DE1914745A1

DE1914745A1 - Halbleiterbauelement mit mindestens einem UEbergang

Info

Publication number: DE1914745A1
Application number: DE19691914745
Authority: DE
Inventors: N Y Beacon; Vora Madhukav Bhavaniduas; Yeh Tus Hsing; Madhukar Joshi; Chang Joseph Juifu; Ghosh Hitendra Nath
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1968-10-07
Filing date: 1969-03-22
Publication date: 1970-05-06
Also published as: IE33394B1; DE1914745B2; GB1281043A; US3607468A; IE33394L; JPS5011234B1

Description

19H7A5

Böblhgen, den I5. März I969 si-sk

Anmelderin: International Business Machines

Corporation, Armonk, N.Y. 10

Amtliches Aktenzeichen: Neuanmeldung

Aktenz.d .Anmelderin: Dockets PI 968 O85, PI 968 O86

Halbleiterbauelement mit mindestens einem Übergang

Gegenwärtig ist in der Halbleitertechnik Silizium das meist gebrauchte Halbleitermaterial und für die Herstellung von monolithischen oder integrierten Schaltungen wird es fast ausschließlich angewendet. Bei monolithischen Strukturen wird meist auf NPN-Transistorkonfigurationen zurückgegriffen. Zur Herstellung der Basiszone wird bei derartigen Transistoren im allgemeinen Bor als Dotierungsmaterial benutzt, während für die Emitterzonendotierung fast ausschließlich Phosphor gewählt wird. Um zu Halbleitervorrichtungen zu gelangen, die Signalfolgen mit hohen Schaltgeschwindigkeiten verarbeiten können bzw. welche eine möglichst hohe obere Grenzfrequenz aufweisen, ging man in der Halbleitertechnik immer mehr dazu über* eine dichtere Zonenfolge zu schaffen, bei der die einzelnen Zonen bezüglich der Oberfläche des Siliziumkörpers eine immer geringere Tiefe aufweisen. Insbesondere war man bestrebt, die Dicke der Basiszonen auf ein Minimum herab-

Q09819/12Ü

pi 968 085, pi 968 086 . .

zusetzen. Weiterhin ist die Tendenz bemerkbar, zunehmend höhere Oberflächenkonzentrationen für Phosphor zu benutzen.

Höhere Phosphorkonzentrationen führen jedoch bekanntlich zu Versetzungen und Materialausscheidungen, woraus sich schlechtere elektrische Eigenschaften der erstellten Bauelemente ergeben. Bei Strukturen mit dichterer Zonenfolge ist der bekannte Ausstoßeffekt (push out) des Basis-" kollektorüberganges besonders stark ausgeprägt und eine Verbesserung der Eigenschaften des Bauelementes infolge einer sehr dünn bemessenen Basiszone wird nicht erhalten. Da Phosphoratome kleiner sind als Siliziumatome, ergeben sich innerhalb des Gitters bestimmte Spannungszustände. Diese Spannung trägt teilweise auch zur Verschlechterung des ArbeitsVerhaltens von Halbleiterbauelementen bei.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, t eine auch für monolithische Technik geeignete Transistorstruktur anzugeben, die erheblich besseres Arbeitsverhalten infolge günstiger Vorrichtungsparameter aufweisen als dies bei den bisher erstellten Strukturen der Fall ist. Die für die Arbeitsweise der Vorrichtung wichtigen Parameter sind charakterisiert durch die obere Grenzfrequenz_r durch die mit genügend niedrigem Rauschpegel erreichbare Breitbandigkeit, durch die Stromverstärkung insbesondere bei genügend hohen oberen Grenzfrequenzen, durch eine in günstiger Weise zu realisierende Übergangstiefe sowie PI 968 085, 968 086 009919/1**9

durch eine genügend hohe Reproduzierbarkeit der elektrischen Charakteristiken, insbesondere durch eine definierte Basisemittercharakteristik in Vorwärtsrichtung.

Die Lösung der genannten Aufgabe ergibt sich durch den Einbau von "mindestens einem PN-Übergang, welcher außer durch eine extrem dünne P-leitende Zone dadurch gekennzeichnet ist, daß für die Störstellenverteilung auf der N-leitenden Seite des Übergangs ein rechteckiger Verlauf gewählt ist, derart, daß die SttJrstellenkonzentration mit

pA "X

einem Wert von 10 Atomen/cnr an der Oberfläche des Bauelementes beginnend bis kurz vor Erreichen des Überganges nahezu konstant verläuft und in unmittelbarer Nähe des Überganges einen Abfall über 4 bis 5 Größenordnungen aufweist.

Einzelheiten der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung einiger bevorzugter Ausführungsbeispiele in Zusammenhang mit den Figuren hervor. In diesen bedeuten:

Pig.1 eine typische Halbleitervorrichtung in Querschnittdarstellungj

Fig.2 graphische Darstellungen der Nettodotierungs- und 3 : .

konzentrationen in Abhängigkeit vom Abstand von

der Oberfläche des Halbleiterkörpersi FI 968 085, FI 968 686 'ΟΟβδΐ

19U743

Fig.4 eine graphische Darstellung der Abhängigkeit der Diffusionskonstanten von der Konzentration für Arsen;

Fig.5 einen Vergleich von berechneten und gemessenen Diffusionsprofilen bei verschiedenen aufeinanderfolgenden Diffusionsprozessen;

Fig.6 einen Vergleichder oberen Grenzfrequenz f_fc des

Transistors in Abhängigkeit vom Emitterstrom für mittels Phosphor-Bor-Dotierung und mittels Arsen-Bor-Dotierung erstellte Transistoren;

Fig.7,8

und 9 elektrische Kennwerte von Transistoren, die nach der Lehre der vorliegenden Erfindung hergestellt wurden;

Fig.10 einen Vergleich von Emitterprofilen für die Dotierungsmaterialien Arsen und Phosphor;

Fig.11 ein weiteres typisches Halbleiter-Bauelement in iiuerschnittsdars teilung;

Fig.12 eine gaphische Darstellung der Abhängigkeit des Stromvastärkungsfaktors yvom Kollektorstrom für ein Halbleiterbauelement nach Fig.11;

FI 968 085, FI 966 086

19ΊΑ745

Pig.Tj5 eine graphische Darstellung der Abhängigkeit des Produktes f. aus Bandweite ΔB und Verstärkung γ vom Kollektorstrom für ein Halbleiterbauelement nach Fig.11;

Pig.14 eine graphische Darstellung des Transistorparameters hp in Abhängigkeit vom Emitterstrom für ein Bauelement nach Beispiel Jk;

Pig.15 eine graphische Darstellung des Transistorparameters h- in Abhängigkeit vom Emitterstrom für ein Bauelement nach Beispiel 7B;

Pig.16 eine graphische Darstellung der Abhängigkeit des Bandbreite-Verstärkungsproduktes f _t = Δ B · P vom Emitterstrom für ein Halbleiterbauelement nach Beispiel 7A;

Fig.17 eine graphische Darstellung der Abhängigkeit des Bandbreite-Verstärkungsproduktes f. = fc, B · γ vom Emitterstrom für ein Halbleiterbauelement nach Beispiel 7B;

Fig.18 eine graphische Darstellung des Verlaufs der Kollektor-Basis-Kapazität als Funktion der über diesem Übergang liegenden Spannung (V_Q - V) für Halbleiterbauelemente nach Beispiel 7·

085, FI 968 086 009 010/1246

T9U743-

Zur Berechnung des Diffusionsprofiles unter Zugrundelegung der Diffusionsparameter wurde ein Computerprogramm erstellt, . Als Eingangsgrößen für dieses Programm wurden folgende Wer,te benutzt: Die Gesamtlänge des Transistors, der Abstand der mittleren Basisebene von der Oberfläche des Halbleiterkörpers, das Integrationsintervall, alle genannten Größen

