DE1564136A1

DE1564136A1 - Verfahren zum Herstellen von Halbleiterbauelementen

Info

Publication number: DE1564136A1
Application number: DE19661564136
Authority: DE
Inventors: Dill Jun Frederick Hayes
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1965-03-31
Filing date: 1966-03-24
Publication date: 1969-09-25
Also published as: SE319836B; US3579814A; CH446537A; GB1061506A; DE1564136B2; DE1564136C3; NL6602298A

Description

H. E. Böhmer, Patentanwalt, 7030"Böblingeri/Württ. ,Sindelfinger Str. TeL)S (Q7031) 661/3040

Anmelderin:

Amtl. Aktenz.:
Aktenz. d. Anm.

International Business Machines Corporation, Armonk 10 504, N. Y.

Neuanmeldung
Docket 10 814,

Böblingen, 22. März 1966 si-sz

Verfahren zum Herstellen von Halbleiterbauelementen

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Halbleiterbauelementen, insbesondere von Transistoren sowie auf die mittels dieses VerfahreiB herstellbare verbesserte Transistorstrukturen. Das vorliegende Verfahren ist auch zur Herstellung integrierter bzw. mikrominiaturisierter Halbleiter-Vorrichtungen verwendbar.

Fortschritte der Halbleitertechnik führten zur Entwicklung eines Verfahrens zur Herstellung von Hochfrequenztransistoren, welche charakteristi-

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scherweise Abmessungen in der Größenordnung von 2, 5 . 10 mm aufweisen. Bei derartigen Transistorstrukturen bleibt lediglich ein sciir begrenzter Flächenanteil der Basis des Transistors von außen zugänglich, so daß die Kontaktierung dieser Elektrode außerordentlich schwierig zu bewerkstelligen ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Ilerstellungsverfaliren von Halbleiterbauelementen mit sehr kleinen Abmessungen aufzuzeigen, wobei insbesondere den oben genannten Kontaktierungsschwierigkeiten besondere Aufmerksamkeit

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zuzuwenden ist.

In der sog. Planar-Technik für die Herstellung von Halbleiterbauelementen, wie Transistoren usw., werden die für die Arbeitsweise wesentlichen Übergänge durch wechselweise Verfahrensschritte, wie Diffusion verschiedener Dotierungsmaterialien durch eine oder mehrere Masken hindurch hergestellt und die so erstellten Übergänge werden an den Stellen, an denen sie an die Oberfläche des Halbleiterkörprs treten, mittels der genannten Masken geschützt. Die genannte Planar-Technik besitzt die unerwünschte Einschränkung, daß der Basiskontakt zwischen verschiedenen Maskenteilen angebracht werden muß, welche oberhalb der jeweiligen Emitter- bzw. Kollektor-Übergänge an der Oberfläche des Halbleiterkörpers gelegen sind. Die vorliegende Erfindung vermeidet den genannten Nachteil dadurch, daß eine Basiskontaktschicht vorgesehen wird, welche völlig oberhalb der ursprünglich exponierten Flächenteile der Basiszone auf der Oberfläche des Ilalbleiterkörpers angeordnet ist. Die Emitter-Elektrode wird erst danach gebildet, so daß sie von der Basiskontaktschicht durch einen isolierenden Film völlig getrennt ist.

Das Verfahren der vorliegenden Erfindung ist gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

1.) Aufbringen einer ersten Schicht aus isolierendem Maskierungsmaterial auf das Ausgangsplättchen aus Halbleitermaterial;

2.) Offenlegung eines Teilgebietes der Oberfläche des Ausgangs plättchens durch Erstellung eines Durchbruchs in dem Maskierungsmaterial;

3) Herstellen einer Zone innerhalb des Ausgangsplättchens mit einem zu dessen Material entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp durch Eindiffundieren von Dotierungsmaterial durch die unter 2.) erzeugten Öffnungen;

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4.) Aufbringen einer zur Kontaktierung dienenden metallisch leitenden Schicht auf die gesamte Oberfläche der bisher erstellten Halbleiterstruktur;

