DE1914745B2

DE1914745B2 - Verfahren zum herstellen eines halbleiterbauelements

Info

Publication number: DE1914745B2
Application number: DE19691914745
Authority: DE
Inventors: Joseph Juifu; Yeh Tus Hsing; Poughkeepsie; Vora Madhukar Bhavaniduas; Ghosh Hitendra Nath; Beacon N.Y.; Joshi Madhukar Laxman Essex Center Vt; Chang (V.St.A.)
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1968-10-07
Filing date: 1969-03-22
Publication date: 1973-03-29
Also published as: GB1281043A; IE33394B1; US3607468A; JPS5011234B1; IE33394L; DE1914745A1

Description

daß bei dem erfindungsgemäßen Verfahren durch auf- F i g, 10 einen Vergleich νση Emitterprofilen f üi

einander!olgendes Dotieren, beginnend mit den Akzep- die Dotierungsmaterialien Areen und Phosphor,

toren, beim nachfolgenden Dotieren mit Donatoren die Fig. 11 ein weiteres typisches Halbleiterbauelement

Akzeptoren auf die beim fertigen Halbleiterbauelement ^:n Querschnittsdarstellung,

vorhandene P-Zone zurückgedrängt werden, ergibt 5 Fig. 12 eine graphische Darstellung der Abhänsich keine Durchmischung von Akzeptoren und Dona- gigkeit des Stromverstärkungsfaktors β vom Kollektortoren, se daß die angestrebte kurze Uraschaltzeit mit strom für ein Halbleiterbauelement nach Fig. 11, Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens in vorteil- F i g. 13 eine graphische Darstellung der Abhänhafter Weise zu erzielen ist. Die USA.-Patentschrift gigkeit des Produktes f_t aus Bandweite Δ B und Ver-3 390 019 zeigt zwar ein Dotierungsverfahren mit Hilfe io Stärkung β vom Kollektorstrom für das Halbleitervon Ionenbeschuß, aber auch hier ergibt sich eine bauelement nach Fig. 11,

Durchmischungszone von Akzeptoren und Donatoren, Fig. 14 eine graphische Darstellung des Transo daß auch bier wiederum keine kurzen Umschalt- sistorparameters h_fe in Abhängigkeit vom Emitterzeiten zu erzielen sind. sxrom für ein Bauelement nach Beispiel 7 A,

Demgegenüber ist in vorteilhafter Weiterbildung des 15 Fig. 15 eine graphische Darstellung des Tran-

erfmdungsgemäßen Verfahrens weiterhin vorgesehen, sistorparameters h/_e in Abhängigkeit vom Emitter-

daß der Diffusionsvorgang bzw. der Ionenbeschuß strom für ein Bauelement nach Beispiel 7 B,

derart durchgeführt wird, daß durch die damit ver- Fig. 16 eine graphische Darstellung der Abhän-

bundene Zurückdrängung der Akzeptoren die ver- gigkeit des Bandbreite-Verstärkungsproduktes /(

bleibende P-Zone eine Dicke in der Größenordnung 20 = Δ B · β vom Emitterstrom für ein Halbleiterbau-

νυη 1 μ und darunter aufweist. Infolge der Zurück- element nach Beispiel 7A,

drängung der Akzeptoren läßt sich ein äußerst scharfer Fig. 17 eine graphische Darstellung der Abhän-

Übergang erzielen, wobei sich dann noch der Vorteil gigkeit des Bandbreite -Verstärkungsproduktes ft

einer sehr dünnen P-Zone ergibt, die sich auch nach- = ΔΒ-β vom Emitterstrom für ein Halbleiterbau-

träglich nicht erweitern kann. 25 elemei/. nach Beispiel 7 B,

Gemäß einem weiteren Erfindungsgedanken ist F i g. 18 eine graphische Darstellung des Verlaufs fernerhin vorgesehen, daß weitere Zonen derart her- der Kollektor-Basis-Kapazität als Funktion der über gestellt werden, daß die Zonen dicht aufeinander diesem übergang liegenden Spannung (V₀-V) für folgen und daß der Halbleiterkörper mit Gold dotiert Halbleiterbauelemente nach Beispiel 7.
wird. Die Golddiffusion ist grundsätzlich aus der 30 Zur Berechnung des Diffusionsprofils unter Zudeutschen Auslegeschrift 1 160 543 bekannt, jedoch grundelegung der Diffusionsparameter wurde ein zeigt sich, daß bei Phosphordotierung des Emitters Computerprogramm erstellt. Als Eingangsgrößen für und dichter Zonenfolge erhebliche Nachteile damit dieses Programm wurden folgende Werte benutzt: verbunden sind, da die Gefahr eines Kurzschlusses am die Gesamtlänge des Transistors, der Abstand der Emitter- oder am Kollektorübergang oder an beiden 35 mittleren Basisebene von der Oberfläche des Halbbesteht. Es hat sich nun gezeigt, daß dies überraschen- Ieiterkörpers, das Integrationsintervall, alle genannten derweise bei der Arsendotierung von N-Zonen des Größen, gemessen in 2,5 Ä, die Querschnittsfläche in erfindungsgemäßen Verfahrens nicht der Fall ist und cm², der für das elektrische Feld zulässige Fehler, die im Gegenteil eine noch schärfere Abgrenzung zu er- Temperatur in ⁰K, die maximale Anzahl der für die zielen ist. Eine Arsendotierung gestattet nämlich die 40 Lösung zugelassenen Iterationen und die Anfangs-Anwendung einer Golddiffusion selbst bei eng benach- spannungen für V_eb und V_cb. In Programmform stehen barten Übergängen gerade wegen seines geringen noch die folgenden Eingangswerte zur Verfügung: Diffusionsvermögens und seiner Eigenschaft, Gold die Grenzbedingungen nach beiden Seiten (links und nicht einzufangen; dieser Vorteil ist beim erfindungs- rechts) für die Emitter- und Kollektorübergänge, gegemäßen Verfahren um so erheblicher, als eine stark 45 messen von der mechanischen Mitte der Übergänge in mit Arsen dotierte N-Zone bzw. -Zonen vorliegen. cm bei fehlender Vorspannung sowie die inhärenten

Die Erfindung wird an Hand der folgenden Beschrei- Emitter- und Kollektorübergangsspannungen. Ferner

bung einiger bevorzugter Ausführungsbeispiele in stehen noch zur Verfugung die für die Festlegung des

