DE1564525C3

DE1564525C3 - Verfahren zum Herstellen eines Transistors

Info

Publication number: DE1564525C3
Application number: DE19661564525
Authority: DE
Inventors: George John White House Station N.J. Gilbert (V.StA.)
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1965-04-26
Filing date: 1966-04-19
Publication date: 1976-07-22

Description

Aus der FR-PS 13 75 495, der Veröffentlichung »Electronic Equipment Engineering« vom Dezember 1964, s. 18 bis 20 und aus der Zeitschrift »IEEE Transactions on Electron Devices« vom Januar 1965, S. 20 bis 25 sind nach Epitaxial- und Diffusionsverfahren hergestellte Transistoren bekannt, bei denen die Kollektorzone zweischichtig ausgebildet ist, wobei der unmittelbar an die Basiszone angrenzende Bereich schwächer dotiert ist als die basisfernere Kollektorsehicht. Ferner ist in der US-PS 28 10 870 ein Transistor beschrieben, bei dem das Profil seines spezifischen Widerstandes (reziprokes Dotierprofil) an der Grenze

ίο zwischen Basis- und Kollektorbereich ein Maximum zeigt und im Kollektorbereich mit zunehmender Entfernung von dieser Grenzschicht etwa linear um zwei Größenordnungen abfällt, um dann z. B. konstant zu bleiben. Auch in der Zeitschrift »Scientia Electra« 1964, H. 4, S. 103 bis 109 ist ein Transistor beschrieben, dessen Kollektorzone unmittelbar angrenzend an die Basiszone eine niedriger als die übrige Kollektorzone dotierte Schicht aufweist. Der zweischichtige Aufbau der Kollektorzone in dieser Weise hat seine Begründung darin, daß der höherohmige Teil der Kollektorzone, welcher unmittelbar an die Basiszone angrenzt, die Spannungsfestigkeit des Transistors verbessert und seine Kollektorkapazität verringert. Damit läßt sich u. a. das Hochfrequenzverhalten des Transistors verbessern.

In der französischen Patentschrift 13 77 412 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Transistors beschrieben, bei dem in eine epitaktisch auf einem Grundkörper abgelagerten Schicht eine stärker als diese dotierte Zone eindiffundiert wird. Über dieser Zone und dem restlichen Teil der Schicht wird eine zweite epitaktische Schicht abgelagert. In einem nachfolgenden Ausdiffusionsschritt diffundiert aus der stärker dotierten Zone Dotierstoff durch die erste Schicht bis zum Grundkörper und teilweise auch in die zweite Schicht hinein und bildet auf diese Weise die Emitterzone. Anschließend wird in die zweite Schicht eine Basiszone bis zu einer Tiefe eindiffundiert, wo sie auf die Emitterzone trifft In die Basiszone wird dann eine Kollektorzone eindiffundiert.

Die Grenzfrequenz und Schaltgeschwindigkeit eines Transistors hängen bekanntlich von seiner Kollektorkapazität ab (siehe z. B. den Aufsatz »Epitaxial Diffused Transistor« in Proc. I.R.E. vom Sept 1960, S. 1642 und 1643). Unter »Kollektorkapazität« soll hier jede der beiden Kapazitäten zwischen Kollektor- und Basiselektrode und zwischen Kollektor- und Emitterelektrode verstanden werden. Diese Kapazitäten werden durch die PN-Übergänge im Transistor erzeugt Gewöhnlich fließt der Emitter-Kollektorstrom eines Transistors durch einen Belastungswiderstand in einer äußeren Schaltung. Dieser Belastungswiderstand bildet zusammen mit der Kollektorkapazität ein ÄC-Netzwerk und sowohl die Grenzfrequenz als auch die Schaltgeschwindigkeit des Transistors sind dementsprechend umgekehrt proportional zur Kollektorkapazität Die Kollektorkapazität kann durch Erhöhung des spezifischen Widerstandes der Kollektorzone verringert werden, dabei nimmt jedoch die Strombelastbarkeit des Transistors ab. Eine Verringerung des spezifischen Widerstandes der Kollektorzone verringert andererseits die Kollektor-Basis-Durchbruchsspannung entsprechend.

