Siliciumoxidschicht fernung des Oxids in der öffnung 27 eingetaucht, 13 kein neues Germaniumoxid. Die Stelle, wo das wobei ein Loch 28 entsteht, das einen Teil 29 der 30 Germaniumoxid jedoch benötigt wird, ist der Punkt, Germaniumoberfläche mit gleicher Form und Größe wo der pn-übergang 35 die Oberseite des Plättchens wie die öffnung 27 freilegt. Es sei auch bemerkt, daß schneidet, was unterhalb der Siliciumoxidschicht 13 ein die öffnung 28 umgebender Bereich der Oxid- der Fall ist. Daher wird die Scheibe an einer Stelle schicht 13 entfernt wird. Dieser um die Öffnung ver- des Verfahrens nach der Basisdiffusion einer Oxydalaufende Bereich befindet sich in einem Abstand 35 tion unterworfen. Diese Oxydation kann darin bevon allen Zonen, die den fertigen Transistor ergeben, stehen, daß man die Scheibe in Luft oder Sauerstoff so daß die An- oder Abwesenheit von Oxid an dieser einige Zeit auf erhöhter Temperatur hält, wobei Stelle den Betrieb der Anordnung in keiner Weise Sauerstoff durch das Siliciumoxid unter Verbindung beeinflußt. Der Grund zur Entfernung von Oxid in mit Germanium an der Plättchenoberfläche durchdieser Umfangsfläche besteht darin, die Auswir- 40 diffundiert. In einer 250° C heißen Sauerstoffatmokungen verschiedener Wärmeausdehnungen yon SiIi- Sphäre bildet sich beispielsweise die gewünschte ciumoxid und Germanium möglichst gering zu halten Dicke Germaniumoxid in 4 Stunden, während man und die Germaniumfläche zu vergrößern, welche dem bei 450° C nur 30 Minuten braucht. Auf diese Weise Arsendampf während der Basisdiffusion ausgesetzt wird unter dem Siliciumoxid 13 eine Germaniumist, um so verbesserte Eigenschaften des diffundierten 45 oxidschicht 36 gebildet, und diese Schicht 36 kann Bereichs zu erzielen, wie nachstehend näher erläutert dicker sein als die Schicht 34 auf der freiliegenden wird. Germaniumoberfläche. Die Dicke der Germaniumin F i g. 4 ist die Photoätzschutzschicht 26 durch oxidschicht auf ungeschütztem Germanium begrenzt Spülen in einem Lösungsmittel, z. B. Dichlormethan, sich nämlich selbst, da das ungebundene Oxid über entfernt, und die Scheiben werden nun einer Diffu- 50 der ersten, mit den Germaniumatomen verbundenen sion zur Erzeugung einer flachen Zone 30 vom η-Typ molekularen Schicht leicht bei üblichen Betriebsausgesetzt, welche die Basiskontaktzone für jeden oder Verfahrenstemperaturen sich verflüchtigt. Unter Transistor bildet. Der Störstoff vom η-Typ diffundiert dem Siliciumoxid 13 kann sich das Germaniumoxid auch in die Oberfläche des Plättchens rund um die zu beträchtlichen Dicken von etwa 200 Ä aufbauen, Peripherie ein; diese diffundierte Zone erfüllt jedoch 55 was wahrscheinlich wesentlich mehr ist als auf der in der fertigen Vorrichtung, wie vorstehend bereits freien Germaniumoberfläche. Dieses Germaniumoxid gesagt, keinerlei Funktion. über dem Übergang trägt wesentlich zur Qualität der

Die Zone 30 vom η-Typ wird in jedem nicht unter- Halbleiteranordnung bei.

