DE2355626A1 - Verfahren zur herstellung integrierter schaltkreise mit hoher packungsdichte in einem einkristall-substrat - Google Patents
Verfahren zur herstellung integrierter schaltkreise mit hoher packungsdichte in einem einkristall-substratInfo
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Description
Dr. = Ing, t','.:'i$ FJSCHKE
Dip!.-ing, {.■: Y ;-USCHKE
Dip!.-ing, {.■: Y ;-USCHKE
1 BEiU. IM 33
AUgUSti-Viirtoi la-Straae 65
I 1192
Telefonaktiebolaget LM Ericsson, Stockholm, Scn.wed.en
Verfahren zur Herstellung integrierter Schaltkreise mit hoher Packungsdichte in einem Einkristall-Substrat.
Die Erfindung betriff-b ein Terfahren zur Herstellung integrierter
Schaltkreise mit hoher Packungsdichte in einem Einkristall-Substrat.
■ .
Bei einem Aufbau, der heutzutage üblich ist und in dem integrierte
Schaltkreise in einem Einkristall-Substrat hergestellt werden, wird ein Silizium-Substrat der p-Type verwendet, auf das
sine n-Epitaxialschicht aufgewachsen ist. In dieser Epitaxial-
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schicht werden die Transistoren und Widerstände der Schaltkreise
hergestellt und getrennt in p-Isolationsschichten eingeschlossen,
die direkt durch die Epitaxialschicht eindiffundiert werden und
deshalb mit dem p-Substrat in elektrischem Eontakt stehen. Wenn
die Schaltkreise arbeiten, wird eine Isolation mit hohem Widerstand zwischen allen Komponenten dadurch erzielt, daß die
pn-G-renzfläche zwischen dem Substrat und den Isolationsschichten
zur Epitaxialschicht mit einer Vorspannung in Sperrichtung versehen wird.
Bei diesem herkömmlichen "Aufbau kann ein npn-Transistor hergestellt
werden, indem in die Epitaxialschicht und in einer Isolationsschicht ein flacher p-Bereich eindiffundiert wird, in den
dann ein kleinerer η-Bereich diffundiert wird, wobei die n-Epitaxialschicht,
der p-Bereich und der η-Bereich, der darüber liegt, den Kollektor, die Basis bzw. den Emitter des npn-Transistors
bilden. Darüberhinaus kann ein Schaltungswiderstand hergestellt werden, indem in die Epitaxialschicht und innerhalb einer Isolationsschicht
ein flacher p-Bereich von der gleichen Art, wie sie für die Basis des npn-Iransistors verwendet wurde, eindiffundiert
wird, wobei der Widerstand zwischen zwei im Abstand voneinander liegenden Punkten in dem p-Bereich verwendet wird.
Der oben beschriebene herkömmliche Aufbau hat aus der Sicht der Herstellung den Vorteil, daß die p-Bereiche der Schaltungswiderstände
und der Basiselektroden von npn-Sransistoren in ein und demselben Diffusionsschritt hergestellt werden können. Um eine
gewünschte Kennlinie für den npn-Transistor zu erzielen, sollten
die p-Bereiche in einer Epitaxialschicht mit einer Dicke von z.B.
5 Mikron und mit einem spezifischen Widerstand von 1000 Ohm-mm je Meter hergestellt werden. Die p-Bereiche der Schaltungstransistoren
bekommen die Form eines dünnen Streifens, der mit zwei Anschlußkontakten versehen ist. Für Schaltungswiderstände mit
hohen Widerstandswerten muß die Streifenbreite so schmal gewählt werden, wie es unter Berücksichtigung von Strukturinhomogenitäten
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und der optischen Reproduzierbarkeit beim Kopieren des Musters möglich ist. Normalerweise wird eine Streifenbreite von etwa ·
10 Mikron gewählt. Weiterhin kann der Streifen in geeigneter Weise die Form einer hin und her gehenden Schleife innerhalb
einer rechteckigen Fläche haben, wobei der isolierende Abstand von der gleichen Größe wie die Streifenbreite gewählt wird; Es
ist jetzt aus den oben angegebenen Zahlenwerten leicht auszurechnen, daß ein Schaltungswiderstand, der in einer !Fläche von
2
0,2 χ 0,2-mm hergestellt wird, was der Fläche entspricht, die ein Transistor in dem oben beschriebenen Aufbau einnimmt, keinen größeren Widerstandswert als etwa 30 kOhm erhalten kann.
