DE2205991A1 - Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelementes - Google Patents

Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelementes

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DE2205991A1 DE19722205991 DE2205991A DE2205991A1 DE 2205991 A1 DE2205991 A1 DE 2205991A1 DE 19722205991 DE19722205991 DE 19722205991 DE 2205991 A DE2205991 A DE 2205991A DE 2205991 A1 DE2205991 A1 DE 2205991A1
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Description

WESTERN ELECTRIC COMPANY Incorporated Mar 5
New York, N. Y., 10007, USA
Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelementes
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Halbleiterbauelementen mit einem Übergang, der im /Avalanche (Lawinen-) Durchbruch betrieben werden kann. Diese Erfindung ist besonders anwendbar bei der Herstellung von Avalanche-Transistoren, die als Speicherzellen verwendbar sind.
Wenn bei einer pn-Diode, wie sie der Emitter-Basis-Übergang eines npn-Transistors darstellt, eine genügend große Sperrspannung an den Übergang angelegt wird, bricht er durch und
leitet in der Sperrichtung. Diese Eigenschaft ist als Avalanche-Durchbruch bekannt. Übergänge dieser Art werden typischerweise durch die Diffusion von Dotierstoffen, die den Leitfähigkeitstyp der diffundierten Zone umzukehren in der Lage sind, durch
Öffnungen in Masken hindurch gebildet. Der sich ergebende Übergang zeichnet sich durch einen planaren Mittelteil und einen gekrümmten umlaufenden Randteil aus, der bis zur Oberfläche
reicht. Diese Form des Übergangs begünstigt das Auftreten des Durchbruchs an der Oberfläche oder am gekrümmten Rand des
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Übergangs. Man kann zeigen, daß ein solcher Durchbruch an der Oberfläche dazu neigt, die Wirkungsweise des Übergangs und deshalb die Leistungsfähigkeit des Transistors zu verschlechtern.
Es sind zahlreiche Methoden vorgeschlagen worden, um den Durchbruch an der Oberfläche eine Avalanche-Bauelementes mit pn-Übergang zu verhindern. Typisch ist die in den US-Patenten 3 514 846 und 3 345 221 beschriebene Methode. Beide Patente geben die Lehre, eine p-leitende Schicht am oberen Ende einer ρ -leitenden Schicht zur Vergrößerung des Sperr ichtungsdurchbruchspotentials an der Oberfläche des Bauelementes, um zu bewirken, daß der Durchbruch unterhalb der Oberfläche auftritt. Bei beiden werden mindestens zwei Oxidmaskenschritte und zwei Diffusions schritte verwendet, um eine Diode herzustellen.
Bei der Ausweitung dieser Methode auf die Herstellung eines Avalanche-Transistors würden drei oder mehr getrennte Maskierungs- und Diffusions schritte benötigt. Diese relativ komplizierten Herstellungsverfahren sind in vielen Fällen unerwünscht, da sie wesentlich zu den Kosten der Herstellung beitragen würden.
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Die Erfindung sieht einen Avalanehe-Übergangs-Transistor, besonders zur Verwendung als Speicherzelle, vor, der nicht zum Oberflächendurchbruch neigt und der relativ wenig Herstellungsschritte benötigt.
Erfindungsgemäß ist ein Verfahren vorgesehen zur Herstellung eines Halbleiterbauelementes mit einem Übergang durch Maskieren eines Oberflächenbereiches eines Halbleiterplättchen mit Ausnahme eines Teiles, Diffundieren eines ersten Dotierstoffes in den nichtmaskierten Teil des Oberflächenbereiches, der den Leitfähigkeitstyp einer ersten Zone im Halbleiterplättchen umkehrt, Diffundieren eines zweiten Dotierstoffes in den nichtmaskierten Teil des Oberflächenbereiches, der den Leitfähigkeit styp einer zweiten Zone innerhalb der ersten Zone umkehrt und durch Vergrößern der Fläche des nichtmaskierten Teils des Oberflächenbereiches des Halbleiterplättchens vor dem Diffundieren des zweiten Dotier stoff es, derart daß die Dotierungskonzentration an der ebenen Oberfläche des Überganges auf einen bedeutend geringeren We rt gebracht wird als unterhalb der ebenen Oberfläehe.