Zusammenhang mit den Figuren näher erläutert. In Diffusionsprozesses erforderlichen Parameter, Vor-

diesen bedeutet 50 dotierungsniveau, Oberflächenkonzentration in An-

F i g. 1 ein typisches Halbleiterbauelement in fangs- und Endzustand für die Basis- und Emitter-Querschnittsdarstellung, diffusionen sowie die Tiefen des Kollektor- und

Fig. 2 und 3 graphische Darstellungen der Netto- Emitterübergangs, gemessen in 2,5 Ä. Standarddotierungskonzentrationen in Abhängigkeit vom Ab- ausgangswerte sind der Minoritätsladungsträger-Gest-tnd von der Oberfläche des Halbleiterkörpers, 55 samtstrom und der Majoritätsladungsträger-Gesamt-

F i g. 4 eine graphische Darstellung der Abhängig- strom für den Emitter una den Kollektor, die an den

keit der Diffusionskonstanten von der Konzentration Übergängen Emitter-Basis und Kollektor-Basis lie-

für Arsen, genden Spannungen V_et>, V_a\> sowie die gesamte Ka-

F i g. 5 einen Vergleich von berechneten und ge- pazität, die infolge der Wirkung der Vorspannung am messenen Diffusionsprofilen bei verschiedenen aufein- 60 tmitterübergang auftritt. Frei wählbare Ausgangsanderfolgenden Diffusionsprozessen, größen sind: das elektrostatische Potential, das elek-

F i g. 6 einen Vergleich der oberen Grenzfrequenz trische Feld, die Quasiferminiveaus für Elektronen und ft des Transistors in Abhängigkeit vom Emitterstrom Defektelektronen, die Gesamtdichten der Defektfür mittels Phosphor-Bor-Dotierung und mittels elektronen und Elektronen, die Störstellenprofile sowie Arsen-Bor-Dotierung erstellte Transistoren, 65 die Funktion des elektrischen Feldes und des Quasi-

F i g. 7, 8 und 9 elektrische Kennwerte von Transi- ferminiveaus für Defektelektronen und für die Elekstoren, die nach der Lehre der vorliegenden Erfindung tronen in Abhängigkeit vom Abstand von der Halbhergestellt wurden, leiterkörperoberfläche.

Als Ergebnis einer derartigen Analyse interessiert am meisten der Verlauf des Emitterstromes I_e in Abhängigkeit von der Basis-Emitterspannung Vbe- Durch Dotieren der Emitterseite des Übergangs ergibt sich ein stärkerer Einfluß auf die exponentielle Abhängigkeit des über den Übergang fließenden Stromes von der Übergangsspannung. Das Programm gestattet eine Voraussage der Abhängigkeit h von Vbe für doppelt diffundierte Transistoren mit geringen Zonenschichtdicken, welche bei verhältnismäßig kleinen Injektionsniveaus von der bekannten Gesetzmäßigkeit

h = h exp

qVbe

kT

- 1

abweicht. Zur Veranschaulichung dieses Sachverhalts wurden einige Chargen von Transistoren erstellt, wobei entsprechend dem Programm für einen Transistor mit dichter Zonenfolge eines Gesamtbasisdotierung von ao 6,268 · 10¹² Atome/cm³ gewählt wurde. Zur Herausstellung dieser Abweichung wurden 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: Oberflächenkonzentration 10²¹/cm³; CS2 = 1,5 ■ 10¹⁹/cm²; CB = 8,6 · 10^ie/cm³; X_je = 48 μ; Ay_c = 75 μ; Gesamtemitterfläche 3,534 cm²; injizierende Emitterfläche 2,19 cm², PU = 6kQ.

Fall 2: Basisdotierung und die strukturelle Basisdicke blieben gegenüber Fall 1 unverändert. Die Emitterdotierung war konstant bei 4 · 10²⁰/ cm³.

35

40

Die Tafel I zeigt den Vergleich zwischen der Stromspannungs-Charakteristik, welche für beide obenerwähnten Fälle sich unter Benutzung des Computer-Programms errechneten.

Tafel I

Vergleich der Charakteristiken

für die Emitter-Diode für die verschiedenen Dotierungsprofile

Tafel II

Emitterspeichereffekt und Kapazität
des Überganges

ν	/	0,42	0,52	Emitter	Ubergangs-
V be	ie	2,28	2,96	speichereffekt	kapazität
(V)	mA	3,85	5,04	(PF)	(PF)
A. Dotierungsprofil nach	4,76	6,20
0,759	7,78	10,10		1,42
0,805	10,90	12,98		3,00
0,819	B. Dotierungsprofil nach	Fig. 2 (TxA)	4,06
0,825	0,759	0,085	4,64
0,839	0,805	0,479	6,10
0,849	0,819	0,844	7,53
0,825	1,08
0,839	1,78	0,84
0,849	2,54	1,88
	2,54
	2,91
	3,82
	4,72


Fig. 3 (Tx-S)
0,009
0,051
0,092
0,118
0,195
0,286

V	(Enutterstrom mA) FaDI	(Emitter fläche = 2,19 · 10-⁴Cm¹) FaIlII
0,7006 0,7597 0,820 0,839	0,0472 0,394 3,98 7,50	0,0983 0,8265 8,203 16,00

50

₅₅

60

Tafel I zeigt, daS bei Sachem und scharfem Emitterprofil sich die gemessene I-V- Charakteristik der für die ideale Diode berechneten nähert, wobei die bekannte exponentielle Beziehung zwischen h und Vbe zugrunde gelegt ist

Zur weiteren Verdeutlichung der durch Änderung des Dotierungsprofils sich ergebenden Möglichkeiten wurde ein spezielles Profil mit einem sehr geringen Gradienten innerhalb der Emitterzone erzeugt, wobei die ir»n>ere Basisdotierung und die Übergangstiefe des Beispiels Tx-\ beibehalten wurden. Dieses Profil wurde in praxi bei der Herstellung des Emitters durch Eindotieren der Störstellen durch Ionenbeschuß erstellt oder durch Benutzung eines normalen Dotierverfahrens unter Verwendung von Arsen als Störstellensubstanz. Dieses Profil ist in der F i g. 3 dargestellt und ist mit Tx-S bezeichnet. Wie erwartet, ist hierbei der Gradient von ψ weniger steil als beim Beispiel Tx-I, andererseits ergibt sich bei der Annäherung an den Übergang eine sprunghafte 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 T x-S zurückzuführen ist. Aus dem vorstehenden ist zu erwarten, daß der Emitterspeichereffekt und die Übergangskapazität für dieses Profil kleiner als Beispiel Ί x-l sein sollte. Berechnungen in Tafel IIA und IIB bestätigen 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 AB-β aus Bandweiten und Stromverstärkung, ein geringerer Basiswiderstand Rb, ein höherer Stromverstärkungsfaktor β sowie eine höhere Durchbruchsspannung. Eine Möglichkeit zur Erzeugung einer derartigen Störstellenverteilung besteht darin, einen Dotierungsstoff wie Arsen zu benutzen, der die Eigenschaft besitzt, daß seine Diffusionskonstante mit wachsender Konzentration sehr stark zunimmt. Ein weiterer Weg zur Erreichung des gewünschten Profils ergibt sich durch Einbringen der Störstellensubstanz mittels Ionenbeschusses.