5.) Herstellung von mindestens einem Durchbruch innerhalb desjenigen Bereiches der unter 4.) gebildeten Metallschicht, der sich oberhalb der Zone mit im Vergleich zum Material des Ausgangsplättchens entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp befindet;

6.) Aufbringen einer zweiten isolierenden Schicht auf die gesamte Oberfläche der unter 4.) erstellten Metallschicht;

7.) Einbringen einer.epitaktischen Schicht von Halbleitermaterial mit dem Leitfähigkeitstyp des Materials des Ausgangsplättchens innerhalb der unter 5.) erstellten Durchbrüche;

8.) Aufbringen einer kontaktierenden Metallschicht auf die unter 7.) erzeugte letzte Halbleiterschicht; sowie

9.) Anbringen von Zuführungen an die Kontaktierungen des Kollektors und des Emitters und durch die zweite isolierende Schicht hindurch an die Basiskontaktierung.

Die wesentlichen Eigenschaften und Vorteile der erfindungsgemäß gefertigtenHalblererbauelemente hängen mit der Tatsache zusammen, daß der Basiskontakt von dem Emitter getrennt ist durch einen Abstand, welcher gegeben ist durch die Dicke der verwendeten isolierenden dünnen Schicht. Sie sind viel weniger als bisher an die Erfordernisse geknüpft, die an dio Präzision der Maske bzw. deren Justierung gestellt werden. Es ergibt sich «mit die Möglichkeit, den Abstand zwischen Emitter- und Basiskontakt um eine Größenordnung zu reduzieren, und zwar von einer Größe von etwa 5/>t (was bisher in den besten Fällen erreicht werden konnte) bis auf 0, 2 ,U. oder weniger. Hieraus resultiert eine sehr starke Reduzierung des sog.

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äußeren Basiswiderstandes. Außerdem wird die Größe des Emitterübergangs festgelegt durch die Größe eines Durchbruches, welcher in einen Film unmittelbar nach dessen Erstellung geätzt wird, wobei die Notwendigkeit später durchzuführender Erstellung von Durchbrüchen oder Löchern in der schützenden Abdeckschicht entfällt. Dies bietet die Möglichkeit, die Emitter-Öffnungen in Form einer Reihe von kleinen Punkten oder schmalen Linien zu erstellen und dies wiederum erniedrigt den Basiswiderstand zusätzlich und ermöglicht schmale Emitter-Öffnungen (2,5* 10" ^mm), so daß Spannungsabfalle infolge einer Konzentration des Emitterstromes an den Ecken des Emitter-Übergangs in unmittelbarer Nähe des Basiskontaktes nicht ins Gewicht fallen. Weitere Einzelheiten des Verfahrens nach der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung sowie aus den beigefügten Figuren hervor.

In den Figuren bedeuten:

Fig. 1 einen Seitenschnitt einer Transistorstruktur entsprechend

einem bevorzugten Ausfühiiingsbeispiel der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2A-2D Seitenschnitte der gleichen Transistorstuktur nach jeweils verschiedenen Verfahrensschritten.

Die in Fig. 1 gezeigte Transistorstruktur kann als ein z. B. von einem großen Germaniumplättchen abgetrenntes Segment bzw. im Fall einer aus einer Mehrzahl von gleichartigen Strukturen zusammengesetzten monolithischen Halbleitervorrichtung als eine elementare Einheit der Gesamtanordhung angesehen werden. Für das Ausgangssubstrat 2 wird stark N-leitendes Material gewählt, was symbolisch durch N angedeutet ist. Unmittelbar hieran anschließend befindet sich die Zone 3, welche aus einer dünnen Schicht besteht. Diese wird durch epitaktisches Niederschlagen auf das Substrat 2 aufgebracht und ist ebenfalls N· leitend, besitzt jedoch eine geringere Dotierungskonzentration. s

