DE1104070B - Verfahren zur Herstellung einer eine eigenleitende oder nahezu eigenleitende Zone aufweisenden Halbleitertriode - Google Patents

Verfahren zur Herstellung einer eine eigenleitende oder nahezu eigenleitende Zone aufweisenden Halbleitertriode

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Description

  • Verfahren zur Herstellung einer eine eigenleitende oder nahezu eigenleitende Zone aufweisenden Halbleitertriode Die Erfindung betrifft die Schaffung einer eine eigenleitende oder nahezu eigenleitende Zone aufweisenden Halbleitertriode, z. B. eines npin- oder pnip- bzw. npsn-oder pnsp-Transistors. Ein Vorteil, den ein solcher Transistor gegenüber dem bekannten, drei Zonen (pnp oder npn) aufweisenden Transistor besitzt, besteht vor allem in der wesentlich höher liegenden Grenzfrequenz.
  • Bei dem Verfahren nach der Erfindung werden die einzelnen Zonen des Transistors durch Diffusion hergestellt, da hierdurch die Möglichkeit gegeben ist, die notwendigen Abstände der Schichten definiert einzuhalten.
  • Es ist bekannt, durch Diffusion aus der Gasphase oberflächliche pn-Übergänge herzustellen; es ist auch bereits bekannt, gleichzeitig oder in aufeinanderfolgenden Schritten zwei Dotierungsstoffe, z. B. einen Donator und einen Akzeptor, eindiffundieren zu lassen, wobei zweckmäßigerweise die Diffusionskonstanten beider Stoffe voneinander stark verschieden sind. Um hierbei eine Aufeinanderfolge von pnp- oder npn-Zonen zu erreichen, werden ein schnell diffundierender Stoff mit geringer Oberflächenkonzentration und ein langsam diffundierender Stoff mit hoher Oberflächenkonzentration verwendet; dabei ist die Grunddotierung des Halbleitermaterials von demselben Typ, den der langsam diffundierende Stoff hervorruft.
  • Dieses bekannte Diffusionsverfahren wurde bereits zur Herstellung von Transistoren angewendet; man erhält dabei im Endergebnis einen Konzentrationsverlauf, wie ihn das Diagramm nach Fig. 1 darstellt. Durch die beiden Oberflächenkonzentrationen ND, und NA" die Konzentration der Grunddotierung ND,. und die Diffusionskonstante D2 und A, der einzudiffundierenden Stoffe (Donator und Akzeptor) sind die Diffusionsbedingungen, wie Zeit und Temperatur, miteinander gekoppelt und der Widerstand der als Emitter verwendeten ersten Zone und der als Basis verwendeten zweiten Zone festgelegt, ebenso wie die Breite beider Zonen und die Konzentrationsgradienten an den beiden pn-Übergängen. Da nur eine beschränkte Anzahl von Stoffen hierbei in Frage kommt und dadurch die möglichen maximalen Oberflächenkonzentrationen und die Diffusionskonstanten festgelegt sind, ist die erzielbare Struktur beschränkt.
  • Die verschiedenen Anfangskonzentrationen und die Abklingstrukturen werden hier durch verschiedene Diffusionsgeschwindigkeit beider Diffusionspartner erreicht, und das Ziel ist, eine durch die Gleichmäßigkeit der Diffusionsvorgänge ermöglichte p-Basisschicht im n-leitenden Material zu erreichen, die dünner ist, als es Zieh-und Legierungsverfahren ermöglichen, was für die Verwendung der Halbleiterbauelemente bei hohen Frequenzen besonders günstig ist. Bei dünnen Basisschichten besteht jedoch auch in besonderem Maße die Gefahr des sogenannten »punch-trough-Effektes«, sofern man sich nicht auf sehr kleine Kollektorspannungen und damit geringe Leistungen beschränkt.
  • Hierfür ist als Gegenmaßnahme die Einführung einer im Effekt dotierungsfreien (i) oder dotierungsarmen (s) Schicht auf der Kollektorseite angegeben worden, wobei man den Diffusionsprozeß auf einen Kristall einwirken läßt, der durch den Herstellungsprozeß eine i-Schicht von einer Ausdehnung, die ein Mehrfaches der gebildeten p-Schichtdicke beträgt, erhält.
  • Die Erfindung geht nun von dem Gedanken aus, daß zur Beeinflussung des Konzentrationsverlaufes zusätzlich weitere Störstellenstoffe in geeigneter Konzentration und unter entsprechenden Diffusionsbedingungen einzubauen sind, wenn eine eigenleitende oder nahezu eigenleitende Zone auf der Kollektorseite einzufügen ist.
