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Verfahren zur Herstellung von Störstellenhalbleitern nach der Dampfdiffusionsmethode
Die Bildung einer P- oder N-Schicht im Halbleiterkörper erfordert die Einführung von die Leitfähigkeit bestimmenden Verunreinigungen des einen Typs in grösserer Konzentration als von die Leitfähigkeit bestimmenden Verunreinigungen des andern Typs in einen Bereich des Körpers. Dies kann nach dem Dampfdiffusionsverfahren geschehen, bei dem der Halbleiterkörper in einer aus dem Dampf des gewünschten Verunreinigungsmaterials bestehenden Atmosphäre erhitzt wird. Unter diesen Bedingungen diffundiert die Verunreinigung in den Halbleiterkörper hinein, und wenn die Konzentration einer bestimmten Verunreinigung in einem Bereich des Körpers vorherrscht, wird die Leitfähigkeit dieses Bereiches durch die Verunreinigung bestimmt.
Es ist, auch ein etwas abgewandeltes Pulverschmelzverfahren bekanntgeworden, bei welchem man auf die Oberfläche eines Grundkörpers aus einem Halbleitermaterial eines gewissen Leitfähigkeitstyps eine Schicht aus pulverförmigem Material aufbringt, welches entweder schon von sich aus dem entgegenge- setzten Leitfähigkeitstyp angehört oder zunächst lediglich Eigenhalbleitung besitzt und dann im Laufe des weiteren Verfahrens die erforderliche Störstellenleitfähigkeit erhält. Dies geschieht durch Behandlung des pulverförmigen Materials in einem Dampf niederen Drucks eines geeigneten Elements des periodischen Systems. Zur Erzielung einer scharf definierten Grenzschicht wird der Körper an der der aufgebrachten Schicht entgegengesetzten Seite gekühlt.
Der nachstehend gebrauchte Ausdruck"Schicht"soll sowohl den in einem Körper aus Halbleitermaterial zwischen angrenzenden Zonen entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps gebildeten Übergangsbereich als auch die in einem Körper aus Halbleitermaterial zwischen angrenzenden Zonen des einen Leitfähigkeitstyps und des'eigenleitendenHalbleitermaterials gebildeten Übergangszone bezeichnen. Es sei darauf hin- gewiesen, dass, sowohl ein Halbleitermaterial bei eine gegebenen Temperatur Eigenleitfähigkeit besitzen kann, es stets auch Störleitfähigkeit vom P- oder N-Typ zeigt, wenn die Messungen bei genügend niedriger Temperatur durchgeführt werden.
Die Eindringungstiefe einer Verunreinigung in einen Halbleiterkörper durch Dampfdiffusion hat sich als grösser erwiesen, wenn die Oberfläche des Halbleiterkörpers mit einem Überzug aus einem Material versehen ist, mit dem sich die Verunreinigung, d. h. der Störstoff, verbinden kann. In der Anwendung dieser Erkenntnis bei der Herstellung von Halbleitervorrichtungen besteht die vorliegende Erfindung.
Das erfindungsgemässe Verfahren eignet sich für die Bildung mehrerer Schichten jeder beliebigen Grösse oder Form in einem einzigen Halbleiterkörper, wobei die Eindringung der Störstoffe einheitlich unter dem überzogenen Bereich erfolgt, so dass Schichten in einer zur Oberfläche des Körpers parallel verlaufenden Ebene entstehen. Das erfindungsgemässe Verfahren gestattet auch wegen der einheitlichen
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Halbleiterkörper.
Das Verfahren gemäss der Erfindung besteht darin, dass auf einen Halbleiterkörper im Elektrodenbereich, insbesondere im Emitter-und Kollektorbereich, ein Aktivatormaterial entgegengesetzter Leitfähigkeitstype aufgebracht und im Dampf eines Aktivatormaterials erhitzt wird, so dass eine Schicht nach Art einer intermetallischen Verbindung entsteht, wobei die Eindringtiefe im Elektrodenbereich grösser als an den elektrodenfreien Stellen wird.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung und den Zeichnungen.
Die Erfindung sei nachstehend für eine beispielsweise Ausführungsform an Hand der Zeichnungen näher erläutert.
Fig. l zeigt einen Halbleiterkörper mit Bereichen, die mit einem Dampf bindenden Material überzogen sind und in welche Verunreinigungen eindiffundiert worden sind.
Fig. 2 zeigt einen fertigen NPN-Transistor, der durch die Entfernung von in Fig. 1 gezeigten Teilen der Körperoberflächen hergestellt worden ist.
Für die Erläuterung des Erfindungsgedankens ist als Halbleitervorrichtung ein NPN-Transistor mit einer Mehrzahl von Schichten gewählt worden. Natürlich könnten auch andere Halbleitervorrichtungen, die andere Transistortypen enthalten, für diesen Zweck verwendet werden. Die Erfindung soll jedenfalls nicht auf einen bestimmten Halbleiter-Typ beschränkt sein. Die Grösse, die Form und der parallele Verlauf der Schichten sowie deren Abstände voneinander haben einen wesentlichen Einfluss auf die Arbeitsweise solcher Vorrichtungen. Aus der nachfolgenden Beschreibung des erfindungsgemässen Verfahrens in Anwendung auf die Herstellung eines speziellen Transistors geht ohne weiteres dessen Anwendbarkeit auch auf andere Schichthalbleiterausführungen, z. B. unipolare Transistoren, hervor.
Zum Herstellen eines NPN-Transistors wird ein Körper aus Halbleitermaterial vom P-Leitfähigkeitstyp gewählt, z. B. ein Germaniumkristall, das eine kontrollierte Menge von P-Verunreinigungen enthält.
Solches P-Verunreinigungsmaterial besteht gewöhnlich aus einem der Elemente der Gruppe LU des periodischen Systems, zu der Indium und Gallium gehören. Der Körper hat Waffelform, und die Dickenabmessung ist aus an sich bekannten Gründen genau kontrolliert.
Eine Schicht, z. B. aus Indium, wird auf jede Seite des Körpers aufgebracht und überzieht einen Bereich, der etwa gleich dem Bereich der gewünschten Halbleiterschichten ist, die Emitter und Kollektor des Transistors bilden sollen. Die Indiumschichten können beliebig dick sein und nach an sich bekannten Verfahren, z. B. durch Aufdampfung durch eine Maske hindurch, um eine Ablagerung von bestimmter Grösse zu ergeben, aufgebracht werden.
Der Halbleiterkörper mit der Indiumschicht wird dann in Gegenwart eines Dampfes aus einem N- Verunreingungsmaterial. z. B. einem Element der Gruppe V des periodischen Systems, wie Arsen, od. dgl. erhitzt. Der Germaniumkristallkörper wird dann zweckmässig auf genügend hoher Temperatur gehalten, um eine Diffusion zu gewährleisten, solange er dem Arsendampf ausgesetzt ist. Wegen des Vorhandenseins des Indiums diffundiert das Arsen in den Halbleiterkörper in eine beträchtlich grössere Tiefe unter dem mit Indium überzogenen Bereich als bei den bekannten überzugfreien Oberflächen.
Dieser Effekt ist noch
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pe III auf der Oberfläche des Halbleiters sich mit dem Dampf aus dem Element der Gruppe V chemisch verbindet wie bei der Bildung einer intermetallischen III-V-Verbindung, und dass ein Überschuss des dif-
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Verbindung kommt die Diffusionsverunreinigung inniger in Kontakt mit der Oberfläche und wird in grösserer Konzentration gehalten, so dass dadurch die Diffusionsgeschwindigkeit im Halbleiter erhöht wird.
Diese Reaktion findet statt bei einem Überzugsmaterial der einen Verunreinigungsart und einem Diffu-
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unreinigungsmaterial auf der Oberfläche des Halbleiterkörpers, der chemisch oder physikalisch mit dem diffundierten Material reagieren kann, um dieses in innigem Kontakt mit der Oberfläche zu halten, zu einer tieferen Eindringung des diffundierten Elements führt. Eine kleine geschmolzene Zone aus einer Legierung der diffundierten Verunreinigung und des Halbleiterkörpermaterials ist ebenfalls wirksam, die Verunreinigung in Kontakt mit der Oberfläche des Körpers zu halten und die Diffusion zu beschleunigen.
Die Bildung einer solchen geschmolzenen Zone ist schwierig auszuführen, weil dafür eine starke Annäherung an den Gleichgewichtsdampfdruck der Verunreinigung nötig ist. Der Effekt der Annäherung an den Gleichgewichtsdampfdruck wird später beschrieben.
Fig. 1 zeigt einen NPN-Transistor im Zwischenstadium der Herstellung nach Abschluss der Diffusion des Verunreinigungsmaterials, wie oben beschrieben. Der Halbleiterkörper 1 hat P-Leitfähigkeit, z. B.
Germanium mit einer kontrollierten Menge von Indiumstörstoffen zur Herbeiführung des P-Leitfähigkeitstyps. Auf entgegengesetzten Oberflächen des Körpers 1 befinden sich überzogene Bereiche 2 und 3 aus einer P-Verunreinigung, z. B. Indium. Die Vorrichtung ist in Gegenwart eines Dampfes, der eine N-Verunreinigung, z. B. Arsen, enthält, erhitzt worden. Das Arsen ist in die Oberfläche des Körpers 1 bis zu
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in N-Material verwandelt. Die Eindringungsstufe des Arsens ist beträchtlich grösser unter den Überzügen 2 und 3.
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Jetzt wird ein Teil der Oberflächenbereiche des Körpers 1 bis zu einer einheitlichen Tiefe so weit abgetragen, dass das P-Material in denjenigen Bereichen freiliegt, wo die geringere Durchdringung vorhanden ist. Dies kann in beliebiger an sich bekannter Weise geschehen, z. B. durch chemische Ätzung, elektrolytische Ätzung oder durch sonstige Abtragung. Dann werden Anschlüsse an die freigelegten Zonen angelötet oder auf andere Weise angebracht, so dass die in Fig. 2 gezeigte Transistorstruktur entsteht. Dort ist der NPN-Transistor im Endstadium der Herstellung dargestellt, u. zw. dient der freigelegte Bereich 4 des P-Typs als Basis des Transistors, und die N-Bereiche 5 und 6 dienen als Emitter bzw. Kollektor.
Wie aus den verschiedenen Grössen des Emitterbereichs 4 und des Kollektorbereichs 5 ersichtlich ist, ist es möglich, Zonen des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps von beliebiger Form in dem Halbleiterkörper nach dem Verfahren gemäss der Erfindung dadurch herzustellen, dass lediglich die Form des Überzugs oder der Überzüge 2 und 3, die auf die Oberfläche aufgebracht werden, verändert wird.
Die Technik der Dampfdiffundierung von Verunreinigungen in einen Halbleiterkörper ist ziemlich verwickelt. Es ist eine genaue Überwachung sowohl der Bestandteile als auch der Umgebung erforderlich, um Halbleiterschichten in einer bestimmten Durchdringungstiefe zu erzeugen. Die nachstehenden Bemerkungen sollen auf die Hauptstellen hinweisen, wo eine genaue Kontrolle wichtig ist. Beim Diffundieren einer Verunreinigung in einenHalbleiterkörper muss den Atomen der Verunreinigung durch Wärme genügend Energie abgegeben werden, damit eine gute Durchdringung zustande kommt. Um in einer annehmbaren Zeitdauer zu einer guten Tiefe zu diffundieren, ist im allgemeinen eine viel höhere Temperatur erforderlich als die Legierungstemperatur dieser Verunreinigung-Halbleiter-Verbindung.
Wenn das Verunreinigungselement eine Legierung mit dem Halbleiter bei einer niedrigeren Temperatur als der Diffusionstemperatur bilden kann, muss vorsichtig die Konzentration der Verunreinigung in dem Dampf unterhalb des Gleichgewichtsdampfdrucks der Verunreinigung gehalten werden. Wenn das nicht geschieht, kann eine Legierung entstehen und der Halbleiterkörper schmelzen. Um die Grösse des umzuwandelnden Bereichs gut kontrollieren zu können, muss die Diffusionstemperatur unter der Schmelztemperatur der Verbindung gehalten werden. Dadurch wird sichergestellt, dass die Verbindung in dem ausgewählten Bereich verbleibt.
Die Eindringungstiefe der Verunreinigung wird durch die Diffusionskonstante, den Oberflächenzustand des Halbleiterkörpers, durch die Konzentration der Verunreinigung im Dampf und die Expositionszeit bestimmt. Die Diffusionskonstante verändert sich mit der Art der Verunreinigung und der Temperatur. Der Oberflächenzustand ist ein Massstab für die Unvollkommenheiten in der Oberfläche des Körpers, die die Verunreinigung direkt in den Körper eindringen und den Diffusionsvorgang von einem Punkt unter der Oberfläche aus beginnen lässt. Dadurch ergibt sich eine grössere Gesamtdurchdringungstiefe in einer gegebenen Zeit.
Die Durchdringungstiefe wird direkt beeinflusst durch die Konzentration der Verunreinigung im Dampf und durch die Dauer der Exposition, d. h. bei längeren Expositionszeiten und grösserer Konzentration der Verunreinigung im Dampf wächst die Durchdringungstiefe. Nach dem Vorstehenden dürfte hervorgehen, dass man eine bestimmte Durchdringungstiefe voraussagen kann aus den Faktoren des Halbleiterkörpermaterials, des Verunreinigungsmaterials, der Konzentration der Verunreinigung im Dampf, der Temperatur, bei der die Diffusion stattfindet, der Expositionszeit und des Oberflächenzustands des Körpers.
Über die Umgebung während der Diffusion wäre noch zu sagen, dass bei den für die Diffusion erforderlichen hohen Temperaturen ziemlich leicht stabile Oxyde entweder mit der Verunreinigung oder mit dem Halbleiterkörper entstehen und diese Oxyde die Durchdringungsgeschwindigkeit beeinflussen können. Aus diesem Grunde ist es vorteilhaft, die Diffusion in einer reduzierenden Atmosphäre durchzuführen.
In der vorstehenden Besprechung sind nur die Punkte in der Technik, die eine besondere Bedeutung bei der Dampfdiffusion haben, gestreift worden. Es ist jedoch zu beachten, dass der Reinheitsgrad bei der Halbleiterherstellung grösser ist, als er durch spektroskopische Mittel festgestellt werden kann. Z. B. genügt ein Verunreinigungsatom auf zehn Millionen Kristallatome, um den Leitfähigkeitstyp zu verändern.
Aus diesem Grunde ist es zur allgemeinen Praxis geworden, in allen Stadien eines Halbleiterherstellungsvorgangs äusserste Sorgfalt walten zu lassen, um den hohen Reinheitsgrad aufrechtzuerhalten.
Als Beispiel für die oben beschriebene Lehre wird die Dampfdiffusionsoperation zur Herstellung des NPN-Transistors nach Fig. 2 gemäss dem Verfahren nach der Erfindung wie folgt ausgeführt : Eine Germaniumkristallscheibe vom P-Typ mit möglichst wenig Oberflächenfehlern und mit Indium- überzügen bestimmter Ausdehnung auf den gegenüberliegenden Oberflächen wird in einer reduzierenden Atmosphäre bei einer Temperatur von 8000C neunzehn Stunden lang gehalten. Während dieser Zeit wird der Kristall einem Arsendampf ausgesetzt, dessen Konzentration von Arsenatomen zwischen 1 x 1018 und 1 x 1016 Atomen pro cm3 liegt.
Es sei darauf hingewiesen, dass in Übereinstimmung mit der vorstehen-
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den Lehre die obere Grenze der Arsenkonzentration durch den Wunsch geregelt wird, nicht zu nahe an den Gleichgewichtsdampfdruck von Arsen zu kommen, und dass die untere Grenze durch die in einer gegebenen Zeit gewünschte Durchdringungstiefe bestimmt wird. Unter diesen Umständen beträgt dieEindringungstiefe des Arsens in die ausgesetzte Oberfläche des Germaniumkristalls 0, 002 Zoll, und die Eindringungstiefe des Arsens in den Kristall unter der Indiumschicht beträgt 0, 006 Zoll.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Herstellung von Störstellenhalbleitersystemennach der Dampfdiffusionsmethode, da- durch gekennzeichnet, dass auf einen Halbleiterkörper im Elektrodenbereich (2,3), insbesondere im Emitter-
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steht, wobei die Eindringtiefe im Elektrodenbereich grösser als an den elektrodenfreien Stellen wird.