Wenn eine hohe Sperrspannung an den Übergang angelegt wird, tritt somit der Avalanche-Durchbruch unterhalb der Oberfläche , auf und wiederholtes Durchbrechen verschlechtert deshalb nicht
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die Wirkungsweise des Transistors.
Bei einer erfindungsgemäßen Ausführung wird ein Avalanche-Transistor hergestellt unter Verwendung einer Oxidmaske mit einer Öffnung, durch welche sowohl die Basis- als auch Emitter-Diffusion stattfindet. Die Vergrößerung der seitlichen Ausdehnung der Öffnung bewirkt, daß der Oberflächenbereich des Emitter-Basis-Überganges in einem Bereich gebildet wird, in dem die Dotierungskonzentration geringer ist als entlang des flachen Hauptbereiches des Überganges, und deshalb findet ein Avalanche-Durchbruch unterhalb des Oberflächenbereichs des Emitter-Basis-Überganges statt.
Die Vergrößerung der Öffnung führt dazu, daß der Oberflächenbereich des Emitter-Basis-Überganges näher zum Kollektor des Transistors hin gebildet wird, als es der Fall wäre, wenn die Öffnung nicht vor der Emitterdiffusion vergrößert worden wäre. Dies bringt die Möglichkeit mit sich, daß /erstarkt Emitter-Kollektor-Kurzschlüsse auftreten. Um den Schutz gegen Emitter-Kollektor-Kurzschlüsse zu vergrößern, ohne die effektive Basisweite zu verringern, wird eine n-leitende Ep: taxi schicht auf ein η '-leitendes Substrat aufgebracht, ^nc düvji ?/;rc eine ρ-ltitend' Basis vollständig durch die Epitax^eselr'cH ^u das a'
2 rO8 3 4 .· 1 1Q7
leitende Substrat diffundiert. Wie später erläutert wird, kommt das von einer Basisdiffusion, die in seitlicher Richtung größer ist als in vertikaler Richtung. Dadurch wird ein größerer Abstand zwischen dem Emitter und dem Kollektor gewährleistet, und dies verringert die Möglichkeit von Emitter-Kollektor-Kurzschlüssen, ohne die effektive Basisweite zu erhöhen.
Im folgenden soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäß
hergestellten Transistor; Fig. 2A bis 2D den Transistor von Fig. 1 in verschiedenen
Her stellungs stufen;
Fig. 3 eine grafische Darstellung einer Oberflächen
dotierungskonzentration als Funktion des Abstandes.
Bei dem in Fig. 1 dargestellten Transistor 10 ist ein einkristallines Silikonplättchen 11 zusammengesetzt aus einem Hauptteil 12 aus η-leitendem Material niedrigen spezifischen Widerstandes und einem Oberflächenteil mit einer η-leitenden Zone 14 höheren spezifischen Widerstandes, die eine begrenzte η-leitende Zone
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hohen spezifischen Widerstandes umgibt. Die Zone 18 bildet mit einer Zone 16 einen im wesentlichen ebenen pn - Übergang. Die Z one 16 bildet auch einen im wesentlichen flachen pn-übergang 2OA mit dem Hauptteil 12 des Substrates und einen gekrümmten Randteil 2OB mit der η-leitenden Zone 14.
Wenn der durch die Zonen 16 und 18 gebildete pn-übergang genügend in Sperrichtung vorgespannt ist, wird ein Avalanche-Durchbruchbetrieb erreicht. Der Durchbruch neigt normalerweise dazu an der Übergangsoberfläche 22A oder entlang des gekrümm-
un^
ten Übergangsteils 22B aufzutreten. Ein Grund für den erwünschterweise bevorzugt an der Oberfläche auftretenden Durchbruch ist die Wirkung des unterbrochenen Übergangs auf elektrische Feldlinien. Wiederholter Durchbruch an der Oberfläche 22A neigt zur Zerstörung des Bauelementes und verschlechtert damit dessen Wirkungsweise. Wenn die Dotierungskonzentration an der Übergangsoberfläche 22A bedeutend verringert wird, besteht die Neigung, daß der Durchbruch von der Oberfläche entfernt entlang dem gekrümmten Teil 22B oder dem relativ flachen Übergangsteil 22C auftritt. Dadurch wird eine Verschlechterung der Transistorwirkungsweise vermieden.
