DE1106368B - Verfahren zur Herstellung einer Schaltmatrize - Google Patents

Verfahren zur Herstellung einer Schaltmatrize

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DE1106368B DES65879A DES0065879A DE1106368B DE 1106368 B DE1106368 B DE 1106368B DE S65879 A DES65879 A DE S65879A DE S0065879 A DES0065879 A DE S0065879A DE 1106368 B DE1106368 B DE 1106368B
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Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer Schaltmatrize.
Für viele Anwendungszwecke ist es erwünscht, ausgewählte Kanäle einer Gruppe von Signalkanälen mit ausgewählten Kanälen einer anderen Signalkanalgruppe verbinden zu können. Es ist ferner erwünscht, dies in Abhängigkeit von Steuerspannungen tun zu können. Nach dem bisherigen Stande der Technik wurde dies mit Hilfe von Relais in verhältnismäßig umständlichen Schaltungen erreicht und in den letzten Jahren auch mit ebenfalls ziemlich umständlichen Anordnungen anderer Schaltvorrichtungen, beispielsweise Halbleiter-Schaltvorrichtungen.
Die Erfindung bezieht sich auf ein vor allem wegen seiner Einfachheit besonders vorteilhaftes Verfahren zur Herstellung einer Schaltmatrize mit gitterartig sich kreuzenden Leiterstäben, bei der die Kreuzungspunkte durch mehrschichtige Halbleiteranordnungen verbunden sind. Nach dem Verfahren gemäß der Erfindung wird zunächst eine Scheibe aus Halbleitermaterial von dem gewünschten zusammengesetzten Aufbau hergestellt; darauf wird an beiden Flachseiten dieser Scheibe je eine Gruppe paralleler langgestreckter Ohmscher Kontakte derart angebracht, daß beide Gruppen bei Betrachtung mit Blickrichtung auf den Grundriß einen annähernd rechten Winkel miteinander bilden; schließlich wird selektiv das zwischen den Kontakten befindliche Halbleitermaterial entfernt, so daß an jeder einzelnen Kreuzungsstelle zweier Kontakte eine Halbleiter-Schaltvorrichtung gebildet wird.
Die Erfindung ist an Hand der Zeichnungen beispielsweise näher erläutert:
Fig. 1 ist eine Grundrißdarstellung einer zusammengesetzten Halbleiteranordnung mit daran angebrachten Leitern, welche einen Schritt des Verfahrens zur Herstellung einer Halbleiter-Schaltanordnung gemäß der Erfindung erläutert;
Fig. 2 ist eine Seitenansicht von Fig. 1 ;
Fig. 3 ist in größerem Maßstab eine perspektivische Ansicht des Teiles 3-3 von Fig. 1, nachdem die Anordnung geätzt worden ist.
Fig. 4 ist in noch größerem Maßstab eine perspektivische Ansicht einer der in der Gesamtanordnung enthaltenen Schaltvorrichtungen;
Fig. 5 zeigt eine Montagevorrichtung für den Zusammenbau einer Anordnung von Schaltvorrichtungen gemäß der Erfindung;
Fig. 6 ist eine Seitenansicht eines Teiles einer anderen Gesamtanordnung gemäß der Erfindung;
Fig. 7 zeigt eine geeignete Anordnung einer Gruppe von parallelen Leitern zur Bildung von Vorrichtungen gemäß der Erfindung;
Fig. 8 ist eine perspektivische Darstellung eines Verfahren zur Herstellung
einer Schaltmatrize
Anmelder:
Shockley Transistor Corporation,
Palo Alto, Calif. (V. St. A.)