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Teile der bisher beschriebenen Struktur sind den Halbleitertechnikern als Epitaxialtransistor bekannt. Die Zone 3 wurde teilweise zum entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp, in diesem Fall zum p-Leitfähigkeitstyp umdotiert. Diese Zone 4 bildet in einem Ausführungsbeispiel die Baäselektrode des Transistors. Die erste isolierende Schicht 5 besteht aus einem geeigneten Isolator, vorzugsweise aus einer aufzubringenden Oxydschicht, z. B. aus Siliziumoxyd, welche gleichzeitig auch als Masken- und Schutzmaterial wirkt. Die .Emitter-Elektrode 6 der Transistorstruktur 1 steht mit der Basiszone 4 in Verbindung undist von der Basiskontaktschicht 7 durch eine zweite isolierende dünne Schicht getrennt, welche nach einem später beschriebenen Verfahren erzeugt wird. Eine metallische Schicht 9 wird auf die Gesamtstruktur aufgebracht und .dient zur Kontaktierung des Emitters 6. Sie erstreckt sich oberhalb der isolierenden Schichten 8 und 5. Ein ohmscher Kontakt 10 ist auf dem Substrat 2 als Kollektorzuführung aufgebracht. Ein Durchbruch 11 durch die Schicht 8 ist als Zuführung zur Basiskontaktschicht 7 vorgesehen. Nach den Fig. 2A bis 2D entspre chen die verschiedenen Fertigungszustände weitgehend der in Fig_f 1 dargestellten Struktur. In den genannten Figuren wurde die Struktur vereinfacht dargestellt und lediglich ein N-leilendes Substrat ohne eine zusätzliche epitaktische Schicht berücksichtigt.

Die in der Fig. 2A gezeigte Struktur weist eine Oxydschicht 22 auf, welche mittels einer Maske auf dem Halbleiterplättchen 21 aufgebracht wurde, wobei diese Maske mit einem Durchbruch 23 versehen ist. Die Oxydschicht besteht vorzugsweise aus Siliziumoxyd und man kennt in der Halbleitertechnik viele Verfahren zur Fertigung einer solchen Schicht; beispielsweise kann die Beschichtung durch Aufdampfen auf das Halbleiterplättchen oder durch pyrolytische Zersetzung von Äthyl-Silikat-Dampf auf die Oberfläche einer kristallinen Unterlage erzeugt werden. Die Entfernung der Oxydschicht Im Gebiete des Durchbruches· 23 kann mittels eines

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Fotoresistverfahrens durchgeführt werden, welches den Halbleiter-Fach-. leuten wohlbekannt ist. Die PrLeitfähigkeit aufweisende Zone 24 wird auf • dem Plättchen 21 beispielsweise durch Diffusion eines Akzeptordot ie rungsmaterials durch die Öffnung 23 hindurch gebildet, wobei eine hinreichende Aufheizung des Plättchens auf eine geeignete Temperatur durchgeführt werden muß. Ein Übergang 25 ist festgelegt durch die Zonen entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps 21 und 24. Es sei angemerkt, daß in dem bevorzugten Fall, in dem lediglich der Emitter epitaktisch hergestellt wird, die Dicke des Basisgebietes 24 der endgültigen Dicke dieses Gebietes entspricht.

In Fig. 2B ist die Hinzufügung einer Basiskontaktschicht 26 gezeigt, welche auf die Oxydschicht 22 sowie am äußeren Rand der ursprünglichen Öffnung aufgebracht wird. Diese Kontaktschicht wird typischerweise auf das HaIbleiterplättchen aufgedampft. Sie besteht aus einem Material, welches zwei Erforderniessen genügt:

1. Das Material muß in der Lage sein, mit der Basis eine gute ohmsche Kontaktierung abzugeben; .

2. Das Material muß so beschaffen sein, daß ein durch anodische Oxydation gebildeter Film oder irgendeine andere stabile isolierende dünne Schicht auf der Oberfläche gebildet werden kann. Aluminium ist ein für den genannten Zweck geeignetes Material. Andere geeignete Materialien umschließen Tantal, Nickel und Zinn.