Ein Metallkontakt 24 ist mit der Zone 18 verbunden, die als
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Emitter dient. Die Ep itaxischicht 14 wirkt als Kollektor. Ein Metallkontakt 26 ist mit der η -leitenden Zone 28 verbunden, die durch die Epitaxischicht 14 umgeben und mit dieser in elektrischem Kontakt ist.
Entsprechend einer bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführung kann ein nichtkontaktierter Grundtransistor der in Fig. 1 dargestellten Art folgendermaßen hergestellt werden. Es sei Fig. 2A betrachtet. In einem einkristallinen Siliziumplättchen 12 ist Arsen der bei weitem vorherrschende Dotierstoff mit einer Kon-
18 +
zentration von etwa 10 Atomen pro ecm, um zu einem η -leitenden spezifischen Widerstand von etwa 0, 03 Ohm/ccm zu kommen. Auf einer Oberfläche des Siliziumplättchens 12 ist unter Verwendung herkömmlicher Methoden eine etwa 2 Mikron dicke Epitaxischicht 32 aufgewachsen. In dieser Schicht ist Arsen der vorherrschende Dotierstoff mit einer Konzentration von etwa
10 Atomen/ccm, um zu einem η-leitenden spezifischen Widerstand von etwa 0, 5 Ohm/cm zu kommen. Als nächstes läßt man unter Verwendung herkömmlicher Methoden eine 8000 A dicke Oxidschicht 30, typischerweise aus Siliziumdioxid, oben auf die Epitaxischicht 32 aufwachsen, und darauf wird eine Öffnung in dem Oxid gebildet. Dann wird unter Verwendung wohlbekannter Methoden Bor als Dotierstoff durch die gesamte Öffnung in der
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Maskierungsschicht in den freigelegten Mittelteil der Epitaxischicht bis zum Substrat und in das Substrat hinein diffundiert. Der Bordotierstoff wandelt die Zone, in welche man dotiert hat und die als Basis 34 des Transistors dient, von η-leitendem in p-leitendes Material um. Die p-leitende Basisdiffusion 34 bildet mit dem η -leitenden Substrat 12 und der η-leitenden Epitaxischicht 32 einen pn-übergang.
Normalerweise ist die seitliche Ausdehnung der Diffusion eines pn-Überganges etwa ihrer vertikalen Ausdehnung gleich; in diesem Fall war jedoch die seitliche Ausdehnung der Basis etwa 3 Mikron, während die vertikale Ausdehnung nur etwa 2 Mikron betrug. Die vergrößerte seitliche Diffusion wird durch die Tatsache erreicht, daß, wenn die vertikale Basisdiffusion das η leitende Substrat erreicht, die Konzentration der p-Dotierstoffe kleiner ist als die Konzentration der n-Dotierstoffe. Dadurch wird die vertikale Diffusion effektiv angehalten, während die seitliche Diffusion in der Epitaxischicht weiterläuft.
Das Plättchen wird dann einer gepufferten Fluorwasserstoff-Ätzlösung ausgesetzt, die etwa 2500 A von der Oxidschicht und irgendwelche Verunreinigungen entfernt, die sich über der freigelegten Epitaxizone gebildet haben können. Der sich erge-
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bende Aufbau ist in Fig. 2B dargestellt, wo der Durchmesser der Öffnung in der Qxidmaske 36 um einen Betrag 2x vergrö-
Sl
ßert worden ist.
