DE2031235B2

DE2031235B2 - Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauelementes

Info

Publication number: DE2031235B2
Application number: DE2031235A
Authority: DE
Inventors: Toshio Abe; Masami Konaka; Takamichi Narita; Kanro Sato
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1969-06-24
Filing date: 1970-06-24
Publication date: 1978-04-27
Also published as: GB1282063A; JPS4932028B1; DE2031235A1; NL166155B; FR2047914A1; US3761328A; NL7009238A; DE2031235C3; FR2047914B1; NL166155C

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauelements, bei dem auf wenigstens einem Teil der Oberfläche eines Siliziumhalbleiterkörpers eine wenigstens eine Öffnung aufweisende Isolierschicht ausgebildet wird, die im wesentlichen aus Siliziumdioxyd besteht, anschließend auf die Oberfläche des Halbleiterkörpers wenigstens im Bereich der Öffnung der Isolierschicht ein ebenfalls im wesentlichen aus Siliziumdioxyd bestehender Film aufgebracht wird, der als Dotierungsstoff Bor oder Arsen enthält, dann im Halbleiterkörper mittels Diffusion des Dotierungsstoffes durch die Öffnung in der Isolierschicht eine dotierte Zone gebildet wird und danach der Halbleiterkörper mit einem Ätzmittel behandelt wird, um den den Dotierungsstoff enthaltenden Film in der Öffnung der Isolierschicht vom Halbleiterkörper zu entfernen.

Ein derartiges Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauelements ist aus der FR-PS 13 51622 bekannt Bei diesem Verfahren ist insbesondere die Behandlung des Halbleiterkörpers mit Ätzmittel zur Ablösung des den Dotierungsstoff enthaltenden Films äußerst schwierig und kompliziert, da nämlich die Isolierschicht wie der auf dem Halbleiterkörper aufgebrachte Film im wesentlichen aus Siliziumdioxyd bestehen. Bei der Ätzbehandlung zur Ablösung des aufgebrachten Films besteht die Gefahr, daß auch die aufgebrachte Isolierschicht angegriffen und beschädigt wird. Um das Halbleiterbauelement in seiner späteren Funktion nicht zu beeinträchtigen, muß deshalb die Ätzbehandlung innerhalb genau geregelter, eng begrenzter Bereiche der Ätzgeschwindigkeit ablaufen.

Aus der US-PS 33 42 650 ist ein Verfahren zum Herstellen von Halbleiterbauelementen bekannt, bei dem ein Halbleiterkörper vor der Ausbildung einer diffundierten Zone mit einem Ätzmittel behandelt wird, um einen vorher aufgebrachten, leicht ätzbaren Film in

einer öffnung einer Isolierschicht zu entfernen. Die dotierte Zone erhält man hierbei durch Diffusion aus der Gasphase. Da die Behandlung des Halbleiterbauelements mil Ätzmittel vor der Ausbildung der dotierten Zone erfolgt, dient der in der Öffnung der Isolierschicht aufgebrachte Film nicht zur Bildung der dotierten Zone, sondern die diffusionshindernde Schicht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen auf einfache Weise auf den Halbleiterkörper aufzubringende Dotierstoffquellen zu erhalten, deren Ätzgeschwindigkeiten über einen weiten Bereich gesteuert werden können.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß der wenigstens im Bereich der Öffnung der Isolierschicht aufgebrachte Film außer dem Dotierungsstoff noch Germanium mit einem Anteil von mehr als einem Mol-% enthält, so daß die Ätzgeschwindigkeit des Films wesentlich höher als die der Isolierschicht ist, die elektrischen Eigenschaften der dotierten Zone jedoch nahezu unbeeinflußt bleiben.

In dem aufgebrachten Film ist außer dem Dotierungsstoff Bor oder Arsen erfindungsgemäß auch Germanium mit einem Anteil von mehr als einem Mol-% enthalten. Germanium kann mit Silizium, aus dem der Halbleiterkörper besteht, eine Festkörperlösung in jeder beliebigen anteilsmäßigen Zusammensetzung eingehen, so daß in den im wesentlichen aus Siliziumdioxyd bestehenden Film ohne Schwierigkeiten große Germaniummengen eingebracht werden können. Der Germaniumanteil im Film ermöglicht die Anpassung der Ätzgeschwindigkeit an die Erfordernisse innerhalb eines weiten Bereiches. Der Zusatz von Germanium im Film mit einem Anteil von mehr als einem Mol-% stellt sicher, daß die Ätzgeschwindigkeit des Films größer als die der Isolierschicht ist Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren kann sich somit der aufgebrachte Film ohne Schwierigkeiten ablösen, ohne daß die Gefahr einer Beeinträchtigung der mit Hilfe des Films gebildeten dotierten Zone besteht Der Zusatz von Germanium beeinträchtigt auch nicht die im Film enthaltenen Dotierstoffquellen, sondern diese bleiben unbeeinflußt erhalten. Auf Grund der Regelbarkeit der Ätzgeschwindigkeit innerhalb eines weiten Bereiches ist das Verfahren zur Herstellung von Halbleiterbauelementen gemäß der Erfindung ohne weiteres für die verschiedensten Arten von Halbleiterbauelementen geeignet

Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnung und anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 bis 10 verschiedene Querschnitte eines Halbleiterbauelementes zur Erläuterung der Verfahrensstufen,

F i g. Π ist eine perspektivische Ansicht eines Halbleiterbauelementes, welche die Ausbildung einer Öffnung in der Isolierschicht zeigt,

Fig. 12 bis 17 Querschnitte eines Halbleiterbauelementes, welche gemäß einer abgewandelten Ausführungsform des Verfahrens hergestellt worden sind und

Fig. 18 bis 21 Querschnitte von Halbleiterbauelementen, die gemäß einer dritten Ausführungsform hergestellt worden sind.