In der DT-AS 11 66 941 ist ein Legierungstransistor beschrieben, bei dem zur Verringerung der Kollektorkapazität die Kollektorzone zur Mitte stärker als zum Rand dotiert ist. Zu diesem Zwecke sorgt man beim Einlegieren der Kollektorpille in einen Basiskörper dafür, daß der der Grenze zum Basiskörper unmittelbar

benachbarte Bereich der Kollektorpille stärker dotiert als der übrige Kollektorbereich einschließlich der noch in den Basiskörper einlegierten Kollektorrandzone dotiert ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Transistors geringer Kollektorkapazität ohne Beeinträchtigung seiner sonstigen Betriebseigenschaften anzugeben, welches eine verbesserte räumliche Zuordnung der Emitterzone zu dem stärker dotierten Bereich der Kollektorzone ίο erlaubt.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichenteil des Anspruchs 1 angeführten Merkmale gelöst

Zur Herstellung eines Transistors nach der Erfindung kann vorteilhaft so verfahren werden, daß auf einem Trägerkörper aus Halbleitermaterial eine erste Kollektorschicht aus Halbleitermaterial eines ersten Leitungstyps gebildet wird, daß auf der Oberfläche der ersten Kollektorschicht eine Maskenschicht gebildet wird, daß in dieser Maskenschicht mindestens eine Öffnung gebildet wird, um einen Teil der Oberfläche der ersten Kollektorschicht freizulegen, daß eine Dotierungsstoffmenge des ersten Leitungstyps auf dem freigelegten Oberflächenteil niedergeschlagen wird, daß die Maskenschicht entfernt wird, daß eine zweite Kollektorschicht aus Halbleitermaterial des ersten Leitungstyps auf die ganze Oberfläche der ersten Kollektorschicht aufgebracht wird, daß die beiden Kollektorschichten derart erhitzt werden, daß die niedergeschlagene Dotierungsstoffmenge durch die zweite Kollektorschicht zu dem oberhalb des Niederschlages liegenden Teil der Oberfläche der zweiten Kollektorschicht und durch die Kollektorschicht zu dem unterhalb des Niederschlages liegenden Teil der Unterseite der ersten Kollektorschicht diffundiert wird, so daß ein Bereich verringerten spezifischen Widerstandes in den beiden Kollektorschichten unter einem Teil der Oberfläche der zweiten Kollektorschicht entsteht, wobei der spezifische Widerstand dieses Bereiches kleiner ist als der des an diesen Bereich angrenzenden übrigen Teiles der beiden Kollektorschichten.

Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung näher erläutert; es zeigen

Fig; 1 bis 8 Querschnittsansichten eines Halbleiterkörpers während verschiedener Stufen bei der Herstellung eines Transistors nach der Erfindung und

F i g. 9 eine in größerem Maßstab dargestellte Schnittansicht eines Teiles eines Transistors nach der Erfindung.

Ein vorteilhaftes Verfahren zur Herstellung eines Transistors nach der Erfindung wird an Hand der Herstellung eines NPN-Transistors beschrieben, es läßt sich jedoch auch auf die Herstellung von PNP-Transistoren anwenden, wenn man bei dem im folgenden beschriebenen Verfahren jeweils die Leitfähigkeitstypen umkehrt.

Bei der Herstellung eines NPN-Transistors nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung geht man von einer Halbleiterscheibe 10 (F i g. 1) aus, die beispielsweise aus Silicium oder Germanium besteht Die Halbleiterscheibe 10 ist stark dotiert und N+-leitend, sie kann einen spezifischen Widerstand zwischen 0,001 Ohmcm und 0,02 Ohmcm haben. Man kann rechteckige oder kreisförmige Halbleiterscheiben verwenden, im letzteren Falle können der Durchmesser etwa 25 mm und die Dicke zwischen 0,125 bis etwa 0,23 mm betragen. Die Halbleiterscheibe 10 dient als Trägerkörper, auf dem der Transistor 12 (F i g. 9) gebildet wird. An ihr kann die Kollektorelektrode angebracht werden, wie noch erläutert wird.

Zur Herstellung des Transistors 12 wird als erstes eine Kollektorschicht 14 auf einer Hauptfläche 16 der Halbleiterscheibe 10 gebildet (Fig.2). Die Kollektorschicht 14 besteht aus N-leitendem Halbleitermaterial eines spezifischen Widerstandes zwischen 10 Ohmcm und 100 Ohmcm. Sie wird auf der Oberfläche 16 der Halbleiterscheibe 10 in einer Dicke zwischen etwa 5 und 15,5 μπι niedergeschlagen. Die Kollektorschicht 14 kann epitaktisch oder auf irgendeine andere bekannte Weise hergestellt werden.

Wie die F i g. 3 zeigt, wird nun auf der Oberseite 20 der Kollektorschicht 14 eine Maskenschicht 18, z. B. eine Oxydschicht aufgebracht Wenn die Kollektorschicht 14 aus N-leitendem Silicium besteht kann die Maskenschicht durch Oxydieren der Oberfläche 20 der Kollektorschicht 14 zu Siliciumdioxyd gebildet werden. Hierzu kann die Kollektorschicht 14 etwa zwei Stunden bei 1200°C in Wasserdampf erhitzt werden, es soll sich jedenfalls vorzugsweise eine Oxydschicht 18 bilden, die etwa 5000 bis 10 000 Ä dick ist