ο ·

gemessen in 2,5 A, die iiuerschnittsfläche in cm , der für das elektrische Feld zulässige Fehler, die Temperatur in ⁰K, die maximale Anzahl der für die Lösung zugelassenen Iterationen .und die Anfangs spannungen für V , und V , . In Programmform stehen noch die folgenden Eingangswerte zur Verfügung: Die Grenzbedingungen nach beiden Seiten (links und rechts) für die Emitter- und Kollektorübergänge, gemessen von der mechanischen Mitte der Übergänge in cm bei fehlender Vorspannung sowie die inhärenten Emitter- und Kollektorübergangsspannungen. Ferner stehen noch zur Verfügung die für die Festlegung des Diffusionsprozesses erforderlichen Parameter, Vordotierungsniveau,, Oberflächenkonzentration in Anfangs- und Endzustand für die Basis- und Emitterdiffusionen sowie die Tiefen des Kollektor-und Emitterüberganges, gemessen in 2,5 A, Standardausgangswerte sind der Minoritätsladungsträger-Gesamtstrom und der Majoritätsladungsträger-Gesamtstrom für den Emitter und > den Kollektor, die an den Übergängen Emitter-Basis und . Kollektor-Basis liegenden Spannungen V_eb, V_afe sowie die . gesamte Kapazität, die infolge der Wirkung der Vorspannung am Emitterübergang auftritt. Frei wählbare Ausgangsgrößen FI 968 085, 968 086 000819/1246

1314743

sind: Das elektrostatische Potential, das elektrische Feld, die Quasiferminiveaus für Elektronen und Defektelektronen, die Gesamtdichten der Defektelektronen und Elektronen, die Störstellenprofile sowie die Punktion des elektrischen Feldes und des Quasiferminiveaus für Defektelektronen und

für die Elektronen in Abhängigkeit vom Abstand von der Halbleiterkörperoberfläche.

Als Ergebnis einer derartigen Analyse interessiert am meisten der Verlauf des Emitterstromes I_ in Abhängigkeit von der Basis-Emitter spannung V₁₃₆. Durch Dotieren der Emitterseite des Überganges ergibt sich ein stärkerer Einfluß auf die exponentiell Abhängigkeit des über den · Übergang fließenden Stromes von der Übergangsspannung. Das Programm gestattet eine Voraussage der Abhängigkeit I_e von V_be für doppelt diffundierte Transistoren mit geringen Zonenschichtdicken, Reiche bei verhältnismäßig kleinen Injektionsniveaus vpn der bekannten Gesetzmäßigkeit

i.V.

Φ - ■]

abweicht. Zur Veranschaulichung dieses Sachverhaltes wurden einige Chargen von Transistoren erstellt, wobei entsprechend dem Programm für einen Transistor mit dichter Zonenfolge eine Gesamtbasisdotierung von 6,268 · 10 Ätome/cnr gewählt wurde. Zur Herausstellung dieser Abweichung.wurden

FI 966 085, Fl 963 086 P G 9 8 1 4 / 1 j.4 6

19U745

unter Beibehaltung der ursprünglichen Werte der Basisdicke und der Gesamtbasisdotierungskonzentration·Modifikationen der Dotierungskonzentrationsverteilungen der Profile in der Emitter- und der Basiszone durchgeführt. Bei der Realisierung der verschiedenen Fälle ergaben sich folgende Zahlenwerte:

Fall 1: Mit Hilfe des Programms wurde ein Profil mit den folgenden Parametern erzeugt:

21 ^5 Oberflächenkonzentration 10 /cnr; CS2 =

1#5'10¹⁹/cm²; CB = 8.6»10¹⁶cm/^; X. = 48^;

je /

X. = 75 ms ;Gesamtemitterfläche 3,534 cm ;

injizierende Emitterfläche 2,19 cm², P =

Fall 2: Basisdotierung und die strukturelle Basisdicke blieben unverändert. Der Emitter wurde in

20 ^5

konstanter Welse zu 4.10 /cnr dotiert.

Die Tafel I zeigt den Vergleich zwischen der Strom* Spannungs-Charakteristik, welche für beide oben erwähnten Fälle sich unter Benutzung des Computerprogramms errechneten.

Fi 968 085, Fi 968 086 00 9 019/12Λ6

19H7A5

Tafel I-

Vergleioh der Charakteristiken für die Emitter-Diode für die verschiedenen Dotierungsprofile. ^ . .

V,_o Emitterstrom (mA) Emitterfläche = 2.19 · 10"⁶ cm² ^ Fall I Pall II

0,7006	0,0472	0,	0983
0,7597	0,394	0,	8265
0,820	3,98	8,	203
0,839	7,50	16	,00

Tafel I zeigt, daß bei flachem und scharfem Emitterprofil sich die gemessene I-V-Charakteristik der berechneten nähert, wobei die bekannte exponentiell Beziehung zwischen I und V,- zugrunde gelegt ist. .

	mA	0,42	Emitterspeichereffekt (PF)	Übergangs- kapazität (PF)
	A Dotierungsprofil	2,28	nach Fig.2 (T x-t)
Tafel II	0,759	3,85	0,085	1.42
	0,805	4.76	0,479	3.00
Emitterspeichereffekt und Kapazität des Überganges	0,819	7.78	0,844	4.06
^Vbe (V)	0,825	IO.9O	1,08	4,64
0,839	1,78	6.10
0,849	2.54	7.53

Fi 968 085, Fi 968 086 Ö'Ö'Ö β 1 Ö / 1 24 S

0,759	0,52	0, 009
0,805	2,96	0,051
0,819	5,04	0,092
0,825	6,20	0,118
0,839	10,10	0,195
0,849	12,98	0,286.

19H7A5

- ίο - ■

B Dotierungspitfil nach Fig.3 (T X-S)

:..■■ 0.84 1.88 ' .- 2,54 ; . ,

2.91

.,.-, 3.82 4.72

Zur weiteren Verdeutlichung der durch Änderung des Dotierungs· profils sich ergebenden Möglichkeiten wurde ein. spezielles Profil mit einem sehr geringen Gradienten innerhalb der Emitterzone erzeugt, wobei die mittlere Basisdotierung und die Übergangstiefe des Beispiels T x 1 beibehalten wurden. Dieses Profil wurde in praxi bei der Herstellung des Emitters durch Eindotieren der Störstellen durch Ionenbeschuß erstellt oder durch Benutzung eines normalen Dotier-Verfahrens unter Verwendung von Arsen als Störstellensubstanz. Dieses Profil ist in der Fig.3 dargestellt und ist mit Bx-S bezeichnet. Wie erwartet, ist hierbei der Gradient von ψ weniger stell als beim Beispiel Tx1, andererseits ergibt sich bei der Annäherung an den Übergang eine; sprung-. hafte Veränderung des Feldes, wobei dessen Verlauf, steiler· als in den beiden vorigen Fällen ist, was auf den steileren Gradienten der Störstellenverteilung im Falle des Beispiels Tx-S zurückzuführen 1st. Aus dem Vorstehenden ist zu erwarten, daß der Emitterspeichereffekt unddieÜbergangs- ·

FI 968 085, 968 086 0Ö$Ö1ö/124S

19U745

kapazität für dieses Profil kleiner als beim Beispiel Tx-1 sein sollte. Die Tafel II B oben bestätigt diese Vermutung.

Es zeigt sich deutlich, daß ein flaches Profil der Störstellenverteilung verbunden mit einem scharfen abfall als Emitter bei bipolaren Transistoren eine größere Schaltgeschwindigkeit bei einem besseren Frequenzverhalten, d.h. eine schärfere Diodencharakteristik nach sich zieht. Weiterhin resultiert hieraus ein größeres Produkt Δ B · γ aus Bandweitejl und Stromverstärkung, ein geringerer Basiswiderstand R,, ein höherer Stromverstärkungsfaktor ρ sowie eine höhere Durchbruchsspannung. Eine Möglichkeit zur Er_r zeugung einer derartigen Jtörstellenvertellung besteht darin, einen Dotierstoff wie Areen zu benutzen, der die Eigenschaft besitzt, daß seine Diffusionskonstante mit wachsender Konzentration sehr stark zunimmt. Ein weiterer Weg zur Erreichung des gewünschten Profiles ergibt sich durch Einbringen der Störsteilensubstanz mittels IonenbeSchusses.

