DE2233541A1 - CONDUCTOR ARRANGEMENT AND METHOD OF MANUFACTURING IT - Google Patents
CONDUCTOR ARRANGEMENT AND METHOD OF MANUFACTURING ITInfo
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Description
Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha, Tokio/Japan Halbleiteranordnung und Verfahren zu ihrer Herstellung Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha, Tokyo / Japan Semiconductor device and process for its production
Die Erfindung bezieht sich auf Halbleiteranordnungen mit einer besonderen Strom-Spannungs-Kennlinie in Sperrichtung und auf ein Verfahren zur Herstellung derartiger Anordnungen·The invention relates to semiconductor arrangements with a special current-voltage characteristic in the reverse direction and to a process for the production of such arrangements
Substrate aus«einem halbleitenden Material, wie etwa Silizium, Germanium oder dgl. auf denen eine Metallschicht angebracht ist, können bekanntlich in ihrer Strom-Spannungs-Kennlinie einen Gleicnrichterabschnitt aufweisen. Eine solche Gleichrichterkennlinie kann man auch in Halbleiterdioden mit p-n-Übergang beobachten. Legt man an den p-n-Übergang eine umgekehrte Spannung, so kann der durchfließende Strom bei Erhöhung der Spannung überAs is known, substrates made of a semiconducting material, such as silicon, germanium or the like, on which a metal layer is applied, can have a rectifier section in their current-voltage characteristic. Such a rectifier characteristic can also be observed in semiconductor diodes with a pn junction. If a reverse voltage is applied to the pn junction, the current flowing through can overflow when the voltage is increased
2 Π 9 P, Q 3 / 1 1 1 72 Π 9 P, Q 3/1 1 1 7
die Durchbruchspannung V (oder |V| > |Vß| ) plötzlich ansteigen. Im Bereich dieses plötzlichen Stromanstieges kann die Strom-Spannungs-Kennlinie sprungnaf't verlaufen. Das bedeutet, daß der resultierende Strom plötzlich und sprunghaft aus dem niedrigen in den hohen Leitfähigkeitszustand springt, wenn die in Sperrrichtung angelegte Spannung am p-n-Übergang einen bestimmten Wert •erreicht. Bei diesem Vorgang kann der p-n-Übergang eine negative Widerstandskennlinie zeigen oder nicht.the breakdown voltage V (or | V |> | V ß |) suddenly increases. In the area of this sudden increase in current, the current-voltage characteristic curve can run abruptly. This means that the resulting current jumps suddenly and abruptly from the low to the high conductivity state when the voltage applied in the reverse direction at the pn junction reaches a certain value. During this process, the pn junction may or may not show a negative resistance characteristic.
Man nimmt an, daß das beschriebene Phänomen vom sog. "Mikroplasma11 herrührt, das von der Emission sichtbaren Lichtes und/oder der Entstehung eines pulsierenden Stromes begleitet ist. Das Mikroplasma rührt her vom Durchbruch an elektrisch schwachen Punkten, die am p-n-übergang diskret verteilt sind, infolge einer Ungleichförmigkeit der Oberfläche am p-n-Übergang. Um die stufenförmige oder sprunghafte Strom-Spannungs-Kennlinie oder die abgestufte Kennlinie m±t einem negativen Widerstandsbereich oder -bereichen bei dem Mikroplasma ausreichend stabil reproduzieren zu können muß man die Ungleichförmigkeit der Oberfläche am p-n-Übergang an sich kontrollieren können. Durch die bekannten thermischen Diffusionstechniken ist die lokale Bildung kontrollierter, schwacher Punkte an der Oberfläche des p-n-Überganges äußerst schwierig. Entsprechend schwierig ist damit auch die Herstellung von Halbleiterdioden mit der oben beschriebenen Kennlinie nach den bekannten Herstellungsverfahren mit hoher Reproduzierbarkeit. Praktisch unmöglich ist die Herstellung von Halbleiterdioden mit abgestufter Kennlinie unter Einschluß von Parametern, wie etwa dem Abstand zwischen den Sprüngen oder Stufen, negativem Widerstand usw. nach Belieben.It is assumed that the phenomenon described originates from the so-called “microplasma 11 , which is accompanied by the emission of visible light and / or the creation of a pulsating current. The microplasma originates from the breakdown at electrically weak points, which are discrete at the pn junction In order to be able to reproduce the stepped or abrupt current-voltage characteristic curve or the stepped characteristic curve with a negative resistance range or ranges in the microplasma with sufficient stability, one must be able to reproduce the non-uniformity of the surface The known thermal diffusion techniques make the local formation of controlled, weak points on the surface of the pn junction extremely difficult with high reprod uceability. It is practically impossible to manufacture semiconductor diodes with a graduated characteristic, including parameters such as the distance between the jumps or steps, negative resistance, etc. at will.
Durch die Erfindung wird nun eine Halbleiteranordnung geschaffen, die in Sperrichtung eine Strom-Spannungs-Kennlinie mit mindestensThe invention now creates a semiconductor arrangement which has a current-voltage characteristic curve with at least in the reverse direction
? Π 9 fl Π 3 / Π 1 7? Π 9 fl Π 3 / Π 1 7
η η λ. Λ Γ ι λη η λ. Λ Γ ι λ
2 2 j j ■) 4 Ί - 3 - 2 2 yy ■) 4 Ί - 3 -
einem negativen Widerstandsbereich aufweist und mit hoher Reproduzierbarkeit stabil hergestellt werden kann.has a negative resistance range and with high reproducibility can be produced stably.
Durch die Erfindung wird somit ein stromsteuerbares, negatives Widerstandselement geschaffen mit einem negativen Widerstandsbereich in Sperrichtung. Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt die Herstellung entsprechender Halbleiterdioden.The invention thus creates a current-controllable, negative resistance element with a negative resistance range in reverse direction. The method according to the invention allows the production of corresponding semiconductor diodes.
Ferner wird durch die Erfindung eine neuartige Halbleiteranordnung geschaffen mit abgestufter Kennlinie oder einer stromsteuerbaren, negativen Widerstandskennlinie in Durchlaßrichtung, deren Parameter, wie etwa Abstand zwischen den Stufen, Durchbruchspannung und negativer Widerstand, beliebig steuerbar sind.The invention also provides a new type of semiconductor device created with a graduated characteristic curve or a current-controllable, negative resistance characteristic curve in the forward direction, whose parameters, such as the distance between the steps, breakdown voltage and negative resistance, can be controlled as required.
Die erfindungsgemäße Halbleiteranordnung ist gekennzeichnet durch ein Substrat aus einem Halbleitermaterial eines Leitfähigkeitstyps mit zwei gegenüberliegenden Hauptseiten, durch einen auf einer Hauptseite des Substrats angeordneten, dünnen Film aus dem Nitrid eines Ventilmetalles und durch je eine Metallschichtelektrode auf der freiliegenden Oberfläche des Nitridfilmes und der anderen Hauptseite des Substrats.The semiconductor arrangement according to the invention is characterized by a substrate made of a semiconductor material of one conductivity type with two opposite main sides, by one on A thin film of the nitride of a valve metal arranged on a main side of the substrate and each through a metal layer electrode on the exposed surface of the nitride film and the other major side of the substrate.
Zur Erzielung der abgestuften Strom-Spannungs-Kennlinie kann das Halbleitermaterial des Substrats etwa eine Störstellenkonzentr ation von 10 bis 10 Atomen/cm aufweisen.To achieve the graduated current-voltage characteristic, the semiconductor material of the substrate can be an impurity concentrate ation of 10 to 10 atoms / cm.
Zur Erzeugung der stromsteuerbaren negativen Widerstandskenn-• linie im Sperrbereich kann das Halbleitermaterial des SubstratsTo generate the current controllable negative resistance characteristic • The semiconductor material of the substrate can be used as a line in the blocking area
13 14 3 eine Störstellenkonzentration von 10 bis 10 Atomen/cm besitzen.13 14 3 an impurity concentration of 10 to 10 atoms / cm own.
2 0.9883/11172 0.9883 / 1117
Als Ventilmetall wird vorzugsweise Molybdän, Tantal, Wolfram, Titan, Aluminium oder Niob gewählt.Molybdenum, tantalum, tungsten, titanium, aluminum or niobium are preferably selected as the valve metal.
Das Verfahren zur Herstellung einer derartigen Halbleiteranordnung zeichnet sich dadurch aus, daß ein Substrat aus Halbleitermaterial mit einer bestimmten StorStellenkonzentration und ein Ventilmetallkörper in einem evakuierbaren Raum einander gegenüber angeordnet werden, daß der Raum evakuiert wird, daß Stickstoffgas unter einem kontrollierbaren Druck in den evakuierten Raum eingelassen wird, daß eine Plasmasäule im Zwischenraum zwischen dem Substrat und dem Ventilmetallkörper erzeugt wird' und daß an den Ventilmetallkörper eine negative Spannung gelegt wird, so daß Atome aus dem Ventilmetallkörper sich durch die Plasmasäule bewegen und sich in das entsprechende Nitrid umwandeln, das auf dem Substrat niedergeschlagen wird.The method for manufacturing such a semiconductor device is characterized by the fact that a substrate made of semiconductor material with a certain concentration of disturbances and a valve metal body are arranged in an evacuable space opposite each other that the space is evacuated that Nitrogen gas under a controllable pressure in the evacuated Space is admitted that a plasma column is generated in the space between the substrate and the valve metal body 'and that a negative voltage is applied to the valve metal body so that atoms from the valve metal body move through the plasma column move and transform into the corresponding nitride that is deposited on the substrate.
Die folgende detaillierte Beschreibung der Erfindung läßt weitere Einzelheiten erkennen. In der Zeichnung zeigt:The following detailed description of the invention will reveal further details. In the drawing shows:
Fig. 1 einen vergrößerten Längsschnitt einer erfindungsgemäßen Halbleiteranordnung,Fig. 1 is an enlarged longitudinal section of an inventive Semiconductor device,
Fig. 2 eine Modifikation der Anordnung nach Fig. 1 ,FIG. 2 shows a modification of the arrangement according to FIG. 1,
Fig. 3 einen schematischen Schnitt durch eine Vorrichtung zur Herstellung der erfindungsgemäßen Halbleiteranordnungen, 3 shows a schematic section through an apparatus for producing the semiconductor arrangements according to the invention,
Fig. 4 eine graphische Darstellung einer Strom-Spannungs-Kennlinie einer erfindungsgemäßen Halbleiteranordnung,4 shows a graphic representation of a current-voltage characteristic a semiconductor arrangement according to the invention,
Fig. 5 bzw. Fig. 6 von der Darstellung nach Fig. 4 abweichende Strom-Spannungs-Kennlinien undFIG. 5 and FIG. 6 differ from the representation according to FIG. 4 and current-voltage characteristics
Fig. 7 ein schematisches Schaltschema eines Frequenzvervielfachers mit der erfindungsgemäßen Anordnung, wobei der Eingangs- und Aus gangs kurvenverlauf neben dem Eingaiujs- bzw. dem Ausgangsanschluß dargestellt ist.7 shows a schematic circuit diagram of a frequency multiplier with the arrangement according to the invention, the input and output curve profile in addition to the input or the output terminal is shown.
2 0 9 ft B 3 / 1 1 1 72 0 9 ft B 3/1 1 1 7
Die in Fig· 1 dargestellte Anordnung umfaßt ein Substrat 10 aus einem geeigneten Halbleitermaterial, einen dünnen Film 12 aus Nitrid eines Ventilmetalls auf einer Hauptseite des Substrats 10, eine Metallschichtelektrode 14 auf dem Nitridfilm 12 und eine weitere Metallschichtelektrode 16 auf der anderen Hauptseite des Substrats 10. Auf die Elektrodenschichten 14 und 1 6 sind Elektrodenanschlüsse 1ö und 20 aufgedampft.The arrangement shown in Fig. 1 comprises a substrate 10 made of a suitable semiconductor material, a thin film 12 of nitride of a valve metal on one main side of the substrate 10, a metal layer electrode 14 on the nitride film 12 and a further metal layer electrode 16 on the other main side of the substrate 10 Electrode connections 10 and 20 are vapor-deposited onto electrode layers 14 and 16.
Das Substrat 10 kann aus p- oder η-leitenden Silizium oder Germanium bestreuen. Der Film 12 besteht aus einem Nitrid eines Metalles aus der Gruppe Molybdän, Tantal, Wolfram, Titan, Aluminium und Niob. Als Ventilmetall eignen sich vorzugsweise Molybdän und Tantal.The substrate 10 can be made of p- or η-conducting silicon or germanium sprinkle. The film 12 is made of a nitride Metals from the group of molybdenum, tantalum, tungsten, titanium, aluminum and niobium. Are preferably suitable as valve metal Molybdenum and tantalum.
Der Nitridfilm 12 wird auf dem Substrat 10 durch ein Spritzverfahren in einer Plasmasäule aufgetragen. Die Elektrodenschichten 14 und 16 können aus einem an sich bekannten elektrisch leitenüen Material bestehen, wie etwa Aluminium, Gold, Silber, Kupfer, Nickel usw. -The nitride film 12 is formed on the substrate 10 by a spraying method applied in a plasma column. The electrode layers 14 and 16 can consist of an electrically known per se conductive material, such as aluminum, gold, silver, copper, nickel, etc. -
Zu beachten ist, daß das Material des Substrats 10 eine Störstellenkonzentration von etwa 10 bis 10 Atomen/cm oder vnnIt should be noted that the material of the substrate 10 has an impurity concentration from about 10 to 10 atoms / cm or vnn
IQ 1 ZL 'ΪIQ 1 ZL 'Ϊ
ca. 10 bis ca. 10 Atomen/cm aufweisen sollte, und daß der Nitridfilm 12 eine Stärke von 100 bis 10 000 ί? haben sollte.should have about 10 to about 10 atoms / cm, and that the Nitride film 12 a thickness of 100 to 10,000 ί? should have.
Fig. 2 unterscheidet sich von Fig. 1 dadurch, daß auf einer Hauptseite des Substrats 10 eine Vertiefung■22 vorhanden ist, in der sich der Nitridfilm 12 befindet und etwas über ,die Substratseite herausragt.Fig. 2 differs from Fig. 1 in that on a main page of the substrate 10 a recess ■ 22 is present in which the nitride film 12 is and slightly above, the substrate side protrudes.
In der Anordnung nach Fig. 2 ist gegenüber Fig. 1 die Fläche, in der der Nitridfilm 12 das Substrat 10 berührt, vergrößert, während die obere Scnichtelektrode 14 für den erforderlichen Oberflächendnschluü in relativ geringer Hohe über der Substratseite liegt.In the arrangement according to FIG. 2, compared to FIG. 1, the area in which the nitride film 12 contacts the substrate 10 is enlarged, while the upper non-electrode 14 for the required surface connection is at a relatively low height above the substrate side.
2 Π 9 H 8 ? / 1 1 1 72 Π 9 H 8? / 1 1 1 7
Dadurch wird der Oberflächenanschluß erleichtert und die Gefanr von Fehlern, wie etwa Unterbrechungen, verringert. Die Anordnung nach Fig. 3 eignet sich deshalb besonders für integrierte Schaltungen. Darüber hinaus ist sie äußerst zuverlässig.This makes the surface connection easier and the Gefanr of errors such as interruptions. The arrangement according to FIG. 3 is therefore particularly suitable for integrated Circuits. In addition, it is extremely reliable.