0,2 χ 0,2-mm hergestellt wird, was der Fläche entspricht, die ein Transistor in dem oben beschriebenen Aufbau einnimmt, keinen größeren Widerstandswert als etwa 30 kOhm erhalten kann.
Wenn eine Funktionseinheit hergestellt wird, die aus einer Anzahl von Schaltkreisen in der Form einer Anzahl einkristalliner
Substrate besteht, in die die Komponenten der Schaltkreise integriert sind, können die Herstellungskosten der Funktionseinheit
geschrieben werden als das Produkt aus der Anzahl der Substrate und den durchschnittlichen Herstellungskosten je Substrat.
Eine erhöhte Packungsdichte für die Bauelemente in dem Substat ist deshalb nur dann gewinnbringend, wenn dadurch die
erforderliche Anzahl von Substraten in der Funktionseinheit in einem größeren Maße abnimmt, als die durchschnittlichen Herstellungskosten
je Substrat eventuell ansteigen.
Bei Funktionseinheiten, die aus üblichen integrierten Schaltungen lieher Packungsdichte zusammengesetzt sind, wird ein verbesserter
Gewinn im Vergleich zu dem oben erwähnten herkömmlichen Aufbau in den meisten Fällen nicht mit dem Herstellungsverfahren
für Halbleiterkomponenten, Transistoren, Widerstände usw., erzielt, mit dem derzeit die höchste Packungsdichte erreicht
wird, nämlich mit der Einführung von Verunreinigungsionen 'in das Substrat oder die Epitaxialschicht mit Hilfe eines oder
mehrerer Injektionsverfahrensschritte, wie sie z.B. in der deutschen Patentanmeldung 1 938 365 beschrieben werden. Ein
Grund dafür ist, daß die nach dem Injektionsverfahren herge-
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stellten Transistoren in größerer Zahl als die nach dem Diffusionsverfahren
hergestellten Transistoren benötigt werden, weil die ersteren eine niedrigere Stromverstärkung haben, da
das Injektionsverfahren im Gegensatz zum Diffusionsverfahren Gitterinhomogenitäten unter den freiliegenden Kristalloberfläclien
zur Folge hat und diese Gitterinhomogenitäten, wenn sie
einmal erzeugt wurden, nicht mehr durch eine anschließende Behandlung beseitigt werden können. Ein weiterer Grund liegt darin,
daß bei Inte-gration mit hoher Packungsdichte die Temperatur
an der Grenzschicht in der Kollektorelektrode der Transistoren einen bestimmten Höchstwert hat, der zusammen mit dem
Wärmewiderstand der verwendeten Halbleiterkomponenten eine obere Grenze für die Verlustleistung je Komponente bestimmt.
Bei den Signalamplituden und den Lastwiderständen, die z.B. in üblichen Logikschaltungen verwendet werden, werden die Transistoren
mit einer Verlustleistung in der Größe von 0,1 mW belastet und müssen dann unter Berücksichtigung der Wärmeabfuhr
eine minimale Fläche solcher Größe bekommen, daß es beträchtlich längere Zeit und damit entsprechende Kosten erfordert, um sie
nach der Injektionstechnik herzustellen anstatt durch die Diffusionstechnik. Der Wachteil eines niedrigeren Stromverstär—
kungsfaktors kommt noch hinzu.
Ein etwas verbesserter Gewinn im Vergleich zu dem herkömmlichen diffundierten Aufbau kann mit einem besonderen Verfahren für die
kompakte Diffusionsherstellung von Transistoren erzielt werden, wobei dieses Verfahren im Prinzip darin besteht, daß zuerst die
Transistoren mit einem getrennten Subkollektor in entsprechenden, im Abstand voneinander liegenden Bereichen in dem Substrat hergestellt werden, woraufhin diese Bereiche mit ihren entsprechenden
.Isolationsschichten versehen werden, die an die Außenkante des Subkollektors heranreichen. Zwei'Varianten des Verfahrens
werden in "Electronics", 1. März 1971, unter dem Titel "Isolation method shrinks bipolar cells for fast, dense memories" und
in derselben Zeitschrift am 9. Juli 1972 unter dem Titel "CoI-
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_ 5 —
lector diffusion isolation packs many functions on a chip" "beschrieben.