teilten Plättchen einer Scheibe gebildet, indem man Die Scheiben werden dann einer weiteren Nieder-

die Scheiben 14 zusammen mit einer bestimmten 60 schlagung von Siliciumoxid unterworfen. Dabei wird Menge Arsen 33 in einen Diffusionsofen 32 einbringt, eine etwa 1500 A dicke Oxidschicht 37 über der wie dies Fig. 5 zeigt. Ein Trägergas, z. B. Wasser- früheren Schicht 13 und über der Fläche 30 gebildet, stoff, strömt durch den Ofen und die Temperatur des Es ist bemerkenswert, daß die Dicke der Oxidschicht Arsens 33 wird auf etwa 350° C gehalten, während 37 viel geringer ist, als sie für gewöhnlich für Diffudie Scheiben mittels zwei getrennter Heizvorrich- 65 sionsmaskierungen u. dgl. angewendet wird. Diese tungen und einer Temperatursteuerung auf etwa Schicht 37 ist absichtlich so dünn, um eine Reaktion 700° C gehalten werden. Für diese Diffusion ist etwa mit Aluminium in der anschließend aufzubringenden Va Stunde erforderlich; die Tiefe des erhaltenen Schicht zu vermeiden.

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Die Scheibchen mit der durch Diffusion gebildeten 17 % Phosphorsäure, 3 % Salpetersäure und 15 % Basiszone und der Schicht 37 werden nun mit einer Essigsäure und im übrigen Wasser, behandelt, wo-Photoätzschutzschicht 38 überzogen, wie dies aus durch die Schicht 40 mit Ausnahme des unterhalb F i g. 7 ersichtlich ist; eine öffnung 39 wird gebildet, des Segments liegenden Teils 41 entfernt wird. Die indem man an der Stelle, wo das Emittermetall auf- 5 Photoätzschutzschicht 38 und das Segment 41 werden gebracht werden soll, maskiert, belichtet und ent- dann mit einem Lösungsmittel, nämlich Dichlorwickelt. Das unterhalb der öffnung 39 befindliche methan, entfernt, wobei ein Streifen 42 aus dem Oxid wird mit einem geeigneten Ätzmittel entfernt, Emittermaterial zurückbleibt. Das Scheibchen wird und die ganze Oberfläche wird dann mit einer Schicht dann einer Legierungsdiffusion unterworfen, bei wel-40 aus dem Emittermaterial durch Aufdampfen im io eher das Emittermaterial 42 bei einer Temperatur Hochvakuum überzogen. von etwa 700° C geschmolzen wird, indem man das

Die Zusammensetzung des Emittermaterials ist Scheibchen in einen Röhrenofen mit einer Gasatmosehr wichtig und wird daher im einzelnen beschrie- Sphäre, z. B. einer Wasserstoffatmosphäre, einbringt, ben. Vorzugsweise besteht das Emittermaterial über- Das geschmolzene Emittermaterial löst bis zur Erreiwiegend aus Aluminium mit kleinen Mengen eines 15 chung des Sättigungspunktes Germanium, wobei die rasch diffundierenden Donatorstörstoffs, beispiels- erreichte Höchsttemperatur die Eindringung der weise Antimon oder Arsen, und eines langsam dif- Emitterlegierung bestimmt. Die Temperatur des fundierenden Akzeptors, z.B. Gallium oder Indium Scheibchens wird etwas unter die Höchsttemperatur oder beide. Ein Teil des Aluminiums kann durch erniedrigt, worauf Germanium auszukristallisieren Silber ersetzt werden; die Zusammensetzung soll je- 20 beginnt und dabei eine mit Aluminium, Gallium und doch zu mindestens etwa einem Viertel aus Alumi- Antimon dotierte Zone bildet. Der schnell eindiffunnium bestehen, welches in jedem Fall einen Haupt- dierende Störstoff, nämlich Antimon, dringt in die bestandteil bildet, und zwar wegen der Eigenschaft Schicht 12 unter Bildung einer Basiszone 44 ein. Die von Aluminium, Germanium zu lösen, wobei die Dauer und die Temperatur dabei bestimmen die Feststofflöslichkeit etwa 4 ·10²⁰αη-³ beträgt. Bei der 25 Breite oder die Dicke der Basiszone 44. Bei 700⁰C anschließenden Legierungsdiffusion wirkt das Alumi- würde beispielsweise diese Zeit 10 Minuten betragen, nium unter anderem als Trägermaterial; d. h., es löst Nach der gewählten Zeit wird das Scheibchen durch Germanium und befördert die Donator- und Akzep- Entnahme aus dem Ofen oder durch Absenken der torstörstoffe in den geschmolzenen Bereich, während Ofentemperatur abgekühlt. Die Schmelze erstarrt und die Störstoffe allein nicht annähernd so weit ein- 30 bildet eine Zone 45 erneuten Wachstums aus einkridringen würden; es ist dies auf die guten Netz- und stallinem Germanium vom p-Typ. Über dieser Zone Lösungseigenschaften von Aluminium zurückzu- besteht der Rest des wieder erstarrten Emitterführen. Das Aluminium dient auch als der Haupt- kontakts42 aus dem Emittermetall, gemischt mit akzeptor in der sich bildenden Emitterzone. Das Germanium; dieser Teil dient lediglich als ohmscher Gallium und/oder Indium bildet wahrscheinlich wäh- 35 Kontakt zu der Emitterzone 45. Die Oxidschicht 37 rend der anschließenden Entstehung der Emitter- erfüllt während der Legierungsdiffusion eine wichtige Basis-Diode den Hauptteil des diffundierenden Funktion, da sie den geschmolzenen Emitterkontakt Akzeptorstörstoffes. enthält. Das ist besonders dann wichtig, wenn die

Wenn die Schicht 40 aus Emittermaterial auf das geometrischen Abmessungen der Halbleiteranord-Scheibchen aufgedampft wird, können sich die EIe- 40 nung sehr klein sind, d. h., wenn der Emitterkontakt mente Aluminium, Gallium und Antimon in umge- beispielsweise nur etwa 5,1 μΐη breit ist.
kehrter Reihenfolge auf der Oberfläche niederschla- Nach beendeter Emitterlegierungsdiffusion werden

gen, nämlich Antimon zuerst, dann Gallium, dann die Basiskontaktstreifen unter Verwendung von Aluminium, und zwar wegen der relativen Dampf- Photoätzschichten, wie vorstehend in bezug auf den drücke dieser Elemente. Vorzugsweise wird das 45 Emitterkontakt beschrieben, aufgebracht. Zu diesem Emittermaterial sehr rasch unter Erzielung einer Zweck wird auf die Oberseite des Scheibchens ein homogenen Niederschlagungsschicht 8 aufgedampft. Überzug 46 aus einer polymeren Photoätzschutz-Wenn eine weitergehende Steuerung der Donator- schicht aufgebracht, und ein Paar öffnungen 47 und und Akzeptorkonzentrationen erwünscht ist, können 48 werden durch Belichtung durch eine Maske hindie verschiedenen Bestandteile der Schicht 40 nach- 50 durch und Entwicklung darin erzeugt. Die unter den einander aus getrennten Quellen unter Bildung über- Öffnungen 47 und 48 befindlichen Teile der Oxideinanderliegender Schichten aufgedampft werden. schicht 37 werden mit einem geeigneten Ätzmittel Auf jeden Fall erfolgt das Aufdampfen für gewöhn- entfernt. Das Basiskontaktmaterial wird als Überzug lieh in einem evakuierten Raum, wo das Emitter- 50 auf die gesamte Oberfläche des Scheibchens aufmaterial sich auf einem Wolframfaden oder in einem 55 gebracht und besteht vorzugsweise aus Silber oder Tantalschiffchen befindet, die in einem Abstand von einer Silber-Gold-Legierung; es enthält in jedem Fall der Oberfläche des Scheibchens angeordnet sind. Bei einen Donatorstörstoff, z. B. Antimon, und die Dicke Erregung des Fadens durch elektrischen Strom wird des Überzugs beträgt etwa 0,76 μΐη. Ein anderer das darauf befindliche Emittermaterial zum Schmel- Überzug aus einem Photoätzschutzmaterial wird über zen erhitzt, verflüchtigt sich und schlägt sich unter 60 den Metallüberzug 50 aufgebracht und außer an zwei Bildung der Schicht 40 auf den Scheibchen nieder. über den Öffnungen 47 und 48 befindlichen Stellen

