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Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung, vorzugsweise einer Halbleitervorrichtung mit Tunneleffekt, z. B. einer Tunneldiode oder eines Tunneltransistors, mit einem Halbleiterkörper mit mindestens einer Elektrode auf einer Halbleiterzone, die auf einer Seite des Körpers einen örtlichen pn-Übergang, vorzugsweise einen die Tunnelwirkung aufweisenden pn-Übergang mit dem weiterenKörperteilbildet, wobei die Oberfläche dieses pin-obergangs bei gleichzeitigem Stromdurchgang durch Behandlung mit einer Ätzflüssigkeit verkleinert wird.
Eine Verkleinerung des pn-Überganges in der Umgebung einer Elektrode mittels einer Ätzbehandlung kann bei Halbleitervorrichtungen aus verschiedenen Gründen erwünscht sein, z. B. um die Kapazität des pn-Überganges zu verringern, indem bis unterhalb der Elektrode geätzt wird, oder um den bei einer bestimmten angelegten Spannung von dem pn-Übergang durchlassenen Strom auf den gewünschten Wert zu bringen oder um die während der Herstellung entstandenen, beschädigten Randteile des pn-Überganges bis zu einem gewissen Abstand unterhalb der Oberfläche zu entfernen.
Obgleich eine solche Ätzbehandlung auch bei andern Halbleitervorrichtungen, wie gewöhnlicher Dioden und Transistoren, durchgeführt wird, ist sie insbesondere bei Halbleitervorrichtungen mit Tunneleffekt von Bedeutung, wie bei Tunneldioden und Tunneltransistoren, bei denen die Oberfläche des den Tunneleffekt aufweisenden pn-Überganges zur Verringerung der Kapazität stark bis unterhalb des vorhandenen Kontaktes verkleinert wird, was derart erfolgen muss, dass ein hoher Grad der Reproduzierbarkeit. des sogenannten Spitzenstromes erzielt wird.
Unter einem den Tunneleffekt aufweisenden pn-Übergang wird hier wie üblich ein pn-Übergang zwischen
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Talstromwert herabsinkt, worauf sie schliesslich wieder zunimmt. Zwischen dem Spitzenwert und dem Talwert des Stromes tritt somit ein Gebiet negativen differenziellen Widerstandes auf, das für viele Verwendungsmöglichkeiten in Schaltungsanordnungen benutzt werden kann.
Es ist bekannt, eine elektrolytische Ätzbehandlung durchzuführen, bei welcher an die dem betreffen- den pn-Übergang zugehörende Elektrode eine Spannung gegenüber einer weiteren, im Ätzbad vorhandenen Elektrode angelegt wird. Dabei ist ebenfalls vorgeschlagen worden, über den pn-Übergang eine zusätzliche Spannung in Vorwärtsrichtung anzulegen. Dabei wurde beabsichtigt, durch Injektion von Elektronenlöchern das elektrolytische Abtragen einer unmittelbar an den pn-Übergang grenzenden Zone des n-Typ-Materials zu fördern.
Obgleich dieses bekannte Verfahren durch die Regelung des Ätzstromes eine verhältnismässig einfache Regelung der Ätzgeschwindigkeit und ausserdemeineselektive Ätzung nahe dem pn-Übergang ermöglicht, hat es dennoch unter anderem den Nachteil, dass die Wahl der zu diesem Zweck gut geeigneten Ätzmittel beschränkt ist und eine reproduzierbare Ätzung bis zu einem bestimmten Wert einer elektrischen Grösse, z.
B. des Spitzenstromes einer Tunneldiode, schwer durchführbar ist, da die elektrische Grösse an der im Ätzbad befindlichen Halbleitervorrichtung nicht mit der gewünschten Genauigkeit gemessen werden kann, da wegen der elektrischen Leitfähigkeit des Ätzmittels nicht nur der Strom durch den pn-Übergang, sondern auch Streuströme unbekannten Wertes von andern Teilen des Halbleiterkörpers zum Messstrom beitragen.
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dem Halbleiter eine Oberflächenschicht entfernt wird.
Dieses Verfahren hat jedoch unter anderem die Nachteile, dass es in bezug auf den Ort der Einwirkung wenig selektiv ist und die Einwirkung am ganzen Halbleiterkörper stattfindet, es sei denn, dass eine umständliche Maskierungstechnik durchgeführt wird, ferner dass das Verfahren nicht auf einfache Weise regelbar ist und sich wenig dazu eignet, einen hohen Grad von Reproduzierbarkeit des Wegätzens zu erzielen.