Eine derartige Konzentrationsabhängigkeit der Diffusionskonstanten ist auf zwei primäre Effekte zurückzuführen. Erstens ergeben sich durch die Ionisation der einzubringenden Dotierungsstoffe innere elektrostatische Felder, durch welche gewisse Krafteinwirkun-

gen zwischen Störstellensubstanz und Wirtsgitter resultieren. Zweitens ergibt sich eine höhere Diffusivität von Elementen der Gruppe V durch deren leichteren Einbau in Leerstellen innerhalb des Kristallgitters. Eine Konzentrationsabhängigkeit der genannten Art ist als Diagramm in der F i g. 4 gezeigt. Eine Transistorstruktur ergibt sich durch das Einbringen von drei einzudiffundierenden Störstellensubstanzen, welche nacheinander eindotiert werden. Zum Beispiel kann man einen arsendotierten Emitter und eine bordotierte Basis durch aufeinanderfolgende Eindiffusionen erstellen, wobei die Basisdiffusion vor der Emitterdiffusion durchgeführt wird. Bei dieser sukzessiven Diffusion wird eine Donator-Störstellensubstanz in ein Siliciumsubstrat eindiffundiert, welches eine Störstellensubslanz des entgegengesetzten Typs bereits enthält (nämlich einen Akzeptor).

Es läßt sich nun zeigen, daß die sich ergebende Wechselwirkung zwischen den Profilen, die den für die Basiszone und Emitterzone benutzten Störstellensubstanzen entsprechen, zu einer geringeren Emitterbasisübergangstiefe führt, als dies durch einfache Überlagerung der Basis- und Emitterdotierungsprofile, wie sie in der F i g. 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 F i g. 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 Basis-Diffusion

B_0x = 3,8-10¹⁹Cm-³,
t = 100 Minuten,
T = 1273° K,

C₃ = 5,2 · 10¹⁵ cm-³ = Vordotierungsniveau,
D^v, = 0,52 · 10-¹⁴ cmVSekunde.

B. Arsen-Diffusion

T
r>°

C₀₂ C₀₂

60 Minuten,

1273°K

0,9 · 10-'¹* cmVSekunden,

1,3 · 10²⁰ cm"³ für Testkörper,

1,5 · 10²⁰ cm-³ für Transistor,

0,175 · 10-⁴ cm für Testkörper,

0,125 · 10-" cm für Transistor.

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

In der F i g. 5 sind die verschiedenen Profilkurven wie folgt bezeichnet:

Normaler DifTusionsprozeß
mit Kapsel als StörsteHensubstanzquelle
Emitter mit Arsen, Basis mit Bor dotiert

Transistorprofil, berechnet unter Zuhilfenahme des Diffusionsprozeßmodells;

— ο — ο Transistorprofil, ermittelt durch Mes

sung des differentiellen spezifischen Widerstandes;

Emitterprofil, hergestellt durch Einzel-

diffusion und berechnet;

xxxxxxxx Einzeldiffusion des Emitters, gemessen mittels der Methode des differentiellen spezifischen Flächenwiderstandes;
— · Anfangsprofil der Basis, berechnet;

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

0000000000 Basis, erstellt als Einzeldiffusion nach einer Wärmebehandlung entsprechend eines Emitterdiffusionszyklus und gemessen mittels der Methode des differentiellen spezifischen Flächenwider-Standes.

Es ist zu bemerken, daß das wiederverteilte Basisprofil das Emitterprofil schneidet, und zwar bei einer tieferen Übergangsfläche, als sie in Wirklichkeit für den

as Emitterbasisübergang durch Rechnung und Messung erhalten wird.

F i g. 6 veranschaulicht die außerordentliche Verbesserung der oberen Grenzfrequenz des Transistors ft in Abhängigkeit von dem Emitterstrom /_e, hervorgerufen durch den Einbau des abrupten Störstellenprofils des Emitters, wobei dieses durch Eindotieren von Arsen an Stelle von Phosphor realisiert ist. Den beiden oberen Kurven liegen identische Emitterflachen zugrunde. Das Bauelement, entsprechend der

oberen Kurve, besitzt eine geringere Übergangstiefe, als dies für den darunterliegenden Kurvenverlauf der Fall ist. Jedoch besitzt die obere Kurve einen steileren Störstellenkonzentrationsgradienten (2 · 7²⁴ bis 1 · 10^2B Atome/cm⁴) infolge des arsendotierten Emitters im Vergleich mit der am höchsten gelegenen Phosphorkurve (8 · 10²³/cm⁴), auf welche Unterschiede die Verbesserung der elektrischen Eigenschaften zurückzuführen ist. Die untere Phosphorkurve entspricht der oberen Grcnzfrequenzcharaktejiiiik, 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 bei Phosphordiffusion hoher Konzentration mit Defekten innerhalb des Siliciumkörpers gerechnet werden muß, beispielsweise mit Versetzungen und damit, daß Materialausfall stattfindet Die Art und die Dichte dieser Defekte hängen von verschiedenen Faktoren ab,

wie von der Oberflächenkonzentration, von der Tiefe der Übergangsflächen, von der Temperatur, bei der die Diffusion durchgeführt wurde, von den Diffusionsprozessen selbst usw. Bei ziemlich flachliegenden, mit Phosphor dotierten Emitterübergängen mit einer Tiefe

von etwa 40 Ä 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

6$ von allen Seiten des Übergangs her in UIc Basis. Von den Versetzungsstellen ist aber bekannt, daß sie Verunreinigung anziehen und zu Kurzschlußwegen Anlaß geben. Hierdurch ergeben sich starke Beeinträchtigun-