In der Praxis wird man eine Vielzahl von Transistoren 12 gleichzeitig herstellen, und in den Fig. 4 bis 8 ist daher die Herstellung von zwei Transistoren dargestellt. Wie die F i g. 4 zeigt werden für diebeiden herzustellenden Transistoren Öffnungen 22,24 in die Oxydschicht 18 geätzt. Die Lage der Öffnungen 22, 24 kann durch ein bekanntes photolithographisehes Maskier- und Ätzverfahren bestimmt werden. Durch die öffnungen 22, 24 werden die Teile 20a der Oberfläche 20 der Kollektorschicht 14 freigelegt

Auf den Oberflächenteilen 20a der Kollektorschicht 14, die durch die Öffnungen 22, 24 freigelegt worden sind, wird nun eine Dotierungsstoffmenge 26 vom N-Leitungstyp, z.B. Antimon, niedergeschlagen. Die Dotierungsstoffmenge 26 kann auf irgendeine bekannte Weise aufgebracht werden, z. B. durch Aufdampfen von Antimon in einem Zweizonenofen.

Auf die Oberseite 29 der Oxydschicht 18 und auf die durch die öffnungen 22, 24 freigelegten Teile 20a der Oberfläche 20 wird nun eine weitere Oxydschicht 28 aufgebracht Die Oxydschicht 28 kann in einer Dicke zwischen 5000 und 10 000 Ä, beispielsweise durch Oxydation, in der oben beschriebenen Weise gebildet werden. Bei einer solchen Oxydation oxydieren die freigelegten Teile 20a der Oberfläche 20 der Kollektorschicht 14 schneller als die nichtfreigelegten Teile der Oberfläche 20, so daß Vertiefungen 30 in der Oberfläche 20 der Kollektorschicht 14 entstehen, wenn die Oxydschichten 18,28 später entfernt werden, wie in der F ig. 6 dargestellt ist

Die Oxydschichten 18, 28 werden beispielsweise durch Abätzen entfernt so daß die Oberfläche 20 der Kollektorschicht 14 und die in ihr gebildeten Vertiefungen 30 freigelegt werden. Die Vertiefungen 30 dienen anschließend zur Festlegung der Fläche, durch die schließlich ein Emitterdotierungsstoff eindiffundiert wird. Hierauf wird noch näher eingegangen.

Auf die Oberfläche 20 der Kollektorschicht 14, einschließlich der Vertiefungen 30, wird nun eine weitere N-leitende Kollektorschicht 14a ähnlich der Kollektorschicht 14 aufgebracht (vgl. Fig.7). Die Kollektorschicht 14a wird durch ein bekanntes Epitaxialverfahren niedergeschlagen und weist einen spezifischen Widerstand zwischen 10 und 100 Ohmcm auf. Die Kollektorschichten 14,14a sollen wenigstens annähernd dieselbe Dicke haben, so daß an der Oberfläche 32 der

Kollektorschicht 14a Vertiefungen 30a vorhanden sind, die direkt über den Vertiefungen 30 in der Kollektorschicht 14 liegen. Die Vertiefungen 30a dienen zur Festlegung der Fläche, durch die der Emitterdotierungsstoff des Transistors 12 (F i g. 9) eindiffundiert wird.

Die Dotierungsstoffmenge 26, die auf die Fläche in den· Vertiefungen 30 der Schicht 14 aufgebracht worden war, wird nun eindiffundiert, um die Bereiche 36 relativ geringeren spezifischen Widerstandes in den Kollektorschichten 14, 14a zu bilden. Hierzu können die Kollektorschichten 14, 14a für etwa 10 bis 60 Stunden auf eine Temperatur von etwa 1250⁰C erhitzt werden, bis die Ladungsträgerkonzentration an der Oberfläche der Vertiefungen 30a zwischen -10¹⁵ cm-³ und 10¹⁶ cirr³ beträgt- Während dieser Erhitzung diffundiert die Dotierungsstoffmenge 26 nach oben zu den Vertiefungen 30a in der Oberfläche 32 der Kollektorschicht 14a und nach unten zur Unterseite 34 der Kollektorschicht 14 und bildet dabei die Bereiche 36, deren spezifischer Widerstand zwischen 0,1 und 10 Ohmcm beträgt. Welchen spezifischen Widerstand man im speziellen den Bereichen 36 eines Transistors 12 gibt, hängt von den geforderten Werten für die Strombelastbarkeit und die Durchbruchsspannungen der herzustellenden Transistoren 12 ab. Die Kollektorschichten 14, 14a können nun für alle praktischen Zwecke als eine einzige Kollektorzone 146 betrachtet werden, die eine Anzahl von getrennten Bereichen 36 verringerten spezifischen Widerstandes enthält, die sich vorzugsweise von der Oberfläche 32 zur Unterseite 34 der Kollektorzone 146 erstrecken, wie in der F i g. 8 dargestellt ist.

