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Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung mit einem halbleitenden Körper, die eine in die Oberfläche diffundierte Zone bestimmter Leitfähigkeit mit einem dickeren, mit einer ohmschen Elektrode versehenen Teil enthält, der mit einem dünneren, mit einer wei- teren Elektrode versehenen Teil zusammenhängt. Die Erfindung bezieht sich weiter auf eine durch dieses
Verfahren hergestellte Halbleitervorrichtung.
Eine bekannte Technik bei der Herstellung von Halbleitervorrichturgen ist die sogenannte Diffusions- technik, bei der in einen halbleitenden Körper durch die Oberfläche eine geeignete Verunreinigung ein- diffundiert wird, so dass in dem Körper eine oberflächlich diffundierte Schicht eines durch die Verunrei- nigung bestimmten Leitfähigkeitstyps gebildet wird. Auf dieser diffundiertes Schicht werden darauf häufig mehrere Kontakte angebracht, wobei meistens die Anforderung vorliegt, dass unter einem dieser Kontakte die Schicht äusserst dünn und mit Rücksicht auf die Stärke und die andern Eigenschaften, z. B. den Verlauf der Verunreinigungskonzentration, sehr gut reproduzierbar sein soll, während es weiter gewünscht ist, dass mit dieser dünnen Schicht eine dickere, diffundierte Zone zusammenhängt, auf der z.
B. ein Kontakt angebracht werden kann, der eine möglichst niederohniige Verbindung mit der diffundierten Zone unterhalb der Elektrode bildet.
Es wurde bereits vorgeschlagen, in einem halbleitenden Körper durch Diffusion eine Schicht be- stimmten. Leitfähigkeitstyps auf die vorerwähnte Weise anzubringen, bis zu einer gewissen Tiefe in der diffundierten Schicht eine Höhlung zu ätzen und eine Legierungselektrode auf der diffundierten Schicht dadurch anzubringen, dass auf dem Boden der eingeätzten Höhlung Kontaktmaterial angebracht und das Ganze auf eine Temperatur erhitzt wird, die hinreichend hoch ist, um den gewünschten Legierungsprozess durchzuführen, welche Temperatur jedoch zu niedrig ist, um zu einer nennenswerten Diffusion zu veranlassen.
Die Stärke der diffundierten Schicht unterhalb der Legierungselektrode ist beim Durchführen dieses Verfahrens von der ursprünglichen Eindringtiefe der diffundierten Schicht in den Körper, von der Eindringtiefe der Ätzhöhlung und von der Eindringtiefe der Legierungselektrode in die diffundierte Schicht abhängig.
Diese drei Faktoren haben auch einen Einfluss auf die Grösse des spezifischen Widerstandes an der Stelle der Erstarrungsfläche während des Legierungsvorganges, unmittelbar bevor die Wiederkristallisierung der Elektrode anfängt, und bedingen somit die Grösse des spezifischen Widerstandes unmittelbar unterhalb der Legierungselektrode in der diffundierten Schicht, da in einer in die Oberfläche eindiffundierten Schicht der spezifische Widerstand in hohem Masse ortsabhängig ist, d. h. er ist unmittelbar unterhalb und in der Oberfläche am niedrigsten und nimmt von dort her in Richtung des Inneren des halbleitenden Körpers stark zu.
Die Erfindung bezweckt u. a., ein Verfahren zu schaffen, das die vorerwähnten Nachteile in bedeu- terd geringerem Masse aufweist. D e Erfindung ist unter anderem auch darauf gerichtet, ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung zu schaffen, bei dem die besonderen Möglichkeiten der Diffusionstechnik, wie z. B. die dabei erzielbare Reproduzierbarkeit und die Ortsabhängigkeit des spezifischen Widerstandes in der diffundierten Schicht, weitgehendst zugunsten der herzustellenden Halbleitervorrichtung benutzt werden, so dass diese Vorrichtung in bedeutend höherem Masse als vorher die vorerwähnten Anforderungen und Wünsche erfüllen kann.
