DE1764570B2 - Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung mit zueinander komplementären NPN- und PNP-Transistoren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung entsprechend dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein Verfahren dieser Art ist aus »Proc. I.E.E.E.« (1966) 10, 1488 bis 1490, bekannt.

Bei linearen und logischen integrierten Schaltungen ist es sehr wichtig, NPN- und PNP-Transistoren d urch miteinander vereinbare Verfahren herstellen zu können. Eine der größten Schwierigkeiten bei integrierten Schaltungen besteht in der Sicherstellung einer elektrischen und thermischen Stabilität. Die thermischen

Wirkungen bei NPN- und PNP-Transistoren der gleichen Struktur sind zwar miteinander vergleichbar, sind aber mit entgegengesetzten Stromrichtungen verknüpft. Die NPN- und PNP-Transistoren können so geschaltet werden, daß Kennlhiienänderungen als Folge von Temperaturabweichungen kompensiert werden, so daß die Schaltung leichter stabilisiert werden kann.

Ferner muß bei der Herstellung dieser Transistoren die Isolierung entsprechend den Anforderungen der betreffenden Schaltung berücksichtigt werden.

Durch das obenerwähnte bekannte Verfahren ist es möglich, durch miteinander vereinbare Verfahrensschritte zueinander komplementäre Transistoren herzustellen, die in einem Halbleiterkörper integriert sind und je für sich in einer isolierten Insel untergebracht sind.

Diese Transistoren werden in epitaktischen Schichten angebracht, die nacheinander auf einem Substrat angewachsen werden. Die Basen der PNP- und NPN-Transistoren werden in der epitaktischen Oberflächenschicht bzw. in einer von der Grenze zwischen zwei epitaktischen Schichten her diffundierten Insel durch Diffusion angebracht. Bei einem solchen Verfahren ist es schwierig, den spezifischen Widerstand der Basen, vor alleii in dem genannten zweiten Fall, genau einzustellen, da die Basis in eine Zone eindiffundiert wird, die selbst durch Diffusion erzeugt worden ist. Die Durchschlagspannung ist infolgedessen verhältnismäßig fliedrig. Außerdem ist es notwendig, zur Vermeidung einer sehr dicken ersten epi taktischen Schicht, zwischen dem Substrat und dieser epitaktischen Schicht eine hochdotierte N-leitende, vergrabene Zone zu bilden, um die diffundierte, die Kollektorzone des NPN-Transistors bildende Zone vom Substrat isolieren zu können, da dieser Kollektor von einem vergrabenen Gebiet her durch langdauernde Diffusion gebildet werden muß, damit er die Oberfläche der Vorrichtung mit eier erloiderlichen Dotierungskonzentration erreichen kann. Die Herstellung dieses Kollektors erfordert außerdem eine Diffusion, die über eine große Tiefe verlaufen muß, so daß lange Behandlungszeiten notwendig sind. Diese thermische Behandlung kann weiter noch erhebliche Störungen der Eigenschaften der epitaktischen Schichten mit sich bringen.

Aus der französischen Patentschrift 1446 319 ist ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung bekannt, bei dem eine gegen das Substrat isoliert.e Zone vom gleichen Leitungstyp, wie das Substrat dadurch hergestellt wird, daß nach dem Aufwachsen einer Teilschicht vom anderen Leitungstyp auf das Substrat in diese Vordiffusionsgebiete mit dem gleichen Leitungstyp wie das Substrat geschaffen werden. Darauf wird eine zweite Teilschicht ebenfalls mit dem anderen Leitungstyp abgeschieden, wonach die Dotierstoffe aus den vergrabenen Schichten bildenden Vordiffusionsgebieten über einen Teil der Dicke der oberen Teilschicht diffundiert werden, so daß über der Zone vom gleichen Leitungstyp, wie das Substrat ein nicht umdotierter Teil der oberen Teilschicht übrig bleibt. Gleichzeitig wird eine dieser Zone zugehörige Oberflächenzone von der Oberfläche der zweiten Teilschicht bis in das Vordiffusionsgebiet hineindiffundiert. Auf diese Weise wird eine Diode erhalten, die eine hohe Durchbruchspannung aufweist, und die gut gegenüber dem Substrat isoliert ist. Zusätzlich werden bereits auf dem Substrat entsDre-