Es wird nun Fig. 2C betrachtet. Es wird nun eine Fotolackbeschiehtung, typischerweise KPR, auf dem gesamten Plättchen aufgebracht, und unter Verwendung herkömmlicher Methoden wird eine zweite Öffnung in der Oxidschicht gebildet, um eine zweite Zone in der Epitaxischicht freizulegen. Das Plättchen wird dann in einen Phosphordiffusionsofen gebracht, wo ein η liefernder Akzeptor Dotierstoff durch sowohl die verbreiterte erste Öffnung als auch die zweite Öffnung diffundiert wird, um η -leitende Zonen 18 und 28 zu bilden. Diese Diffusion wandelt die Zone 18 vom p-leitenden Material in einen η -leitenden Emitter und die Zone 28 vom η-leitenden Material der Epitaxischicht in eine Zone η -leitenden Materials um.
Die Basiszone 16 umgibt die Zone 18 und bildet mit ihr einen pn -Übergang mit einem Oberflächenteil 22A, einem gekrümmten Teil 22B und einem relativ flachen Teil 22C. Die η -leitende Zone 28 wurde in der Epitaxischicht 14 gebildet, um eine Oberfläche mit niedrigem spezifischen Widerstand zu erzeugen, um auf dieser einen Metallkontakt aufzubringen. Unter
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Verwendung herkömmlicher Methoden wird ein Metallkontakt 26 auf der η -leitenden Zone 28 und ein anderer Metallkontakt 24 auf der η -leitenden Zone 18 gebildet.
Es wird nun Fig. 2D betrachtet, wo eine vergrößerte Teilansicht der Fig. 2C dargestellt ist. Der Betrag der Verschiebung des Öffnungsrandes in der Oxidmaske ist durch χ dargestellt.
el
Unter Verwendung des Randes der ursprünglichen Öffnung als Bezugspunkt ist der Abstand, an welchem sich der Oberflächenten des Emitter-Basis-Überganges bildet, als χ dargestellt. Der Abstand, an welchem sich der Übergang gebildet hätte, wenn die Öffnung vor der Emitterdiffusion nicht vergrößert worden wäre, ist als χ dargestellt, und der gekrümmte Teil des Übergangs 38 ist mit einer gestrichelten Linie gezeigt.
Als nächstes wird Fig. 3 betrachtet. Es ist dort eine einfach logarithmische grafische Darstellung der Emitter- und Basis-Oberflächendotierungskonzentration als Funktion des Abstandes vom ursprünglichen Öffnungsrand in der -bc-Richtung aufgetragen. De r Punkt χ = 0 entspricht dem Rand der ursprünglichen Öffnung vor der Verbreiterung. Kurve 1 ist die grafische Darstellung der Basis-Oberflächendotierungskonzentration als Funktion des Abstandes vom Bezugspunkt χ = 0. Die gestrichelte
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Kurve 2 stellt eine angenommene grafische Darstellung der Emitter-Oberflächendotierungskonzentration in Abhängigkeit vom Abstand unter der Annahme dar, daß die Emitter- und Basisdiffusion beide durch die ursprüngliche, nicht vergrößerte Öffnung durchgeführt worden sind. Kurve 3 ist eine grafische Darstellung der wirklichen Emitter-Öberflächendotierungskonzentration, die man bei Anwendung der Erfindung erhält; d. h., wenn die Öffnung vor der Emitterdiffusion um einen Betrag χ
(siehe Fig. 2D) vergrößert worden ist.
Der Wert y der y-Koordinate, der den Schnittpunkt der Kurven 1 und 2 bedeutet, ist die Dotierungskonzentration, die an der Oberfläche eines pn-Überganges auftreten würde, der durch Diffundieren der Basis- und Emitter-Dotier stoffe durch die ursprüngliche, nicht vergrößerte Öffnung gebildet würde. De r Wert der Dotierstoffkonzentration entlang des flachen Hauptbereiches einer solcherart hergestellten Diode würde etwa dem Oberflächenwert gleich sein. Wie schon diskutiert wurde, wäre dies ein unerwünschter Zustand, da ein Avalanche-Durchbruch in diesem Fall dazu neigen würde, entlang der Oberfläche des pn-Überganges a.ufzutreten, was die Transistorwirkungsweise verschlechtern würde. Es ist deshalb wünschenswert, die Oberflächenkonzentration der Dotier stoffe zu verringern, ohne die
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Hauptteilkonzentration zu beeinflussen, um zu erreichen, daß der Durchbruch unterhalb der Oberfläche auftritt.