Eine derartige Konzentrationsabhängigkeit der Diffüsionskonstanten ist auf zwei primäre Effekte zurückzuführen. Erstens ergeben steh durch die Ionisation der einzubringenden Dotierungsstoffe inhere elektrostatische Felder, durch welche gewisse Krafteinwirkungen zwischen Störstellensubstanz und Wirtsgitter resultieren. Zweitens ergibt; si£Jh,eine höhere Diffusivität von Elementen derGruppe V,durch deren

FI 968 C65, PI 96S O86

19U745

leichteren Einbau in Leerstellen innerhalb des Kristallgitters. Eine Konzentrationsabhängigkeit der.genannten Art ist als Diagramm in der Fig.4 gezeigt. Eine Transistorstruktur ergibt sich durch das Einbringen von drei einzudiffündierenden Störstellensubstanzen, welche nacheinander oder auch gleichzeitig eindotiert werden können* Z.B. kann man einen

arsendotierten Emitter und eine bordotierte Basis sowhl durch gleichzeitige als auch durch aufeinanderfolgende Eindiffusionen erstellen, wobei die Basisdiffusion von der Emitterdiffusion durchgeführt wird oder umgekehrt. In allen Fällen ergeben sich ähnlicheEffekte. Bei der sukzessiven Diffusion wird eine Akzeptor- (oder Donator)-Störstellenaubstanz in ein Siliziumsubstrat eindiffundiert, welches eine Störstellensubstanz des entgegengesetzten Typs bereits enthält (nämlich entweder einen Donator oder einen Akzeptor)· ist das Störstellenniveau innerhalb des Substrates gleichförmig verteilt, beträgt dieser Vordotierungspegel Cg , so ist die y schließlich erhaltene Verteilung gegeben durch die Lösung der folgenden Kontinuitätsgleichung für ein eindimensionales System mit einer einzudiffundierenden Störstellensubstanz unter Berücksichtigung geeigneter Randbedingungen.

JIlL- = JL I D (c) h £_c] (1)

dt Bx L ^xJ

Hierbei bedeuten: χ = Abstand

t = Zeit

c ■ Konzentration PI 968 085, FI 968 086 Q 0 6 β 1 S / 1 2 A 6

D(c) = Diffusionskonstante als Punktion der "*"--- ' - Konzentration . ■:■.--,,

:h ■ =1 + c-~~£ ,1 * h & 2 . Term

für das elektrische Feld .

f = eine■Punktion der Störstellenkonzenträtlon und GB Vordotierungsniveau. ..;....

Für ein System von zwei einzudiffundierenden StörstellensulDstanzen vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp' sind . die Lösungen des folgenden simultanen KontiriuitätsgleiQhungs.· systems gültig, welche'die Verteilungen beider Substanzen beschreiben. ■ ' ·

^(2V

Hierbei bedeuten:.

din f .

z. = +1 für Donatoren
Z₁'= -1 für Akzeptoren.

D., Do hängen ab von den Störstellenkonzentrationen, wobei die Abhängigkeit durchdie funktionalen Beziehungen zwischen f und c festgelegt sind. Diese Beziehung 1st verschieden für Akzeptor-oder Donatorsubstanzen. PI 968 085, FI 968 086 OO Ö S 1 9 / 1 2 4 S " ^: ~^Λ ' "" *"*" ""

tsh 7 45

Die Diffusion eines Donators sei z.B. betrachtet als zweite Komponente innerhalb-eines Mediums, welches "bereits eine gleichförmige Vordotierungskonzentration C-, eines anderen Donators enthält, und zwar in Anwesenheit eines AkzeptorstörsteHenprofiles' C₁ (x,0). Die zugehörigen Kontinuitätsgleichungen sind ' ' *.

- 0

a 2 Tt

= D, = D,

- (K₁ - 1)

fh.

Man sieht, daß die starke v/echselwirkung hervorgerufen wird durch den zweiten Term auf der rechten Seite der Gleichung.

In den zuletzt genannten Gleichungen bedeuten;

	^C2	-C₁	+	L	C₅ ■, -
		2 η
1 =	1	^{+ C}1	(°2 *

VQ₂ -,-.C₁- + C ^{2 1}

-¹/²

^C2 ^(C2 * ^C

ⁿi

(6)

a?)

Die Anfangsbedingungen C₁ (x,o) sind bekannt und es gilt C₂ (x,o) = 0. Die Randbedingungen sind: *" "*>

FI 968 Ο85, PI 968 086

1 a/12 41

19-H745

. ⁰I ₃₈ (1 - X-) ^^C2 bei.x=0 für alle t; (9) . ^ χ ⁿ1 ""^"x

C₂ (0,t) * C₀₂ für alle t* (10)

C₁ (x,t) m 0 wenn χ -► «o für alle t; (11) C₂ (x,t) « 0 wenn χ -» oo für alle t. (12)

Es sei auf die Wechselwirkung hingewiesen zwischen den Profilen, die den für die Basiszone und Emitterzone benutzten Störstellensubstanzen entsprechen. Diese Wechselwirkung führt zu einer geringeren Emitterbasisübergangstiefe als dies durch einfache Überlagerung der Basis- und Emitterdotierungsprofile, wie sie in der Fig.5 gezeigt sind, realisierbar ist.

Für einen speziellen Transistorprozeß unter Benutzung von Bor als Störstellensubstanz für die Basis und von Arsen als Störstellensubstanz für den Emitter ist in FIg.5 ein experimentell erhaltener Verlauf der Profile dargestellt. In dieser Figur werden außerdem berechnete Profile mit gemessenen Störstellenverteilungen verglichen, wobei diese durch folgende Prozessparameter festgelegt sind:

A) Mit Bor durchgeführte Bfisis-Diffusion C , m 3.8 · 10¹^
t « 100 Min.

968 085, PI 968 O96 000110/114

19U745

C-, - 5*2 · 10 ^J cm = Vordotierungsniveau

° -14 2,

D₁ = 0,52 · 10 cm /see.

B) Arsen-Diffusion

t =60 Min.
T = 1273°K

D₂ = 0,9 Ί0"¹⁵ cm²/sec. C₀₂ = 1,3 «10 ^u cm ■? für Testkörper C₀₂ = 1,5 ΊΟ²⁰ cirT^ für Transistor X₁ - 0,175 χ 10 cm für Testkörper x. = 0,125 χ 10 cm für Transistor.

Die errechneten Resultate sind in der Fig.5 zusammen mit den experimentellen Daten dargestellt. Man sieht, daß die errechneten Profile recht gut mit den experimentellen überekistimmen, insbesondere gilt dies für das Arsenprofil in dem Testkröper sowie für das Transistorprofil. Die spezifischen Flächenwiderstände der Basiszonen unterhalb des Emitters und die Messungen bezüglich des Kollektor- und Basisüberganges im Testkörper und im Transistor stimmen mit den berechneten Werten überein.

