DE1802849A1 - Verfahren zur Herstellung von monolithischen Schaltungen - Google Patents

Description

Verfahren zur Herstellung von monolithischen Schaltungen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von integrierten monolithischen Halbleiters chaltungen mit Hilfe eines Silizium-Substrats, auf welches eine dotierte Epitaxieschicht zur Aufnahme der Halbleiterbauelemente aufgewachsen wird, welche mit Dotierungszonen gleicher (Emitterdiffusion) und entgegengesetzter (Basisdiffusion) Leitfähigkeit versehen wird.

Monokristallines Halbleitermaterial kann in verschiedenen kristallographischen Richtungen hergestellt werden. Silizium z. B. wurde in mehreren kristallographischen Richtungen gezüchtet, um Monokristalle herzustellen, welche praktisch frei von Versetzungen sind. In dem Artikel "Growth of Silicon Crystals Free From Dislocation" von William C. Dash in Journal of Applied Physics, Seiten 459 bis 474, Vol. 30, Nr. 4, April 1959 werden Verfahren angegeben zum Züchten von Silizium-Einkristallen mit unterschiedlichen kristallographischen Richtungen. In diesem Artikel wird betont, dass die (100)- und die (ill)-Achsen im allge-

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meinen diejenigen Orientierungen sind, welche verwendet werden können. Es wird jedoch festgestellt, dass eine (111)-Orientierung gegenüber einer (100)-Orientierung vorzuziehen ist. Bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen wurde bisher nur die (111)-Orientierung von einkristallinem Silizium verwendet.

Im allgemeinen wird bei der Herstellung von monolithischen Schaltungen fe eine Epitaxieschicht über einem einkristallinen Substrat hergestellt. Die

Epitaxieschicht ist in ihrem Wachstum abhängig von den kristallographischen Eigenschaften des Grundsubstrates. Vor dem Aufwachsen der Epitaxieschicht werden Diffusionszonen häufig in der Substratoberfläche ausgebildet. Diese Gebiete können z. B. später als Subkollektor für einen anschliessend herzustellenden Transistor dienen. Da sich die kristallographische Orientierung in der Epitaxieschicht fortsetzt, werden auch die elektrischen Eigenschaften von Schaltungen in dieser Schicht stark von der Wahl des Grundmaterials beeinflusst. Wie weiter unten ausgeführt wird, zeigt ein Material, welches in der (111)-Richtung orientiert ist, wesentliche Nachteile. Insbesondere ist die Störstellenkonzentration in Zwischenschichten von Silizium und Siliziumdioxid wesentlich kleiner im Falle einer (100)-Orientierung.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines mit einer Epitaxieschicht bedeckten Substrates und eines Verfahrens zur Herstellung von Halbleiterbauelementen innerhalb dieser Epitaxieschicht, welche kleinere

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Abmessungen und insbesondere geringere Kollektor ströme, damit geringe Leistung, benötigen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass bei Verwendung eines in der kristallographis chen (100)-Richtung orientierten Halbleiterkörpers eine Phosphorkonzentration von 2, 5 bis 4, 0 %o zur Herstellung der N-Diffusion verwendet wird.

Weitere Vorteile und Teilaufgaben der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, die anhand eines Ausführungsbeispiels mit Hilfe der nachstehend aufgeführten Zeichnung die Erfindung näher erläutert, und aus den Patentansprüchen.

Es zeigen:

Fig. 1 den Querschnitt durch einen in Planartechnik aufgebauten

Transistor, "

Fig. 2 einen durch einen PN-Übergang isolierten Transistor innerhalb eines monolithisch integrierten Schaltkreises,

Fig. 3 und 4 die Dichte der Störstellen an der Grenzfläche Siliziumdioxid Silizium in Abhängigkeit von der Energie im Leitungs- und

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Valenzband,

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Fig. 5 Beta in ,Abhängigkeit vom normalisierten Kollektor strom

für verschiedene Kristallographie ehe Orientierungen des verwendeten Materials,

Fig. 6 die Funktion des Kollektor- und Basis ströme von der an-

gelegten Spannung.

