DE2111089A1 - Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterschaltelementes - Google Patents

Description

DiPL-ING. KLAUS NEUBECKER

Patentanwalt
4 Düsseldorf 1 · Schadowplatz 9

•Düsseldorf, 5. März 1971

•4l,291~A
7120

•Westinghouse Electric Corporation
Pittsburgh, Pa., V. St. A.

Verfahren zur Herstellung eines
Halbleiterschaltelementes

Die Erfindung bezieht sich auf Halbleiterschaltelemente und insbesondere auf Feldeffekttransistoren.

Bekannte Feldeffekttransistoren werden üblicherweise mit Hilfe eines durch eine oder mehrere Photoresistmasken hindurch verlaufenden Diffusionsvorganges hergestellt. Dabei machen es Anordnung und Ausrichtung der Masken schwierig, die Gateelektrode in genau gleichem Abstand zwischen der Source- und Drain-Elektrode anzuordnen. Darüber hinaus erweist es sich bei bekannten Herstellungsverfahren als schwierig, ein Schaltelement herzustellen, bei dem Source- und Drain-Elektrode nahe genug beieinander liegen können, so daß auch bei hoher Frequenz noch eine einwandfreie Arbeitsweise gewährleistet ist.

•Bei bekannten Schaltelementen (Transistoren) ist die die Source- und Drain-Elektroden bildende Metallschicht direkt auf eine leicht

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Telefon (O211) 32O8 58 Telegramme Custopat

dotierte Schicht aus Halbleitermaterial aufgebracht. Dies führt zu einem hohen elektrischen Widerstand zwischen den Source- und Drain-Elektroden und dem Halbleiterkörper.

Dieser Widerstand läßt sich in zwei Teilkomponenten aufspalten, und zwar einmal in den Kontaktwiderstand zwischen dem Metall und dem Halbleitermaterial, außerdem in den Widerstand des Silizium- oder Halbleitermaterials zwischen der Gateelektrode und dem aktiven Bereich der die Gateelektrode aufnehmenden Ausnehmung.

Aufgabe vorliegender Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens zur Herstellung von Feldeffekttransistoren, bei denen die Gateelektrode genau ausgerichtet zwischen den Source- und Drain-Elektroden liegt und darüber hinaus die Source- und Drain-Elektrode dicht genug nebeneinander verlaufen können, so daß auch bei hohen Frequenzen gearbeitet werden kann.

Aufgabe vorliegender Erfindung ist es ferner, ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterschaltelementes, insbesondere Feldeffekttransistors, so auszubilden, daß die Werte der beiden weiter oben erwähnten Teilwiderstände verringert werden.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterschaltelementes erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß (a) eine leicht dotierte Epitaxialschicht aus einem Halbleitermaterial eines ersten Leitungstyps auf eine Hauptfläche eines Halbleitersubstrats von zu dem ersten Leitungstyp entgegengesetztem

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Leitungstyp, ferner (b) auf die Epitaxialschicht eine Metallschicht und (c) auf die Metallschicht eine Schicht aus Photoresistmaterial aufgebracht, (d) in dem Photoresistmaterial ein bestimmtes Muster entwickelt und (e) eine Ausnehmung durch die Metallschicht geätzt, sodann (f) unterhalb der Metallschicht unter Verwendung der Metallschicht als Maske eine weitere Ausnehmung in die Epitaxialschicht geätzt und durch Ablagerung eines metallischen Materials unter Verwendung der Ausnehmung in der Metallschicht als Maske eine Λ Metallelektrode auf die Epitaxialschicht aufgebracht wird.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der zugehörigen Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 Seitenansichten eines nach dem erfindungsgemäßen Verfahren und 2

behandelten Halbleiterkörpers;

Fig. 3 eine Draufsicht auf den Halbleiterkörper der Fig. 1 und 2 nach Ausführung weiterer Verfahrensschritte nach der Erfindung;

Fig. 4 einen Längsschnitt durch Fig. 3 längs der Linie A-A'; Fig. 5 einen Längsschnitt durch Fig. 3 längs der Linie B-B¹;

Fig. 6 eine Teil-Seitenansicht eines Halbleiterkörpers mit einem Aufbau entsprechend weiteren Merkmalen der Erfindung? und

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Fig. 7 Längsschnitte durch den Halbleiteraufbau der Fig. 6 nach

der Durchführung weiterer Schritte nach dem erfindungsgemäßen Verfahren.

