DE1544324A1 - Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung mit einer selektiv auf einem halbleitenden Substrat niedergeschlagenen,epitaktischen Schicht - Google Patents

Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung mit einer selektiv auf einem halbleitenden Substrat niedergeschlagenen,epitaktischen Schicht

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DE1544324A1 DE19661544324 DE1544324A DE1544324A1 DE 1544324 A1 DE1544324 A1 DE 1544324A1 DE 19661544324 DE19661544324 DE 19661544324 DE 1544324 A DE1544324 A DE 1544324A DE 1544324 A1 DE1544324 A1 DE 1544324A1
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Description

Dlpl.-Ing. Egon Prinz
Dr. Gertrud Hauser «ooo Manch·».»·»!««' 7. Juli 1966
Dlpl.-Ing. Gottfried Leiser Era.b.rg.i.ir.,.· it ■
Patentanwälte . t E? / / 1 "> / Telegramme! Labyrinth MOnchen
Telefon: 83 15 10
Poitichedckontoi München 117078
Texas Instruments Incorporated 13500 North Central Eypressway Da 1 1 a β , Texas / USA
Unser Zeichen: T 575
Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung mit einer selektiv auf einem halbleitenden Substrat niedergeschlagenen, epitaktischen Schicht
Die Erfindung betrifft ganz allgemein Halbleitervorrichtungen und insbesondere ein Verfahren sur Erzeugung eines epitaktischen Stifts oder Stopfens mit genau bestimmbarer Dicke; die Erfindung umfasst auch die verschiedenen Handelsgegenstände, welche nach der neuen Methode hergestellt werden können·
Bei der Herstellung von Halbleitervorrichtungen ist es derzeit allgemein üblich, auf einem einkristallinen Halbleitersubstrat durch epltaktisohes Wachstum zusätzliches einkristallines Halbleitermaterial zu bilden. Allgemein liefert das epitaktische Wachstum ein Mittel, um eine
Dr.Ha/Ma . Sohioht
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Schioht ait praktisch jeden beliebigen Widerstand und aus jedem Halbleitermaterial auf eine« Substrat nit dem gleichen oder einem anderen Widerstand oder dem gleichen oder einem anderen Leitfähigkeitetyp wachsen su lassen. Ein weiterer Vorteil.besteht darin, dass die epitaktisohe Schicht in der Regel einen gleiohmässigen Widerstand durch ihre ganze Dicke hinduroh aufweist und nicht einen graduellen Widerstand, wie er sich natürlich bei Diffusionsverfahren einstellt.
Grans allgemein war die Verwendung von epitaktisohen Schichten zunächst auf Vorrichtungen beschränkt, bei welchen eine Schicht über dem ganzen Substrat gebildet wurde und dann aktive Zonen ansohliessend in die epitaktisohe Schicht eindiffundiert wurden· Heuerlich wurden Methoden entwickelt, um das Substrat so mittels einer Maskierung aus Siliciumoxyd su maskieren, dass die Stellen, an welchen ein epitaktisches Wachstum erfolgt, gesteuert werden können (β. IBM Journal, Juli i960, Seiten 261-263)· Ein unerwünschtes Wachstum des epitaktischen Materials auf der Oberfläche des maskierenden Oxydfilme kann dadurch nahezu völlig ausgeschaltet werden, dass man die fläche des Oxydfilme auf ein Minimum reduziert, indem man nur eine Umgrensungslinie zur Definition der fläche, auf welcher das epitaktische Material wachsen soll, aufbringt.
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Trots dieser Fortentwicklung der Technologie der Herstellung epitaktischer Zonen in Halbleitervorrichtungen blieb es bisher unmttglioh, die Bioke der epitaktisohen Sehiohten su messen und somit su kontrollieren, insbesondere wenn die Schichten extrem dünn sein Bussen} es ist dies auf den physikalischen Charakter des epitaktisohen Material· surttoksufuhren, das i« we»entliehen eine Fortsetzung des als Impfstoff dienenden Substrats ist. Ss war daher extrem schwierig, Halbleitervorrichtungen so genau su bauen, dass man sieh der theoretisch optimalen Leistung annäherte, weil die Widerstände mnd die Bioken der verschiedenen aktiven Zonen der Verrichtungen nicht genau gesteuert werden können. So ist β.B. eine Sohottky-Sperre, d.h. eine Hetallhalblelterdiode, in Jüsohsohaitungen ein verhlltnismässig rausoharmes Gebilde, γ·rgliehen mit anderen Arten τοη Dioden, um jedech die Teilen Vorteile einer Sohottkjr-Sperre su ersielen, müssen die Kapaeität bei der Terspannung lull und der Serien-Widerstand niedrig genug «ein, um Verluste klein su halten und einen angemessenen Umwandlung«etro« su erhalten. Spitaktisohes Material kann für den Halbleiterteil des Übergangs verwendet werden. Bas ermöglicht es, eine HaIbleitersehioMt mit hohem Wideretand, was eine niedrige tibergangekaps&sitit sur folge hat; auf ein Halbleitersubstrat mit geringem Widerstand auf subringen, was einen
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su dem Kathodenkontakt führenden niedrigen Serienwider stand ergibt. Unter Anwendung der derzeit zur Verfügung stehenden Methoden konnte die Dicke der epitaktisohen Schicht nicht mit einem beliebigen Genauigkeitsgrad gesteuert werden, und zwar in erster linie, weil die Sicke der Schicht nicht messbar war und der Bau der Vorrichtungen rerhältnismässig dicke epitaktische Schichten erforderte. Infolgedessen war die Dicke von unter dem Raumladungsgebiet in einer axialen Struktur verbleibendem, Ton Ladungsträgern nicht entblösste« epitaktisehern Material gross genug« um beträchtlich zu dem Serienwiderstand beizutragen, was unerwüneeht ist. Wenn der Serienwiderstand der epitaktisohen Schicht soweit erniedrigt wird, dass dieser zusätzliche Serienwiderstand kompensiert wird, nimmt die auf die Flächeneinheit bezogene Übergangskapazität der Diode zu, was ebenfalls unerwünscht ist. Wenn die Gesamtkapazität durch Verkleinerung der Übergangsfläche verringert wird, tritt ein höherer Serien- und Ausbreitungswiderst&nd auf.
