DE1944416C2

DE1944416C2 - Verfahren zum Herstellen von flächenhaften Transistoren lateraler Struktur und geringer Kapazität

Info

Publication number: DE1944416C2
Application number: DE1944416A
Authority: DE
Inventors: David Parker Wappinger Falls N.Y. Kennedy; John Anthony Perri; Jacob Poughkeepsie N.Y. Riseman
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1968-09-03
Filing date: 1969-09-02
Publication date: 1982-09-02
Also published as: DE1944416A1; GB1260567A; FR2017229B1; JPS4917916B1; FR2017229A1; US3623923A

Description

Die Erfindung betrifft eiii im Oberbegriff des Anspruchs 1 bezeichnetes Verfahren.

Es ist bereits bekannt, bei der Herstellung von Transistorstrukturen diffusionsresistente Materialien, beispielsweise Saphir, zu benutzen, wie dies z. B. aus einem Aufsatz von Müller e. a. in der Zeitschrift Proceedings of the IEEE vom Dezember 1964 auf Seite zu ersehen ist.

In dem genannten Aufsatz ist jedoch nicht aufgezeigt, daß das Material Saphir als Diffusionssperre bei der Einbringung von Dotierungssubstanzen benutzt wurde.

Weiterhin ist es bekannt, alternierende Leitfähigkeitszonen durch Dotieren eines Halbleiterkörpers zu erzeugen, wobei die Dotierungssubstanzen durch Fenster innerhalb einer Maske eingebracht werden, wie dies im einzelnen aus dem amerikanischen Patent 260 zu ersehen ist. Bei einem derartigen Vorgehen ergeben sich jedoch Übergänge großer Flächenabmessungen, die notwendigerweise zu entsprechend hohen Kapazitäten führen.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, daß Verfahren der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß es zum Herstellen von Transistoren mit einem kleinen, aber definierten Emitter-Kollektor-Abstand in lateraler Richtung und deshalb geringer Kapazität geeignet ist.

Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren der eingangs genannten Art mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelöst. Das Verfahren nach der Erfindung eignet sich auch für die Herstellung integrierter Schaltungen.

Der Stand der Technik, von dem im Oberbegriff des Patentanspruchs I ausgegangen wird, steht in dem Artikel »Thin-Film Lateral Bipolar Transistor in Silicon-On-Sapphire Structure« aus Elcktronics Letters,

April 1967. Band 3, Nr. 4, Seite 137 bis 139.

Ein Verfahren, bei dem eine erste Diffusion mit einer Dotiersubstanz durchgeführt wird, der Leitfähigkeit der Halbleiterschicht entgegengesetzten und eine zweite Diffusion mit einer Dotiersubstanz durchgeführt wird, die zu einer der Leitfähigkeit der Halbleiterschicht entsprechenden Leitfähigkeit führt, ist zwar aus dem Artikel »Oberflächenstabilisierung an Halbleitern« aus Internationale Elektronische Rundschau, 1964, Nr. 7, Seite 375—378 bekannt, jedoch werden mit der in dem Artikel beschriebenen Methode vertikale, bipolare Transistoren hergestellt Typisch für solche Transistoren ist ein relativ großer Emitter-Kollektor-Abstand in lateraler Richtung, d. h. das Gegenteil dessen, was bei dem erfindungsgemäßen Verfahren angestrebt wird.

Fin Beispiel des Herstellungsverfahrens nach der Erfindung ergibt sich aus der folgenden Beschreibung

im Zusammenhang mit den Figuren. In diesen bedeutet

F i g. 1 eine Querschnittsdarstellung einer mehr-

schichtigen Struktur, weiche bei der Herstellung von Transistoren als Ausgangskonfiguration benutzt wird; F i g. 2a + 2b Draufsicht- und Querschnittsdarstellung einer mehrschichtigen Struktur nach Einbringung des Fensters in die Maske;

F i g. 3a + 3b Draufsicht- und Querschnittsdarstellungen der Struktur nach F i g. 2 nach Durchführung des ersten Diffusionsschrittes;

F i g. 4i + 4b Draufsicht- und Querschnittsdarstellungen der gleichen Struktur nach Durchführung des

zweiten Diffusionsschrittes;

F i g. 5a + 5b Querschnittsdarstellungen zweier spezieller Übergangsprofile, wie sie nach dem anhand der ρ ig. 1 _4 erläuterten Verfahren entstehen und Fig.6 eine Draufsicht auf eine im Rahmen des erläuterten Verfahrens anwendbare Hilfsmaske zur Herstellung von Emitterkontakten.

