DE2008319A1 - Verfahren zum Herstellen eines pnp Silicium Transistors - Google Patents
Verfahren zum Herstellen eines pnp Silicium TransistorsInfo
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Description
SIEMENSAKTIMG-ESEILSCEAF-T München2, äcn ^'*· ^B. 197tt
Berlin und München v vYit-telsTaacherpiatz 2
70/1031 2008319
Verfahren zum. Herstellen eines pnp-Silicium-Transistors
Die Erfindung 'betrifft ein Verfahren zum Herstellen
eines ρηρ-Siliciumtransistors, boi dem in einem Teil- ·
bereich, an der Oberfläche der in einem scheibenförmigen
Einkristall aus'p-leitendem Silicium durch. Diffusion
von Donatoren erzeugten Basiszone durch einen nachge- ■
schalteten Diffusionsprozeß die Donatorkonzentration
so stark erhöht wird, daß eine in diesem Bereich' einlegierte
Aluminiumelektrode einen sperrfreien Kontakt bildet . . ' ' ■ ■■'....·
Der Aufbau von Silicium-Planartransistoren bzw.. Silicium- :
Mesat ran si stören und -anderen Siliciuni-Dif fusions-transistor en
sowie die Technik ihrer Herstellung,kann als bekannt
vorausgesetzt v/erden» Einzelheiten für die Herstellung
von Planartransistoren findet man z.B. in der Literatursteile
"Post officeelectro Engin." 56 (Jan. I964),
Hr. 4, Seiten 239 - 243» Die Planartechnik wird ebenso
wie die Mesatechnik gewöhnlich für die Herstellung von Transistoren vom npn-Typ angewendet, während man die
Anwendung auf die Herstellung von Transistoren vom pnp-Typ
nur selten findet. Der Grund hierfür ist vor allem darin ■
zu sehen, daß solche ρηρ-Transistoren wesentlich umständlicher herzustellen sind als die npn-Type.
In diesem Zusammenhang wird darauf aufmerkaam'gemächt,
daß es sich empfiehlt, vor der'Herstellung der Emitterzone
an der den Kollektor des Transistors bildenden Rückseite
des scheibenförmigen Ausgangskristalls.Phosphor in höherer Konzentration einzudiffundieren, so daß eine
dünne, mit Phosphor dotierte Oberflächenzone entsteht. t
Die QberflächenkQnzentration in dieser phosphordotierten
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Zone beträgt etwa 10-10 Phospboratome/cm » Dieser
eindiffundierte Phosphor hat die Eigenschaft, im Halbleiter gelöste Schwernietallo aller Art zu gettern und
damit unschädlich zu machen.
Demzufolge gestaltet sich z. B. die Herstellung eines npn-Transistors
vom Planartyp etwa folgendermaßen: Ausgehend von einem η-leitenden scheibenförmigen Siliciumeinkristall
mit einer Donatorkonzentration von etwa 10 bis 10 Donatoratomen/em-5 wird zunächst an der Oberfläche dieses
Kristalls eine Diffusionsmaske für die HersisLlung der
Basiszone erzeugt. Hierzu wird vorzugsweise eine Schicht, insbesondere aus SiO2, Siliciumnitrid oder Kombination
aus beiden aufgebracht. Diese Schicht wird mittels einer JPotolackätztecbnik am Ort der herzustellenden Basiszone
wieder entfernt und die Diffusion zur Herstellung einer p-leitenden Basiszone vorgenommen, indem man diese.Anordnung
in Gegenwart von B20„-Dampf und beispielsweise bei
einer Temperatur von 900°-1000°C erhitzt. Bei diesem
Belegungsschritt entsteht eine dünne hochbordotierte Diffusionszone. Die so eindiffundierte Bormenge wird
durch einen Nachdiffusionsprozess beispielsweise bei 12000G in oxidierender Atmosphäre auf ein größeres Siliciumvolumen
verteilt, und dadurch die gewünschte Eindringtiefe und Oberflächenkonzentration eingestellt. Bei
einer Nachdiffusionsdauer von 60 Minuten dringt die Basiszone bis zu einer Tiefe von etwa 3/um in den Halbleiterkristall
ein, was eine der üblichen angewandten Eindringtiefen für den Basis-Kolektor^pn-Übergang bedeutet.