Die Beispiele befassen sich insbesondere mit der Herstellung von bipolaren Transistoren und Sperrschicht-Feldeffekttransistoren, die für die Verwendung im Mikrowellenbereich bestimmt sind. Derartige Halbleiterbauelemente zur Verstärkung kleiner Signale im Mikrowellenbereich müssen die folgenden Forderungen

erfüllen:

1. Die Basisbreite Wg muß sehr gering sein,

2. die Emitterelektrode soll klein sein,

3. der Basiswiderstand muß gering sein, so daß die Anzahl effektiver Träger in d'sr Basisschicht unmittelbar unterhalb des Emitterbereiches groß sein muß,

4. die Basis-Kollektor-Kapazität soll klein sein,

5. der Kollektor-Reihen-Widerstand soll gering sein, und

6. der Kontaktwiderstand zwischen den Elektroden-Anschlußdrähten und der Basiselektrode und der Emitterelektrode soll gering sein.

Bisher werden die meisten Silizium-Planartransistoren für die Verwendung im Mikrowellenbereich nach dem gleichen Verfahren hergestellt wie normale Silizium-Planartransistoren. Beispielsweise wird im Falle von npn-Transistoren zur Bildung eines Basisbereiches Bor in ein n-Siliziumsubstrat und zur Ausbildung eines Emitterbereiches Phosphor eindiffundiert. Ein zur Signalverstärkung im Frequenzbereich beispielsweise zwischen 2 GHz und 6 GHz verwendeter Transistor muß einen Basisbereich mit extrem geringer Breite (Wg) von 0,1 μηι besitzen.

Wegen des Emittertreibeffektes (»emitter-dip-effect«) ist es bei herkömmlichen Verfahren äußerst schwierig, eine so extrem geringe Basisbreite zu erreichen. Dies liegt daran, daß während der Emitterbildung durch Diffusion der Dotierungsstoff zur Ausbildung der Basis in den Kollektorbereich unmittelbar unterhalb des Emitterbereiches eindiffundiert. Auch wenn es unter Zuhilfenahme spezieller Diffusionsbedingungen möglich wäre, eine sehr geringe Basisbreite zu erreichen, müßte die Tiefe (Xje) des Emitterüberganges sehr flach ausgeführt werden, um die Anzahl der effektiven Träger (Nc) in der Basisschicht unmittelbar unterhalb des Emitterbereiches zu erhöhen. Ist beispielsweise die Oberflächenkonzentration der Emitterschicht, in die Phosphor eindiffundiert ist, gleich 5-10²⁰ZCm¹ und die Oberflächenkonzentration der Basisschicht, in die Bor eindiffundiert ist, gleich 1 · lO'Vcm', so ist bei VVe=O₁I μηι und Xje=0,08 μπι der Widerstand der Basisschicht unmittelbar unterhalb der Emitterschicht gleich 20kOhm. Dieser Wert dürfte einer Trägerzahl von Nc = 25-10^l2/cm² entsprechen, also einem Wert, der in der Nähe der unteren zulässigen Grenze liegt.

Bei einem Emitter mit einer Übergangstiefe Aye=0,08 μπι ist es äußerst schwierig, ein Elektrodenmetall mit dem Emitterbereich zu verbinden. Das heißt, einige Metalle neigen dazu, den Emitter- und Basisbereich kurzzuschließen, so daß es schwierig ist, Transistoren zufriedenstellender Güte herzustellen. Wird die Tiefe des Emitterübergangs größer als der oben beschriebene Wert gemacht, um die Gefahr eines Kurzschlusses zu vermeiden, so wird die Trägerzahl unzureichend, so daß es zwischen der Emitter- und Kollektorelektrode zu einem Durchgriff kommen kann.

Wegen der genannten einander widersprechenden Forderungen ist es bisher äußerst schwierig, Transistoren für die Verwendung im Mikrowellenbereich durch an sich bekannte Diffusion herzustellen. Hierzu wurde bereits ein Transistor vorgeschlagen, bei dem eine Schicht, in die Arsen eindiffundiert wurde, ais Emitterbereich verwendet wird.

Die Verwendung einer Schicht, in die Arsen eindiffundiert wurde, ergibt eine Reihe von Vorteilen, darunter die Vermeidung des Treibeffektes, die einfache

Herstellung einer geringen Basisbreite und die Erzielung einer höheren Trägerzahl Nc als bei herkömmlichen Transistoren, die einen mit Phosphor dotierten Emitter und eine mit Bor dotierte Basis aufweisen und die gleichen Xje- und HVWerte besitzen, da die Verunreinigungsverteilung der mit Arsen dotierten Schicht steller stufenweise ausgebildet ist als die komplimentäre Fehlerfunktions-Verteiluügskurve. Betragen beispielsweise Xje gleich 100 um, Wb=IOO um, die Oberflächenkonzentration der Emittcr-Diffusionsschicht A/se=l 10²⁰/cm' und die Oberflächenkonzentration der Basis-Diffusionsschicht Nsb=2- lO'Vcrn¹, so ist der Widerstand der Basisschicht unmittelbar unterhalb des Emitters 14 kOhm/cm², v/as einer Trägerzahl von N=4· 10^l2/cm²entspricht.

Zur Verringerung der Einschränkungen durch die Genauigkeit, mit der die Maske unter Verwendung einer öffnung für die Emitterdiffusion und einer öffnung zur Elektrodenablagerung ausgerichtet werden muß, sowie zur Erfüllung der Genauigkeitsforderungen, ist das sogenannte Emitter-Waschverfahren (»washout-emitter«) vorgeschlagen worden.

Dieses Verfahren macht sich die Tatsache zunutze, daß bei einem npn-Transistor mit einem Emitter, in den Phosphor eindiffundiert ist, der Isolierfilm auf der Oberfläche der Emitterschicht nach der Phosphordiffusion in den Emitter in Form von Siliziumdioxyd vorliegt, das eine große Menge Phosphor enthält. Das heißt, der Isolierfilm besteht aus Phosphorsiliziumglas, dessen Ätzgeschwindigkeit wesentlich größer ist als die von hochreinem Siliziumdioxyd, das allgemein als Maske verwendet wird.