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ίο

gen für die Funktionssicherheit der Halbleiterbau- eine im Vergleich mit Halbleiterbauelementen mit elemente. Diejenigen Versetzungsstellen, welche an phosphordotierten Emittern wesentlich höhere Qualidenjenigen Bereichen der Emitter- bzw. Basiszone tat und Zuverlässigkeit der Übergänge. Die unter dem auftreten, an denen der Übergang an der Oberfläche Namen Pipes bekannten Fehlstellen wurden in arsenliegt, tragen wesentlich zu einer Herabsetzung des 5 dotierten Emittervorrichtungen ebenfalls nicht beob-Stromverstärkungsfaktors β bei. Außer den Verset- achtet. Infolge der Ausbreitungstendenz der Störzungsstellen sind weitere Fehlstellen bekannt, die als stellen aus dem Emitter in die Basis bei Transistoren diskrete Materialanteile in Form von Zylinderplätt- mit phosphordotierten Emittern breitet sich das chen oder parallelepipedischen Bereichen ausfallen, Dotierungsprofil in der Basiszone aus, wodurch sich wobei diese Ausfällung während der Durchführung io eine Herabsetzung des integralen Basisdotierungsder Emitterdiffusion mit hohen Phosphorkonzenlra- niveaus ergibt. Hierauf sind ein erhöhter Basiswidertionen stattfindet. Hierdurch ergibt sich ein erhöhter stand sowie eine niedrigere Durchschlagsspannung Ausschuß bei der Fabrikation der Halbleiterbauele- zurückzuführen. Diese Effekte werden noch dadurch mente bzw. eine Verminderung der Qualität der Über- gefördert, daß die Tiefe des Emitterüberganges und die gänge. Arsen ist bekannt wegen seiner guten Anpas- 15 Basisstärke dazu tendieren, innerhalb der vertikalen sung beim Einbau in die Gitterstruktur des Siliciums, Geometrie der modernen Transistorstrukturen kleiner infolgedessen ist die Gefahr der Fehlstellenbildung in- zu werden. Zur Realisierung von Halbleiterbauelemenfolge mechanischer Beanspruchungen des Gitters ge- ten für logische Schaltungen mit einer hohen Arbeitsringer. Während der Diffusion ergeben sich weitere geschwindigkeit und mit einer dünnschichtigen Geogeringfügige Versetzungsstellen, die jedoch auf andere 20 metrie benötigt man Kombinationen von sehr kleinen als auf mechanische Fehlanpassung der Störstellen- Basisdicken (kleiner als 25 Ä) und einem hohen Gesubstanz an das Wirtsgitter zurückzuführen sind. Diese samtstörstellenniveau der Basis von 3 · 10¹² Atome/ Versetzungsstellen wurden unter Zuhilfenahme der cm³. Diese Kombination ist in der Praxis wegen des Transmissionselektronenmikroskopie als vom Sessil- hohen Ausbreitungseffektes (zwischen 20 bis 40 % der typ ausgewiesen. Diese Fehlstellen befinden sich 35 Tiefe des Kollektorüberganges) unterhalb des Emitters meistens lediglich innerhalb eines Bereiches von Zwei- sehr schwierig zu realisieren. Der genannte Effekt ist drittel der Länge der diffundierten Zonen und weisen auf verschiedene, im folgenden genannte Ursachen meistens einen Abstand von einem Drittel der Zonen- zurückzuführen: 1. auf mechanische Beanspruchung, länge von dem Übergang auf. Derartige Fehlstellen 2. auf das elektrische Feld, 3. auf plastische Deformakönnen nur schwierig während der Diffusion oder wäh- 30 tion, 4. auf Ausfällungen von Störstellemubstanz, rend anderer, bei erhöhter Temperatur durchgeführter 5. auf die Basisdicke, 6. auf die Temperatur, 7. auf Verfahrensschritte in Bewegung geraten. Infolgedessen die Basisdotierung. Von der mechanischen Beandurchdringen sie nicht von allen Seiten die Übergangs- spruchung ist bekannt, daß sie den vorherrschenden flächen. Eine hohe Dichte von Fehlstellen vom Sessil- Faktor bei vorliegender Phosphordotierung bildet. typ gibt, wie allgemein angenommen wird, Anlaß zu 35 Für Arsen ist dieser auf mechanische Beanspruchung einer quadratischen oder rechteckigen Profilstruktur zurückzuführende Grund auf ein Minimum reduziert, infolge von Absorption von Störstellen. Derartige weil der Atomradius des Arsens sehr gut an denjenigen rechteckige Profile mit sehr steilen Anstiegen an den des Siliciums angepaßt ist. Infolgedessen bekommt Kanten in der Gegend des Überganges werden tatsäch- man auch bei den höchsten Arsenkonzentrationen Hch beobachtet, wie das aus der verschiedene Stör- 40 innerhalb der Emitterzone nur einen äußerst gering ins Stellenprofile zeigenden F i g. 10 hervorgeht. Wie Gewicht fallenden Ausbreitungseffekt. Deshalb ist die man sieht, beträgt der Abfall der Arsenkonzentration Benutzung von Arsen als Störstellensubstanz für den innerhalb von etwa 80% des mit Arsen dotierten Emitter besonders günstig.

Gebietes lediglich eine Größenordnung, d. h., der Ab- Arsen kann auch durch eine Beschießung mit Arsenfall reicht von 2 · 10²⁰ Atome/cm³ an der Oberfläche 45 ionen eingebracht werden. Diese bilden innerhalb des (x — 0) bis zu 2 · 10¹⁹ Atome/cm³ an einer Steller, Halbleitergitters einen abrupten Dotierstoffgradienten welche größer ist als etwa 80% der gemessenen Über- vom N-Leitfähigkeitstyp, wie es zur Realisierung vergangstiefe. Der übrige Teil des Konzentrationsabfalles besserter elektrischer Eigenschaften von Halbleiterliegt innerhalb der restlichen 10 oder 20% der Tiefen- bauelementen nach der Lehre der vorliegenden Erfinerstreckung des Überganges, und zwar in der Nähe 50 dung günstig ist. Die Ausfallquote innerhalb eines des Überganges, d. h., dieser Abfall vollzieht sich etwa Fertigungsprozesses hängt unter anderen Faktoren ab von 2 · 10¹⁹ bis 1,7 · 10^1β Atome/cm³. In der gleichen von dem Anteil der mechanischen Beanspruchung, F i g. 10 sind für Vergleichszwecke verschiedene welche innerhalb des Siliciumgitters infolge der EinBeispiele von tiefen und flachen, mittels Phosphor- verleibung der Störstellensubstanzen stattfindet. Eine diffusion (PQPl₃- oder PH_S-Prozeß) erzeugten Über- SS höhere Konzentration der Dotierungsstoffe wird im gänge dargestellt. Vergleichbare Übergangstiefe und allgemeinen eine höhere Zahl von Defekten im SiIi-Konzentration vorausgesetzt, ist ersichtlich daß inner- ciumgitter hervorrufen und weitere unerwünschte halb eines Bereiches, der größer als 80% des mit Effekte begünstigen, beispielsweise durch Diffusion Phosphor dotierten Überganges ist, die Phosphor- hervorgerufene Pipes, Versetzungen, Ausfällungen konzentration fast monoton von 4 · 10²⁰ Atome/cm³ 60 usw. Diese Faktoren verursachen ungleichförmige an der Oberfläche (x = 0) bis etwa 1 · 10¹⁸ Atome/cm³ Übergänge und setzen die Durchbruchs- sowie Durchfür χ größer als etwa 80% der gemessenen Über- reichsspannungen herab. Als besonders unerwünscht gangstiefe ist, d. h., der Störstellenkonzentrations- ist auch die durch die genannten Ursachen bewirkte abfall erstreckt sich über etwa zwei Größenordnungen. Herabsetzung des Stromverstärkungsfalctors (Schal·

