DE2558925C2 - Verfahren zur Herstellung einer integrierten Injektions-Schaltungsanordnung - Google Patents
Verfahren zur Herstellung einer integrierten Injektions-SchaltungsanordnungInfo
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Description
c) in der isolierenden Oxidschicht (113) eine erste
Öffnung (114) gebildet wird, 15 Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung
d) in einem ersten Diffusionsschritt die epitakti- einer Halbleiter-Schaltungsarordung nach dem Obersche
Halbleiterschicht (112) durch die erste öff- begriff des Patentanspruches 1.
nung (114) mit einem Dotierstoff des ersten Lei- Aus der US-PS 33 28 214 ist ein derartiges Verfahren
tungstyps zur Bildung eines ersten Bereichs zur Herstellung einer Halbleiter-Schaltungsanordnung
(116) dös ersten Leitungstyps dotiert wird, der 20 bekannt, bei dem eine Halbleiterschicht mit einem ent-
a'as Halbleitersubstrat(Hi)erreicht,und gegengesetzten Leitungstyp auf einem HaJbleitersub-
e) in einem zweiten Diffusionsschritt der erste Be- strat des einen Leitungstyps ausgebildet wird. Eine Isoreich
(116) durch die erste Öffnung (114) mit lierschicht wird auf die Halbleiterschicht aufgebracht
einem Dotierstoff des entgegengesetzten Lei- und mit ersten Öffnungen versehea Durch diese ersten
tungstyps so dotiert wird, daß ein zweiter Be- 25 Öffnungen wird die Halbleiterschicht mit einem Dotierreich
(118) mit dem entgegengesetzten Lei- stoff des einen Leitungstyps dotiert, so daß ein das HaIbtungstyp
in dem ersten Bereich (116) ausgebil- leitersubstrat erreichender Bereich des einen Leitungsdetwird,
typs entsteht Bei offengehaltenen ersten Öffnungen
. wird sodann in den Bereich des einen Leitungstyps ein dad ure ^gekennzeichnet, daß zur Herstel- 30 Dotierstoff des entgegengesetzten Leitungstyps eingelung
einer ir„2grierten Injektions-Schaltungsanord- bracht, so daß ein Bereich des entgegengesetzten Leinun8
tungstyps im Bereich des einen Leitungstyps entsteht . , _ Weiterhin ist aus der US-PS 35 60 278 ein Ausrichdl)
auf dem durch die erstü öffrnng (114) freigeleg- tungsprozeß für die Herstellung von Halbleitervorrichten
Abschnitt der Halbleiterschicht (112) und 35 tungen bekannt, bei dem eine Diffusion in oxydierender
auf άζτ isolierenden Oxidschicht (113) eine, Atmosphäre vorgenommen wird. Die US-PS 34 89 622
einen Dotierstoff des ersten Leitungstyps ent- beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von Transistohaltende
Siliziumoxidschicht (115) gebildet ren für hohe Frequenzen, bei dem dotierte Siliziumoxidwird,
schichten dazu verwendet werden, eine Diffusion von d2) im ersten Diffusionsschntt durch die erste öff- 40 Bor in ein Halbleitersubstrat hinein vorzunehmen'
nung (114) der in der Siliziumoxidschicht (115) Schließlich ist es noch aus »Electronics«, Bd 47 H 20
enthaltene Dotierstoff in die Halbleiterschich; 3. Okt 1974, Seiten 111-118, bekannt daß auch bei der
(112) in einer eine hohe Temperatur aufweisen- Herstellung von I2L-Schaltkreisen (I2L - integrierte Inden,
nicht oxydierenden Atmosphäre eindiffun- jektions-Logik) verschiedene Diffusionsschritte für ei-
.. J0J.!1"1 .. .. u , 45 nen Dotierstofftyp gleichzeitig ausgeführt werden kön-
e 1) die Siliziumoxidschicht (115) durch eine ätzende nen.
Lösung entfernt wird, um die isolierende Oxid- Die z. B. aus der Literaturstelle »Electronics« bekann-
schicht (113) und den ersten Bereich (116) frei- ten I2L-Schaltungsar.ordnungen haben den Vorteil, daß
zulegen, sie einfacher aufgebaut sind, mit höherer Ausbeute her-
cl) dann durch die isolierende Oxidschicht (113) ei- 50 gestellt und dichter integriert werden können als es bei
ne zweite Öffnung (117) ausgebildet wird, Schaltungen in Transistor-Transistor-Logik (TTL) der
e2) der erste Bereich (116) und die Halbleiter- Fall ist Dieser I2L-Schaltungstyp wird auch als Logikschicht
(112) durch die erste und zweite öffnung schaltung mit vereinigten Transistoren (Merged Transi-
(114, 117) im zweiten Diffusionsschritt in einer stör Logic MTL) bezeichnet; er enthält einen auf dem
oxydierenden Atmosphäre so dotiert werden, 55 Halbleitersubstrat gebildeten Schalttransistor oder verdaß
im ersten Bereich (116) der zweite Bereich tikalen Transistor sowie einen ebenfalls auf dem HaIb-(118)
und in der Halbleiterschicht (112) ein drit- leitersubstrat gebildeten lateralen Transistor zum Injiter
Bereich (119) des entgegengesetzten Lei- zieren von Minoritätsladungsträgern in die Basiszone
tungstyps gebildet werden, des Schahtransistors.
c2) in der isolierenden Oxidschicht (113) über dem M Eine solche Halbleiter-Schaltungsanordnung ist z. B.
aktiven Bereich der Halbleiter-Schaltungsan- auf einem Halbleitersubstrat eines beliebigen Leitungsordnung eine dritte öffnung (121) gebildet wird typs mit Hilfe eines epitaktischen Aufwachsverfahrens
n .. . . .„ . aus der Dampfphase eine η-leitende Halbleiterschicht
f) in einem dritten Diffusionsschritt die Halblei- gebildet, und in die η-leitende Halbleiterschicht wird ein
terschicht (112) durch die dritte öffnung (121) 65 p-Dotierstoff, beispielsweise Bor. mit einer Konzentra-
mit einem Dotierstoff des ersten Leitungstyps tion über 10" bis 1019 Atomen/cm3 diffundiert, damit
zur Bildung eines vierten Bereiches (122) des erste und zweite p-leitende Zonen erzeugt werden
ersten Leitungstyps dotiert wird. Dann wird ein beispielsweise aus Phosphor bestehender
n-Dotierstoff in die erste p-Ieitende Zone mit einer Konzentration
von ΙΟ18 bis ΙΟ21 Atomen/cm3 zur Bildung
einer η-leitenden Zone diffundiert Die auf diese Weise hergestellte PL-Schaltung enthält einen lateralen PNP-Transistor
mit einem Emitter, einer Basis und einem Kollektor, die von der zweiten p-leitenden Zone, der
η-leitenden Halbleiterschicht bzw. der ersten p-leitenden Zone gebildet sind, sowie einen vertikalen NPN-Transistor
init einem Emitter, einer Basis und einem Kollektor, die von der n-leitenden Halbleiterschicht, der to
ersten p-leitenden Zone bzw. der η-leitenden Zone gebildet
sind.
Der Leistungsverbrauch der I2L-Halbleiter-Schaltungsanordnung
wird stark vom Stromverstärkungsf aktor acpNp des lateralen PNP-Transistors beeinflußt, dessen
Basis an Masse liegt; wenn der Verstärkungsfaktor ocpNP gegen den Wert 1 geht, nimmt der Leistungsverbrauch
ab. Außerdem werden die Werte der Ausgangsbelastbarkeit, der Rauschgrenze usw. stark von den Eigenschaften
des vertikalen NPN-Transistors, insbesondere vom Siromversiärkungsfakior pnpn des vertikalen
NPN-Transistors beeinflußt, dessen Emitter an Masse liegt Aus diesem Grund ist es bei der I2L-Halbleiter-Schaltungsanordnung
notwendig, gleichzeitig die Stromverstärkungsfaktoren «psp und ßim* beider Transistoren
zu erhöhen.
Bei einer solchen herkömmlichen Halbleiter-Schaltungsanordnung
ist es zwar relativ einfach, die Rekombination der Ladungsträger in der Basiszone durch ein
geeignetes Auswählen der Dotierstoffkonzentration in den Emitter- und Basiszonen des lateralen PNP-Trans·-
stors herabzusetzen, doch wird die Weite der Basiszone von der Genauigkeit der beim Photoätzverfahren verwendeten
Maske bestimmt und somit auf einen Wert von 5 bis 10 μπι in Bereichen dicht bei der Maske begrenzt
Da die Emitterzone und die Kollektorzone durch Diffundieren eines p-Dotierstoffs in die η-leitende Halbleiterschicht
an zwei Oberflächenbereichen dieser n-leitenden Halbleiterschicht gebildet werden, hat die zwisehen
diesen zwei diffundierten Zonen erzeugte Basiszone überdies auch die Neigung, ihre Weiie in der Tiefenrichtung
zu erhöhen, was dazu führt, daß der Wirkungsgrad des Ladungsträgertransports mit der Tiefe
abnimmt Da die Emitterdiffusionszone halbkugelförmig ist, ist der Dotierstoff-Konzentrationsgradient an
der Emitter-Basis-Übergangsfläche flach, was den Wirkungsgrad der Ladungstiäger-Injektion herabsetzt Aus
diesem Grund ist es schwierig, den Stromverstärkungsfaktor ctPNP des lateralen PNP-Transistors zu verbes-
sern. Andererseits werden doppelt diffundierte Zonen (die n-leiiende Zone und die erste p-leitende Zons) und
die η-leitende Halbleiterschicht zur Bildung des vertikalen NPN-Transisiors verwendet, und da die n-leitende
Halbleiterschicht als Emitter benutzt wird, muß ihre Dotierstoffkonzentration herabgesetzt werden, wenn
die p-Ieitende Zone als Basis verwendet wird. Außerdem wird an die aus der η-leitenden Halbleiterschicht
injizierten Ladungsträger ein elektrisches Verzögerungsfeld angelegt. Die Verbesserung des Stromver- eo
Stärkungsfaktors 0npn des vertikalen NPN-Transistors
wird auf diese Weise stark eingeschränkt Da die Basis des lateralen PNP-Transistors und der Emitter des vertikalen
NPN-Transistors von einer gemeinsamen Zone (der η-leitenden Halbleiterschicht) Gebrauch machen,
und da der Kollektor des lateralen PNP-Transistors die Basis des vertikalen NPN-Transistors eine gemeinsame
Zone (die erste p-leitende Zone) benutzen, werden dort, wo die Dotierstoffkonzentrationen der Emitter- und Basiszonen
mit passenden Werten zur Erzielung einer Verbesserung des Ladungsträgertransportwirkungsgrades
und des Ladungsträgerinjektionswirkungsgrades eines Transistors ausgewählt werden, der Ladungsträgerinjektionswirkungsgrad
und der Ladungsträgertransportwirkungsgrad des anderen Transistors herabgesetzt Es
ist daher nicht möglich, gleichzeitig die Stromverstärkungsfaktoren
beider Transistoren zu verbessern.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1
für eine ^-Schaltungsanordnung verwendbar zu machen,
derart, daß die Maskierung sehr viel einfacher durchgeführt werden kann und trotzdem eine äußerst
genaue Selbstausrichtung erreicht wird.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 erfindungsgemäß
durch die in dessen kennzeichnenden Teil enthaltenen MerkmaJe gelöst
Vorteilhafte Weiterbildungen ar- Erfindung ergeben
sich aus den Patentansprüchen 2 uno 3.
Die Erfindung ermöglicht die Herstellung von einer ^-Schaltungsanordnung mit einfacher Justierung, genauer
Selbstausrichtung, einem niedrigen Produkt aus Leist'sag und Verzögerung, einer hohen Ausgangsbelastbarkeit
und einem großen Rauschabstand.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und der Fig. IA bis IH erläutert, in
denen die Schaltungsanordnung im Schnitt in den verschiedenen Verfahrensschritten gezeigt ist
Nach F i g. 1A wird auf einem n-Ieitenden Halbleitersubstrat
111 mit einem spezifischen Widerstand von 0,01
bis 10 Ohm · cm und einer Dicke von 400 bis 500 μηι, das dadurch hergestellt worden ist, daß in ein Siliziumplättchen
ein Donatordotierstoff, beispielsweise Phosphorantiinon oder Arsen, durch Diffusion oder Ionenimplantation
eingebracht worden ist, zunächst eine erste p-leitende Halbleiterschicht durch epitiJitisches
Aufwachsen aus der Dampfphase gebildet, die Bor mit einer Konzentration von 1015 bis 10'7 Atomen/cm3 enthalt.
Die Halbleiterschicht 112 kann auch dadurch gebildet
werden, daß Siliziumtetrachlorid mit Wasserstoff bei einer erhöhten Temperatur von beispielsweise
1100° C reduziert wird.
Wie F i g. 1B zeigt, wird auf der Oberfläche der p-leitenden
Halbleiterschicht 12 dann ein isolierender Oxidfilm 113 (im Anspruch 1 als isolierende Oxidschicht bezeichnet)
gebildet, in dem mittels eines Photoätzverfahrens wahlweise erste Öffnungen 114 erzeugt werden.
Anschließend wird eine einen Donatordotierstoff, beispielsweise Phosphor enthaltende Siliziumoxidschicht
115 durch epitaktisches Aufwachsen aus der Dampfphase
tii niedriger Temperatur so gebildet, daß die öffnungen
114 und von dem Oxidfilm 113 freigelegte Abschnitte der p-leütfnden Halbleiterschicht il2 überzogen
werden. Bei der Durchführung des Aufwachsens aus der Dampfphase wird die Oxidschicht 115 auf den
Halbleiterabschnitten und dem Oxidfilm 113 mit einem
Mischungsverhältnis aus Siliziumwasserstoff und Sauerstoff gebildet, das entsprechend der gewünschten Dotierstoffkonzentration
ausgewählt ist, wobei eine Temperatur zwischen 400 bis 5000C gewählt wird. Die Halbleiteranordnung
mit der Siliziumoxidschicht 115 wird dann für die Dauer von etwa 30 Minuten bis 2 Stunden
in einer nichtoxidierenden Atmosphäre unberührt gelassen, die auf einer hohen Temperatur von beispielsweise
1000 bis 1100° C gehalten ist und die ein nichtoxidierendes
Gas wie Stickstoff enthält, damit unmittelbar
5
unter den ersten öffnungen 114 eine erste η-leitende de Halbleiterschicht 112 kann durch Diffusion erzeugt
Diffusionszone 116 entsteht, die sich so durch die p-lei- werden, und der die p-leitende Halbleiterschicht
tende Halbleiterschicht 112 erstreckt, daß sie das n-lei- überdeckende Isolierfilm 113 kann ein thermischer
tende Substrat 111 erreicht Bei dem in Fig. ID darge- Oxidfilm oder ein durch Aufwachsen aus der Dampfstellten Verfahrensschritt wird die Siliziumoxidschicht s phase gebildeter Oxidfilm sein.
115 dann mit Hilfe einer Ätzlösung entfernt, die Fluß- Die nach dem oben beschriebenen Verfahren herge-
säure, Salpetersaure und Wasser im Verhältnis von stellte I2L-Halblei leitvorrichtung enthält einen lateralen
4 :1 :90 enthält, damit der Oxidfilm 113 und die Ober- Transistor und einen vertikalen Transistor. Die Basiszofläche der ersten n-Ieitenden Zone 116 (erster Bereich) ne des lateralen Transistors hat eine gleichmäßige Weidurch die öffnungen 114 freigelegt werden. Die Ober- io te in ihrer gesamten Tiefe, und sie ist äußerst schmal; an
gangsränder der ersten η-leitenden Zonen 116 verlaufen der Übergangsfläche zwischen den Emitter- und Basisin horizontaler Richtung bis über etwa 80% der Tiefe zonen entsteht ein passender Dotierstoffkonzentradieser Zonen. Dann werden in ausgewählter Weise mit tionsgradient, so daß es möglich ist, ein elektrisches BeHilfe des Photoätzverfahrens zweite Öffnungen 117 schleunigungsfeld zum Injizieren von Ladungsträgern
durch den Oxidfilm 113 zwischen den öffnungen 114 15 aus der Emitterzone anzulegen. Hinsichtlich des vertigebildet Wie F i g. 1E zeigt, wird dann Bor, beispielswei- kalen Transistors ist es möglich, die Dotierstoffkonzense Bortrioxid, bei einer Diffusionstemperatur von 1000 tration der Emitterzone höher als die der Basiszone zu
bis 1040° C durch die ersten und zweiten öffnungen 114 machen und die Dichte der Rekombinationszentren in
bzw. 117 in die ersten η-leitenden Zonen und in die der Basiszone herabzusetzen. Somit hat auch der vertip-Ieitende Halbleiterschicht 112 diffundiert, damit zwei- 20 kale Transistor einen hohen Stromverstärkungsfaktor
te und dritte (p-leitende) Bereiche bzw. Zonen 118 bzw. und ein ausgezeichnetes Hochfrequenzverhalten. Aus
119 in der ersten η-leitenden Zone 116 bzw. in der p-lei- diesem Grund weist die !^-Halbleitervorrichtung ein
tenden Schicht 112 gebildet werden. Nach der Bildung niedriges Produkt aus Leistung und Verzögerung, eine
der p-leitenden Zonen 118 und 119 werden nach F i g. 1F hohe Ausgangsbelastbarkeit und einen weiten Rausch-Siliziumoxidfilme 120e und 120Λ auf den in den Öffnun- 25 abstand auf.
gen 114 und 117 freiliegenden Oberflächen der p-leiten-
den Zonen 118 und 119 gebildet, indem eine thermische Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
führt wird. Anschließend wird durch den anderen Abschnitt des Oxidfilms 113 zwischen den öffnungen 114
mit Hilfe des Photoätzverfahrens eine dritte öffnung 121 gebildet Durch diese öffnung 121 wird dann
Phosphor in Form von Phosphorpentoxid in die p-leitende Halbleiterschicht 112 in einer oxidierenden Atmosphäre diffundiert, die bei einer Temperatur von etwa
900 bis 1000°C gehalten ist damit ein vierter (n-leitendcf) Bereich 122 cfzcügi wird, wie in Fig. IG dargestellt ist Die freiliegenden Oberflächen der vierten Bereiche bzw. Zonen 122 werden dann wieder mit Siliziumoxidfilmen 123 bedeckt Durch die Siliziumoxidfilme
120a, 120b und 123 auf den p-leitenden Zonen 118 und 119 und den η-leitenden Zonen 122 werden dann öffnungen gebildet und auf den freiliegenden Oberflächen
der Zonen 118, 119 und 122 wird ein zur Bildung von
Elektroden geeignetes Metall, beispielsweise Aluminium, im Vakuum durch die öffnungen mit einer Dicke
von mehreren μπι abgeschieden, damit Elektroden 124,
125 und 126 für die Zonen 118,119 bzw. 122 entstehen, wie Fig. IH zeigt Am η-leitenden Halbleitersubstrat
111 wird ein nicht dargestellter Masseanschluß gebildet
Die in der oben beschriebenen Weise hergestellte ^-Halbleiterschaltung enthält einen lateralen PNP-Transistor mit einem Emitter, einer Basis und einem
Kollektor, die von der zweiten (p-leitenden) Zone 118, der ersten (η-leitenden) Zone 116 und der p-leitenden
Schicht 112 gebildet sind, sowie einen vertikalen NPN-Transistor mit einem Emitter, einer Basis und einem
Kollektor, die von dem η-leitenden Halbleitersubstrat 111, der p-leitenden Halbleiterschicht 112 and der vierten (η-leitenden) Zone 122 gebildet sind. Die dritte (p-
leitende) Zone wirkt als ohmsche Kontaktzone für die p-leitende Halbleiterschicht 112
Bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel ist es möglich, die Leitungstypen der verschiedenen Bereiche oder Zonen umzukehren. Das heißt in anderen Wor- es
ten, daß das Substrat p-leitend gemacht werden kann
und daß die Leitungstypen der anderen Zonen und der Schicht entsprechend umgekehrt werden. Die p-leiten-
Claims (3)
1 2
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn-Patentansprüche:
zeichnet, daß die erste Öffnung (114) kreisförmig
ausgebildet wird und daß die zweiten und dritten
1. Verfahren zur Herstellung einer Halbleiter- Öffnungen (117, 121) durch die kreisförmige erste
Schaltungsanordnung, bei dem 5 Öffnung (114) umgeben werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn-
a) auf einem Halbleitersubstrat (111) mit einem zeichnet, daß die erste Öffnung (114) gitterförmig
ersten Leitungstyp eine epitaktische Halbleiter- ausgebildet wird und daß die zweiten und dritten
schicht (112) mit einem entgegengesetzten Lei- Öffnungen (117, 121) jeweils innerhalb der ersten
tungstyp gebadet wird, 10 gitterförmigen Öffnung (114) ausgebildet werden.
b) auf der epitaktischen Halbleiterschicht (112) eine
isolierende Oxidschicht (113) aufgebracht
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