DE1564427C3 - Verfahren zum Herstellen eines Hochfrequenz-Transistors - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Hochfrequenz-Doppeldiffusions-Transistors nach dem Maskendiffusionsverfahren unter Anwendung von Siliciumoxidschichtmasken, bei dem eine plateauartige Erhebung auf einer Hauptoberfläche des Siliciumhalbleiterkörpers gebildet wird.

Anwendungsgebiet der Erfindung ist die Herstellung von Hochfrequenztransistoren für hohe Stromdichten.

Ein nach der Doppeldiffusionstechnik hergestelltes Halbleiterelement der Planarbauart besitzt bekanntlich günstige elektrische Kennlinien. Nach der USA.-Patentschrift 30 25 589 wird ein Planartransistor durch selektive Diffusion von Störatomen zur Bildung einer Basiszone innerhalb des Halbleiterkörpers, der als Kollektor dient, und durch weitere selektive Diffusion anderer Störatome zur Bildung einer Emitterzone innerhalb der Basiszone hergestellt. Während des Herstellungsganges diffundieren die während der zweiten Diffusionsbehandlung eindnngenden Störatome zur Bildung der Emitterzone nicht nur senkrecht zur Oberfläche des Halbleiterkörpers, sondern auch längs der Oberfläche, d. h. in radialer Richtung. Die Störstellenkonzentration und die Diffusionsdauer müssen unter Berücksichtigung dieser radialen Diffusion festgelegt werden. In jedem Fall steht die radiale Diffusion der Verminderung des Schichtenwiderstandes der Emitterzone und der Erhöhung der Emitterergiebigkeit bei der Injektion im Wege. Zur Steigerung der Emitterergiebigkeit erfolgt die Diffusion der zur Formierung der Emitterzone dienenden Störatome im allgemeinen mit der höchstmöglichen Konzentration. Damit wird die Diffusionsgeschwindigkeit innerhalb desjenigen Bereichs der Basiszone, der unmittelbar unterhalb der Emitterzone gelegen ist, größer, als in anderen Bereichen der Basiszone, so daß sich der Nachteil einer unebenen Kollektor-Basis-Sperrschicht ergibt. Weitere Nachteile eines herkömmlichen Doppeldiffusions-Transistors beruhen darauf, daß die Injektion von Minoritätsträgern aus demjenigen Teil des Emitter-Basisbereichs überwiegt, der nicht parallel zu der Oberfläche des Halbleiterkörpers verläuft. Damit konzentriert sich der Stromfluß auf diese Teile, und es ergibt sich eine Verlängerung der Laufzeit der Minoritätsträger innerhalb der Basis, wodurch die Grenzfrequenz des Transistors herabgesetzt wird. Diese Nachteile machen sich besonderes stark im Hochfrequenzbereich bemerkbar. Schließlich machen sich bei einem bekannten Transistor dieser Art im Hochfrequenzbereich die parasitären Kapazitäten nachteilig bemerkbar. Da für den Hochfrequenzbereich die Emitterfläche zur Erhöhung der Grenzfrequenz möglichst klein gemacht wird, wird die Kapazität der Kollektor-Basis-Sperrschicht größer. Besondere Schwierigkeiten bereitet infolge der kleinen Abmessungen der Anschluß der Anschlußdrähte unmittelbar an die Elektroden, so daß normalerweise Kontaktmetallelemente notwendig sind. Deren Kapazität trägt besonders zur Vergrößerung der Kapazität bei. Da die Sperrschichten alle in einer Oberfläche auslaufen, bereitet die genaue Aufbringung der Kontaktmetallelemente Schwierigkeiten.

Die deutsche Auslegeschrift 11 70 555 beschreibt ein Verfahren zum Herstellen eines Doppeldiffusions-Halbleiterelements, wo die Diffusion jeweils über den gesamten Bereich einer Oberfläche des Halbleiterelements wirksam ist. Dadurch erhält man aufeinanderliegende Schichten unterschiedlichen Leitungstyps. Es erfolgt sodann eine stufenweise Ätzung dieser Schichten, so daß die verschiedenen Schichten in Form abgestufter Erhebungen freiliegen. Dieses Verfahren führt zwar zur Ausbildung ebener Sperrschichten, jedoch ist die genaue Abtragung größerer Schichtbereiche bis zu einer genau vorgeschriebenen Tiefe recht schwierig und umständlich durchzuführen.