Die nachstehende Beschreibung der Erfindung geht von einem Silizium-Feldeffekttransistor aus. Jedoch läßt sich erfindungsgemäß ein Schaltelement ebenso unter Verwendung anderer bekannter Halbleitermaterialien wie beispielsweise Germanium, Verbindungen der Gruppen III und V, Verbindungen der Gruppen II und VI oder auch von Siliziumkarbid herstellen.

Im einzelnen zeigt Fig. 1 ein Substrat 10, auf das eine Epitaxialschicht 12 aus Silizium aufgebracht worden ist. Das Substrat 10 besteht aus p-leitendem Silizium und ist auf eine Konzentration von ca. 10 bis 10 Atomen Dotiermaterial pro cm Silizium dotiert.

Die Epitaxialschicht 12 besteht aus p-leitendem Silizium und weist eine Dicke von üblicherweise ca. 4-5 Mikron auf. Sie ist nur

schwach mit etwa 10 bis 10 Atomen Dotiermaterial pro cm Silizium dotiert.

Die Dotierungskonzentration und die Dicke der Epitaxialschicht bestimmen die Sperrspannung ("pinch-off"-Spannung) der Gateelektrode. Je dünner die Epitaxialschicht und je geringer die Dotierungskonzentration sind, desto niedriger ist die Sperrspannung. Eine Schicht mit einer Dicke von 2 Mikron mit 10 Atomen Dotiermaterial

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pro cm Silizium weist eine Gate-Sperrspannung von nur 3,2 V auf.

Das Substrat 10 muß aus p-leitendem Silizium gebildet sein, da sonst die Ausnehmung zwischen den Source- und Drain-Elektroden durch keine Gate-Sperrspannung gesperrt werden kann.

Ferner muß der Kristallaufbau an der Grenzschicht 14 zwischen dem Substrat 10 und der Epitaxialschicht 12 so gut wie.möglich angepaßt werden. Jede Fehlanpassung in der kristallinen Gitterstruktur ™ an der Grenzschicht 14 verringert die Trägerbeweglichkeit in der Ausnehmung zwischen Source- und Drain-Elektrode und damit die Arbeitsfrequenz des Schaltelementes.

Entsprechend Fig. 2 ist im Anschluß an die Bildung der Epitaxialschicht 12 auf dem Substrat 10 längs der Oberfläche 18 der Epitaxialschicht 12 eine Metallschicht 16 abgelagert worden. Die Metallschicht 16 kann aus jedem beliebigen Metall bestehen, das gegenüber Silizium ätzenden Mitteln relativ resistent ist, wie ή etwa aus Gold, Chrom, Blei, Molybdän, Wolfram oder Tantal, wobei Gold der Vorzug zu geben ist.

Die Dicke der Metallschicht 16 kann zwischen einem Minimum von ca. 300 8 und 2.000 8 und mehr schwanken, beträgt jedoch vorzugsweise ca. 500 S.

Auf eine Oberfläche 22 der Metallschicht 16 wird eine Schicht aus einem geeigneten Photoresistmaterial aufgebracht. Die photo-

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resistive Schicht 20 wird entsprechend dem vorgegebenen Muster eines Feldeffekttransistors belichtet und entwickelt. Darauf werden mit Hilfe eines Ätzmittels, das in der Lage ist, durch die Metallschicht 16 hindurchzuätzen, und das beispielsweise einen Volumenteil Salpetersäure, 3 Volumenteile Salzsäure und 4 Volumenteile Wasser aufweisen kann, vorgegebene Bereiche der Metallschicht 16 weggeätzt. Die sich dabei ergebende Struktur ist mit Fig. 3 veranschaulicht.

Die für die Belichtung der Photoresistschicht und die anschließende Ätzung gezeigten Maskenumrisse entsprechen zwei Transistoren, von denen der eine in dem anderen angeordnet ist.

