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Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung, insbesondere eines
Transistors, wobei während. einer Legierungsbehandlung zum Erzielen einer rekristallisierten Legierungs- zone des einen Leitfähigkeitstyps in einem Halbleiterkörper über eine Legierungsschmelze eine Diffusion zum Erzielen einer Diffusionszone des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps durchgeführt wird.
Das unter dem Namen"Legierungsdiffusion"bekannte Herstellungsverfahren ist in verschiedenen
Ausführungsformen bekannt und wird insbesondere zur Herstellung von Transistoren angewendet. Eshatsich nunmehr ergeben, dass bei bekannten Ausführungsformen dieses Herstellungsverfahrens Schwierigkeiten auftreten, wenn die Stärke der diffundierten Zone, welche als Basiszone dient, äusserst gering, z. B. klei- ner als 1 sein muss, während gleichzeitig der Basiswiderstand minimal sein soll, um einen grossen Fre- quenzbereich, z. B. bis zu 1000 MHz oder mehr, zu bestreichen. Es ergibt sich, dass diese Schwierigkei- ten insbesondere dann auftreten, wenn zur Bildung einer homogenen Legierungsschmelze einige Zeit be- ansprucht wird, was in der Herstellungstechnik oft erwünscht ist, z.
B. zum homogenen Lösen einer später zugesetzten, aktiven Verunreinigung, z. B. Aluminium.
Die Erfindung bezweckt, ein einfaches, verbessertes Verfahren zu schaffen, durch welches die be- kannten Legierungsdiffusionsbehandlungen zur Herstellung von Halbleitervorrichtungen, z. B. Transistoren, mit einem grösseren Frequenzbereich geeignet gemacht werden können.
Bei einem Verfahren eingangs erwähnterArt wird gemäss der Erfindung zunächst eine thermische Vor- behandlung bei einer zum Erzielen einer homogenen Legierungsschmelze ausreichend hohen Temperatur und danach eine Erhitzung auf eine höhere Temperatur vorgenommen, so dass die Front der Legierungs- schmelze schneller in den Körper eindringt als die Diffusionsfront und sich mit letzterer zusammenfügt, worauf die Temperatur erniedrigt wird, bis die Diffusion praktisch aufhört, so dass die Stärke der Diffu-
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de bedingt wird.
An der Stelle, wo eine Legierungsschmelzfront im Körper vorhanden ist und die Temperatur erhöht wird, wird eine grössere Menge des Körpers gelöst, so dass die Legierungsfront tiefer in den Körper eindringt. Die Geschwindigkeit, mit welcher die-Eindringtiefe der Legierungsfront zunimmt, hängt von der Temperaturzunahme ab. Wenn eineDiffusionsfront in den Körper anfangs bis zu einer grösseren Tiefe eingedrungen ist als die Legierurgsfront, erfolgt somit eine Erhitzung auf eine so viel höhere Temperatur, dass die Legierungsfront schneller eindringt als die Diffusionsfront.
In der Praxis wird jedoch stets eine sehr dünne Diffusionszone an der Front der Legierungsschmelze vorangehen, da, auch wenn die Legierungsfront sehr schnell eindringt, immer noch gleichzeitig eine Diffusion von der Legierungsschmelze aus stattfinden wird. Unter der Bezeichnung, dass sich die Front der Legierungsschmelze mit der Diffusionsfront zusammenfügt, wird hier das Erreichen jenes Zustandes verstanden, in dem die Diffusionsfront schneller als es allein durch den Diffusionskoeffizientenderbetreffenden Verunreinigung bedingt wird, u. zw. mit der Geschwindigkeit der Legierungsfront verläuft.
Es ist vorteilhaft, während eines Teiles der thermischen Vorbehandlung die Temperatur konstant zu halten. Es ist aber auch in bestimmten andern Fällen möglich, die thermische Vorbehandlung und die Behandlung auf höherer Temperatur nur mit einer mit der Zeit zunehmenden Temperatur durchzuführen.
Nachdem die Temperatur erreicht ist, bei welcher die Diffusion nahezu aufhört, während der Er-
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niedrigung von der höheren Temperatur zu einem niedrigen TemperatUrwert, \1ird dieAbkühlgeschwindig- keit vorzugsweise verringert, um nachträgliche Spannungen in und in der Nähe der rekristallisierten Le- gierungszone zu verringern.