tk Fig. 1 zeigt ein einzelners Halbleiterbauelement. Die Herstellung einer sol- _y

chen Vorrichtung beginnt mit einem Substrat 10, welches aus monokristallinem N+-Siliziummaterial besteht. Ein solches Substrat 10 kann z. B. durch Ziehen eines monokristallinen Stabes aus einer entsprechenden Schmelze geschehen, welche mit einem Dotierungsmaterial wie Phosphor oder Arsen versetzt ist, wobei ein Keimkristall verwendet wird, der eine kristallographische Orientierung in der (100)-Richtung aufweist. Der auf diese Weise gezogene monokristalline Stab besitzt ebenfalls eine (100)-Orientierung. Der Stab wird darauf in dünne Scheiben, sogenannte Wafer, geschnitten, deren Oberfläche die Orientierung (100) aufweist. Das Substrat 10 wird dann in'einem Gefäss mit der ^ «pitaktie chen Schicht 12 bewachsen. Dieses Aufwachsen geschieht nach den bekannten Verfahren, wobei ein Material verwendet wird, das mit Dotierungsstoffen versehen ist, welche eine Epitaxieschicht 12 mit N-Leitfähigkeit entstehen lassen. Die epitaktische Schicht 12 ist ebenfalls in der (100)-Richtung orientiert. Da das epitaxielle Wachstum entlang der (100)-Ebene erfolgt, geschieht es im wesentlichen senkrecht zur Oberfläche des Substrats. Innerhalb der epitaktischen Schicht 12 wird da-

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! rauf die Transistorstruktur durch Basis- und Emitterdiffusionen gebildet, wodurch die Basiszone 14 und die Emitterzone 16 entstehen. Eine Isolationsschicht 18 bedeckt die Oberfläche des Halbleiterkörpers und ist mit öffnungen versehen, so dass elektrische Kontakte 20 sperrfrei mit den Elektroden des Transistors verbunden werden können. Die Schicht 18 kann aus einem bekannten Isolator,wie Siliziumdioxid oder Siliziumnitrid, bestehen und kann nach den konventionellen Verfahren aufgebracht werden.

Fig. 2 zeigt den Ausschnitt aus einem Halbleiterkörper, welcher eine grosse Anzahl von gegeneinander isolierten Halbleiterbauelementen des in Fig. 1 dargestellten Types aufweist. Andere Bauelemente wie Dioden, Widerstände und Kapazitäten (nicht dargestellt) können zusammen mit den Transistorstrukturen in der Epitaxieschicht dargestellt werden. Das Material des Substrates 30 ist vorzugsweise P-Silizium, welches vorzugsweise einen Widerstand von 10 bis 20 Ohm cm aufweist. Wiederum ist das Substrat in der (100) -Richtung orientiert und in ähnlicher Weise wie in Fig. 1 hergestellt. Um jedoch eine P-Leitfähigkeit des Substrats zu erhalten, wird ein Dotierungsstoff wie Bor in der Schmelze verwendet. Es soll darauf hingewiesen werden, dass statt Silizium auch Germanium oder intermetallische Verbindungen zum Aufbau des Halbleiterkörpers verwendet werden können. Eine Zone entgegengesetzter Substratlextfähigkeit wird darauf innerhalb des Substrates 30 gebildet, aus der im folgenden der Subkollektor 32 entstehen wird. Diese Zone wird im allgemeinen durch die bekannten Diffusionstechniken hergestellt, aber kann ebenso durch andere Techniken wie Einbau von Ionen

