-
Gasdiffusionsverfahren zur Herstellung eines Transistors Es hat sich
erwiesen, daß das Dampfdiffusionsverfahren der Einführung- der nötigen Mengen von
Verunreinigungen oder Störatomen in einen Halbleiterkristall zur Bildung eines gewünschten
Leitfähigkeitstyps und spezifischen Widerstandes mehrere Vorteile bietet, von denen
einer darin besteht, daß die die Verunreinigungen, d. h. den Störstoff, enthaltende
Dampfatmosphäre als fast konstante Störstoffquelle dient, so daß genaue und gut
festzulegende Diffusionsdurchdringungen und Widerstandsgradienten möglich sind.
-
Bei Ausübung dieses Verfahrens wird die Diffusion im allgemeinen bei
Temperaturen durchgeführt, die höher sind als die Legierungstemperatur der Verunreinigung
und des ;Materials, in die sie diffundiert wird. Aus diesem Grunde ist es nötig,
die Konzentration der Verunreinigung in der unmittelbaren Umgebung des Materialstücks,
in die sie diffundiert wird, genau zu kontrollieren, um eine Legierungsbildung zu
verhüten. Außerdem müssen wegen der Natur eines Halbleiterkristalls alle Verfahrensschritte
sorgfältig g 01
eregelt werden, um eine Verschmutzung zu verhindern, die die
Eigenschaften verändern kann, und um zu verhindern, daß thermische Erschütterungen
zu Störzentren, den sogenannten Trägertraps, im Halbleiterkristall führen.
-
Die Erfindung befaßt sich mit der Vereinfachung des Verfahrens zur
Kontrolle aller Werte, die bei der Dampfdiffusion von Störstoffen in einen Halbleiterkristall
nötig sind. Die Erfindung befaßt sich fernerhin mit einem verbesserten Verfahren
zur Bildung von PN-Übergängen im Halbleitermaterial sowie mit einem Verfahren zur
Herstellung eines gewünschten Widerstandsgradienten im Halbleitermaterial.
-
Die Hauptpatentanmeldung bezieht sich auf einen nach dem Gasdiffusionsverfahren
hergestellten Transistor, insbesondere für Schaltoperationen in datenverarbeitenden
Maschinen, bei dem der spezifische Widerstand des Halbleiterkörpers in der Emitterzone
gleichbleibend extrem niedrig ist, in der Emitter-Basis-Übergangszone scharf ansteigt
und wieder abfällt, in der anschließenden Basiszone auf dem Wege bis zum Basis-Kollektor-t%ergangwieder
exponentiell ansteigt und anschließend mit zunehmender Entfernung vom Basis-Kollektor-Übergang
innerhalb der Kollektorzone wieder stark abfällt, so daß im Betrieb die Diffusionsbewegung
der Ladungsträger im Basisbereich zusätzlich eine Driftkompöriente erhält, injizierte
Minoritätsträger schneller zur Kollektorübergangszone gelangen und die beim Aufhören
des dem Transistor aufgeprägten Eingangssignals gespeicherten Ladungsträger schneller
aus der Basiszone ausgeräumt werden.
-
Zur Herstellung halbleitender, kristallinischer Schichten ist bereits
ein Verfahren bekannt geworden, bei dem ein Schmelztiegel mit Germaniumpulver und
ein weiterer Schmelztiegel mit der Dotierungssubstanz, z. B. Antimon, in ein Gefäß
mit eingebautem Wärmestrahler eingebracht werden und das Gefäß anschließend luftleer
gemacht wird. Über den beiden Schmelztiegeln ist im Vakuumgefäß eine Platte angeordnet,
auf welcher unter der Wirkung der eingebauten Wärmequelle eine Germaniumschicht
aufgedampft wird. Die genannte Platte ist den Dämpfen aus beiden Schmelztiegeln
ausgesetzt.