Nach der Herstellung der Basiszone wird das SiOg von der
Rückseite der Halbleiterscheibe entfernt, wobei die Vorderseite mit Fotolack, Wachs o.a. maskiert wird. Diese wird
nunmehr in phosphorhaltiger Atmosphäre, insbesondere in Gegenwart von P2°5' auf Q^Via 1050°G für die Dauer von
30 Minuten erhitzt. Dadurch werden die im Silicium zufällig anwesenden und vielfach störenden Schwermetalle
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unecbädlich gemacht. Den nächsten Schritt bildet dio
Erzeugung"der Emitterzone, die durch Eindiffundieren
von Phosphor unter Verwendung einer neuen, der Größe des herzustellenden Emitters entsprechenden Maskierung
durchgeführt wird. Schließlich wird mit Hilfe einer
Fotolacktechnik die Halbleiteroberfläche innerhalb , der Emitter- und Basiszone erneut freigelegt und die Kontaktierung mit Aluminium beispielsweise in,der
aus "Post office electr. Engin-" bekannten V/eise durchgeführt. "
Fotolacktechnik die Halbleiteroberfläche innerhalb , der Emitter- und Basiszone erneut freigelegt und die Kontaktierung mit Aluminium beispielsweise in,der
aus "Post office electr. Engin-" bekannten V/eise durchgeführt. "
Die Herstellung der pnp-Type ist demgegenüber wesentlich
umständlicher., weil die Dotiervex'hältnisse in der
Basiszone wesentlich anders als die des Emitters bei der npn-Type sind. Man muß nämlich nach der Emitterdiffusion aus diesen Gründen zunächst eine heue maskierende Schicht durch Abscheidung von Siliciumdioxid aus einem Reaktionsgas, z.B. Metbylsiloxan, vornehmen (weil die von der Emitterdiffusion herrührende dünne Oxidschicht den Emitter nicht ausreichend gegen die
nachfolgende Donatordiffusion schützen könnte'5 und
eine thermische Nachoxydation zwar möglich wegen der Borverarmung jedoch nicht zweckmäßig ist), dann müssen mit Hilfe einer Fotolacktechnik die Kontaktstellen der Basiszone freigelegt werden. An dieser Stelle wird
dann die Donatorkonzontration der Basiszone durch
Eindiffundieren von Donatoren so stark erhöht, daß der später einlegierte Aluminiumkontakt keinen pn-übergang mehr ergeben kann. Da auch hier aus technologischen
Gründen der Dotierungsstoff in Form seines Oxids aus der Gasphase dargeboten wird, entsteht erneut eine
Oxidschicht an der Kontaktstelle, die wieder freigelegt werden muß. Auch hier wird eine Fotolackätztechnik angewendet, weil Fotolack bei Verwendung von Fluß säure als Ätzmittel'als Ätzmaske geeignet ist. Sie dient
zur Freilegung der Kontaktstellen an der Emitterzone und der Basiszone, in denen die Al-Kontaktierung in
der bekannten Y/eise durchgeführt wird.