Die zu diffundierende Verunreinigung kann während der Behandlung aus der Umgebung zugeführt oder auch vorher in die Legierung aufgenommen werden. Sie kann auch in Form einer vordiffundierten Schicht in dem Halbleiterkörper vor dem Legierungsvorgang vorgesehen werden. Ein zu legierendes Material kann anfangs schwach mit dem Körper legiert. und geheftet werden, worauf die Behandlung auf niedrigere Temperatur zur Bildung einer homogenen Schmelze durchgeführt wird.
Es ist oft vorteilhaft. zunächst ein Trägermaterial aufzulegieren und dann durch eine Schmelzbehandlung eine aktive Verunreinigung darin homogen zu lösen. Ein Trägermaterial ist ein Stoff, der nahezu keinen Einfluss auf die Leitfähigkeit des Halbleiters ausübt.
Der Erfindung eignet sich insbesondere zur Verwendung z. B. bei p-Typ Germaniumhalbleitern oder n-Typ Siliziumhalbleitern ; das Trägermaterial kann aus Wismut, Blei oder Zinn bestehen. Im allgemeinen wird Zinn nicht bei einem Germaniumkörper benutzt, da es geneigt ist, bis zu einer zu grossen Tiefe einzulegieren, während Wismut nicht bei einem Siliziumkörper verwendet wird, da es sich nicht hinreichend legiert. Bei Germanium kann vorteilhaft als Diffusionsverunreinigung Antimon und/oder Arsen und als Akzeptormaterial vorzugsweise Aluminium benutzt werden.
Bei Silizium ist das Diffusionsakzeptormaterial vorzugsweise Bor und dasDonatormaterial vorzugswei- se Arsen.
Es wird vorzugsweise gleichzeitig eine zweite rekristallisierte Zone des ändern leitfähigkeitstyps an- gebracht, die eine Ohm'sehe Verbindung mit der Diffusionszone herstellt. Zu diesem Zweck kann vorteil-
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werden, die darauf in zwei Teile geteilt wird, von denen ein Teil zur Bildung der Legierungszone des einen Leitfähigkeitstyps und der andere zur Bildung der Legierungszone des andern Leitfähigkeitstyps bestimmt ist.
Nach dem Anbringen der rekristallisierten Legierungszone des einen Leitfähigkeitstyps und der Diffusionszone wird die Oberfläche der Diffusionszone seitlich von der rekristallisierten Legierungszone des einen Leitfähigkeitstyps vorzugsweise durch Ätzen verringert. Dabei wird vorzugsweise auch durch Ätzung
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der Diffusionszone verringert.
EineAusführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens wird nachstehend beispielsweise an Hand der Zeichnung näher erläutert, in der die Fig. l, 2 und 4 Querschnitte in verschiedenen Stufen des Verfahrens zur Herstellung eines Transistors und die Fig. 3 und 5 graphische Darstellungen zur weiteren Erläuterung dieses Verfahrens zeigen.
Die Querschnitte sind in den Fig. l, 2 und 4 deutlichkeitshalber nicht schraffiert.
Eine p-Typ Einkristall-Germaniumplatte mit einem spezifischen Widerstand von 3 Ohm. cm und Abmessungen von 150p x 2 cm x 1, 5 mm wird in eine Legierungsform aus Graphit mit Öffnungen für das Legierungsmaterial an zwanzig Stellen gebracht, die in der Längsrichtung der Platte in nahezu gleichen Abständen voneinander vorgesehen sind.
Eine Wismutkugel mit einem Durchmesser von etwa 175 ja und mit 0, 5 Gew.-l Arsen wird in jeder Öffnung untergebracht und das Ganze wird in Wasserstoff auf 6000C während etwa 3 min erhitzt. Infolge der Erhitzung werden die Kügelchen auf gleiche Weise mit der Platte legiert und derart an dieser gehaftet, dass ihre Stelle auf der Platte fixiert ist. DasArsen wird dem Wismut zur Förderung der Benetzung der Plattenoberfläche durch das Material des Kügelchens zugesetzt. Während der Erhitzung vergrössert sich der Durchmesser der Kugel bis etwa 230 je.
Die Spitze jedes Elektrodenansatzes der Platte, welcher Ansatz durch die Legierungsbehandlung erhalten ist, wird derart abgeschliffen, dass die Kügelchen um etwa 60/1 über der Umgebungsfläche der Platte hervorragen und jede vorstehende Elektrodenkugel wird diametral in zwei Teile geteilt, z. B. mittels eines dünnen Rasiermessers, das einen schmalen Einschnitt bis nahe zur Plattenoberfläche hervorruft.
Jeder Einschnitt wird durch Sandstrahlen in die Platte vertieft.
Fig. 1 zeigt einen Teil der Platte mit einem der Ansätze in dieser Herstellungsstufe.
An der Platte 1 sind die Teile 2 und 3 des Ansatzes schwach legiert, die durch einen Einschnitt 4 voneinander getrennt sind, welcher Einschnitt bis etwa loli in die Platte eindringt. Der Einschnitt 4 hat eine Breite von etwa 12p an der Oberfläche der Platte 1. Infolge des Sandstrahlen werden die Ansätze 2 und 3 auch etwas abgeschliffen und die freigelassene Oberfläche der Platte 1 wird weggeschliffen bis zu einer Tiefe etwa gleich der Eindringtiefe des Einschnittes in der Platte 1.
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wird, kann die langsamere Abkühlung derart geregelt werden, dass ein hoher Grad der Reproduzierbarkeit der Basisstärke bei verschiedenen Vorrichtungen erzielt wird.
Es ist ersichtlich, dass die Platte und der Erhitzungsofen thermische Trägheit haben, so dass die Temperaturänderungen nicht schroff stattfinden können. Der thermische Zyklus der Fig. 3 ist gewissermassen idealisiert, um die betreffenden Grundsätze besser hervorzuheben.
Die letzte Abkühlung unterhalb 650 oder 6000C wird verhältnismässig langsam durchgeführt, da bei hoherAbkühlungsgeschwindigkeit das Material Risse aufweisen kann. Die Kittform wird darauf entfernt.
Fig. 4 zeigt einen Teil der Platte entsprechend dem der Fig. l und 2 in letzterer Stufe. Der Aluminiumbrei wird auf den linken Teil der zwei getrennten Ansatzteile angebracht. Der erstarrte Teil 11 besteht im wesentlichen aus Wismut und enthält Arsen, Antimon, Aluminium und Germanium und der erstarrte Teil 12 besteht im wesentlichen aus Wismut und enthält Arsen, Antimon und Germanium. Die zugehörenden rekristallisierten Zonen 13 und 14 dringen tiefer in die Platte 1 ein als die entspre- chenden Zonen 6 und 7 nach Fig. 1 und bestehen im wesentlichen aus Germanium. Die Zone 13 enthält ausser Germanium Aluminium, Arsen, Antimon und Wismut und die Zone 14 enthält ausser Germanium Arsen, Antimon und Wismut.
Wie üblich sind die Mengen der aktiven Verunreinigungen Aluminium, Arsen und Antimon in den Schmelzen sehr gross im Vergleich zu den Mengen, welche in den rekristallisierten Zonen vorhanden sein können, so dass die Leitfähigkeitstype der Zonen durch die Segregationskoeffizienten der aktiven Verunreinigungen bedingt werden. Die Zone 13 ist des p-Typs infolge der vorherrschenden Wirkung desAluminiumakzeptors und die Zone 14 ist des n-Typs. Es sei bemerkt, dass eine kleine Menge Aluminium in dem rechten geschmolzenen Teil eindringen kann, aber diese Menge ist klein und deren Effekt wird noch durch die Reaktion mit dem Arsen in der Schmelze verringert, so dass dieser Faktor vemachlässigbar ist.
Die Diffusionsschicht 5 hat eine grössere Stärke an der Oberfläche der Platte 1, wodurch ein niedriger Reihenwiderstand erzielt wird, aber nahe den rekristallisierten Zonen 13 und 14 sind die Zonen 15 und 16 sehr dünn, in diesem Falle etwa 518bu. Die Diffusion aus der linken Legierungsfront betrifft Aluminium, Arsen und Antimon und die Diffusion aus der rechten Legierungsfront bezieht sich nur auf Arsen und Antimon. Der Diffusionskoeffizient von Aluminium ist verhältnismässig niedrig, so dass die
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erfolgt annähernd aus undsenbetrachtet. InFig. 5 istdieKonzentration conc gegen den Abstand x in der Platte 1 aufgetragen.
Die horizontalen Linien 17 und 18 deuten die Konzentrationen von Aluminium und Arsen in der rekri- stallisierten Zone 13 und die vertikale Linie 19 deutet die grösste Eindringtiefe der Legierungsfront an. In dieser Figur wird auch der Effekt einer etwaigen, aktiven Verunreinigung in der Platte vernachlässigt.
Der geringe Diffusionsgrad beim Anfang der Abkühlung wird vernachlässigt. Die Wiederverteilung des Aluminiumprozentsatzes infolge der Diffusion während der Abkühlung ist durch die Kurve 20 und die des Arsens durch die Kurve 21 angedeutet. Es wird einleuchten, dass Aluminium vorherrscht, bis eine Tiefe entsprechend dem Punkt 22 erreicht ist. Die wahrnehmbare Diffusion von Arsen hat eine Tiefe entsprechend dem Punkt 23, so dass die Breite der Basis durch den horizontalen Abstand zwischen den Punkten 22 und 23 bedingt wird. Bei langsamerer Abkühlung ist die Diffusion stärker, was durch die gestrichelten Linien 24 und 25 angedeutet ist und die Breite der Basis ist grösser und wird durch den ho- rizontalen Abstand zwischen den Punkten 26 und 27 bedingt.
Die Diffusionsschicht 5 enthält die Donatoren Antimon und Arsen. Es wird jedoch eine kleinere Menge Arsen im Teil 15 der Schicht 5 vorhanden sein, da eine gewisse Reaktion zwischen dem Arsen und dem Aluminium in dem linken Schmelzteil auftritt.
Wismut ist sowohl in den rekristallisierten Zonen 13 und 14 als auch in der Diffusionsschicht 5 vorhanden. Die Mengen Wismut in den Zonen 13 und 14 und in der Schicht 5 sind gering, da Wismut keine grosse Löslichkeit in Germanium aufweist. Das Wismut wird, wie bekannt, als Trägermaterial benutzt, da es keine aktive Verunreinigung bildet und somit praktisch keine Wirkung auf den Leitfähigkeitstyp von Germanium ausübt.
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Die Platte wird in zwanzig Stücke durch Durchschneidung zwischen jedem der nebeneinanderliegenden Paaren von Kontakten 11 und 12, z. B. durch Sägen oder Scheuern der Plattenoberfläche und durch Brechung mit der Hand geteilt.
EinKollektorkontakt und eine Verbindung werden an jedemstück durchauflegierung eines Indiumkü- gelchens mit einem Durchmesser von l mm auf die Platte l gegenüber der Zone 13 durch Erhitzung auf etwa 5000C in Wasserstoff angebracht, wobei nach Abkühlung das Indium auf einen Nickelstreifen gebracht wird, indem die Oberfläche des Indiumkontaktes auf dem Nickelstreifen angebracht wird, der auf einer heissen Platte mit einer Temperatur von etwa 1800C liegt.
Es werden Nickeldrahtverbindungen an den erstarrten Teilen 11 und 12. durch Löten angebracht, indem ein heisser Luftstrahl und Lot mit einem Eutektikum von Blei und Zinn zum Erzielen einer Emitterverbindung und einer Basisverbindung benutzt werden.
Die auf diese Weise fertiggestellten Körper werden darauf elektrolytisch in einem Natriumhydroxydoder Kaliumhydroxydbad dadurch geätzt, dass ein hoher Strom von einigen mA durch die Emitterzufuhr nach der Elektrode 12 geführt wird. Der Boden des Einschnittes 4 wird während des Ätzvorganges durchMaskierlack in dem Einschnitt 4 abgeschirmt und der Lack wird nach Beendigung der Ätzung ge- löst. Die Ätzung wird fortgesetzt, bis ein grosser Teil des Materials unterhalb der Erstarrungszonen 11 und 12 entfernt ist, was durch die gestrichelten Linien 28 und 29 in Fig. 4 angedeutet ist ; der Emitter-Basisübergang wird dabei verkleinert und die Emitter-Basiskapazität wird verringert.
Die geätzten Körper werden darauf gewaschen und getrocknet und gesondert auf bekannte Weise mit einer Hülle versehen.
Bei einem auf diese Weise hergestellten Transistor kann ein Basiswiderstand von nicht mehr als etwa 20 Ohm erreicht werden, so dass der Transistor sich zur Verwendung bei Frequenzen von mehr als 1000 MHz eignet.
Es ist nicht notwendig, eine Periode konstanter Temperatur von 7500C nach Fig. 3 aufrecht zu erhalten, sofern nur eine hinreichend lange Zeit zur Bildung einer homogenen Schmelze zur Verfügung ist, in der Aluminium und Germanium während des ersten Teiles der Erhitzung auf die höhere Temperatur im Gleichgewicht sind und sofern die darauf erfolgende Zunahme der Temperatur sich hinreichend schnell vollzieht, um die Legierungsfront praktisch mit der naheliegenden Diffusionsfront zusammenfallen zu lassen. Die Erhitzung von 6800C auf 8000C lässt sich daher mit einer nahezu konstanten Geschwindigkeit von etwa 500C/min durchführen. Es ist weiter ersichtlich, dass die Eindringtiefe des Einschnittes 4 in die Platte l hinreichend gross sein muss, um die beiden geschmolzenen Zonen voneinander getrennt zuhalten.
Je höher die maximale Erhitzungstemperatur, umso tiefer muss der Einschnitt 4 eindringen.
Die Elektrodenpaare brauchen nicht durch Aufschmelzen einer grösseren Elektrode und durch nach- trägliches Schneiden der letzteren in zwei Teile vorgesehen zu werden. Die Elektroden können bereits anfangs getrennt in einem kleinen Abstand voneinander auflegiert werden, in welchem Falle sich eine Kittform erübrigen kann. Wenn die Platte aus Silizium besteht, werden die Elektroden im allgemeinen bereits anfangs getrennt auflegiert. Das Aluminium oder ein anderer passender Akzeptor kann nicht nur in Form eines Breies, sondern auch durch Aufdampfen auf einem der Elektrodenteile angebracht werden.
Bei einer Germaniumvorrichtung empfiehlt es sich mit einer Platte anzufangen, die aus p-Typ Germanium besteht und bei einer Siliziumvorrichtung empfiehlt sich die Verwendung einer Siliziumplatte des n-Typs, da die üblichen Donatoren schneller in Germanium eindiffundieren als die bekannten Akzeptoren, während die bekannten Akzeptoren schneller in Silizium eindiffundieren als die bekannten Donatoren.
Wenn ein Verfahren vorstehend beschriebener Art zur Herstellung eines Siliziumtransistors durchgeführt wird, müssen die Temperaturen höher gewählt werden, um die Diffusion in und die Legierung auf Silizium zu sichern. Es können dann zwei Zinnkügelchen als Trägermaterial benutzt werden und das Diffusionsmaterial kann in diesem Falle Bor oderphosphor sein, welche Verunreinigungen in Form einer vordiffundierten Schicht in der Platte vorgesehen werden können. Es kann Aluminiumbrei auf einen Ansatz im wesentlichen aus Zinn und auch mit Silizium und Bor und/oder Phosphor gestrichen werden, worauf das Ganze in einer arsenhaltigen Atmosphäre erhitzt wird.
Das Arsen greift die geschmolzene Zone mit dem Aluminium nicht an und die rekristallisierte Zone ist nach wie vor des p-Leitfähigkeitstyps, während die andere geschmolzene Zone Arsen aufnimmt und des n-Typs wird. Die Aufnahme von Arsen zum Erzielen einer homogenen Schmelzzone mit einer hinreichenden Arsenmenge beansprucht gewisse Zeit, aber nicht eine so lange Zeit wie die homogene Zone mit Aluminium in dem vorstehend beschriebenen Beispiel, in dem ein Germaniumkörper verwendet wird ; die letzte Erhitzung wird auf gleiche Weise auf eine höhere Temperatur durchgeführt, so dass die Legierungsfront die naheliegende Diffusionsfront überholt.
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Es ist weiter nicht notwendig, zwei rekristallisierte Zonen des n-Typs bzw. des p-Typs auf die vorstehend geschilderte Weise anzubringen durch Anwendung zweier gesonderter Kügelchen oder durch Anbringung eines einzigen, später geteilten Kügelchens, da eine Ohm'sche Elektrodenverbindung mit der Diffusionszone auf andere bekannte Weise erhalten werden kann, indem eines der Kügelchen später aufgeschmolzen wird. Im allgemeinen jedoch wird die Verbindung mit der Diffusionszone vorzugsweise nahe an der Emitterzone angebracht, um den Widerstand zwischen der Basiselektrode auf der Diffusionszone und dem Diffusionszonen-Emitter-pn-Übergang niedrig zu halten.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung, wobei während einer Legierungsbehandlung zum Erzielen einer rekristallisierten Legierungszone des einen Leitfähigkeitstyps in einem Halbleiterkörper über eine Legierungschmelze eine Diffusion zum Erzielen einer Diffusionszone des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps durchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst eine thermische Vorbehandlung bei einer zum Erzielen einer homogenen Legierungsschmelze ausreichend hohen Temperatur vorgenommen wird und danach eine Erhitzung auf eine höhere Temperatur vorgenommen wird, so dass die Legierungsschmelzfront schneller in den Körper eindringt als die Diffusionsfront und sich mit letzterer zusammenfügt, worauf die Temperatur erniedrigt wird, bis die Diffusion praktisch aufhört,
so dass die Stärke der Diffusionszone nahe der Stelle der grössten Eindringtiefe der Legierungsfront durch die Abkühlperiode bedingt wird.