Nach Entnahme aus dem Verdampfungsraum wird 51 und 52 wieder entfernt. Der Metallüberzug 50 die Schicht 40 selektiv entfernt, indem man die Ober- wird weggeätzt, mit Ausnahme an den Stellen, wo er fläche des Scheibchens mit einer Ätzschutzschicht durch die Segmente 51 und 52 bedeckt ist; erst dann überzieht, durch eine Maskierung hindurch belichtet 65 wird die Photoätzschutzschicht mit einem Lösungsund dann entwickelt, wobei ein Segment 41 aus dem mittel entfernt, wobei ein Paar Basiskontakte 53 und Material der Ätzschutzschicht zurückbleibt. Das 54 zurückbleiben.
Scheibchen wird dann mit einem Ätzmittel, z. B. aus Diese Basiskontakte werden nun in die Germa-

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niumoberfläche zur Erzielung eines guten ohmschen methode, wie sie vorstehend in bezug auf F i g. 2 Kontrkts einlegiert, indem man das Scheibchen beschrieben ist, überzogen. Dabei ist unerläßlich, daß 10 Minuten auf 400° C erhitzt. Diese Temperatur ist diese Niederschlagung bei einer wesentlich niedriniedriger als die, bei welcher eine Legierungsdiffu- geren Temperatur als die Legierungs- oder Diffusion in dem Emitterkontakt erfolgt, so daß die Basis- 5 sionstemperaturen für die Basis- und Emitterstörbreite oder die Emittereindringtiefe nicht verändert stoffe erfolgt, da jede Einwanderung in die Übergänge wird. Wenn die Basiskontaktstreifen zuerst angebracht oder Zonen in diesem Verfahrensstadium eine genaue werden, kann der Donatorstörstoff in dem Basiskon- Kontrolle der Eigenschaften der Halbleiteranordnung taktmaterial durch die Kontaktzone 30 in die epi- unmöglich machen würde. Ein Paar kleine öffnungen taxiale Zone 12 vom p-Typ eindiffundieren, wie dies io 57 und 58 werden über den Basiskontakten 53 und F i g. 9 zeigt. Die lange, schmale Konfiguration der 54 durch Maskierung mit einer Ätzschutzschicht und Basis- und Emitterkontaktstreifen ist aus F i g. 9 Ätzung freigelegt, während gleichzeitig eine einzige ersichtlich, welche die Vielzahl von geometrischen kleine Öffnung über dem Emitterkontakt 42 ge-Kontaktabmessungen veranschaulicht, die nach dem schaffen wird. Auf die Oberseite des Scheibchens vorliegenden Verfahren hergestellt sind. 15 wird jetzt Aluminium aufgedampft, und zwar in einer

An dieser Stelle sei auf die ungewöhnliche Methode Dicke von etwa einigen Mikrometern, und der Aluhingewiesen, -die zur Begrenzung der Basis- und miniumüberzug wird dann an unerwünschten Stellen Emitterkontaktstreifen . angewendet wurde. Für ge- durch Aufbringung einer Photomaskierung und Ätwöhnlich würden die unteren Überzüge 38 und 46 aus zung selektiv entfernt. F i g. 11 zeigt das verbleibende einem Photoätzschutzmaterial nicht zur Anwendung 20 Muster von verbreiterten Kontakten, wobei ein Emitkonrmen, sondern das Kontaktmetall würde direkt auf terkontakt 59 und ein Basiskontakt 60 über den Oxiddie Halbleiteroberfläche oder auf Siliciumoxid nieder- überzug 56 hinausragen und so verbreiterte Flächen geschlagen, und nur der oberste Überzug würde zur zur Anbringung von Zuführungsdrähten zu Emitterselektiven Entfernung des Metalls aus einem Ätz- und Basiszone ergeben.