Durch Transmissionselektronenmikroskopie konn- «s tung mit gemeinsamem Emitter) anznsehen.

ten keine diskreten AusfäHungspartikeln in Form von Da Arsen eine sehr viel höhere Abhängigkeit dei

zylindrischen Stäbchen usw. innerhalb des arsen- Diffusionskonstanten von der Konzentration aufweisi

dotierten Emitters beobachtet werden; daraus folgt als der nach dem Stand der Technik meist als Stör

Stellensubstanz benutzte Phosphor, kann nachweisbar ein bestimmter Störstellengradient bei einer festliegenden Emitterbasisübergangstiefe unter Zugrundelegung einer niedrigeren Emitteroberflächenkonzentration erzeugt werden, als dies unter Verwendung von Phosphor als Störstellensubstanz möglich ist. Dies zusammen mit der bereits erwähnten Tatsache, daß Arsenatome für das Silicium sich wegen ihrer Größe besser für den Einbau in das Siliciumgitter 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 Produktionsausbeute ergibt. Für eine gegebene Oberflächenkonzentration können höhere Emittergradienten an dem Emitterbasisübergang bei Benutzung von Arsen sogar bei im Vergleich mit Phosphordotierung tieferliegenden Übergängen realisiert werden. Aus den genannten Gründen können liefere Strukturen mit größerer Vollkommenheit und mit besserer Produkti Dnsausbeute bei Einbau von arsendotierten Emittern realisiert werden.

Beispiel 1, 2 und 3

Unter Benutzung konventioneller Herstellungsmethoden wurden Transistoren entsprechend der Struktur nach F i g. 1 hergestellt, wobei der Verfahrensschritt zur Durchführung der Emitterdiffusion ausgespart wurde. Unter Benutzung einer derartigen Struktur als Ausgangssubstrat wurden nunmehr drei verschiedene Halbleiterbauelemente mit drei verschiedenen Emitterdiffusionen hergestellt, die im folgenden den Beispielen 1, 2 und 3 entsprechen. Für die Beispiele 1 und 2 wurde eine Arsenquelle in Kapselform benutzt, deren Konzentration innerhalb der Kapsel 1,9 · 10²¹ Atome/cm³ betrug. Die Substrate wurden zu verschiedenen Zeiten aufgeheizt, nachdem die Kapsel bei etwa 1000⁰C in den Diffusionsofen eingebracht war. Im Falle des Beispiels 1 betrug die Diffusionszeit 60 Minuten, im Falle des Beispiels 2 80 Minuten. Hierauf wurde ein Gitterzyklus durchgeführt, wozu Phosphor bei 885⁰C 25 Minuten lang benutzt wurde. Ein drittes Siliciumsubstrat wurde als Beispiel 3 mit einem phosphordotierten Emitter versehen, was in einem konventionellen Prozeß mit offenem Reaktionsrohr unter Benutzung von Phosphor als Diffusionsmaterial bei einer Temperatur von 885° C 40 Minuten lang durchgeführt wurde. Die elektrischen Charakteristiken der so erstellten Halbleiterbauelemente sind in der folgenden Tafel wiedergegeben:

ft = AB · ß, wobei ft in Abhängigkeit vom Emitterstrom an Bauelementen mit arsendotiertem Emitter gemessen wurde. Als spezifische Flächenwiderstände wurden Werte von 4 bis 5 kOhm/D und von 9 kOhm/D gemessen. Für Vergleichszwecke zeigt die in F i g. 7 an unterster Stelle eingezeichnete Kurve die Größe ft in Abhängigkeit von dem Emitterstrom für ein entsprechend dem Beispiel 3 hergestelltes Bauelement mit phosphordotiertem Emitter, wobei ein spezifischer

ίο Flächenwiderstand in der Größenordnung von 10 bis 13 kOhm/n festgestellt wurde.

Aus den dargestellten Resultaten ergibt sich zunächst, daß sich das Produkt ft aus Verstärkung und Bandweite des Halbleiterbauelementes nach der Lehre der vorliegenden Erfindung um einen Faktor von etwa

1.7 vergrößern läßt. Die Stromverstärkung β für die Transistorschaltung mit gemeinsamem Emitter des Halbleiterbauelementes mit arsendotiertem Emitter ist beträchtlich höher als für ein solches mit phosphordotiertem Emitter, was aus der F i g. 8 zu entnehmen ist. Die an den Halbleiterbauelementen vorgenommenen Messungen zeigen, daß β bei einem Emitterstrom I_e 1,0 mA für arsendotierte Emitterhalbleiterbauelemente etwa l,5mal so groß ist, als dies für HaIbleiterbauelemente mit phosphordotiertem Emitter der Fall ist. Für die Emitterbasis-Durchbruchsspannung gilt für arsendotierte Emitter ein Wert von 4,6 bis

4.8 Volt bei einem Emitterstrom /„ = 10 μΑ. Im Vergleich hierzu beträgt dieser Wert für Halbleiterbauelemente mit phosphordotiertem Emitter etwa 5,4 Volt. Halbleiterbauelemente mit arsendotiertem Emitter besitzen eine sehr scharf ausgeprägte Kollektorbasis-Durchbruchsspannung von etwa 15 bis 18 Volt. Die Halbleiterbauelemente mit einem Wert von ft 4 bis 4,5 GHz sind durch Lawineneffekte begrenzt (Durchbruch bei etwa 17VoIt). Es besteht Grund, anzunehmen, daß durch weitere Verkleinerung der Basisdicke eine Erhöhung der für /₍ und β erhaltenen Werte noch möglich ist.