Kurve 3, die eine grafische Darstellung der wirklichen Emitteroberflächendotierstoff-Konzentration in Abhängigkeit vom Abstand zur ursprünglichen Öffnung darstellt, ist identisch mit Kurve 2, ausgenommen daß sie von Kurve 2 um einen Betrag χ versetzt ist,
el
Der Betrag der Versetzung von Kurve 3 bezüglich der Kurve 2 ist bestimmt durch eine Verschiebung der Kurve 2 in+x-Richtung, bis sie Kurve 1 an der y-Koordinate y schneidet, die um min-
Ci
destens eine Größenordnung kleiner als y ist. Der Verschiebungsbetrag χ ist der effektive Betrag, um den die Öffnung a
vor der Emitterdiffusion vergrößert werden muß, um die Oberflächenkonzentration der Dotierstoffe des resultierenden pn-Überganges zu verringern, um sicherzustellen, daß ein Avalanche-Durchbruch unterhalb der Oberfläche des Überganges auftritt.
χ , die x-Koordinate des Schnittpunktes der Kurven 1 und 2, stellt den seitlichen Abstand vom Rand der ursprünglichen Öffnung dar, der sich aus dem resultierenden Oberflächenbereich des pn-Überganges ergeben würde, wenn der Emitter und die Basis durch die exakt gleiche Öffnung dotiert würden, χ ,
Ct
die x-Koordinate des Schnittpunktes der Kurven 1 und 3, stellt den
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Abstand vom Rand der ursprünglichen Öffnung dar, wo der Oberflächenbereich des wirklichen Emitter-Basis-Überganges gebildet worden ist. Wie aus der grafischen Darstellung klar hervorgeht, ist Koordinate χ positiver als Koordinate χ . Der
dt X
Oberflächenbereich des pn-Überganges, der sich bildet, wenn die Öffnung vor der Emitterdiffusion um einen Betrag χ ver-
größert wird, befindet sich an einer Stelle entlang der Oberfläche des Transistors, die vom ursprünglichen Öffnungsrand entfernter und näher bei η-leitenden Epitaxikollektor liegt, als es der Fall wäre, wenn sowohl die Basis- als auch die Emitterdiffusion durch dieselbe Öffnung durchgeführt worden wäre. Diese Abstandsverringerung zwischen Emitter und Kollektor neigt dazu, Emitter-Kollektor-Kurzschlüsse zu verursachen, die sehr unerwünscht sind.
Eine Lösung des Problems der Emitter-Kollektor-Kurzschlüsse besteht darin, die Ausdehnung der seitlichen Basisdiffusion zu vergrößern ohne die Ausdehnung der seitlichen Emitter diffusion zu ändern. Eine vergrößerte Ausdehnung der seitlichen Basisdiffusion würde einen größeren ursprünglichen Abstand zwischen dem ursprünglich nicht vergrößerten Öffnungsrand und dem n-leitendenEpitaxisehicht-Kollektor schaffen, als die normalerweise der Fall wäre. Dieser vergrößerte Abstand
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gleicht die vergrößerte A«&äeLn.ung -.!or sejUichea Erriitterdiffusion aus, die durch die Öffnungsvergrößerung vor der Emitterdiffusion verursacht wird.
Eine übliche Methode zum Vergrößern der Ausdehnung der seitlichen Basisdiffusion besteht darin, die Ausdehnung der vertikalen Basisdiffusion zu vergrößern, da die Ausdehnung der seitlichen Diffusion im allgemeinen direkt proportional zur vertikalen Diffusion ist. Diese Methode hat die unerwünschte Wirkung, die effektive Basisweite des Transistors zu vergrößern und begrenzt deshalb solche Transistorparameter wie Beta und Basislaufzeit.
Gemäß der Erfindung wird das Problem der Ermitter-Kollektor-Kurzschlüsse dadurch gelöst, daß die Ausdehnung der seitlichen Basisdiffusion vergrößert wird ohne die effektive Basisweite des Transistors zu vergrößern. Wie in der Diskussion von Fig. 2A erklärt worden ist, wurde dies dadurch erreicht, daß auf einem η -leitenden Substrat 12 eine η-leitende Epitaxischicht 32 aufgebracht und eine Basis 34 aus p-leitendem Material vollständig durch die Expitaxischicht in das Substrat diffundiert wurde. Die sich ergebende Vergrößerung der Ausdehnung der seitlichen Basisdiffusion bei nichtvergrößerter effektiver Basisweite löst das
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Problem der Emitter-Kcaleirxor-KurzseMüsse ohne Transistorparameter zu begrenzen.
Es dürfte klar sein, daß die beschriebene spezielle Ausführung lediglich eine Erläuterung des generellen erfindungsgemäßen Prinzips sein soll und daß zahlreiche Modifikationen möglich sind, ohne von der Idee und dem Rahmen der Erfindung abzuweichen. Beispielsweise kann die Basiszone lichtempfindlich gemacht werden, um so einen Photo-Avalanche-Transistor zu schaffen. Zusätzlich können anstelle der oben speziell erwähnten Materialien andere verwendet werden. Weiterhin kann das Substrat als Emitter und die η -Diffusion als Kollektor verwendet werden.
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Claims (4)

  1. PATENTANSPRÜCHE
    / 1. ) Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelementes (10) mit einem Übergang (22A, 22B, 22C) durch Maskieren eines Oberflächenbereiches eines Halbleiterplättchens (11) mit Ausnahme eines Teiles;
    Diffundieren eines ersten Dotierstoffes in den nichtmaskierten Teil des Oberflächenbereiches, der den Leitfähigkeitstyp einer ersten Zone (16) im Halbleiterplättchen (11) umkehrt; und Diffundieren eines zweiten Dotierstoffes in den nichtmaskierten Teil des Oberflächenbereiches, der den Leitfähigkeitstyp einer zweiten Zone (18) innerhalb der ersten Zone (16) umkehrt; gekennzeichnet durch
    Vergrößern der Fläche des nichtmaskierten Teils des Oberflächenbereiches des Halbleiterplättchens (11) vor dem Diffundieren des zweiten Dotierstoffes, derart, daß die Dotierungskonzentration an der ebenen Oberfläche des Überganges (22A, 22B, 22C) auf einen bedeutend geringeren Wert gebracht wird als unterhalb der ebenen Oberfläche.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Plättchen ein Substrat mit geringem spezifischen Widerstand aufweist, dadurch gekennzeichnet,
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    daß eine Epitaxischicht hohen spezifischen Widerstandes vom. gleichen Leitfähigkeitstyp wie das Substrat auf dem Substrat gebildet wird;
    über der Epitaxischicht eine Maskierungsschicht geformt wird; eine Öffnung in der Maskierungsschicht hergestellt wird, um einen Bereich der Epitaxischicht freizulegen; und die Öffnungsgröße nach dem Diffundieren des ersten Dotierstoffes vergrößert wird, so daß bei dem nach der zweiten Diffusion entstandenen pn-übergang ein Avalanche-Durchbruch unterhalb der ebenen Oberfläche auftritt.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    nach der Vergrößerung der ersten Öffnung eine zweite Öffnung in der Maskierungsschicht gebildet wird, wodurch eine Zone der Epitaxischicht (28) hohen spezifischen Widerstandes unterhalb der zweiten Öffnung in ein Material relativ niedrigen spezifischen Widerstandes umgewandelt wird.
  4. 4. * Verfahren nach Anspruch 2,
    aadurch gekennzeichnet,
    daß man den ersten Dotierstoff vollständig durch die Epitaxischicht diffundieren läßt.
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