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Verfahren zum Herstellen einer Halbleiteranordnung
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unddungen ist die Erzielung eines kleinen Bahnwiderstandes erwünscht. Bei optimaler Ausbildung ist daher der Konzentrationsgang eine komplizierte Funktion.
Durch das durch die Erfindung vorgeschlagene Verfahren kann sowohl die Forderung der beliebigen Wahl des Konzentrationsganges der Dotierung als auch die Vermeidung der Gegendotierung und ausserdem die Erzielung extrem steiler Dotierungsgradienten im Übergangsgebiet erfüllt werden.
Das Verfahren gemäss der Erfindung ist daher besonders zur Herstellung von Tunneldioden geeignet und im folgenden wird daher das Verfahren auch zur Herstellung dieses Bauelementes beschrieben. Es ist selbstverständlich, dass es auch bei allen andern Bauelementen wie Transistoren und Dioden, besonders für Hochfrequenz-Halbleiterbauelemente, bei denen ein steiler pn-Übergang erwünscht ist, die Dotierung der p- und n- Bereiche aber weit unterhalb der Entartungsdotierung liegt, mit Vorteil Anwendung finden kann. Das Angebot an Störstellen während des Niederschlagens ist dann entsprechend geringer zu halten.
Zum Herstellen eines steilen pn-Ü6erganges wird erfindungsgemäss vorgeschlagen, dass aufeinanderfolgend wenigstens zwei den entgegengesetzten Leitungstyp, aber etwa die gleiche Storstellendichte auf- weisende Schichten, deren Dicke grösser als die Dicke des durch Diffusion während des Abscheidens bis auf die Halbwertskonzentration der Majoritätsträger gegendotierten Bereichs. aber nicht grösser als etwa 500 A ist, abgeschieden werden und dass jeweils nach Abscheiden der Schicht des einen Leitfähigkeitstyps der Aufwachsvorgang durch Herabsetzung der Abscheidetemperatur und/oder Änderung der Zusammensetzung des Reaktionsgasgemisches kurzzeitig unterbrochen wird.
Um einen steilen pn-Übergang zu erhalten, muss die Dicke der Bereiche, in denen während des Niederschlagens durchDiffusion eine Gegendotierung bis auf die Halbwertskonzentration der Majoritätsträger stattfindet, möglichst gering gehalten werden. Ds beim Verfahren gemäss der Erfindung Schichten niedergeschlagen werden, deren Dicke z. B. bei 100 Ä liegt, jedenfalls nicht grösser als etwa 500 Á ist, ist es möglich, die Abscheidetemperatur sehr niedrig, also gleich oder nicht weit oberhalb der Zersetzungstemperatur der verwendeten gasförmigen Verbindung des Halbleiterstoffes zu wählen und die Niederschlagszeiten trotzdem gering, also bei einer oder nur wenigen Sekunden, zu halten. Beides, die geringe Abscheidungstemperatur und die kurzen Niederschlagszeiten, führen zu einer geringen, in der Grössenordnung von.
10bisl5 liegendenDicke der durch Diffusion bis zur Halbwertskonzentration gegendotierten Bereiche des p- und n-Gebietes, also zu einem sehr steilen pn-Übergang. Dabei ist die Niederschlagszeit und dieAbscheidetemperatur und somit auch die Dicke der zuerst niedergeschlagenen Schicht für die Steilheit des pn-Überganges ohne Bedeutung. Auch diese Schicht sehr dünn, z. B. etwa 100 Ä dick, zu machen, ist vor allem bei der Herstellung von Tunneldioden von Bedeutung, da dann die Kapazität der Anordnung sehr gering gehalten werden kann. Bei Anwendung dieses Verfahrens zum Herstellen einer Tunneldiode liegt die Dotierung der beiden Schichten oberhalb der Entartungsdotierung, z. B. bei Germanium oder Silizium oberhalb N R : 1019/cm s, vorzugsweise an der Grenze der Löslichkeit.
Die Bildung steiler pn-Übergänge wird durch die Verwendung einer gasförmigen Halbleiterverbindung mit einer niedrigen Zersetzungstemperatur, also z. B. durch die Anwendung einer gasförmigen Wasserstoffverbindung des Halbleiterstoffes, begünstigt. Bei der Herstellung von Halbleiteranordnungen aus Silizium ist z. B. die Verwendung vonMonosilan (SiH), das sich bei etwa 8000 C zersetzt, vorteilhaft. Ebenso kann bei der HerstellungvonHalMeiteranordnungenausGermaniumGermaniumwasserstoff (GeH) Verwendung finden.