Bei der Herstellung einer Halbleitervorrichtung mit einem halbleitenden Körper, der eine in die
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Oberfläche diffundierte Zone bestimmten Leitfähigkeitstyps enthält, die einen stärkeren Teil aufweist, der mit mindestens einem dünneren Teil zusammenhängt, wird gemäss der Erfindung in dem halbleitenden
Körper durch dessen Oberfläche durch Diffusion eine dickere Zone erwähnten Leitfähigkeitstyps gebildet und örtlich durch Anbringen einer Höhlung ein Teil des Körpers bis zu einer Tiefe in dem Körper weg- genommen, die grösser oder wenigstens nahezu so gross ist wie.
die Eindringtiefe der dickeren, diffundier- ten Zone, worauf durch Diffusion durch die bei der Wegnahme gebildete, neue Oberfläche eine dünnere
Zone des erwähnten Leitfähigkeitstyps unterhalb der neuen Oberfläche angebracht wird, welche Zone mit der vorher angebrachten, dickeren Zone zusammenhängt. Der halbleitende Körper, von dem ausgegangen wird, kann z. B. intrinsisch lalbleitend oder auch von demselben Leitfähigkeitstyp wie die einzudiffundie- rende Zone sein. Die Erfindung hat dabei unter anderem den Vorteil eines hohen Grades von Reproduzier- barkeit der Stärke der dünneren, diffundierten Zone und des günstigen spezifischen Widerstandes in dieser
Zone. Weiter ergibt sich der Vorteil der gegenseitig unabhängigen Regelung des Diffusionsprozesses für die dickere und die dünnere Zone.
Der Leitfähigkeitstyp des halbleitenden Körpers ist jedoch vorzugsweise dem der zu diffundierenden Zone entgegengesetzt, wodurch gesichert wird, dass Lurch den zweiten Dif- fusionsvorgang die Stelle eines p-n-Überganges gegenüber der Höhlung und der darin anzubringenden
Elektrode bestimmt werden kann.
Die einzudiffundierende Verunreinigung kann bei den beiden Diffusionsvorgängen dieselbe sein. Die
Wegnahme eines Teiles des Körpers erfolgt vorzugsweise durch Ätzen. Dabei kann eine Höhlung in dem halbleitenden Körper angebracht werden, während der Ätzvorgang auch derart durchgeführt werden kann, dass die Oberfläche des halbleitenden Körpers eine Stufe bildet. Wenn eine runde Höhlung angebracht wird, wird durch die hohe Oberilächenleitfähigkeit der dicken, diffundierten Schicht eine niederohmige, ringförmige, elektrische Verbindung mit der in der Höhlung liegenden Elektrode hergestellt, auf welcher
Oberfläche eine Elektrode angebracht werden kann, die an sich nicht ringförmig zu sein braucht.
Das Verfahren nach der Erfindung lässt sich auf einem weiten Gebiet anwenden und weist einen höhe- ren Grad von Reproduzierbarkeit auf und ermöglicht, eine Kontrolle der Eindringtiefe und der Stärke der dünneren, diffundierten Schicht unterhalb der neu gebildeten Oberfläche, da diese Stärke nicht mehr von so vielen Faktoren abhängig ist. Ausserdem wird auf diese Weise eine niederohmige Schicht unterhalb der neuen Oberfläche und in dieser Oberfläche während des zweiten Diffusionsvorganges gebildet.
Die Diffusion der dünnen Schicht kann mittels eines auf der neu gebildeten Oberfläche angebrachten
Stoffes oder von der Umgebungsatmosphäre her erfolgen. Die während des zweiten Diffusionsvorganges einzudiffundierende Verunreinigung befindet sich dabei in dem angebrachten Stoff oder wird durch die Umgebungsatmosphäre in die Höhlung eingeführt. Die Diffusion der dünneren Schicht kann auch von der dickeren Schicht her erfolgen, in welchem Falle die einzudiffundierende Verunreinigung aus der dickeren, vorher angebrachten Schicht zugeführt wird. In bezug auf diese Zufuhr sind viele Abarten möglich.
Es sei noch bemerkt, dass im letzteren Falle die Dauer der Erhitzung und bzw. oder die Temperatur selbstverständlich anders gewählt werden müssen als bei der Erhitzung beim Legierungsvorgang der eingangs erwähnten Art, u. zw. derart, dass eine erhebliche Diffusion von der neu gebildeten Oberfläche her stattfindet. Es sei in dieser Beziehung npch darauf hingewiesen, dass bei den meisten Verunreinigungen und den meisten Halbleitern die Diffusion sich längs der Kristalloberfläche wesentlich schneller vollzieht als die Diffusion in das Innere des Kristalles.