Vertreter: Dipl.-Ing. F. Werdermann, Patentanwalt,
Hamburg 13, Innocentiastr. 30
Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 21. November 1958
William Shockley, Los Altos, Calif. (V. St. Α.),
ist als Erfinder genannt worden
Teiles einer Kontaktplatte, welche verbesserte Schaltvorrichtungen enthält;
Fig. 9 A bis 9F erläutern Verfahrensschritte für die Herstellung verbesserter Schaltvorrichtungen in einer Kontaktplatte zur Verwendung beim Aufbau einer Gesamtanordnung gemäß der Erfindung;
Fig. 10 zeigt die Kontaktplatte der Fig. 8 und 9 mit parallelen Leitern, die mit ihr in Ohmschem Kontakt stehen;
Fig. 11 ist eine vergrößerte Darstellung des Teiles 11-11 von Fig. 10 nach einem Ätzvorgang;
Fig. 12 zeigt eine Matrize mit viermal sechs Kreuzungen und zwei fehlerhaften Schaltvorrichtungen;
Fig. 13 zeigt eine Matrize mit viermal vier Kreuzungen, die aus der Matrize gemäß Fig. 12 hergestellt ist.
In den Fig. 1 und 2 ist eine Halbleiter-Kontaktplatte 11 gezeigt, die einen für den Anwendungszweck erwünschten zusammengesetzten Aufbau aufweist, wobei zwei Gruppen 12 und 13 in einem Abstand befindlicher, paralleler Leiter mit einander gegenüberliegenden Oberflächen der Platte in geeigneter Weise Ohmschen Kontakt machen. Die Leiter 12 und 13 liegen hier unter rechten Winkeln zueinander; jedoch ist ersichtlich, daß auch Leitergruppen, die unter einem anderen Winkel zueinander liegen, verwendet werden können. Es wird also ein Gitterkreuz von Leitern gebildet, die in Ohmschem Kontakt mit einander gegenüberliegenden Oberflächen des zusammengesetzten Aufbaues der Platte 11 stehen.
109 580/301
Der zusammengesetzte Aufbau 11 wird aus einer Kontaktplatte aus Halbleitermaterial von einem Leitfähigkeitstyp, z. B. vom p-Typ, gebildet. Die Platte wird hierzu verschiedenen Diffusionsvorgängen unterworfen, um eine Kontaktplatte zu bilden, welche den gewünschten zusammengesetzten Aufbau aufweist, z. B. vier Schichten, welche drei Übergänge bilden. Es ist bekannt. Kontaktplatten dieser Art zu Scheiben oder Würfeln zu schneiden und Kontakte an den Enden jeder Scheibe bzw. jedes Würfels anzubringen, um vierschichtige Schaltvorrichtungen mit zwei Anschlüssen zu bilden. Vierschichtige Schaltvorrichtungen dieser Art haben zwei Betriebszustände, einen Zustand mit hohem Widerstand und einen mit niedrigem Widerstand. Die Vorrichtung kann durch Anlegen einer Spannung von vorbestimmtem Wert aus dem Zustand hohen Widerstandes in den Zustand niedrigen Widerstandes gebracht werden. Die zur Aufrechterhaltung des Zustandes niedrigen Widerstandes erforderliche Spannung ist klein im Vergleich zu der Schaltspannung. Solange ein Strom durch die Anordnung fließt, der den Haltestromwert überschreitet, wird der Zustand niedrigen Widerstandes der Vorrichtung beibehalten. Wenn der die Vorrichtung durchfließende Strom unter den Haltewert absinkt, kehrt die Anordnung in ihren Zustand hohen Widerstandes zurück. Die Dicke und Trägerkonzentration kann so geregelt werden, daß sich Anordnungen mit den erwünschten Eigenschaften bzw. Charakteristika ergeben.