Ein ähnliches Problem tritt bei der Herstellung von Transistoren und integrierten Schaltungen auf, indem die Dicke sehr dünner epitaktischer Schicht nicht genau kontrolliert werden kann. Z.B. soll bei der Herstellung
eines 009851/1582 bad original
eines Transistors sowohl die Breite oder Dicke der Basis als auoh die Konzentration an Störstoffen in der Basis genau kontrolliert werden. Bei den meisten Transistoren ergibt sich die Basisbreite durch den Unterschied in der Tiefe der Basis und der Emitterzone und die Störstoffkonzentration variiert über die ganze Breite der Basiszone infolge desDiffusionsgefalles* Ähnliche Probleme existieren bei der Herstellung integrierter Schaltungen, wo Transistoren, Blöden und andere Halbleitervorrichtungen alle auf einem einzigen Substrat gebildet werden.
Eine wichtige Aufgabe der Erfindung ist daher die Schaffung eines Verfahrens zur genauen Kontrolle der Dicke einer sehr dünnen, an einer vorherbestimmten Stelle auf der Oberfläche eines Substrats gebildeten epitaktischen Schicht. .-'■■■
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer verbesserten Metall-Halbleiterdiode, in welcher Halbleitermaterial mLt hohem spezifischem Widerstand so dünn ist, dass die Sperrschicht durch die Zone mit hohem Widerstand bis zu einem Substrat mit geringem spezifischem Widerstand durchgeht;, wodurch der Serien widerstand auf nahezu Null .reduziert-wird'. .
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Diode mit einer flachen Kapazitäta-Spannungakurve mit einem geringen Serienwiderstand» bis die Durchlasβ-spannung einen bestimmten Wert erreicht.
Die Erfindung betrifft ferner die Schaffung eines verbesserten Germaniumtransistors oder dergleichen.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer integrierten Schaltung, in welcher eine Metallhalbleiterdiode mit der Basis eines Transistors in Reihe geschaltet ist.
Die Erfindung umfasst ferner eine integrierte Schaltung, in welcher eine Metallhalbleiterdiode zu dem Basis-Kollektor üb er gang eines PHP-Transistors parallel geschaltet ist, so dass eine Vorspannung des Basis-Kollektorübergangs in Durchlassrichtung vermieden und dadurch die Schaltung des Transistors beschleunigt v/Lrd.
Diese und andere Aufgaben werden geniäss der Erfindung durch ein Verfahren erfüllt, bei welchem auf der Oberfläche eines einkrisfcallinen Halbleitersubstrat^ ei < Oxydfilm mit vorherbestimmter Dicke gebildet wird, riese
ϊ χ £ka
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Dicke kann bis auf einige hundert Angströa genau geaessen werden, indea nan die farbe des Piles ait Farbtabellen vergleicht und sie kann innerhalb einiger weniger Angströa ■it Hilfe Ton Interfer-oaeteraethoden bestiaat werden. Diese Messungen können ohne Sohaden fttr den Oxydfile erfolgen. Bine genaue Messung ermöglicht die genaue Kontrolle der Filadioke durch Abstioaung der Verfahrensparameter aufeinander. 9er Oxy&fila wird dann nach üblichen photolithographisohen Methoden in Fora eines Musters gebracht, welches das Substrat an Torherbestiaaten Stellen freilegt. Der Oxydfila wird auch an allen alt dea freigelegten Substrat nicht susaaaenhängenden Stellen entfernt, so dass nur ein Oxydstreifen surüokblelbt, welcher den TJariss der rorherbestiaaten Flächen »egrenit. Dann wird ··>»?,£ den durch die Oxyde chi cht hinduroh freigelegten Flächen des HalbleiterBubstrats epitaktisohes Material niedergeschlagen, bis dieses eine etwa der Dicke des Oxydfilaa entsprechende Dicke erreicht hat; die Dicke des Öxydfilas ist genau bekannt. Der Oxydfila dient als zuverlässige Diokeaarkierung, Ton der ausgehend die genaue Dicke der epitaktisohen Schicht durch einfache aechanisohe Methoden ohne Beschädigung der epitaktischen. Schicht bestlaat werden kann. Die einseinen Abschnitte epit&ktischen Verfahrens können dann so gewählt werden,
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dass man die Dicke genau kontrolliert. Die Möglichkeit, die Dicke jeder epitaktischen Schicht oder von willkürlich aus einer Verfahrenscharge ausgewählten Schichten nach einer billigen und genauen Methode ohne Beschädigung der ganzen Vorrichtung messen zu können, erlaubt somit die genaue Kontrolle der Dicke der epitaktischen Schicht duroh entsprechende Einstellung der Verfahrensabsohnitte.
Bei der erfindungsgemässen Herstellung einer Diode wird auf einem niederohmigen Substrat in einer wie vorstehend beschrieben begrenzten Fläche eine dünne, hoohohmige, epitaktieche Schicht gebildet. Bin zweiter Oxydfilm oder eine andere Isolierschicht wird dann auf die epitaktieche Sohloht aufgebracht. In die zweite Oxydschicht schneidet man tine Öffnung und schlägt einen nioht-legierenden Metallfilm auf der Öffnung unter Bildung einer Metallhalbleiterdiode nieder. Geaäsa einer wichtigen Ausflihrungaform der Erfindung ist das epitaktisohe Material hoohohmig und seine Sicke iet gleioh oder geringer als die normale Breite der Verarmungszone oder Sperrschicht - ä@® kjöhohraigen apitaktlochen Materials, so dass man einen
von etwa Hull und eine flache Kapazitätsigskurve B^MIt9 Ms die Burcfalassspannung einen Lkatoa-Ifert .erreicht liaty ier ausreicht, um die auf "einen kleineren Instand &Xä die -
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der epitaktischen Schicht herabzusetzen. Ferner besteht die epitaktisohe Schicht vorzugsweise aus einem Material mit verhältnismässig hohem Widerstand, so dass sich eine niedrige Übergangskapazität pro Flächeneinheit ergibt.