In der Fig.5 sind die verschiedenen Profilkurven wie folgt bezeichnet:

1. Normaler Diffusionsprozeß mit Kapsel als Störstellensubstanzquelle

Emitter mit Arsen, Basis mit Bor dotiert Fi 968 085, Fi 966 086 0 0 9 8 1 θ / 1 2 4 S

19U745

Transistorprofil, berechnet unter Zuhilfenahme des Diffusionsprozeßmodelles nach den Gleichungen (4-12);

ο Transistorprofil, ermittelt durch Messung des

differentiellen spezifischen Widerstandes;

Emitterprofil, hergestellt durch Einzeldiffusion und berechnet nach dem Modell entsprechend der Gleichung 1;

xxxxxx Einzeldiffusion des Emitters, ermittelt mittels der Methode des differentiellen spezifischen PlächenwiderStandes;

-:-:-:- Anfangsprofil der Basis, berechnet entsprechend dem Modell nach Gleichung 1;

▲ A A A Anfangsbasisprofil, experimentell ermittelt mit Hilfe der Methode des differentiellen spezifischen Flächenwiderstandes;

Basis, erstellt als Einzeldiffusion nach einer W arme be hand lung entsprechend eines Emitterdiffusionszyklus und gemessen mittels der Methode das differentiellen spezifischen Flächenwiderstandes, . . - ,_-.-

Es ist zu bemerken, daß das wiederverteilte BasispF,ofirl^: , la-s das Emitterprofil schneidet, und zwar bei einer tieferen ; Übergangsflache als sie in Wirklichkeit für den Emitter- - ->„ basisübergang durch Rechnung und Messung erhalten, wird. :χί

Pig.6 veranschaulicht die außerordentliche Verbesserung: der oberen Grenzfrequenz des Transistors f. .in abhängigkeit _ t von dem Emitterstrom l_e, hervorgerufen durch den Einbau; ; des abrupten Störstellenproflies des Emitters, wobei f. < · dieses durch Eindotieren von Arsen anstelle von Phosphor-. realisiert ist. Den beiden oberen Kurven liegen identische Emitterflächen zugrunde. Die Vorrichtung,§ntsprechend der oberen Kurve, besitzt eine geringere Übergang ie fe als dies für den darunter liegenden Kurvenverlauf der Fall ist. Je-. doch besitzt die obere Kurve einen steileren Störstellenkonzentrat ionsgradienten. (2x7 Atome/cm bis 1x10 -^Atome/cm infolge des arsendotierten Emitters im Vergleich mit der am höchsten gelegenen Phosphorkurve (8x10 Vcm ), auf welche Unterschiede die Verbesserung der elektrischen Eigenschaften zurückzuführen ist. Die untere Phosphorkurve entspricht der oberen Grenzfrequenzcharakteristik, wie sie unter Benutzung des Standes der Technik erhalten werden kann. Um die für höhere Ordinatenwerte geltende Phosphorkurve zu realisieren, bedarf es.außerordentlich entwickelter, komplizierter Phosphordiffusionsprozesse. Es ist hinreichend bekannt, -daß J,. bei Phosphordiffusion hoher Konzentration mit Defekten ■ > innerhalb desSiliziumkörpers gerechnet werden muß, bei·»; _; FI 968 085, FI 968 086 ÖÖ9S18/124I

V9U7A5

spielsweise mit Versetzungen und damit, daß Materialausfall stattfindet. Die Art und die Dichte dieser Defekte hängen von verschiedenen Faktoren ab, wie von der Oberflächenkonzentrat lon, von der Tiefe der Übergangsflächen, von der Temperatur, bei der die Diffusion durchgeführt wurde, von den Diffusionsprozessen selbst usw. Bei ziemlich flach liegenden mit Phosphor dotierten Emitterübergängen mit einer

Tiefe γοη etwa 40 A kommen Fehlstellen oder Versetzungsstellen in der Emitterzone auch bei den höchsten vorkommenden Phosphorkonzentrationen ziemlich selten vor, jedoch können sie nicht, ganz vermieden werden· Einige der Versetzungen gelangen fast unvermeidbar von allen Seiten des Übergangs her in die Basis. Von den Versetzungsstellen ist aber bekannt, daß sie Verunreinigung anziehen und zu Kurzschlußwegen Anlaßgeben. Hierdurch ergeben sich starke Beeinträchtigungen für die Funktionssicherheit der Halbleiterbauelemente. Diejenigen Versetzungsstellen, welche an denjenigen

Bereichen der Emitter- bzw. Basiszone auftreten, an denen der übergang an der Oberfläche liegt, tragen wesentlich zu einer Herabsetzung des Strornverstärkungsfaktors γ bei. i\ußer den Versetzungsstellen sind weitere Fehlstellen bekannt, die als diskrete Materialanteile in Form von IZylinderplättchen oder parallelepipedischen Bereichen ausfallen, wobei diese Ausfällung während der Durchführung der Emitterdiffusion mit hohen Phosphorkonzentrationen stattfindet. Hierdurch ergibt sich ein erhöhter Ausschuß bei der Fabrikation der Halbleiterbauelemente bzw. eine Verminderung der FI 968 OSp, FI 968 086 ö O 9 Ö 1 ö / 1 2 4 6

19U7A5

Qualität der Übergänge. Arsen ist bekannt wegen seiner guten Anpassung beim Einbau in die Gitterstruktur des Siliziums,' infolgedessen ist die Gefahr der Fehlstellenbildung infolge mechanischer Beanspruchungen des Gitters geringer. Während der Diffusion ergeben sich weitere geringfügige Versetzungsstellen, die jedoch auf andere als auf mechanische Fehlanpassung der StörStellensubstanz andas Wirtsgitter zurückzuführen sind. Diese Versetzungsstellen wurden unter

" Zuhilfenahme der Transmissionselektronenmikroskopie als vom Sessiltyp ausgewiesen.' Diese Fehlstellen befinden sich meistens lediglich innerhalb eines Bereiches von Zweidrittel der Länge der diffundierten Zonen und weisen meistens einen Abstand von einem Drittel derZonenlänge von dem Übergang auf. Derartige Fehlstellen können nur schwierig während der Diffusion oder während anderer bei erhöhter Temperatur durchgeführter Verfahrensschritte in Bewegung geraten. Infolgedessen durchdringen sie nicht von allen Seiten die Übergangsflächen. Eine hohe Dichte von Fehlstellen vom Sessiltyp gibt, wie allgemein angenommen wird, Anlaß zu einer quadratischen oder rechteckigen Profilstruktur infolge von Absorption von Störstellen. Derartige rechteckige Profile mit sehr steilen Anstiegen an den Kanten in der Gegend des Überganges werden tatsächlich beobachtet, wie das aus der verschiedene Störstellenprofile zeigenden Fig.10 hervorgeht. Wie man sieht, beträgt der Abfall der Arsenkonzentration innerhalb von etwa δθ;ΐ des mit Arsen dotierten Gebietes lediglihh eine Größenordnung, d.h.der Fl 968 085, Fl 96c 086 009819/12^6

19H745

Pn "³S Abfall reicht von 2· 1-0 Atomen/cnr an der Oberfläche (x=0) bis zu 2 · 10 " Atome/cnr an einer Stelle x, welche größer ist als etwa QOfo der gemessenen Übergangstiefe. Der übrige Teil des Konzentrationsabfalles liegt innerhalb der restlichen 10 oder 20 Prozent der Tiefenerstreckung des Überganges, und zwar in der Nähe des Überganges, d.h. dieser Abfall vollzieht sich etwa von 2 · 10¹^ bis 1,7 Atome/cm . In der gleichen Figur 10 sind für Vergleichszwecke verschiedene Beispiele von tiefen und flachen mittels Phosphordiffusion (POPK oder ΡΗ-,-Prozeß) erzeugter Übergänge dargestellt.Vergleichbare Übergangstiefe und Konzentration vorausgesetzt, ist ersichtlich, daß innerhalb eines Bereiches, der größer als 8θ$ des mit Phosphor dotierten Überganges ist, die Phosphorkonzentration

2Ω ~*) fast monoton von K · 10 Atome/cnr an der Oberfläche (x=0)

λ O -z

bis etwa 1 - 10 Atome/cnr für χ größer als etwa 8o>& der gemessenen Übergangstiefe ist, d.h. der Störstellenkonzentrationsabfall erstreckt sich über etwa zwei Größenordnungen.