	Beispiel 1	Beispiel 2	Beispiel 3
As-Sub-
kolkktor
(Atome/cm³)	1,55 · 10«	1,5 · 10«	1,0 ■ 10²¹
jc_ie(2,5Ä) ...	23,6	25	25 0
J*. (2,5 A) ...	14,9	—	16,0
W* (2,5 Ä) ...	8,7	—	9,0
Heu, (k Ω/D) - ·	4 bis 5	7,5 bis 9	11 bis 13
Ft(GHz) ....	3,11	4,2	2J5
bei
JE = 10 mA..	35 bis 40	60 bis 75	40 bis 60

In F i g. 7 zeigen die beiden oberen Kurven als zur Beurteilung der Güte des Bauelementes geeignete Größe das Produkt aus Verstärkung und Bandweite

Beispiel 4

Eine aus Silicium hergestellte Bauelementestruktur, wie sie in F i g. 1 zu sehen ist, wurde unter Benutzung eines arsendotierten Emitters hergestellt, wobei als

Dicke für die Emitterzone etwa 200 Ä gewählt wurden und der Abstand zwischen dem Emitter- und Basiskontakt etwa 200 Ä betrug. Die Tiefe des Kollektorüberganges wurde zu 55 Ä gewählt, und die Basisdicke betrug etwa 15 Ä. Es wurden zwei derartige HaIbleiterbauelemente erstellt mit einer Emitterzonenlänge von etwa 1250 und 1750 Ä. Die folgende Tafel gibt das Wechselstrom- und Gleichstromverhalten der genannten Transistorstrukturen wieder.

β bei Ie — 10 mA und V_Cb

= 0V

/₍bei Ie = 3,5 mA und Vcb
= 0,5 V

Rib Cc bei /« = 10 mA ..

Te bei Ie = 4 mA und Vcb
= 0,5 V

Ccb bei Vcb = 0 V

de bei Vcb = 0 V

Rc

1250-Ä-Emitter

154

10,2GHz
4 bis 7psec

16 bis
18psec
0,118pF
0,088 pF
-5Ω

1750-Ä-Emitter

128

9,1GHz lOpsec

17 bis

20psec
0,OiSpF 0,046 pF ~5Ω

3028

F i g. 9 zeigt eine graphite Darstellung der Abhängigkeit des Produktes aus Bandweite und Verstärkungsfaktor f_t=AB-ß in Abhängigkeit von dem Emitterstrom Ie, der im vorstehenden charakterisierten Halbleiterbauelemente. Aus der Figur ist ersichtlich, daß Transistoren nach der Lehre der Erfindung gebaut werden können, die einen außerordentlich günstigen Wert von f_t bis zu 13 GHz aufweisen. Derartige Bauelemente besitzen eine Ausbreitungsverzögerung von 160 psec. ίο

Fig. 11 zeigt eine im Vergleich zu Fig. 1 etwas komplexere Struktur eines planaren Halbleiterbauelementes. An einer derartigen, in verschiedener Weise abgewandeltes Struktur wurden weitere Messungen durchgeführt, deren Ergebnisse als Beispiel 5 bis 7 beschrieben i<nd in den Fig. 12 bis 18 dargestellt sind. Die in Fig. 11 dargestellte Struktur umfaßt zunächst das Substrat 11 aus P⁺-leitendem Silicium. Zwei epitaktische Schichten 23 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 18 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 sich insgesamt zum Zwecke der Isolation die Zonenfolge PIN ergibt.

Zur Herabsetzung der Lebensdauer von Ladungsträgern kann Gold eindotiert werden, wodurch in manchen Fällen die Arbeitsgeschwindigkeit derartiger Halbleiterbauelemente erhöht werden kann. Es sei bemerkt, daß insbesondere bei Halbleiterbauelementen mit ziemlich flachliegenden Übergängen bzw. ziemlich dichter Zonenfolge und bei Verwendung von Phosphor, der gebräuchlichsten Störstellensubstanz, es sehr schwierig, wenn nicht unmöglich ist, Gold einzudotieren. 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 Tendenz aufweist, 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 Arsen 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 GoIH kleinen Diffusionskonstanten und weil Arsen keine merkliche abschirmende Wirkung auf die Goldatome ausübt.

Beispiel 5 und 6

Es wurde eine Bauelemente-Struktur entsprechend der F i g. 11 zunächst unter Benutzung von Phosphor als Störstellensubstanz für den Emitter hergestellt. Eine Golddotierung wurde in diesem Beispiel nicht vorgenommen. Der Emitter besaß eine Abmessung von 2,5 · 10-² bzw. 6,25 · 10~⁴ mm². Ein zweiter Halbleiterkörper wurde in gleicher Weise bis auf den Verfahrensschritt zur Herstellung des Emitters erzeugt. Für den Emitter wurde jedoch die gleiche Größe vorgesehen wie in dem vorbeschriebenen Beispiel des Halbleiterbauelementes mit phosphordotiertem Emitter. Dieser Halbleiterkörper wurde nunmehr zum Zweck des Einbaus der Emitterzone unter Benutzung einer geeigneten Maske zusammen mit einer Arsen als Störstellensubstanz enthaltenden Kapsel in einen Diffusionsofen eingebracht und auf eine Temperatur von 1000⁰C über einen Zeitraum von 90 Minuten aufgeheizt. Die Kapsel wurde aus dem Ofen entfernt und das Halbleiterplättchen auf Raumtemperatur abgekühlt. Eine thermisch aufgewachsene Siliciumdioxydschicht von etwa 3000 Ä wurde auf das Halbleiterbauelement mit arsendotiertem Emitter aufgebracht, indem dieses einer oxydierenden Atmosphäre bei 900⁰C ausgesetzt wurde. 1000 Ä eines Phosphorpentoxydglases wurden dann unter Benutzung eines Phosphordiffusionsprozesses mit offenem Reaktionsrohr bei 900⁰C auf die Siliciumdioxydschicht aufgebracht. Schließlich wurde eine 500 Ä dicke Goldschicht auf die Rückseite des Substrates aufgedampft und bei einer Temperatur von 1000° C 2 Stunden lang in den Halbleiterkörper eindiffundiert.

Nunmehr wurden Messungen zu Ermittlungen der charakteristischen Größe für die beschriebenen Halbleiterbauelemente durchgeführt, bei denen sich die in der folgenden Tafel ersichtlichen Meßwerte ergaben:

Tafel I

Beispiel 5..
Beispiel 6..