Die Basiskontaktschicht 26 wird dann mittels eines Fotoresistverfahrens geätzt, um

1. die B as is kontaktfläche äußerlich einschließlich des sich auf der

Silizium-Oxydschicht ausdehnenden Zuführungsweges abzugrenzen, und

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2. kleine punktförmige oder streifenförmige Durchbrüche herzustellen,

durch die hindurch das Emittergebiet gebildet wird. In der Fig. 2B sind die so durch Ätzung erzeugten Durchbrüche 27 zur Aufbringung des Emittermaterials gezeigt.

Obwohl eine Mehrzahlvon Emitter-Durchbrüchen 27 gezeigt wurde, ist es doch klar, daß auch ein einziger Durchbruch zur Niederschlagung des Emitters ausreicht.

Nach Herstellung des Emitter-Durchbruches 27 innerhalb der Aluminiumschicht für den Basiskontakt 26 besitzt die Aluminiumschicht eine weitere isolierende dünne Schicht 28 auf ihrer Oberfläche. Diese dünne Schicht 29 ist auf der Aluminiumoberfläche durch eine spezielle Behandlung herstellbar, z. B. durch anodische Oxydationcder durch eine Wärmebehandlung innerhalb einer Wasserstoffgas und Wasserdampf enthaltenden Atmosphäre.

Durch die genannten Maßnahmen wird eine stabile isolierende Aluminiumoxydschicht auf dem Aluminium abgelagert, was in Fig. 2C gezeigt ist.

Nach Herstellung der dünnen isolierenden Schicht 28 wird eine dünne epitaktische, N-leitende Schicht aufgebracht, wobei das Siliziumoxyd sowie das , anodisch oxydierte Aluminium als Maskierungsmaterial verwendet wird. Diese epitaktische dünne Schicht wird vorzugsweise mittels einer der bekannten Dampfzüchtungsmethoden erzeugt, beispielsweise mittels einer Halogen-Aufdampftechnik. Diese epitaktische dünne Schicht ist in Fig. 2D mit 29 bezeichnet. Sie durchsetzt die Durchbrtthe innerhalb der Aluminiumschicht und die Aufdampfung wird, sofern gewünscht, solange fortgesetzt, bis der Raum zwischen den Emitteröffnungen 27 ausgefüllt ist. Dieser Verfahrensschritt erzeugt eine Emitterzone, welche von dem Basiskontakt durch eine dünne isolierende Schicht aus Aluminiumoxyd von einigen 100 AE bis

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einigen 1000 AE isoliert ist.

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Bei einer andere gearteten Anordnung wird die Aluminium-Basis kontaktschicht 26 zuerst mit einer zusätzlichen Siliziumoxydschicht bedeckt und zwar bevor der im Vorstehenden geschilderte Verfahrensschritt des Ätzens durchgeführt wird. Die mittels eines Fotoresistverfahrens durchgeführte Ätzung wird dann ausgeführt, wobei die Ätzung durch beide Filme hindurch erfolgt und die zweite Siliziumoxydschicht oberhalb der Aluminiumschicht verbleibt, wodurch eine bessere Isolation, eine bessere Maskierung bezüglich der Aufdampfung, sowie eine niedrigere Kapazität sichergestellt wird. Bei dieser Anordnung benötigen lediglich die exponierten Ecken der Aluminiumschicht 26 einen Überzug mittels einer isolierenden Schicht. Diese kann sehr dünn ausgeführt werden, ohne daß eine extreme Kapazitätserhöhung befürchtet werden müßte. Ein weiteres Verfahren zur Herstellung einer solchen Struktur geht von einem mit Siliziumoxyd bedeckten Bpsiskontakt aus. (In diesem Fall ist das diffundierte Basisgebiet schmäler als die endgültige Basisdicke). Nach Offenlegung der Emitterdurchbrüche im Basiskontakt und nach Aufbringung des Oxyds wird ein epitaktischer Niederschlag erzeugt, wobei die Erstreckung des Basisgebietes durch die Durchbrüche hindurch erfolgt und die nicht isolierten Ecken des Basiskontaktes abgeschlossen werden. Die Emitterzone wird dann wie in dem vorgehenden Ausführungsbeispiel epitaktisch niedergeschlagen. Dieses Herstellungsverfahren erlaubt die Anwendung einer größeren Zahl von Materialien zur Herstellung des Basiskontaktes, als dies in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Fall ist, da die Notwendigkeit der Erstellung einer isolierenden Schicht oberhalb des Metalles entfällt. Es ist außerdem leichter, eine etwa erfordeii iche Legierung des Basiskontaktes durchzuführen, wodurch dessen elektrische Eigenschaften verbessert werden.