Gemäss einem anderen Merkmal der Erfindung erhält man einen Transistor mit einer vorherbestimmten Basisbreite und einem nahezu konstanten Diffusionsgefälle, indem man auf einem Substrat eine epitaktrische Schicht mit einer vorherbestimmten Dicke unter Bildung der Basisregion erzeugt, In die epitaktische Zone kann eine genau kontrollierte, sehr flache Emitterdiffusion vorgenommen werden oder man kann eine zweite epitaktische S.chicht unter Bildung des Emitters wachsen lassen.
Gremäss einem anderen-Merkmal der Erfindung stellt man eine hochgeschwinde Schaltvorrichtung, bestehend aus einem PNE-Transistor und einer Metall-Halbleiterdiode, wobei Kollektor an Basis angeschlossen ist, her, indem man einen hochohmigen, N-leitenden epitaktischen Stift mit vorherbestimmter Dicke auf einer F-leitenden Basiszone mit höherer Leitfähigkeit wachsen lässt. Ein mit nieder-. ohmi<.r-?m Halbleitermaterial einen Ohm1 sehen Kontakt ergeben .·!.-! ·. Metall film, welcher mit hochohmigem Material einen gin Lohriohtentltin K--takt ergibt9 wird dann auf einem
Bin Muster bildenden Oxydfilm unter Bildung dee Diodenübergänge niedergeeohlagen· Der Metallfilm wird dann in ein Muster gebracht, um die erforderlichen verbreiterten Eontakte oder die leitenden Zwisehenverbindungen zu ergeben*
Die Erfindung wird durch die folgende Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung, welche einseine Aueführungsfermen der Erfindung darstellt, näher erläutert.
In der Zeichnung «eigen:
Fig. 1 eine vergröseerte, leicht schematisierte Schnittansicht einer erfindungsgemäss erhaltenen Diode, welche aueh das Verfahren erläutert,
?ig. 2 eine vergröseerte, leicht schematisierte perspektivische Darstellung, welche eine Stufe des erfindungsgemäasen Verfahrens zur Herstellung der Diode Ton Fig.-1 erläutert,
Fig. 3 eine Tergröaserte, leicht schematisierte Draufsicht auf eine Hybrid-Mischschaltung,
Fig. 4 eine ver grosser te, leicht schematisierte Draufsicht auf eine der in der Misohsohaltung von Fig. 3 verwendeten, erfindungsgemäsa hergestellten Di jden5
009851/1682 BADOR1G1NA1.
Fig. 5 ein· Tergrösserte, leicht schematisierte Sohnittansicht entlang der Linie 4-4 τβη Fig. 3t
Pig. 6 cine Tergröeserte, leicht schematisierte Sehnitt-
anaioht einer nach de« erfindungBgeBassen Terfahren hergestellten integrierten Schaltung,
Fig. 6a ein entsprechendes 8ohaltdiagram der Verrichtung Ten Fig. 6,
Fig. 7 eine rergrOeserte, leicht aoheaatialerte Sohnltt-
ansicht eines nach des erfindungege*äe»en Terfahren hergestellten transistors,
Fig. 8 eine vergrSsserte, leicht soheaatisierte Schnittansicht einer nach de« erfindungsgeaässen Terfahreu erhaltenen Torrichtung «it hoher Sohaltgeschwindigkeit, und
Fig. 9a ein entsprechendes Sohaltdiagraim der Schaltvorrichtung Ton Fig. 8.
Ia Fig. 1 ä®T Seiehntang Ist Θ±η© allgemeim alo
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rersehen. Der gleichrichtende übergang ist zwischen einem Metallfilm 12 und einem hochmoheigen, H-leitenden epitaktischen Stift H gebildet. Der Metallfilm 12 dient als rerbreitert er Anodenkontakt. Der epitaktieohe Stift 14 ist auf einen einkrietallinen, rerhältniamäsaig niederohmigen Substrat 16 gewachsen und ein zweiter Metallfilm 18 auf der gegenüberliegenden Seite des Substrats 16 dient als Kathodenkontakt. Ein thermisch gewachsener Oxydfilm 20 ergibt die Sandisolierung für den epitaktischen Stift 14 und dient ausserdem, wie nachstehend beschrieben, als Markierung für ein epitaktische· Wachstum} ein verhältnismässig dicker, niedergeschlagener Oxydfilm 22 rerstärkt die Trennung zwischen dem niederohmigen Substrat und dem Anodenmetallfilm 12 und rerringert so die Streukapazität der Diode, wie hler neon beschrieben wird.