In dem älteren Patent 14 39 737 ist ein Verfahren der eingangs genannten Art unter Schutz gestellt. Dieses Verfahren führt zu einem Doppeldiffusions-Transistor, wo sich alle Sperrschichten innerhalb einer Erhebung befinden. Infolgedessen läßt es sich nicht vermeiden, daß mindestens die Emitter-Basis-Sperrschicht sehr stark von einem geradlinigen Verlauf abweicht. Die Emitterzone selbst im Zentrum des Mesaberges ist vergleichsweise klein, so daß sich auch für die Kontaktierung Schwierigkeiten ergeben.

Gegenstand des älteren Patentes 12 32 269 ist ein Verfahren zum Herstellen eines Doppeldiffusions-Transistors, bei dem zuerst die Emitterzone in einer mesaförmigen Erhebung eines Halbleiterkörpers hergestellt wird. Anschließend wird die Basiszone mit Hilfe der Oxidmaskentechnik in den Halbleiterkörper eindiffundiert.

Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens, das die Herstellung großer ebener Sperrschichten im Bereich und unterhalb der Erhebung erlaubt und ohne zusätzliche Nachbehandlung die jeweils notwendigen Leitungszonen für die Kontaktierung bereitstellt.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß für die Diffusion einer ersten Art vor; Störatomen zur Bildung der Basiszone innerhalb der

Oxidschicht eine die gesamte, etwa 0,4 μπι hohe plateauartige Erhebung sowie einen dieselbe umgebenden Bereich erfassende Aussparung gebildet wird, daß eine etwa 0,5 μπι tiefe Basiszone mit einer Störstellenkonzentration von etwa 3 · 10¹⁹Cm-³ erzeugt wird, deren Kollektor-Basis-Sperrschicht im wesentlichen parallel zur Oberfläche der Aussparung mit einem Steg unterhalb der Erhebung verläuft, daß danach für die Diffusion einer zweiten Art von Störatomen die Erhebung und der umgebende Bereich mit einer Oxidschicht unter Aussparung einer die Fläche der Erhebung umfassenden Öffnung versehen werden und daß schließlich eine zweite Diffusionsbehandlung zur Bildung der Emitterzone mit einer hohen Störstellenkonzentration von etwa 2 ■ 10²⁰cm~³ innerhalb der Erhebung durchgeführt wird, bei der eine ebene Emitter-Basis-Sperrschicht entsteht und die Kollektor-Basis-Sperrschicht unterhalb der Aussparung für die erste Diffusionsbehandlung ebenfalls in eine ebene Fläche unter Einebnung des Steges geformt wird.

Durch diese Verfahrensführung stellt man sicher, daß die Sperrschichten des fertigen Transistors unterhalb der Erhebung eben sind. Bei der Ausbildung der Emitterzone während der zweiten Diffusionsbehandlung tritt eine Verformung der Basis-Kollektor-Sperrschicht auf, so daß diese schließlich eben ist. Die Emitter-Basis-Sperrschicht erstreckt sich über den gesamten Querschnitt des Mesaberges. Da die verschiedenen Leitungszonen großflächige Oberflächen haben, steht genügend Raum für die Kontaktierung zur Verfügung.

Die Erfindung wird an Hand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert, in denen darstellen

F i g. 1 bis 7 Längsschnitte durch einen Transistorkörper zur Erläuterung der verschiedenen Stufen des Herstellungsverfahrens nach der Erfindung,

F i g. 8 den Transistor nach F i g. 7 im Grundriß.

Nunmehr soll das Ausführungsbeispiel der Erfindung an Hand der F i g. 1 bis 8 erläutert werden. Die Herstellung eines Transistors geht von einem Siliciumgrundkörper 9 mit η-Leitung aus, der einen spezifischen Widerstand von 1 Ω,οτη und eine plateauförmige Erhebung 10 mit den Maßen 50 ■ 4 μπι² aufweist (vgl. Fig. 1). ..