chende Vordiffusionsgebjete angelegt, mit deren Hilfe Isolierzonen zur Abgrenzung einzelner Schaltungselemente, z. B. von Transistoren hergestellt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 so auszugestalten, daß langdauernde thermische Behandlungen vermieden werden und ein PNP-Transistor erhalten wird, dessen Basiszone eine genau definierte Dotierungskonzentration aufweist und der sowohl eine hohe Stromverstärkung als auch eine hohe Durchschlagspannung hat.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Das Verfahren nach der Erfindung hat den Vorteil, daß beim epitaktischen Abscheiden der zweiten Teilschichi sich der spezifische Widerstand der Basis des PNP-Transistors besser einstellen läßt, so daß die Verstärkung besser beeinflußt werden kann als bei dem bekannten Verfahren, bei dein der PNP-Transistor eine_v in einem diffundierten Kollektor diifundierte Basis hat.

Die beiden epitaktischen Schichten können gleiche oder unterschiedliche spezifische Widerstandswerte aufweisen. Die an die Oberfläche angrenzende Schicht kann einen spezifischen Widerstand in Abhängigkeit von den verlangten Eigenschaften der Basis des zu bildenden Transistors haben. Der spezifische Widerstand der an das Substrat angrenzenden Schicht kann in Abhängigkeit von den erwünschten Eigenschaften der Zone, die den Kollektor gegen das Substrat isoliert und mit Rücksicht auf den durch diese Zone gemeinsam mit dem Kollektor und dem Substrat gebildeten, parasitären Transistor bestimmt werden. In vielen Fällen können einfachheitshalber zwei Schichten mit gleicher Dotierungskonzentration angebracht werden.

Mit der Ausgestaltung nach Anspruch 2 wird erreicht, dafl die Oberfläche des PN-Ubergangs zwischen der Basis und dem Kollektor des PNP-Transistors möglichst klein gehalten werden kann, wodurch die Kollektor-Basis-Kapazität des Transistors beschränkt wird.

Die Basis des Transistors kann durch einen an den Kollektor angrenzenden Teil der unveränderten oberen Teilscbicht gebildet werden.

Mit der Ausgestaltung nach Anspruch 3 wird, insbesondere wenn das diffundierte Basisgebiet sich praktisch bis zu der vergrabenen Kollektorschicht erstreckt, ein PNP-Transistor erhalten, der den Vorteil aufweist, daß die Basiszone eine Dotierungskonzentration mit einem Gradienten besitzt, bei dem das infolge dieses Gradienten auftretende elektrische Feld die Ladungsträger in Richtung auf den Kollek'or beschleunigt. Dies ist besonders wichtig, wenn der Transistor bei hohen Frequenzen verwendet werden soll.

Weiterhin läßt sich auf diese Weise ein Transistor mit einer PNP-Struktur herstellen, der eine gute Frequenzkennlinie und eine hohe DurchschlagspInnung aufweist, weil zwischen der Diffusionsstelle der Basis und der des Kollektors eine dünne Schicht der ursprünglichen epitaktischen Oberflächenschicht mit sehr hohem Widerstand beibehalten wird. Jedenfalls ist es stets vorteilhaft, die isolierende Schicht zwischen dem Kollektor und der darunterliegeiden Schicht hinreichend dick zu machen, um den Ei ifluß des durch den Kollektor, die isolierende Schicht und das Substrat gebildeten parasitären Transistors praktisch zu beseitigen. Mit Rücksicht darauf wird die Dicke des ersten, an das Subsirat angrenzenden Teils der Oberflächenschicht beispielweise zwischen 10 und 15 μπι gewählt.

Die Anwendung des Verfahrens nach der Erfindung ermöglicht es gleichzeitig mit den vorerwähnten Transistoren in dem gleichen Halbleiterkörper, praktisch ohne zusätzliche Verfahrensschritte andere aktive oder passive Schaltungselemente, insbesondere Feld-Effekt-Transistoren, deren Kanal durch die ursprüngliche epitaktische Schicht gebildet ist und mit völlig vom Substrat isolierten Gate-Elektroden und/ oder Zenerdioden mit schroffem PN-Übergang anzubringen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen

Fig. a bis d schematische Querschnitte durch einen Halbleiterkörper, in dem ein PNP- und ein NPN-Transistor gebildet werden, in verschiedenen Stufen des Verfahrens nach der Erfinourg.