Gemäss einem wichtigen Merkmal der Erfindung besteht der die Kathode bildende epitaktieohe Stift 14 aus hochohmigem Material und er besitzt eine genau kontrollierte Dicke, welche gleich oder geringer ist als die für den jeweiligen Widerstand berechnete Sperrschichtbreite. Das hochohmige Material maoht die Obergangekapazität pro Flächeneinheit sehr gering. Wenn die Dioke des epitaktisohen Materials geringer 1st als die Sperrschichtbreite, erstreckt sich
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die Sperrschicht bis zur Oberfläche des niederohmigen Substrats 16, so dass kein nicht-Terarmtes epitaktisches Material zurückbleibt. Das hat einen Serienwiderstand für das epitaktische Material von nahezu Null zur Folge. Wenn ferner die Dicke des epitaktisohen Stifts 14 geringer ist als die normale Sperrschichtbreitet, ist die effektive Sperrschichtbreite gleich der Dicke des epitaktisohen Materials. Die Kapazitäta-Spannungakurve bleibt dann i« wesentlichen flach, bis die Durohlassspannung über die Diode hoch genug ist, um die natürliche Sperrschichtbreite auf einen kleineren Wert als die epitaktisohe Dicke zu reduzieren. Da das epitaktisohe Material 14 sehr dünn ist, erfolgt während des epitaktisohen Wachstums, eine gewiss· Selbstdotierung τοη dem Material des Substrats· Das setzt den Widerstand des epitaktischen Materials herab und bedingt eine obere Grenze des erzielbaren Widerstands des epitaktisohen Materials. '
Bei Herstellung der Diode 10 nach dem erfindungsgemässen Verfahren wird auf dem niederohmigen, einkristallinen, ΙΓ-leitenden Halbleitersubstrat 16 ein Oxydfilm gebildet. Das Oxyd lässt man vorzugsweise thermisch wachsen, obwohl auoh andere Arten τοη Oxyden gegebenenfalls Terwendet werden oder nötig sein können, um vorhergehende Diffusionen
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oder eine andere Struktur su schützen. In den meisten Fällen kann jedoch ein thermisch erzeugtes Oxyd verwendet werden, da die bei den hohen Temperaturen erfolgende erneute Störetoffverteilung das spätere Verhalten der Vorrichtung nicht beeinflusst und daher unwichtig ist. Die Dioke des Oxydfilms wird etwa gleich der gewünschten Dicke des epitaktisohen Stifte U gewählt und die Sicke kann innerhalb viel engerer Fehlergrenzen als sie erforderlich sind nach die Vorrichtung nicht angreifenden Methoden genau bestimmt werden. So kann z.B. die Dicke der Oxydsohioht durch visuelle Beobachtung der Farbe auf etwa ί 100 1 bestimmt werden; auf einige wenige Angström kann sie unter Anwendung üblicher Interfe.rometermethoden bestimmt werden. Wichtig ist, dass der Oxydfilm auf diese Weise ohne Beschädigung des Oxyds gemessen werden kann, so dass die Dicke in einem Zwischenstadium bei der Herstellung der Vorrichtung überwacht werden kann·
Dann wird der. Oxydfilm in Form eines Musters gebracht, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist, wobei übliche photolithographische Methoden xur Entfernung des Oxydfilms und Freilegung des Substrats 16 an den vorherbestimmten Stellen, an welchen die epitaktische Schicht oder der Stift 14 niedergeschlagen werden soll, angewendet werden. Wichtig 1st, dass alles überschüssige Oxyd entfernt wird, mit Ausnahme
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des but Umgrenzung der Fläche, in welcher der epitaktische Stift niedergeschlagen werden sell, erforderlichen und dee tür Verhinderung eines Kurssohlusses der aktiven Zonen der Vorrichtung nötigen. Be ist wichtig, alle· übereohüaeige Oxyd, welches nicht sur Umgrenzung der vorherbestimmten fläche erforderlich ist, «u entfernen, um ein unerwünschtes Wachstum des epitaktisohen Materials auf der Oxydoberfläche >u τerhindern. Allgemein nimmt man an, dass ein unerwünschte· epitaktisohes Wachstum auf der Oberfläche des Oxyds 20 dadurch verhindert wird, dass das epitaktisohe Material entlang der Oberfläche des Oxyds wandert, bis es «einen Weg iu dem Substrat 16 findet, es «ei denn, es trifft asaf. sin« Unragelmissigkeit in der Oberfläche d«a Oxydfilms 20, in welcher ·■ •ich ansammeln kann. Verkleinert man die Oberfläche des Oxydfilms 20 auf das sur Umgrentung der Flachem 24 erforderliche Minimum, bei welchem die Oxydsohioht auch noch ihre elektrische Isolierfunktion erfüllt, sind die Aussichten, dass da· epitaktisohe Material in einer solchen ünregelmäeslgkeit Fuse fasst, «ehr gering. Man nimmt auch an, da·· dieses Phänomenen langsamere· Wachstum der epitaktiaohen Schicht nach Erreichen der der Oxydschicht entsprechenden Sicke bedingt, so dass der Moment des Abbruchs der epitaktieohen liederschlagung sur Srsielung der gewünschten Dicke nicht mehr so kritisch
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Alsdann wird auf der freigelegten Oberfläche des Halbleitersubstrats 16 hochohmiges, N-leitendes Material epitaktisch wachsen gelassen. Das in der von den zentralen Öffnungen 24 begrenzten Fläche aufgewachsene epitaktische Material bildet den Stift 14. Bas auf der übrigen freiliegenden Oberfläche des Substrats 16 gewachsene überschüssige epitaktische Material 26 spielt für die Funktion der Halbleitervorrichtung keine Rolle. Nach liederechlagung der epitaktiechen Sohioht kann die Sicke der Sohioht und insbesondere der Stift 14 mit üblichen Mechanischen Profilierrorrichtungen geprüft werden, z.B. Hit de* von Taylor-Hobeon, Leicester, England, einer Abteilung der Bank Organisation, unter der Handelsbezeichnung Talysurf verkauften Gerät. Das Profil zeigt, bis auf ein Mikron oder weniger, genau die Dicke des epitaktieohen 8tifte relativ zur Dioke der als Bezugsmarke dienenden Oxydschicht 20 an.