Fig. 1 zeigt eine Querschnittsdarstellung einer mehrschichtigen Struktur aus verschiedenen Materialien, wie sie als Ausgangskonfiguration für die Herstellung eines Flächentransistors benutzt wird. Als Unterlage ist ein Material vorgesehen, welches eine sehr geringe elektrische Leitfähigkeit aufweist und außerdem mindestens fast undurchlässig für die bei den durchzuführenden Diffusionen verwendeten Dotie- rungsmaterialien ist. Es gibt eine große Zahl von Substanzen, welche für das Substrat benutzt werden können.

Einige typische geeignete Materialien sind Saphir, Siliziumkarbid, Siliziumnitrid und Siliziumdioxyd.

Eine dünne Schicht 2 aus Halbleitermaterial wird auf die Oberfläche des Substrats aufgebracht. Für das vorliegende Ausführungsbeispiel eignet sich besonders eine Dicke des Halbleitermaterials von etwa 0,5 bis 3,0 μηι, gleichwohl können auch andere Dickenabmes-

sungen grundsätzlich benutzt werden. Natürlich muß das benutzte Halbleitermaterial die für die Halbleiterfertigung charakteristischen kristallinen Eigenschaften aufweisen. Es gibt eine Reihe von in der Halbleitertechnik bekannten Verfahren zur Herstellung derartiger dünner Schichten, beispielsweise kann hierzu ein epitaktisches Aufwachsverfahren benutzt werden, obwohl eine epitaktische Schicht zur Realisierung der vorliegenden Erfindung nicht unbedingt erforderlich ist. Die zunächst auf das Substrat aufgetragene dünne Schicht aus Halbleitermaterial besitzt einen einheitlichen Leitungstyp, der im folgenden beispielsweise als P-lei;end angenommen sei.

Das Substrat 1 kann dadurch hergestellt werden, daß

man eine dünne isolierende Schicht auf die Oberfläche eines monokristallinen Halbleiterkörper aufbringt Die isolierende Schicht kann aus Siliziumdioxyd, Siliziumoxyd, Siliziumnitrid, Aluminiumoxyd oder irgendeinem anderen elektrisch und chemisch geeign.jten Material 5 bestehen. Der Niederschlagsprozeß kann mittels irgendeines geeigneten Verfahrens durchgeführt werden, das sich natürlich für das jeweilig ausgewählte Material eignen muß. Beispielsweise kann Siliziumdioxyd durch thermische Züchtung oder durch Hochfrequenzenergie benutzende Kathodenzerstäubungsverfahren aufgebracht werden. Siliziumnitrid kann typischerweise niedergeschlagen werden durch Kathodenzerstäubung mittels hochfrequen?.betriebener Zerstäubungsapparaturen, bei denen gleichzeitig eine chemische Reaktion abläuft oder durch pyrolytische Niederschlagsverfahren. Eine verhältnismäßig dicke Schicht ergibt sich im letzteren Falle auf der Oberfläche der isolierenden Schicht, die gewöhnlich eine Größenordnung von 1,5-10-' mm besitzt und die daher als Trägerschicht dienen kann. Diese kann aus polykristallinem Silizium bestehen und durch irgendein bekanntes Verfahren hergestellt werden. Jedoch kann auch jedes andere geeignete Material zu diesem Zweck benutzt werden.