Nachdem durch Diffusion durch die neu gebildete Oberfläche die dünne Zone unterhalb dieser Oberfläche gebildet worden ist, kann darauf z. B. ein Spitzenkontakt angebracht. werden. Vorzugsweise wird jedoch nach der Diffusion auf der neu gebildeten Oberfläche eine Legierungselektrode angebracht. Gemäss einem weiteren Merkmal der Erfindung ist es besonders vorteilhaft, auf der neu gebildeten Oberfläche eine Legierungselektrode anzubringen und die Legierung dieser Elektrode und die Diffusion der dünneren Schicht während eines einzigen Erhitzungsvorganges durchzuführen.
Dies lässt sich auf eine bereits vorgeschlagene Weise durchführen, wobei während der AufIegierung durch die Grenzfläche zwischen dem halbleitenden Körper und der Schmelze die. geeignete Verunreinigung in'den Körper eindiffundiert wird, und auf der so gebildeten Diffusionsschicht während der Abkühlung eine Schicht rekristallisiert, deren Leitfähigkeitstyp und Leitfähigkeit durch die Segregationskonstanten der Verunreinigungen in der Schmelze bedingt werden. Wird dabei auf der neu gebildeten Oberfläche eine ohmische Elektrode angebracht, so enthält das aufzulegierende Kontaktmaterial die einzudiffundierende Verunreinigung und etwaige andere desselben Typs.
Das aufzuschmelzende Kontaktmaterial kann auch eine Verunreinigung mit einer hohen Segregationskonstante und einer niedrigen Diffusionsgeschwindigkeit, welche Verunreinigung den Leitfähigkeitsstyp und die Leitfähigkeit der Legierungselektrode bedingt, und eine Verunreinigung miteiner niedrigen Segregationskonstante und einer hohen Diffusionsgeschwindigkeit enthalten, welche Verunrei-
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nigung den Leitfähigkeitstyp und die Leitfähigkeit der unterhalb der Legierungselektrode anzubringenden diffundierten Zone bedingt. In diesem Falle ist es möglich, den Leitfähigkeitstyp und die Leitfähigkeit der Legierungselektrode und : er diffundierten Schicht in einem einzigen Erhitzungsvorgang : 0neinander verschieden zu machen. Die einzudiffundierende Verunreinigung kann z.
B. auch während der Auflegie- rung durch die Atmosphäre in die Schmelze eingeführt werden ; es sind auch Kombinationen beider Ver- fahren möglich. Das aufzuschmelzende Kontaktmaterial kann auch noch andere Komponenten enthalten, die den Prozess günstig beeinflussen, z. B. eine dritte Verunreinigung wie z. B. Blei, das sich schlecht in dem Halbleiter löst und in bezug auf die Dotierung praktisch neutral ist, so dass es möglich ist, bei ver- hältnismässig hoher Temperatur, welche die Diffusion günstig beeinflusst, eine geringe Eindringtiefe der
Schmelze zu sichern. Dieser Prozess lässt selbstverständlich viele Abänderungen zu.
Der grosse Vorteil die- ses besonderen Verfahrens nach der Erfindung ist unter anderem in der Tatsache enthalten, dass die Dif- fusion der dünnen Zone durch die Grenzfläche zwischen Schmelze und Halbleiterkörper erfolgt, so dass die Stärke der dünnen diffundierten Zone und die Verunreinigungskonzentration darin von noch weniger
Faktoren abhängig sind und nur durch den zweiten Diffusionsvorgang bedingt werden. Die Verfahren nach der Erfindung lassen sich bei der Herstellung mancherlei Halbleitervorrichtungen benutzen. Es ist dabei insbesondere vorteilhaft, die Möglichkeit auszunutzen, eine ohmische Verbindung mit der dünneren Zone herzustellen, indem eine ohmische Elektrode auf der umgebenden dickeren Zone angebracht wird. Das
Verfahren eignet sich z.
B. für Anwendung bei der Herstellung von"Field effect"-Transistoren, wobei auf der neu gebildeten Oberfläche eine Elektrode angebracht wird, die eine ohmische Verbindung mit der dif- fundierten Zone herstellt. Die Erfindung eignet sich weiter besonders zur Herstellung einer p-n-p-oder n-p-n-Transistorstruktur, in welchem Falle auf der neu gebildeten Oberfläche eine Elektrode angebracht wird, die eine gleichrichtende Verbindung mit der diffundierten Zone herstellt. In beiden Fällen ist der
Leitfähigkeitstyp des Körpers, von dem ausgegangen wird, vorzugsweise dem der einzudiffundierenden
Verunreinigung entgegengesetzt.