'Durch Transmissionselektronenmikroskopie konnten keine diskreten Ausfällungspartikel in Form von zylindrischen Stäbchen usw. innerhalb des arsendotierten Emitters beobachtet werden; daraus folgt eine im Vergleich mit Halbleiterbauelementen mit phosphordotierten Emittern wesentlich höhere Qualität und Zuverlässigkeit der Übergänge. Die unter dem Namen Pipes bekannten Fehlstellen wurden in FI 968 085, FI 968 086 6 Ö 9 S 1 § / 1 2 A 5

19U745

arsendotierten Emittervorrichtungen ebenfalls nicht beobachtet. Infolge der Ausbreitungstendenz der Störstellen ■aus dem Emitter in die Basis bei Transistoren mit phosphordotierten Emittern breitet sich das Dotierungsprofil in der Basiszone aus, wodurch sich eine Herabsetzung des integralen Basisdotierungsniveaus ergibt. Hierauf sind ein erhöhter Basiswiderstand sowie eine niedrigere Durchschlags spannung zurückzuführen. Diese Effekte werden noch ■ ψ dadurch gefördert, daß die Tiefe des Emitterüberganges und die Basisstärke dazu tendieren, innerhalb der vertikalen Geometrie der modernen Transistorstrukturen kleiner zu werden. Zur Realisierung von Halbleiterbauelementen für logische Schaltungen mit einer hohen Arbeitsgeschwindigkeit und mit einer dünnschichtigen Geometrie benötigt man Kcmbi-

o nationen von sehr kleinen Basisdicken (kleiner als 25 κ) und

12 einem hohen Gesamtstörstellenniveau der Basis von j .10

Atome/cm . Diese Kombination ist in der Praxis wegen des . hohen Ausbreitungseffektes (zwischen 20?j bis 40;.£ der Tiefe des Kollektorüberganges) unterhalb des Emitters sehr schwierig zu realisieren. Der genannte Effekt ist auf verschiedene, im folgenden genannte Ursachen zurückzuführen. (1) auf mechanische Beanspruchung, (2) auf das elektrische Feld, (3) auf plastische Deformation, (k) auf Ausfällungen von Störstellensubstanz, (5) auf die Basisdicke, (6) auf die Temperatur, (7) auf die Basisdotierung. Von der mechanischen Beanspruchung ist bekannt, daß sie den vorherrschenden Faktor bei vorliegender Fhofephordotie-rung bildet»-Pur Fi 968 085, Fi 968 086 0 0 9819/1245

Arsen ist dieser auf mechanische Beanspruchung zurückzuführende Grund" auf ein Minimum reduziert, weil der Atomradius des Arsens sehr gut an denjenigen des ^Siliziums angepaßt ist, Infolgedessen bekommt man auch bei den höchsten Arsenkonzentrationen innerhalb der Emitterzone nur einen äußerst

gering ins,Gewicht fallenden AusbreitungseffeXt. Deshalb ist die Benutzung von Arsen als Störstellensubstanz für den Emitter besonders günstig.

Zur Erstellung der N-Ieitenden Zone kann auch Antimon als Störstellensubstanz benutzt werden, da es einen mit.Arsen vergleichbaren Diffusionskoeffizienten aufweist. Meist wird jedoch Arsen wegen seiner besser an Silizium angepaßten Gitterkonstanten bevorzugt.

Zur Einbrigung von Elementen der Gruppe V B kann auch eine Beschießung mit Ionen der entsprechenden Störstellensubstanzen benutzt werden, beispielsweise Stickstoff und Arsen. Diese bilden innerhalb des Halbleitergitters einen abrupten Dctierstoffgradienten vom N-Leitfähigkeitstyp, wie es zur Realisierung verbesserter elektrischer Eigenschaften von Halbleiterbauelementen nach der Lehre der vorliegenden Erfindung günstig ist. Die Ausfallquote innerhalb eines Fertigungsprozesses hängt u.a. Faktoren ab von dem Anteil der mechanischen Beanspruchung, welche innerhalb des Siliziumgitters infolge der Einverleibung der Störstellensubstanzen stattfindet. Eine höhere Konzentration FI 968 065, FI 966 086

der Dotierungsstoffe wird im allgemeinen eine höhere Zahl von Defekten im Siliziumgitter hervorrufen und weitere unerwünschte Effekte begünstigen, beispielsweise durch Diffusion hervorgerufene Pipes, Versetzungen, Ausfällungen usw. Diese Faktoren verursachen ungleichförmige Übergänge, und setzen die Durchbruchs- sowie Durchreichspannungen herab. Als besonders unerwünscht ist auch die durch die genannten Ursachen bewirkte Herabsetzung des Stromverstärkung sfaktors ρ (Schaltung mit gemeinsamem Emitter) anzusehen.

Da Arsen eine sehr viel höhere Abhängigkeit der Diffusionskonstanten von der Konzentration aufweist als der nach dem Stand der Technik meist als Störstellensubstanz benutzte Phosphor, kann nachweisbar ein bestimmter Störstellengradient bei einer festliegenden Emitterbasisübergangstiefe unter Zugrundelegung einer niedrigeren Emitteroberflächen- \ konzentration erzeugt werden, als dies unter Verwendung von Phosphor als Störstellensubstanz möglich ist. Dies zusammen mit der bereits erwähnten Tatsache, daß Arsenatome für das Silizium sich wegen ihrer Größe besser für den Einbau in das Siliziumgitter eignen, bringt es mit sich, daß dieses einer geringeren mechanischen Beanspruchung ausgesetzt ist,, wodurch sich unter der Verwendung von Arsen als Störstellensubstanz eine höhere Schaltgeschwindigkeit bei besserer Produktionsausheute ergibt. Für eine gegebene Oberflächenkonzentration kennen höhere Emittergradienten an dem Emitter- FI 963 085, FI -Xb 086 ÖÖ981S/1246

basisübergang bei Benutzung von Arsen sogar bei im Vergleich mit Phosphordotierung tieferliegenden Übergängen^ realisiert werden. Aus den genannten Gründen können tiefere Strukturen mit größerer Vollkommenheit und mit besserer Produktionsausbeute bei Einbau von arsendotierten Emittern·* realisiert werden.

Beispiele 1, 2 und 3

Unter Benutzung konventioneller Herstellungsmethoden wurden Transistoren entsprechend der Struktur nach Fig.1 hergestellt, wobei der Verfahrensschritt zur Durchführung der Emitter- · diffusion ausgespart wurde. Unter Benutzung einer derartigen Struktur als Ausgangssübstrat wurden nunmehr drei verschiedene Halbleiterbauelemente mi-t drei verschiedenen Emitterdiffusionen hergestellt, die im folgenden den Beispjfien 1, 2 und J entsprechen. Für die Beispiele 1 und 2 wurde eine Arsenquelle in Kapselform benutzt, deren Kon-

21 "5 zentration innerhalb der Kapsel 1,9 * 10 Atome/cnr betrug. Die Substrate wurden zu verschiedenen Zeiten aufge- ■ heizt, nachdem die Kapsel bei etwa 1000° C in den Diffusionsofen eingebracht war. Im Falle des Beispiels 1 betrug die •Diffusionszeit 60 Minuten, im Fall des Beispiels 2 80 Minuten. Hierauf wurde ein Ggtterzyklus durchgeführt·, wozu Phosphor bei 885⁰ C 25 Minuten lang benutzt wurde. Ein drittes Siliziumsubstrat wurde als Beispiel 5 mit einem phorphordotierten Emitter versehen, was in einem konventionellen Prozeß mit offenem Reaktionsrohr unter Benutzung' von Phosphor als Diffusionsmaterial bei «einer Temperatur Fr y68 085, Fi 968 086 0 0 9 8 19/124 5

von 885° C 40 Minuten lang durchgeführt wurde. Die elektrischen Charakteristiken der so erstellten Halbleiterbauelemente sind in der folgenden Tafel wiedergegeben:

^fe\ TjT

Beispiel 1 Beispiel 2 Beispiel 5 As Subkollektor (Atome/cm^) 1,5'10²¹ 1,5*10²¹ PH₃-I .ΟΊΟ²¹

xjc (2,5A)	25,6	25	25,0
x_je (2,5A) W_b (2,5 A)	14,9 8,7	.:.	16,0 9,0
Rdb (kJQ/O	4-5	7,5-9	11-13
V^GHz> β bei IE=IO mA	5,11 55-40	4,2 60-75	2,5 40-60

In Pig.7 zeigen die beiden oberen Kurven als zur Beurteilung der Güte des Bauelementes geeignete Größe das Produkt aus Verstärkung und Bandweite f.. = AB · f , wobei f_t in Abhängigkeit vom Emitterstrom .ahBauelementen mit arsendotiertem Emitter gemessen wurde. Als spezifische Flächenwiderstände wurden Werte von 4 bis 5 kOhm/ Π und von 9 kOhmfl gemessen; Für Vergleichszwecke zeigt die in Fig.7 an unterster Stelle eingezeichnete Kurve die Große f. in Abhängigkeit von dem Emitterstrom für ein^ entspreschend dem B-ispiel 5 hergestelltes Bauelement mit phosphordotiertem Emitter, wobei ein

Fi 968 065, Fi 968 086 009819/12AB

19U745

spezifischer Flächenwiderstand in der .Größenordnung von 10 - "15 kOhm/ta festgestellt wurde.

Aus den dargestellten Resultaten ergibt sich zunächst, daß sich das Produkt f_t aus Verstärkung und Bandweite des Halbleiterbauelementes nach der Lehre der vorliegenden Erfindung um einen Paktor von etwa 1,7 vergrößern läßt. Die Stromverstärkung ρ für die Transistorschaltung mit gemeinsamem Emitter des Halbleiterbauelementes mit arsendotiertem Emitter ist beträchtlich höher als für ein solches mit phosphordotiertem Emitter, was aus der Fig.8 zu entnehmen ist. Die an den Halbleiterbauelementen vorgenommenen Messungen zeigen, daßftbei einem Emitterstrom Ig = 10 mA für arsendotierte Emitterhalbleiterbauelemente etwa 1,5 mal so groß sind, als dies für Halbleiterbauelemente mit phosphordotiertem Emitter der Fall ist. Für die Emitterbasis-Durehbruchsspannung gilt für arsendotierte Emitter ein Viert von 4,6 - 4,8 Volt bei einem Emitterstrom ¹E ~ ¹^ /^νΛ· ^Im Vergleich hierzu beträgt dieser Wert für Halbleiterbauelemente mit phosphordotiertem Emitter etwa 5>^ Volt. Halbleiterbauelemente mit arsendotiertem Emitter besitzen eine sehr scharf ausgeprägte Kollektorbasis-Durchbruchs spannung von etwa I5-I8 Volt. Die Halbleiterbauelemente mit einem .vert von f, 4 -4,5 GHz sind durch Lawineneffekte begrenzt (Durchbruch bei etwa I7 Volt). Es besteht Grund, anzunehmen, daß durch weitere Vrkleinerung der Basisdicke eine Erhöhung der für f_t und f> erhaltenen Werte Fi 96S 085, Fi 9<-'ö o8C^: 009819/1246

BAD

19H745

noch möglich ist.

Beispiel K, Eine aus Silizium hergestellte Bauelementenstruktur, wie sie in Fig.1 zu sehen ist, wurde unter Benutzung eines arsendotierten Emitters hergestellt, wobei

ο als Dicke für die Emitterzone etwa 200 A gewählt wurden

und der Abstand zwischen dem Emitter- und Basiskontakt

ο
etwa 200 A betrug". Die Tiefe des Kollektorüberganges wurde

ο ο

zu 55 A gewählt unddie Basisdicke betrug etwa I5 A. Ferner wurde ein gleiches Halbleiterbauelement erstellt mit einer

ο ο Emitterzonenlänge von etwa I250 A und 1750 A . Die folgende Tafel gibt das Wechselstrom-und Gleichstromverhalten der genannten Transistorstrukfcuren wieder.

ο ο

1250 A Emitter 1750 A Emitter

ßbei I_E= 10 mA 154 128

und V_CB = OV

f_t bei I_E = 5,5mA 10,2 GH₂ 9,1

und V_CB = 0,5 V

R., C_n bei IE=IOmA , 4 bis 7 ß^sec. lOpsec.

T bei IE=4mA 16 - 18 psec. 17-20 psec. und V_CB=0,5V

C_CB bei V_CB= OV 0,118 pF 0,08 pF

C_fce bei V_CB= OV 0,088 pF 0,046 pF

^RC «5 ^. Oi5 Xl

FI 968 085, Fl 968 086 O O 9 8 1 9 / 12 k S

Fig.9 zeigt eine graphische Darstellung der Abhängigkeit des Produktes aus Bandweite und Verstärkungsfaktor f. = A. B · |3 in Abhängigkeit von dem Emitterstrom, der im Vorstehenden charakterisierten Halbleiterbauelemente. Aus der Figur ist ersichtlich, daß Transistoren nach der Lehre der Erfindung gebaut werden können, die einen außerordentlich günstigen v\fert von f_fc bis zu 13 GH7 aufweisen. Derartige Bauelemente besitzen eine Ausbreitungsverzögerung von 160 Pie öse e( wovt t(ow_{

Fig.11 zeigt eine im Vergleich zu Fig.1 etwas komplexere Struktur eines planaren Halbleiterbauelementes. An einer derartigen, in verschiedener Weise abgewandelten Struktur wurden weitere Messungen durchgeführt, deren Ergebnisse als Beispiele 5 bis 7 beschrieben und in den Fig_o12 bis dargestellt sind. Die in Fig.11 dargestellte Struktur umfaßt zunächst das Substrat 11 aus P⁺-leitendem Silizium. Zwei epitaktische Schichten 2j5 und 16 sind auf der Oberfläche dieses Substrates 11 aufgebracht. Das Halbleiterbauelement ist mit Hilfe der Isolierzone 14 und 20 von anderen ähnlichen ,im gleichen Halbleiterkörper befindlichen Bauelementen . isoliert. Die N⁺-leitende Kollektorzone ist zugänglich durch die Kollektorzuführung 1b und 22. Der Emitter 21 ist in die Basiszone 19 eingebettet. Durch Eindiffusion von Gold in das Substrat wurde die N-leitende Zone teilweise in ein eigenleitendes Gebiet umgewandelt, wodurch siah insgesamt zum Zwecke der Isolation die Zonenfolge PIN ergibt. PI 968 085, PI 968 086 009819/12^6-

Weiterhin ist eine Oxydschicht I7 vorgesehen, welche als Diffusionsmaske bei der Durchführung der verschiedenen erforderlichen Diffusionen wirkt. Die verschiedenen Zonen des Transistors sind mittels geeigneter in seiktiver Weise angebrachten Metallisierungsbereiche kontaktiert, wovon die Ohmschen Kontakte 24,25,26 und 27 erwähnt seien.

k Nach Fertigstellung der Emitterzone, zu deren Dotierung aus bereits im Anfang eingehend dargelegten Gründen Arsen benutzt wurde, wird das Halbleiterbauelement mit einer passivierenden Schicht aus Siliziumdioxyd überzogen, was in konventioneller Weise durch Einbringen in einen Wasserdampfstrom bei 970⁰ C geschehen kann. Anschließend wird das Halbleiterbauelement in einen offenen Diffusionsofen eingebracht und mit einer Schicht aus Phosphorsilikatglas überzogen. Diese Glasschicht schützt das Halbleiterbauelement vor dem Eindringen von Verunreinigungen aus der Um-

' gebung. Für diesen Zweck ist eine Dicke der schützenden V

ο
Schicht vom mindestens 700 A erforderlich, in der Praxis

maaht man diese Schicht aus Glas vorzugsweise 1000 bis

ο
2000 A dick.

