DE1244987B - Verfahren zur Herstellung einer Halbleiteranordnung - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

HOIl

Deutsche Kl.: 21 g - 41/00

Nummer: 1244 987

Aktenzeichen: H 54612 VIII c/21 g

Anmeldetag: 17. Dezember 1964

Auslegetag: 20. Juli 1967

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleiteranordnung, die aus einem flachen Halbleiterkörper eines Leitfähigkeitstyps, einer in diesem Flachkörper eingebetteten inneren Elektrode aus einem Halbleitermaterial entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps und zwei elektrisch leitenden äußeren Elektroden an entgegengesetzten Flächen des Halbleiterkörpers besteht. Eine solche Halbleiteranordnung soll insbesondere als Übertragungsleitung, Verstärker oder Schalter verwendet werden.

Ein bekanntes Verfahren dieser Art (USA.-Patentschrift 3 025 438) geht von einer Gitterelektrode aus, die zwischen zwei zunächst gesonderte Schichten aus Halbleitermaterial eingelegt ist. Diese Elektrode besteht aus einer relativ dicken Scheibe, die in dem fertigen Gebilde als Steuergitter wirken soll. Bei dem bekannten Verfahren wird eine Vielzahl zylindrischer Elemente, die sich von der einen zur anderen Seite der Scheibe erstrecken, dadurch erzeugt, daß ein geeigneter Aktivator von beiden Seiten der Scheibe in diese hineindiffundiert wird. Der nächste Schritt besteht dann darin, auf der Scheibe eine obere und eine untere Schicht aus Halbleitermaterial niederzuschlagen, das den gleichen Leitfähigkeitstyp hat wie das Material der zylindrischen Elemente. Die Durchführung dieses Verfahrens ist schwierig, weil es zwei Schritte mit Maskenabdeckung und Diffusion erfordert, was nur dann zu einem einwandfreien Ergebnis führen würde, wenn die aufeinander zu gerichteten diffundierten Bereiche sich auch tatsächlich in der Mitte der Scheibe treffen würden, wofür jedoch keine Gewähr besteht. Hinzu kommt der Nachteil, daß es überaus schwierig ist, die geometrische Form der erstrebten zylindrischen Elemente genau zu steuern, weil die Diffusion in einem Halbleiterkörper sich nicht rechtwinklig zur Außenfläche fortsetzt, sich vielmehr auch radial nach allen Richtungen ausbreitet. Um zu verhindern, daß ein Element in seitlicher Richtung auf ein anderes trifft, müssen daher die Öffnungen in der Scheibe in verhältnismäßig großen Abständen voneinander angeordnet werden, wodurch es wiederum schwierig wird, optimale Bedingungen hinsichtlich der Steuerung der Majoritäts-Ladungsträger durch das Steuergitter zu schaffen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs bezeichneten Art zu schaffen, das sich wesentlich einfacher durchführen läßt und zu besseren Ergebnissen führt als das vorstehend geschilderte bekannte Verfahren. Um dies zu erreichen, werden erfindungsgemäß Teile einer ersten Halbleitermaterialschicht eines Leitfähigkeitstyps Verfahren zur Herstellung einer
Halbleiteranordnung

Anmelder:

Hughes Aircraft Company, Culver City, Calif.

(V. St. A.)

Vertreter:

Dr.-Ing. G. Eichenberg

und Dipl.-Ing. H. Sauerland, Patentanwälte,

Düsseldorf, Cecilienallee 76

Als Erfinder benannt:

Rainer Zuleeg, Newport Beach, Calif. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:
V. St. ν. Amerika vom 24. Dezember 1963
(333127)

von der einen Seite dieser Schicht her durch Eindiffusion eines Aktivators umdotiert, so daß diese Teile die spätere innere Elektrode in Form eines dünnen Films entgegengesetzter Leitfähigkeit bilden, und daß anschließend auf die gleiche Seite der Schicht eine zweite Schicht aus Halbleitermaterial mit dem Leitfähigkeitstyp der ersten Schicht aufgebracht wird, so daß ein die innere Elektrode vollständig umschließender Halbleiterkörper entsteht.