Versucht man jedoch nach dem Emitter-Waschverfahren einen Transistor für die Verwendung im Mikrowellenbereich mit einem Emitter, in den Arsen eindiffundiert ist, herzustellen, so stößt man auf die folgenden Schwierigkeiten:

Auf der gesamten Oberfläche eines Halbleiterkörpers, der einen Siliziumdioxydfilm aufweist, der mit einer öffnung zur Diffusion eines Emitters versehen ist, wird ein Film aus Arsen enthaltendem Siliziumdioxyd zur Diffusion des Emitters aufgebracht. Zur Ausführung einer Emitterelektrode wird in den Arsen enthaltenden Siliziumdioxydfilm eine öffnung eingeätzt. Da der Arsen enthaltende Siliziumdioxydfilm und der Film aus hochreinem Siliziumdioxyd praktisch die gleiche Ätzgeschwindigkeit aufweisen, wird der Siliziumdioxydfilm, der den Teil der Maske bildet, der rings um den Emitter liegt, ebenfalls in ausreichendem Maße geätzt, so daß der Emitter-Basis-Übergang freigelegt wird. Wird dort ein Elektrodenmetall aufgebracht, so wird der Emitter-Basis-Bereich hierdurch kurzgeschlossen.

Wird ferner Arsen in das Siliziumsubstrat aus der Dampfphase in einer nichtoxydierenden Atmosphäre eindiffundiert, um die Bildung eines Oxydfilms auf der Oberfläche des Siliziumsubstrats zu vermeiden, so wird die frei liegende Oberfläche des Siliziumsubstrats durch in geringer Menge in der nichtoxydierenden Atmosphäre enthahene Feuchtigkeit oder Sauerstoff korrodiert. Da die Feuchtigkeits- oder Sauerstoffmenge nur schwer zu steuern oder zu überwachen ist, ist es nicht möglich, extrem flache Übergänge bei hoher Reproduzierbarkeit zu bilden.

Obwohl wegen seines niedrigen Basiswiderstandes ein pnp-Transistor als Hochfrequenztransistor mit niedrigem Rauschanteil verwendet werden kann, da der eine große Bormenge enthaltende Siliziumdioxydfilm (Borsiliziumglas), der bei der Diffusion des Bors zur

Erzeugung des Emitters gebildet wird, eine Ätzgeschwindigkeit aufweist, die sich nicht wesentlich von der des hochreinen Siliziumdioxydfilms unterscheidet, jedoch äußerst schwierig zu ätzen ist, kann ein solcher Bor enthaltender Siliziumdioxydfilm nach dem Emitter-Waschverfahren nicht entfernt werden.

Die Verwendung von Phosphor für den Emitter ist nicht geeignet zur Herstellung von Mikrowellen-Transistoren, und zwar insbesondere infolge der Schwierigkeit des Emitter-Treibeffektes und dergleichen.

Obwohl hinsichtlich der Trägerbeweglichkeit zur Verbesserung der Eigenschaften des Transistors der Feldeffekttransistor mit n-Kanal-Übergang für die Verwendung im Mikrowellenbereich geeignet ist, ist es weiter notwendig, folgende Forderungen zu erfüllen:

7. Die Gatebreite (W^ muß schmal sein,

8. die Übergangskapazität der ρ+ -Diffusionsgateseite muß gering sein, und

9. der Schichtwiderstand des Gates muß klein sein.
Bei der Photoätzung beträgt die Minimalbreite IV'

der Maskenöffnung zur Gatebildung meistens etwa 1 μίτι, so daß es bei der Diffusion einer Verunreinigung durch diese öffnung zur Ausbildung des p⁺-Bereiches unvermeidlich ist, daß die Verunreinigung in seitlicher Richtung eindiffundiert.

Die Forderung (7) macht eine möglichst flache Diffusion erforderlich, was ebenfalls die Forderung (8) erfüllt. Durch die flache Diffusion steigt jedoch der Schichtwiderstand, was der Forderung (9) entgegensteht. Zur Erfüllung dieser Forderung wird es daher notwendig, ein Elektrodenmetall auf der diffundierten Gateschicht abzudecken.

Ähnlich wie bei den oben beschriebenen bipolaren Transistoren ist es meist nicht möglich, durch Photoätzung eine Elektrodenöffnung durch den Siliziumdioxydfilm hindurch innerhalb einer Gatediffusionsöffnung einer Breite von etwa 1 um zu bilden. Obwohl es unter Verwendung des sogenannten Gate-Waschverfahrens, das dem Emitterwaschverfahren zur Herstellung von bipolaren Transistoren entspricht, einfach ist, eine Elektrode auszubilden, ist es aus den oben beschriebenen Gründen nicht möglich, das Gate-Waschverfahren anzuwenden, wenn Bor eindiffundiert werden soll.

Das Verfahren nach der Erfindung erlaubt es, eine öffnung zur Diffusion einer Akzeptor- oder Donator-Verunreinigung in einer Isolierschicht auf der Oberfläche eines Halbleiterkörpers nach der Diffusion der Verunreinigung zur Ausbildung einer Elektrode zu verwenden, wie beim Emitter-Waschverfahren oder beim Gate-Waschverfahren.

Der den Daiierungsstoff enthaltende Film darf die Funktion des Halbleiters nicht invertieren und muß eine beträchtlich höhere Ätzgeschwindigkeit aufweisen als die Maske, so daß er nach der Diffusion leicht von der Maske entfernt werden kann, ohne sie zu beeinflussen. Die Inversion bedeutet die Umkehr des gewünschten Leitfähigkeitstyps des Halbleiterkörpers oder die Abnahme seiner Verunreinigungskonzentration, beispielsweise die Umwandlung des η-leitenden Emitterberciches in einen p-leitenden durch Zugabe zusätzlicher Materialien, Verkürzung der Lebenszeit der Träger durch Zugabe von beispielsweise Eisen, Nickel oder Kupfer und Absenkung der Passivicrungsfähigkeit des Oxyds beispielsweise durch Natrium und Kalium.