j Zur Herabsetzung der Lebensdauer von Ladungsträgern kann Gold eir\dotiert werden, wodurch in manchen Fällen die Arbeitsgeschwindigkeit derartiger Halbleiterbauelemente erhöht werden kann. Es sei bemerkt, daß insbesondere bei

Fl 968 085, Fl 968 086 009019/1245

Halbleiterbauelementen mit ziemlich flach liegenden Übergängen bzw. ziemlich dichter Zonenfolge und bei Verwendung von Phosphor, der gebräuchlichsten Störstellensubstanz, es sehr schwierig, wenn nicht unmöglich ist, Gold elnzudotieren. Dies ist hauptsächlich darauf zurückzuführen, daß bei für Golddiffusion geeigneten Temperaturen auch der Phosphor dazu neigt, weiter in Richtung auf die Basis einzudiffundieren, wodurch sich oft Kurzschlüsse zwischen den verschiedenen Zonen ergeben. Weiterhin ist von Phosphor bekannt, daß er die Tendez aufw'eist, das Gold sozusagen abzuschirmen, so daß nicht genügend Goldatome für die Basis übrigbleiben, um in dieser Zone die Lebensdauer der Ladungsträger hinreichend herabzusetzen. Bei der Verwendung von nrsen als Störstellensubstanz kann jedoch Gold auch bei Strukturen mit sehr dichter Zonenfolge zum Zwecke der Herabsetzung der Lebensdauer von Ladungsträgern, benutzt werden wegen seiner im Vergleich zu Gold kleinen Diffusionskonstanten und weil Arsen keine merkliche abschirmende Wirkung auf die Goldatome ausübt.

Beispiele 5 und 6

Ss wurde eine Bauelemente-Struktur entsprechend der Fig.11 zunächst unter Benutzung von Phosphor als Störstellensubstanz für den Emitter hergestellt. Eine Golddotierung wurde in diesem Beispiel nicht vorgenommen. Der Emitter

-2 -4 2

besaß eine Abmessung von 2,5 «10 mm bzw. 6,25*10 mm .

Fl 968 085, Fi 968 086 009819/1245

Ein zweiter Halbleiterkörper wurde in gleicher Weise bis auf den Verfahrensschritt zur Herstellung de-s Emitters erzeugt. Für den Emitter wurde jedoch die gleiche Größe vorgesehen, wie in dem vorbeschriebenen Beispiel des Halbleiterbauelements mit phosphordotiertem Emitter. Dieser Halbleiterkörper wurde nunmehr zum Zwecke des Einbaus

der Emitterzone unter Benutzung einer geeigneten Maske zusammen mit einer Arsen als Stästellensubstanz enthaltenden Kapsel in einen Diffusionsofen eingebracht und auf eine Temperatur von 1000° C über einen Zeitraum von 90 Min. aufgeheizt. Die Kapsel wurde aus dem Ofen entfernt und das Halbleiterplättchen auf Raumtemperatur abgekühlt.

Eine thermisch aufgewachsene Siliziumdioxydschicht von

etwa 5000 A wurde auf das Halbleiterbauelement mit arsendotiertem Emitter aufgebracht, indem dieses einer oxydie-

o °

renden Atmosphäre bei 900 C ausgesetzt wurde. 1000 A eines Phosphorpentoxydglases wurden dann unter Benutzung eines Phosphordiffusionsprozesses mit offenem Reaktionsrohr bei 900° C auf die Siliziumdioxydschicht aufgebracht.

ο
Schließlich wurde eine 500 A dicke Goldschicht auf die Rückseite des Substrates aufgedampft und bei einer Temperatur von 1000° C zwei Stunden lang in den Halbleiterkörper eindiffundiert.

Nunmehr wurden Messungen zu Ermittlungen der charakteristischen Größe für die beschriebenen Halbleiterbauelemente

Fl 968 085, Fl 966 086 0 0 9 8 19/1245

T9H7A5

durchgeführt, bei denen sich die in der folgenden Tafel ersichtlichen Meßwerte ergaben:

I_e P_t r_b HFE

Beisp.5 1OmA 83OMHz 120 X^- Beisp.6 10 mA 2100MHz 120.Ω. 50

(golddotiert)

In der Fig.12 ist der Stromverstärkungsfaktor der gemessenen Halbleiterbauelementstrukturen in Abhängigkeit vom Kollektorstrom I für den Fall eines Halbleiterbauelementes mit arsendotiertem Emitter wiedergegeben.

Fig.13 zeigt die für die Arbeitsgeschwindigkeit des Bauelementes charakteristische Größe f, = Δ B, ^ in Abhängigkeit vom Kollektorstrom I^, für den Fall eines Halbleiterbauelemente mit arsendotiertem Emitter.

Beispiele 7A und 7B

Eine einfache Transistorstruktur mit einer N-leitenden epitaktischen Schicht auf einem N⁺-Substrat wurde mit zwei geometrisch verschiedenen Horizontalstrukturen erstellte Bei der ersten Struktur besaß die Basiszone eine

PI 969 085, H 968 086 009819/1246

Abmessung von 12,5 mm · 1,4 mm mit einem Emitter der Größe 0,25 . 10"² mm · 1,25 · ¹O"² mm. Ein einzelner Basiskontakt

-2 -P

wies die Abmessungen von 2,5.10 mm .· 1,25 * 10 mm auf. ' Dieser Bauelementtyp wird im folgenden mit A bezeichnet. Die zweite Horizontalgeometrie besaß eine Basisgrööe von 1,75·10"² mm ·1,75·10~² mm, wobei diese mit zwei Basiskontakten der gleichen Größe wie im Pall A versehen war. Dieses Halbleiterbauelement wird im folgenden mit B bezeichnet. Zur Herstellung dieser beiden Bauelementstrukturen wurden folgende Prozeßschritte angewendet:

Eine dünne Schicht aus epitaktischem Silizium der Dicke 2 /VV mit einer spezifischen Leitfähigkeit von 0,1 0hm . cm wurde auf ein Siliziumsubstrat von 0,0001 0hm · cm, welches eine Leitfähigkeit von N⁺ besaß, niedergeschlagen. Nach erfolgter Reoxydation wurden Fenster für die Basisdiffusion eingebracht. Darauf wurde eine flüssige Substanz, welche bei der Emilsiton Company unter dem Namen Borofilm käuflich erhältlich ist, aufgebracht, zu welchem Zwecke das Plättchen in Drehung versetzt wurde. Die Dicke der aufzubringenden Schicht wurde mittels der Drehzahl gesteuert. Anschließend wurde das Plättchen getrocknet und folgenden Prozeßschritten unterworfen:

1) Einbringen der Basis
Temperatur 925° C, Zeit 25 Min.

Fi 968 085, Fl 968 086 009019/1241

191A7A5

Diffusion in offenem Reaktionsrohr in Luft Χ, = 0,055 · 10~² mm P_s « 58 SI/ Q

2) Oxydation

Temperatur 925° C, Zeit 5-70-5 O₂ - Dampfstrom

X. = 0,070 · 1O^-2 mm

. P₈ = 380 Λ./Π C_Q= 2,10 ^ Atome/cnr unter-Annahme einer Gaußschen Konzentrationsvertellung

3) Emitterdiffusion

Temperatur 1000° C, Zeit 120 Min. Diffusion mit Arsenquelle X, = 0,055 * 10~² mm P₃ = 15,8 £L/Q

21 3

C '= 1,5 ·.- 10 Atome/cm^, wenn als Verteilungsgesetzmäßigkeit die Fehlerfunktion angenommen wird.

Die vorstehenden Daten wurden unter Benutzung von Testplättchen gemessen, welche gewöhnlich einen spezifischen Widerstand von 10 XI.· cm bei P- oder N-Leitfähigkeit aufweisen. Die Dumbbell-Widerstände betrugen 25 kOhm/ Q Nach dem Aufbringungsverfahrensschritt für den Emitter wurden DurchbrUche für die Basiskontakte erstellt und Aluminium wurde aufgebracht und eingesintert. Der Kollektor-FI 966 085. FI 968 086 Q

19H7A5

kontakt wurde erhalten durch Kontaktierung der Rückseite des Plättchens. Die Plättchen wurden in Scheiben geschnitten und auf geeignete Unterlagen aufmontiert.