Die Erfindung bezweckt unter anderem eine neue, besonders wirksame Ätzbehandlung zu schaffen, die eine selektive-Ätzung in der Umgebung eines pn-Überganges rings um eine Elektrode oder bis unterhalb dieser Elektrode ermöglicht und die eine einfache, genaue Regelmöglichkeit der Ätzgeschwindigkeit aufweist und ausserdem die Möglichkeit schafft, auch elektrolytisch praktisch nicht leitende Ätzmittel zu verwenden, in welchem Falle, wenn gewünscht, die Änderungen der betreffenden elektrischen Grösse während der Behandlung durch Messung am Halbleiterkörper im Ätzbad mit grosser Genauigkeit beobachtet werden können.
Erfindungsgemäss ist bei einem Verfahren der eingangs erwähnten Art die den Halbleiterkörper wenigstens in der Umgebung eines pn-Überganges berührende Ätzflüssigkeit bei der Umgebungstemperatur verhältnismässig wenig aktiv und die Umgebung des pn-Überganges nahe der Elektrode wird durch die Wärmeentwicklung des Stromes auf eine Temperatur erhitzt, bei welcher die Ätzflüssigkeit örtlich eine erhöhte Ätzwirkunghat. Unter Umgebungstemperatur wird hier die Temperatur der Ätzflüssigkeit bei fehlendem Stromdurchgang durch die Halbleitervorrichtung verstanden.
Der Erfindung liegt unter anderem die Erkenntnis zugrunde, dass bei Stromzufuhr zu einer Halbleitervorrichtungder erwähnten Form über eine einem pn-Übergang zugehörende, örtliche Elektrode, insbesondere in der Umgebung des pn-Überganges nahe der Elektrode eine starke Temperaturerhöhung auftreten kann, indem die Wärmeentwicklung in der Umgebung eines pn-Überganges gross und nahe der Elektrode die Stromintensität am höchsten ist und dass die von der Stromstärke abhängige Temperaturerhöhung benutzt werden kann, um ein selektives, einfach regelbares Ätzverfahren unter Verwendung von Ätzflüssigkeiten zu erzielen, deren Aktivität bei der Umgebungstemperatur verhältnismässig gering ist, aber bei der erwähnten Temperaturerhöhung wesentlich zunimmt.
Es wird bemerkt, dass es an sich bekannt ist, einen Halbleiterkörper dadurch örtlich zu ätzen, dass die wegzuätzende Stelle des Halbleiterkörpers mit einer Graphitelektrode in Kontakt gebracht wird und die Kontaktstelle durch Stromdurchgang erwärmt wird, wobei der Körper der Einwirkung von Halogendämpfen oder Halogenwasserstoffgas ausgesetzt wird. Dabei wird aber keine Ätzflüssigkeit verwendet und wird nicht die Verwendung zum Verringern der Grösse eines pn-Überganges vorgeschlagen. Weiter wird nur die Erwärmung an einer Berührungsstelle mit einer in Berührung gebrachten Elektrode und nicht die Erwärmung durch Stromdurchgang durch einen pn-Übergang im Halbleiterkörper vorgeschlagen.
Da bei dem Verfahren nach der Erfindung besonders bei geringer Ätzgeschwindigkeit eine einfache
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den, schnelleren Ätzbehandlung, bei welcher der pn-Übergang bereits teilweise bis unterhalb der Elektrode verjüngt worden ist, anzuwenden. Infolge der Vorbehandlung wird ausserdem die Selektivität der Ätzbehandlungnach der Erfindung vergrössert, da in diesem Falle die Wärmeentwicklung noch weiter in dem bereits verjüngten Teil konzentriert wird.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird daher das Verfahren nach der Erfindung bei einem bereits vorher bis unterhalb der Elektrode verkleinerten pn - Übergang durchgeführt, der auf übliche Weise vorzugsweise durch eine elektrolytische Ätzbehandlung bereits teilweise verkleinert worden ist.
Bei Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung wird vorzugsweise eine Ätzflüssigkeit benutzt, die bei der Umgebungstemperatur praktisch noch nicht wirksam ist, in welchem Falle die Selektivität der Ätzung in der Umgebung des pn-Überganges und der Regelbereich der Ätzgeschwindigkeit maximal ist, und bei niedriger Ätzgeschwindigkeit eine Steuerung mit grosser Genauigkeit durchführbar ist. Das Verfahren nach der Erfindung ermöglicht weiter, die Ätzgeschwindigkeit durch Regelung der zugeführten Stromstärke zu ändern.