Erfindungsgemäß kann leicht ätzbarcs Material mit höherer Ätzgeschwindigkeit als normale Maskenfilme, wie beispielsweise aus hochreinem Silizium, hergestellt werden, indem Germanium mit einem Anteil von mehr als einem Mol-% in das Siliziumdioxyd eingebracht wird.

Germanium kann eine feste Lösung mit Silizium in jedem Verhältnis bilden, so daß bei Verwendung von

-, Silizium als Halbleiterkörper eine große Germaniummenge in einen Siliziumdioxydfilm eingebracht werden kann, der als Maske wirkt, ohne daß die Gefahr einer Ausfällung von Germanium auf der Oberfläche des Halbleiterkörpers besteht.

κι Die folgende Tabelle zeigt die Beziehung zwischen der Ätzgeschwindigkeit eines mit Germanium versetzten Siliziumdioxydfilms in einer Ätzlösung aus Fluorwasserstoffsäure zu Salpetersäure zu Wasser im Verhältnis von 15:10:300 (im folgenden als P-Ätzmittel bezeichnet) und dem Germaniumgehalt.

Konzentration (MoI-⁰/") von Cie()>
in mit (icnnaniiini vcr.sel/lem
-'" Siliziumdioxyd

Ätzgcschwindigki'ii mit dem l'-Ät/miltcl (nm/sce)

etwa 0,3
etwa 3
etwa 4
etwa 5

Aus dieser Tabelle ist ersichtlich, daß sich bei einem Siliziumoxydfilm mit 10 Mol-% GeO₂ eine Ätzgeschwindigkeit ergibt, die lOmal größer ist als die eines mit dem P-Ätzmittcl behandelten hochreinen Siliziumdioxydfilms. Eine derart große Differenz in der Ätzgeschwindigkeit ermöglicht die Anwendung des Emitter-Wasch Verfahrens oder des Gate-Wasch Verfahrens.

Durch Variation der Menge des zugesetzten Germaniums kann die Ätzgeschwindigkeit über einen weiter Bereich gesteuert werden, und es ist äußerst einfach Verunreinigungsquellen der gewünschten Ätzgeschwindigkeit zu erhalten, was für die Herstellung von Halbleiterbauelementen vorteilhaft ist.

Die Ätzgeschwindigkeit des Siliziumdioxydfilms, dem Germanium zugegeben ist, ändert sich in Abhängigkeil von der Art der Ätzlösungen. Es ist jedoch wichtig, mehr als 1 Mol-% Germanium zuzugeben, um einen Film zu erzielen, dessen Ätzgeschwindigkeit ausreichend höhei als die einer normalen Maske aus hochreinen· Siliziumdioxyd ist.

Bei einer Zusatzmenge von weniger als 1 Mol-% ist es nicht möglich, einen Film auszubilden, dessen Ätzge· schwindigkeit bei einer beliebigen Ätzlösung ausreichend höher ist als die herkömmlichen Maskenmate rials.

Die Ausbildung eines Siliziumdioxydfilms mit einerr die Ätzgeschwindigkeit des Films erhöhenden Zusati von Germanium und einer Akzeptor- oder Donatorver unreinigung, die einen flachen Verunreinigungspegel in Halbleiterkörper ergibt, kann durch Hochfrequenzzer stäubung, chemische Dampfabscheidung und derglei chen auf den Halbleiterkörper geschehen. Der Aus druck »flacher Verunreinigungspegel« bedeutet der Energicpegel der Verunreinigungen, der in einer Tiefe von weniger als 0,1 eV vom Leitungs- oder Valcnzbanc liegt. Der Pegel ist selbstverständlich bei verschiedener eingelagerten Verunreinigungen unterschiedlich. Du folgende Tabelle zeigt einige Beispiele von Verunreini gungspcgcln.

Tabelle

Halb- Verunreinigungen leiter

Tiefe der Verunreinigungspegel (eV)

Si P, As, Sb, Li: Donatoren B, Al₁ Ga: Akzeptoren

weniger als 0,05 weniger als 0,07

U)

20

Die Maske kann selbstverständlich von hochreinem Siliziumdioxyd oder sogenanntem dotiertem Oxyd umfaßt sein, das aus Siliziumdioxyd besteht das mit den gewünschten Akzeptor- oder Donatorverunreinigungen dotiert wurde.

Zusätzlich zum obenerwähnten P-Ätzmittel kann eine Mischung aus wenigstens einem Stoff aus der Gruppe bestehend aus Salpetersäure, Chlorwasserstoffsäure, Essigsäure und Schwefelsäure, wenigstens einem Stoff aus der Gruppe bestehend aus Fluorwasserstoff, Natriumfluorid und Ammoniumfluorid sowie Wasser oder eine wäßrige alkalische Lösung, zum Beispiel eine wäßrige Lösung aus Ätzkali, Ätznatron usw. als Ätzlösung verwendet werden.

Beispiel 1

Wie in F i g. 1 dargestellt, wurde auf der (111)-Hauptebene eines η+-leitenden Siliziumsubstrats 1 durch epitaxiales Wachstum aus der Dampfphase eine η-leitende Schicht 2 mit einem spezifischen Widerstand von etwa 1 Ohm-cm und einer Stärke von etwa 3 μπι gebildet Dadurch ergab sich ein Siliziumplättchen 3, das jo bei 450° C in einem Strom aus einer Mischung aus S1H4 und N2 geheizt wurde, um einen Siliziumdioxydfilm 4 von etwa 300 nm Stärke auf der Oberfläche der epitaxial aufgebrachten Schicht 2 aufzubringen.

Das Plättchen 3 wurde darauf in einem Stickstoffstrom bei einer Temperatur von 1100⁰C 10 Minuten lang geheizt um die Dichte des Siliziumdioxydfilms 4 zu erhöhen und, wie in F i g. 11 gezeigt eine öffnung 5 zur Diffusion eines ρ+-leitenden Schutzringes durch Photoätzung im Siliziutndioxydfilm 4 gebildet. Die Abmessun- 4» gen der verschiedenen Teile der öffnung 5 betragen β=ό2μΐη, ό=49μπι, c=3 μπι, ΰ=7μΐη, β=5μπι und /=3μπι. In der öffnung 5 blieben 4 inselförmige Streifen 6.