Die elektrischen Daten der Bauelemente A und B wurden gemessen. Zunächst wurde als Meßreihe die Abhängigkeit der Verstärkung bei kleinen Signalen entsprechend dem Parameter h- oder ^> für das Bauelement A und B als Funktion des Emitterstromes I_Q aufgenommen. Das Ergebnis ist in den Figuren 14 und I5 dargestellt.

Das Maximum des Kurvenverlaufs h_f (I_e) liegt etwa bei 160 für 1,5 inA für den kleinen Transistor A und das Maximum der genannten Abhängigkeit liegt für größere Bauelemente B etwa bei 155· -Der Verlauf der Größe f., welcher dem Produkt aus Bandweite und Verstärkungsfaktor entspricht, ist in den Figuren 16 und I7 dargestellt. Für den kleinen Transistor A liegt das %ximum von f_fc bei 9,0 GHz und gehört zum Stromwert von 3 mA, während der entsprechende f.-Wert für den großen Transistor B bei 6,7 GHz gefunden wurde. Die untere gestrichelt gezeichnete Kurve der Fig.16 wurde eingezeichnet, um den entsprechenden Kurvenverlauf für einen Transistor mit phosphordotiertem Emitter für Vergleichszwecke zur Verfügung zu haben. Wie ersichtlich, liegen innerhalb des gesamten Kurvenverlaufes alle f_t-Werte bei Transistoren mit arsendotierten Emittern wesentlich hoher als dies für solche mit phosphordotierten Emittern der Fi 968 085, Fi 968 086 009819/1245

1.9H7A5

- 37 -Fall ist.

Aus diesen charakteristischen Daten ist ersichtlich, daß Halbleiterbauelemente mit außerordentlich guten elektrischen Eigenschaften hergestellt werden können unter Benutzung einer Schicht aus Borofilm. Es sei angemerkte daß die gleiche Temperatur benutzt wurde zum Niederschlagen der Basiszone und für die Oxydation in einem offenen Reaktionsrohr. Daher ist nur ein einziger Prozeßschritt erforderlich anstelle von zwei Schritten, die bei andersartigen Prozeßvorgehen erforderlich sind. Die Ätzrate für das Oxyd war ziemlich gering, jedoch erfolgt der Ätzvorgang weitgehend gleichförmig.

Die Emitter-Basis- und Kollektor-Emittercharakteristiken sind sehr scharf ausgeprägt. Die Charakteristik für den Kollektor-Basis-Übergang war etwas flacher infolge des NichtVorhandenseins von Phosphorsilikatglas als Abdeckschicht über dem Kollektor-Basis-Übeiging· Für das größere Halbleiterbauelement wurden geringere Werte für f_t gemessen. Für diese Differenz bezüglich der kleineren Halbleiterbauelemente ist wahrscheinlich der Unterschied · bezüglich der Kollektor-Basiskapazität bei den genannten ; Halbleiterbauelementen verantwortlich zu machen. Die Kollektor-Basiskapazitätvdieser Vorrichtungen wurde gemessen und in Fig.18 als Funktion der Spannungsdifferenz «

(V. „..γ- ) aufgetragen» Hierbei bedeutet V₀ das dem Transistor |

. .::■'■'■■- .-"·■■■ -■.-■- -■"-■■ -.-..■- f: FI 968 o85, FI 968 086 0098197

19U745

■-·.- 38 -

inhärente Potential, während die von außen angelegte Spannung mit V bezeichnet ist. Pur Vergleichszwecke wurde die normierte Kapazität für einen idealen Übergang eingezeichnet. Aus den vorlje genden Messungen ist ersichtlich, daß die Substanz Borofilm mit Erfolg zur vereinfachten Herstellung von Transistoren mit guten elektrischen Eigenschaften benutzt werden kann. Die Transistoren mit kleinflächigem Kollektor-Basis-Übergang scheinen einen höheren f.-Wert und geringere Kapazitätswerte auf Kosten eines höheren Basiswiderstandes zu besitzen. Grundsätzlich besteht die Möglichkeit, die Basisdicke noch kleiner zu machen, so daß BV_n-T_7n auf einen Jert von 2 bis 3 V herabgedrückt werden kann. In diesem Fall sind noch höhere Werte für fx. zu erwarten.

FI 968 085, PI 968 O86 0098

ORfGINJAL INSPECTED

Claims

15. März 1969 si-sk·

Patentansprüche

fy. Halbleiterbauelement mit mindestens einem PN-Übergang, gekennzeichnet durch eine extrem dünne P-leitende Zone sowie dadurch, daß für die Störstellenvertellung auf der N-leitenden Seite des Übergangs ein rechteckiger Verlauf gewählt ist, derart, daß die Störstellenkonzentration mit einem viert von 10 Atomen/cnr an der Oberfläche des Bauelementes beginnend bis kurz vor Erreichen des Überganges nahezu konstant verläuft und in unmittelbarer Nähe des Überganges einen Abfall über 4 bis 5 Größenordnungen aufweist.

2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die P-leitende Zone infolge von Wechselwirkungen mindestens zweier, einander entgegengesetzte Leitfähigkeit verleihender, sukzessive in den Halbleitergrundkörper einzudiffundierender Störstellensubstanzen, eine Dicke aufweist, die kleiner als 1 & ist,

3. Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauelementes nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in einen P-leitenden Halbleitergrundkörper eine Donatorstörstellensubstanz mit stark konzentrationsabhängiger,

FI 96β _Oa5, FI 966 086 009810/12*6

19H745

mit wachsender Konzentration zunehmender Diffusionskonstante solange eindiffundiert wird, bis eine Donator-

20 "5 Störstellendichte von 10 .,tomen/cnr an der Oberfläche des Halbleiterkörpers erreicht ist, wobei Störstellensubstanzen mit starker gegenseitiger Wechselwirkung ausgewählt werden.

4. Halbleiterbauelement nach den Ansprüchen 1 und 2, " dadurch gekennzeichnet, daß als Halble jt ergrundmaterial

Silizium und als Donator Arsen oder Antimon benutzt wird.

5· Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Eindiffusion der Donatorstörstellen mittels Ionenbeschuß vorgenommen wird.

6. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Donator Arsen thermisch eindiffundiert wird.

7· Verfahren nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch die Verwendung zum Herstellen von Transistoren mit dichter Zonenfolge, geringer Basisdicke und hoher Oberflächen-Störstellenkonzentration.

8. Halbleiterbauelement nach den Ansprüchen 1 und 2, gekennzeichnet durch die Ausbildung als Transistor, bei welchem die N-leitende Zone mit nahezu rechtokiger Stör

FI 968 08b, 966 0&6 0098 1 9/12A5

stellenverteilung als Emitterzone, eine zusätzlich anzufügende N-leitende Zone als Kollektorzone und die extrem dünne P-leitende Zone als Basiszone wirk-' sam ist.

9. Halbleiterbauelement nach Anspruch 8, dadurch

gekennzeichnet, daß der Halbleitergrundkörper aus * Silizium besteht, und die zusätzliche Kollektor zone in konventioneller Weise dotiert ist.

10. Halbleiterbauelement nach Anspruch 9» gekennzeichnet

durch eine dichte Zonenfolge sowie durch die Anwendung von Gold zur Lebensdauerdotierung

11. Halbleiterbauelement nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, , daß zur Durchführung der Basisdiffusion eine wasserlösliche polymere Substranz (Borofilm) benutzt wird, - - welche aus einer Kohlenstoff - Kohlenstoff Brandstruktur ; besteht, an welche weitere, Bor enthaltende chemische Gruppen gebunden sind.

FI 968 085, FI 968 086

009819/12AB QRfGfNAL

Leerseite