Ein großer Teil des ursprünglichen Siliziumplättchens, d. h. die Rückseite des oben erwähnten zusammengesetzten Substrates, wird dann zur Herabsetzung der Dicke entfernt, so daß eine Restdicke von 2 μηι bestehen bleibt. Dieser Verfahrensschritt kann durch chemisches oder mechanisches Polieren oder durch eine Kombination dieser Arbeitsgänge vorgenommen werden. Nunmehr wird eine Diffusionsmaske 3 auf die obere Fläche der dünnen Schicht 2 aufgebracht. Herstellung und Anwendung derartiger Diffusionsmasken sind in der Halbleitertechnik wohl bekannt.

Die F i g. 2a und 2b zeigen Draufsicht und Querschnitt der mehrschichtigen Konfiguration nach Durchlaufen des nächsten Verfahrensschrittes im Rahmen der Herstellung der Halbleitervorrichtung. Ein Teil der Maske 3 wurde mittels wohlbekannter Verfahren entfernt, beispielsweise durch Ätzverfahren, wie sie vielfach zur Herstellung von Maskenfenstern angewendet werden. Die F i g. 3a und 3b sind Draufsicht- und Querschnittsdarstellungen der mehrschichtigen Halbleiterkonfiguration nach Durchlaufen des nächsten Verfahrensschrittes innerhalb des Gesamtherstellungsverfahrens. Es sei angenommen, daß das Halbleitermaterial der zunächst aufgebrachten dünnen Schicht 2 vom P-Leitungstyp ist, wobei sich insgesamt eine PNP-Zonenfolge des Transistors ergibt. Es ist für den Fachmann klar, daß bei der Benutzung N-Ieitenden Ausgangsmaterials sich Transitoren mit einer NPN-Zonenfolge ergeben.

Nach der Einbringung des Maskenfensters wird eine Donatorsubstanz durch das Fenster der Maske unter Benutzung von in der Halbleitertechnik wohlbekannter Verfahren nunmehr hindurchdiffundiert. Dieser Diffusionsprozeß wird über eine ausreichende Zeitspanne durchgeführt, damit die Donatorsubstanz die gesamte Dicke der dünnen P-leitenden Schicht 2 des dünnen Halbleiterplättchens durchdringen kann und darüber hinaus noch weiter ausgedehnt, damit außerdem ein PN-Übergang 4 in einigem Abstand von den Maskenfensterkonturen zustande kommt. Wie später noch im Zusammenhang mit den Fig. 5a und 5b besprochen wird, verlaufen diese Übergänge in angenäherter Weise rechtwinklig zu den Oberflächen des Halbleiterkörpers.

Die Fig.4a und 4b sihd Draufsichts- und Querschnittsdarstellungen der mehrschichtigen Halbleiterkonfiguration, wie sie sich nach dem nächsten Verfahrensschritt darstellt Dieser besteht darin, eine Akzeptorsubstanz durch das Maskenfenster in die Oberfläche der dünnen Schicht 2 einzudiffundieret., wodurch sich ein zweiter diffundierter Bereich innerhalb des ersten eindiffundierten Bereiches ergibt Dieser zweite eindiffundierte Bereich wird wiederum den ersten Leitungstyp aufweisen, d. h. er wird nach der oben gemachten Annahme vom P-Leitungstyp sein und einen zweiten PN-Übergang 5 mit der ersten diffundierten Zone bilden.

Wie aus der F i g. 4a zu entnehmen, bildet daher der erste Übergang 4 die äußere Grenze des ersten eindiffundierten Bereiches und stellt gleichzeitig die Grenzlinie zwischen dem an erster Stelle eindiffundierten Bereich und dem äußeren Bereich der dünnen Schicht dar. Der zweite PN-Übergang 5 stellt die innere Grenzlinie des an erster Stelle eindiffundierten Bereiches dar und grenzt den an erster Stelle eindiffundierten Bereich gegen den an zweiter Stelle eindiffundierten Bereich ab. Die Kombination aus dem äußeren Bereich des ersten eindiffundierten und mit dem zweiten eindiffundierten Bereich stellt einen flächenhaften PNP-Transistor dar, der in der obenstehenden Weise hergestellt wurde. Natürlich kann das gleiche Vorgehen auch dazu benutzt werden, in entsprechender Weise eine NPN-Halbleiterstruktur herzustellen.