Das Plättchen 3 wurde dann bei einer Temperatur von 450⁰C in einem Strom aus S1H4, B₂He, O2 und N2 geheizt Dabei ergab sich ein Bor enthaltender Siliziumdioxydfilm 7 von 200 nm Stärke auf der Oberfläche des Plättchens 3. Das Plättchen wurde dann in einer Stickstoffatmosphäre bei 1100⁰C 30 Minuten lang geheizt um Bor in die epitaxial aufgebrachte Schicht 2 durch die öffnung 5 zu diffundieren und eine ρ+-leitende Schutzringschicht 8 zu bilden, in die Bor eindiffundiert ist, und deren Oberflächenkonzentration mehr als 2-10²⁰ZCm³ beträgt (Fig.2). In Bereichen, wo zur Ausbildung einer Basisöffnung 9 (Fig.3) eine Basisschicht gebildet werden sollte, wurden der Siliziumdioxydfilm 4 und der Bor enthaltende Siliziumdioxydfilm 7 des Plättchens 3 durch Photoätzung entfernt Darauf wurde das Plättchen wiederum in dem Strom aus SiH₄, B₂H₆,0₂ und N₂ auf 450⁰C aufgeheizt, um einen zweiten Bor enthaltenden Siliziumdioxydfilm 10 von 200 nm Stärke auf der Oberfläche des Plättchens 3 auszubilden (F i g. 4).

Der zweite Bor enthaltende Siliziumdioxydfilm 10 des Plättchens 3 wurde durch Photoätzung an den Teilen entfernt, wo ein Emitter ausgebildet werden sollte. Damit ergab sich eine Emitteröffnung U (Fig.5). Die

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t>5 Emitteröffnung 11 hatte eine Breite von 1,5 μΐη und eine Länge von 50 μΐη. Obwohl tatsächlich vier öffnungen 11 gebildet wurden, ist der Einfachheit halber in der Zeichnung nur eine derselben dargestellt. Das Plättchen 3 wurde in einem Strom aus Stickstoff 12 Minuten lang auf eine Temperatur von 100O⁰C aufgeheizt. Damit bildete sich eine p-leitende Schicht 12 mit eindiffundiertem Bor für die Basisschichtverbindung in der epitaxial gewachsenen Schicht 2 unmittelbar unterhalb des Bor enthaltenden Siliziumdioxydfilms 10 in der Basisöffnung 9, mit Ausnahme der Emitteröffnung 11. Die Oberflächenkonzentration der p-leitenden Schicht 12 betrug etwa5-10'⁸/cm³.

Darauf wurde durch Hochfrequenzzerstäubung ein Germanium und Bor enthaltender und leicht ätzbarer Siliziumdioxydfilm 13 (im folgenden als mit [Ge+ B] dotierter Oxydfilm bezeichnet) auf dem Plättchen 3 aufgebracht (F i g. 6).

Als Germaniumquelle wurde GeO₂ und als Borquelle B2O3 verwendet

Vier Blätter aus GeO₂, je mit einer Fläche von 6 cm² und zehn Blätter aus B2O3, je mit einer Fläche von 0,25 cm² wurden jeweils auf Quarzplatten mit einer Fläche von 150 cm² befestigt

Darauf wurde die Hochfrequenzzerstäubung angewendet indem ein Behälter auf ein Vakuum von weniger als 6,7-10-⁶mbar evakuiert und eine Mischung aus Argon und Sauerstoff im Verhältnis 1 :1 in den Behälter bis auf einen Druck von 1,3-10~² mbar eingelassen wurde. Darauf wurde eine Anodenspannung von 1,8 kV bei einer Frequenz von 13,56 MHz angelegt. Es wurde 45 bis 60 Minuten lang zerstäubt.

Das Plättchen wurde darauf in einem Stickstoffstrom bei 1000°C 30 Minuten lang geheizt, um aus dem mit (Ge+ B) dotierten Oxydfilm in die Emitteröffnung 11 Bor einzudiffundieren und eine Schicht 14 mit eindiffundiertem Bor für die Basis zu bilden, deren Bor-Oberflächenkonzentration etwa 2 · 10¹⁹/cm³ betrug.

Das Plättchen 3 wurde dann 120 Sekunden lang in das P-Ätzmittel getaucht, so daß der mit (Ge+ B) dotierte Oxydfilm 13 völlig aufgelöst wurde (Fig.7). Nach der Bordiffusion betrug die Ätzgeschwindigkeit des mit (Ge+ B) dotierten Oxydfilms im P-Ätzmittel etwa 3 nm/Sekunde. Dieser Wert ist ausreichend höher als die Ätzgeschwindigkeit von 0,3 nm/Sek. herkömmlicher, bei einer erhöhten Temperatur gebildeter Siliziumdioxydfilme, was eine leichte Entfernung des mit (Ge + B) dotierten Oxydfilms bedeutet.

Auf die Oberfläche des Plättchens 3 wurde durch Hochfrequenzzerstäubung ein Siliziumdioxydfilm 15 von 200 nm Stärke aufgebracht, der Germanium, Arsen und Bor enthielt Dieser Film soll im folgenden als mit (Ge+As+B) dotierter Oxydfilm bezeichnet werden.

Auf einem Quarzblatt mit einer Fläche von 150 cm² wurden 4 Blätter aus GeO₂ mit einer Fläche von je 6 cm², die als Germaniumquelle wirkten, 10 Blätter aus B2O3 mit je einer Fläche von 0,25 cm², die als Borquelle wirkten, und 9 Blätter aus metallischem Arsen mit einem Gewicht von je 10 mg, die als Arsenquelle wirkten, befestigt Unter im wesentlichen den gleichen Bedingungen wie bei der Ausbildung des mit (Ge+B) dotierten Oxydfilms wurde die Hochfrequenzzerstäubung durchgeführt

Das Plättchen 3 wurde darauf in einem Stickstoffstrom bei 1000° C 9 Minuten lang geheizt, um Arsen aus dem mit (Ge+As+ B) dotierten Oxydfilm in der Emitteröffnung 11 in den Halbleiterkörper einzudiffundieren und eine Emitterschicht 16 zu bilden (F i g. 8). Die

Oberflächenkonzentration der Emitterschicht 16, in die Arsen eindiffundiert war, dürfte bei etwa 1,5-10²⁰ZCm³ gelegen haben.