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oder Ätz- und Auffülltechniken gebildet werden. Diese Zone wird im Falle eines Siliziumsubstrats durch Ausbilden einer isolierenden SiBziumdioxidschicht auf dem Halbleiterkörper durch thermische Oxidation gebildet. Eine öffnung wird innerhalb der SiIi ziumdioxid schicht durch bekannte photolithographische Masken-und Ätztechnik hergestellt. Eine N+ -Zone kann darauf im Substrat 30 unterhalb der öffnung in der Isolierschicht hergestellt werden. Im Anschluss daran wird die gesamte isolierende Deckschicht entfernt von der Oberfläche des Substrats 30 mit Hilfe einer entsprechenden Ätzlösung. Die epitaktische Schicht 34 kann dann auf dem Substrat 30 aufgewachsen werden. Diese wird ebenfalls in (100)-Richtung orientiert sein, da das Substrat 30 aus einem monokristallinen Halbleiter mit einer (100)-Orientierung besteht. Während des epitaktischen Aufwachsens geschieht durch die Erhitzung des Halbleiterkörpers ein Ausdiffundieren der N+ -Zone innerhalb des Substrates 30 bis in die epitaktische Schicht 34, wodurch der N+-Subkollektor 32 gebildet wird. Die gesamte Oberfläche der epitaktischen Schicht 34 wird darauf mit einem isolierenden Material bedeckt, z. B. durch thermische Oxidation des Siliziums in Siliziumdioxid, wodurch die Siliziumdioxidschicht 36 entsteht. Mittels photolithographischer Maskentechnik und anschliessendem Ätzen wird eine Anzahl von öffnungen in die Oxidschicht gebracht, so dass die Halbleiteroberfläche der Schicht 34 offenliegt. P+ -Isolationszonen 37 können darauf z. B. durch Eindiffundieren von Bor in einer passenden Konzentration hergestellt werden, wobei diese Diffus ions zonen durch die epitaktische Schicht bis auf das Substrat hinabreichen, wodurch eine Isolationswanne gebildet wird, welche durch eine PN-Sperrschicht von

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weiteren Wannen in der Nachbarschaft isoliert ist. Die Toleranzen zwischen den öffnungen für die PN-Isolationsgebiete 37 und dem Subkollektor 32 können geringer als 8u gewählt werden, wenn man mit (100)-orientiertem Material arbeitet, was zu einer grossen Dichte innerhalb der entstehenden integrierten Schaltung führt. Die kleinste Toleranz im Falle eines (Umorientierten Materials beträgt etwa 13 n. Die verwendeten öffnungen innerhalb der Oxidschicht werden darauf wieder durch Oxidation geschlossen und ein weiterer photolithographischer Masken- und Ätzprozess öffnet Fenster ä

in der Oxidschicht zum Eindiffundieren der Basiszonen. Gleichzeitig werden Diffusionszonen zur Herstellung von Dioden und Widerständen gebildet. In Fig. 2 ist eine Basiszone 38 gezeigt, welche auf diese Weise hergestellt wurde. Nach erneutem Schliessen der Fenster und erneutem öffnen von Fenstern in einer weiteren Oxidschicht wäoltndurch Eindiffundieren von N-Verunreinigungen Emitterzonen gebildet. Der letzte Schritt sieht die Kontaktierung der einzelnen Zonen mit aufgedampften metallis chen Leitungen 42 vor. Ein typisches Kontaktmaterial ist Aluminium, daneben kann aber auch Platin und Palladium zur Verwendung gelangen.

Vor der ersten Oxidation des Halbleiterkörpers 10 und 12 in Fig. 1 und 30 in Fig. 2 enthält das (100)-orientierte Substrat weniger eingebaute kristallogr aphis ehe Defekte, als ein entsprechendes (ill)-orientiertes Substrat. Ein saubereres (100)-Substrat hat den Vorteil einer mit weniger Defekten behafteten Epitaxieschicht, was zur Folge hat, dass Sperrschichten diffundiert werden können, die hohe elektrische Qualität aufweisen. Fehler im «19-67-110 909818/0775

Substrat wirken sich beim epitaktischen Aufwachsen in Versetzungen innerhalb der Epitaxieschicht aus. Im allgemeinen ergeben sich bei (111)-orientiertem Material 50 000 Fehlstellen/cm . Bei der Herstellung der Kollektor-Basissperrschicht und der Emitter-Basis sperrschicht durch Diffusion von Dotierungs stoffen werden Durchbruchspannung und Leckstrom, welche die Qualität der Sperrschicht definieren, negativ beeinflusst. Dies ist besonders der Fall, wenn eine Golddiffusion vorgesehen ist, welche dazu dient, die tk Lebenszeit der Minoritätsladungsträger zu begrenzen und das Beta des

Schaltkreises zu erhöhen. Die Epitaxieschicht, welche auf einem Substrat mit einer (100)-Orientierung aufgewachsen wird, weist dagegen weniger als 100 Fehlstellen/cm auf. Nun werden aber Diffusionen mit einer maximalen