DieKontaktierung der dünnen Schichten kann z. B. durch Aufdampfen eines Metallkontakteserfolgen.
Der metallische Kontakt kann aber auch in derselben Apparatur, wie sie zum Niederschlagen der Schichten verwendet wird, durch thermische Zersetzung einer gasförmigen Verbindung des Kontaktmetalls und Niederschlagen desselben auf der zuletzt abgeschiedenen Halbleiterschicht und/oder durch Aufwachsen der ersten dünnen Halbleiterschicht auf einem metallischen Trägerkörper erfolgen.
Um das Aufwachsen einkristalliner Halbleiterschichten zu garantieren, ist es zweckmässig und wird erfindungsgemäss weiter vorgeschlagen, dass vor dem Abscheiden der ersten dünnen Schicht eine dickere eine grössere Störstellendichte als die dünne Schicht aufweisende, vorzugsweise einkristalline Grundschicht aus demselben Halbleitermaterial, aus dem die dünnen Schichten bestehen, abgeschieden wird. DieGrundschicht kann dabei etwa das 10-bis 20-fache der Dicke der dünnen Schicht aufweisen. Die Abscheidetemperatur kann höher als beim Abscheiden der dünnen Schichten liegen und auch die Aufwachszeit ist nicht kritisch.
Weiter kann auch nach dem Abscheiden der dünnen Schichten unter Herabsetzung der Abscheidetemperatur und/oder Änderung der Zusammensetzung des Reaktionsgasgemisches eine weitere Schicht der etwa 10- bis 20-fachen Dicke der dünnen Schicht und mit einer grösseren Störstellendichte, als sie die dünnen Schichten aufweisen, abgeschieden werden.
Um die Steilheit des pn-Überganges möglichst
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unverändert zu erhalten. muss beim Abscheiden dieser Schicht die Abscheidungstemperatur möglichst niedrig, also möglichst gleich oder nicht wesentlich höher als die Zersetzungstemperatur der gasförmigen Verbindung des Halbleiterstoffes gewählt und die Niederschlagsgeschwindigkeit möglichst gering gehalten werden.
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ganges durch Legieren ist demgegenüber die Dotierung und damit der Widerstand der Bahngebiete durch die Legierungspille festgelegt.
Zur näherenErläuterung der Erfindung wird im folgenden die Herstellung einer Tunneldiode beschrieben. Dabei dient zur Durchführung des Verfahrens zweckmässig eine Anordnung, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist. In einem Reaktionsgefäss 3 aus Glas oder Quarz befindet sich der aus einem Siliziumeinkristall bestehende Trägerkörper 1, der z. B. auf einen Block 4, der aus einem Material, z. B. aus einkristallnem Halbleitermaterial besteht, aus dem während des Verfahrens keine Verunreinigungen in den Träger 1 eindiffundieren können, aufgebracht ist. Durch eine Hochfrequenzspule 2, die das Reaktionsgefäss umgibt, wird der Trägerkörper 1 induktiv auf die Arbeitstemperatur, die unterhalb des Schmelzpunktes des Trägerkörpers liegt, erhitzt.
Der Trägerkörper 1 kann auch mit Stromzuführungen versehen werden und in an sich bekannter Weise durch direkten Stromdurchgang auf die Arbeitstemperatur erhitzt werden. Die Spule 2 kann dann z. B. zur Vorheizung dienen. Durch das Rohr 5 wird das zu zersetzende Reaktionsgas, im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein mit Wasserstoff vermischtes Siliziumhalogenid, z. B. Siliziumchloroform (SiHCL), zugeführt. Durch die Ausführungsöffnung 6 konnen die Restgase wieder abgeführt werden. Das Zuführungsrohr 5 kann mittels des Ventils 8 geschlossen werden. Durch das Rohr 7 kann ein weiteres Gas, z. B. Wasserstoff, zugeführt werden. Zu Beginn des Verfahrens wird der Trägerkörper 1, z.