Als nächstes wird die Oxydschicht 22 nach einen beliebigen üblichen liedertemperaturverfahren auf das Substrat aufgebracht. Ein Hiedertemperaturverfahren ist deshalb eines thermisch aufgebrachten Oxyd vorzuziehen, weil eine erhöhte Temperatur eine Diffusion ven den Substrat in den Stift 14 und eine Störetoffanreicherung an der Stiftoberfläohe zur Folge hat. Die Oxydechioht 22 wird so dick wie ohne
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Rissebildung möglich gemacht. Zu diesem Zweck können drei übliche Isolierschichten, nämlich glasig· Schichten, thermisch gewachsene Oxyde und bei niedrigeren Temperaturen als sie für ein thermisches Aufwachsen erforderlich sind, niedergeschlagene Oxyde verwendet werden; alle ergeben jedoch keinen optimalen Zustand. Obwohl z.B. die glasigen Schichten in beträchtlicher Sioke erhalten werden können, lassen sie sioh doch nicht auf photolithographiaohem Wege mit ausreichender Auflösung in Form eines Husters bringen, so dass die Übergänge auf verhältnismässig grossβ Flächen beschränkt sind. Thermisoh gewachsene Oxyde können in grossen Dicken erhalten werden und besitzen eine gute Auflösung, jedoch beeinflussen die bei den für das Oxydwachstum erforderlichen erhöhten Temperaturen auftretenden erneuten Störstoffverteilungen oft andere Zonen der Vorrichtung ungünstig und sind daher unerwünscht, niedergeschlagene Oxyde besitzen eine gute Auflösung, sind jedoch, wenn sie in ausreichender Dicke gebildet werden, von schlechter Qualität und neigen dazu, Risse und Sprünge zu bilden und winzige Löcher zu entwickeln*
Als nächstes wird die Oxydschicht 22 nach üblichen photolithographisehen und Ätzmethoden in Form eines Masters gebraoht, wobei man in der Oxydeohioht über dem Stift 14 eine Öffnung bildet. Sohlieaalioh wird auf das ganze
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Substrat eine Metallschicht aufgebracht, welcher die Form des Kontakts 12 gegeben wird. Wichtig ist, dass für den Kontakt ein Metall gewählt wird, welches mit dem Stift 14 einen gleichrichtenden und keinen Ohm*sehen Kontakt bildet. Molybdän ist ein Beispiel für ein geeignetes Metall und auch Gold kann verwendet werden, wenn die Temperaturen später unter 3770C bei Silicium als Material für das Substrat gehalten werden. Vorteilhaft verwendet man eine Schicht aus Molybdän und eine Schicht aus Gold. Bas Molybdän ist deshalb bevorzugt, weil es bei für gewöhnlich bei der Herstellung zur Anwendung kommenden Temperaturen sich nicht mit Silicium legiert, weil es ausreichend fest an Silicium und Siliciumdioxyd haftet, sieh nicht mit Gold legiert und nicht von diesem durchdrungen wird und weil es selektiv nach den üblicherweise bei der Herstellung von Halbleitervorrichtungen sur Anwendung kommenden Aufdampf- und Photoätasohutaschiohtmaakierungemethoden aufgebracht werden kann. Gold ist für die oberste Sohioht deshalb ideal, weil es stark leitend ist, so dass kein Serienwiderstand eingeführt wird; es haftet an Molybdän und es kann leicht mit den üblicherweise verwendeten dünnen Golddrähten verbunden werden, ohne dass sich bei Verwendung von Aluminium als Kontaktmetall AuAl2 bildet.
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lach der Torstehend beschriebenen Methode wurden der Fig. 1 entsprechende Dioden hergestellt, in welchen die «praktischen Stifte 14 etwa 0,020 bis etwa 0,024 «11 diok waren und einen Durchmesser τοη etwa 1,0 eil aufwiesen} der Durchmesser des kreisförmigen Oxydrings 20 betrug etwa 10,0 ail und die niedergeschlagenen Oxydfilme 22 waren etwa 8 000 2 diok, was eine Gesaatoxyddioke Ton etwa 13 000 1 ergibt. Oer Durchmesser des Übergangs «wischen dem Metall 12 und dem epitaktischen Stift 14t d.h. 4er Durchmesser dta in die niedergesohlapie Oxydsohioht 22 eingeschnittenen üoohs betrug etwas weniger als 1,0 mil. Die Diode» wurde© in Packungen mit einer Kapazität Ton etwa 0,16 pt getestet* Unter Verwendung dieser Packungen erhielt man die folgenden typischen Parameter der Vorrichtungι
Durohlassspannung bei 10 mA ~ 0,85 V Sperrspannung bei 10yuA M 11 V Oesamtkapasitat bei einer Vorspannung
lull bei 1 MHs ^ 0,35 pF
Serienwiderstand ^, 17 Ohm
Zieht man die Kapasität der Packung ab, so Terbleibt eine gesamte Obergangskapasität τοη etwa 0,19 pF* Der Serienwiderstand war höher als erwartet, ebenso die
lapasität 009851/1582 ßAD
Kapazität bei einer Vorspannung Hull; die höheren Werte können jedoch durch den Selbstdotierungseffekt erklärt werden. Die Vorrichtungen wurden mit einem epitaktisohen Material Bit einem Wideretand τon etwa 3,0 Qhm.om gebaut, ao dass die Sperrschichten etwa 0,02 mil betrugen. Ein niederohmigeres Material würde eine schmälere Sperrschicht ergeben, so dass man eine höhere Kapazität pro Flächeneinheit und einen höheren Serienwiderstand erhalten würde. Infolge mechanischer Probleme lässt sich der Widerstand τοπ sehr dünnem epitaktisohem Material nur sehr sohwer messen, so dass der spezifische Widerstand aus den Parametern der Vorrichtung «urüokbereohnet werden muss, führt man diese Berechnung durch, beträgt der spezifische Widerstand dts epitaktisohen Materials entsprechend der beobachteten Kapazität und dem Widerstand etwa 0,1 bis 0,5 Ohm.om.
Mach der vorstehenden Technik wurden auch Mikrowellen-Mischeohaltungsdioden hergestellt. Die in diesem Tall erhaltenen elektrischen Messwerte waren die folgenden:
Durohlassspannung bei 10 ml Sperrspannung bei 10 ml
Sesamtkapasitit bei einer Vorspannung lull Hei 1 MHs
Rausohpegel bei 8,5 GH* Gleiohgeriohteter Strom
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ο, 85 V
14 V
0, β pF
8 - 10 db
ο, 2 - 0,4 ml
Die
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Die Höhere Kapazität bei einer Vorspannung Full für diese Vorrichtungen ist das Ergebnis einer höheren Paokungskapazität.
In Pig. 3 ist eine Hybrid-Misohechaltung für das Band X zum Misohen eines ankommenden Signals von 9 GHz mit einem Überlagerungssignal von 8,5 GHz zur Erzeugung einer Zwischenfrequens von 500 HHz allgemein Bit 50 bezeichnet. Die Hybrid-Mischsohaltung wird aus metallischen Leiterstreifen gebildet, welche direkt auf einem hochohmigen Substrat aus Silicium oder eigenleitendem Galliumarsenid mit einer MetaUbalegung auf der gegenüberliegenden Seite gebildet sind. Die besondere Bauart und Wirkungsweise der Hybrid-Misohsohaltung 50 ist dem Fachmann bekannt und bildet daher keinen Teil der Erfindung. Zwischenverbindungen bildende Streifen 56, 57, 58 und 59 bilden ein 3 db Hybrid-Leltermuster, wo die einkommenden Signale gemischt, umgesetzt und an zwei Diodenstrukturen 60 angelegt werden, welohe sich an den Enden von 1/4-Wellenlängenfilterabaohnitten 61 und 62 befinden, so dass die Energie des X-Bandea daran gehindert wird, die Zwisohenfrequenzverstärkeratufe zu erreichen.