schutzmaterial bestehen; eine solche Technik ist zur 25 Der Transistor wird dadurch fertiggestellt, daß Anwendung auf planare Siliciumhalbleitervorrich- man das Scheibchen ritzt und in eine Vielzahl von tungen mit den üblicherweise verwendeten Kontakt- Plättchen 10 auseinanderbricht. Jedes Plättchen wird metallen sehr geeignet. Die für das Emittermaterial dann mittels eines Lötmittels auf einem Sockel oder sowie für die Basis verwendete Metallegierung kann einem anderen geeigneten Träger befestigt, wobei die jedoch nicht leicht von einem auf einer Germanium- 30 Zone 11 den Sockel berührt. Unter Einwirkung von halbleitervorrichtung befindlichen Siliciumoxidüber- Wärme und Druck werden dann dünne Drähte mit zug entfernt werden. Die Methode, die Photoätz- den verbreiterten Kontakten 59 und 60 und mit durch schutzschicht sowohl über als auch unter der Metalli- den Sockel hindurchgehenden Stiftchen verbunden, sierung, vorzugsweise zusammen mit darunter befind- Die Einkapselung der Vorrichtung wird durch Überlichem Siliciumoxid, zu verwenden, ist äußerst erfolg- 35 stülpen eines Bechers über den Sockel und Versiegereich, lung beendet.

Soweit beschrieben, wird der Emitterkontakt- Wie vorstehend erwähnt, wird für die Basisdiffustreifen zuerst niedergeschlagen, und dann erfolgt die sion der erfindungsgemäß verbesserten Germanium-Emitterlegierungsdiffusion, worauf die Basiskontakt- transistoren eine neuartige Diffusionsmaskierung verstreifen niedergeschlagen und bei niedriger Tempe- 40 wendet. Dieses Verfahren wird nachstehend im einratur einlegiert werden. Man könnte auch die Basis- zelnen erläutert. Unter Bezugnahme auf Fig. 12 wird kontaktstreifen zuerst niederschlagen, dann in die bei der üblichen Herstellung von planaren Halbleiter-Plättchenoberfläche einlegieren und anschließend den vorrichtungen eine Oberfläche eines Halbleiterplätt-Emitterkontaktstreifen niederschlagen und daran die chens 1 vollständig mit einer undurchlässigen Mas-Legierungsdiffusion dann durchführen. Anstatt zwei 45 kierung2 bedeckt, beispielsweise aus Siliciumoxid, Einlegierungen bei hoher Temperatur vorzunehmen, mit Ausnahme kleiner Fenster 3, welche in die Maskönnten auch sowohl der Emitter- als auch die Basis- kierung geätzt wurden. Fig. 13 zeigt eine Oberkontaktstreifen gleichzeitig einlegiert werden, wobei fläche eines Halbleiterplättchens 4 mit einer undurchder zuerst niederzuschlagende durch eine kurze, bei lässigen Maskierung 5, beispielsweise ebenfalls SiIiniedriger Temperatur erfolgende Legierungsoperation 5° ciumoxid. Diese Maskierung 5 ist jedoch auf die festgeklebt wird. Halbleiterfläche beschränkt, welche unmittelbar ein

Das vorstehend erwähnte Photoätzschutzmaterial kleines Fenster 6 in der Maskierung umgibt, und bekann von der in den USA.-Patentschriften 2 670 285, sitzt von ähnlichen anderen Maskierungen auf der 2 670 286 und 2 670 287 beschriebenen Art sein. Oberfläche des Plättchens 4 einen Abstand. In