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Oberflächenkonzentration von 10 Atomen/cm gewünscht, um eine flach

unter der Oberfläche liegende Sperrschicht zu erhalten, wie sie bei besonders schnellen monolithisch integrierten Schaltungen verwendet werden. Erhöhte Dotierungekonzentrationen wirken sich in geringeren Kontaktwiderständen an den Emitter- und Basiskontakten aus', was geringere Spagsabfälle zur Folge hat. Mit (100)-orientiertem Halbleitermaterial ergeben sich mit der hohen Dotierungskonzentration gute Sperre chichtqualitäten ohne kristallogr aphis ehe Defekte, wie unebene PN-Ubergänge, wie sie erhalten werden bei gleicher Dotierungskonzentration im Falle einer Verwendung von (111) -orientiertem Material. Diese Effekte wirken sich insbesondere bei monolithisch integrierten Transistorstrukturen aus. Unebene PN-Übergänge bedeuten wenig konstante Basisweiten, wodurch Stromverstärkung Beta weniger gut steuerbar ist. Im schlimmsten Falle ergibt sich ein Kurzschluss

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zwischen Emitter- und Kollektorgebiet bei geringen Vorspannungspotentialen.

Im Falle eines diskreten Halbleiterbauelementes oder eines monolithischen Schaltkreises, welcher für hohe Spannung und hohen Strom ausgelegt ist, werden grosse Emitter- und Basis-PN-Ubergänge benötigt. Bei (lOO)-orientiertem Material erhält man grosse Sperrschichten, welche nahezu frei von kristallographischen Defekten sind, und sehr gute Qualität zeigen. Die Wahrscheinlichkeit, dass in einer Sperrschicht ein kristallographischer Fehler auftritt, ist bei (100)-orientiertem Material wesentlich geringer als bei (111)-Material. Deshalb können grössere PN-Ubergänge gebildet werden.

In einem Versuch wurden Siliziumscheiben für das Substrat aus (100)-orientiertem. Material und (111)-orientiertem Material in einem vergleichbaren Verfahren hergestellt, welche als Ausgangsmaterial zur Herstellung einer Vorrichtung gemäss Fig. 2 dienten. Der einzige Unterschied im Herstellungsverfahren betraf die Konzentration der Diffusionsquelle für die Emitterzone. Nebeneinander wurde Phosphor in einer Konzentration von 1,5, 2, 5 und 4, 0%o in die Scheiben eindiffundiert. Als Ergebnis zeigte sich ein beträchtlicher Phosphornieder schlag bei 2, 5 und 4, 0%o für das (111)-orientierte Material. Dagegen wurde kein Niederschlag festgestellt im Falle des (100)-orientiertenMaterials ausser einer sehr kleinen Menge bei 4, 0%o. Die Ausfallstellen des Phosphors im (ill)-Material reduzieren wesentlich die Phosphorkonzentration in den Diffusionszonen, wodurch sich flache, sehr ausgezackte PN-Ubergänge ergeben. Man kann daraus schliessen, dass Phos-FI9-67-U0 909818/0775

phorkonzentrationen zwischen etwa 2, 5%o und 4, 0%o in (100)-orientiertem Siliziummaterial Sperrschichten herstellen können, welche praktisch frei von ausgefallenem Phosphor sind. Auf Grund der dem (111)-orientierten Material anhaftenden Ausfallerscheinungen des Dotierungs stoffes konnten solche Ergebnisse früher nie erzielt werden.

Ein Teil des Basis stromes in einem Halbleiterbauelement geht verloren durch Oberflächenrekombinationen. In Fig. 3 und 4 wird dargestellt, dass das (100)-Material eine niedrigere Oberflächenstörstellendichte aufweist, als (Hl)- oder (110)-Material. Diese Tatsache ist unabhängig von dem speziellen Halbleiterstoff, wie im vorliegenden Falle Silizium. In den Fig. 3 und 4 wird Bezug genommen auf Silizium mit einem spezifischen Widerstand von 1 Ohmzentimeter, welches als Substrat dient, und auf welchem eine Siliziumdioxidschicht thermisch aufgewachsen ist mit Hilfe von Sauerstoff und 0, 08%o H₉O bei 1000 C. Die Dichte der Störstellen in der Zwischenschicht von Silizium und Siliziumdioxid in Abhängigkeit von der Energie ist gegeben für das Leitungsband, bezogen auf die untere Kante des Leitungsbandes E in

Fig. 3 und auf das Valenzband mit der oberen Kante des Valenzbandes E

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in Fig. 4. Der Basisrekombinationsstrom ist direkt abhängig von der Oberflächenkonzentration dieser Störstellen und steuert das Beta bei kleinen Lastströmen im Transistor.