In den oben beschriebenen Verfahrensstufen wurde in dem Siliziumplättchen 3 ein Transistoraufbau gebildet, ■"> dessen Emitterübergangstiefe Xje=0,i μπι, dessen Basisbreite 0,1 μίτι, und dessen Basistiefe rings um den Umfang der Emitterschicht 0,2 μπι betrug, bei einem spezifischen Widerstand der Basisschicht unmittelbar unterhalb der Emitterschicht von 16 kOhm/Quadrat und ι ο bei einer Trägerzahl der Basisschicht von /Vc == 3 · 10¹²Z cm².

Das Plättchen wurde darauf 21 Minuten lang in das P-Ätzmittel getaucht, um den mit (Ge+ As+ B) dotierten Oxydfilm abzulösen und die Oberfläche des r> Halbleiterplättchens in der öffnung zur Anbringung einer Emitterelektrode 17 freizulegen (die gleiche wie die Emitteröffnung 11) (F i g. 9).

Nach der Diffusion der Verunreinigung betrug die Ätzgeschwindigkeit des mit (Ge+ As+ B) dotierten ->o Oxydfilms beim P-Ätzmittel etwa 30 nm/Sekunde.

Der zweite Bor enthaltende Siliziumdioxydfilm des Plättchens wurde darauf durch Photoätzung selektiv geätzt, wobei auf dem ρ+-leitenden Schutzring 8 fünf Öffnungen zur Ausbildung einer Basiselektrode mit >■-> einer Breite von je 3 μπι und einer Länge von je 50 μΐη gebildet wurden (F i g. 10).

Darauf wurde auf der Oberfläche des Plättchens 3 durch Elektronenstrahlabscheidung eine Platinschicht von 30 nm Stärke aufgebracht und darauf das so beschichtete Plättchen in einem Stickstoffstrom bei 700° C 30 Minuten lang geheizt Dabei bildete sich Piatinsilizid auf der Oberfläche des Plättchens 3 in Bereichen, wo eine Emitterelektrode und eine Basiselektrode ausgebildet werden sollten. Das Plättchen 3 π wurde darauf in Königswasser gekocht, um das überschüssige Platin zu entfernen. Darauf wurden auf dem Plättchen 3 nacheinander aus der Dampfphase ein Titanfilm von 30 nm Stärke und ein Aluminiumfilm von 500 nm Stärke niedergeschlagen, die darauf durch Photoätzung mit Ausnahme an den Elektrodenbereichen entfernt wurden. Das Plättchen wurde darauf in mehrere npn-Silizium-Planartransistoren für die Verwendung im Mikrowellenbereich aufgespalten.

Der so hergestellte Transistor besaß, wie oben -r> beschrieben, eine schmale Basisbreite und einen niedrigen Basiswiderstand, so daß seine Leistungsverstärkung und sein Rauschfaktor im Mikrowellenbereich extrem günstig lagen. So betrug beispielsweise die Leistungsverstärkung bei einer Frequenz von 2GHz '>ii und einem Kollektorstrom von 1OmA 11 dB. Der Rauschfaktor betrug J,5 dB bei einem Kollektorstrom von 5 mA.

Andererseits besitzt ein Mikrowellentransistor mit einem Emitter, in den Phosphor eindiffundiert ist, eine r> Leistungsverstärkung von 10 dB und einen Rauschfaktor von 5 dB. Dies bedeutet, daß der nach dem im Beispiel 1 beschriebenen Verfahren hergestellte Transistor eine weit bessere Leistungsverstärkung und einen weit günstigeren Rauschfaktor aufweist w>

Beispiel 2

In diesem Beispiel wurde auf der Oberfläche eines ρ+-leitenden Siliziumsubstrats 21 durch epitaxiales Wachstum eine p-leitende Schicht mit einem spezifisehen Widerstand von 1 Ohm-cm und einer Stärke von 3 μπι aufgebracht Dadurch entstand ein Siliziumplättchen 23, das in einem Strom aus SiH₄, O₂ und N₂ bei 45O⁰C aufgeheizt wurde, um auf der epitaxial gewachsenen Schicht 22 einen Siliziumdioxydfilm 24 mit einer Stärke von 500 nm abzuscheiden.

Darauf wurde die Schicht in einem Stickstoffstrom bei 1100°C 10 Minuten lang geheizt und somit die Dichte des Siliziumdioxydfilms erhöht. Darauf wurde durch Photoätzung an Bereichen, an denen die Basis ausgebildet werden sollte, eine Basisöffnung 25 durch Photoätzung in den Siliziumdioxydfilm 24 eingebracht.

Das Plättchen 23 wurde darauf in einer Mischung aus SiH₄, PH₃, O₂ und N₂ bei 45O⁰C geheizt, um auf der Oberfläche des Plättchens einen Phosphor enthaltenden Siliziumdioxydfilm 26 von 300 nm Stärke aufzubringen. Das Plättchen wurde darauf in einem Stickstoffstrom bei 1000⁰C 20 Minuten lang geheizt, um Phosphor in die epitaxial gewachsene Schicht 22 unmittelbar unterhalb des Phosphor enthaltenden Siliziumdioxydfilms 26 einzudiffundieren. Dabei bildete sich eine Basisschicht 27 mit einer Oberflächenkonzentration von etwa 110'^Q/cm3(Fig. 12).

Das Plättchen 23 wurde darauf in Fluorwasserstoffsäure getaucht, um die Siliziumdioxydfilme 24 und 26 vollständig aufzulösen (F i g. 13).