10 mA
10 mA

F₁

830 MHz
2100 MHz

120
120

HFE

140

50

(golddotiert)

In der F i g. 12 ist der Stromverstärkungsfaktor der gemessenen Halbleiterbauelementstrukturen in Abhängigkeit vom Kollektorstrom I_c für den Fall eines Halbleiterbauelementes mit arsendotiertem Emitter wiedergegeben.

Fig. 13 zeigt die für die Arbeitsgeschwindigkeit des Bauelementes charakteristische Größe f_t~ABß in Abhängigkeit vom Kollektorstrom Ic für den Fall eines Halbleiterbauelementes mit arsendotiertem Emitter.

Beispiel 7A und 7B

Eine einfache Transistorstruktur mit einer N-leitenden epitaktischen Schicht auf einem N⁺-Substrat wurde mit zwei geometrisch verschiedenen Horizontalstruktuien erstellt. Bei der ersten Struktur besaß die Basiszone eine Abmessung von 12,5 · 1,4 mm mit einem Emitter der Größe 0,25 · 10"² mm · 1,25 · 10~² mm. Ein einzelner Basiskontakt wies die Abmessungen von 2,5 · 10"²mm · 1,25 · 10-²mm auf. Dieser Bauelementtyp wird im folgenden mit A bezeichnet. Die zweite Horizontalgeometrie besaß eine Basisgröße von 1,75 · 10-²mm · 1,75 · 10-²mm, wobei diese mit zwei Basiskontakten der gleichen Größe wie im FaIi 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 Silicium der Dicke 2 μ mit einer spezifischen Leitfähigkeit von 0,1 Ohm · cm wurde auf ein Siliciumsubstrat von 0,0001 Ohm · 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 Zweck das Plättchen in Drehung gesetzt 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 Minuten, Diffusion in offenem Reaktionsrohr in Luft, Xj = 0,033 · 10-² mm, Ps = 58 Ω/Π-

2. Oxydation

Temperatur 925° C, Zeit 5—70—5, O₂ = Dampfstrom, X] = 0,070 · 10-² mm, Ps = 380 Ω/D, C₀ = 2,10¹⁹ Atome/cm³ unter Annahme einer Gaußschen Konzentrationsverteilung.

3. Emitterdiffusion

Temperatur 1000⁰C, Zeit 120 Minuten, Diffusion mit Arsenquelle, X₁ = 0,055 · 10 ² mm, Ps = 15,8 Ω/Π, C₀ = 1,5 · 10²¹ Atome/cm³, wenn als Verteilungsgesetzmäßigkeit die Fehlerfunktion angenommen wird.

Die vorstehenden Daten wurden unter Benutzung von Testplättchen gemessen, welche gewöhnlich einen spezifischen Widerstand von 10Ω ■ cm bei P- oder N-Leitfähigkeit aufweisen. Die Dumbbell-Widerstände betrugen 25 kOhm/Π· Nach dem Aufbringungsverfahrensschritt für den Emitter wurden Durchbrüche für die Basiskontakte erstellt, und Aluminium wurde aufgebracht und eingesintert. Der Kollektorkontaki 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]_e oder β für das Bauelement A und B als Funktion des Emitterstromes I_e aufgenommen. Das Ergebnis ist in den Fig. 14 und 15 dargestellt.

Das Maximum des Kurvenverlaufs /;/„ (I_e) liegt etwa bei 160 für 1,5 mA für den kleinen Transistor A, und das Maximum der genannten Abhängigkeit liegt für größere Bauelemente B etwa bei 135. Der Verlauf der Größe /i, welcher dem Produkt aus Bandweite und Verstärkungsfaktor entspricht, ist in den Fig. 16 und 17 dargestellt. Für den kleinen Transistor A liegt das Maximum /< bei 9,0 GHz und gehört zum Stromwert von 3 mA, während der entsprechende /<-Wftr für den großen Transistor B bei 6,7 GHz gefundei wurde. Die untere gestrichelt gezeichnete Kurve dei Fig. 16 wurde eingezeichnet, um den entsprechender Kurvenverlauf für einen Transistor mit phosphor dotiertem Emitter für Vergleichszwecke zur Verfüguni zu haben. Wie ersichtlich, hegen innerhalb des gesamten Kurvenverlaufes alle /<-Werte bei Transistoren mit arsendotierten Emittern wesentlich höher, als dies

ίο für solche mit phosphordotierten Emittern der 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 angemerkt, 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 an Stelle von zwei Schritten, die bei andersartigem Prozeßvorgehen er-

forderlich sind. Die Ätzrate fur das Oxyd war ziemlich gering, jedoch erfolgt der Ätzvorgang weitgehend gleichförmig.

Die Ernitter-Basis- und Kollektor-Emitter-Charakteristiken sind sehr scharf ausgeprägt. Die Charakteristik für den Kollektor-Basis-Übergang war etwas flacher infolge des Nichlvorhandenseins von Phosphorsiljkatglas als Abdeckschicht über dem Kollektor-Basis-Übergang. Für das größere Halbleiterbauelement wurden geringere Werte für /« gemessen. Für diese Differenz bezüglich der kleineren Halbleiterbauelemente ist wahrscheinlich der Unterschied bezüglich der Kollektor-Basis-Kapazität bei den genannten Halbleiterbauelementen verantwortlich zu machen. Die Kollektor-Basis-Kapazität dieser Bauelemente wurde gemessen und in Fig. 18 als Funktion der Spannungsdifferenz (V₀-V) aufgetragen. Hierbei bedeutet F₀ das dem Transistor inhärente Potential, während die von außen angelegte Spannung mit V bezeichnet ist. Für Vergleichszwecke wurde die normierte Kapazität

für einen idealen Übergang eingezeichnet. Aus den vorliegenden 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 //-Wert und geringere Kapazitätswerte auf Kosten eines höheren Basiswiderstandes zu besitzen. Grundsätzlich besteht die Möglichkeit, die Basisdicke noch kleiner zu machen, so daß BVcko auf einen Wert von 2 bis 3 V herabgedrückt werden kann. In diesem Fall sind noch höhere Werte für /< zu erwarten.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

nen Bor als Akzeptor benutzi, während für einzudiffundierende N-Zonen Phosphor als Donator gewählt Patentansprüche: wird. Um Halbleiterbauelemente zu erhalten, die Signal-5 folgen mit hohen Schaltgeschwindigkeiten verarbeiten