Basiszone wesentlich anders als die des Emitters bei der npn-Type sind. Man muß nämlich nach der Emitterdiffusion aus diesen Gründen zunächst eine heue maskierende Schicht durch Abscheidung von Siliciumdioxid aus einem Reaktionsgas, z.B. Metbylsiloxan, vornehmen (weil die von der Emitterdiffusion herrührende dünne Oxidschicht den Emitter nicht ausreichend gegen die
nachfolgende Donatordiffusion schützen könnte'5 und
eine thermische Nachoxydation zwar möglich wegen der Borverarmung jedoch nicht zweckmäßig ist), dann müssen mit Hilfe einer Fotolacktechnik die Kontaktstellen der Basiszone freigelegt werden. An dieser Stelle wird
dann die Donatorkonzontration der Basiszone durch
Eindiffundieren von Donatoren so stark erhöht, daß der später einlegierte Aluminiumkontakt keinen pn-übergang mehr ergeben kann. Da auch hier aus technologischen
Gründen der Dotierungsstoff in Form seines Oxids aus der Gasphase dargeboten wird, entsteht erneut eine
Oxidschicht an der Kontaktstelle, die wieder freigelegt werden muß. Auch hier wird eine Fotolackätztechnik angewendet, weil Fotolack bei Verwendung von Fluß säure als Ätzmittel'als Ätzmaske geeignet ist. Sie dient
zur Freilegung der Kontaktstellen an der Emitterzone und der Basiszone, in denen die Al-Kontaktierung in
der bekannten Y/eise durchgeführt wird.
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Die Verwendung von Aluminium als Kontaktmetall sowohl für die Basis als auch für den Emitter bat eine Reihe wesentlicher
technischer Vorteile (Gr.L. Schnäble Proc. IEEE
Vol. 57, No. 9, (Sept.69) pp. 1570), so'daß man den für
die sperrfreie Kontaktierung der η-leitenden Basis erforderlichen "Kontaktdiffusionsprozeß" ohne weiteres
in Kauf nimmt.
Wie nun gemäß der Erfindung erkannt wurde, wird eine wesentliche Arbeitsersparnis erreicht, wenn erfindungsgemäß
Phosphoratome sowohl in den höher zu dotierenden Bereich der Basiszone als auch an der der Basiszone
gegenüberliegenden Fläche der Siliciumscheibe mit
20 21 einer Oberflächenkonzentration von etwa 10 -10
Phosphoratomen/cnr eindiffundiert werden und wenn nach
Erzeugung der auf eine Oberflächenkonzentration von
P O P1 "*>
etwa 10 -10 Akzeptoratomen/cnr eingestellten Emitterzone
der phosphordotierte Bereich an der Rückseite der Silieiuniscbeibe wieder entfernt wird.
Erfindungsgemäß wird also die der-Vorbereitung der
Kontaktierung der Basiszone mit einer Aluminiumelektrode dienende Kontaktdiffusion vor der Emitterdiffusion
zusammen mit der Getterung des Halbleiterkörpers durchgeführt. Dies ist ohne weiteres möglich, wenn
man sich an die von der Erfindung geforderten Oberflächenkonzentrationen hält, weil die durch die Kontaktdiffusion
erzeugte höhere Donatorkonzentration in eiiiom Teil der Basiszone durch die nachfolgende Emitteriäiffusion
nicht so stark beeinträchtigt wird, daß beim Einlegieren der Aluminiumelektrode in diesen
Bereich der Basiszone kein sperrfreier Kontakt mehr entstehen könnte«
Das erfindungsgemäße Verfahren bringt mehrere wesentliche
Vortei3e:
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to Wegfall einer thermischen bzw, pyrolytischen Oxydation
nach der Emitterdiffusion, weil nach erfolgter Binstellung
der Emitterdiffusion keine weiteren Diffusionsprozesse mehr erforderlich sind, ·
2. die Kontektdiffusion und die Getterung sind in einem
einzigen Prozeß vereinigt, ■ · .