Im folgenden wird ein Beispiel gezeigt, das zur Illustration des oben gesagten dient.

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Fünfzig Halbleite rplättchen aus (Hl)- und (100)-orientiertem Material wurden hergestellt, indem man Kristalle aus einer geeignet dotierten Schmelze zog und sie anschlieseend in eine Vielzahl von Halbleiterscheiben zerschnitt. Die fünfzig Halbleiterscheiben wurden in fünf Gruppen ä zehn Scheiben aufgeteilt. Jede Gruppe bestand aus zehn Scheiben mit (111) -Material und zehn Scheiben mit (100)-Material. In den Scheiben wurden monolithisch integrierte Schaltkreise hergestellt nach einer bereits bekannt gewordenen Methode. In Fig. 2 der vorliegenden Anmeldung ist ein Querschnitt durch eine Transistor- i

struktur innerhalb einer solchen monolithisch integrierten Schaltung dargestellt. Auf jeder Scheibe wurden zehn Testschaltkreise hergestellt. In jedem Teetechaltkreis befinden sich einzelne Transietoren, welche in passender Weise elektrisch kontaktiert werden können, um die elektrischen Charakteristiken der einzelnen Transistoren auemessen zu können.

Kurz gesagt begann das Herstellungsverfahren mit jeweils zehn Scheiben aus (100)- und (111)-Material, welche P -Leitfähigkeit aufwiesen mit einem spezifischen Widerstand von 10 bis 20 Ohmzentimeter. Eine Siliziumdioxidschicht mit einer Dicke von 5 200 A wurde darauf thermisch auf der Oberfläche jedes Siliziumscheibchens aufgewachsen. Mittels photolithographischer

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Masken- und Ätztechnik wurden Fenster an den gewünschten Stellen innerhalb der Siliziumdioxidschicht hergestellt, welche Zugang zur Oberfläche des Siliziums verschafften. Eine gepufferte Flußsäurelösung wurde als Ätzmittel verwendet. Innerhalb des Siliziumhalbleitersubstrats wurde durch Eindiffundieren von Arsen eine N -Zone gebildet. Innerhalb der Diffusionszone

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ZO — "i ergab sich dabei eine Oberflächenkonzentration von 10 ein . Die Silizium-

dioxide chicht diente als Diffusionsmaske während des Eindiffundier ens. Im Anschluss daran wurde die Schicht vollständig entfernt mit Hilfe einer gepufferten Flußsäurelösung. Die Scheiben wurden dann in eine Kammer zum Aufwachs endner Epitaxieschicht von 5, 5 bis 6, 5 yu gebracht, welche einen spezifischen Widerstand von 0, 2 Ohmzentimeter aufwies. Während des Aufwachsens wurde die Epitaxieschicht mit Arsen dotiert. Die Scheiben wurden Jk darauf oxidiert zur Bildung einer Siliziumdioxidschicht auf der Oberfläche

der Epitaxieschicht. Photolithographische Masken- und Ätztechnik diente wiederum dazu, Fenster in der Siliziumdioxidschicht an solchen Stellen zu öffnen, wo im Anschluss daran Isolationsdiffusionen eingebracht werden sollten. Diese P -Ieolationszonen wurden darauf zur Isolation gewisser Gebiete innerhalb der Epitaxieschicht ausgebildet unter Verwendung von Bor

20 -3 als Dotiermittel, wobei eine Oberflächenkonzentration von 5*10 cm entstand. Das Eindiffündieren geschah bei einer Temperatur von 1200 C

während einer Zeit von 95 Minuten. Anschliessend wurde die Epitaxieoberfläche wieder oxidiert durch thermisches Erhitzen der Oberfläche bei einer Temperatur von etwa 1000 C während einer Zeit von 5 Minuten. Photo lithographis ehe Masken- und Ätztechnik führte wieder zur öffnung von Fenstern in der Siliziumdioxidschicht zur Eindiffusion der Basiszonen. Die Basisdiffusion verwendete Bor als Verunreinigungsquelle und erfolgte während 70 Minuten bei einer Temperatur von 1075 C, wobei eine Oberflächenkon -