Das Plättchen 23 wurde darauf wiederum in der Atmosphäre aus SiH₄, O₂ und N₂ bei 450° geheizt, um auf die Oberfläche des Plättchens einen Siliziumdioxydfilm 28 von einer Stärke von 300 nm aufzubringen. Das Plättchen wurde bei 1000° C 5 Minuten lang in einem Stickstoffstrom geheizt, so daß die Dichte des Siliziumdioxydfilms 28 erhöht wurde. Darin wurde durch Photoätzung eine Emitteröffnung 29 gebildet (Fig. 14).

Durch Hochfrequenzzerstäubung wurde auf dem Plättchen 23 ein mit (Ge + B) dotierter Oxydfilm 30 mit einer Stärke von 300 nm gebildet, und zwar im wesentlichen unter den gleichen Bedingungen und unter Verwendung einer Quelle aus ähnlichen Verunreinigungen wie in Beispiel 1, mit der Ausnahme, daß B₂O₃ eine etwa lOmal größere Fläche als im Beispiel 1 besaß.

Das Plättchen 23 wurde darauf in einem Stickstoffstrom bei 1000°C 45 Minuten lang geheizt, um aus dem mit (Ge+ B) dotierten Oxydfilm 30 in der Emitteröffnung 29 Bor einzudiffundieren und eine Emitterschicht 31 zu bilden (Fig. 15). Die Oberflächenkonzentration der Emitterschicht 31 betrug etwa 2-10²⁰ZCm³, die Emittertiefe 400 nm und die Basisbreite 300 nm.

Das Plättchen 23 wurde darauf etwa 120 Sekunden lang in das P-Ätzmittel getaucht, um den mit (Ge+B) dotierten Oxydfilm 30 vollständig abzulösen (F ig. 16).

Nach der Bordiffusion betrug die Ätzgeschwindigkeit des mit (Ge + B) dotierten Oxydfilms 30 beim P-Ätzmittel etwa 3 nm/Sekunde. Dieser Wert liegt wesentlich höher als die Ätzgeschwindigkeit von Oß nmZSckunde bei herkömmlichen hochreinen Siliziumdioxydfilmen. Dies bedeutet eine leichte Ätzung des mit (Ge+B) dotierten Oxydfilms.

Darauf wurde im Siliziumdioxydfilm 24 eine Basiselektrodenöffnung 32 gebildet (Fig. 17). Nach der Aufbringung der Elektroden wurde das Plättchen in mehrere pnp-Silizium-Planartransistoren für die Verwendung im Hochfrequenzbereich aufgespalten.

Wie oben beschrieben, ermöglicht die Erfindung eine leichte Herstellung von pnp-Transistoren nach dem Emitter-Waschverfahren.

Beispiel 3

Auf der Oberfläche eines p-leitenden Siliziumsubstrats 41 mit einem Borgehalt mit einer Konzentration

von l-10^l4/cm³ wurde zur Herstellung eines Siliziumplättchens 43 eine η-leitende Schicht 42 von 1 μηι Stärke und mit einem Antimongehalt mit einer Konzentration von llO'Vcm³ durch epitaxiales Wachstum aufgebracht. Das Plättchen 43 wurde darauf in einer Atmosphäre aus SiH₄, O₂ und N₂ bei 450° geheizt, um einen Siliziumdioxydfilm 44 mit einer Stärke von 500 nm auf der Oberfläche der epitaxial gewachsenen Schicht 43 aufzubringen (F i g. 18).

Im Siliziumdioxydfilm 44 wurde durch Photoätzung eine öffnung 45 gebildet und darauf durch diese öffnung eine Akzeptorverunreinigung eindiffundiert, so daß sich eine p⁺-leitende diffundierte Trennschicht 46 bildete.

Durch den Siliziumdioxydfilm 44 wurde darauf eine öffnung 47 gebildet, durch die eine Donatorverunreinigung diffundiert wurde, so daß sich eine η+-leitende selektiv diffundierte Schicht 48 für die Source- und Drain-Elektrode bildete.

Das Plättchen 43 wurde darauf mit Fluorwasserstoffsäure behandelt, um den Siliziumdioxydfilm 44 vollständig zu entfernen. Darauf wurde wiederum ein Siliziumdioxydfilm 49 mit einer Stärke von 300 nm auf der Oberfläche des Plättchens 43 in der oben beschriebenen Weise abgeschieden. Im Film 49 wurde durch Photoätzung eine öffnung 50 zur Diffusion des Gate-Bereiches mit einer Breite von 1,5 μπι gebildet (Fig. 19).

Durch das gleiche Hochfrequenz-Zerstäubungsverfahren wie in Beispiel 2 wurde auf dem Siliziumdioxydfilm 49 ein mit (Ge+ B) dotierter Oxydfilm 51 von 300 nm Stärke aufgebracht. Darauf wurde das Plättchen 43 in einem Stickstoffstrom bei 900° C 15 Minuten lang geheizt, so daß sich eine ρ+-leitende diffundierte Schicht 52 für die Gate-Elektrode bildete, deren Oberflächenkonzentration 2-10²⁰ZCm³ und deren Diffusionstiefe 0,1 μΐη betrug (F ig. 20).

Durch Elektronenstrahlabscheidung aus der Dampfphase wurde auf der Oberfläche des Plättchens 43 ein Platinfilm von 30 nm Stärke aufgebracht. Darauf wurde das Plättchen in einem Stickstoffstrom geheizt, um auf der Oberfläche desselben einen Film aus Platinsilizid zu bilden, und zwar in Bereichen, an denen verschiedene Elektroden ausgebildet werden sollten. Darauf wurde das Plättchen 43 zur Entfernung überflüssigen Platins in Königswasser gekocht.

Darauf wurden durch Dampfabscheidung eines Titanfilms und eines Aluminiumfilms in der gleichen Weise wie im Beispiel 1 eine Source-Elektrode 54, eine Drain-Elektrode 56 und eine Gate-Elektrode 55 gebildet (F ig. 21).