Die Verbesserung des Gewinns ist jedoch unbedeutend, selbst wenn die Fläche der Transistoren verringert wird
ohne wesentliche Steigerung der Herstellungskosten je Substrat, weil die kleinen Transistorflächen und Arbeitsströme große
Schaltungswiderstände erfordern. Eine Verlustleistung von z.B. 0,1 mW je Transistor bedeutet einen Widerstandswert von 30 kOhm
für die Schaltungswiderstände, die in der Diffusionshers-tellung
zusammen mit den kompakten Transistoren erhalten werden. Diese Schaltungswiderstände nehmen dann beträchtlich größere
Flächen als die Schaltungstransistoren ein. Dieses Mißverhältnis kann etwas ausgeglichen werden z.B. nach dem Verfahren
zur Verringerung der erforderlichen Diffusionsfläche für Widerstände, das in der schwedischen Patentschrift 354 143'
beschrieben wird, und die Idee dieses Verfahrens besteht kurz gesagt darin, die Widerstände dünner zu machen, indem sie geätzt
werden.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren, mit dem ein beträchtlich erhöhter und mit der heutigen Technik wahrscheinlich maximaler
Gewinn bei der Herstellung von Funktionseinheiten erzielt wird,
die aus monolithischen Standard-Schaltkreisen zusammengesetzt sind, und zwar dank der Tatsache, daß das Verfahren die Nutzbarmachung
der entsprechenden Vorteile der bekannten Verfahren mit der Ausschaltung ihrer entsprechenden Nachteile kombiniert, insbesondere
den Vorteil nach der Diffusionstechnik hergestellter Transistoren, um eine hohe Stromverstärkung zu erzielen, selbst
wenn die Konstruktion kompakt ist, in Kombination mit dem Vorteil nach dem Injektionsverfahren hergestellter Widerstände, um
eine hohe Packungsdichte zu erzielen aufgrund ihrer gut definierten Flächen, die nicht durch raumschluckende Isolationsschichten
begrenzt werden müssen.~
Das Verfahren.gemäß der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,
daß zuerst die Transistoren in den Schaltkreisen mit einem getrennten Subkollektor in entsprechenden Bereichen, die im Ab_
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stand voneinander in dem Substrat angeordnet sind, in der Weise
hergestellt werden, daß Verunrexnigungsionen durch eine Anzahl
aufeinanderfolgender Diffusionsverfahrensschritte eingeführt werden, wobei diese Bereiche mit getrennten Isolationsschichten
versehen werden, die sich der Außenkante der entsprechenden Subkollektoren nähern. Danach werden die Widerstände in den
Schaltkreisen in ihren entsprechenden Bereichen, die neben den Isolationsschichten für die Transistoren liegen, in der Weise
hergestellt, daß "Verunreinigungsionen durch mindestens einen
Injektionsverfaiirensschritt eingeführt werden.
Die Erfindung wird nachfolgend in genaueren Einzelheiten unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung beschrieben. Diese
zeigt ein Halbleiterbauelement', welches nach dem Verfahren gemäß der Erfindung hergestellt ist und ein Einkristall-Substrat
1 der p-Type enthält, welches mit einem eindiffundierten n+ Bereich
2 versehen wurde und welches danach mit einer dünnen p-Epitaxialschicht 3 bedeckt wurde, die mit einer Dicke von 1,5
Mikron gemäß dem Beispiel aufgewachsen wurde. Ein n-Bereich 4 wurde in die Epitaxialschicht 3 so tief eindiffundiert, daß er
die Schicht durchdringt und sich dem η+ -Bereich 2 nähert, so
daß er mit diesem in elektrischem Kontakt steht. Weiterhin wurde eine Anzahl flacher n+ - Bereiche 5a - h in die Epitaxialschicht
3 neben dem n+ -Bereich 4 diffundiert, und ein Bereich
6 wurde zwischen den Bereichen 4 und 5a und um diese herum durch
Ätzen und anschließendes Aufwachsen eines Materials mit hohem Widerstand, gemäß dem Beispiel ein polykristallines Material,
gebildet. Der Bereich 6 soll eine nichtleitende Isolationsschicht im Abstand von dem n+ -Bereich 5a aber nahe dem n+ -Bereich
4 bilden.