B. zunächst einer Ätzpolitur unterworfen und anschliessend im Reaktionsgefäss bei geschlossenem Ventil 8 durch Abdampfen oder Zerstäuben im Hochvakuum oder in einer geeigneten Schutzgasatmosphäre, beispielsweise Wasserstoff, hochgereinigt. Darauf wird der Trägerkörper 1 auf etwa 11000 C erhitzt und eine Grundschicht möglichst hoher, oberhalb der Entartungsdichte liegender Dotierung auf den Trägerkörper niedergeschlagen, deren Dicke z. B. grösser als die Diffusionslänge der Minoritätsträger ist. Die Dotierungssubstanz kann dabei nicht zusammen mit dem Reaktionsgasgemisch in das Reaktionsgefäss eingeführt werden, sondern durch eine eigene Zuführung 9 in unmittelbarer Nähe des Trägerkörpers.
Zwischen den Trägerkörper und die Zuführung 9 für die gasförmige Dotierungssubstanz bzw. für eine gasförmige Verbindung der Dotierungssubstanz wird zweckmässig ein Turbulenzmischer 10 geschaltet, der für eine gute Durchmischung des Reaktionsgases mit der gasförmigen Dotierungssubstanz sorgt. Das Reaktionsgasgemisch kann dann den Trägerkörper, insbesondere turbulent, umströmen, wodurch die Einkristallbildung günstig beeinflusst wird. Nach Aufwachsen dieser z. B. n-dotierten Grundschicht, deren Dicke
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geschwindigkeit von etwa 200 m sec. wird eine zweite, etwa 20 -100 dicke Schicht auf der Grundschicht abgeschieden. Diese zweite Schicht weist denselben Leitungstyp, also im vorliegenden Fall n-Leitung, wie die Grundschicht auf.
Die Störstellenkonzentration liegt ebenfalls über der Entartungskonzentration, aber die Störstellendichte ist geringer als in der Grundschicht und liegt bei etwa 5'10/cm. Diese Schicht geringer Dicke kann mit langsamer Aufwachsgeschwindigkeit abgeschieden werden, die zweckmässig durch Änderung der Zusammensetzung des Reaktionsgasgemisches und/oder durch Herabsetzung der Oberflächentemperatur des Trägers auf beispielsweise 10000 C erreicht wird. Die Zusammensetzung des Reaktionsgasgemisches kann entweder durch weitere Zugabe von Wasserstoff in der gewünschten Weise geändert werden oder durch Zugabe einer das Reaktionsgleichgewicht verschiebenden Verbindung, wie z. B. Chlorwasserstoff (HCl).
Die Zugabe einer das Reaktionsgleichgewicht verschiebenden Verbindung beim Niederschlagen von Halbleitermaterial aus der Gasphase wurde bereits vorgeschlagen. In Fig. 2 ist die Abhängigkeit der pro Zeiteinheit abgeschiedenen Siliziummenge, also die Abscheidungsgeschwindigkeit in Abhängigkeit von der Oberflächentemperatur T des Trägerkörpers dargestellt. Die Kurve a entspricht einem aus 95 Mol % Wasserstoff und 5 Mol % Siliziumtetrachlorid (nO) bestehenden Reaktionsgasgemisch. Bei Zugabe von 1,5 Mol % Chlorwasserstoff (0,3 no) zu diesemReaktionsgasgemisch ergibt sich die Kurve b, bei Zugabe von 15 Mol 0/0 Chlorwasserstoff (3 no) die Kurve c. Diesem Diagramm ist zu entnehmen, dass die Abscheidegeschwindigkeit bei einer Temperatur des Trägerkörpers, die z.
B. bei 11000 C liegt, durch Zugabe von Chlorwasserstoff oder einer ähnlichen das Reaktionsgleichgewicht verschiebenden Verbindung zum Reaktionsgasgemisch wesentlich verringert bzw. der Abscheidevorgang unterbrochen werden kann. Durch eine
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zusätzliche Senkung der Oberflächentemperatur des Trägers auf z. B. 10000 C kann die Abscheidegeschwindigkeit noch weiter verringert werden. Nach dem Aufwachsen der zweiten Schicht wird der Aufwachsvorgang, z. B. durch Zugabe der entsprechenden Menge einer das Reaktionsgleichgewicht verschiebenden Verbindung, unterbrochen. Zweckmässig ist weiter eine leichte Abtragung dieser zuletzt aufgewachsenden Schicht.