Auf diese Weise wurde ein Silizium-Feldeffekttransistor vom Sperrschicht-Typ für die Verwendung im Mikrowellenbereich fertiggestellt.

Durch die oben beschriebenen Verfahrensstufen ist die Herstellung von Gate-, Source- und Drain-Elektroden mit hoher Genauigkeit möglich, so daß sich ein Halbleiterelement hoher Qualität ergibt. Beispielsweise zeigte der Transistor eine maximale Leistungsverstärkung von 10 dB bis 1000 MHz bei einer Gate-Elektrode von 1,5 μπι Länge und 500 μπι Breite.

Beispiele für abgewandelte Verfahrensstufen

Der Germanium enthaltende Siliziumdioxydfilm kann zusätzlich zur oben beschriebenen Hochfrequenzzerstäubung durch chemische Ablagerung gebildet werden. Beispielsweise kann der (GE+As+ B) enthaltende Oxydfilm leicht aus einer Atmosphäre aus SiH«, GeH₄,

AsH₃, Β₂Ηβ und Ο2 bei einer Reaktionstemperatur gebildet werden, die niedriger ist als die Diffusionstemperatur. Andere gasförmige oder leicht verdampfbare Verbindungen wie SiCl₄, SiHCl₃, GeCl₄, AlSi₃, BBr₃, BCl₃ usw. können als Ausgangsmaterial verwendet werden.

Die Diffusion zur Ausbildung der p+-leitenden Schutzringschicht 8 und der p-Ieitenden Schicht in Beispiel 1 ist nicht auf die Verwendung des (Ge+B) enthaltenden Oxyds beschränkt. Statt dessen können sie durch Dampf phasen-Diffusion unter Verwendung von BBr₃ oder B₂O₃ als Verunreinigungsquelle gebildet werden.

Ähnlich kann die Diffusion von Bor durch die Emitteröffnung 11 im Beispiel 1 durch Dampfphasendiffusion erreicht werden. Insbesondere entstehen dabei keine Schwierigkeiten, weil die Diffusion des Bors im Beispiel 1 vor der Diffusion des Arsens erfolgt, obwohl die Emitteröffnung 11 durch die Behandlung mit der Ätzlösung etwas erweitert werden kann, die zur Entfernung des Siliziumdioxydfilms auf der Oberfläche nach der Diffusion von Bor durchgeführt wird, solange die Oberflächenkonzentration auf dem Umfang der Schicht, in die Bor eindiffundiert ist, nicht wesentlich von der in der Mitte der öffnung 11 abweicht. Selbstverständlich ist es wünschenswert, daß der auf der diffundierten Schicht gebildete Siliziumdioxydfilm möglichst dünn ist.

Während in Beispiel 1 die Diffusion von Bor für die Basis und die Diffusion von Arsen für den Emitter in unabhängigen Stufen erfolgen, können die Basis- und Emitterschichten auch in einer Stufe gebildet werden, indem der (Ge+ As+B) enthaltende Oxydfilm auf der Oberfläche des Plättchens unmittelbar nach der Ausbildung der Emitteröffnung 11 abgedeckt und darauf das Plättchen bei einer erhöhten Temperatur geheizt wird.

Obwohl ferner in den oben beschriebenen Ausführungsformen zuerst die Emitteröffnung in dem (Ge + B) enthaltende Oxydfilm ausgebildet und darauf Bor eindiffundiert wurde, ist es ebenso möglich, erst Bor einzudiffundieren und darauf die öffnung zur Diffusion des Arsens zu bilden.

Die folgende Tabelle zeigt Ätzgeschwindigkeiten von Beispielen, wobei die Filme mit einer Ätzmischung aus HCl, H₂O und NH₄F im Verhältnis von 10 :10 :1 geätzt wurden. Die Ätzgeschwindigkeiten dieser Beispiele liegen beträchtlich höher als die Ätzgeschwindigkeit von 0,2 nm Sekunde bei reinem Siliziumdioxydfilm. Der Gehalt an Zusatzsubstanzen im Siliziumdioxydfilm ist in Mol-% angegeben.

Zusatzsubstanz

Mol-%

Ätzgeschwindigkeit
nm/Sekundc

Ge + B

Ge + As

Ge

Ge 10
B6
Ge 10
As 14
10

1,05

1,0

Anstatt die öffnungen in der Maske durch Photoätzung zu bilden, wie es in den vorhergehenden Beispielen beschrieben wurde, können auch andere Feinbearbeitungsverfahren angewendet werden, wie beispielsweise b^r) das Freilegungsverfahren mittels Elektronenstrahl und dergleichen.

Das Herstellungsverfahren ist auch Für integrierte Schaltungen geeignet,

Hierzu 3 BIaIt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauelements, bei dem auf wenigstens einem Teil der Oberfläche eines Siliziumhalbleiterkörpers eine wenigstens eine Öffnung aufweisende Isolierschicht ausgebildet wird, die im wesentlichen aus Siliziumdioxyd besteht, anschließend auf die Oberfläche des Halblciterkörpers wenigstens im Bereich der Öffnung der Isolierschicht ein ebenfalls im wesentlichen aus Siliziumdioxyd bestehender Film aufgebracht wird, der als Dotierungsstoff Bor oder Arsen enthält, dann im Halbleiterkörper mittels Diffusion des Dotierungsstoffes durch die Öffnung in der Isolierschicht eine dotierte Zone gebildet wird und danach der Halbleiterkörper mit einem Ätzmittel behandelt wird, um den den Dotierungsstoff enthaltenden Film in der Öffnung der Isolierschicht vom Halbleiterkörper zu entfernen, dadurch gekennzeichnet, daß der wenigstens im Bereich der Öffnung der Isolierschicht aufgebrachte Film außer dem Dotierungsstoff noch Germanium mit einem Anteil von mehr als einem Mol-% enthält, so daß die Ätzgeschwindigkeit des Films wesentlich höher als die der Isolierschicht ist, die elektrischen Eigenschaften der dotierten Zone jedoch nahezu unbeeinflußt bleiben.