Dieses Verfahren kommt also im Gegensatz zu dem bekannten Verfahren ohne eine gesonderte Gitterscheibe aus, wobei es wesentlich darauf ankommt, daß das Eindiffundieren des Aktivators nur von der einen Seite der ersten Halbleiterschicht ausgehend erfolgt, so daß die Eindringtiefe der Diffusion auf weniger als die Dicke der Schicht begrenzt wird. Auf diese Weise ist es möglich, ,eine sehr dünne und zugleich eindeutig begrenzte Schicht zu erzeugen, die als Elektrode oder Gitter wirken kann, und diese Schicht mit einem Halbleiterkörper vollständig zu umschließen, wenn gemäß dem letzten Schritt des Verfahrens die zweite Schicht aufgebracht wird.

An anderer Stelle ist der nicht vorveröffentlichte Vorschlag gemacht worden, zum Einbringen eines metallischen Gitters in eine einkristalline Zone eines Halbleiterbauelements auf einer Oberfläche eines einkristallinen Halbleiterteils eine metallische gitter-

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förmige Elektrode aufzubringen und diese durch troden aus dem gleichen Grundmaterial bestehen, epitaktisches Aufwachsen von Halbleitermaterial auf und zwar aus Silizium. Fig. la sieht eine Unterdem einkristallinen Halbleiterteil in Halbleitermate- lage 7 aus leicht η-aktiviertem Silizium vor, das rial vollkommen einzubetten. Im Gegensatz zur Er- praktisch einen Isolator darstellt. In dem Körper 7 findung liegt dieser Maßnahme die Aufgabe zu- 5 wird eine erste Elektrode 4 dadurch hergestellt, daß gründe, ein aus Metall gefertigtes Gitter, das bei- mittels einer nicht gezeichneten Maske ein Donator, spielsweise aus einem Drahtgeflecht bestehen kann, beispielsweise Arsen, in den von der Maske nicht mit Halbleitermaterial zu umhüllen. Demgegenüber bedeckten Oberflächenteil der Unterlage 7 hineinerstrebt die Erfindung die Lösung der Aufgabe, im diffundiert wird. Dadurch wird die Schicht 4 derart Innern eines Halbleiterkörpers eine selbst aus einem io stark aktiviert, daß sie gut η-leitend wird. Auf die-Halbleiter bestehende Elektrode, die auch Gitter- sem stark aktivierten Silizium 4, das sich bei einer form haben kann, jedoch nicht aus einem Metall be- Dotierung bis zur Entartungskonzentration wie ein steht, zu erzeugen. metallischer Leiter verhält, wird dann n-leitendes

In der bevorzugten Ausführung der Erfindung Silizium 8 niedergeschlagen. Hat umgekehrt das wird zur Bildung der äußeren Elektroden der die in- 15 Halbleitermaterial 8 p-Leitfähigkeit, dann kann die nere Elektrode umschließende Halbleiterkörper an Elektrode 4 dadurch hergestellt werden, daß man in gegenüberliegenden Seiten derart stark aktiviert, daß den Oberflächenbereich der Siliziumunterlage 7 einen er an diesen Seiten metallisch leitend wird, sich also, - Akzeptor eindiffundiert, beispielsweise Aluminium, obwohl er selbst nicht aus einem Metall besteht, in Die anzuwendende starke Aktivierung ist jeweils bezug auf seine Leitfähigkeit wie ein solches ver- 20 durch den Leitfähigkeitstyp des Halbleiters 8 behält, stimmt.

Dient das Verfahren nach der Erfindung zur Her- Die Maske kann dadurch hergestellt werden, daß

stellung eines Halbleiterverstärkers oder Halbleiter- _man die Oberfläche der Siliziumunterlage 7 oxydiert

schalters, so wird der inneren Elektrode zweckmäßi- _und dann einen Streifen des Oxyds entsprechend den

gerweise die Gestalt einer Schicht von Gitterform ge- 35 Abmessungen und der Form der zu erzeugenden

geben. Übertragungsleitung entfernt, etwa durch eine photo-

SoIl dagegen eine Übertragungsleitung mit Flach- chemische Methode oder durch Ätzen,

ädern hergestellt werden, so wird zweckmäßig die Es ist auch möglich, die untere Elektrode 4 aus

innere Elektrode derart stark aktiviert, daß sie im _emem streifen einer dünnen Folie aus antimonakti-

oben angegebenen Sinn metallisch leitend wird. 30 viertem Gold herzustellen, das mit der Unterlage 7

Zur weiteren Erläuterung dienen die gezeichneten i_egi_{ert w}j_rd_{; so} daß durch kristallines Wachstum ein

Beispiele. In der Zeichnung zeigen hochaktivierter Siliziumbereich von n-Leitfähigkeit

F i g. 1 a bis 1 d zum Teil im Schnitt gehaltene per- entsteht.

spektivische Darstellungen verschiedener Stadien bei £>}_e Schicht 8 von η-leitendem Silizium kann epi-

der Herstellung einer erfindungsgemäß gestalteten ₃₅ taktisch durch eine Maske auf die untere Elektrode 4

dünnschichtigen Übertragungsleitung, niedergeschlagen werden. Ein derartiger epitak-

Fig. 2a und 2b teilweise geschnittene perspek- _ti_sch_er Prozeß besteht darin, daß Phosphortrichlorid

tivische Darstellungen einer erfindungsgemäß gestal- _und Siliziumtetrachlorid bei Temperaturen von etwa

teten dünnschichtigen Halbleiteranordnung, ₁₂00 bis 1300° C gleichzeitig in Wasserstoff redu-

Fig. 3 ein Schaltschema in Verbindung mit einer 40 _zi_ert werden, ein in der Technik bekanntes Verfah-

erfindungsgemäß gestalteten dünnschichtigen Halb- _ren

leiteranordnung und Nachdem die Siliziumschicht 8, die etwa 1 bis

Fig. 4 ein Diagramm zur Veranschaulichung der 10Mikron dick sein mag, hergestellt ist, wird auf ihr

wesentlichen elektrischen Eigenschaften der Halb- gemäß Fig. Ib eine Maske 10 gebildet. Die Maske

leiteranordnung nach Fi g. 3. _{45 w}i_rcj durch Oxydieren, der Oberfläche der Schicht 8

Unter Halbleitermaterial soll hier jeder Stoff ver- hergestellt, und zwar am besten durch Schaffung standen werden, dem eine niedrige Majoritätsträger- einer Schicht aus Siliziumdioxyd (SiO₂) von etwa 1 konzentration eigen ist, so daß bei Raumtemperatur bis 2 Mikron Dicke. Anschließend wird ein mittlerer das Material eine niedrige elektrische Leitfähigkeit streifen des Oxyds durch eine photochemische Mehat. Im allgemeinen ist jedes Material, das einen 50 thode oder durch Ätzen entfernt. Wie dies im ein-Bandabstand von weniger als etwa 1,0 eV zeigt, als _zei_{nen zu} geschehen hat, ist in der Technik bekannt. Halbleiter für die nachstehend beschriebenen An- Tj_{er n}j_cht von der Maske bedeckte Bereich der Ordnungen zufriedenstellend. Geeignete Stoffe sind Oberfläche der Schichte wird hierauf der Einwir-Silizium und Verbindungen der Elemente der dritten _{kung eine} Atmosphäre ausgesetzt, die Dämpfe eines Spalte mit Elementen der fünften Spalte des peno- ₅₅ Akzeptors enthält, beispielsweise Bor, das durch die dischen Systems der Elemente, beispielsweise Alu- mittlere Öffnung in der Oxydmaske 10 in die freiminiumphosphid, Aluminiumarsenid, Aluminium- liegende Fläche des η-aktivierten Siliziums hineinantimonid, Galliumphosphid, Galliumarsenid oder diffundiert und einen Streifen 6 der Schicht 8 so um-Indiumphosphid. Gleichfalls zufriedenstellend wir- wandelt, daß er p-Leitfähigkeit annimmt. Derartige ken Verbindungen der Elemente aus der zweiten 60 Diffusionsmethoden unter Verwendung von Oxyd-Spalte mit Elementen der sechsten Spalte des perio- masken sind bekannt.

dischen Systems der Elemente, beispielsweise Zink- Ist die Diffusion beendet, so wird die noch übrige

sulfid, Zinkselenid, Zinktellurid, Kadmiumsulfid, Oxydschicht 10 vollständig entfernt. Das kann durch

Kadmiumselenid, Kadmiumtellurid und Quecksilber- Ätzen mit Fluorwasserstoffsäure geschehen. Damit

sulfid. Siliziumkarbid ist gleichfalls ein für die 65 ergibt sich das in F i g. 1 c dargestellte Gebilde. Der

Zwecke der Erfindung geeigneter Halbleiter. nächste Schritt besteht in der Bildung einer weiteren

Fig. la bis Id zeigen eine streifenförmige Über- Schicht 8' aus Silizium mit η-Leitfähigkeit mittels des

tragungsleitung, bei der der Halbleiter und die Elek- oben beschriebenen Verfahrens des epitaktischen

Niederschiagens auf die ursprüngliche n-leitende Siliziumschicht 8 und den p-leitenden Mittelstreifen 6, der zuvor in der beschriebenen Weise hergestellt worden war. Hierdurch entsteht ein Gebilde nach Fig. Id, das aus einem mittleren Streifen6 aus p-leitendem Silizium besteht, der in einen dünnen Streifen von η-leitendem Silizium eingebettet ist. Auf diese Weise wird eine wirksame Trennung des mittleren Streifens 6 durch einen pn-übergang (also eine gleichrichtende Grenzschicht) geschaffen. Der letzte Schritt bei der Herstellung einer Hochfrequenz-Übertragungsleitung kann dann darin bestehen, daß eine zweite zu erdende Elektrode, Platte oder Fläche dadurch geschaffen wird, daß die Oberfläche der η-leitenden Siliziumschicht 8' in bis zur Entartung dotiertes Silizium umgewandelt wird, wie bereits beschrieben wurde. Die epitaktisch niedergeschlagenen Siliziumschichten 8 und 8', die oben als getrennte Schichten bezeichnet wurden, stellen im Endprodukt eine zusammenhängende Schicht dar.

Mittels des beschriebenen Verfahrens gelingt die Herstellung einer Übertragungsleitung, deren charakteristische Impedanz um ein Vielfaches kleiner ist als bisher erreichbar war.

Fig. 2a und 2b zeigen eine dünnschichtige Halbleiteranordnung, die erfin dungsgemäß hergestellt werden kann. Sie besteht aus einem Steuergitter 30 aus η-leitendem Silizium, das in einem Körper 32 aus p-leitendem Silizium hergestellt worden ist, und zwar durch die bereits beschriebene Methode des Maskierens durch Oxyde und des Eindiffundierens von Aktivatoren. Das Gitter 30 kann somit aus einem anders als der Halbleiterkörper 32 aktivierten Bereich bestehen und dadurch hergestellt werden, daß Arsen durch eine Maske in einen boraktivierten Halbleiterkörper 32 hineindiffundiert wird. Hierauf wird das maskierende Material entfernt, was in dem Fall, daß eine Maske aus Siliziumoxyd benutzt wurde, durch Ätzen mit Fluorwasserstoffsäure geschehen kann. Sodann wird eine zusätzliche Schicht 32' aus Silizium von p-Leitfähigkeit oberhalb des Gitters 30 und der freiliegenden Fläche des anfänglichen Siliziumkörpers 32 von p-Leitfähigkeit durch epitaktisches Aufbringen von Silizium mit p-Leitfähigkeit hergestellt, wie es bereits beschrieben wurde.

Das fertiggestellte Gebilde ist in Fig. 2b dargestellt. Es ist mit einer oberen Aluminiumelektrode 34 und einer unteren Aluminiumelektrode 36 versehen. Statt dessen können die leitenden Elektroden 34 und 36 aber auch dadurch hergestellt werden, daß man die zugeordneten Flächenbereiche des Halbleiterkörpers 32, 32' so kräftig dotiert, daß sie sich wie metallische Leiter verhalten.

Bei der in Rede stehenden Anordnung kann der Strom, der von der Elektrodenschicht 36 durch das p-leitende Siliziummaterial 32, 32' zur Elektrodenschicht 34 fließt, gesteuert werden, indem ein geeignetes Signal dem Steuergitter 30 zugeführt wird. Ein derartiges auf das Gitter 30 gegebenes Signal erzeugt ein elektrisches Feld rings um das Gitter herum im p-leitenden Bereich und unterbricht den Fluß von Mehrheitsladungsträgern durch die Löcher des Steuergitters von der einen zur anderen Elektrode. Das Gebilde verhält sich also wie eine Vakuumröhrentriode, mit dem Unterschied, daß die Ladungsträger von der Kathode zur Anode in einem Halbleiter fließen.

Die Anordnungen nach den Fig. 2a und 2b können auch mit umgekehrter Polarität hergestellt werden, also in der Weise, daß das Gitter 30 aus p-leitendem Material und der Halbleiterkörper aus n-leitendem Material bestehen. Sind oben und unten keine metallischen Schichten 34 und 36 vorgesehen, so können statt dessen stark aktivierte, sogenannte η+-Schichten durch Andiffundieren oder Anlegieren hergestellt werden, sofern der Halbleiterkörper

ίο η-Leitfähigkeit hat, während stark aktivierte oder ρ+-Schichten durch Andiffundieren oder Anlegieren vorgesehen werden können, sofern der Halbleiterkörper p-Leitfähigkeit hat. Die Bezeichnungen n+ und p+ sollen mit dem hinzugefügten Pluszeichen anzeigen, daß so stark dotiert worden ist, daß das Material sich wie ein metallischer Leiter verhält.

F i g. 3 zeigt eine typische Schaltung für den Betrieb der Triode nach Fig. 2a und 2b. Die Eingangsimpedanz dieser Triode ist sehr hoch, da das Gitter durch einen pn-übergang vom übrigen Halbleiterkörper getrennt ist, und kann in der Größen-^ Ordnung von 10" bis 10⁸ Ohm liegen. Mittels der Schaltung nach F i g. 3 kann ein Eingangssignal in Form einer Wechselspannung V_s durch diese Anordnung verstärkt und an der Ausgangselektrode 34 als Ausgangsspannung V_a abgenommen werden, und zwar gemäß der Beziehung

' a

Darin ist g_m die Transkonduktanz und R_L der Lastwiderstand in der Schaltung. Solange R_L kleiner ist als der durch Differentiation gewonnene Widerstand
_ dV_D

^D~ dI_D '

dann ist beträchtliche Spannungsverstärkung möglich. Ist beispielsweise

g_m = 5-10-3 -

Ohm

und

R₁ = 10 000 Ohm,

so ergibt sich für die Spannungsverstärkung, also das Verhältnis zwischen Ausgangsspannung und eingegebener Signalspannung, der Betrag 50. Bei zunehmender negativer Spanung V₀ am Eingang sinkt der am Betrag 34 abnehmbare Strom, und entsprechend erniedrigt sich die Transkonduktanz. Bei einer bestimmten Spannung F₀, die man als Abbruchspannung V_Op bezeichnen kann, wird der Strom, der von der Elektrode 36 zur Elektrode 34 fließt, nahezu vollständig unterdrückt und kann nur vernachlässigbar kleine Werte annehmen. Demgemäß kann das Gebilde mit Vorteil als Schalter benutzt werden. In F i g. 4 ist dargestellt, daß ohne Vorspannung die Anordnung sich in Punkte in leitendem Zustand befindet, der dem Zustand bei hohem Strom und niedriger Spannung entspricht. Wird eine hinreichend stark negative Vorspannung angelegt, so schaltet sich die Anordnung längs der Arbeitskennlinie R_L auf den Punkt B. Dieser Punkt entspricht dem Zustand bei niedrigem Strom und hoher Spannung.

Die vorstehend beschriebene Anordnung kann vorzüglich als Hochfrequenzverstärker für hohe Leistungen arbeiten. Hochfrequenzbetrieb ist dadurch

möglich, daß der Abstand zwischen den beiden Elektroden 34 und 36 klein ist, so daß die Durchlaufzeit der Majoritätsträger

sehr klein wird und sich daher eine besonders günstige Frequenzcharakteristik ergibt, weil t der Frequenz / umgekehrt proportional ist. Ist beispielsweise der Abstand der Elektroden d = 2 Mikron, die Beweglichkeit der Ladungsträger μ = 100 cm²/Voltsekunden und V = 10 Volt, dann ist t gleich 4· 1O^-11 Sekunden, was einer Frequenz im Mikrowellengebiet entspricht. Hohe Leistungen können mit den Anordnungen wegen der guten Wärmeableitung beherrscht werden, die auf den Eigenschaften des Materials beruht, das den aktiven Bereich der Anordnung umgibt.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung einer Halbleiteranordnung, die aus einem flachen Halbleiterkörper eines Leitfähigkeitstyps, einer in diesem Flachkörper eingebetteten inneren Elektrode aus einem Halbleitermaterial entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps und zwei elektrisch leitenden äußeren Elektroden an entgegengesetzten Flächen des Halbleiterkörpers .'besteht, dadurch gekennzeichnet, daß Teile (6; 30) einer ersten Halbleitermaterialschicht (8; 32) eines Leitfähigkeitstyps von der einen Seite dieser Schicht her durch Eindiffusion eines Aktivators umdotiert werden, so daß diese Teile (6, 30) die spätere innere Elektrode in Form eines dünnen Films entgegengesetzter Leitfähigkeit bilden, und daß anschließend auf die gleiche Seite der Schicht (8; 32) eine zweite Schicht (8'; 32) aus Halbleitermaterial mit dem Leitfähigkeitstyp der ersten Schicht aufgebracht wird, so daß ein die innere Elektrode (6, 30) vollständig umschließender Halbleiterkörper (8, 8';.32, 32') entsteht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung der äußeren Elektroden (4, 34, 36) der die innere Elektrode (6; 30) umschließende Halbleiterkörper (8, 8'; 32, 32') an gegenüberliegenden Seiten derart stark aktiviert wird, daß er an diesen Seiten metallisch leitend wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung eines Halbleiterverstärkers oder Halbleiterschalters der inneren Elektrode die Gestalt eines Films (30) von Gitterform gegeben wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung einer Übertragungsleitung mit Flachader die innere Elektrode (6) derart stark aktiviert wird, daß sie metallisch leitend wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 887 542;
USA.-Patentschrift Nr. 3 025 438;
»Proc. IRE«, September 1960, S. 1642/1643;

In Betracht gezogene ältere Patente:
Deutsches Patent Nr. 1149 460.

Bei der Bekanntmachung der Anmeldung ist ein Prioritätsbeleg ausgelegt worden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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