Das in Fig. 3 mit 30 bezeichnete Gebiet wird durch die Metallschicht 16 hindurch eingeätzt. Dieses Gebiet 30 stellt das Gateelektroden-Gebiet dar. Die mit 32 und 34 bezeichneten Gebiete der Metallschicht 16 entsprechen der Source- bzw. Drain-Elektrode. Sie sind an sich gegeneinander austauschbar, jedoch soll für die weitere Untersuchung das Gebiet 32 der Drainelektrode, das Gebiet 34 dagegen der Sourceelektrode entsprechen.

Anschließend wird unter Verwendung eines geeigneten Ätzmittels, das beispielsweise 25 Teile Salpetersäure, 10 Teile Essigsäure sowie o,25 Teile Fluorwasserstoffsäure enthalten kann, das in Fig. mit 30 bezeichnete Gebiet bis auf eine Tiefe von etwa halber Stärke der Epitaxialschicht 12 in die Epitaxialschicht 12 eingeätzt. Dabei dient die Metallschicht 16 als Maske für die Ätzung

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der Silizium-Epitaxialschicht 12. Die Ätzung erfolgt so, daß die Metallschicht 16 noch kragenartig zum Inneren der in die Schicht 12 eingeätzten Ausnehmung hin hinausragt.

Der sich dabei ergebende Aufbau ist mit Fig. 4 und 5 wiedergegeben. Fig. 4 zeigt einen Längsschnitt durch Fig. 3 längs der Linie A-A¹, während Fig. 5 einen etwa senkrecht dazu geführten weiteren Längsschnitt durch Fig. 3 längs der Linie B-B' wiedergibt.

Entsprechend einem typischen Ausführungsbeispiel eines Schaltelementes nach der Erfindung können die in Fig. 3 eingetragenen Durchmesser D und E 2OO Mikron bzw. 0,1 mm (4 mils) betragen.

Nach dem Einätzen der Ausnehmung in die Epitaxialschicht 12 wird entsprechend Fig* 4 und 5 durch Aufdampfen eine Gateelektrode 40 in der Ausnehmung vorgesehen. Diese Gateelektrode ist von einem elektrisch leitenden Metall wie etwa Aluminium, Kupfer, Zinn, Silber, Gold oder Platin gebildet und kann eine Stärke von 300 Ä bis 1.0OO 8, vorzugsweise von etwa 5OO Ä aufweisen.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren läßt sich bequem ein Feldeffekttransistor mit kleinem Abstand zwischen Source- und Drain-Elektrode herstellen. So ließen sich Schaltelemente mit einem Abstand zwischen Source- und Drain-Elektrode von 1 Mikron herstellen, was das Arbeiten bei einer Frequenz bis zu 10 GHz ermöglicht.

Das erfindungsgemäße Verfahren erfordert auch keine genaue über-

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wachung des Diffusionsvorganges wie entsprechende Verfahren nach dem Stand der Technik. Außerdem erfolgt die Ausrichtung aller Elektroden des Schaltelementes erfindungsgemäß selbsttätig, und der Abstand zwischen benachbarten Elektroden ist nur durch die entsprechenden Abstände des ursprünglichen, in die Photoresistschicht eingetragenen Musters begrenzt.

Mit Fig. 6, in der gleiche Teile wie in Fig. 2 bezeichnende Bezugszeichen um den Wert 40 erhöht worden sind, ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Entsprechend diesem Ausführungsbeispiel wird im Anschluß an die Bildung der Epitaxialschicht 52 auf die Oberfläche 58 der ersten Epitaxialschicht 52 eine zweite Epitaxialschicht 59 aufgebracht, die vom selben Lei-

17 tungstyp wie die erste Epitaxialschicht 52, jedoch mit 10 bis

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10 Atomen Dotiermittel pro cm des Siliziummaterials dotiert ist.

Diese zweite Epitaxialschicht 59 hat eine Stärke von 2 bis 4 Mikron.