3. Wegfall der Phosphorglasätzung nach der KontaktdiffUSiOn
4·. Wegfall eines Äbdeck- und Ätzprozesses vor dem.JJetterprozeß
zur Preilegung der Scheibenrückseite. An diese
Stelle tritt der Fotolackprozeß, der 3onst nach, der Emitterdiffusion zum Öffnen der Basiskontaktfenster
und der Scheib.enrückseite notwendig ist,
5. das Emitterdiffusionsprofil und die Basls.dicke werden
durch die Kontaktdiffusion nicht beeinflußt,
6. durch den Wegfall von mehreren chemischen und physikalischen Arbeitsprozessen gegenüber der bisherigen
Herstellung der pnp-Type wird eine erhöhte Ausbeute
und Qualität erzielt»
durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird
an Hand der Figuren 1 - 3 näher beschrieben, in- denen
einige der während der fertigung auftretenden Zustände
der zu behandelnden Halbleiteranordnung dargestellt sind;
Zunächst wird ■ an der Oberfläche eines scheibenförmigen
p-leitenden Siliciumeinkristalls 1 mit einer Akzeptor-(insbesondere
Bor-)- Konzentration von etwa 10-10 Atomen/cm^ eine maskierende Schicht 2 - insbesondere aus
SiO2 - aufgebracht. Diese Schicht wird mit FotQlack abgedeckt.
Dieser Fotolack wird lokal so belichtet, daß er sich an der Stelle der herzustellenden Basiszone von
dem darunterliegenden SiO2-EiIm abhebt. A^n den übrigen '
Stellen dieses Films dagegen verbleibt er. Unter Anwendung
von verdünnter Flußsäure wird nun der SiO2-PiIm an der
von dem Fotolack nicht- bedeckten Stelle weggeätzt, ao daß
ein der Herstellung der Basis dienendes Diffusionsfenster 3 entsteht. Nach Entfernung des Fotolaclca wird äie
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Anordnung in einen Diffusionsofen gebracht. Dieser besteht beispielsweise aus einem horizontal angeordneten
Quarzrobr, das von einem inerten Srägergas durchströmt
wird und das von einem Robrofen umgeben ist.
In dieses Quarzrohr wird sowohl eine Pr>O,--Dampf
abgebende Quelle als auch der mit der. Maskierung 2 versehene Siliciumeinkristall eingebracht und erhitzt.
Dabei belädt sich das Trägergas mit dem ΡρΦς
und gelangt daraufhin zu der erhitzten Siliciumscheibe. Unter Entstehung'einer Phoaporglasschicht an der Steli
3 der von der maskierenden Schicht 2 nicht bedeckten Siliciumoberfläcbe diffundieren Pbosphoratome in den
Siliciumkörper unter Entstehung einer dünnen hochdotierten Diffusionszone ein. Statt Phosphor kann auch Arsen
oder Antimon eindiffundiert werden. 'Die so eindiffundierte P(Sb, As)-Menge wird durch einen Hachüiffuaionsprozess
beispielsweise bei 12000C in oxidierender Atmosphäre
auf ein größeres Si-Voluraen verteilt und dadurch die
gewünschte Eindringtiefe und Oberflächenkonzentration eingestellt und eine genügend dicke SiO2-Schicbt 5 auf
dem Basisfenster 3 erzeugt. Bei einer Oberlächenkonzentration von 10 -10 Donatoratome/cnr und einer Geaaftteindringtiefe
von etwa 3/um erhält man eine für HF-Zwecke optimale Basiszone 4. Der unmittelbar nach Eindiffusion
der Basiszone vorliegende Zustand der Anordnung ist im Querschnitt in Fig. 1 dargestellt. Sie zeigt auch
die an der Siliciumoberfläche im Fenster 3 entstandene Oxydsehicht 5»
Der folgende Schritt besteht in der Anwendung einer Fotolackätztechnik zur Freilegung der Kontaktstelle 6
an der Basiszone und zur Freilegung der Rückseite der Halbleiterscheibe 1. An den übrigen Stellen der Siliciumoberfläche
bleibt die maskierende Schicht 2 bzw. 5 jedoch erhalten» Entsprechend der Lehre der Erfindung
20 21 wird dann Phosphor in hoher, d.h. etwa 10-10