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zentration von 5 * 10 cm entstand. Die Oberfläche wurde wiederum oxidiert durch Aufheizen in trockenem Sauerstoff während einer Zeit von 25 Mi- «9-67-iie 909818/0775

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nuten, anschliessend 10 Minuten in Dampf und wiederum 15 Minuten in trockenem Sauerstoff bei 1150 C. Weitere Fenster wurden geöffnet zur Eindiffusion der Emitterzonen. Phosphor diente dabei als Dotierungsmittel. Bei 970 C wurde in einer Hitzebehandlung ein weiteres Eindiffundieren der Emitterzone erreicht. Gleichzeitig wurde 5 Minuten in trockenem Sauerstoff, 55 Minuten in Wasserdampf und darauf wieder in trockenem Sauerstoff eine Oxidation vorgenommen. Neue Fenster wurden in der entstandenen _:Siliziumdioxidschicht geöffnet, welche zur Aufnahme der Metallisierungen an den Kontaktlöchern dienten. Endlich wurde das überflüssige Aluminium der aufgedampften Aluminiums chi cht weggeätzt. Hierzu diente eine wärme Lösung von Phosphorsäure, Salpetersäure und Wasser.

Die Testschaltkreise für alle fünfzig Halbleiterscheiben, sowohl von (Hl)-Material als auch (100)-Material wurden darauf einer gründlichen elektrischen Testreihe unterworfen, um die einzelnen Eigenschaften der monolithisch integrierten Schaltungen zu untersuchen. In Fig. 5 ist die Abhängigkeit

I der Stromverstärkung Beta vom normalisierten Kollektorstrom —

c Spitze

dargestellt. Daraus wird ersichtlich, dass in dieser wichtigen Charakteristik des Transistors das Beta wesentlich stärker abfällt im Falle einer (111)-Orientierung im Gegensatz zur (100)-Orientierung. Für Ströme, welche l%o der Spitzenspannung des Kollektorstromes ausmachen, ist das Beta fünfmal grosser für (100)-Material als für (111)-Material. Aus dieser Darstellung wird besonders deutlich, dass die Verwendung von (100)-orientiertem Material den sinnvoll ausnutzbaren Strombereich einer Halbleiterschal-

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tung um mehr als zwei Grössenordnungen erweitert. Die Verwendung von (100)-Material kann also sowohl bei kleinem Strom und kleiner Leistung erfolgen, was besonders günstige Auswirkungen auf die Packungsdichte der Schaltkreise ergibt, ohne dass auf Flüssigkeitskühlung zur Abführung der Wärme zurückgegriffen werden muss. Fig. 6 zeigt die Funktion des Kollektor- und Basisstromes von der angelegten Spannung für Transistorstrukturen, welche sowohl aus (Hl)- als auch (100)-Material aufgebaut sind. Dieses Schaubild wird gezeigt, um nachzuweisen, dass die verbesserte Wirkung bei der Verwendung von (100) -Material nicht durch die Ausbildung eines Basis-"Channel" erklärt werden kann, da die Linearität dieser logaritmischen Darstellung auf ideale PN-Ubergänge hinweist. Wäre ein " Channel"-Phäno men vorhanden, würde sich eine gekrümmte Kurve ergeben.

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Claims (1)

1. PATENTANSPRUCH

   Verfahren zur Herstellung von integrierten monolithischen Halbleiterschaltungen mit Hilfe eines Silizium-Substrats, auf welches eine dotierte Epitaxieschicht zur Aufnahme der Halbleiterbauelemente aufgewachsen wird, welche mit Dotierungszonen gleicher (Emitterdiffusion) und entgegengesetzter (Basisdiffusion) Leitfähigkeit versehen wird, dadurch gekennzeichnet, dass bei Verwendung eines in der kristallographischen (ill) -Richtung orientierten i

   Halbleiterkörpers eine Phospho'roberflächenkonzentration von 2, 5 bis 4,0 %o zur Herstellung der N-Diffusion verwendet wird.

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