Aus dem in der F i g. 8 dargestellten Halbleiterschichtenaufbau können die Transistoren 12 dadurch gebildet werden, daß durch die Oberfläche 32 der Kollektorschicht 146 ein Dotierungsstoff des P-Leitungstyps eindiffundiert wird, um eine P-leitende Basiszone 38 zu erzeugen, und daß in die Basiszone 38 am Ort der einzelnen Vertiefungen 30a ein Dotierungsstoff vom N-Leitungstyp bis zu einer gewissen Tiefe eindiffundiert wird, um eine Emitterzone 40 und einen PN-Übergang 42 mit der Basiszone 38 zu bilden. Die so erhaltene Zonenanordnung zeigt die F i g. 9. Das Niederschlagen des Dotierungsstoffes für die Bildung der Basiszone 38 und der Emitterzone 40 kann auf irgendeine bekannte Weise geschehen.

Der in der Fig.9 dargestellte Transistor 12 ist ein N PN-Transistor dessen Kollektorzone 146 einen Bereich 36 umfaßt, dessen spezifischer Widerstand kleiner is,t als der des Restes der Kollektorzone 146. Der Bereich 36 befindet sich nur unterhalb der Emitterzone 40 und erstreckt sich zwischen der Oberfläche 32 und der unteren Seite 34 der Kollektorzone 146. Mit der Basiszone 38 und der Emitterzone 40 werden dann noch nicht dargestellte Elektroden verbunden, z. B. durch photolitographisches Maskieren und durch Aufdampfen von Metall. An der als Trägerkörper verwendeten Halbleiterscheibe 10 kann die Kollektorelektrode des Transistors angebracht werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herstellen eines Transistors mit einem Halbleiterkörper, bei dem ein Bereich der Kollektorzone, der gegenüber der Emitterzone liegt und unmittelbar an die Basiszone angrenzt, einen geringeren spezifischen Widerstand aufweist als der restliche Teil der Kollektorzone, dadurch gekennzeichnet, daß auf einem Trägerkörper (10) aus Halbleitermaterial eine erste Kollektorschicht (14) aus Halbleitermaterial eines ersten Leitungstyps gebildet wird, daß auf der Oberfläche (20) der ersten Kollektorschicht (14) eine Maskenschicht (18) gebildet wird, daß in dieser Maskenschicht (18) mindestens eine Öffnung (22, 24) gebildet wird, um einen Teil (20a) der Oberfläche (20) der ersten Kollektorschicht (14) freizulegen, daß eine Dotierungsstoffmenge (26) des ersten Leitungstyps auf den freigelegten Oberflächenteil (20a) aufgebracht wird, daß auf der Maskenschicht (18) und dem freigelegten Teil (20a) eine Oxidationsschicht (28) derart gebildet wird, daß durch schnellere Oxidation des freigelegten Teils (20a) Vertiefungen gegenüber den nicht freigelegten Teilen in der Oberfläche der ersten Kollektorschicht (14) entstehen, wenn die Maskenschicht (18) und die Oxidationsschicht (28) anschließend wieder entfernt werden, daß eine zweite Kollektorschicht (14a) aus Halbleitermaterial des ersten Leitungstyps auf die ganze Oberfläche (20) der ersten Kollektorschicht (14) aufgebracht wird, daß die beiden Kollektorschichten (14, 14a) derart erhitzt werden, daß die niedergeschlagene Dotierungsstoffmenge (26) durch die zweite Kollektorschicht (14a) zu dem oberhalb des Niederschlags liegenden Teil (30a) der Oberfläehe (32) der zweiten Kollektorsehicht (14a) durch die erste Kollektorsehicht (14) zu dem unterhalb des Niederschlags liegenden Teil der Unterseite (34) der ersten Kollektorsehicht (14) diffundiert wird, so daß ein Bereich (36) verringerten spezifischen Widerstandes in den beiden Kollektorschichten (14, 14a) unter einem Teil (30a) der Oberfläche (32) der zweiten Kollektorsehicht (14a) entsteht, wobei der spezifische Widerstand dieses Bereiches (36) kleiner ist als der des an diesen Bereich (36) angrenzenden übrigen Teiles der beiden Kollektorschichten (14, 14a), daß durch die Oberfläche der Kollektorsehicht (14ύ) ein Dotierstoff zur Ausbildung der Basiszone

.- eindiffundiert wird und daß in die Basiszone (38) in den durch .die Vertiefung festgelegten Flächenbereich Dotierstoff zur Ausbildung der Emitterzone (40) eindiffundiert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Maskierschicht (18) durch Oxydation der Oberfläche (20) der ersten Kollektorsehicht (14) gebildet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Tragkörper (10) Halbleitermaterial mit einem spezifischen Widerstand zwischen 0,001 und 0,02 Ohmcm verwendet wird.