-
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht in der Weiterbildung
des bekannten Gasdiffusionsverfahrens zur Herstellung eines Transistors. Die Erfindung
betrifft dabei ein Verfahren zur Herstellung halbleitenden Materials für Transistoren
nach der Hauptpatentanmeldüng. Für ein Gasdiffusionsverfahren zur Herstellung eines
Transistors nach der Hauptpatentanmeldung besteht danach die Erfindung darin, daß
zur Erreichung optimaler Diffusiön die Dotierungsstoffe und der Halbleiterkörper
in einem luftdicht abschließbaren Behälter aus Quarz oder Borsilikatglas mit etwa
96°/a Siliziumdioxyd eingebracht werden und die Zeit und die Temperatur für die
Diffusion entsprechend dem Volumen des Behälters gewählt werden. Damit gewinnt man
gegenüber dem Bekannten den Vorteil einer Beschränkung der vielen sonst zu kontrollierenden
Parameter, wie nachstehend im einzelnen noch erläutert wird.
-
Die Erfindung sei nachstehend in beispielsweiser Form an Hand der
Zeichnungen näher erläutert. Weitere
Merkmale der Erfindung ergeben
sich aus der Beschreibung.
-
Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch einen Behälter, der bei dem Gasdiffusionsverfahren
gemäß der Erfindung verwendet wird und dafür besonders geeignet ist; Fig. 2 gibt
einen Arbeitsa.blaufplan für das Verfahren nach der Erfindung Fig. 3 zeigt in grafischer
Form die Abhängigkeit des spezifischen Widerstandes von der Eindringtiefe in einer
Halbleiterprobe.
-
Zur Kontrolle der Konzentration der Verunreinigung an der Oberfläche
der Halbleiterma,terialprobe zwecks Vermeidung einer Verschmutzung bei hohen Temperaturen,
«-elche bei plötzlichen Temperaturänderungen Trägertraps in der Kristallprobe bilden
würden, sind erfindungsgemäß die Kristallprobe und eine bestimmte -Menge eines oder
mehrerer Materialien, die als diffundierende Verunreinigung dienen, in einem Behälter
mit vorbestimmtem Volumen luftdicht eingeschlossen. Für später noch näher erklärte
Zwecke wird in den Behälter eine Gasatmosphäre eingeführt.
-
Das Volumen des Behälters, die -Menge der Verunreinigung und die Art
und -Menge der eventuell verwendeten Gasatmosphäre stehen alle in gegenseitiger
Beziehung. Infolge dieser Anordnung werden, wenn die Temperatur, bei der die Diffusion
stattfinden soll, erreicht ist, die Umgebungsbedingungen innerhalb des Behälters
und damit an der Oberfläche der Probe in den gewünschten Grenzen gehalten, und die
vielen Parameter, die sonst kontrolliert werden müssen, sind damit vorteilhafter
auf zwei, nämlich Zeit und Temperatur, beschränkt.
-
Die Fig. 1 zeigt nun einen für die Erfindung geeigneten Behälter.
Der Behälter 1 kann aus beliebigem :Material bestehen, welches die Hitze und den
Druck aushält, die für die Dampfdiffusion erforderlich sind, und welches die Verschmutzung
des Halbleitermaterials verhindert und weder mit den bei der Operation verwendeten
Stoffen reagiert noch irgendwelche dieser Stoffe in einem unzulässigen Maße absorbiert.
Bei den meisten Anwendungen haben sich mehrere Glasarten, z. B. Quarz und Borsilikatglas
mit etwa 9611/o Si 02, als geeignet für den Behälter 1 erwiesen. Der Behälter 1
hat ein bestimmtes Volumen und besitzt eine luftdicht verschließbare Öffnung für
die Einführung der bei dem Verfahren verwendeten Stoffe und eventuell einer Gasatmosphäre.
In Fig. 1 ist diese Öffnung als Deckel 2 aus demselben Material wie der Behälter
1 dargestellt, und zwar ist er an einer Verbindungsstelle 3 z. B. durch Erhitzung
und Verschmelzung luftdicht mit dem Behälter 1 verbunden.
-
Außerdem hat der Deckel 2 eine kleinere Öffnung zum Evakuieren und
Einführen von Gasen. Die Öffnung 4 kann ebenfalls ähnlich wie an der Verbindungsstelle
3 luftdicht verschlossen werden.