Obgleich im Prinzip auch Ätzmittel benutzt werden können, die noch eine erhebliche elektrolytische Leitfähigkeit haben, ermöglicht die Erfindung besonders auch elektrolytisch praktisch nicht leitfähige
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chemische Ätzflüssigkeiten zu verwenden, und dennoch eine einfache Regelmöglichkeit zu erzielen. Bei Verwendung elektrolytisch praktisch nicht leitender, chemischer Ätzflüssigkeiten wird gemäss einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung während der Ätzbehandlung eine elektrische Grösse, z. B. die Stromstärke, die Kapazität, der Widerstand oder ein Teil einer Kennlinie an der im Ätzbad befindlichen Halbleitervorrichtung gemessen, wobei insbesondere der Verlauf dieser Grösse während der Behandlung beobachtet werden kann.
Es kann auf diese Weise eine direkte Anzeige der elektrischen Grösse an sich erhalten werden, u. zw. infolge der Abwesenheit von elektrolytischer Streuleitfähigkeit im Ätzbad, welche Anzeigen äusserst genau sind, so dass ein besonders hoher Grad der Reproduzierbarkeit erzielbar ist. Dies ist unter anderem bei der Herstellung von Halbleitervorrichtungen mit Tunneleffekt von Bedeutung, wobei ein den Tunneleffekt aufweisender pn-Übergang verkleinert wird, wobei während der Ätzbehandlung der Wert des Spitzenstromes, z. B. mittels eines Oszillographen, mit grosser Genauig- keit. gemessen werden kann, wodurch es möglich ist, Halbleitervorrichtungen der genannten Art mit einem bestimmten Spitzenstrom in gut reproduzierbarer Art herzustellen. Der für die Regelung der Ätzgeschwindigkeit erforderliche Strom kann gleichzeitig als Messstrom dienen.
Eine zweckdienliche und genaue Behandlung erhält man, wenn weiter bei dem Verfahren nach der Erfindung anfangs eine verhältnismässig hohe Stromstärke und eine entsprechend hohe Ätzgeschwindigkeit benutzt werden, während, wenn die endgültige Grösse des pn-Überganges nahezu erreicht wird, die Stromstärke und somit auch die Ätzgeschwindigkeit verringert werden, um die Genauigkeit zu steigern.
Diese Verringerung hat bei Verwendung eines Verfahrens, bei dem eine elektrische Grösse gemessen und beobachtet wird, ausserdem den Vorteil, dass etwaige Messabweichungen infolge der Temperaturerhöhung in dem Augenblick, in dem die maximale Genauigkeit verlangt wird, durch die dabei eintretende geringere Temperaturerhöhung herabgemindert werden.
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Temperatur verwendet werden müssen, sind bei niedrigerer Umgebungstemperatur auch als Ätzflüssigkeit bei dem Verfahren nach der Erfindung geeignet. Es ist insbesondere zu diesem Zweck, unter anderem für
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lytisch praktisch nichtleitend ist.
Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung und an Hand einiger Ausführungsbeispiele näher erläutert.
In der Zeichnung zeigt Fig. 1 schematisch im Schnitt eine Tunneldiode bevor das Verfahren nach der Erfindung durchgeführt worden ist und Fig. 2 schematisch ein Beispiel einer Anordnung zur Durchführung eines Verfahrens nach der Erfindung. Fig. 3 zeigt eine Tunneldiode während der Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung im Schnitt.
Das Verfahren nach der Erfindung sowie besondere Ausführungsformen desselben werden nachstehend an Hand eines Beispieles zur Herstellung einer Tunneldiode mit einem Halbleiterkörper aus Germanium näher erläutert.
Es wird von einer quadratischen p-Typ Germaniumplatte 1 (s. Fig. l) mit Abmessungen 1000p X 1000 X 150p ausgegangen, die homogen mit Ga dotiert ist und die einen spezifischen Widerstand von etwa I, 2. 10 - 3 Ohm X cm hat. Diese Platte 1 wird auf der Unterseite auf einer mit einer Goldschicht 2 überzogenen Nickelträgerplatte 3 bei etwa 5000C festgelötet. Auf der gegenüberliegenden Seite wird
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200 pF hat. Für Schaltungszwecke ist jedoch im allgemeinen eine bedeutend geringere Kapazität und ein erheblich niedrigerer Spitzenstrom von z. B. 1 mA gewünscht, welcher Spitzenstrom sehr genau reproduzierbar sein muss, z.