  • Damit können die Vorteile der beiden geschilderten Verfahren in einem Diffusionstransistor mit mehr verfügbaren Verteilungsparametern, als sie im bisherigen Diffusionstransistor zur Verfügung stehen, vereinigt werden.
  • Bei dem bekannten, an Hand des in Fig. 1 dargestellten Diagramms beschriebenen Diffusionstransistors ist das nur im begrenzten Maße der Fall, da beispielsweise bei diesem nlpnll-Transistor die Konzentration eines Zusatzdonators ND, schon vor der Basis-Kollektor-Grenze pnll abgeklungen sein muß, um nicht den durch die zusätzliche Akzeptordotierung NA,. bedingten Übergang der resultierenden Dotierung von positiven Werten rechts dieser Grenze zu negativen Werten links der Grenze in unzulässiger Weise abzuflachen. Es bleibt also in der Nähe dieser Grenze nur die Konkurrenz von Homogendotierung ND, und Akzeptordotierung NA,. übrig, die bei dem gewünschten steilen Anstieg -links der Grenze zu einem ebenfalls steilen Anstieg rechts der Grenze und damit zu einer kurzen Abklingstrecke der resultierenden Dotierungskonzentration auch rechts der Grenze führt, so daß kein genügend ausgedehntes Gebiet mit ND - NA #-- 0, also kein eigenleitendes Gebiet, zu verwirklichen ist.
  • Als Maßnahme zur Herstellung eines ausgedehnten i- bzw. s-Gebietes sieht das Verfahren gemäß der Erfindung vor, daß ein eine gleichmäßige Grunddotierung aufweisender Halbleiterkristall von einer Seite der Oberfläche her mindestens drei Aktivatoren mit unterschiedlicher Oberflächenkonzentration und ungleicher Konzentrationsverteilung eindiffundiert erhält, von denen einer den gleichen, einer den entgegengesetzten und einer den gleichen oder entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp hervorruft.
  • In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens nach der Erfindung können zwei im Halbleiterkörper den entgegengesetzten Leitfähigkeitsty p wie die Grunddotierung (z. B. ND,) hervorrufende Dotierungsstoffe (z. B. Akzeptor NA, und Akzeptor NA2) unterschiedlicher Diffusionsgeschwindigkeit zusammen mit einem gleichen Leitfähigkeitstyp (z. B. Donator ND,) hervorrufenden Dotierungsstoff mit einer größeren Diffusionsgeschwindigkeit, als sie der langsamer eindiffundierende der beiden erstgenannten Stoffe (z. B. Akzeptor NA,) aufweist, Verwendung finden.
  • Es wird also als Maßnahme zur Herstellung eines ausgedehnten eigenleitenden Gebietes die Überlagerung einer flachen und einer steilen Akzeptorverteilung für das Beispiel eines npin-Transistors angewendet. Wie aus dem Diagramm nach Fig. ? hervorgeht, wird neben der Grunddotierung ND, und der Donatordotierung i'VD2 eine kombinierte Akzeptordiffusion NA, und NA, vorgenommen, die entweder durch gleichzeitige Diffusion eines Akzeptors mit großer Diffusionsgeschwindigkeit A, und kleiner Oberflächenkonzentration NA, und eines Akzeptors mit kleiner Diffusionsgeschwindigkeit A2 und großer Oberflächenkonzentration NA, oder durch aufeinanderfolgende Diffusionen ein und desselben Akzeptorstoffes erfolgen kann.
  • Der resultierende Konzentrationsverlauf ist in dem Diagramm nach Fig. 2 unten dargestellt. Man kann auf diese Weise eine geringe Basisdicke bekommen und erhält ein verhältnismäßig breites,hochohmigesGebiet (Gebiet s), das bei geeigneter Sperrvorspannung von dem die Minoritätsträger aus der Basis absaugenden Feld überdeckt wird. Eine derartige Konzentrationsverteilung führt infolge der Kleinheit der Basiszone einerseits zu geringen Trägerlaufzeiten, andererseits durch den flachen Konzentrationsverlauf am Kollektor zu hohen Sperrspannungen und kleinen Kapazitäten. Dabei kann die Konzentration ND, hoch sein, so daß andererseits kleine Bahnwiderstände erreicht werden. Aus dem Diagramm nach Fig. 2 ist ebenfalls zu erkennen, daß die steilere NA,- Kurve bald hinter der pn-Grenze abgeklungen sein soll und die Funktion der bekannten Akzeptordotierung (vgl. Fig. 1) übernimmt, während die flachere NAi-Kurve die Aufrechterhaltung von ND - NA 0 in einem beliebig wählbaren größeren Abklinggebiet der zweiten Akzeptordotierung erlaubt.