Zur Vereinfachung wurde die im Vorstehenden beschriebene Erfindung, insbesondere in Verbindung mit einer einzelnen Transistorstruktur beschrieben. Es wird aber darauf hingewiesen, daß die Grundgedanken der vorliegenden

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Erfindung leicht auch auf die Herstellung von Integrierten Anordnungen von Transistorvorrichtungen geringen Raumbedarfs angewendet werden

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können, so daß z. B. auch unter Zugrundelegung des Erfindungsgedankens vollständige logische Transistorschaltungen erstellt werden können. Das einzige zusätzliche Erfordernis besteht in diesem Fall darin, daß geeignete Schaltverbindungen auf der Matrix oder auf dem Substrat zwischen den verschiedenen Kontaktläufen der einzelnen oben beschriebenen Einheiten hergestellt werden müssen.

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Claims

Docket 10 814

PATENTANSPRÜCHE

Verfahren zur Herstellung von Halbleiterbauelementen, gekennzeichnet durch folgende sukzessive auszuführenden Verfahrensschritte:

l.y Aufbringen einer ersten Schicht aus isolierendem Maskierungsmaterial (5) auf das Ausgangsplättchen (2, 3) aus Halbleitermaterial;
2.) Offenlegung eines Teilgebietes der Oberfläche des Ausgangs plättchens durch Erstellung eines Durchbuches in dem Maskierungsmaterial;
3.) Herstellen einer Zone (4) innerhalb des Ausgangsplättchens mit einem zu dessen Material entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp durch Eindiffundieren von Dotierungsmaterial durch die unter 2.) erzeugten Öffnungen;
4.) Aufbringen einer zur Kontaktierung dienenden metallisch leitenden Schicht (7) auf die gesamte Oberfläche der bisher erstellten Halbleiterstruktur;
5.\- Herstellung von mindestens einem Durchbruch innerhalb desjenigen Bereiches der unter 4.) gebildeten Metallschicht, der sich oberhalb der Zone mit im Vergleich zum Material des Ausgangsplättchens entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp befindet;
6.) Aufbringen einer zweiten isolierenden Schicht (8) auf die gesamte Oberfläche der unter 4.) erstellten Metallschicht;

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7.) Einbringen einer epitaktischen Schicht (6) von Halbleitermaterial mit dem Leitfähigkeitstyp des "Materials des Ausgangsplättchens innerhalb der unter 5.) erstellen Durchbrüche;
8.) Aufbringen einer kontaktierenden Metallschicht (9) auf die unter 7.) erzeugte letzte Halbleiterschicht; sowie
9.) Anbringen von Zuführungen an die Kontaktierungen (10, 9) und durch die isolierende Schicht (8) hindurch an die Kontaktie rungs schicht

Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das den Kollektor darstellende Ausgangshalbleiterplättchen aus N-leitendem Germanium besteht und die zur Bildung der Basiszone eindiffundierte Halbleitersubstanz Akzeptormaterial ist.

Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die auf dem Halbleitermaterial aufgebrachte isolierende Schicht aus Siliziumoxyd, die kontaktierenden metallischen Schichten aus Aluminium und die auf diese aufgebrachten isolierenden Schichten aus Aluminiumoxyd bestehen.

Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß unter Vertauschung der Reihenfolge der Verfahrensschritte 5.) und 6.) das Aufbringen der isolierenden Schicht auf die metallische Basiskontaktierungsschicht unmittelbar nach deren Herstellung vorgenommen wird und daß die Durchbrüche zur späteren Aufnahme der Emitterzone durch Ätzung gleichzeitig in beiden Schichten erzeugt werden.

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