Die Erhebung 10 kann durch Ätzen, epitaktisches Aufwachsen oder durch Elektronenstrahlbehandlung erzeugt werden. Bei einem sehr kleinen für einen Ultrahochfrequenz-Transistor bestimmten Halbleiterkörper arbeitet man vorzugsweise mit Heißätzen in einer Wasserstoffchloridatmosphäre oder unter Ausnutzung der Differenz der Wachstumsgeschwindigkeit einer Siliciumoxidschutzschicht, was noch im einzelnen an Hand der Fig.9 bis 12 beschrieben wird. Die Abmessungen der Erhebung 10 hängen, wie noch im einzelnen dargelegt wird, von der gewünschten Größe der Emitterzone, der Tiefe der Emitterdiffusionsschicht und der Werte der Basis ab. Die Tiefe der Emitterzone beträgt beispielsweise 0,45 μπι. Infolgedessen muß die Erhebung 0,4 μπι hoch und entsprechend der gewünschten Fläche der Emitterzone dimensioniert sein.

In F i g. 1 ist ein Halbleiterkörper dargestellt, in den nur eine Emitterzone eingebracht werden soll. Entsprechend ist bei zwei oder mehreren Emittern die Anzahl der Erhebungen 10 entsprechend zu vergrößern.

Nach F i g. 2 wird dann diejenige Hauptoberfläche des η-leitenden Grundkörpers 9, auf der sich die Erhebung 10 befindet, mit einer Siliciumoxidschicht 11 in einer Dicke von 0,8 μπι bedeckt. Dies kann nach einer bekannten Verfahrensweise erfolgen, beispielsweise durch Vakuumbedampfung, thermische Niederschlagsbildung, ausgehend von einer organischen Siliciumverbindung, oder durch Wärmebehandlung des Grundkörpers 9 in einer oxydierenden Atmosphäre.

Nach Fig.3 wird dann in der Siliciumoxidschicht 11 ein Fenster 12 durch Photoätzung des die Erhebung 10 bedeckenden Bereichs gebildet, damit dann p-Störatome zur Erzeugung der Kollektor-Basis-Sperrschicht eindiffundiert werden können. Die Diffusion derselben erfolgt durch das Fenster 12, so daß die Basiszone 13 gebildet wird. Wenn man die Abmessungen des Fensters 12 zu 48-62 μπι², die Oberflächenkonzentration der p-Störatome zu 3 ■ 10¹⁹ cm-³ und die Tiefe der Basiszone zu 0,5 μπι wählt, führt die Diffusion der Störatome zu einem gegen die Oberfläche des Grundkörpers 9 hin aufragenden Steg 14 innerhalb desjenigen Bereichs der Kollektor-Basis-Sperrschicht, der unmittelbar unterhalb der Erhebung 10 liegt. Die Höhe dieses- Steges ist der Höhe der Erhebung gleich und beträgt damit 0,4 μπι.

Nunmehr wird die Emitter-Basis-Sperrschicht durch Diffusion von n-Störatomen gebildet. Dies erfolgt nach der sogenannten selektiven Diffusionstechnik, indem man den nicht für den Emitter benötigten Oberflächenbereich durch eine andere Siliciumoxidschicht überdeckt.

In Fig.4 ist eine neue Siliciumoxidschicht 15 im Bereich des Fensters 12 der F i g. 3 gezeigt. Diese Schicht kann in gleicher Weise, wie im Zusammenhang mit F i g. 2 beschrieben, erzeugt werden.

Nach F i g. 5 erhält die Siliciumoxidschicht 15 nach F i g. 4 durch Photoätzung ein Fenster 16 in den Abmessungen von 4 · 50 μπι² in Überdeckung der Oberfläche der Erhebung 10. Durch dieses Fenster werden N-Störatome zur Bildung einer Emitterzone 17 und einer Emitter-Basis-Sperrschicht 18 diffundiert. Während dieser Diffusionsstufe muß im allgemeinen ein genügender Anteil an Störatomen diffundiert werden, um den P-Leitungstyp der Basiszone aufzuheben. Deshalb arbeitet man normalerweise mit einer sehr hohen N-Störstellenkonzentration. Wenn die Oberflächenkonzentration der P-Störstellen 3 · 10¹⁹ cm-³ beträgt, wählt man als N-Konzentration einen Wert von 2 ■ 10²⁰ cm-³. Die Diffusion von Störstellen in so hoher Konzentration bedingt, wie bereits gesagt, eine Störung der Kristallstruktur, so daß die Diffusionsgeschwindigkeit der Störatome in der Nähe der Emitterzone größer als in anderen Bereichen ist. Gleichzeitig mit der Emitterdiffusionsbehandlung diffundieren somit die P-Störstellen innerhalb des Basisbereichs unmittelbar unterhalb der Emitterzone um eine größere Strecke als die Störstellen in anderen Bereichen.