Phoaphoratome/cnr betragender Oberflächenkonzentration
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in das Silicium sowohl an der Rückseite der Scheibe
als auch an der (beispielsweise ringförmigen) Kontaktstelle 6 für die Basis eindiffundiert. Die hierfür
erforderliche iDemperung wird zweckmäßig bei 1050° C
und einer Zeit von etwa 30 Minuten vorgenommen. Dann
wird sowohl an der Rückseite der Scheibe 1 als auch an den Kontaktstellen 6 ein wesentlich höher als die
Basiszone 4 η-leitendes Gebiet gebildet. Das an der
Rückseite der Siliciumscheibe entstandene 'hochdotierte η-leitende Gebiet ist mit 7, das an der Kontaktstelle
der Basiszone gebildete hochdotierte η-leitende Gebiot mit 8 bezeichnet. Zudem t&t sich an den Diffusionestellen
eine maskierende Schicht aus stark phoaphorhaltigem SiO2 gebildet, die gegebenenfalls durch einen
Nachoxydationsprozeß (30 min 1050° C O2 feucht) noch
verstärkt werden kann, damit sie während der Eindiffusion maskiert wirkt.
Zu bemerken ist, daß am Ort des noch su erzeugenden
Emittere während aller dieser Schritte eine dicke maskierende Schicht 5 vorhanden ist, so daß das vnn
dem Emitter einzunehmende Gebiet in der Basis durch die
hohe Konzentration der Kontaktdiffusion in keiner Weise beeinträchtigt wurde. (Fig. 2)
Dio das Gebiet des künftigen Emitters bedeckende maskierende Schicht wird nun an dieser Stelle entfernt
und das für die Herstellung des Emitters erforderliche
Diffusionsfenster 9 erzeugt. Der nun folgenden Schritte werden an Hand der Pig. 3 dargestellt.
In diesem Zustand wird die Anordnung erneut in einen
Diffusionsofen gebracht und dort zusammen mit einer BgO^-Dampf abgebenden Quelle erhitzt. Dabei bildet
sich an der Oberfläche des im Diffusionsfenster 9 freiliegenden Siliciums eine stark borhaltige SiO2-Scnicht,
aus der Bor unter Entstehung einer Emitter-
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zone in das darunterliegende Silicium eindiffundiert.
Das Emitterfenster 9 wird derart weit von der Kontaktierstelle der Basiszone 6 entfernt angeordnet, daß die entstehende
Emitterzone 10 nicht an das G-ebiet 8 der Basiszone herankommt»
Der der Herstellung .des, Emitters 10 dienende Diffusionsprozeß
wird wieder in einem Diffusionsofen vorgenommen. Die gasförmige Dotierungssubstanz wird mit Hilfe eines
inerten Trägergases der auf etwa 1050° C erhitzten Siliciumscheibe zugeführt. Die Herstellung des Emitters
ist der letzte bei der hohen Temperaturen vorzunehmende Prozeß, so daß also in diesem Zustand sämtliche
pn- und sonstige "Übergänge nunmehr ihre endgültige Lage erreicht haben»
Die folgenden Schritte dienen der Kontaktierung der Emitter- und Basiszone unter Verwendung von Aluminium
als Kontakt material. Zu diesem Zweck v/erden - wiederum
mit Hilfe einer Potolackätztechnik - die Kontaktstellen
6 und 11 der Basiszone 4 und der Emitterzone 10 erneut freigelegt. Gleichzeitig wird das an der Rückseite der
Siliciumacheibe vorhandene dotierungsatoffhaltige SiOp
weggeätzt. Dann wird ein Aluminiumfilm 12 bzw. 15 auf
den freigelegten Basis- und den Emitterkontaktatellen 6 und 11 der Anordnung aufgedampft und in einem nachfolggenden
Temperungsprozeß angesintert oder einlegiert. Schließlich wird, noch die an der Rückseite der Siliciumscbeibe
von dem Getterungsprozeß noch vorhandene phosphordotierte Zone 7 weggeätzt. Zu diesem Zweck ist die
Vorderseite der Siliciumscheibe mit fotolack, Wachs o.a. abgedeckt.
Die Herstellung der Kontaktierung der Basiszone und der
Emitterzone kann unter ganzflächiger Bedampfung erfolgen, worauf die überschüssigen Teile der Aluminiumschicht
unter Anwendung einer EOtolackätztechnik weg-
geätzt v/erden.,. Eine andere Möglichkeit ist das lokal-'
isierte Bedampfen durch eine entsprechende Bedempfungs-
maske» . ■ ' " .
«■".-- -'i Diese·Anordnung wird noch mit ihrer Rückseite auf einem
als Kollektor elektrode dienenden Sockel," js. B. aus vergoldetem
Vac on auflegiert und in üblicher Weise in ·
einem abgeschlossenen Gehäuse montiert.
3 Figuren
6 Patentansprüche
VPA 9/1.10/0014 Stg/Htz ' ,, ;v. _f.-,1.0
109837/1^63 " *:
Claims (1)
- 2Ü08319PatentansprücheVerfahren zum Herstellen eines pnp-Siliciumtransistors, bei dem in einem Teilbereich *dor Oberfläche der in einem scheibenförmigen Einkristall aus p-leitendem Silicium durch Diffusion von Donatoren erzeugten Basiszone durch einen nachgeschalteten Diffusionsprozeß die Donatorkonzentration so stark erhöht wird, daß eine in diesem Bereich einlegierte Aluminiumelektrode einen sperrfreien Kontakt bildet, dadurch gekennzeichnet, daß Phosphoratone sowohl in den höher zu dotierenden Bereich der Basiszone als auch an der der Basiszone»gegenüberliegenden Fläche der Siliciurascheibe mit 20 21 einer Oberfiächenkonzentration von etwa 10 -10 Phosphoratomen/cnr eindiffundiert werden und nach Erzeugung der auf eine Oberflächenkonzentration vonPQ p *| *Zetwa 10 -10 - Aktzeptoratomen/cnr eingestellten Emitterzone der phosphordotierte Bereich an der Rückseite der Siliciumscheibe wieder entfernt wird.2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem aur Herateilung der η-leitenden, auf18 1Qeine Oberflächenkonzentration von 10 -10 * Donatoratomen/cm·'' eingestellten Basiszone wieder lokal von der sie bedeckenden phosphorhaltigen SiOo-Scbicht F befreit und in die hierdurch freigelegte Oberfläche der Basiszone und in die freigelegt Rückseite der Siliciumscheibe Phosphoratome mit einer Konzentration von 10-10 Phosphoratomen/cnr eindiffundiert werden.3· Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Eindiffusion des Phosphors bei einer Temperatur von etwa 1050° 0 vorgenommen wird.4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3» dadurch gekennzeichnet, daß nach dem letzten Diffuaionsprozeß die Kontaktstellen an der Basis- und Emitterzone erneut freigelegt und mit einer aufgedempf-VPA 9/110/0014 Stg/Htz - 11 -109837/1363ten Alurainiunischicht kontaktiert "werden.5ο Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Aluminiumschicht lokal auf die Kontaktstellen der Basis- und Emitterzone beschränkt aufgedampft werden.6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß auf die mit den freigelegten KontaktsieLlen der Basis- und Emitterzone·versehene Halbleiteroberfläche ganzflächig eine Metallisierung aus Aluminium, insbesondere durch Aufdampfen, aufgebracht und diese Metallisierung unter Anwendung einer Foto- ilackätztechnik lokal wieder entfernt wird.VPA 9/110/0014 Stg/Htz109837/1363I. c? π r s ί i i e
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