Xach Herstellung der Kontaktplatte mit dem erwünschten zusammengesetzten Aufbau werden die Leitergruppen 12 und 13 in Übereinstimmung mit der Kontaktplatte hingelegt. Es wird dann auf der ganzen Länge der Leiter ein Ohmscher Kontakt mit den Oberflächen der Kontaktplatte hergestellt. Die Kontaktplatte wird mit den Leitern in eine Ätzlösung gelegt, die dazu dient, das Halbleitermaterial zwischen den parallelen Leitern wegzuätzen. Die Leiter werden so ausgewählt, daß sie gegen die Ätzlösungen relativ immun sind, beispielsweise bestehen sie aus Molybdän oder Wolfram mit einer Schutzplattierung aus Gold. Eine Hydrofluor-Salpetersäure kann als Ätzlösung verwendet werden. Da die Leiter 12 und 13 durch die Ätzlösung nicht angegriffen werden, bleibt das Halbleitermaterial, das unterhalb der Leiter 12 und 13 liegt, zurück. Wenn die Kontaktplatte eine genügend lange Zeitspanne in der Ätzlösung belassen wird, wird das ganze Halbleitermaterial zwischen den Leitern entfernt, und der sich ergebende Aufbau entspricht dann der in Fig. 3 gezeigten Art. Jeder Leiter 12 steht in Ohmschem Kontakt mit einem Anschlußende einer Mehrzahl von Halbleiteranordnungen 14, wobei das andere Anschlußende jeder Anordnung 14 mit den einzelnen Leitern 13 der in einem Abstand befindlichen Leitergruppe in Kontakt steht. In gleicher Weise steht jeder Leiter 13 in Ohmschem Kontakt mit dem anderen Anschlußende einer Mehrzahl von Halbleiteranordnungen 14, wobei das eine Anschlußende der Anordnungen 14 mit den einzelnen Leitern der Leitergruppe 12 in Kontakt steht.
Wenn also zehn Leiter in jeder Gruppe, wie sie in Fig. 1 gezeigt ist, verwendet werden, so wird eine Gesamtanordnung mit hundert Schaltvorrichtungen gebildet. Jeder beliebige der zehn ankommenden Leiter 12 kann mit irgendeinem der abgehenden Leiter 13 in Abhängigkeit von einer Schaltspannung verbunden werden. Die Vorrichtungen werden durch Anlegen einer Spannung zwischen die jeweils gewünschte der Leitungen 13 und der Leitungen 12, so daß die Spannung momentan den Schaltwert überschreitet, geschaltet. Ein Spannungsimpuls kann dazu dienen, um den Schaltvorgang zustande zu bringen. Solange der Strom den Haltewert übersteigt, bleiben die Leiter zusammengeschaltet.
Da die Schalteranordnung ziemlich zerbrechlich ist, wird sie vorzugsweise in einem Gehäuse oder Kasten angeordnet. Das Gehäuse kann beispielsweise aus einem keramischen Kasten 31 mit einer Ausnehmung 32 zur Aufnahme der Schalteranordnung bestehen. Die Schalteranordnung ruht auf der Bodenfläche 33, und die Leiter 12 und 13 werden an Leitungen 36 bzw. 37 angeschlossen, die durch die Wandungen des Behälters nach außen ragen. Die Gesamtanordnung kann dann vergossen oder in einen hermetisch abgeschlossenen Behälter gebracht werden, wobei die Leitungen 36 und 37 zur Herstellung der Anschlüsse an die Leiter 12 und 13 verfügbar sind.
In Fig. 4 ist eine vergrößerte Ansicht einer der Schaltvorrichtungen 14 gezeigt. Es ist ersichtlich, daß die Vorrichtung die benachbarten Schichten 21, 22. 23 und 24 enthält, welche die Übergänge 26, 27 und 28 bilden. Die oberste Schicht steht in Ohmschem Kontakt mit dem Leiter 12, während die unterste Schicht 21 in Ohmschem Kontakt mit dem Leiter 13 steht.
In Fig. 6 ist eine Seitenansicht einer anderen Anordnung gezeigt. Die Kontaktplatte ist der Ätzlösung für eine solche Zeitdauer ausgesetzt, daß das Material, zu dem ein Teil der obersten Schicht 24 und der untersten Schicht 21 (nicht dargestellt) gehört, nicht vollständig beseitigt wird. Das wesentliche Erfordernis ist, daß die Vorrichtung für eine Zeitdauer in der Ätzlösung belassen wird, welche ausreichend ist, um genügend Material wegzuätzen und alle Übergänge 26, 27 und 28 freizulegen.
Es kann zeitraubend sein oder besondere Kunstgriffe erfordern, wenn mehrere Leiter 12 bzw. 13 in die richtige Lage gebracht werden sollen. Der Vorgang kann vereinfacht werden, indem jeweils eine Leitergruppe aus einem einzelnen Blech des Materials
41 ausgestanzt wird. Nachdem die Leiter an den entgegengesetzten Oberflächen der Kontaktplatte angebracht sind, werden die Endstücke längs der Linie
42 entfernt, so daß eine Mehrzahl paralleler, in einem Abstand befindlicher Kontakte zurückbleibt, die in Ohmschem Kontakt mit der aus Halbleitermaterial bestehenden Kontaktplatte zurückbleiben. Es kann von besonderem Vorteil sein, abzuwarten, bis die Kontaktplatte geätzt und auf einer geeigneten Unterlage angebracht ist, bevor das Abschneiden erfolgt.
Es ist bereits ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleiter-Schalteranordnung beschrieben worden, die ein Paar benachbarter Zonen aufweist, von denen die eine dazu dient, die Durchschlagcharakteristik der Anordnung zu steuern und keine freigelegten Übergänge aufweist, und von denen die andere dazu dient, die Haltecharakteristik der Anordnung zu bestimmen, wobei in ihr die Übergänge freigelegt sind. Eine Vorrichtung dieser Art ist relativ immun gegenüber Einflüssen.
Eine Gesamtanordnung von Vorrichtungen der beschriebenen Art kann gemäß der Erfindung auf einfache Weise hergestellt werden. Um die Anordnung zu bilden, wird die Kontaktplatte 51 bei einer relativ hohen Temperatur einer Sauerstoff atmosphäre ausgesetzt, so daß ein Oxydüberzug 52 auf allen ihren Oberflächen gebildet wird. Durch zweckentsprechendes Maskieren des Oxydüberzuges, wie z. B. durch Verwenden einer Wachsmaske oder eines lichtempfind-
lichen Photoresists, werden bestimmte Bereiche des Oxydüberzuges geschützt, während andere freiliegen. Die Kontaktplatte wird dann mit einem Ätzmittel behandelt, das dazu dient, den freiliegenden Oxydüberzug zu beseitigen und eine Vielzahl von Öffnungen 53 zu bilden, durch welche die obere Außenfläche der darunterliegenden Halbleiter-Kontaktplatte 51 freigelegt wird.
Fig. 9A zeigt eine Schnittansicht eines der freigelegten Bereiche. Auf die Kontaktplatte ist vorher Phosphor aufgebracht, so daß der Phosphor die Öffnungen 53, wie bei 54 in Fig. 9 B gezeigt, ausfüllt. Die Kontaktplatte wird dann einem Diffusionsvorgang ausgesetzt, so daß der Phosphor in die Kontaktplatte vom p-Typ eindiffundiert, um einen (p + )-Einsatz innerhalb der Schicht vom p-Typ zu bilden. Das Oxyd wird dann von der Kontaktplatte entfernt und die obere Außenfläche in geeigneter Weise geschützt, und es wird in der unteren Fläche (Fig. 9D) ein Bereich vom η-Typ durch Diffusion gebildet. Eine zweite Diffusion mit Maskierung dient zur Bildung einer Schicht vom η-Typ in der oberen Außenfläche (s. Fig. 9 E). Eine Maskierung der unteren Außenfläche und darauffolgende Diffusion in Gegenwart von Acceptor stoff en ergibt eine Schicht vom p-Typ an der unteren Außenfläche (s. Fig. 9F). Auf diese Weise wird eine vierschichtige Anordnung erhalten, deren Außenzone der Haltebereich und deren Innenzone der Durchschlagsbereich ist, eine Zone, in der anfänglich eine Trägermultiplikation auf Grund eines lawinenartigen Durchschlags auftritt. Diese Zone wird nicht an der Oberfläche freigelegt, so daß die Lawinencharakteristik nicht durch äußere Umstände beeinflußt wird.
Nachdem eine zusammengesetzte Kontaktplatte der beschriebenen Art mit mehreren Durchschlags- und Haltebereichen gebildet ist, werden, wie vorher beschrieben, die Kontakte 12 und 13 angebracht (s. Fig. 10), um den Ohmschen Kontakt mit der oberen und der unteren Außenfläche der Kontaktplatte herzustellen. Die Kontaktstücke haben solche Abmessungen, daß, wenn die Kontaktplatte einem Ätzvorgang unterworfen wird, bei jeder Schaltvorrichtung der Gesamtanordnung (s. Fig. 11) die Haltebereiche und die Durchschlagsbereiche übrigbleiben. Es wird also eine Gesamtanordnung mit einer Vielzahl vierschichtiger Halbleiteranordnungen gebildet, die den Vorteil hat, daß die Durchschlagscharakteristik durch äußere Umstände unbeeinflußt bleibt.
Es ist zweckmäßig, mehr Vorrichtungen als benötigt werden, vorzusehen, so daß, wenn etwa beim Herstellungsvorgang der Gesamtanordnung fehlerhafte Vorrichtungen vorkommen sollten, noch immer eine Gesamtanordnung mit der erforderlichen Zahl von Vorrichtungen hergestellt werden kann. Wird beispielsweise angenommen, daß eine Anordnung von viermal vier Kreuzungsstellen benötigt wird., so kann die ursprüngliche Gesamtanordnung eine Anordnung mit viermal sechs Kreuzungsstellen sein, wie in Fig. 12 gezeigt. Sind nun zwei fehlerhafte Vorrichtungen, wie durch Kreise angegeben, vorhanden, so werden die vier horizontalen Leiter in Verbindung mit vier vertikalen Leitern benutzt und ergeben eine Anordnung mit viermal vier Kreuzungen, wie in Fig. 13 dargestellt.
Es ist ohne weiteres ersichtlich, daß die verschiedensten Auswahlmöglichkeiten verfügbar sind, um einen kleinen Prozentsatz fehlerhafter Vorrichtungen auszuscheiden.

Claims (6)

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Herstellung einer Schaltmatrize mit gitterartig sich kreuzenden Leiterstäben, bei der die Kreuzungspunkte durch Mehrschichthalbleiteranordnungen verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst eine Scheibe aus Halbleitermaterial von dem gewünschten zusammengesetzten Aufbau hergestellt wird, worauf an beiden Flachseiten dieser Scheibe je eine Gruppe paralleler, langgestreckter Ohmscher Kontakte derart angebracht wird, daß beide Gruppen bei Betrachtung mit Blickrichtung auf den Grundriß einen annähernd rechten Winkel miteinander bilden, und daß schließlich selektiv das zwischen den Kontakten befindliche Halbleitermaterial entfernt wird, so daß an jeder einzelnen Kreuzungsstelle zweier Kontakte eine Halbleiter-Schaltvorrichtung gebildet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Entfernung des Halbleitermaterials durch chemische Ätzung erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zusammengesetzte Aufbau so ausgebildet ist, daß er vier Schichten, welche drei Übergänge bilden, enthält.
4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zusammengesetzte Aufbau so ausgebildet ist, daß jede der an den Kreuzungsstellen gebildeten Halbleiter-Schaltvorrichtungen eine Lawinenzone und eine diese umgebende Zone aufweist.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die an jeweils einer Kreuzungsstelle gebildete Schaltvorrichtung eine vierschichtige Halbleiter-Schaltvorrichtung mit vorbestimmter Durchschlagsspannungs- und Haltestromcharakteristik ist.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die vierschichtige Vorrichtung eine Durchschlagszone und eine diese umgebende Zone aufweist.
In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschrift Nr. 1 032 787;
Zeitschrift: »Funktechnik«, 1947, Nr. 24, insbesondere S. 13, Abb. 2;
USA.-Patentschrift Nr. 2 821 691.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
© 109 580/301 5.61
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