Die Dioden 60 sind naoh dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellt und eine Diode ist in Pig. 4 und 5 erläutert.
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Wie am besten aus Fig. 5 zu ersehen ist, besitzt das heohohmige Substrat 64 aus Silioium oder eigenleitendem Galliumarsenid auf einer Seite eine metallische Zündfläche 66. Sie Siode 60 besteht aus einer diffundierten Zone 68, deren Form in gestrichelten Linien in Fig. 4 dargestellt ist, welche einen geringen spezifischen Widerstand für einen Ohm*sehen Kontakt mit einem Leiterstreifen ergibt. Ein vorzugsweise thermisch gewachsener Oxydfilm 70 wird über dem Substrat 64 in einer der gewünschten Stärke
des niederzu schlagenden, hoohohmigen epitaktisohen
Stifts entsprechenden Sicke gebildet. Bor Oxydfilm 70 wird dann naoh photolithographisohen Nethoden in die For m eines einen länglichen Schlitz 72 umgebenden Rahmens gebraoht, wie am besten aus der gestrichelten Linie in Fig. 4 zu ersehen ist. Auf die freigelegte Fläche des Substrats rund um den Silioiumoxydrahmen 70 und innerhalb der länglichen öffnung 72 wird dann eine hoohohmige epitaktisohe Schicht 74 unter Bildung eines llnglichen epitaktisohen Stifte 74a niedergeschlagen. Auf dem Substrat wird dann bei verhältnismässig niedriger Temperatur ein Oxydfilm 76 niedergeschlagen und nach üblichen photolithographischen Methoden unter Bildung eines länglichen Schlitzes 78, welcher quer über den länglichen epitaktisohen Stift 74a verläuft, in Form eines Musters gebracht. Wichtig ist, dass die Zeit, während weloher das Oxyd dem Itzmittel
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ausgesetzt let, so kontrolliert wird, dass nicht auch die erste Oxyd8chioht 70 weggeätst wird. Dann wird ein «weites photolithographisohes und itxrerfanren durchgeführt , wobei öffnungen 80 und 82 duroh beide Oxydsohichten 70 und 76 unter Freilegung der gegenüberliegenden Enden der diffundierten Zone 68 geschnitten werden.
Über dem Substrat wird dann ein Metallfilm niedergeschlagen und in Fora der Leiteretreifen 61a bsw. 61b gebracht. Die Leiteretreifen 6ia und 61b müssen alt der niederehmigen diffundierten Zone 68 einen 0ha*sehen Kontakt hingegen ■it dem hoohohmigen, epltaktlsohen Stift 74a ·1η·η gleichrichtenden Kontakt ergeben. Als Metall für die Leiterstrelfen kann Molybdän oder Geld gewählt werden; voriugsweiee wird jedoch τοη jeden dieser Netalle, wie verstehend beschrieben, eine Sehioht aufgebracht. Diese Methode erlaubt die Erzielung einer duroh das Quadrat 84 uagrensten, extrem kleinen Obergangsfläche «wischen einem Metall und einem hoohohmigen Halbleiter mit gesteuerter Dicke und gesteuerter Störstoffkonsentratlon, wahrend man gleichseitig eine oberfläohenerientierte Struktur auf einem eigenleitenden Substrat bildet, welche ■ochfrequensleiterstreifen tragen kann. '
In fig. 6 ist eine nach dem erfindungsgemässem Verfahren hergestellte, integrierte Schaltung garn allgemein mit
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dem
dem Bezugszeichen 100 bezeichnet. Die Sohaltung umfasst einen Iransietor 102 und eine Ketallhalbleiterdiode 103. Sowohl der Transistor als auch die Diode sind von planerer Bauart. Eine der Vorrichtung 100 entsprechende Schaltskizze ist in Fig. 6a gezeigt. Der Transistor 102 ist ▼on üblicher Bauart und besteht aus einer N-Ieitenden diffundierten Kollektorzone 104, die in einea P-Ieitenden Substrat 106 gebildet ist, einer in die Kollektorzone 104 eindiffundierten P-leitenden Basiszone 108 und sohliesslioh aus einer in die Basiszone eindiffundierten N-leitenden Emitterzone 110. Gleichzeitig mit der !-leitenden Kollektorzone 104 wird eine H-Ieitende Zone 112 eindiffundiert und eine niederohmige Η-leitende Zone 114 wird zusammen mit der Emitterzone 110 eindiffundiert. Während der DiffusionsTorgänge lässt man einen Oxydfilm 116 thermisch auf dem Silioiumsubstrat 106 wachsen; die Dickt dieses Oxydfilms kann genau bestimmt werden. Gegebenenfalls kann dann die Sicke des Oxydfilms 116 noch rergröesert werden» Auf jeden Fall dient diese Dick· jedoch als Bezugsmarke zur Steuerung der Sicke der niederzuschlagenden epitaktisohen Sohioht. Die Oxydβchient 116 wird dann unter Bildung einer öffnung 118 über der Oberfläche der !-leitenden Zone 112 und unter Entfernung des Oxyds an allen Stellen, wo die Bildung von epitaktisohem Material auf dem Substrat 106 keine Wirkung hat, in Form eines Musters gebracht. Ee
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sei jedoch bemerkt, dass der Oxydfilm 116 die 5-1ei*ende Zone 112 und die N-leitende Kollektorzo»e 104 des Transietors 102 vollständig überdeckt, obwohl diese beiden Flächen getrennt sind. Sann wird auf dem Substrat eine epitaktische Schicht 120 gebildet. Wie vorstehend beschrieben, wird das epitaktiaohe Material nur auf der freiliegenden Oberfläche des P-Ieitenden Substrats 106 niedergeschlagen und wächst nioht auf die Oxydschicht 116 auf. In der öffnung 118 wird ein epitaktisoher Stift 120a mit vorherbestimmter Sicke gebildet, dessen Sicke, ausgehend von der durch den Oxydfilm gegebenen zuverlässigen Bickemarkierung, genau bestimmt und gesteuert werden kann. Eine zweite Oxydschicht 122 wird dann bei verhältnismäesig niedriger Temperatur über dem ganzen Substrat erzeugt und in ein solches Muster gebracht, dass über dem epitaktischen Stift 120a, der niederehmigen !!-leitenden Zone 114, der Basiszone 108, der Emitterzone 110 und der Kollektorzone Kontaktflächen freigelegt werden. Über das ganze Substrat wird dann ein Metallfilm aufgebracht und in die Form von leitenden Zwieohenverbindungen und verbreiterten Kontakten gebracht. Sas Metall des Films muss so gewählt werden, dass es mit den verhältnismäesig niederohmigen Halbleiterzonen einen 0hm'sehen Kontakt, jedoch mit dem hoohohmigen •pitaktischen Stift 120a einen gleichrichtenden Kontakt ergibt. Beispiele für verwendbare Metalle sind Gold und
009851/1682 Molybdän
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Molybdän oder Schichten von beiden, wie vorstehend beschrieben.
Die Metallfilae 124 bis 127 bilden dann die durch entsprechende Besugszeiohen in dea Sohaltdiagram« τοη Fig* 6a bezeichneten Leiter. Die Diode 103 besitst einen gleichrichtenden Obergang swisohen dem ersten Hetallfilastreifen 124 und dea epitaktieohen Stift 120a. Der epitaktisohe Stift 120a kann hochohmig sein und eine kontrollierte Dicke besitzen, se dass er die vorstehend beschriebenen Tsrteile aufweist. Die nlederohaigen !-leitenden Zonen und 114 setsen den Serienwiderstand der Diode herab und ergeben alt dea Leiter 125 einen 0ha*sehen Kontakt, wie vorstehend beschrieben wurde.
In Fig. 7 ist ein nach dea erfindungsgeaässen Verfahren erhaltener FIP-Transistor allgemein alt 150 bezeichnet. Der Transistor 150 ist auf einea niederehaigen P-leitenden Substrat 152 gebildet. Bin aetallisoher Kollektorkontakt 154 ist auf einer Seite des Substrate aufgebracht. Ober der anderen Seite des Substrats 152 ist eine P-leitende epitaktisehe, hsohohaige Schicht 156 gebildet. Ober dea Substrat liess aan eine Oxidschicht,158 in einer gewUnsohten Stärke wachsen, welohe eine zuverlässige Diokeaarkierung bildet} diese Oxidschicht wird dann in Fora eines eine
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Öffnung 160 uag«benden Rahmens gebracht, in welchem •ine vorherbestimmte Fläche der P-Ieitenden epitaktisohen Sohioht 156 freiliegt. Dann wird über das Substrat eine N-leitende epitaktisohe Schicht 162 niedergeschlagen, welche einen epitaktisohen Stift 162a bildet, dessen Dicke genau aus der Dicke der Oxidschicht berechnet und somit genau kontrolliert werden kann. Über den Substrat wird dann Torsugsweise bei einer niedrigen Temperatur ein weiterer Oxydfilm 164 aufgebracht und eine P-leitende Emitter«on· 166 wird durch eine auf photolithographisohem Wege eingeschnittene öffnung in den Oxydfilm eindiffundiert. Die Tiefe der Emltterdiffusion 166 kann sehr flach sein und kann genau gesteuert werden, so dass man eine Kontrolle Über die Basisbreite des Transistors »ehalt. Der Oxydfilm 164 wird wieder nach photolithographisohen und Itsmethoden in Form eines Küsters gebracht, welches die Baaissone 162a und die Smittersono 166 freilegt, worauf man über das Substrat einen Metallfilm aufbringt. Dieser Netallfilm wird dann wieder nach üblichen photolithographisehen und Itsmethoden su rerbreiterten Basis- und Emitterkontakten 188 und 170 geformt.
Gegebenenfalls kann auch die Emitter«onβ nach dem gleichen .Verfahren,wie es sur Bildung der Basisssne angewendet wird, epitaktisoh unter Entstehung eines randisolierten Tran-
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sistors gebildet werden. Auch kann der Traneistor eine planere Konfiguration haben, indem man lediglich durch die Oxydsohiohten 158 und 164 einen Anschluss an die Kollektoreonβ 156 herstellt.
Ein PH-Übergang in einem Halbleitertraneietor kann daduroh daran gehindert werden, eine Vorspannung in Durchlassrichtung aufzuweisen, dass man den Übergang mit einer Netallhalbleiterdiode parallel schaltet. Daduroh wird verhindert, dass der Transistor gesättigt wird, wenn die Basis ait grossen Signalen ausgesteuert wird; daduroh wird die Komentration an in der Basiszone gelagerten Ladungsträgern begrenzt und die sum Schalten des Transistors erforderliche Zeit wird verkürzt. In einem solchen Fall ist die Diede so gebaut, dass sit in der Durchlassrichtung bei einer niedrigeren Spannung leitet als sie erforderlich ist, damit der Basis-Kollektorübergang in der gleichen Sichtung leitet. Das erfolgt bei einer integrierten Sohaltung dadurch, dass man »wischen der BaLs- und der Kollektorsone mittels eines Metallfilms eine Zwischenverbindung herstellt, welche einen gleichrichtenden Übergang mit der hochohmigen Kollektorzone und gleichseitig einen Ohm1sehen Kontakt mit der nlederohmigen Basiszone bildet. Eine solche Bauweise ist jedoch auf
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einen NPN-Transistor beschränkt, und zwar weil die hochohmige, P-Ieitendβ Kollektorzone eines PNP-Transistors zur Herstellung der Metallhalbleiterdiode nicht ausreicht und keine hochohmige N-leitende Zone zur Verfügung steht, von der die Metallhalbleiterdiode gebildet werden kann.
Wendet man jedoch das erfindungsgemässe Verfahren an, so kann eine solche Vorrichtung mit einem PNP-Transistor hergestellt werden? eine solche Vorrichtung ist in der Sohnittansioht von Fig. 8 und in dem schematischen Schaltdgagramm von Fig. 8a allgemein mit 200 bezeichnet. Sie Vorrichtung 200 besteht aus einem Metallfilm 202, der als Kollektoransohlusa dient, einem niederohmigen P-leitenden Substrat 204 und einer hoohohmigen P-leitenden epitaktischen Sohicht 206. Eine N-leitende Basiszone wird in der epitaktiaohen Schicht 206 gebildet und dann wird in die Basiszone 208 eine P-leitende Emitterzone nach üblichen Diffusionsmethoden eindiffundiert. Der Oxydfilm über dem Substrat, und insbesondere der Teil des Oxydfilms über der Basiszone 208, kann genau gemessen werden. Der Oxydfilm 212 wird dannnaoh paotolithögraphieohen und It!methoden in Form eines Fensterrahmens um eine öffnung214 über dtr Baeisaone 208 gebracht. Auf der Oberfläche dee Substrats wird dann eine epitaktisoh· Sohiht 216 gebildet» welche innerhalb der öffnung 214 den
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epitaktischen Stift 216an bildet. Die Dicke der epitaktischen Sohicht 216 kann durch Bezugnahme auf die Dicke der Oxydschioht 212 genau gesteuert werden. Sine «weite Oxydschicht 218 wird über dem garnen Substrat gebildet, vorzugsweise durch Ozydationsverfahren und nicht nach thermischen Verfahren, so dass die Temperatur so niedrig bleibt, dass die vorher sur Bildung der Basis- und Emitterzone 208 bzw. 210 erfolgten Diffusionen nicht gestört werden. Die Oxydschicht 218 wird dannmoh üblichen photolithographisohen und Atzmethoden in Form eines Musters gebracht, welches die Oberflächen des epitaktisohen Stifts 216a der Basiszone 208 und der Emitterzone 210 freilegt,und auf die Oberfläche des Substrate wird dann ein MetalXfilm niedergeschlagen. Aus dem Metallfilm werden dann naoh photolithographischen und Xtzmethoden ein Anodenanschluss 220 für die Diode, ein Basisansohluss 222 und ein Emitteranschluss 224 gebildet. Es ist wichtig, dass der die drei Anschlüsse bildende Metallfilm aus einem solchen Metall besteht, dass er zwischen dem Metall und dem hoohohmigen S-Ieitenden epitaktisohen Stift 216a einen gleichrichtenden Übergang bildet und gleichzeitig mit den niederohmigen Basis- und Emitterzonen 208 und einen 0hm*sehen Kontakt bildet. Zu diesem Zweck kann Molybdän und/oder Gold verwendet werden. Durch blesses Verbinden des Anedenansohlusses 220 mit dem Kollektoran-
009851/1582 Schluss
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Schluss 202 erhält nan dann die in Pig. 8a dargestellte Schaltung. In Fig. 8a sind die entsprechenden Leiter mit den gleichen Bezugeseichen wie in Fig. 8 beseiohnet. Ist Betrieb besit«t die zwischen dem Metallkontakt 220 und dem epltaktischen Stift 216a gebildete Metallhalbleiterdiode eine niedrigere Spannung in Durchlassrichtung ale der übergang ewischen der Kollektorsone 206 und der Basiszone 208, so dass der KoIlektor-Basisübergang dee Transistors nie In Durchlassrichtung rorgespannt sein kann, unabhängig ron der Grosse des eur Aussteuerung der Basis verwendeten Signals.
Die Erfindung kann weitgehende Abänderungen erfahren, ohne dass dadurch ihr Rahmen τerlassen wird.
Patentansprüche
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Claims (7)

Patentansprüche
1) Terfahren but Herstellung einer Halbleitervorrichtung, wobei ein« epltaktisohe Schicht selektir auf der Oberfläche eine· Halbleitersubstrata durch eine Maskierung niedergeschlagen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Dick· der Maskierung gesteuert und gemessen und dass die Sicke der epitaktlschen Schicht relatir zur Sicke dieser Maskierung gesteuert und gemessen wird.
2) Verfahren nach Anspruch 1, wobei die epitaktische Schicht einen höheren spezifischen Widerstand besitzt als das Halbleitersubstrat, dadurch gekennzeichnet, dass über der epitaktischen Schicht eine einen feil dieser epitaktisehen Schicht freilegende Maskierung gebildet und auf dem freigelegten feil dieser epitaktischen Schicht ein mit ihr einen gleichrichtenden Eontakt bildender Metallfila niedergeschlagen wird.
3) Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sicke der epitaktieehen Schicht nicht grosser ist als ihr« Verarmungsbreite*
4} Terfahren nach einem 4er rerfetr gehend en Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass smr Erzeugung «ine·
009851/1582 femtakt*
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Kontakta mit der epitaktischen Schicht auerat eine stark dotierte Zone, welche länger ist als die epifcaktieche Schicht, in dio Oberfläche des Halbleitersubstrata eindiffundiert und darauf die epitaktische Schiebt mit der gleichen !leitfähigkeit wie die diffundierte Zone gebildet wird, wobei ein Teil der diffundierten Zone sich Über die epitaktisohe Schicht hinaus erstreckt» und dass der Anschluss an diesen Heil der diffundierten Zone angelegt wird.
5) Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Halbleitervorrichtung einen Tranaiafco^&nthält, dadurch gekennzeichnet, dass ein an die epitaktische Schicht angrenzender Seil des Halbleitersubstrata der Kollektor iat, dieepitaktiache Schicht die Baalβ bildet und der Emitter in der Oberfläche der epitaktiachen Schicht gebildet wird.
6) Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Xallektor-yBasie- und Emitterzone einea Traneistora in der Oberfläche des Halbleitersubstrata gebildet werden, dadurch gekennetichnetj dass die epltaktische Schicht auf einer der Zonen des Transistors in seitlichem Abstand ron den anderen Zonen des Traneistors gebildet wird.
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7) Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Halbleitervorrichtung ein® integrierte Halbleiterschaltung let, dadurch gekennzeichnet, dass aehrere epitaktiache Sohlohten selektiv auf der Oberfläche des Haibleitersubstrate niedergeschlagen werden, wovon jede einen Seil eines Soaalteleaeiite Bildet, und daes zwischen diesen Schaltelementen metallisohe ZwisehenTerbindungeii über einer Maskierung auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats niedergeschlagen werden.
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