Die PN-Übergänge 4 und 5 erstrecken sich von der oberen Fläche der dünnen Schicht des halbleitenden Materials durch das gesamte halbleitende Material hindurch bis zur oberen Fläche des Substrates. Da das Substrat als für den Dotierstoff mindestens fast undurchdringlich vorausgesetzt wurde, können sich die Übergänge lediglich bis zu diesem Substrat hin erstrecken. Infolgedessen können die Übergänge nur eine geringe Flächenerstreckung aufweisen, was somit zu einer starken Herabsetzung der Kapazitätswerte des Transistors führt.

Die Fig.5a und 5b sind Querschnittsdarstellungen zweier typischer Übergangsprofile von nach dem anhand der F i g. 1 —4 erläuterten Verfahren hergestellten Transistoren. Die Übergänge können mehr oder weniger genau senkrecht zur Oberfläche der Halbleiterschicht verlaufen, wie dies beim Übergang 4 in F i g. 5a gezeigt ist. Andererseits kann der Verlauf auch ziemlich stark von der senkrechten Richtung abweichen, wie das bei dem Übergang 5 in Fig.5b der Fall ist. Im allgemeinen wird ein Übergang, welcher sich weiter weg von der Kante des Maskenfensters befindet, mehr zu einem rechtwinkligen Verlauf bezüglich der Oberfläche der dünnen Schicht tendieren, als dies für Übergänge der Fall ist, die sich in größerer Nähe der Maskenfensterkante befinden.

Fig.6 erläutert ein Hilfsverfahren zur Durchführung des Verfahrensschrittes, wie es in Verbindung mit den Fig.4a und 4b beschrieben ist. Es ist wünschenswert, daß die Fläche zwischen der inneren und äußeren Grenzlinie des ersten Diffusionsbereiches groß genug ist, damit noch die Möglichkeit besteht, einen elektrischen Kontakt oder Zuführung zum ersten Diffusionsbereich anzubringen, welcher der Basiszone des Transistors entspricht. Ist der Flächenbereich der ersten Diiiusionszone nach dem obigen Verfahren hergestellten Transistoren zu klein, so kann man eine zusätzliche Milfsdiffi'sionsmaske 6 verwenden, welche nach Durchführung des eisten Diffusionsschrittes auf das Hnlh leiterplättchcn zur Abdeckung eines gewissen zusätzli

chen Flächenbereiches aufgebracht wird. Die zusätzlich verwendete Maskenfläche 6 bewirkt die Abschattung eines größeren Bereiches der ersten eindiffundierten Fläche gegen die Dotierungssubstanz während der Durchführung des zweiten Diffusionsschrittes, so daß insgesamt ein größerer Flächenbereich zum Zwecke der elektrischen Kontaktierung der Basiszone zur Verfugung steht.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herstellen von flächenhaften Transistoren lateraler Struktur und geringer Kapazität in einer dünnen, auf einem Substrat aus dielektrischem, für Dotierungssubstanzen mindestens fast undurchlässigem Material aufliegenden Halbleiterschicht eines ersten Leitungstyps durch selektives, von der oberen Oberfläche der HaIbieiterschicht ausgehendes Eindiffundieren von zwei Dotierungssubstanzen in zwei Dotierungsoperationen, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine pro Transistor ein Fenster aufweisende Maske eine erste Diffusion mit einer Dotierungssubstanz durchgeführt wird, welche einen dem Leitungstyp der Halbleiterschicht entgegengesetzten Leitungstyp erzeugt, daß dann durch die bei der ersten Diffusion verwendete, höchstens in einem Teil des Randbereichs des Maskenfensters eine Abdeckung aufweisende Maske eine zweite Diffusion mit einer Dotierungssubstanz durchgeführt wird, welche den Leitungstyp, den die Halbleiterschicht aufweist, erzeugt, und daß beide Diffusionsdauern so festgelegt werden, daß die Halbleiterschicht jeweils in ihrer gesamten Dickenerstreckung umdotiert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Substratmaterial Saphir, Siliziumkarbid (SiC), Siliziumnitrid (Si₃N₄) oder Siliziumdioxyd (S1O2) benutzt wird.