Dem Kurvenbild der Fig. 2 ist zu entnehmen, dass bei einem Reaktionsgasgemisch, das Chlorwasserstoff enthält, eine geringe Temparatursenkung bereits eine merkbare Reduktion der Abscheidungsgeschwindigkeit mit sich bringt, die im Gegensatz zur Kurve a auf den Wert 0 (keine Abscheidung) und zu negativen Werten (Abtragung) fortgeführt werden kann. Die Unterbrechung des Aufwachsvorganges bzw. die Abtragung der zuletzt aufgewachsenen Schicht kann natürlich auch bei konstanter Oberflächentemperatur des Trägers durch die Zugabe einer entsprechenden Menge Chlorwasserstoff zum Reaktionsgasgemisch erreicht werden, oder es können beide Verfahrensschritte gleichzeitig durchgeführt werden.
Nach Unterbrechung des Aufwachsvorganges und gegebenenfalls nach Abtragung der zuletzt aufgewachsenen Schicht wird eine dritte Schicht von etwa 20 bis 100 A Dicke entgegengesetzten Leitungstyps, in vorliegendem Ausführungsbeispiel also des p-Leitungstyps, niedergeschlagen. Die Oberflächentemperatur des Trägers beträgt dabei 1000 C und eine Schicht von 100 A Dicke wird in etwa 1 sec niedergeschlagen. Die Störstellendichte liegt dabei wieder bei etwa 5-10/cm. Die Umdotierung von n- auf p-Leitung erfolgt schlagartig. Die kurzzeitigen Dotierungen der zweiten und dritten Schicht können nicht mehr mittels Ventilen, auch nicht mit schnell schaltenden Ventilen getrennt werden. Daher werden die Dotierungssubstanzen auf tiefgekühlte Heizwendel aufgebracht und mittels eines Stromstosses plötzlich verdampft.
In die Zuführungen 19 und 15 für die Dotierungssubstanzen werden dazu, wie in Fig. 1 dargestellt, Heizwendel 11 und 12 eingeführt, auf die die Dotierungssubstanzen aufgebracht werden. Sie sind mit einem Kühlmantel 14 bzw. 13 versehen und mit einer nicht dargestellten Spannungsquelle verbunden. Durch Schliessen des Stromkreises wird die entsprechende, d. h. entweder die mit n-dotierender oder die mit p-dotierender Substanz versehene Heizwendel, schlagartig so hoch erhitzt, dass die Dotierungssubstanz plötzlich verdampft.
Auf dieser dritten Schicht wird nun in etwa 2 sec eine weitere p-leitende Schicht niedergeschlagen, die analog der Grundschicht höher dotiert ist als die dritte Schicht, denselben Leitungstyp wie diese aufweist und deren Dicke etwa 2000 1 beträgt. Die Oberflächentemperatur des Trägers wird beim Abscheiden der vierten Schicht zur Vermeidung der Rückdiffusion möglichst niedrig, d. h. auf etwa 9500 C, gehalten. Gleichzeitig wird durch Änderung der Zusammensetzung des Reaktionsgasgemisches, also entweder durch Verdünnen des Reaktionsgasgemisches mit Wasserstoff oder durch Zugabe einer das Reaktions- gleichgewicht verschiebenden Verbindung, wie z. B. Chlorwasserstoff, die Aufwachsgeschwindigkeit möglichst gross gehalten.
Zweckmässig wird die Abscheidungsgeschwindigkeit so eingestellt, dass sie dicht unterhalb derjenigen Geschwindigkeit liegt, bei der eine Übersättigung des Trägers mit dem Halbleitermaterial erfolgt. Es hat sich gezeigt. dass. wenn die Erzeugung von freiem Halbleitermaterial einen bestimm- ten, insbesondere von den Ausgangsstoffen und der Oberflächentemperatur des Trägerkörpers abhängigen Wert überschreitet, die Oberfläche des Trägers das abgeschiedene Material nicht mehr voll in monokristalliner Form aufnehmen kann. so dass sich dieses teilweise polykristallin abscheidet. Diese Übersätti - gung muss vermieden werden.
Bei der Verwendung von Siliziumtetrachlorid und/oder Siliziumchloroform als Ausgangsverbindung und einer Oberflächentemperatur des Trägers von etwa 9500 C soll die gewählte Abscheidungsgeschwindigkeit bei einem Wert von höchstens = 10 mg/h cm2 gehalten werden. Es hat sich ausserdem als zweckmässig erwiesen, bei Niederschlagen der vier Schichten, insbesondere beim Niederschlagen der zweiten und dritten Schicht, das Reaktionsgasgemisch vorzuheizen und die Strömungsgeschwindigkeit des Reaktionsgasgemisches möglichst hoch, beispielsweise bei 20 cm/sec zu halten, so dass es in Bruchteilen von Sekunden zum Träger gelangt. Die n-Dotierung der Schichten kann z. B. mittels Phosphors, die p-Dotierung z. B. mittels Bors als Störsioff erzielt werden.
Die Dotierung der Grundschicht und der vierten Schicht kann durch Zugabe einer gasförmigen Verbindung des Dotierungsstoffes zum Reaktionsgasgemisch erfolgen, die bei Verwendung einer'Wasserstoffverbindung des Halbleiterstoffes, wie z. B. SiH, oder GeH". zweckmässig auch aus einer Wasserstoffverbindung besteht, die eine entsprechend niedrige Zersetzungstemperatur aufweist. Diese Schichten können aber auch ebenso wie die dünnen Schichten durch Abdampfen der Dotierungssubstanz von einer Heizwendel dotiert werden. Die Rückdiffusion und damit die Verflachung des pn-Überganges wird beim Verfahren gemäss der Erfindung weitgehend vermieden. Bei 9600 C liegt die Diffdsionskonstante für die verwendeten Dotierungsstoffe, wie z. B. Bor oder Phosphor, in der Grössenordnung von 10 c cm/sec.
In beispielsweise 2 sec tritt dann eine Rückdiffusion auf die Halbwertskonzentration in einem Abstand von etwa 14 A ein.
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Nach Beendigung des Aufwachsvorganges werden die Grundschicht und die zuletzt aufgewachsene Schicht, z. B. durch Aufdampfen eines Metalls, mit einem rekombinationsarmen Kontakt versehen.
Die gemäss dem Ausfahrungsbeispiel hergestellte Tunneldiode weist durch die geringe Dotierung der dünnen zweiten und dritten Schicht eine möglichst geringe Kapazität auf, während durch die hohe Dotierung der Grundschicht und de vierten Schicht ein geringerer Widerstand im Bahngebiet erzielt wird.
Bei diesem Verfahren kann auch ein entsprechend grossflächiger Trägerkörper verwendet werden und die Schichten nach dem Niederschlagen in die einzelnen Halbleiteranordnungen aufgeteilt werden. Die Auf- teilung kann z. B. auch in der Weise vorgenommen werden, dass in gewünschtem Abstand Flächen von z. B. etwa 50l abgedeckt werden. der übrige Teil der Anordnung bis auf die Grundschicht abgeätzt und der Trä- gerkörper durch Zerteilen der Grundschicht in einzelne Halbleiteranordnungen aufgeteilt wird.
Bei einer derartigen Halbleiteranordnung weist die Grundschicht einen grösseren Querschnitt als der aus den beiden dünnen Schichten und der vierten Schicht gebildete Halbleiterkcrper auf. Ein derartiger Ansatz geringeren Querschnittes wird in der Halbleitertechnik im allgemeinen als"Mesa"bezeichnet.
Das erfindungsgemässe Verfahren ist auch bei andern Halbleitermaterialien, z. B. bei Germanium oder AUIBV - Verbindungen mit Vorteil anwendbar.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zum Herstellen einer Halbleiteranordnung mit wenigstens einem pn-Übergang, insbe- sondere einer Tunneldiode, durch thermische Zersetzung einer gasförmigen Verbindung des Halbleiter- materials, die zusammen mit einem inerten Gas, wie z. B. Wasserstoff, über einen erhitzten Trägerkör- per geleitet wird und Abscheiden des Halbleitermaterials auf diesem Trägerkorper, dadurch gekennzeich- net, dass aufeinanderfolgend wenigstens zwei dem entgegengesetzten Leitungstyp, aber etwa die gleiche
Störstellendichte aufweisende Schichten, deren Dicke grösser ist als die Dicke des durch Diffusion während des Abscheidens bis auf die Halbwertskonzentration der Majoritätsträger gegendotierten Bereiches, aber nicht grösser als etwa 500 ist, abgeschieden werden,
und dass nach Abscheiden der Schicht des einen
Leitfähigkeitstyps der Aufwachsvorgang durch Herabsetzen der Abscheidetemperatur und/oder Änderung der Zusammensetzung des Reaktionsgasgemisches kurzzeitig unterbrochen wird.