Wenn man die Emitterzone 0,45 μΐη tief macht und die Basisweite 0,35 μηι beträgt, senkt sich auf Grund dieser Erscheinung nach Ablauf der Behandlungszeit für die Emitterdiffusion der Steg 14 der Kollektor-Basis-Sperrschicht nach F i g. 4 um etwa 0,3 μπι gegenüber den anderen Bereichen der Kollektor-Basis-Sperrschinht ab, so daß eine ebene Kollektor-Sperrschicht 14' nach Fig.6 entsteht Damit wird die Kollektor-Basis-Sperrschicht 14' im wesentlichen genau parallel zu der Emitter-Basis-Sperrschicht 18.

Die Emitter-Basis-Sperrschicht 18 wird innerhalb der Erhebung 10 oder im Fußteil derselben nach Fig.5 ausgebildet, so daß sie im wesentlichen innerhalb der Fußfläche der Erhebung liegt. Außerdem muß man zur

Erzielung möglichst parallel zueinander verlaufender Sperrschichten die Abmessungen der Erhebung 10 nach F i g. 1 im Abhängigkeit von der Tiefe und der Diffusionszeit für die Emitterzone, von der Weite der Basis sowie von weiteren Faktoren wählen, wofür die obengenannten Werte ein Beispiel bilden.

Die nachfolgende Behandlung unterscheidet sich wenig von den bekannten Herstellungsverfahren für einen Planartransistor. In Fig.6 ist eine dritte Siliciumoxidschicht 19 gezeigt, die das Fenster 16 abdeckt. Die Dicke dieser Siliciumoxidschicht beträgt etwa 0,5 μΐη.

Nach F i g. 7 wird in die dritte Siliciumoxidschicht 19 ein Fenster 20 etwas kleiner als die Fläche der Emitterzone 17 eingeschnitten, in das eine Emittereleketrode 21 in Kontakt mit der Emitterzone 17 eingelegt wird. Die zweite, die Basiszone 13 überdeckende Siliciumoxidschicht 15 erhält ebenfalls ein Fenster 22, durch das Elektroden 23 mit der Basiszone 13 kontaktiert werden. Die Abmessungen des Fensters 20 betragen etwa 2 bis 3 μπι in der Breite und 45 μπι in der Länge. Die Emitter- und Basiselektroden 21 bzw. 23 bestehen normalerweise aus Aluminium.

Fig.8 zeigt die Ausführungsform des Transistors nach F i g. 7 im Grundriß. Die Kollektorelektrode kann entweder unmittelbar mit der Bodenfläche der Kollektorzone 9 oder durch ein Fenster der Oxidschicht 11, die die Bodenfläche abdeckt, mit derselben verbunden werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Verfahren zum Herstellen eines Hochfrequenz-Doppeldiffusions-Transistors nach dem Maskendiffusionsverfahren unter Anwendung von Siliciumoxidschichtmasken, bei dem eine plateauartige Erhebung auf einer Hauptoberfläche des Siliciumhalbleiterkörpers gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß für die Diffusion einer ersten Art von Störatomen zur Bildung der Basiszone innerhalb der Oxidschicht eine die gesamte, etwa 0,4 μΐη hohe plateauartige Erhebung sowie einen dieselbe umgebenden Bereich erfassende Aussparung gebildet wird, daß eine etwa 0,5 μηι tiefe Basiszone mit einer Störstellenkonzentration von etwa 3 · 10¹⁹cm-³ erzeugt wird, deren Kollektor-Basis-Sperrschicht im wesentlichen parallel zur Oberfläche der Aussparung mit einem Steg unterhalb der Erhebung verläuft, daß danach für die Diffusion einer zweiten Art von Störatomen die Erhebung und der umgebende Bereich mit einer Oxidschicht unter Aussparung einer die Fläche der Erhebung umfassenden öffnung versehen werden und das schließlich eine zweite Diffusionsbehandlung zur Bildung der Emitterzone mit einer hohen Störstellenkonzentration von etwa 2 · 10²⁰Cm-³ innerhalb der Erhebung durchgeführt wird, bei der eine ebene Emitter-Basis-Sperrschicht entsteht und die Kollektor-Basis-Sperrschicht unterhalb der Aussparung für die erste Diffusionsbehandlung ebenfalls in eine ebene Fläche unter Einebnung des Steges geformt wird.