Wie mit Fig. 6-8 gezeigt, wird entsprechend den weiteren Verfahrensschritten der Erfindung die Metallschicht 56 abgelagert, sodann diese Metallschicht 56 durch eine Schicht aus Photoresistmaterial abgedeckt, hierauf ein Muster in der Photoresistschicht entwickelt, eine Ausnehmung 70 durch die Metallschicht 56 geätzt, weiter durch die zweite Epitaxialschicht 59 hindurch in die erste Epitaxialschicht 52 eine Ausnehmung 79 eingeätzt und schließlich im Innern der Ausnehmung_s 79 eine Metallelektrode 80 an der Epitaxialschicht befestigt.

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Die die Ausnehmung 79 umgebenden Bereiche 72 und 74 der Metallschicht 56 bilden die Source- bzw. Drain-Elektrode des Schaltelementes. Das fertiggestellte Schaltelement ist mit Fig. 8 wiedergegeben .

Die Zwischenschaltung der stark dotierten zweiten Epitaxialschicht 59 bewirkt eine Herabsetzung des ohmschen Widerstandes zwischen dem Metall (vorzugsweise Gold), den von den Bereichen 72 und 74 gebildeten Drain- bzw. Source-Elektroden sowie dem aktiven Volumen unterhalb der die Gate-Elektrode bildenden Metallelektrode 80.

Für eine optimale geometrische Ausgestaltung des erfindungsgemäß hergestellten Schaltelementes muß die Aufdampfung der die Gate-Elektrode bildenden Metallelektrode 80 sehr nahe am Rand der zweiten Epitaxialschicht 59 erfolgen, ohne daß es dabei zu einer Überlappung kommt. Eine solche Überlappung zwischen der Metallelektrode 80 und der höheren Schicht würde an dieser Stelle zu einer niedrigeren Durchbruchsspannung der Gate-Elektrode führen.

Patentansprüche:

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Claims (5)

1. - 10 Patentansprüche:

   rl ΛVerfahren zur Herstellung eines Halbleiterschalteleraentes, da- " durch gekennzeichnet, daß (a) eineschwach dotierte Epitaxialschicht (12; 52) aus einem Halbleitermaterial eines ersten Leitungstyps auf eine Hauptfläche eines Halbleitersubstrats (10; 50) von zu dem ersten Leitungstyp entgegengesetztem Leitungstyp, (b) auf die Epitaxialschicht (12; 52) eine Metallschicht (16; 56) und (c) auf die Metallschicht eine Schicht (20; 60) aus Photoresistmaterial aufgebracht wird, (d) in dem Photoresistmaterial ein bestimmtes Muster entwickelt und (e) eine Ausnehmung (30; 70) durch die Metallschicht (16; 56) geätzt, sodann (f) unterhalb der Metallschicht (16; 56) unter Verwendung der Metallschicht als Maske eine weitere Ausnehmung in die Epitaxialschicht (12; 52) geätzt und (g) durch Ablagerung eines metallischen Materials unter Verwendung der Ausnehmung in der Metallschicht als Maske eine Metallelektrode (4O; 80) auf die Epitaxialschicht (12; 52) aufgebracht wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Aufbringen der schwach dotierten Epitaxialschicht (52) und vor dem Aufbringen der Metallschicht (16) zunächst noch eine zweite, stark dotierte Epitaxialschicht (59) des ersten Leitungstyps auf die erste Epitaxialschicht (52) aufgebracht und die Ausnehmung für die erste Epitaxialschicht durch die zweite Epitaxialschicht hindurch geätzt wird.

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3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die schwach dotierte, erste Epitaxialschicht auf eine Dicke zwischen 4 und 5 Mikron gebracht und auf eine Konzentration von IO - IO Atomen Dotiermittel pro cm Halbleitervolumen dotiert wird.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Material für das Substrat p-leitendes Silizium, als Material für die schwach dotierte Epitaxialschicht η-leitendes Siliz ium und als Material für die Metallschicht Gold verwendet wird.
5. 5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die

   stark dotierte zweite Epitaxialschicht (59) auf eine Konzentra-

   17 22 3

   tion von IO - IO Atomen Dotiermittel pro cm Halbleitermaterial dotiert ist.

   KN/ha 3

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