Oben auf der Epitaxialschicht 3 befindet sich eine Oxidschicht 7,
die gemäß dem Beispiel eine Dicke von 1OOO S. hat und an einer
Vielzahl von Stellen durch Ätzen auf eine Dicke von beispielsweise 200 S reduziert wurde. Danach wurde sie einem Strahl
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yon η-Ionen mit einer Energie von "beispielsweise 4-0 keV ausgesetzt,
wobei die η-Ionen leicht durch das dünne Oxid hindurchgehen und bis zu einer Tiefe von etwa 8000 α in die Epitaxialschicht
3 eindringen, während sie von der beim Ätzen nicht verringerten Oxidschicht aufgehalten werden. Mit dieser Bestrahlung
mit.dem Ionenstrahl werden η-Bereiche 8a - e an Stellen
gebildet, die so angeordnet sind, daß sie an die entsprechenden n+ -Bereiche 5b - h heranreichen und auf diese Weise mit diesen
Bereichen in elektrischem Eontakt befinden.
Fenster wurden in die Oxidschicht 7 in bekannter Weise geätzt, um die n+ -Bereiche 5a — h und den n+ -Bereich 4 freizulegen.
Weiterhin wurden der Bereich 6 und ein Bereich 9>
der zwischen dem n+ -Bereich 5a und dem n+ -Bereich 2 in der p-Epitaxialschicht
3 liegt, freigelegt. Das Halbleiterbauelement wird tatsächlich in einer Produktionsstufe unmittelbar vor der Herstellung
der elektrischen Kontakte gezeigt, wobei die freiliegenden Felder 4, 9 und 5a die Kollektor-, die Basis- bzw. die Emitterelektrode
eines npn-Sransistors bilden, das freiliegende Gebiet
des Feldes 6 eine Kontaktelektrode für einen Schirm für den npn-Transistor
bildet, die Bereiche 5b - g Kontakte zu den in den Bereichen 8a - d gebildeten Widerständen sind und der Bereich 5h
einen Kontakt zu einer Kapazität bildet, die von dem Feld 8e und der Epitaxialschieht 3 gebildet wird. Die Bereiche 8a - e
sind jeweils elektrisch dadurch isoliert, daß ihre entsprechende pn-G-renzflache zur Epitaxialschieht 3 eine Torspannung in Sperrrichtung
bekommte
Lr. H Pa/Uo
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Claims (2)
- Patentansprücheι 1«y Verfahren zur Herstellung integrierter Schaltkreise mit hoher Packungsdichte In einein Einkristall-Substrat, dadurch gekennzeichnet, daß zuerst die Transistoren in den Schaltkreisen mit einem
getrennten Subkollektor in entsprechenden Bereichen, die in dem
Substrat im Abstand voneinander angeordnet sind, in solcher Weise hergestellt werden, daß Yerunreinigungsionen durch eine Anzahl
aufeinanderfolgender Difxusionsverfahrensschritte eingeführt werden, wobei diese Bereiche mit getrennten Isolationsschichten versehen sind, die sich der Außenkante der entsprechenden Subkollektoren nähern, und daß danach die Widerstände in den Schaltkreisen in entsprechenden, neben den Isolationsschichten angeordneten
Bereichen in solcher Weise hergestellt werden, daß Verunreini-. gungsionen durch mindestens einen Ingektionsverfahrensschritt
eingeführt werden. - 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß während der Herstellung der Transistoren und in Verbindung mit ihrem Emitterdixfusionsschritt Verunreinigungsiorien auch in Flächen
. eingeführt werden, die für die Anschlüsse der Widerstände vor-g.esehen sind.409822/0764
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