  • Die Verwirklichung der doppelten Akzeptorverteilungskurve kann in Übertragung des bekannten Diffusionsmechanismus durch gleichzeitige Einwirkung verschieden schnell diffundierender Akzeptoren NA, und NA, realisiert werden. Es ist auch möglich, ohne verschiedene Akzeptordotierungen zu benutzen, durch zeitliche und mengenmäßige Steuerung des Diffusionsvorganges die Cberlagerung von zwei verschiedenen A-Verteilungen desselben Akzeptors mit gewünschter Amplitude und Abklingstrecke zu erzeugen. Unter Anwendung des bekannten Diffusionsmechanismus kann zunächst beispielsweise Aluminium von passendem Dampfdruck in ein n-leitendes Siliziumplättchen eindiffundiert werden mit der Maßgabe, daß am Ort der beabsichtigten Basis-Kollektor-Grenze annähernd NA, =ND, wird und weiterhin ein flaches Abklingen auf nahezu Null in einer Strecke von der Dicke der gewünschten eigenleitenden Schicht, z. B. 10#t, eingeprägt wird.
  • Wegen ihres relativ geringen Konzentrationsgradienten bleibt diese Verteilungskurve bei der nachfolgenden NDi und N-4,- Dotierung, wofür beispielsweise Antimon und Aluminium Verwendung finden können, erhalten; eine gewisse Veränderung der NA,-Kurve kann auch bei der in der ersten Stufe aufgeprägten NA,-Dotierung noch berücksichtigt werden. Die NA,- und ND,- Dotierung werden durch kürzere oder bei tiefer Temperatur vorgenommene Eindiffusion bei ebenfalls passend gewählter Auftragsmenge des ND2 und N,1,-Stoffes vorgenommen.
  • In a11 diesen Fällen braucht die Art von Dl nicht notwendigerweise von D2 verschieden zu sein. Die Verschiedenheit der gewünschten Abklingstrecke kann vielmehr durch eine Variation der Behandlungsverfahren erreicht werden.
  • Ferner können, wie aus dem Diagramm nach Fig. 3 hervorgeht, zwei gleichen Leitungstyp, wie sie die Grunddotierung ND, im Halbleiterkörper erzeugt, hervorrufende Dotierungsstoffe (z. B. Donator ND, und Donator ND3) unterschiedlicher Diffusionsgeschwindigkeit zusammen mit einem entgegengesetzten Leitungstyp (z. B. Akzeptor NA,) hervorrufenden Dotierungsstoff mit einer größeren Diffusionsgeschwindigkeit, als sie der langsam eindiffundierende Dotierungsstoff (z. B. Donator ND,) aufweist, Verwendung finden, wobei der die niedrige Diffusionsgeschwindigkeit aufweisende Dotierungsstoff (z. B. Donator ND2) hohe Oberflächenkonzentration, der den gleichen Leitungstyp hervorrufende Dotierungsstoff (z. B. Donator ND,) hoher Diffusionsgeschwindigkeit niedrige Oberflächenkonzentration und der die entgegengesetzte Leitfähigkeit hervorrufende Dotierungsstoff (z. B. Akzeptor NA,) niedrige Oberflächenkonzentrationen besitzt. Die Diffusionsgeschwindigkeit des schnell diffundierenden Stoffes (z. B. Donator ND,) ist mit Vorteil dabei kleiner als die Diffusionsgeschwindigkeit des die entgegengesetzte Leitfähigkeit hervorrufenden Dotierungsstoffes (z. B. Akzeptor NA,).
  • Der die entgegengesetzte Leitfähigkeit hervorrufende Dotierungsstoff (z. B. Akzeptor NA,) kann auch eine höhere Oberflächenkonzentration aufweisen, sowohl hinsichtlich des die Grunddotierung des Halbleiterkörpers hervorrufenden Dotierungsstoffes (z. B. Donator NDi) als auch hinsichtlich des die hohe Diffusionsgeschwindigkeit aufweisenden Dotierungsstoffes (z. B. Donator ND3), die aber kleiner ist als die Summe der Oberflächenkonzentrationen sämtlicher Dotierungsstoffe (z. B. Donator ND" ND, und ND3), die den gleichen Leitungstyp hervorrufen wie der die Grunddotierung vornehmende Stoff.
