DE1117222B - Verfahren zur Herstellung eines Unipolartransistors - Google Patents

Description

DEUTSCHES

PATENTAMT

S 65486 Vmc/21g

ANMELDETAGt 20. OKTOBER 1959

BEKANNTMACHUNG DER ANMELDUNG UNDAUSGABE DER
AUSLEGESCHRIFT: 16. NOVEMBER 1961

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Unipolartransistors.

Ihr Zweck besteht hauptsächlich darin, die Herstellung von Halbleiteranordnungen zu ermöglichen, die besonders kleine Abmessungen haben und daher zum Betrieb mit besonders hohen Frequenzen geeignet sind.

Es sind bereits Transistoren mit einem halbleitenden Körper, z. B. aus Germanium, bekannt, bei dem sich in mindestens einer bis zur Außenoberfläche des halbleitenden Körpers erstreckenden Höhlung, beispielsweise einer Bohrung oder einem Sägeschnitt, Isolierstoff befindet und über der Höhlung an der Halbleiteroberfläche eine Emitter- oder Kollektorelektrode so angeordnet ist, daß ihre Ränder die Halbleiteroberfläche berühren.

Femer sind Unipolartransistoren bekannt, die eine Vielzahl in gleichmäßigen, aber verhältnismäßig großen Abständen befindlicher Löcher aufweisen.

Weiter ist ein Verfahren zur Herstellung von elek- ao trisch unsymmetrisch leitenden Systemen (Spitzentransistoren) bekannt, bei denen die Kontakte in Ausnehmungen oder Grübchen angeordnet sind.

Ein weiterer bekannter Vorschlag bezieht sich auf eine spezielle Art eines Transistors mit Vertiefungen an der Oberfläche des Halbleiterkörpers.

Bei einer anderen bekannten Halbleiteranordnung sind mehrere zylindrische Bohrungen vorgesehen, in die ein Leiter hineinreicht, um einen Anschluß mit der Basiszone zu bilden.

Eine ähnliche Beschaffenheit weist auch eine Halbleiteranordnung auf, bei der an der Oberfläche eines Halbleiterkörpers vom p-Typ Vertiefungen vorhanden sind, welche die darüberliegende Schicht vom η-Typ mit ihren Öffnungen durchdringen.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Unipolartransistors. Erfindungsgemäß wird zunächst ein plattenförmiger Halbleiterkörper vom einen Leitfähigkeitstyp mit einer durchgehenden Korngrenzfläche gezogen, dann wird der Halbleiterkörper so geätzt, daß an der Korngrenzfläche sich Ätzgruben zu durch den plattenförmigen Halbleiterkörper hindurchgehenden Löchern vereinigen, dann werden längs der Oberfläche der Löcher Halbleiterzonen vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp gebildet und auf diesen Zonen Ohmsche Steuerelektroden angebracht.

In weiterer Ausbildung der Erfindung können die erwähnten Zonen vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp durch Diffusion gebildet werden. Vorzugsweise wird die Diffusion so gesteuert, daß die Zonen vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp benachbarter Verfahren zur Herstellung eines Unipolartransistors

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 23. Oktober 1958 (Nr. 769227)

William Shockley, Palo Alto, Calif. (V. St. Α.), ist als Erfinder genannt worden

Löcher sich vereinigen, so daß sich eine durchgehende Zone vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp im Halbleiterkörper bildet.

Im folgenden wird die Erfindung an Hand der Zeichnungen beispielsweise näher erläutert:

Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht einer Platte aus Halbleitermaterial, die eine Korn- oder Zwillingsgrenzfläche enthält;

Fig. 2 zeigt die Halbleiterplatte von Fig. 1, nachdem sie einem längeren Ätzvorgang unterworfen wurde;

Fig. 3 zeigt einen Feldwirkungs- oder unipolaren Transistor, der durch Hmeindiffundieren von Verunreinigungen in die Löcher der Platte gemäß Fig. 1 gebildet ist;

Fig. 4 ist eine perspektivische Ansicht eines Endes der Halbleiteranordnung gemäß Fig. 3;

Fig. 5 zeigt eine andere Halbleiteranordnung, die aus einer Platte aus Halbleitermaterial besteht, welche nach der Lehre der Erfindung hergestellt ist;

Fig. 6 zeigt einen Impfkristall für das Ziehen eines Kristalls, der eine Korngrenzfläche enthält;

Fig. 7 ist eine perspektivische Darstellung eines anderen Impfkristallaufbaues;

Fig. 8 ist eine Seitenansicht des Impfkristalls gemäß Fig. 7;

Fig. 9 ist eine Grundrißansicht des Impfkristalls gemäß Fig. 7;

Fig. 10 zeigt eine Abwandlung des Impfkristalls von Fig. 7, und

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Fig. 11 zeigt einen anderen Impfkristall zum Ziehen eines Halbleiterkristalls, der eine Zwillingskorngrenze aufweist.