Da der Frequenzbereich einer Halbleitervorrichtung unter anderem von der Grösse der Oberfläche ne- ben dem Übergang zwischen der diffundierten Zone und dem ursprünglichen Körper abhängig ist, wird diese Oberfläche nach den Diffusionsvorgängen vorzugsweise durch Wegnahme eines Teiles des Körpers beschränkt, z. B. durch Ätzen. Dazu kann ein Teil des Körpers nahe der Stelle weggenommen werden, wo in der Zeit zwischen den Diffusionsvorgängen bereits ein Teil weggenommen wird, u. zw. bis zu einer Tiefe, die grösser oder wenigstens nahezu so gross ist wie die örtliche Tiefe der diffundierten Zone. Dazu wird jedoch vorzugsweise ein Teil des halbleitenden Körpers gegenüber der Stelle entfernt, wo nach dem ersten Diffusionsvorgang ein Teil weggenommen worden ist.
Einige Merkmale der Erfindung werden nachstehend an Hand einiger Figuren beispielsweise näher erläutert.
Die Fig. 1-4 zeigen im Schnitt die aufeinanderfolgenden Stufen eines Herstellungsverfahrens eines Transistors gemäss der Erfindung,'Fig. 5 zeigt im Schnitt einen Transistor, der durch das Verfahren nach der Erfindung hergestellt ist, das einigermassen von dem Verfahren nach den Fig. 1-4 abweicht, Fig. 6 im Schnitt einen Teil eines"Field-effect"-Transistors, der durch ein Verfahren nach der Erfindung hergestellt ist, Fig. 7 in einer Draufsicht einen andern Transistor, in einer der nach Fig. 2 entsprechenden Stufe der Herstellung gemäss der Erfindung und Fig. 8 einen Schnitt längs der Linie VIII- VIII der Fig. 7.
Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch eine ursprünglich rechtwinklige halbleitende Platte 1 des p- Typs, z. B. aus Germanium. Die Platte hatte eine Stärke von etwa 125 u und einen ursprünglichen, spezifischen Widerstand von etwa 1 Ohm. cm. Diese Platte wurde in einer rohrförmigen Ofenkammer mit einem Durchmesser von etwa 3,8 cm angeordnet. Der Ofen enthielt weiter einen Vorrat Antimontrichlorid. Die halbleitende Platte und der Vorrat Antimontrichlorid wurden in der Ofenkammer auf Schiffchen gebracht. Es wurde durch die Ofenkammer eine Wasserstoffströmung mit einer Geschwindigkeit von etwa 140 Liter pro Stunde geführt.
Die halbleitende Platte und das Antimolltrichlorid wurden in der Ofenkammer gesondert erhitzt, wobei das Antimontrichlorid auf eine Temperatur von etwa 500 C und die halbleitende Platte auf eine Temperatur von 8300 C erhitzt wurden. Diese Temperaturbehandlung fand während etwa zwei Stunden statt, während welcher Zeit Antimon von der Umgebungsatmosphäre her in der Ofenkammer in die halbleitende Platte eindiffundiert, in der es somit einen p-n-Übergang in einem gewissen Abstand unterhalb der Oberfläche bildete, wie dies in Fig. l durch die gestrichelte Linie 2 angegeben ist.
Örtlich wurde darauf ein Teil des Körpers durch Ätzung einer Höhlung 3 weggenommen, die tiefer war als die Eindringtiefe des p-n-Überganges 2. Dazu wurde der Körper zunächst mit einer Maskenschicht versehen, die aus Polystyren in einer Lösung von Methyl-Äthylketon bestand, wobei eine runde Öffnung frei gelassen wurde, worauf während etwa 20 Minuten in einer Lösung eines Volumenteiles 40 % HF, eines
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Volumenteiles 20 < % ; Wasserstoffperoxyd und 4 Volumenteile Wasser. geätzt wurde. Statt dieses Verfahrens können selbstverständlich auch andere Methoden zum örtlichen Wegätzen von Material benutzt werden. Die Höhlung 3 ist praktisch rund.
Dann wurde auf dem Boden der Höhlung 3 ein Kügelchen aus 98 Gel.-% Blei, 1 Gel. -% Gallium und 1 Gew. -0/0 Antimon. niteinem Durchmesservon etwa 125 angebracht. Das Ganze wurde darauf auf 7500 C während etwa 10 Minuten in einer Wasserstoffatmosphäre erhitzt, worauf der in Fig. 2 dargestellte Körper erhalten wurde.
Das Antimon diffundiert bedeutend schneller in das Germanium als das 3allium, so dass unterhalb der Höhlung eine mit der ersten, dickeren, diffundierten Zone zusammenhängende, dünne, diffundierte Zone desselben Leitfähigkeitstyps erhalten wurde, die örtlich
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wiefundierten Zone desn-Typs kristallisiert sich eine Schicht 5 des p-Typs, da die Segregationskonstante von Gallium höher ist als die von Antimon ; auf dieser auskristallisierten Schicht 5 erstarrt der Metallteil 4 der Elektrode, der im wesentlichen aus Blei besteht. Da das Schmelzen des KCgelchens und die Lösung des Galliums und des Antimons in der Schmelze schnell vor sich gehen, erfolgt die Diffusion des Antimons praktisch von der maximalen Eindringtiefe der Grenzfläche zwischen Schmelze und Halbleiter her. Das Blei dient als Trägermaterial und ist als Verunreinigung unwesentlich.
Während der letzten, kombinier-
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deutet ist, noch etwas weiter in den Körper ein und kann eine tiefere Lage einnehmen, die beispielsweise in Fig. 2 durch die gestrichelte Linie 7 angegeben ist. Da die Diffusion sich längs der Oberfläche sehr schnell vollzieht, wird von der ursprünglich diffundierten Schicht und von der Schmelze her auch in den Wänden der Höhlung durch Diffusion eine Oberfläche hoher Leitfähigkeit gebildet. die eine niederohmige Verbindung zwischen der diffundierten Schicht unterhalb des Gebietes 5 des p-Typs und der ursprünglichen Körperfläche ermöglicht.
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3beschränktwird. Der ursprüngliche Körperumfang wird durch die Strichpunktlinie 17 und der weggenommene Teil durch die Bezugsziffer 16 angedeutet.
Die Transistoren nach Fig. 4 und 5 sind p-n-p-Transistoren.
Fig. 6 zeigt in vergrössertem Massstab einen Teil eines " Field-effect" -Transistors besonderen Typs.
Bei diesem Feldwirkungstransistor liegt die Strombahn von der Zuführungselektrode zu der Abführelektrode an der Oberfläche eines halbleitenden Körpers. Die Herstellung erfolgt ähnlich wie nach denFig. 1-4.
In diesem Falle jedoch besteht das in der Höhlung zu legierende Kügelchen aus 99 Gel.-% Blei und 1 Gew.-% Antimon. Während des Legierungsvorganges diffundiert das Antimon wieder durch die Grenzfläche zwischen Schmelze und Halbleiterkörper in den Körper ein und bildet in dem Körper des p-Typs wieder auf ähnliche Weise einen p-n-Übergang, der in Fig. 6 durch die gestrichelte Linie 6,7 angedeutet ist. Infolge des Fehlens eines Akzeptors, wie z. B. Gallium, wird auch die auskristallisierte Schicht 5 eine Schicht des n-Typs, so dass das ganze halbleitende Gebiet oberhalb der gestrichelten Linie 6,7 des n-Typs ist und nur ein einziger p-n-Übergang im Körper gebildet wird.
Weiter gibt es noch einen weiteren Ätzvorgang, bei dem örtlich d. h. zwischen der strichpunktierten Linie 19 und der Linie 21 in der Wand der Höhlung die niederohmige Oberfläche weggenommen wird. Die Strombahn zwischen den zwei ohmschen Elektroden 9,10 und 4,5, von denen eine die Zuführungs- und die andere die Abführelektrode ist, weist infolgedessen eine örtliche, ringförmige Verengung auf. Der auf dem unterhalb der gestrichelten Linie 6,7 liegenden Gebiet des p-n-Typs angebrachte Kontakt bildet gemeinsam mit diesem Gebiet die Steuerelektrode des Feldwirkungstransistors. Wenn an der Steuerelektrode eine Sperrspannung in bezug auf die andern Elektroden angelegt wird, bildet sich eine Erschöpfungsschicht, die weiter in das n-Typ-Gebiet eindringt, je höher die Sperrspannung ist.
Ein Beispiel der Ausdehnung der Erschöpfungsschicht in dem n-Typ-Gebiet ist durch die Linie 20 angedeutet, wobei also die Erschöpfungsschicht zwi-
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