  • Durch das zusätzliche Verwenden eines Donators mit geringer Oberflächenkonzentration hoher Diffusionskonstante wird nicht nur eine ausgeprägte eigenleitende Zone erreicht, sondern es wird auch noch das Konzentrationsmaximum in der Basis gegen die Emitterseite verschoben, wodurch der unerwünscht flache Konzentrationsanstieg von der Emitterseite zum Konzentrationsmaximum hin steiler wird.
  • Mit Vorteil kann das Verfahren nach der Erfindung mit der dreifachen Diffusion angewendet werden, wenn eine verhältnismäßig hochohmige und breite Basiszone erzeugt werden soll, wobei die Emitterzone und die Kollektorzone niederohmig sein können. Ein derartiger Verlauf wäre mit einer Doppeldiffusion nicht zu erreichen, da große Breite und Hochohmigkeit der Basisschicht einander ausschließen. Bei hinreichend großer Diffusionskonstante des dritten Donators kann dieser mit Vorteil in einem letzten Arbeitsgang, unter Umständen in Teilschritten, eindiffundiert und eine genaue Einstellung der gewünschten Basisbreite vorgenommen werden. Bei gleichzeitiger Eindiffusion eines Akzeptors NA, mit hoher Konzentration, aber geringer Diffusionskonstante neben dem Akzeptor NA, mit hoher Diffusionskonstante läßt sich auch eine pnpn-Struktur erzielen, wie dies aus dem Diagramm nach Fig. 4 hervorgeht. Auch dieser Zusatzakzeptor läßt sich in einem nachträglichen Diffusionsvorgang einbauen.
  • Neben der Diffusion aus der Gasphase wird auch bereits die »innere Diffusion« zur Herstellung von pn-Strukturen verwendet, wobei z. B. in einem Kristallziehprozeß durch Zusatzdotierung ein kompensierter Halbleiter hergestellt und durch nachträgliche innere Diffusion, z. B. eine npn-Struktur, hervorgerufen wird. In diesem Falle wird z. B. von einem n-leitenden Material ausgegangen und Akzeptormaterial in einer solchen Konzentration zugesetzt, daß auch dann noch n-Leitung besteht. Wird nun ein Akzeptor mit verhältnismäßig hoher Diffusionskonstante gewählt, dann diffundiert dieser bei einem nachträglichen Temperungsprozeß über und erzeugt eine dünne p-Zone. Auch hier ist es möglich, durch Zugabe eines schnell diffundierenden Donators gleichzeitig mit dem Akzeptor den Konzentrationsverlauf in der Basiszone in ähnlicher Weise, wie oben beschrieben und in dem Diagramm nach Fig. 5 dargestellt, zu modifizieren.
  • Ebenso wie für die beschriebene npn-Struktur ist die n-Diffusion auch für die pnp-Struktur möglich.
  • Durch das Verfahren gemäß der Erfindung ist es nicht nur möglich, in der Nachrichtentechnik zu verwendende Transistoren, z. B. aus Germanium oder Silizium, für hohe Frequenzen zu schaffen, sondern auch die bisherige kombinierte Leistungs- und Frequenzgrenze von Schalttransistoren der Starkstromtechnik zu überschreiten. Diese Transistoren wurden bisher nach dem Legierungsverfahren hergestellt. Dieses erlaubt jedoch technisch wegen der Unebenheiten der Legierungsfläche nur relativ große Basisschichtdicken; da die Dotierung der Basisschicht wegen der Vermeidung von Rückströmen relativ schwach gehalten werden muß, besteht außerdem bei hohen Sperrspannungen die Gefahr des punch-through-Effektes und andererseits, wenn, um diese zu vermeiden, die Basisdotierung erhöht wird, die Gefahr eines steilen Feldanstiegs am Basisrand nach der Kollektorseite hin, wobei das Stoßionisationsgebiet bei relativ kleinen Kollektorspannungen einsetzt.
  • Durch die Einfügung der i-Schicht bei Schalttransistoren der Starkstromtechnik fällt die Notwendigkeit gewisser Kompromisse, die bisher in bezug auf die Basisdotierung geschlossen werden mußten (optimaler spezifischer Widerstandswert der Basis als Kompromiß zwischen verschiedenen schädigenden Einflüssen zu großer oder zu geringer Dotierung), weg, und es ist möglich, zu höheren Betriebsspannungen und/oder kürzeren Schaltzeiten überzugehen.