B. mit einer Toleranz von 10/0. Zu diesem Zweck muss der pn-Übergang 7 stark bis unterhalb des Kontaktes 4 verkleinert werden, u. zw. bis zu einem Durchmesser von etwa 17 J. l, wobei die Kapazität noch etwa 6 pF beträgt.
Um diese erhebliche Oberflächenverringerung des pn-Überganges zweckdienlich schnell und genau
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durchzuführen, wird die Ätzbehandlung in zwei Phasen durchgeführt. In der ersten Phase wird eine übliche, elektrolytische Ätzbehandlung benutzt, bei der die Oberfläche bis nahe an der gewünschten, verkleinerten Oberfläche z. B. bis zu einem Spitzenstrom von 3 mA verkleinert wird, worauf ein Verfahren nach der Erfindung angewendet wird, um die endgültige, gewünschte Verkleinerung bis auf 1 mA zu erzielen.
In der ersten Phase wird die Tunneldiode nach Fig. 1 in eine z. B. 20% KUH-Losung getaucht und elektrolytisch geätzt. Zu diesem Zweck wird auf übliche Weise die Trägerplatte 3 mit der Plusklemme einer den Ätzstrom liefernden Batterie verbunden, während eine weiter im Ätzbad vorhandene Platinelektrode mit der andern Klemme verbunden wird. Weiter kann zwischen dem Zuleitungsdraht 6 und der Trägerplatte 7 eine Messvorrichtung, z. B. ein Kennlinienanzeiger, angeschlossen werden. Das Ätzen und Messen erfolgen intermittierend und abwechselnd eines nach dem andern.
Anfangs wird ein Ätzstrom von etwa 100 mA zugeführt, aber in dem Masse, in dem der Ätzvorgang fortschreitet, welches Fortschreiten an Hand der intermittierenden Messung festgestellt wird, wird er auf einen Wert von 10 mA herabgemindert.
Der Ätzvorgang wird fortgesetzt, bis ein Spitzenstrom von etwa 3 mA gemessen wird, worauf der Vorgang beendet wird : die Tunneldiode wird dann in desionisiertem Wasser gespült. Während der Messung an der
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niger gut eignet. Nach dieser elektrolytischen Vorbehandlung hat man eine Tunneldiode, bei der, wie dies aus Fig. 1 ersichtlich ist, ein durch die gestrichelten Linien 8 angegebener Teil bis unterhalb des Kontaktes 4 weggenommen ist, so dass der verbleibende Stieldurchmesser noch etwa 30 beträgt.
Um die Tunneldiode weiter abzutragen bis sie einen Spitzenstrom von genau 1 mA aufweist, wird
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der Erfindung,kritisch ist, ist elektrolytisch praktisch nicht leitend und hat bei Zimmertemperatur (200 C) noch praktisch keine Ätzwirkung, aber bei z. B. 700C eine erhebliche Ätzwirkung. Die Behandlung erfolgt in einer Umgebung mit einer Temperatur von 20 C, so dass der Tropfen ohne Stromdurchgang durch die Tunneldiode diese Temperatur besitzt.
Aus der schematischen Anordnung nach Fig. 2 ist ersichtlich, dass im vorliegenden Falle ein Kennlinienschreiber 11 üblicher Art verwendet wird. Dieser gibt zwischen den Klemmen 12 und 13 eine Spannung mit der Kurvenform einer zweiphasig gleichgerichteten Sinusspannung ab. Der Anschlussdraht 6 und die Trägerplatte 3 werden an diese Klemmen angeschlossen, wobei die Plusklemme an der Trägerplatte 3 liegt. Mittels des Knopfes 14 kann der Wert der zuzuführenden Spannung geregelt werden. Der Kennlinienschreiber liefert somit den zum Erhitzen beim Ätzen erforderlichen Strom, der gleichzeitig der Messstrom ist. Von dem Schirm 15 einer Elektronenstrahlröhre-kann während des Ätzvorganges die Vorwärtskennlinie 16 abgelesen werden, wobei z. B. der Spitzenstrom Jp mittels der Skaleneinteilung genau gemessen werden kann.
AmAnfangder Ätzbehandlung gemäss der Erfindung wird ein Ätzstrom von etwa 100 mA (Amplitude) zugeführt, der die Umgebung des pn - Überganges, insbesondere im Stiel 17, bis zu einer Temperatur erhitzt, bei welcher die HP2 -Lösung örtlich aktiv wird. Während der Behandlung wird der Verlauf des Spitzenstromes Jp auf dem Schirm 15 beobachtet. Nach etwa 3 min ist der Spitzenstrom bereits auf etwa 1, 2 mA herabgesunken, worauf der Ätzstrom auf etwa 50 mA verringert wird, um die Genauigkeit zu steigern. Nach etwa 80 sec wird ein Spitzenstrom von 1 mA erreicht, worauf der Strom abgeschaltet und die Tunneldiode wieder in desionisiertem Wasser gespült wird.