Fig. 3 zeigt eine Vorrichtung zur Herstellung von Halbleiteranordnungen nach Fig. 1 und 2. Die Vorrichtung umfaßt einen Vakuumraum in einer Glasglocke 30, vakuumdicht auf einer Bodenplatte 32 aus geeignetem Material, wie etwa rostfreiem Stahl. In dem Raum 30 befindet sich ein Halbleitersubstrat 10, wie bei Fig. 1 beschrieben, und ein Ventilmetallkörper, z.B. Molybdän, in Form eher Platte 34 gegenüber, so daß in der Mitte ein Zwischenraum bleibt. Eine Stützkonstruktion 36 enthält eine senkrechte Stütze 36a, an der Bodenplatte 32 befestigt, und einen hohlen, zylindrischen Abschnitt 36b, der am freien Ende der Stütze 36a horizontal angebracht ist. Das Substrat 10 ist in den hohlen, zylindrischen Abschnitt 36b kurz vor dem inneren Ende oder dem Ende an der Metallplatte 34 eingepaßt. Die Stützkonstruktion 36 besteht vorzugsweise aus Quarz. Die Metallplatte 34 gegenüber einer Hauptseite des Substrates 10 ist an einem Stützelement 3b festgemacht, beispielsweise durch Schweißen. Das Stützelement 3B besteht vorzugsweise aus rostfreiem Stahl und wird getragen von einem Winkel, mit dem sie auch elektrisch verbunden ist, in dem ein elektrischer Leiter 40 elektrisch isoliert und dicht durch die Bodenplatte 32 aus Metall geführt ist. Außerdem ist der Leiter 40 an den negativen Anschluß einer Gleichstromquelle 42 außerhalb des Raumes. 30 gelegt, deren positiver Anschluß mit Masse verbunden ist. Der Teil des Leiters 40 in Form eines LT im Raum 30 ist von einer Glashülse 42 umgeben. Die Metallplatte 34 zusammen mit dem Stützelement 36 ist auf der Außenseite mit einer Schient pulverförinigen Metalles oder einer Glasschicht versehen, wie in Fig. 3 gestrichelt angedeutet, mit Ausnahme der Oberfläche der Platte 34 gegenüber3 shows an apparatus for producing semiconductor devices 1 and 2. The device comprises a vacuum space in a bell jar 30, vacuum-tight on a base plate 32 made of suitable material such as stainless steel. In the space 30 there is a semiconductor substrate 10, such as in Fig. 1, and a valve metal body, e.g., molybdenum, in the form rather opposite plate 34 so that in the center a space remains. A support structure 36 includes a vertical support 36a attached to the floor panel 32, and a hollow, cylindrical portion 36b which is horizontally attached to the free end of the support 36a. The substrate 10 is fitted into the hollow cylindrical portion 36b just short of the inner end or the end on the metal plate 34. The support structure 36 is preferably made of quartz. The metal plate 34 opposite a main side of the substrate 10 is on one Support element 3b fixed, for example by welding. The support member 3B is preferably made of stainless steel and is supported by an angle at which it is also electrically connected, at which an electrical conductor 40 is electrically is insulated and tightly guided through the base plate 32 made of metal. In addition, the conductor 40 to the negative terminal is a DC power source 42 outside the room. 30 placed, the positive terminal of which is connected to ground. The part of the head 40 in the form of an LT in space 30 is surrounded by a glass sleeve 42. The metal plate 34 together with the support element 36 is on the outside with a rail of powdery metal or provided with a glass layer, as indicated by dashed lines in FIG. 3, with the exception of the surface of the plate 34 opposite
7 η η π π 3 f 1 η 7 7 η η π π 3 f 1 η 7
2233R412233R41
dein Substrat 10. Das Stützelement 36 und auch die Metallplatte 34 sind um die Achse des vertikalen Leiterabschnittes drehbar.the substrate 10. The support member 36 and also the metal plate 34 are rotatable about the axis of the vertical ladder section.
Zur Herstellung einer Plasmasäule in dem Raum zwischen dem Substrat und der Metallplatte 10 bzw. 32 befindet sich eine Anode 44 über den beiden Bauteilen in der Glasglocke 30 und definiert ein Ende des Zwischenraumes zwischen den beiden Bauteilen, während eine heizbare Kathode 46 in Form einer Spule neben dem verschlossenen Ende eines Metallrohres 48 angeordnet ist, dessen offenes Ende in die Glasglocke 30 reicht und der Anode 44 gegenüber liegt. Die Anode 44 ist elektrisch mit einem L-förmigen Leiter 50 verbunden, der sie auch trägt, wobei eine Glashülse 52 dicht und elektrisch isolierend durch die Bodenplatte 36 führt und zum positiven Anschluß einer Gleichstromquelle 54. Der. negative Anschluß der Quelle 54 ist geerdet. Die Katnode 4b ist durch eine Spannungsquelle 56 beheizbar. Die guellen 54 und 56 liegen ebenfalls außerhalb der GlockeTo produce a plasma column in the space between the substrate and the metal plate 10 or 32, there is a Anode 44 over the two components in the bell jar 30 and defines one end of the space between the two components, while a heatable cathode 46 in the form of a coil is arranged next to the closed end of a metal tube 48 is, the open end of which extends into the bell jar 30 and the anode 44 is opposite. The anode 44 is electrical with a L-shaped conductor 50 connected, which also carries them, with a glass sleeve 52 tightly and electrically insulating through the base plate 36 leads and to the positive connection of a direct current source 54. The. negative terminal of source 54 is grounded. The cathode 4b can be heated by a voltage source 56. The guellen 54 and 56 are also outside the bell
Wie Fig. 3 ferner zeigt umschließt eine Luftwicklung 58 die Glocke 30 und faßt die Plasmasäule 60 zwischen Anode 44 und Katnode 46 in dem Zwischenraum zusammen, der vom Substrat 10,. der Molybdänplatte 34, der Anode 44 und dem Rohr 48 begrenzt ist.As FIG. 3 also shows, an air winding 58 encloses the Bell 30 and summarizes the plasma column 60 between anode 44 and cathnode 46 in the space that is from the substrate 10 ,. the molybdenum plate 34, the anode 44 and the tube 48 is limited.
Die Bodenplatte 38 der Glocke 30 ist gemäß Fig. 3 mit einer Evakuieröffnung 62 versehen, zur Evakuierung der Glocke 30, und mit einer Einlaßöffnung 64 für Stickstoffgas. Die Öffnung 62 ist an eine Diffusionspumpe und an eine rotierende Vakuumpumpe anschließbar. Die Öffnung 64 ist zum Anschluß an einen Stickstoffbehälter, etwa eine Stickstofflasche vorgesehen. Pumpe und Flasche sind nicht dargesteilt.The base plate 38 of the bell 30 is provided with an evacuation opening 62 according to FIG. 3, for evacuating the bell 30, and with an inlet port 64 for nitrogen gas. The opening 62 can be connected to a diffusion pump and a rotating vacuum pump. The opening 64 is for connection to a Nitrogen container, such as a nitrogen bottle, is provided. Pump and bottle are not shown.
Zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens sei auf Fig. verwiesen und angenommen, daß Silizium, Molybdän und Aluminium für das Substrat 10, den Metallfilm 12 und die Elektroden 14 bzw.To explain the method according to the invention, reference is made to FIG. And it is assumed that silicon, molybdenum and aluminum for the substrate 10, the metal film 12 and the electrodes 14 and
16 verwendet werden. Zunächst wird durch geeignete Störatome ein Substrat aus p- oder n-leitenaem Silizium einer bestimmten Störstellenkonzentration hergestellt. Das so präparierte Substrat unterliegt einem an sich bekannten Reinigungsverfahren unter Verwendung heißer Schwefelsäure, heißer Salpetersäure und Flußsäure (Fluor) zur Beseitigung von Fremdstoffen, die auf der dünnen Siliziumdioxydschicht haften, die auf der Oberfläche gebildet ist. Nach derartiger Reinigung der Oberfläche wird das Substrat sofort in den horizontalen, hohlen, zylindrischen Abschnitt 34b eingesetzt und vom offenen Ende etwas nach innen versetzt, wobei die Glocke 30 von der Bodenplatte 32 abgenommen ist und das Stützelement 3Ö mit dem Leiter 40 in der Hülse nach der Seite des Betrachters gerichtet ist oder in entgegengesetzter Richtung, um die Achse des vertikalen Leiterteiles gedreht. Dann wird eine Molybdänplatte, z.B. die Platte 34 an dem Stützelement 38 beispielsweise durch Schweißen fixiert, worauf das Ganze wieder in die ursprüngliche Lage gebracht wird, in der die Molybdänplatte dem Substrat 10 diametral gegenüberliegt.16 can be used. First is through suitable impurity atoms a substrate made of p- or n-type silicon of a specific type Impurity concentration produced. The substrate prepared in this way is subject to a cleaning process known per se using hot sulfuric acid, hot nitric acid and hydrofluoric acid (fluorine) to remove foreign matter that is on the thin Adhere silicon dioxide layer formed on the surface. After such cleaning of the surface, the substrate becomes immediately inserted into the horizontal, hollow, cylindrical portion 34b and offset slightly inward from the open end, the Bell 30 is removed from the base plate 32 and the support element 30 with the conductor 40 in the sleeve to the side of the Viewer is directed or in the opposite direction, rotated about the axis of the vertical conductor part. Then one will Molybdenum plate, e.g. the plate 34, is fixed to the support element 38, for example by welding, whereupon the whole is again the original position is brought in which the molybdenum plate is diametrically opposed to the substrate 10.
Nun wird die Glocke 30 vakuumdicht auf die Bodenjjiatte 32 aufgesetzt und das Innere der Glocke über die Evakuierungsöffnung 62 durch eine (nicht gezeigte) Vakuumeinrichtung evakuiert. Wenn der Druck in der Glocke 30 einen Wert von ca. 1U Torr erreicht, wird durch die Einlaßöffnung 64 äußerst reines Stickstoffgas in die Glocke 30 gelassen. Die Vakuumeinrichtung arbeitet kontinuierlich und der Druck des Stickstoffgases in der Glocke 30 wird durch entsprechendes Einstellen der Stickstoffgasgeschwindig-The bell 30 is now placed on the base plate 32 in a vacuum-tight manner and the inside of the bell via the evacuation port 62 evacuated by a vacuum device (not shown). When the pressure in the bell 30 reaches a value of approx. 1U Torr, extremely pure nitrogen gas is admitted into bell jar 30 through inlet port 64. The vacuum device works continuously and the pressure of the nitrogen gas in the bell jar 30 is increased by adjusting the nitrogen gas speed accordingly.
—2
keit auf ca. 10 Torr gehalten.—2
held at about 10 Torr.
Die Stromquelle 56 liefert der Kathode 46 einen bestimmten Strom, so daß diese heiß wird und Elektronen für die tliermiscne Stranluiu] emittiert. Danach wird die Quelle 43 mit einer Gleichspannung von ca. 60 Volt an die Anode und die kathode 44 bzw. 4b gelegt, so ααβ The current source 56 supplies the cathode 46 with a certain current, so that it becomes hot and emits electrons for the internal fluid. Then the source 43 is applied with a direct voltage of approx. 60 volts to the anode and the cathode 44 or 4b, so ααβ
? 0 9 H 8 3 /1 1 1 7? 0 9 H 8 3/1 1 1 7
eine Plasmasäule 60 zwischen den beiden Elektroden entsteht. Gleichzeitig fließt ein Strom von ca. 10 Amp. durch die Wicklung 5ö unü das entstehende Magnetfeld sammelt die Plasmasäule 60 in dem Zwischenraum zwischen dem Substrat und der Molybdänplatte 10 bzw. 34. Die Plasmasäule 60 kann einen Durchmesser von ca. 5 cm haben. .. ,a plasma column 60 is created between the two electrodes. At the same time, a current of approx. 10 amps flows through the winding 5ö and the resulting magnetic field collects the plasma column 60 in the space between the substrate and the molybdenum plate 10 or 34. The plasma column 60 can have a diameter of approx. 5 cm. ..,
Die Hauptseite des Substrates 10 gegenüber der Molybdänplatte'34 wird der Piasmasäule 60 ca. 2 bis 5 Minuten ausgesetzt, so daß auf deren Oberfläche adsorbierte Gase freigesetzt werden. Dann wird wahrend 3 bis 5 Minuten die Quelle 43 über den Leiter 44 in der Hülse und das Stützelement 38 mit negativem Potential an die Molybdänplatte 34 gelegt. Die negative Spannung beträgt vorzugsweise -500 bis -1000 Volt gegenüber Masse. Durch Kollision mit energiereichen Ionen werden Molybdänatome aus der Oberfläche der Molybdänplatte 34 gerissen. Während der Bewegung durch die Plasmasäule 60 verbinden sich die Molybdänatome mit dem Stickstoff zu Nitrid. Das Nitrid trifft, auf die freiliegende Oberfläche des Substrates 10 und haftet darauf. Wenn der auf dem Substrat 10 haftende Nitridfilm eine Stärke von ca. 100 bis 10 OOü S erreicht hat wird die Nitridfilmbildung auf dem Substrat abgeschlossen.The main side of the substrate 10 opposite the molybdenum plate 34 is exposed to the plasma column 60 for about 2 to 5 minutes, so that adsorbed gases are released on its surface. then the source 43 is connected to the negative potential via the conductor 44 in the sleeve and the support element 38 during 3 to 5 minutes Molybdenum plate 34 placed. The negative voltage is preferably -500 to -1000 volts with respect to ground. By collision Molybdenum atoms are torn from the surface of the molybdenum plate 34 with high-energy ions. While moving through the Plasma column 60, the molybdenum atoms combine with the nitrogen to nitride. The nitride hits the exposed surface of the substrate 10 and adheres thereon. If the one on the Substrate 10 adhering nitride film has reached a thickness of approx. 100 to 10 OOü S, the nitride film is formed on the Substrate completed.
Die Ablagerungsgeschwindigkeit kann bei ca. 50 Ä/Min·. liegen. Bei dieser ABlagerungsgeschwindigkeit erreicht der Nitridfilm in ca. 2 bis 20 Minuten seine vorgesehene Stärke.The rate of deposition can be approx. 50 Å / min. lie. At this rate of deposition, the nitride film reaches its intended thickness in approx. 2 to 20 minutes.
Zur Herstellung einer Schichtelektrode auf dem so gebildeten Nitridfilm wird beispielsweise Aluminium unter Vakuum bis zu • einer Stärke von mehreren tausend S. auf dem Nitridfilm aufgedampft, unter Anwendung eines Vakuumevaporationsverfahrens mit Widerstandsheizung, wie an sich bekannt. Danach wird wie üblich in einem pnotolithographischen Verfahren mit einem entsprechendenTo produce a layer electrode on the nitride film thus formed, for example, aluminum is used under vacuum up to • vapor deposited on the nitride film to a thickness of several thousand p. using a vacuum evaporation process with Resistance heating, as is known per se. Then, as usual, in a photolithographic process with a corresponding
209RR3/111-7209RR3 / 111-7
22135412213541
lichtempfindlichen Harz der Nitridfilm und die Elektrode auf einer bestimmten Fläche der Substratseite gemäß Fig. 1 in die gewünschte Form gebracht. Ebenso ¥/ird eine Aluminiumschicht, die Elektrode 16 in Fig. 1, auf der anderen Seite des Substrats angebracht. Zur Vervollständigung der Anordnung gemäß Fig. 1 werden an den beiden Aluminiumschichten Anschlußelektroden vorgesehen. photosensitive resin of the nitride film and the electrode on a certain area of the substrate side shown in Fig. 1 in the brought the desired shape. Likewise, there is an aluminum layer, the electrode 16 in FIG. 1, on the other side of the substrate appropriate. To complete the arrangement according to FIG. 1, connection electrodes are provided on the two aluminum layers.
Zur Herstellung einer Halbleiteranordnung gemäß Fig. 2 wird ein Substrat wie oben beschrieben auf einer Hauptseite miteiner Vertiefung 22 versehen. Dann wiederholt sich das oben beschriebene Verfahren.To manufacture a semiconductor device according to FIG Well 22 provided. Then the procedure described above is repeated.
Stickstoffoxyd-Siliaiumelektroden die nach dem oben beschriebenen Verfahren hergestellt werden, besiezen eine typische Strom-Spannungs-Kennlinie nach den Fig. 4, 5 oder 6, die den Strom durch die Diode auf der Ordinate in Abhängigkeit einer zugeführten Spannung an der Diode in Abszissenrichtung zeigen.Nitric oxide silicon electrodes according to the one described above Processes are produced, have a typical current-voltage characteristic 4, 5 or 6, the current through the diode on the ordinate as a function of a supplied Point the voltage across the diode in the direction of the abscissa.
Fig. 4 zeigt als Beispiel eine Strom-Spannungs-Kennlinie einer Diode mit einer Störstellenkonzentration von 10 bis 10 Atomen/cm , bei Dotierung mit η-leitenden Störatomen wie etwa Phosphor, Arsen oder Antimon. Gemäß Fig. 4 zeigt die Strom-Spannungs-Kennlinie einen abgestuften Abschnitt im dritten Quadranten ihrer Kurve bzw. im Bereich mit negativer Vorspannung. Wenn die angelegte Spannung -8 Volt erreicht springt der Strom abrupt vom Punkt A über den Punkt A1 zum Punkt B, so daß man die stufenförmige Strom-Spannungs-Kenalinie erhält. Wenn die negative Spannung wieder ansteigt erhält man entsprechend abgestufte Abschnitte CCD, BB1, F und GG1E. As an example, FIG. 4 shows a current-voltage characteristic curve of a diode with an impurity concentration of 10 to 10 atoms / cm when doped with η-conducting impurity atoms such as phosphorus, arsenic or antimony. According to FIG. 4, the current-voltage characteristic curve shows a stepped section in the third quadrant of its curve or in the area with negative bias. When the applied voltage reaches -8 volts, the current jumps abruptly from point A via point A 1 to point B, so that the stepped current-voltage kenaline is obtained. When the negative voltage rises again, you get correspondingly graded sections CCD, BB 1 , F and GG 1 E.
Man erkennt, daß der Abschnitt des Kurvenverlaufes vom Punkt A zum Punkt A' in einem negativen Widerstandsbereich liegt. DieIt can be seen that the section of the curve from point A to point A 'lies in a negative resistance range. the
2 Π 9 R B 3 / 11 1 72 Π 9 R B 3/11 1 7
2233ΠΑ12233-1
Versuchsresultate zeigen, daß der Bereich AA1 negativen Widerstandes lang wird, wenn man die Betriebstemperatur des Substrats verringert, und kurz, durch Bestrahlung des Substrats mit Licht.' Außerdem wurde festgestellt, daß die Neigung einer durch die Punkte AB gehenden Linie bzw. der Widerstand durch einen in Reihe zur Diode liegenden Verlustwiderstand steuerbar ist. Ferner kann man die Durchbruchspannung Vx, der Diode durch die Betriebstemperatur oder die Störstellenkonzentration des Substrats oder durch Bestrahlung mit Laser-Licht steuern. Dies gilt für die abgestuften Abschnitte CCD, EE1F usw.Experimental results show that the AA 1 negative resistance area becomes long when the operating temperature of the substrate is decreased and short when the substrate is irradiated with light. It was also found that the inclination of a line passing through the points AB or the resistance can be controlled by a loss resistance in series with the diode. Furthermore, the breakdown voltage V x of the diode can be controlled by the operating temperature or the concentration of impurities in the substrate or by irradiation with laser light. This applies to the graded sections CCD, EE 1 F, etc.
Die Fig. 5 und 6 zeigen die Strom-Spannungs-Kennlinien der im Zusammenhang mit Fig. 4 beschriebenen Diode mit einer Störstellenkonzentration von 10 bis 10 Atomen/cm·5. Fig. 5 zeigt die Strom-Spannungs-Kennlinie einer Rückwärtsdiode mit einem stromsteuerbaren, negativen Widerstandsabschnitt im dritten Quadranten der Kurve oder im Bereich negativer Vorspannung. Fig. 6 zeigt eine Strom-Spannungs-Kennlinie ähnlich Fig. 5, jedoch mit drei oder zwei negativen Widerstandsabschnitten, stromgesteuert.FIGS. 5 and 6 show the current-voltage characteristics of the diode described in connection with FIG. 4 with an impurity concentration of 10 to 10 atoms / cm · 5 . 5 shows the current-voltage characteristic curve of a reverse diode with a current-controllable, negative resistor section in the third quadrant of the curve or in the region of negative bias voltage. FIG. 6 shows a current-voltage characteristic similar to FIG. 5, but with three or two negative resistance sections, current-controlled.
Bekanntlich können Punktkontaktdioden bekannter Bauart eine Strom-Spannungs-Kennlinie im negativen oder dritten Quadranten ihres Kurvenverlaufes entsprechend dem in den Fig. 5 oder 6 gezeigten Abschnitt zeigen. Bei derartigen Dioden ist der Durchlaßstrom im Verhältnis zum Sperrstrom sehr hoch, wodurch die . Rückwärtskennlinie nicht auftritt.As is known, point contact diodes of known design can have a current-voltage characteristic in the negative or third quadrant show their curve shape corresponding to the section shown in Fig. 5 or 6. With such diodes the forward current is very high in relation to the reverse current, whereby the. Reverse characteristic does not occur.
Die Rückwärtskennlinie können auch Dioden mit p-n-Übergang zeigen, die nach bekannten thermischen Diffusionsverfahren hergestellt sind. Die Strom-Spannungs-Kennlinie derartiger Dioden zeigt jedoch im negativen Bereich nicht den negativen Widerstandsabschnitt.The reverse characteristic can also be diodes with a p-n junction show, which are produced by known thermal diffusion processes. The current-voltage characteristic of such However, Diode does not show the negative resistance section in the negative area.
9 883/11179 883/1117
Im Gegensatz dazu erhältman durch die Erfindung ohne weiteres Rückwärtsdioden mit einer Strom-Spannungs-Kennlinie, die einen negativen Widerstandsabschnitt oder Abschnitte im negativ vorgespannten Bereich, oder im dritten Quadranten der Kurve zeigt0 Es ist anzunehmen, daß Siliziumnitrid gebildet auf der Oberfläche des Siliziums und Molybdännitrid die gute Reproduzierbarkeit obiger Kennlinien stabil beeinflussen.In contrast, erhältman by the invention readily reverse diode having a current-voltage characteristic showing a negative resistance section or sections in the negatively biased region, or in the third quadrant of the curve 0 It is assumed that silicon nitride formed on the surface of the silicon and Molybdenum nitride has a stable effect on the reproducibility of the above characteristics.
Zu beachten ist, daß die abgestufte Kennlinie nach Fig. 4 und die stromgesteuerte, negative Widerstandskennlinie nach Fig. 5 oder 6 sowohl bei Halbleiterdioden mit harter als auch mit sanfter Durchbruchskennlinie beobachtbar ist.It should be noted that the graduated characteristic curve according to FIG. 4 and the current-controlled, negative resistance characteristic curve according to FIG or 6 can be observed in semiconductor diodes with both hard and soft breakdown characteristics.
Fig. 7 zeigt eine Anwendungsform der Erfindung als Frequenzvervielfacher. Die Halbleiteranordnung S besitzt die abgestufte Kennlinie gemäß Fig. 4. Die Diode S Liegt über einen Widerstand R an einem Eingangsanschluß V.„ und am anderen Anschluß an Masse. Die Verbindung von Widerstand und Eingangsanschluß R bzw. V-N liegt an einem Ausgangsanschluß V ., über einen Kondensator C, der zusammen mit dem Widerstand R eine Differenzierschaltung bildet.Fig. 7 shows an embodiment of the invention as a frequency multiplier. The semiconductor arrangement S has the graduated characteristic curve according to FIG. 4. The diode S is connected via a resistor R to an input terminal V. "and the other terminal to ground. The connection of the resistor and the input terminal R or V- N is connected to an output terminal V., Via a capacitor C which, together with the resistor R, forms a differentiating circuit.
Wenn die Amplitude einer sägezahnförmigen Spannung V.„ linear ansteigt (Dauer T.) und am Eingangsanschluß V.N liegt, so entsteht ein Impulszug V t am Ausgangsanschluß V . während derIf the amplitude of a sawtooth-shaped voltage V. "rises linearly (duration T.) and is present at the input terminal V. N , a pulse train V t is produced at the output terminal V. during the
Zeitdauer T , da die Diode eine Kennlinie mit vier Stufen gemäß aDuration T, since the diode has a characteristic curve with four stages according to a
Fig. 4 zeigt. Ebenso erzeugt die nächste Wellewährend ihrer Dauer T am Eingangsanschluß V-N vier Impulse am Ausgangsanschluß V Wenn sich somit die Eingangs schwingung V.„ am Eingangsanächluß V-N wiederholt, erzeugt der Ausgangsanschluß V . Ausgangsimpulse, deren Anzahl der Anzahl der Eingangswellen proportional ist, vermehrt entsprechend der Frequenzvervielfachung.Fig. 4 shows. Likewise, the next wave generated during its duration T at the input terminal V N four pulses at the output terminal V When V. "repeated thus vibration input on the Eingangsanächluß V- N, output terminal V generated. Output pulses, the number of which is proportional to the number of input waves, increased according to the frequency multiplication.
? {) U «Ί R 3 / 1 1 1 7 ? {) U «Ί R 3/1 1 1 7
■ - 13 -■ - 13 -
Die Erfindung ist offensichtlich nicht nur auf Elemente mit negativem Widerstand anwendbar, sondern auch für verschiedene Frequenzvervielfacher, Zähler für ganze Zahlen mit einer Radix von jedem gewünschten Ganzen N, Frequenzteiler usw., indem man die Stufen die im dritten Quadranten der Strom-Spannungs-Kennlinie erscheinen entsprechend wählt.Obviously, the invention is not limited to just having elements negative resistance, but also applicable to various frequency multipliers, counters for integers with a Radix of any desired whole N, frequency divider etc. by adding the steps in the third quadrant of the current-voltage characteristic appear accordingly chooses.
0988371 1170988371 117
Claims (11)
gegenüberliegenden Hauptseiten, durch einen auf einer Hauptseite des Substrats angeordneten, dünnen Film aus dem Nitrid eines
Ventilmetalls und durch je eine Metallschichtelektrode auf der •freiliegenden Oberfläche des Nitridfilms und der anderen Hauptseite des Substrats.1 · / semiconductor arrangement, characterized by a substrate made of a semiconductor material of one conductivity type, with two
opposite main sides, by a thin film of the nitride arranged on a main side of the substrate
Valve metal and by one metal layer electrode each on the exposed surface of the nitride film and the other main side of the substrate.
von ca. 10 bis 10 Atomen/cm aufweist und daß der Nitridfilm eine Stärke von ca. 100 bis 10 000 A* besitzt.4. Arrangement according to claim 1, characterized in that the semiconductor material of the substrate has a concentration of defects
of about 10 to 10 atoms / cm and that the nitride film has a thickness of about 100 to 10,000 A *.
Niob vorgesehen ist.5. Arrangement according to claim 1, characterized in that the valve metal is molybdenum, tantalum, tungsten, titanium, aluminum or
Niobium is provided.
Helbleitermaterial des Substrats eine Storstellenkonzentration von ca. 10 bis 10 ^ Atomen/cnT besitzt.6. Arrangement according to claim 1, characterized in that the
The semiconductor material of the substrate has an impurity concentration of approx. 10 to 10 ^ atoms / cnT.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C3 | Grant after two publication steps (3rd publication) |