Die in Fig. 1 dargestellte Platte aus Halbleitermaterial 11 enthält eine Korn-' oder Zwillingsgrenzfläche 12. Eine Mehrzahl von solchen Platten 11 kann durch Zerteilen eines gezogenen Kristalls mit einer oder mehreren Grenzflächen 12 hergestellt werden. Kristalle, die Korn- oder Zwillingsgrenzflächen enthalten, können durch zweckdienliches Ausbilden des Impfkristalls für den Ziehprozeß gebildet werden. Zum Beispiel kann ein Impfkristall mit zwei oder mehr richtig geschnittenen und ausgerichteten Teilen verwendet werden. Methoden zum Ziehen von Kristallen mit Korn- oder Zwillingsgrenzflächen werden nachstehend beschrieben.

Die Halbleiterplatte 11, die eine Grenzfläche 12 aufweist, wird in eine ätzende Lösung gelegt. Das Ätzmittel wirkt längs der an der Grenzfläche befindlichen Kantenversetzungen rascher. Wenn also der Halbleiterplatte die Möglichkeit des Verbleibens in der ätzenden Lösung für eine längere Zeitspanne gegeben wird, werden längs der Kantenversetzungen tiefe Grübchen gebildet. Nachdem eine genügende Zeit vergangen ist, vereinigen sich die Grübchen, um Löcher zu bilden, die durch die Platte hindurchreichen. Der Abstand der Löcher hängt ab von dem Abstand der Kantenversetzungen, die wiederum beim Kristallziehprozeß kontrolliert werden können. Die Löcher können in einem sehr dichten Abstand, etwa in einem Abstand von wenigen Mikron voneinander liegen. Die gewöhnlichen Ätzmittel für diesen Zweck können aus Kombinationen von Salzsäure und Salpetersäure bestehen. Es sind auch viele andere Kombinationen aktiver Säuren und Basen zur Ausführung des Ätzvorganges geeignet. Auch eine elektrolytische Ätzung kann angewendet werden.

Die Löcher sind so, wie sie durch die Scheibe hindurchgehen, mit einheitlichem Durchmesser dargestellt. Bei den meisten Ätzvorgängen werden praktisch die Löcher an den Enden etwas erweitert und in der Mitte der Platte etwas verengt sein. Es ist ohne weiteres ersichtlich, daß dies von Einfluß auf die Konstruktionsüberlegungen beim Berechnen der wirklichen Größe der Kanäle in einer Feldwirkungs-Halbleiteranordnung wie in Fig. 3 sein wird bzw. auf die Verteilung der Dicke in dem Halbleiterkörper der einen Übergang aufweisenden Halbleiteranordnung, wie sie in Fig. 5 dargestellt ist. Jedoch ist diese Unterschiedlichkeit der Löcher ohne wesentlichen Einfluß auf das Verhalten der Halbleiteranordnung.

Es wird also eine Halbleiterplatte gebildet, die mehrere in einem Abstand befindliche, durch sie hindurchreichende Löcher 13 aufweist. Jedes dieser Löcher ist von einem Burgerschen Kreis 14 umschlossen, der nichtschwindende Burgersche Vektoren aufweist. Hinsichtlich einer Erläuterung Burgerscher Kreise und Vektoren wird auf Kapitel 2 von Imperfections in nearly perfect crystals (Störstellen bei nahezu vollkommenen Kristallen) verwiesen, ein Bericht von dem Committee on Solids, Division of Physical Sciences, National Research Council, W. Shockley, Chairman Editorial Committee. Die Veröffentlichung erschien bei John Wiley & Sons, Inc., Copyright USA 1953.

Die Halbleiterplatte gemäß Fig. 2 ist hervorragend geeignet zur Bildung von Halbleiteranordnungen für den Betrieb mit hohen Frequenzen. Beispielsweise kann die Halbleiterplatte vom p-Typ gemäß Fig. 1 einem Diffusionsvorgang unterworfen werden, bei dem Donatoren in die Halbleiterplatte hineindiffun-

, diert werden. Die Diffusion von Donatoren bildet eine Schicht vom η-Typ von im wesentlichen einheitlicher Tiefe auf den Oberflächen der Platten sowie längs der Oberflächen der Löcher. Demzufolge können die Oberflächenschichten der Platte durch mechanische oder chemische Mittel, mit Ausnahme

ίο eines Bandes 20, das die Löcher verbindet, entfernt werden, um eine Platte von der in Fig. 3 und 4 gezeigten Art zu bilden.

Durch Steuern der Diffusion ist es möglich, die Schichten 16 (Fig. 3) an den Löchern innerhalb einer gewünschten kleinen Strecke W einander zu nähern.

Zwischen den Seiten 17 und 18 der Platte besteht ein relativ enger und kurzer Kanal. Die Länge dieses Kanals ist durch die Strecke L bezeichnet. Die in .den Löchern gebildeten Schichten erstrecken sich zu den Oberflächen der Kontaktplatte hin. An diese Schichten kann von einem oder beiden Enden her ein elektrischer Anschluß hergestellt werden. In die Löcher kann leitendes Material eingeführt werden, um einen hinreichenden elektrischen Kontakt längs der inneren freiliegenden Oberfläche der Löcher zu schaffen. An die Seiten 17 und 18 können geeignete Ohmsche Kontakte angebracht werden, um beispielsweise Anschlüsse 21 und 22 zu bilden. Die Anordnung kann als Feldwirkungstransistor betrieben werden, bei dem die Raumladungsschicht in dem Kanal veränderbar ist, um den Ladungsträgerfluß vom Zuflußanschluß 21 zum Abflußanschluß 22 zu steuern. Der relativ kurze enge Kanal ergibt eine für einen Hochfrequenzbetrieb besonders geeignete Anordnung.

In Fig. 5 ist eine andere aus einer Halbleiterplatte gemäß der Erfindung hergestellte Halbleiteranordnung dargestellt. Bei der Herstellung einer Anordnung nach Fig. 5 wurde von einem Block ausgegangen, der aus einem Halbleitermaterial vom n-Typ

statt vom p-Typ besteht, um die Vielseitigkeit des Verfahrens zu erläutern. Bei der Anordnung gemäß Fig. 5 wird die Diffusion so gesteuert, daß Schichten 16 a erzeugt werden, die sich vereinigen, um eine durchgehende Basisschicht vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp zu bilden, welche die beiden Zonen 26 und 27 trennt. Auf diese Weise werden Emitter- und Kollektorübergänge 28 und 29 gebildet. Die Basis ist relativ dünn, wie es einem Betrieb mit Hochfrequenz entspricht. Jedoch ist es einfach, einen Elektrodenanschluß an sie herzustellen. Zum Beispiel können an der Basisschicht Kontakte, durch Einführung leitenden Materials in die Löcher hergestellt werden.
Kristalle, die Grenzflächen mit Kantenversetzungen aufweisen, werden häufig auf Grund thermischer Beanspruchungen gezogen oder gezüchtet. Es ist aber erwünscht, eine kontrollierte Methode zum Ziehen von Kristallen mit unter einem kleinen Winkel liegenden Grenzflächen zu schaffen.

Fig. 6 zeigt einen einzelnen Impfkristall, der zum Ziehen eines Kristalls geeignet ist, welcher eine unter einem kleinen Winkel verlaufende Grenzfläche enthält. Der Impfkristall 31 wird aus einem vollkommenen Kristall aus Halbleitermaterial herausgeschnitten, so daß die verschiedenen Flächen für das Ziehen richtig ausgerichtet sind. Der Kristall wird mit einem Einschnitt 32 versehen, so daß bei thermischer Beanspruchung während des Ziehens eine relative Dre-

hung der beiden Teile 33 und 34 stattfindet. Der Impfkristall wird durch die Temperaturgradienten beansprucht, die bei seinem Eintauchen in die Schmelze entstehen. Die unteren Teile 33 und 34 auf jeder Seite des Einschnittes werden relativ zueinander bewegt, und die Ausrichtung der unteren Fläche wird dadurch verändert. Wenn der Kristall gezogen wird, wird eine Korngrenzfläche längs des durch den Einschnitt begrenzten Bereiches auf Grund des Unterschiedes der Kristallausrichtung zu beiden Seiten des Einschnittes gebildet.

Die Fig. 7 bis 9 zeigen eine andere Art des Aufbaues des Impfkristalls, die zu einer genauen Steuerung der Ausrichtung benutzt werden kann. In diesem Falle wird aus einem einzelnen Kristall ein Körper herausgeschnitten, der eine Zone 36 aufweist, in der durch eine Heizeinrichtung 37 eine unterschiedliche Ausdehnung erzeugt wird, so daß eine gesteuerte Verkantung der beiden Impfkristalle 38 und 39 erzielt wird, die sich von der Zone 36 aus nach unten erstrecken. Das Prinzip ist besonders deutlich aus Fig. 9 zu erkennen, die eine Grundrißansicht des Kristalls nach Fig. 7 zeigt. Ein Schenkel des Rahmens wird erwärmt, um ihn zu veranlassen sich auszudehnen, was ein Verdrehen der beiden Seiten 41 und 42 zur Folge hat, welche den kältesten und heißesten Teil des Rahmens trennen. Nach der Elastizitätslehre ist es möglich, Rahmen so auszubilden, daß kleine Verkantungswinkel willkürlich kontrollierbar sind, und auf diese Weise Korngrenzflächen zu erzeugen, die große Abstände zwischen den Verlagerungen aufweisen. Fig. 9 zeigt einen solchen Fall in übertriebener Weise, derart, daß deutlich zu sehen ist, daß die vertikalen Impfkristalle 38 und 39, die in die Schmelze eintauchen, um einen Winkel zueinander geneigt sind, der in der Zeichnung mit einem liegenden S in einem Kreis bezeichnet ist. Fig. 10 zeigt eine Abwandlung der Anordnung, bei der die Enden der beiden Samen dichter aneinander herangerückt sind, während sie in die Schmelze eintauchen.

Bei der Anordnung nach Fig. 11 ist ein Impfkristall 46 aus einem Block aus Halbleitermaterial geschnitten, der eine Zwillingsgrenzfläche 47 enthält. Ein Längseinschnitt 48 kann längs der Zwillingsgrenzfläche, wie oben beschrieben, hergestellt wer den, oder der Kristall kann auf die eine oder andere der beschriebenen Arten Beanspruchungen ausgesetzt werden. Der gezogene Kristall weist dann eine schlecht ausgerüstete oder verkantete Zwillingsgrenzfläche auf. Ein Kristall, der eine schlecht ausgerichtete Zwillingsgrenzfläche aufweist, ist wahrscheinlich noch stabiler als einer, der eine Korngrenzfläche aufweist. Die Kantenversetzungen haben die Neigung, längs der Zwillingsgrenzfläche zu liegen, ίο Durch die Erfindung werden somit eine neuartige Halbleiterplatte und eine Methode zu ihrer Herstellung angegeben. Die Halbleiterplatte eignet sich besonders zur Herstellung von Halbleiteranordnungen für hohe Frequenzen.

Claims (3)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Verfahren zur Herstellung eines Unipolartransistors, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst ein plattenförmiger Halbleiterkörper vom einen Leitfähigkeitstyp mit einer durchgehenden Korngrenzfläche gezogen wird, daß dann der Halbleiterkörper so geätzt wird, daß an der Korngrenzfläche sich Ätzgruben zu durch den plattenförmigen Halbleiterkörper hindurchgehenden Löchern vereinigen, daß längs der Oberfläche der Löcher Halbleiterzonen vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp gebildet und auf diesen Zonen Ohmsche Steuerelektroden angebracht werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zonen vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp durch Diffusion gebildet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Diffusion so gesteuert wird, daß die Zonen vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp benachbarter Löcher sich vereinigen, so daß sich eine durchgehende Zone vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp im Halbleiterkörper

bildet.

In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 966 905, 969 464, 748;

französische Patentschriften Nr. 1135 760, 1163 241;

USA.-Patentschriften Nr. 2 771382, 2 778 980.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen