DE2627307C3 - Verfahren zum Herstellen einer Halbleiteranordnung - Google Patents

Verfahren zum Herstellen einer Halbleiteranordnung

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DE2627307C3 DE19762627307 DE2627307A DE2627307C3 DE 2627307 C3 DE2627307 C3 DE 2627307C3 DE 19762627307 DE19762627307 DE 19762627307 DE 2627307 A DE2627307 A DE 2627307A DE 2627307 C3 DE2627307 C3 DE 2627307C3
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Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen einer Halbleiteranordnung entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Ein Verfahren dieser Art ist z. B. aus der US-PS 37 66 446 bekannt.
In der Halbleitertechnik und insbesondere in der Technologie der monolithischen integrierten Schaltungen werden oft Schaltungen und also Halbleiterschaltungselemente angestrebt, die bis zu sehr hohen Frequenzen, z. B. bis zu Frequenzen von 1 oder einigen GHz, brauchbar sind. Dabei ist es außerdem in vielen Fällen wünschenswert, daß eine monolithische integrierte Schaltung Bipolartransistoren sowohl vom npnals auch vom pnp-Typ enthält.
Obschon das Erreichen derartiger sehr hoher Frequenzen bereits für vertikale npn-Transistoren mit technologischen Problemen einhergeht, ist dies insbesondere bei monolithischen Schaltungen mit npn- und pnp-Transistoren in einer einzigen epitaktischen Schicht der Fall. Dabei werden die pnp-Transistoren nahezu stets als laterale Transistoren ausgeführt. Es ist daher nicht nur praktisch unmöglich, wegen der lateralen Struktur und wegen der geringeren Löcherbeweglichkeit diese pnp-Transistoren für sehr hohe Frequenzen geeignet zu machen, sondern im allgemeinen werden auch die auf diese Weise in einer einzigen epitaktischen Schicht gebildeten npn- und pnp-Transistoren wegen ihrer sehr verschiedenen geometrischen Struktur elektrisch wesentliche Unterschiede aufweisen, was im allgemeinen nicht erwünscht ist.
Es wurde versucht, dieses Problem dadurch zu lösen, daß unter Verwendung zweier oder mehrerer aufeinanderliegender epitaktischer Schichten die npn- und pnp-Transistoren beide mit einer vertikalen Struktur ausgebildet werden, aber außer der Tatsache, daß die Bildung mehrerer epitaktischer Schichten eine erhebliche technologische Komplikation ergibt, treten durch die Ausdiffusion der auf verschiedenen Pegeln vorhandenen vergrabenen Schichten weitere Probleme auf.
Bei der nach dem aus der US-PS 37 66 446 bekannten Verfahren hergestellten Transistorstruktiir treten diese Probleme in viel geringerem Maße auf. Dabei werden die Abmessungen der Emitterzone und des aktiven Hasisgcbietes durch ein übliches Photo-Ätzverfahren bestimmt. Es ist dabei aber schwierig, aktive Basisgebie-Ie mit sehr kleiner Breite reproduzierbar zu erzeugen.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren eingangs beschriebener Art zu schaffen, mit dem auch sehr kleine
Abmessungen des aktiven Basisgebietes und der Emitterzone in Richtung vom Basiskontaktgebiet bis zum Kollektorkontaktgebiet reproduzierbar und ohne aufwendige Ausricht- und Maskierungsschritte realisiert werden können. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs I angegebenen Merkmale gelöst.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Beim erfmdungsgemäOen Verfahren werden die Abmessungen des aktiven Basisgebietes und der Emitterzone in seitlicher Richtung durch einen Unterätzschritt bestimmt, die genau kontrollierbar ist und beliebig klein gemacht werden kann.
Eine erfindungsgemäß hergestellte Halbleiteranordnung enthält einen lateralen Transistor, der imstande ist, bei hohen Frequenzen befriedigend zu arbeiten, in dem die Breite des aktiven Basisgebietes, von dem Emitter zu dem Kollektor gerechnet, sehr klein gemacht werden kann, wodurch der Unterschied in der Laufzeit der von den verschiedenen Punkten des Emitters aus injizierten Ladungsträger zu dem Kollektorkontaktgebiet klein gehalten werden kann. Daher ist vorzugsweise die Breite des aktiven Basisgebietes, von dem Basiskontaktgebiet zu dem Kollektorkontaktgebiet gemessen, höchstens gleich dem Mindestabstand zwischen dem aktiven Basisgebiet und dem Kollektorkontaktgebiet und vorzugsweise höchstens gleich der Hälfte dieses Abstandes. Die praktisch homogen dotierte Halbleiterschicht kann vom ersten Leitungstyp sein. Bei einer sehr wichtigen bevorzugten Ausführungsform ist aber diese Halbleiterschicht vom zweiten Leitungstyp. Dies ermöglicht es nämiich, in der genannten Halbleiterschicht sowohl Hochfrequenz-npn- als auch -pnp-Transistoren anzuordnen, wobei die Halbleiterschicht die Kollektorzone des vertikalen Transistors bildet. Um eine befriedigende Wirkung bei sehr hoher Frequenz zu ermöglichen, ist es weiter erwünscht. daB der Mindestabstand des Kollektorkontaktgebietes von dem aktiven Basisgebi^t derart gering ist. daß sich die Erschöpfungszone des Kollektor-Basis-Übergangs über das ganze zwischenliegende praktisch homogen dotierte Halbleitergebiet erstreckt. Die sehr geringe Dicke des (praktisch nicht verarmten) aktiven Basisgebietes ist dann für die erreichbare Frequenz entscheidend.
Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen
Fig.) bis 10 aufeinanderfolgende Stufen der Herstellung einer Halbleiteranordnung unter Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens und
Fig. H bis 15 aufeinanderfolgende Stufen der Herstellung gemäß einer Abwandlung des Verfahrens nach der Erfindung.
Die Figuren sind schematisch und nicht maßstäblich gezeichnet. Entsprechende Teile sind in der Regel mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet.
Der Deutlichkeit halber ist in den meisten Fällen die Begrenzung dotierter, insbesondere liilfundierter Gebiete nicht der Wirklichkeit gemäß, sondern rein schematisch dargsstellt. Namentlich ist dabei die laterale Diffusion in den Zeichnungen vernachlässigt.
Bei dem im folgenden beschriebenen Ausfühningsbcispiel wird von der Struktur nach F i g. 1 mit einem p-leitenden Substrat 9 und einer nleitenden Schicht 7 ausgegangen.
In den Figuren sinr1 nur die Transistoren T\ und 7? dargestellt; weitere Schaltungselemente können sich an
anderen Stellen der Scheibe befinden.
Auf der Oberfläche 2 werden nacheinander eine Siliziumnitridschicht 31 und eine SiliziumoxidschicKi 32 aufeinander gebildet. Diese Schichten können bekanntlich selektiv in bezug aufeinander mit besonderen Ätzmitteln geätzt werden. Auch können Maskierungsschichten aus anderen Materialien verwendet werder., vorausgesetzt, daß diese selektiv in bezug aufeinander geätzt werden können.
An der Stelle des Basiskontaktgebietes SA, einschließlich des noch zu bildenden Teiles 5fl desselben, wird eine erste öffnung 33 und an der Stelle des zu bildenden Kollektorkontaktgebietes des pnp-Transistors T] wird eine zweite öffnung 34 in der zweiten Maskierungsschicht 32 aus Siliziumoxid vorgesehen. Zu gleicher Zeit werden öffnungen an den Stellen der zu bildenden Kollektorkontaktfenster des npn-Transistors 7i und der Basiszone dieses Transistors vorgesehen (siehe Fig. 1). Dann wird innerhalb der ersten öffnung
33 die freiliegende erste Maskierungsschicht 31 aus Siliziumnitrid durch Ätzen entfeint, wobei die erste Maskierungsschicht 31 innerhalb der zweiten öffnung
34 gegen diesen Ätzvorgang z. B. mittels einer Photolackmaske 35 maskiert wird, die in diesem Beispiel alle Öffnungen, ausgenommen 33, abdeckt (siehe F i g 2 und j), wonach (siehe F i g. 3) durch Einführung eines Donators über die öffnung 33 der an die Oberfläche angrenzende Teil 5fl des Basiskontaktgebietes weiter gebildet wird. Dies kann z. B. durch Implantation von Borionen erfolgen, wobei die Maske 35 und die Oxidschicht 32 als Maske dienen, aber es kann erwünschtenfalls auch durch Diffusion erfolgen, wobei dann zunächst die Maske 35 entfernt werden muß. Wenn die Schicht 7 dünn ist, kann das Basiskontaktgebiet 5 in dieser Stufe auch vollständig bis auf der vergrabenen Schicht 8 angeordnet werden, aber bei etwas dickeren Schichten ist es wünschenswert, das Gebiet 5 in zwei Schritten zu bilden, wie in diesem Beispiel angegeben ist.
Nach Entfernung der Photolackmaske 35 wird durch thermische Oxidation auf dem Basiskontaktgebiet eine isolierschicht 36 gebildet, die etwa 1 μπι dick ist und zum Teil in den Körper versenkt ist, wobei der übrige Teil der Halbleiteroberfläche vor dieser Oxidation durch die Siliziumnitridschicht 31 geschützt wird (siehe F i g. 4).
Bevor nun das aktive Basisgebiet 4 gebildet wird, wird wenigstens der Randteil der Maskierungsschichten 31 und 32, der der zweiten Öffnung 34 am nächsten liegt, einem Ätzmittel, in diesem Falle Phosphorsäure, bei etwa 1500C ausgesetzt, das das Siliziumnitrid 31 angreift, aber die Oxidschicht 32 praktisch nicht angreift (siehe Fig.5). Die Nitridschicht 31 wird dabei über einen seitlichen Abstand weggeätzt, der kleiner als die Haffte und in diesem Beispiel kleiner als ein Drittel des Mindestabstandes zwischen der ersten und der zweiten öffnung 33 und 34 ist. Während dieses Ätzvorgangs ist die Schicht 31 auf der Oberseite durch eine darauf liegende, sich bis zum Rande der ersten öffnung 33 erstreckende, durch die Schicht 32 gebildete Maske maskiert. Durch Unterätzung wird ein Teil der Schicht 31 mit einer Breite von etwa I um entfernt, der in F i g. 5 mit 37 bezeichnet ist. In diesem Beispiel wild zu gleicher Zeit die Nitridschicht 31 innerhalb der zweiten öffnung 34 und innerhalb der Kontaktfenster und des Basisfensters des npn-Tnnsistors 7Ί weggeätzt. Dabei tritt naturgemäß eine gleiche Unterätzung auf, die aber in der Figur der Deutlichkeit halber nicht angegeben ist und die bei der Bemessung der Masken berücksichtigt
wird. Fs ist aber auch möglich, diese anderen Öffnungen zunächst zu maskieren und erst spiitcr in einem /weiten Nitridätzschritt freizuätzen.
Dann wird über den unter dem weggeätzten Teil 37 liegenden Obei flächenteil durch Einführung eines Akzeptors das aktive Basisgebiet 4 gebildet (siehe Fig. 6). Dies erfolgt im vorliegenden Beispiel dadurch, daß zunächst die Oxidschicht 32 völlig entfernt wird, alle Öffnungen, mit Ausnahme des weggeätzten Teiles 37. mit einer Photolackschicht 38 abgedeckt und danach Arsenionen implantiert werden. Die Dotierung des Gebietes 4 kann jedoch auch durch Diffusion stattfinden, wobei dann statt einer Photolackmaske z. B. eine aus einer pyrolytisch niedergeschlagenen Oxidschicht bestehende Maske verwendet v/erden soll und die Schicht 32 erwünschtenfalls vorläufig beibehalten werden kann.
Danach wird, wie in F i g. 7 angegeben ist, die Basiszone !3 des mn Traii'.i'.icr', durch "i-" i«.™u„.„ tion von Borionen und bei Anwendung der Nitridschicht 31 als Maske gebildet, wobei die übrigen öffnungen von einer Photolackmaske 39 oder auf andere Weise abgedeckt werden, wonach über das Ganze eine pyrolytisch niedergeschlagene Schicht 40 aus Siliziumoxid abgelagert wird (siehe F i g. 8). Über ein Fenster in dieser Schicht 40 wird die n-leitencle Emitterzone 12 des npn-Transistors T1 z. B. durch eine Arsenimplantation oder -diffusion gebildet. Die Schicht 40 wird nun mit Basiskontaktfenstern für den npn-Transistor T2 versehen und von dem ganzen Gebiet des pnp-Transistors 71 entfernt, während in die Isolierschicht 36 ein Basiskontaktfenster für den Transistor Γι geätzt wird. Dieses Basiskontaktfenster, das Emitterfenster des Transistors 7"> und der nicht für die Bildung der Emitterzone bestimmte Teil des aktiven Basisgebietes 4 werden dann mittels einer Photolackmaske 41 verschlossen (siehe F i g. 9), wonach durch Einführung eines Akzeptors über den durch die obenbeschriebene Unterätzung erhaltenen Oberflächenteil und über die zweite öffnung 34 die Emitterzone 3 und das Kollektorkontaktgebiet 6 des pnp-Transistors T, gebildet werden, was in diesem Beispiel durch Implantation von Boricnen erfolgt. Auch diese Dotierung kann erwünschtenfalls durch Diffusion stattfinden, vorausgesetzt, daß statt der Photolackmaske 41 eine hitzebeständige Maske verwendet wird. Zugleich mit dieser Dotierung werden die Basiskontaktzonen 28 und 29 des npn-Transistors T2 gebildet (siehe F i g. 9). Nach Entfernung der Maske 41 und Entfernung der Oxidschicht 40 von dem Kollektorkontaktfenster des npn-Transistors T2 wird die Metallisierung durchgeführt und die Anordnung ist für die Fertigmontage bereit (siehe Fig. 10).
In diesem Beispiel wurde durch Unterätzung der Nitridschicht 31 das Dotierungsfenster für die Gebiete 3 und 4 erhalten. Nach einer Abwandlung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann jedoch statt dessen auch die zweite Maskierungsschicht, d. h. im vorliegenden Beispiel die Oxidschicht 32, für die Umerätzung verwendet werden. Dies ist anhand F i g. 11 bis 15 dargestellt, in denen der Einfachheit halber nur die η-Typ Halbleiterschicht 7 und der darin angeordnete Transistor T-dargestellt sind. Nach dieser Abwandlung wird z. B. nach dem Ätzen der ersten und der zweiten öffnung 33 und 34 in die Oxidschicht 32 an den Stellen der zu bildenden Basis- und Kollektorkontaktgebiete zunächst nur in der ersten öffnung 33 die Nilridschichi 31 weggeätzt, wonach eine Photolackmaske 50 erzeugt
wird, die sich bis zu dem Rand der ersten Öffnung 3 3 erstreckt und in diesem Beispiel auf tier von tier Öffnung 54 abgekehrten Seite einen Teil dieses k„ndes bedeckt (siehe fig. II). Dann wird ein Teil 51 der Mnskicrungv siliicht 32 unter dem Rand der Maske 50 weggeätzt (siehe F ι g. 12). wonach die Maske 50 entfernt und in der Öffnung 33. z.B. durch Ionenimplantation oder Diffusion, das Basiskontaktgebiet 5 unter Verwendung der Siliziumnitridschicht 31 als Maske gebildet wird, wobei oder wonach dieses Basiskontaklgebiet 5 mit einer Isolierschicht 52. /. B. einer Siliziumoxidschicht, überzogen wird (siehe I ig. IJ).
Die Öffnung 34 wird nun z. B. mit einer Phoiolackmaske 53 abgedeckt und mittels einer heißen Phosphorsäurelösung wird das freiliegende Siliziumnitrid weggeatzt, wonach (siehe Fig. 14) das aktive Basisgebiet 4 implantiert wird. Nach Entfernung der Maske 53 werden dann das Kollektorkontaktgebiet 6 und die
Metallisierung kann die Anordnung fertigmontiert werden.
Wie im vorhergehenden Beispiel können auch hier die Zonen 3 und 6 vom p-Typ und die Gebiete 4 und 5 vom η-Typ sein, wodurch ein pnp-Transistor erhalten wird. Es dürfte aber einleuchten, daß auf analoge Weise auch ein npn-Transistor gebildet werden kann. Im allgemeinen gilt überhaupt, daß in allen Beispielen die Leitur.^stypen der unterschiedlichen Halbleitergebiete und -zonen alle (zu gleicher Zeit) in die entgegengesetzten Leitungstypen umgewandelt werden können, obgleich dies in der Praxis mcnchmal technologische Probleme ergeben kann.
In diesem Zusammenhang sei noch bemerkt, daß in den beschriebenen Beispielen außerdem bei übrigens gleichbleibenden Leitungstypen der Leitungstyp der Schicht 7 umgekehrt werden kann. So wird in den pnp-Transistoren der Fig. 10 und 15 der Kollektor-Basis-Übergang zwischen dem p-leitenden Kollektorkontaktgebiet 6 (das in diesem Falle die ganze Kollektorzone bildet) und der Schicht 7 gebildet. Wenn in den genannten Figuren nach einer Weiterbildung die Schicht 7 statt n-Ieitend p-leitend ist, wird der pn-Übergang zwischen der Kollektor- und der Basiszone zwischen den η-leitenden Basisgebieten 4 und 5 und der p-leitenden Schicht 7 gebildet.
Bei Anwendung einer Transistorstruktur gleich der des Transistors T\ in einer monolithischen integrierten Schaltung wird die Schicht 7 im allgemeinen n-leitend und das Substrat 9 p-leitend sein. Es ist aber auch möglich, daß die Schicht 7 und das Substrat 9 beide vom gleichen Leitungstyp sind oder daß die Schicht . durch eine homogen dotierte Siliziumscheibe gebildet wird. In diesem Falle ist die vergrabene Schicht 8 in der Regel überflüssig.
Erwünschtenfails können auch andere Halbleitermaterialien als Silizium, z. B. Germanium oder III-V-Verbindungen. wie GaAs, und für die Isolierschichten andere Materialien als Siliziumoxid und Siliziumnitrid, ζ. B. Aluminiumoxid, verwendet werden, vorausgesetzt, daß die Anforderungen in bezug auf die selektive Ätzbarkeit erfüllt werden. Auch können statt Photolackmasken andere Maskierungsschichten verwendet werden. Die Geometrie der erhaltenen Anordnungen kann innerhalb weiter Grenzen geändert werden, wie bereits aus dem Vergleich des Transistors Ti nach F i g. i 0 mit dem Transistor nach F i g. i 5 hervorgeht.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:
1. Verfahren zum Herstellen einer Halbleiteranordnung mit einem Bipolartransistor, bei dem in einer praktisch homogen dotierten Halbleiterschicht s ein an die Oberfläche angrenzendes hochdotiertes Basiskontaktgebiet vom ersten Leitungstyp gebildet wird, bei dem ferner die Oberfläche mit einer ersten isolierenden und einer darauf liegenden zweiten Maskierungsschicht, die aus einem anderen Material m als die erste Schicht besteht, versehen wird, bei dem in der zweiten Maskierungsschicht nebeneinander eine wenigstens teilweise an der Stelle des Basiskontaktgebiets liegende erste und eine zweite Öffnung geätzt werden, und durch weiteres Ätzen w ein erster und ein zweiter Oberflächenteil freigelegt werden, bei dem bei maskiertem zweitem Oberflächenteil im ersten Oberflächenteil ein an das Basiskontaktgebiet angrenzendes, niedriger als dieses dotiertes und weniger tiefes aktives Basisgebiet des ersten Leitungstyps, und dann in beiden Oberflächenteilen gleichzeitig eine Emitterzone bzw. ein Kollektorkontaktgebiet des zweiten Leitungstyps gebildet werden, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Ätzen der zweiten Maskierungsschicht (32) die erste Maskierungsschicht (31) innerhalb der zweiten Öffnung (34) maskiert und innerhalb der ersten Öffnung (33) durch Ätzen selektiv entfernt wird, daß durch Einführen von Dotierungsstoff über die erste hi Öffnung (33) wenigstens ein Teil des Basiskontaktgebietes (5, bd) gebildet und anschließend mit einer Isolierschicht (36, 52* überzegen wird, daß vor der Bildung des aktiven Btsisgebietes (4) innerhalb der ersten Öffnung (33) wenigste is der Randteil der ss Maskierungsschichten (31, 32), der der zweiten Öffnung (34) am nächsten liegt, einem Ätzmittel, das nur eine der Maskierungsschichten angreift, ausgesetzt wird, wobei die angegriffene Maskierungsschicht auf ihrer Oberseite maskiert und seitlich über einen Teil (37, 51) unterätzt wird, und unter diesem Teil (37, 51) der erwähnte erste, und unter der zweiten Öffnung (34) der erwähnte zweite Oberflächenteil freigelegt werden, wobei die auf dem Basiskontaktgebiet gebildete Isolierschicht (36, 52) wenigstens teilweise beibehalten bleibt.
2. Verfahren nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß die erste Maskierungsschicht (31) seitlich unterätzt und gleichzeitig innerhalb der zweiten Öffnung (34) entfernt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die seitlich unterätzte Maskierungsschicht die zweite Maskierungsschicht (32) ist. daß das Basiskontaktgebiet (5) nach dem Unterätzen erzeugt wird, und dann die unter dem unterätzten « Teil (51) und innerhalb der zweiten Öffnung liegenden Teile der ersten Maskierungsschicht (3J) entfernt werden.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Maskiefungsschicht (31) aus Siliciumnitrid Und die aweite Maskierungsschicht (32) aus Siliciumoxid besteht.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolier- <-"> schicht (36, 52) aus thermisch erzeugtem Siliciumoxid besteht.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterschicht (7) vom ersten Leitungstyp und niedriger als das aktive Basisgebiet (4) dotiert ist.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterschicht (7) vom zweiten Leitungstyp und niedriger als das Kollektorkontaktgebiet (6) dotiert ist,
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand, über den die Maskierungsschicht seitlich unterätzt wird, kleiner als die Hälfte, vorzugsweise kleiner als ein Drittel des Mindestabstandes zwischen der ersten (33) und der zweiten Öffnung (34), ist.
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