Die Maskierungsschichten, z. B. Siliciumoxidschichten, die nach den verschiedenen thermischen Behandlungen auf der Oberfläche gebildet v,srden, sind nicht dargestellt. Diese Schichten werden auch weite/ unten nicht erwähnt, da deren Anbringung und die Herstellung der erforderlichen Fenster in den Diffusionsmaskierungsschichten durch in der Halbleitertechnologie übliche Verfahren erfolgen können.

In einem praktischen Ausführungsbeispiel kann das Verfahren nach der Erfindung wie folgt durchgeführt werden.

Auf einer P-leitenden, einkristallinen Siliciumscheibe mit einer Dicke von etwa 150 μπη und einem spezifischen Widerstand von etwa 5 bis 10 Qcm (20 in Fig. a) wird auf der Oberfläche in den Vordiffusionsgebieten 21a eine erste P*-Bordiffusion durchgeführt, wobei die Oberflächenkonzentration des Dotierstoffes W bis 10^2(l Atome cm"' beträgt.

Ferner kann auf dem Substrat ein Vordiffusionsgebie.t 23a zur Bildung einer vergrabenen Schicht 23 für den Kollektor des NPN-Transistors vorgesehen werden, wobei die Konzentration derart ist. daß die vergrabene Schicht 23 einen niedrigen spezifischen Widerstand und einen dem des Substrits entgegengesetzten Leitungstyp aufweist. Vorzugsweise aber wird das Vordiffusionsgebiet 23a, wie dies in Fig. b angedeutet ist, erst angebracht, nachdem die erste Teilschicht 22a aufgewachsen ist.

Nach dem Entfernen der bei der genannten ersten P*-Bordiffusion entstandenen Oxidschicht wird in bekannter Weise eine erste N-leitende epitaktische Teilschicht 22a mit einer Dotierungskonzentration 'on eiwa 10¹⁵ bis 10"' Atomen cm"' und einer Dicke von etwa 10 bis 15 μπ\ aufgewachsen {22a in Fig. b).

Auf dieser ersten epitaktischen Teilschicht 22a wird in das Vordiffusionsgebiet 23a Arsen mit einer Oberflächenkonzentration von 10'" bis 10^:i Atomen cm 'eindiffundiert, um eine N ⁺ -Ieitende, vergrabene ι Schicht 23 zu bilden, die den Reihenwiderstand des Kollektors des NPN-Transistor-> verringert.

Weiter wird auf dieser ersten epitaktischen Teilschicht 22« in die den Vordiffusionsgebieten 21a entsprechenden VorcHffusionsgebiete 21b Bor mit der , gleichen, obengenannten Oberflächenkonzentration eindiffundiert.

Gleichzeitig mit dieser zweiten Diffusion wird das P'-Ieifendc Vordiffusionsnebiet 24a mit einer Ober-

flächenkonzentration von etwa l()^|g bis H)²" Atomen cm ' für den Kollektor des PNP-Transistors eindiffundiert.

Darauf wird die bei der Diffusion auf der ersten epitaktischen Teilschicht 22a entstandene Oxidschicht entfernt und anschließend eine zweite epitaktische Teilschicht 22b des gleichen Leitungstyps und mit der gleichen Dotierungskonzentration und einer Dicke von 5 bis 10 μηι aufgewachsen (226 in Fig. c).

Auf dieser zweiten epitaktischen Teilschicht 22 wird an den den Vordiffusionsgebieten 21t/ und lib entsprechenden Vordiffusionsgebieten 21c ebenfalls Bor eindiffundiert. Während der verschiedenen Verfahrensschritte oder während einer letzten thermischen Behandlung treffen die drei P'-leitenden Vordiffusionsgcbiete 21a, 21fr und 21c zusammen, wodurch die Isolierzonen 21 gebildet werden. Diese Isolierzoiien begrenzen die Inseln, in denen die PNP- und NPN-Transistoren untergebracht sind.