1. Verfahren zum Herstellen eines Halbleiter- können bzw. welche eine möglichst hohe obere Grenzbauelements mit mindestens einem PN-Übergang frequenz aufweisen, ist man dazu übergegangen, eine für extrem kurze Umschaltzeiten beim Übergang dichtere Zonenfolge zu schaffen, bei der die einzelnen von Durchlaß- zu Sperrbetrieb und umgekehrt, Zonen bezüglich der Oberfläche des Siüciumhalbleiters das eine große Störstellenkonzentration der mit io eine immer geringere Tiefe aufweisen. Insbesondere ist Arsen dotierten N-Zone an der Oberfläche des aus man bei NPN-Transistoren bestrebt, die Dicke der Silicium bestehenden Halbleiterkörpers aufweist, Basiszonen auf ein Minimum herabzusetzen. Es ist die bis kurz vor Erreichen des PN-Übergangs nahe- weiterhin die Tendenz f estzusteUen, zunehmend höhere zu konstant verläuft und in anmittelbarer Nähe des Oberflächenkonzentiationen mit Hilfe der Phosphor-PN-Übergangs einen Abfall über mehrere Größen- 15 dotierung herbeizuführen.

Ordnungen aufweist und dessen P-Zone mit Bor Höhere Phosphorkonzentrationen führen jedoch dotiert ist, dadurch gekennzeichnet, bekanntlich zu Versetzungen und Materialausscheidaß in eine mit Bor dotierte P-Zone eines Silicium- düngen, so daß sich nachteilige elektrische Eigenschaf-Halbleiterkörpers Arsen entweder eindiffundiert ten der hiervon betroffenen η Halbleiterbauelemente oder durch Ionenbeschuß eingebracht wird, derart, 20 ergeben. Bei dichter Zonenfolge ist der bekannte Avt>-daß die Störstellenkonzentration an der Oberfläche stcßeffekt (push out) des Basiskollektorübergangs beder durch Zurückdrängen der Akzeptoren ent- sonders stark ausgeprägt, so daß eine Verbesserung stehenden N-Zone mehr als 10^a° Atome/cm³ be- der Eigenschaften des Halbleiterbauelementes infolge trägt, in dieser Zone bis kurz vor Erreichen des einer selvr dünn bemessenen Basiszone nicht erhalten PN-Überganges nahezu konstant verläuft und in 25 wird.

unmittelbarer Nähe des PN-Überganges einen Da Phosphoratome kleiner sind als Siliciumatome,

Abfall über vier bis fünf Größenordnungen auf- ergeben sich innerhalb des Halbleitergitters bestimmte

weist. Spannungszustände. Diese Spannung trägt teilweise

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn- auch zur Verschlechterung des Betriebsverhaltens bzw. zeichnet, daß der Diffusionsvorgang bzw. der 30 der Arbeitsweise von Halbleiterbauelementen bei.
Ionenbeschuß derart durchgeführt wird, daß durch Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zudie damit verbundene Zurückdrängung der Akzep- gründe, ein Verfahren zum Herstellen eines Halbleitertoren die verbleibende P-Zone eine Dicke in der bauelements mit mindestens einem PN-Übergang anGrößenordnung von 1 ix und darunter aufweist. zugeben, das auch für die monolithische integrierte

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch 35 Halbleiterschaltungstechnik geeignet ist und bei ergekennzeichnet, daß weitere Zonen derart herge- zielten günstigen Parametern des Halbleiterbauelements stellt werden, daß die Zonen dicht aufeinander fol- zu erheblich besserer Arbeitsweise bzw. besserem gen, und daß der Halbleiterkörper mit Gold dotiert Betriebsverhalten führt, als dies bisher der Fall gewesen wird. ist, wobei die für die Arbeitsweise des Bauelements

40 wichtigen Parameter charakterisiert sind durch die obere Grenzfrequenz, die mit genügend niedrigem Rauschpegel erreichbare Breitbandigkeit, die Stromverstärkung, insbesondere bei genügend hohen oberen

Grenzfrequenzen, eine in günstiger Weise zu realisie-

45 rende Übergangstiefe und eine genügend hohe Reproduzierbarkeit der elektrischen Charakteristiken, insbesondere durch eine definierte PN-Übergangscharakteristik in Vorwärtsrichtung, so daß schnelle Umschaltzeiten beim Übergang von Durchlaß- zu 50 Sperrbetrieb und umgekehrt zu erzielen sind.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen Zur Lösung der gestellten Aufgabe ist erfindungs-

eines Halbleiterbauelements mit mindestens einem gemäß vorgesehen, daß in eine mit Bor dotierte P-Zone PN-Übergang für extrem kurze Schaltzeiten beim eines Silicium-Halbleiterkörpers Arsen entweder ein-Übergang von Durchlaia- zu Sperrbetrieb und umge- diffundiert oder durch Ionenbeschuß eingebracht wird, kehrt, das eine große Störstellenkonzentration der mit 55 derart, daß die Störstellenkonzentration an der Ober-Arsen dotierten N-Zone an der Oberfläche des aus fläche der durch zurückdrängende Akzeptoren ent-Silicium bestehenden Halbleiterkörpers aufweist, die stehenden N-Zone mehr als 10²⁰ Atome/cm³ beträgt, bis kurz vor Erreichen des PN-Übergangs nahezu in dieser Zone bis kurz vor Erreichen des PN-Überkonstant verläuft und in unmittelbarer Nähe des PN- ganges nahezu konstant verläuft und in unmittelbarer Übergangs einen Abfall über mehrere Größenordnun- 60 Nähe des PN-Überganges einen Abfall über vier bis gen aufweist und dessen P-Zone mit Bor dotiert ist. fünf Größenordnungen aufweist.

Ein Halbleiterbauelement dieser Art ist in der fran- Bei der eingangs genannten französischen Patent-

zösischen Patentschrift 1 381 896 beschrieben, bei schrift 1 381 896 wird ein Verfahren zur Herstellung dessen Herstellung gleichzeitig mit dem Epitaxie- von PN-Übergängen angegeben, bei dem Bor und verfahren eine Diffusion durchgeführt wird. 65 Arsen gleichzeitig in einen Halbleiter eindiffundiert

Bei monolithischen integrierten Halbleiterschaltun- wird, so daß sich die Bereiche der Akzeptoren und gen wird zumeist Silicium als Halbleiter verwendet. Donatoren einander durchdringen und keine scharfe Zur Herstellung einer P-Zone wird dabei im allgemei- Abgrenzung hierzwischen zu erzielen ist. Dadurch,