-
In das bekannte Volumen des Behälters 1 werden die an der Dampfdiffusion
beteiligten Stoffe eingebracht, und zwar handelt es sich um eine Kristallprobe 5
und eine bestimmte Menge eines oder mehrerer zu diffundierender Stoffe, nachstehend
als Verunreinigung 6 bezeichnet. Manchmal wird auch eine bestimmte Menge einer Gasatmosphäre
7 eingeführt. Die Kristallprobe 5 kann aus einem beliebigen Halbleitermaterial bestehen,
wovon es mehrere Klassen gibt. Zu der einen Klasse gehören Germanium und Silizium,
die die sogenannte einatomige Klasse bilden, und zur Klasse der intermetallischen
Verbindungen gehören Galliumarsenid (GaAs) und Indiumantimonid (In Sb).
Die
Verunreinigung 6 kann ein beliebiges Element oder eine Verbindung sein, die der
Kristallprobe 5 beim Hineindiffundieren eine gewünschte Leitfähigkeit und einen
bestimmten spezifischen Widerstand gibt, und sie kann auch eine Mischung aus mehr
als einem die Leitfähigkeit bestimmenden Stoff sein, die jeder eine andere Diffusionsgeschwindigkeit
haben, wie noch erklärt wird. Bei einatomigem Halbleitermaterial kann die Verunreinigung
6 z. B. ein Element der Gruppe III des Periodischen Systems sein, um eine Leitfähigkeit
vom P-Typ zu erzeugen, und ein Element der Gruppe V, um Leitfähigkeit vom N-Typ
zu gewinnen. Bei anderen Halbleiterstoffen, z. B. solchen aus der intermetallischen
Klasse, wird das als Verunreinigung 6 verwendete Material durch die Bestandteile
des betreffenden Halbleitermaterials bestimmt. Die Gasumgehung 7 muß, wenn sie verwendet
wird, entweder Edelgas sein oder in an sich bekannter Weise mitwirken. Edelgase
wie Neon und Argon haben sich als gut geeignet erwiesen. In Anbetracht der verwendeten
hohen Temperaturen wird vorzugsweise eine Reduktionsatmosphäre, z. B. Wasserstoff,
verwendet, weil eine Verschmutzung infolge Oxydierung herabgesetzt wird. Es muß
entweder ein Gas 7 oder Vakuum verwendet werden.
-
Die Fig. 2 gibt die Arbeitsschritte bei der Dampfdiffusion nach dem
Gasdiffusionsverfahren an. Gemäß Fig. 1 und 2 besteht der erste Verfahrensschritt
darin, daß in den Behälter 1 die an der Diffusion beteiligten Stoffe eingebracht
werden, nämlich die Kristallprobe 5 und die Verunreinigung 6. Die Menge der Verunreinigung
6 und das Volumen der Probe 5 sind in bezug auf das Volumen des Behälters 1 so@
gewählt, daß bei der Diffusionstemperatur die Verunreinigung in dem Dampfzustand
in gewünschter Konzentration und bei gewünschtem Druck enthalten ist.
-
Als Hilfe zum Verständnis und zur Ausübung der Erfindung sind in der
nachstehenden Tabelle bestimmte Werte aufgeführt, auf die jedoch die Erfindung nicht
beschränkt sein soll, da das Kriterium darin besteht, an die Oberfläche der Kristallprobe
einen Dampf heranzubringen, der eine gewünschte Konzentration einer Verunreinigung
bei einer gewünschten Temperatur und einem bestimmten Druck enthält. Behälter 1
Material ................ Quarz Volumen . . . . . . . . . . . . . . . 10 ccm Kristall
5 Material ... .. .. .. ....... Germanium Spezifischer Widerstand .. 7 Ohm - cm
Größe . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0,64 a 0,32 0,025 cm Verunreinigung 6
Material ... .. ........... Arsen Gewicht bei Zimmertemperatur . . . . . . . . .