Infolge der Abwesenheit von Streuleitfähigkeit in der Ätzflüssigkeit und infolge der genauen Regelung der Ätzgeschwindigkeit kann auf diese Weise eine Tunneldiode mit einem Spitzenstrom von 1 mA mit einer Toleranz von weniger als 1Ujo reproduzierbar erhalten werden.
Aus Fig. 3 ist ersichtlich, wie durch das Verfahren nach der Erfindung die Oberfläche des Stiels 17 selektiv in der Umgebung des pn-Überganges weiter auf einen Durchmesser von etwa 17 li (s. die gestrichelte Linie 18) verkleinert ist. Das Verhältnis Spitzenstrom-Talstrom ist wieder etwa 10 und die Kapazität beträgt etwa 6 pF. Die Tunneldiode ist darauf fertig, um in einer Hülle montiert zu werden. Es kann die Tunneldiode aber auch vor der erfindungsgemässen Ätzbehandlung in einer Hülle untergebracht werden, die noch eine Öffung besitzt, um den Ätztropfen einzuführen.
Statt einer H 20.-Lösung eignet sich als Ätzflüssigkeit auch eine Lösung eines Halogens in Wasser mit gewünschtenfalls einem Gehalt an Alkohol besonders gut, z. B. eine gesättigte Jodlösung in 50 Vol.-% Wasser und 50 Vol.-% Alkohol. Auch diese Lösung ist als Ätzflüssigkeit bei 20 C praktisch nicht wirksam, wird aber bei erhöhter Temperatur aktiv. Da sie weiter elektrolytisch praktisch nicht leitend ist und eine
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niedrigere Ätzgeschwindigkeit als die H 202-Lösung aufweist, wird sie mit Vorteil in denjenigen Fällen benutzt, in denen eine noch grössere Genauigkeit erwünscht ist.
Auf im übrigen praktisch gleiche Weise wurde z. B. eine Tunneldiode mit einem Halbleiterkörper aus GaAs bis unterhalb der Elektrode mittels einer H0-Lösung geätzt.
Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf die vorstehend beschriebenen Beispiele beschränkt und innerhalb des Rahmens der Erfindung sind für den Fachmann verschiedenste Ausführungsformen möglich.
So kann z. B. selbstverständlich statt eines Kennlinienschreibers eine gesonderte Ätzstromquelle und eine Messvorrichtung verwendet werden, wobei intermittierend oder auch gleichzeitig geätzt und gemessen werden kann. Die Erfindung kann nicht nur bei Tunneldioden, sondern auch bei Tunneltransistoren aus einem Transistor mit einem den Tunneleffekt aufweisenden Emitter durchgeführt werden oder auch bei üblichen Dioden oder Transistoren, bei denen für Hochfrequenzzwecke auch eine Verkleinerung des pn- Überganges gewünscht ist. Es ist weiter möglich, das Verfahren nach der Erfindung als regelbare Ätzbe- handlung ohne gleichzeitige Messungdurchzuführen, wenn z. B. vorher der Verlauf der Ätzbehandlung festgestellt worden ist.
Ebenso ist die Art der zur Verwendung gelangenden Ätzflüssigkeiten nur durch die für das erfindungsgemässe Verfahren erforderlichen Eigenschaften festgelegt.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung, vorzugsweise einer Halbleitervorrichtung mit. Tunneleffekt, z. B. einer Tunneldiode oder eines Tunneltransistors, mit einem Halbleiterkörper mit mindestens einer Elektrode auf einer Halbleiterzone, die auf einer Seite des Körpers einen örtlichen pn-Übergang, vorzugsweise einen den Tunneleffekt aufweisenden pn- Übergang mit dem weiteren Körperteil bildet, wobei die Oberfläche dieses pn-Überganges bei gleichzeitigem Stromdurchgang durch Behandlung
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einer Ätzflüssigkeit verkleinert wird, dadurchmässig wenig aktiv ist und dass durch die Wärmeentwicklung des Stromes die Umgebung des pn-Überganges nahe der Elektrode auf eine Temperatur erhitzt wird, bei welcher die Ätzflüssigkeit örtlich eine erhöhte Ätzwirkung hat.