NO125298B - - Google Patents

Description

Fremgangsmåte til fremstilling av et halvledende sperresjiktsystem,

f. eks. en transistor.

Oppfinnelsen angår en fremgangsmåte

til fremstilling av et halvledende sperresjiktsystem f. eks. en transistor ved hjelp

av en kombinert legerings-diffusjons-me-tode, hvor der på et halvledende legeme

dannes en elektrode med to p—n- overganger ved lokal påsmeltning av et elektrodemateriale, idet en hurtig diffunderende

forurensning av den ene ledningstype fra

skilleflaten mellom smeiten og legemet

diffunderer inn i legemet og derved danner

en sone av én ledningstype, og ved avkjø-ling rekrystalliserer fra smeiten på denne

sone et halvledende sjikt av den annen

ledningstype som følge av segregasjon av

en i elektrodematerialet tilstedeværende,

langsommere diffunderende forurensning

av den annen type og herdner til en metallisk del av elektroden.

Det er kjent å fremstille halvledende

sperresjiktsystemer, særlig transistorer, ved

at der først i et halvledende legeme ved

diffusjon anbringes et overflates]ikt med

motsatt ledningsevnetype, og deretter i en

særskilt operasjon og i dette overflatesjikt

ved legering anordne en likerettende elektrode, idet inntrengningsdybden av legeringselektroden er mindre enn inntrengningsdybden av det dif funderte sjikt. På

denne måte kan et ytterst tynt mellomsjikt av motsatt ledningsevnetype anord-nes i det halvledende legeme. Denne fremgangsmåte anvendes særlig ved fremstilling av høyfrekvenstranslstorer, hvor der er

ønsket en ytterst tynn basistykkelse mellom emitter- og kollektorelektrodene.

En ulempe ved denne kjente fremgangsmåte er imidlertid at den nøyaktig-het med hvilken mellomsjiktet tilveiebringes er avhengig av såvel toleransen av dif-fusjonsoperasjonen som toleransen av le-geringsoperasjonen, da tykkelsen av mellomsjiktet er avhengig av forskjellen mellom inntrengningsdybden av diffusjonssjiktet og inntrengningsdybden av legeringselektroden, hvilke elementer begge trenger inn i legemet fra den opprinnelige krystalloverflate. Dette er særlig en ulempe ved halvledende sperr es jiktsystemer hvor tykkelsen av mellomsjiktet er svært liten, og dessuten danner en for virkningen av sperresjiktsystemet kritisk størrelse som f. eks. ved transistorer, særlig høyfrekvens-translstorer, idet tykkelsen av basissonen under emitterelektroden er av betydning for transistorens frekvensforhold.

Hensikten med oppfinnelsen er videre blant annet å tilveiebringe en enkel fremgangsmåte til fremstilling av sperresjiktsystemer, hvor der anvendes diffusjon såvel som legering, og hvor også tykkelsen av mellomsjiktet kan oppnås med en større grad av reproduserbarhet. Hensikten er videre blant annet å tilveiebringe en fremgangsmåte til fremstilling av transistorer, hvor der oppnås en større nøyaktighet og en enkel måte for ved diffusjon å oppnå den ønskede tykkelse av basissonen. Dette oppnås ifølge oppfinnelsen ved at der i tillegg hertil i det halvledende legemes overflate diffunderes inn en virksom forurensning av én ledningstype, på den måte at i minst en del av overflaten ved siden av og i noen avsttand fra den første diffunderte sone under elektroden dannes en tilslutningssone av en type forskjellig fra halvledergrunnlegemet, hvilken sone henger sammen med den nevnte diffunderte sone av én ledningstype under elektroden, og at der på en del av den diffunderte tilslutningssone anbringes en ohmsk kontakt.

Fremgangsmåten har vist seg særlig egnet ved fremstilling av transistorer, hvor ifølge oppfinnelsen transistorens basissone dannes ved diffusjon fra smeiten og diffusjon av virksom forurensning i overflaten, at emittersonen og emitterelektroden dannes av elektrodematerialsmelten, og at transistorens basiskontakt anbringes på den i overflaten diffunderte tilslutningssone.

Tilførselen av den diffunderende forurensning av én ledningstype kan skje på forskjellig måte.

Ifølge oppfinnelsen kan dette skje ved at der først i minst en del av overflaten dannes et sjikt av en ledningstype motsatt halvledergrunnlegemets ved diffusjon av virksom forurensning, og at der så på en del av dette sjikt påsmeltes elektrodemateriale og fra smeiten i legemet inndiffunderes en første sone på den måte at inntrengningsdybden for denne sone er større enn inntrengningsdybden av sjiktet, og at den ikke av elektroden dekkede del av det først diffunderte sjikt anvendes som sammenhengende tilslutningssone på hvilken den ohmske kontakt anbringes.

Ifølge oppfinnelsen kan dette også skje ved at smeltens maksimale inntrengningsdybde i legemet er større enn det første diffunderte sjikts inntrengningsdybde.

Sluttelig kan det ifølge oppfinnelsen også skje ved at påsmeltningen av elektrodematerialet og inndiffunderingen av den virksomme forurensning i overflaten utfø-res samtidig.

Den virksomme forurensning av en type kan tilføres i tilstrekkelig mengde under smelteoperasjonen av elektrodesmelten fra den omgivende atmosfære hvorfra den diffunderer inn i legemet. I dette tilfelle inneholder elektrodematerialet før påsmeltningen ingen virksom forurensning av en type. Det er videre mulig å tilsette elektrodematerialet en virksom forurensning i tilstrekkelig mengde før påsmeltningen, hvilken forurensning under påsmeltningsoperasjonen kan trenge direkte fra smeiten inn i det halvledende legeme og danne en diffusjonssone. Det er imidlertid også mulig innenfor oppfinnelsens ramme å anvende en kombinasjon av disse fremgangsmåter, idet den virksomme forurensning av en type under påsmeltningsoperasjonen dels tilføres fra den omgivende atmosfære og dels fra elektrodematerialet. Mengden av elektrodematerialet kan f. eks. være formet som en skive eller en kule og kan også være anbragt i form av et sjikt, f. eks. ved på-sprøytning eller ved elektrolytisk nedslag.

I alminnelighet får man ved fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen et tynt mellomsjikt med hvilket der vanskelig lar seg fremstille en ohmsk forbindelse. Ved en transistor, f. eks. er en ohmsk forbindelse med basiselektroden, en såkalt basiskontakt, nødvendig. Ifølge et videre trekk ved oppfinnelsen blir der under påsmeltningen, under smeiten ved diffusjon av en virksom forurensning av én type fra den omgivende atmosfære samtidig dannet et overflatesj ikt i en til smeiten grensende legemsflate, som har samme ledningsevne som i den nevnte sone, og som henger sammen med denne sone. På dette overflatesjikt kan der anbringes en ohmsk forbindelse som samtidig danner en ohmsk forbindelse med diffusjonssonen. En annen mulighet består i at der først i minst en del av legemets flate dannes et sjikt med én ledningsevnetype og deretter påsmeltes et kvantum elektrodemateriale på en del av dette sjikt, mens der på skilleflaten mellom smeiten og det halvledende legeme inndiffunderes den nevnte sone i legemet på den måte at den maksimale inntrengningsdybde av den nevnte sone i det halvledende legeme er større enn inntrengningsdybden av overflatesjiktet i legemet. Dette kan oppnås på en særlig enkel måte ved at den maksimale inntrengningsdybde av smeiten, med andre ord skilleflaten mellom smeiten og halvlederen, under påsmeltningsoperasjonen gjøres større enn inntrengningsdybden for det nevnte overflatesjikt.

Legeringen gjennom overflatesjiktet kan man overvåke ved valg av elektrodematerialet, særlig dettes løsbarhet i halvlederen, og av påsmeltningstemperaturen, da en økning av påsmeltningstemperaturen i alminnelighet gir øket inntrengningsdybde av smeiten. På det oppnådde overflatesjikt kan så den ønskede ohmske forbindelse tilveiebringes. Anvendes den annen fremgangsmåte hvor der først dannes et overflatesjikt med en ledningsevnetype, be-høver ikke den omgivende atmosfære under smelteoperasjonen å inneholde noen virksom forurensning når elektrodematerialet inneholder tilstrekkelig virksom forurensning av en type. Den omgivende atmosfære kan da f. eks. være vannstoff.

Påsmeltningsoperasjonen kan foregå i to trinn, idet temperaturen under det første trinn er høyere enn under annet trinn. På denne måte kan diffusjonen gjennomføres i to trinn slik at stedet for skilleflaten mellom smeiten og halvlederen kan holdes mer konstant, når skilleflaten har størst mulig avstand fra krystallets overflate.

Som halvledende legeme kan anvendes enhver kjent halvleder, f. eks. germanium eller silicium. Det halvledende legeme kan som et hele ha en ledningsevnetype som er motsatt ledningsevnetypen for det diffusjonssjikt som skal anbringes, og kan også delvis bestå av selvledende materiale. Gode resultater er oppnådd med halvledende legemer av p-germanium, idet der anvendes en forurensning av en type antimon eller arsen, mens elektrodematerialet inneholder indium. Fortrinnsvis tilsettes indium en liten mengde gallium, f. eks 1 vektprosent, som har en høy segregasjonskonstant i forhold til germanium.

Ved diffusjon av antimon og ved påsmeltning av et elektrodemateriale som består av indium-gallium eller antimon-indium-gallium, kan opphetningen skje på passende måte ved ca. 700° C i 20 minutter. Blir opphetningen gjennomført i to trinn, så har det vist seg gunstig med en opphetning til ca. 710° C i løpet av 10 minutter, og derpå en opphetning til 700° C i løpet av 15 minutter.

Det halvledende sperr es jiktsystem som på enkel måte kan tilveiebringes ved hjelp av en av de nevnte fremgangsmåter, er karakterisert ved en helt ny, for flere an-vendelser særlig godt egnet konfigurasjon. Ved et slikt halvledende sperreskiktsystem ifølge oppfinnelsen, som inneholder et halvledende legeme med en legeringselektrode som danner en likerettende kontakt med en diffusjonssone, og som er forbun-det med en ohmsk kontakt og adskilt fra legemet ved en diffusjonssone, trenger diffusjonssonen under den nevnte legerlngs-elektrode lenger inn i legemet enn i resten av legemet, idet diffusjonssonen på overflaten omslutter denne legeringselektrode. En ifølge oppfinnelsen fremstillet transistor, som inneholder et halvledende legeme med en legert emitterelektrode som er anbragt på en med basiskontakt forsynt, diffundert basissone, er karakterisert ved at under emitterelektroden trenger den diffunderte basissone lenger inn i legemet enn i resten av legemet og omslutter emitterelektroden på legemets overflate.

Noen utførelseseksempler på oppfin-

nelsen skal forklares nærmere under hen-visning til tegningen.

Fig. 1 viser skjematisk delvis i snitt en ovn i hvilken fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen kan utføres. Fig. 2 viser i snitt en transistor ifølge oppfinnelsen umiddelbart etter utførelsen av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen. Fig. 3 viser skjematisk i snitt en transistor ifølge oppfinnelsen (skyggelegging av figuren er for tydelighets skyld utelatt).

Utførelseseksempel 1:

En skive 1 (se fig. 1) av enkrystall-p-type-germanium med en spesifikk mot-stand på ca. 1 ohm.cm og med en tykkelse på ca. 125 (i føres inn i et rørformet ovns-kammer 2, som har en diameter på ca. 3,75 cm. En kule 3 av 99 vektprosent indium og 1 vektprosent gallium, og med en diameter på ca. 375 j.i legges på skiven 1. Ovnen inneholder dessuten et kvantum antimontri-klorid 4. Gjennom ovnskammeret 2 føres med en hastighet på ca. 135 l/time en vannstoffstrøm. Understøttelsen av skiven 1 og forrådet er ikke vist på tegningen. Forrådet 4 holdes på en temperatur på ca. 50° C, mens den del av kammeret 2 i hvilket skiven 1 ligger har en temperatur på ca. 700° C. Skiven 1 blir på denne måte oppvarmet til ca. 700° C i løpet av 20 minutter. Det i vannstoffstrømmen opp-hetede forråd 4 leverer en antimonholdig, omgivende atmosfære til skiven 1, og fra denne atmosfære diffunderer antimon inn i overflaten av skiven 1. Samtidig danner det seg en smelte på og i skiven 1, hvilken smelte består av elektrodemateriale i kulen 3 og deri løst germanium. Antimonet diffunderer gjennom smeiten og gjennom skilleflaten mellom smeiten og det halvledende legeme inn i det halvledende legeme, slik at under smeiten bestemmes inntrengningsdybden av antimonet av skilleflatens endestilling. Selv om smeiten foruten akseptorene indium og gallium også inneholder donatoren antimon igjenkrystalliseres ved avkjøling av et p-type germaniumsjikt inntil den diffunderte n-type-sone, særlig på grunn av den kjensgjerning at gallium har en større segregasjonskonstant enn antimon nøytrali-serer og langt overkompenserer akseptorene gallium og indium antimonets dona-torvirkning. Da antimon har en betydelig større diffunsjonshastighet i germanium enn gallium eller indium, blir der under påsmeltningen under smeiten dannet et n-type-diffusjonssjikt i hvilket antimonet er overveiende fremherskende.

Som vist på fig. 2 er inntrengningsdybden av sonen 7A av det diffunderte sjikt større under legeringselektroden 5, 6 enn inntrengningsdybden for den på overflaten av legemet diffunderte tilslutningssone 7B mellom legeringselektrodene 5 og 6, og den ohmske kontakt 11, da diffusjonen i smeiten foregår hurtigere enn i fast materiale. Sjiktet 6 er det gjenkrystalliserte p-type-germaniumsjikt som inneholder en større prosentsats gallium og indium, mens delen 5 av elektrodens 5, 6 metalliske del i det vesentlige består av indium og gallium. Den indre del 8 av legemet blir ikke påvir-ket av denne bearbeidelse og er fremdeles p-type-germanium med ca. 1 ohm.cm. Den største inntrengning av diffusjonssjiktet 7A under elektroden 5, 6 er karakteriser-ende for det halvledende sperresjiktsystem ifølge oppfinnelsen. Ved den ovenfor beskrevne kjente fremgangsmåte er inntrengningsdybden praktisk talt den samme på alle steder.

Av konfigurasjonen ifølge fig. 2 kan på følgende måte fremstilles en p-n-p-transistor som vist på fig. 3. En indium-kule legges på den side av skiven 1 som ligger overfor elektroden 5, 6. På denne måte oppnås igjen en re-krystallisasjon som er rik på indium, og som består av p-type-germanium, og på dette lagres den metalliske del 10, som hovedsakelig består av indium. Legeringen kan f. eks. finne sted ved oppvarmning av det hele til ca. 450° C i 6 minutter i en vannstoffatmo-sfære. Før legeringen var der på denne side også et n-type-germaniumsjikt. Dette blir' imidlertid under legeringen løst i smeiten og ved re-krystallisering blir det 'antimon som er til stede i smeiten i svært liten mengde lett overkompensert av indium, slik at en ohmsk forbindelse med det indre 8 av legemet dannes gjennom elektroden 9, 10. Ved elektrolytisk nedslag blir en nikkelbasiskontakt 11 anbragt på tilslutningssonen 7B for basissonen slik at en ohmsk kontakt med basissonen dannes under elektroden 5, 6. På metalldelene 11, 5 og 10 fastloddes tilfø-ringstråder 12, 13 og 14. Et beskyttelses-sjikt av lakk 15 anbringes på elektrodene 5, 6, og en tilgrensende del av basissonen med basiskontakten 11 slik det er vist i fig. 3, og deretter blir den ikke tildekkede del av diffusjonssjiktet 7A etset vekk. På denne måte oppstår en transistor ifølge oppfinnelsen med en emitterelektrode 5, 6, en basissone 7B med basiskontakten 11, mens kollektoren består av p-typeområdet 8 med den derpå anbragte ohmske elektrode 9,10.

Det er uten videre klart at andre

kjente fremgangsmåter til fremstilling av transistorer kan utføres med den kombinerte diffusjons-legerings-fremgangsmåte. Enhver uønsket del av diffusjonssjiktet 7B kan etses vekk allerede før etteretsingen. Sjiktet 7B på den undre side av det halvledende legeme (se fig. 2) kan fjernes allerede ved anbringelsen av elektroden 9, 10. Den ohmske kontakt 11 kan f. eks. erstattes av en legeringskontakt av indium med en tilstrekkelig mengde arsen eller antimon i hvilket tilfelle denne legeringskontakt le-geres dypere inn i legemet enn inntrengningsdybden av diffusjonssjiktet 7B.

Utførelseseksempel 2:

Denne fremgangsmåte ligner utførel-seseksempel 1 med den forskjell at påsmeltningen skjer i to trinn, dvs. først ved ca. 710° C i 10 min. og deretter ved ca. 700° C i 15 min. Ved den høyeste temperatur trenger smeiten lenger inn i skiven 1. Ved temperaturminskningen mellom de to trinn rekrystalliserer noe gallium, indium og antimonholdig germanium som har p-type-ledningsevne, særlig som følge av den store segregasjonskonstant for gallium i germanium, hvorved akseptorene gallium og indium overkompenserer antimonets do-natorvirkning og tilveiebringer på denne måte et p-type-sjikt. Antimonet diffunderer imidlertid fra det rekrystalliserte sjikt hurtigere enn indium eller gallium og danner således n-type-diffusjonssjiktet under p-type-sjiktet under den annen opphetning til 700° C. Fordelen ved denne to-trinns fremgangsmåte er at små forskyv-ninger av skilleflaten mellom smeiten og halvlederen under opphetningen til 700° C bare har ubetydelig innflytelse på tykkelsen av det endelige n-type-diffusjonssjikt.

Utførelseseksempel 3:

Denne fremgangsmåte ligner utførel-seseksemplet 1 og 2 med den forskjell at indiumkulen 3 foruten 1 vektprosent gallium også inneholder 0,2 vektprosent antimon.

Utførelseseksempel 4:

Den i eksempel 3 beskrevne fremgangsmåte utføres med den unntagelse at et overflatesjikt på ca. 2 \ i anbringes på for-hånd ved diffusjon på platen 1 og på en del av dette sjikt påsmeltes kulen 3, og at den kombinerte diffusjon-legerings-fremgangsmåte ikke skjer i antimonholdig omgivelse, men i en omgivelse av rent hydro-gen. Videre må smeiten trenge dypere inn i det halvledende legeme enn til inntrengningsdybden av det allerede tilstedeværende diffusjonssjikt på 2 ^, slik at tykkelsen av den sone som skal diffunderes, bestemmes av inntrengningen av antimon fra skilleflaten mellom smeiten og halvlederen. Skilleflaten kan f. eks. trenge dobbelt så langt inn i legemet som inntrengningsdybden av det allerede tilstedeværende diffusjonssjikt.

Claims (14)

1. Fremgangsmåte til fremstilling av et halvledende sperresjiktsystem f. eks. en transistor ved hjelp av en kombinert legerings-diffusjons-metode, hvor der på et halvledende legeme dannes en elektrode med to p--n- overganger ved lokal påsmeltning av et elektrodemateriale, idet en hurtig diffunderende forurensning av den ene ledningstype fra skilleflaten mellom smeiten og legemet diffunderer inn i legemet og derved danner en sone av én ledningstype, og ved avkjøling rekrystalliserer fra smeiten på denne sone et halvledende sjikt av den annen ledningstype som følge av segregasjon av en i elektrodematerialet tilstedeværende, langsommere diffunderende forurensning av den annen type og herdner til en metallisk del av elektroden, karakterisert ved at der i tillegg hertil i det halvledende legemes (8) overflate diffunderes inn en virksom forurensning av én ledningstype, på den måte at i minst en del av overflaten ved siden av og i noen avstand fra den første diffunderte sone (7A) under elektroden (5, 6) dannes en tilslutningssone (7B) av en type forskjellig fra halvledergrunnlegemet, hvilken sone henger sammen med den nevnte diffunderte sone av én ledningstype under elektroden, og at der på en del av den diffunderte tilslutningssone anbringes en ohmsk kontakt (11).

2. Fremgangsmåte ifølge påstand 1, for fremstilling av en transistor, karakterisert ved at transistorens basissone dannes ved diffusjon fra smeiten og diffusjon av virksom forurensning i overflaten, at emittersonen og emitterelektroden dannes av elektrodematerialsmelten, og at transistorens basiskontakt anbringes på den i overflaten diffunderte tilslutningssone.

3. Fremgangsmåte ifølge påstand 1 eller 2, karakterisert ved at der først i minst en del av overflaten dannes et sjikt av en ledningstype motsatt halvledergrunnlegemets ved diffusjon av virksom forurensning, og at der så på en del av dette sjikt påsmeltes elektrodemateriale og fra smeiten i legemet inndiffunderes en første sone på den måte at inntrengningsdybden for denne sone er større enn inntrengningsdybden av sjiktet, og at den ikke av elektroden dekkede del av det først diffunderte sjikt anvendes som sammenhengende tilslutningssone på hvilken den ohmske kontakt anbringes.

4. Fremgangsmåte ifølge påstand 3, karakterisert ved at smeltens maksimale inntrengningsdybde i legemet er større enn det første diffunderte sjikts inntrengningsdybde.

5. Fremgangsmåte ifølge påstand 1 eller 2, karakterisert ved at påsmeltningen av elektrodematerialet og inndiffunderingen av den virksomme forurensning i overflaten utføres samtidig.

6. Fremgangsmåte ifølge en eller flere av påstandene 1—5, karakterisert ved at under påsmeltningen tilsettes den diffunderende forurensning fra omgivelsesatmo-sfæren for dannelse av de to soner av den ene ledningstype.

7. Fremgangsmåte ifølge en eller flere av påstandene 1—5, karaktreisert ved at elektrodematerialet allerede før påsmeltningen inneholder de diffunderende forurensninger for dannelse av den første sone og tilslutningssonen.

8. Fremgangsmåte ifølge en eller flere av påstandene 1—5, karakterisert ved at elektrodematerialet delvis allerede før påsmeltningen inneholder de diffunderende forurensninger for dannelse av den første sone og tilslutningssonen, og delvis tilsettes virksomme forurensninger fra den omgivende atmosfære under påsmeltningen.

9. Fremgangsmåte ifølge en eller flere av de foregående påstander, karakterisert ved at påsmeltningen skjer i to trinn, idet temperaturer i løpet av det første trinn er høyere enn i løpet av det annet trinn.

10. Fremgangsmåte ifølge en eller flere av de foregående påstander, karakterisert ved at det halvledende legeme består av germanium av p-typen, og at der som diffunderende forurensning anvendes antimon eller arsen.

11. Fremgangsmåte ifølge en eller flere av de foregående påstander, karakterisert ved at elektrodematerialet inneholder gallium som segregerende langsomt diffunderende forurensning.

12. Fremgangsmåte ifølge en eller flere av de foregående påstander, karakterisert ved at elektrodematerialet inneholder indium og gallium som virksom forurensning av den annen type.

13. Fremgangsmåte ifølge påstand 10 og en eller flere av påstandene 11—12, karakterisert ved at påsmeltningen finner sted ved en temperatur på ca. 700° C i lø-pet av 20 minutter.

14. Fremgangsmåte ifølge påstand 9 og en eller flere av påstandene 10—12, karakterisert ved at det første trinn utføres ved en temperatur på ca. 710° C i løpet av ca. 10 minutter, mens det annet trinn utføres ved ca. 700° C i 15 minutter.