. . . . . 0,03 g Konzentration in Dampf bei 800° C . . . . . . . . . . . . . . 2
- 1017 Moleküle/ Milliliter Gas 7 Material ................ Wasserstoff Druck bei
Zimmertemperatur . . . . . . . . . . . . . . 1 Atmosphäre Diffusionstemperatur
...... 800° C Diffusionszeit . .. .. .. . .. .. . 25 Stunden Eindringungstiefe
. .. . .. . . . 0,0076 cm Beim Füllen des Behälters 1 hat sich gezeigt, daß die
Konzentration der Verunreinigung 6 in dem Dampf bei der Diffusionstemperatur ganz
verschieden stark sein kann. Dabei ist die obere Grenze die Menge,
die
nötig ist, um eine flüssige Legierung der Verunreinigung 6 bei der Diffusionstemperatur
zu bilden, und die untere Grenze »ist die in einer gegebenen Zeit gewünschte Eindringtiefe.
Bei Arsen als diffundierender Verunreinigung führt eine Konzentration in dem Dampf
bei etwa 800° C zwischen 1012 und 1017 Molekülen pro Milliliter zu guten Ergebnissen.
Der zweite Schritt besteht im Evakuieren des Behälters 1 oder Einführen eines Gases
7. Der Gasdruck kann bei Verwendung von Gas viele verschiedene Werte haben.
-
Das Gas 7 soll entweder eine neutrale oder eine reduzierende Atmosphäre
bilden, thermische Spannungen in dem Kristall 5 vermindern wegen seiner wärmeleitenden
und Konvektionseigenschaften und einen Umgebungsdruck bei der Diffusionstemperatur
dann ausüben, wenn der Dampfdruck oder eine andere physikalische Eigenschaft des
diffundierten Materials so ist, daß eine Druckanpassung vorteilhaft ist. Der Druck
des Gases 7 wird also je nach den Erfo@rdernissen der Diffusion bestimmt, und nach
oben ist ihm die Stärke des Behälters 1 als Grenze gesetzt.
-
Als nächster Schritt wird der Behälter luftdicht verschlossen, um
das Material darin zu behalten und Fremdstoffe fernzuhalten. Außerdem wird durch
das Versiegeln des Behälters der Kristall 5 thermisch gegen plötzliche Temperaturveränderungen
geschützt, die zu Spannungen in ihm führen könnten.
-
Der letzte Schritt besteht darin, daß der Behälter 1 und sein Inhalt
erhitzt werden, um den Verunreinigungsdampf zu erzeugen und die Diffusion in den
Kristalls zu beschleunigen. Temperatur und Dauer der Erhitzung werden vor allem
durch die an der Diffusion beteiligten Stoffe bestimmt. Im allgemeinen liegt die
obere Temperaturgrenze dort, wo der Kristall thermische Schäden erleiden würde.
In den meisten Fällen liegt die Temperatur nahe dem Schmelzpunkt des Kristalls 5.
Auch die Geschwindigkeit der Temperaturveränderung während der Erhitzung wird vor
allem durch das Material des Kristalls 5 bestimmt. Während durch die Durchführung
der Diffusion in einem versiegelten Behälter nach dem Verfahren ein thermischer
Schutz gegen die meisten durch Temperaturveränderungen bedingten Schäden gewährleistet
ist, gibt es einige Halbleitermaterialien, die während der Erhitzung Fest-zu-Fest-Phasenübergänge
durchmachen. Bei Ausführung von Diffusionsoperationen mit solchen Materialien ist
es erforderlich, die Geschwindigkeit der Temperaturveränderungen genau zu kontrollieren.
Ein solches Material ist z. B. Halbleiter-Zinkarsenid Zn3As2. Die Mindestwärmemenge
und die Dauer der Erhitzung werden durch die für eine gegebene Zeitdauer gewünschte
Eindringtiefe bestimmt. Die Eindringtiefe verändert sich direkt mit Zeit und Temperatur,
obwohl das Verhältnis nicht immer linear ist.
-
Nach Abschluß des Erhitzungsvorganges ist die Verunreinigung 6 in
die Oberfläche des Kristalls 5 bis zu einer Tiefe diffundiert, die bestimmt wird
durch die Temperatur, die Diffusionszeit, das Verunreinigungsmaterial und seine
Konzentration, das Kristallmaterial und das Material und den Druck der den Kristall
umgebenden Atmosphäre. Fig. 3 zeigt nun in grafischer Form die Veränderung im spezifischen
Widerstand des Kristalls 5 mit dem Abstand von der Oberfläche infolge der Diffusion
der Verunreinigung 6. Die Darstellung ist nur angenähert und soll nur die relative
Kurvenform für einen Beispielsfall zeigen, wie er den Angaben der Tabelle entspricht.
Die gestrichelte Kurve stellt den spezifischen Widerstand des Kristalls 5 vor der
Diffusion dar. Da der Leitfähigkeitstyp eines Halbleiterstoffes durch das Vorherrschen
des einen gegenüber dem anderen Typ der die Leitfähigkeit bestimmenden Verunreinigung
bestimmt wird und der spezifische Widerstand durch die reine Menge des vorherrschenden
gegenüber dem anderen Verunreinigungstyp bestimmt wird, wird durch die Diffusion
des einen Verunreinigungstyps in einen Halbleiterkristall, in dem der andere Verunreinigungstyp
vorherrscht, der spezifische Widerstand dadurch erhöht, daß die reine Menge der
vorherrschenden Verunreinigung gesenkt wird, wenn mehr und mehr von der diffundierenden
Verunreinigung eindringt. Wenn die reine Menge überwunden ist, hat das Haltbleitermaterial
seinen höchsten spezifischen Widerstand und wird als eigenleitend angesehen. Bei
weiterer Diffusion gelangt die diffundierte Verunreinigung zur Vorherrschaft und
verändert so den Leitfähigkeitstyp des Halbleitermaterials. Die diffundierte Verunreinigung
hat eine exponentielle Verteilung in dem Kristall von einem sehr hohen Wert an der
Oberfläche, die der Quelle ausgesetzt ist, bis zu niedrigeren Werten innerhalb des
Kristalls. Der umgekehrt zur Verteilung sich verändernde spezifische Widerstand
beträgt an der Oberfläche fast Null und steigt exponentiell mit der Entfernung innerhalb
des Kristalls. Dies ist durch die Widerstandskurve in Fig. 3 dargestellt, welche
von fast Null an der Oberfläche zu einem Höhepunkt, der den Eigenwiderstand des
Materials bei einer bestimmten Temperatur darstellt, ansteigt und dann auf den ursprünglichen
Widerstandswert des Halbleitermaterials absinkt. In dieser Veranschaulichung ist
die Leitfähigkeit des Halbleitermaterials vom N-Typ von der Oberfläche bis nahe
zu dem eigenleitenden Höhepunkt, über welchen hinaus nicht genug Verunreinigung
vom N-Typ diffundiert worden ist, um vorzuherrschen, und daher herrscht jenseits
dieses Punktes weiterhin Leitfähigkeit vom P-Typ. Die Umgebung des eigenleitenden
Höhepunktes bestimmt eine P-N-Grenzschicht.
-
Es gibt nicht nur viele Scharen von Kurven nach Fig. 3, sondern es
gibt auch zusammengesetzte Kurven, die mehrere Diffusionsgeschwindigkeiten darstellen.
Sie können durch Überlagerung einzelner Verunreinigungskurven entsprechend Fig.3
gebildet werden, so daß Halbleiterstrukturen mit mehreren Zonen verschiedener Leitfähigkeitstypen
entweder in einer Diffusion hergestellt werden können durch Einführung von mehr
als einem Element als Verunreinigung 6 oder in mehreren Diffusionsverfahren, wobei
dann das Ergebnis der ersten Diffusion der Fig. 3 entsprechen würde, während die
Ergebnisse der folgenden Diffusionen durch eine Kurve dargestellt werden könnten,
die durch Überlagerung der Ergebnisse der Diffusionen über die Kurve der vorhergegangenen
Diffusionen erhalten wird.
-
Aus der Form der in Fig. 3 gezeigten Kurven ist auch ersichtlich,
daß es bei Verwendung des Gasdiffusionsverfahrens gemäß der Erfindung und durch
entsprechendes Zurechtschneiden des Kristalls möglich ist, eine Halbleiterstruktur
zu bilden, die eine beliebige Anzahl von P-N-Grenzschichten an beliebiger Stelle
hat und einen beliebigen Widerstandsgradienten in beliebiger Leitfähigkeitszone
besitzt.