Obwohl vorstehend Siliciumoxid als bevorzugtes 55 Fig. 14 enthält das Halbleiterplättchen 4 ein SubMaterial für die Diffusionsmaskierung beschrieben strat4', auf welchem eine epitaktische Schicht 7 gewurde, können doch auch andere Materialien, z. B. bildet wurde. Die undurchlässige Maskierung 5 wird Aluminiumoxid (Al₂O₃), oder ein glasartiges Material auf der epitaktischen Schicht 7 gebildet, dotierende verwendet werden. Aluminiumoxid besitzt den beson- Störstoffe wurden durch das Fenster 6 in der Maskiederen Vorteil, daß es im Gegensatz zu Siliciumoxid 60 rung in die Zone 9 eindiffundiert, und ebenso befindet nicht mit Aluminium reagiert. Insbesondere kann sich eine Diffusionszone 8 in der epitaktischen Schicht Siliciumoxid für die Schicht 13, Aluminiumoxid für unterhalb der nicht maskierten Stellen der epitaktisch die Schicht 37 und Siliciumoxid wieder für die oberste gewachsenen Oberfläche.
Schicht 56 verwendet werden. Obwohl sich keine exakte Erklärung für diesen

Das Scheibchen mit den einlegierten Basis- und 65 Effekt geben läßt, zeigten Untersuchungen doch, daß

Emitterkontaktstreifen, wie es F i g. 9 zeigt, wird jetzt die Überdotierung verschwindet, wenn die gesamte

mit einer Siliciumoxidschicht 56 nach der bei nied- freiliegende Halbleiteroberfläche vergrößert wird. Die

riger Temperatur erfolgenden Niederschlagungs- in Fig. 13 dargestellte Methode beseitigt den Effekt

und ermöglicht eine geregelte Diffusion durch die in der Maskierung befindlichen Fenster. Auch ergibt das in Fig. 13 dargestellte, unterbrochene Maskierungsmuster bei einer Wärmeausdehnung nicht so starke Spannungen, daß sich das Plättchen verbiegen oder werfen könnte, wie dies bei der in F i g. 12 dargestellten zusammenhängenden Maskierung der Fall ist.

Eine Verwendung für das verbesserte Verfahren zur Herstellung von planaren Halbleitervorrichtungen kann in den kritischen Verfahrensstufen zur Bildung von Basiszonen, beispielsweise bei der Herstellung planarer Germaniumtransistoren gesehen werden. In F i g. 13 und 14 ist ein Teil einer etwa 100 μΐη dicken, p-leitenden Germaniumscheibe 10 mit geringem spezifischem Widerstand mit einer epitaktischen, p-leitenden, etwa 0,5 μπι dicken Schicht 7 mit hohem spezifischem Widerstand darauf gezeigt. Über die epitaktische Oberfläche wurde eine etwa 1500A dicke Siliciumoxidschicht erzeugt. Diese Siliciumoxidschicht kann auf dem Germaniumplättchen mittels einer metallorganischen Verbindung, z. B. Tetraäthoxysilan, wie vorstehend beschrieben, gebildet werden. Das die Maskierung 5 umfassende Maskierungsmuster kann durch vorübergehendes Überziehen des Siliciumoxids in dem gewünschten Muster mit einem Schutzmaterial gebildet werden, wobei der Überzug nach bekannten Methoden zur Aufbringung von Photoätzschutzschichten erhalten wird; anschließend wird auf das Siliciumoxid ein geeignetes Ätzmittel, z. B. gepufferte Fluorwasserstoffsäure, aufgebracht. Diese Ätzung entfernt das überschüssige Siliciumoxid und bildet auch die Öffnungen in der Maskierung, einschließlich der Öffnung 6. Nach dem Ätzen wird ein dotierender Störstoff vom η-Typ, z. B. Arsen, in die freiliegenden Flächen der epitaktisch gewachsenen Oberfläche, wie vorstehend erläutert, eindiffundiert. Diese Diffusion erzeugt in der epitaktischen Schicht die diffundierte Zone 8 und die Basiszonen des Transistors, einschließlich der Basiszone 9. Diese planare Maskierungstechnik beseitigt den unerwünschten Flächeneffekt und ermöglicht eine Steuerung der Diffusion mittels der Ofentemperatur und der Konzentration des dotierenden Stoffs. Wegen der verhältnismäßig großen freiliegenden Germaniumoberfläche kann die Diffusionstiefe und der spezifische Widerstand verhältnismäßig leicht nach der Viersondenmethode bzw. der »Schrägschliff«-Methode gemessen werden.