Claims (7)

  1. PATENTANSPRÜCHE: 1. Verfahren zur Herstellung einer Halbleitertriode mit einer eigenleitenden oder nahezu eigenleitenden Zone nach einem Diffusionsverfahren mit Aktivatoren unterschiedlicher Diffusionsgeschwindigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß ein eine gleichmäßige Grunddotierung aufweisender Halbleiterkristall von einer Seite der Oberfläche her mindestens drei Aktivatoren mit unterschiedlicher Oberflächenkonzentration und ungleicher Konzentrationsverteilung eindiffundiert erhält, von denen einer den gleichen, einer den entgegengesetzten und einer den gleichen oder entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp hervorruft.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei im Halbleiterkörper den entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp wie die Grunddotierung (z: B. ND,) hervorrufende Dotierungsstoffe (z. B. Akzeptor NA, und Akzeptor NA.) unterschiedlicher Diffusionsgeschwindigkeit zusammen mit einem gleichen Leitfähigkeitstyp (z. B. Donator ND,) hervorrufenden Dotierungsstoff mit einer größeren Diffusionsgeschwindigkeit, als sie der langsamer eindiffundierende der beiden erstgenannten Stoffe (z. B. Akzeptor NA,) aufweist, Verwendung finden.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß von den zwei im Halbleiterkörper entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp wie die Grunddotierung (z. B. Donator NDl) hervorrufenden Dotierungsstoffen (z. B. Akzeptor NA, und Akzeptor NA,) der eine (NAG eine hohe Oberflächenkonzentration und geringe Diffusionsgeschwindigkeit und der andere (NA,) eine niedrige Oberflächenkonzentration und eine hohe Diffusionsgeschwindigkeit besitzt.
  4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß am Ort der vorgesehenen Basis-Kollektor-Grenze die Konzentration des zur Grunddotierung antipolaren Dotierungsstoffes mit der größeren Oberflächenkonzentration (z. B. NAl) näherungsweise gleich groß wie die Grunddotierung gewählt ist.
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei im Halbleiterkörper den gleichen Leitfähigkeitstyp wie die Grunddotierung (z. B. ND,) hervorrufende Dotierungsstoffe (z. B. Donator ND, und Donator ND3) unterschiedlicher Diffusionsgeschwindigkeit zusammen mit einem entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp (z. B. Akzeptor NAl) hervorrufenden Dotierungsstoff mit einer größeren Diffusionsgeschwindigkeit, als sie der langsamer eindiffundierende der beiden erstgenannten Dotierungsstoffe (z. B. Donator ND,) aufweist, Verwendung finden.
  6. 6. Verfahren nach Anspruch 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß der die kleinere Diffusionsgeschwindigkeit aufweisende Dotierungsstoff (z. B. Donator ND,) in hoher Oberflächenkonzentration und der den gleichen Leitfähigkeitstyp hervorrufende Dotierungsstoff (z. B. Donator ND,) mit hoher Diffusionsgeschwindigkeit in niedriger Oberflächenkonzentration vorhanden ist.
  7. 7. Verfahren nach Anspruch 1, 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß der den entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp hervorrufende Dotierungsstoff (z. B. Akzeptor NA,) in niedriger Oberflächenkonzentration vorhanden ist. B. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Diffusionsgeschwindigkeit des den entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp hervorrufenden Dotierungsstoffes (z. B. Akzeptor NA,) größer als die der beiden übrigen Dotierungsstoffe ist. 9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 5 bis 8, gekennzeichnet durch die Anwendung des den entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp hervorrufenden Dotierungsstoffes (z. B. Akzeptor NA,) in höherer Oberflächenkonzentration in bezug sowohl auf die Konzentration des die Grunddotierung des Halbleiterkörpers hervorrufenden Dotierungsstoffes (z. B. Donator NDl) als auch auf die Konzentration des die hohe Diffusionsgeschwindigkeit aufweisenden Dotierungsstoffes (z. B. Donator ND,), die aber kleiner ist als die Summe der Oberflächenkonzentrationen sämtlicher Dotierungsstoffe (z. B. Donator NDl, NDZ und JVD3), die den gleichen Leitfähigkeitstyp hervorrufen wie, die Grunddotierung. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Auslegeschrift Nr. 1035 787; österreichische Patentschrift Nr. 193 944; »Proc. of the IRE«, 1955, S. 1807 bis 1809.
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