Gleichzeitig mit der dritten Bordiffusion wird zum Erzeugen der Oberflächenzone 24b des Kollektors des PNP-Transistors Bor mit einer Oberflächenkonzentration von etwa K)''' bis K)²" Atomen cm ' eindiffundiert. Die Oberflächenzone 24b vergrößert sich während dieser und der darauf erfolgenden thermischen Behandlung derart, bis sie sich in die Zone 24a erstreckt und so ein ununterbrochenes, P ⁺-leitendes Gebiet für die Kollektorzone 24 bildet.

Darauf wird Bor in die Gebiete 25 und 26 (siehe Fig. c) mit einer Oberflächenkonzentration von etwa K)¹⁸ bis K)¹⁹ Atomen cm ' eindiffundiert. Das P-Ieitende Gebiet 25 dient zur Bildung der Basis des NPN-Transistors und das P-leitende Gebiet 26 zur Bildung des Emitters des PNP-Transistors.

Anschließend wird zur Bildung der N⁴-leitenden Gebiete 27, 28 und 29 (siehe Fig. d) Phosphor mit einer Oberflächenkonzentration von etwa l()^J'bis K)²¹ Atomen cm ' eindiffundiert. Das Gebiet 27 bildet den Emitter des NPN-Transistors, das Gebiet 28 die Kontaktzone des Kollektors des NPN-Transistors und das Gebiet 29die Kontaktzone der Basis des PNP-Transistors.

Die Basis des PNP-Transistors besteht aus dem unveränderten, epitaktisch abgeschiedenen Material. Es ist jedoch auch möglich, dem PNP-Transistor eine diffundierte Basis zu geben. Das Herstellungsverfahren ist ähnlich, mit Ausnahme einer N-Diffusion von der Oberfläche der Schicht 22b her in ein Gebiet, das über der vergrabenen Kollektorzone 24« des NPN-Transistors liegt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung mit zueinander komplementären NPN- und PNP-Transistoren in einem Halbleiterkörper mit einem P-leitenden Substrat und einer darauf aufgewachsenen N-Ieitenden epitaktischen Schicht, bei dem die epitaktische Schicht in Inseln aufgeteilt wird, wobei ein NPN-Transistor durch Eindiffusion von Basis- und Emitterzone in einer dieser Inseln angebracht wird, die die Kollektorzone dieses Transistors bildet und bei dem ein PNP-Transistor gleichzeitig in einer zweiten Insel dadurch angebracht wird, daß nach dem Anwachsen einer ersten Teilschicht der epitaktischen Schicht auf dem Substrat in dieser N-leitenden Teilschicht ein P-leitendes Vordiffusionsgebiet angebracht wird, daß dann eine zweite Teilschicht der epitaktischen Schicht abgeschieden wird, dann die Dotierstoffe aus dem Vordiffusionsgebiet zur Bildung der P-leitenden Kollektorzone des PNP-Transistors in die zweite Teilschicht eindiffundiert werden, und bei dem zusammen mit der Eindiffusion der Basiszone des NPN-Transistors die Emitterzone des PNP-Transistois eindiffundiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß bei dem PNP-Transistor die Dotierstoffe aus dem Vordiffusionsgebiet (24a) nur über einen Teil der Dicke der zweiten Teilschicht (22b) diffundiert werden, so daß übei der Kollektorzone (24) ein nicht umdotierter Teil der zweiten T ,ilschicht (22b) übrig bleibt, der die Basiszone des PNP-Transistors bildet, und daß eine dem Kcllekl r (24) zugehörende Oberflächenzone (24b) von der Oberfläche der zweiten Teilschicht bis in das Vordiffusionsgebiet (24a) hinein diffundiert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei dem PNP-Transistor die der Kollektorzone (24) zugehörende Oberflächenzone (24b) um die Basiszone herum angebracht wird und zusammen mit dem Vordiffusionsgebiot (24a) die Basiszone von weiteren Teilen der epitaktischen Schicht (22) trennt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei dem PNP-Transistor in einem Teil der Basiszone, der sich von der Oberfläche her mindestens teilv/eise über die Dicke der Basiszone erstreckt, die Konzentration an Dotierstoffen durch Eindiffusion weiterer Dotierstoffe erhöht wird.