Die Herstellung von Transistoren aus den in Fig. 13 und 14 dargestellten Strukturen wird wie vorstehend beschrieben beendet.

Für gewöhnlich wird die Diffusion bei der Herstellung von Halbleitervorrichtungen durch die Ofentemperatur und die Konzentration des dotierenden Stoffs in dem Ofen geregelt. Bei der Herstellung von planaren Germaniumhalbleiteranordnungen wurde jedoch ein sogenannter »Flächeneffekt« beobachtet. Dieses Phänomen zeigt sich in einer wahrnehmbaren Verfärbung in den Fenstern der Maskierung nach erfolgter Diffusionsbehandlung und auch in der niedrigen beta- und der niedrigen Emitter-Basis-Durchschlagsspannung von nach der Planarmethode hergestellten Germaniumtransistoren. Dieser Effekt wird durch eine Überdotierung des freiliegenden Teils der Germaniumscheibe bei Verwendung einer Siliciumoxidmaskierung verursacht, verglichen mit der Dotierung einer Germaniumscheibe unter den gleichen Bedingungen.

Ein weiteres Problem, das bei der üblichen Planartechnik auftritt, besteht in dem Verbiegen und Verwerfen des maskierten Halbleiterscheibchens bei Temperaturänderungen. Dieses Verbiegen ist auf die unterschiedlichen Wärmeausdehnungen in dem Halbleiterscheibchen und in der daran haftenden Maskierung zurückzuführen. Obwohl diese Verbiegung nur gering sein kann, kann daraus doch eine Beschädigung des Scheibchens bei anschließenden Verfahrensstufen resultieren.

Ein weiteres Problem bei den üblichen planaren Diffusionsmethoden besteht darin, daß der spezifische Widerstand und die Diffusionstiefe nur schwer zu messen sind. Die Anwesenheit der Maskierung über dem Halbleiterscheibchen verhindert die Anwendung der Viersondenmethode zur Bestimmung des spezifischen Widerstands; diese Viersondenmethode ist dem Fachmann bekannt und von F. M. S m i t s in »Measurement of Sheet Resistivity with a Four-Point Probe«, 37 Bell System Technical Journal, S. 699 bis 718, vom Mai 1958, beschrieben.

Die genannten Schwierigkeiten werden bei Anwendung der in Fig. 13 und 14 dargestellten Methode vermieden.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herstellen eines planaren Germaniumtransistors für hohe Frequenzen auf einem mit einer epitaktischen Schicht überzogenen Germaniumplättchen sowie einer unter Verwendung einer Siliciumoxidmaskierung selektiv diffundierten Basiszone und mit darauf aufgedampften Emitter-Basis-Kontakten, dadurch gekennzeichnet, daß die Siliciumoxidschicht (13) auf der epitaktischen Schicht (12) bei einer Temperatur aufgebracht wird, die unterhalb der Temperatur liegt, bei welcher die Diffusion von Störstoffen im Germanium erfolgt, und daß eine Germaniumoxidschicht (36) zwischen der Siliciumoxidschicht (13) und der epitaktischen Schicht (12) angebracht wird, die den oben liegenden Basis-Kollektor-Übergang überdeckt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Siliciumoxidschicht (13) bei einer Temperatur von 300 bis 450° C aufgebracht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Siliciumoxidschicht (13) und die Germaniumoxidschicht (36) in einer Atmosphäre mit Sauerstoffüberschuß gebildet wird.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß nach der Basisdiffusion ein zweiter Oxidüberzug (37) bei niedriger Temperatur gebildet wird.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen