DE1141723B - Verfahren zur Herstellung einer Halbleiteranordnung mit einem n-leitenden Siliziumkristall, insbesondere eines Flaechentransistors vom pnp-Typ - Google Patents

Description

• Verfahren zur Herstellung einer Halbleiteranordnung mit einem n-leitenden Siliziumkristall, insbesondere eines Flächentransistors vom pnp -Typ Durch die deutsche Auslegeschrift 1035 787 ist ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleiteranordnung mit mehreren Übergängen zwischen Zonen unterschiedlichen Leitungstyps durch Einlegieren von Aktivatormaterialien mit unterschiedlichen Verteilungs-und/oder Diffusionskoeffizienten sowie durch Dotierung der Oberfläche des Halbleitergrundkristalls vor dem Einlegieren des aus Donator- und Akzeptormaterial bestehenden Aktivatormaterials bekannt, bei welchem diese Aktivatormateriahen so ausgewählt werden, daß das den gleichen Leitungstyp wie die vorhergehende Oberflächendotierung erzeugende Aktivatormaterial sich bei der Rückkristallisation zunächst bevorzugt abscheidet. Hierdurch soll erreicht werden, daß die unterste der durch den Legierungsvorgang gebildeten Zonen eine niederohmige Verbindung zu der vordotierten Oberflächenzone erhält und auf diese Weise leichter kontaktiert werden kann.
• Es war ferner bekannt, zur Vermeidung von Benetzun.gsschwierigkeiten durch das flüssige Aktivatormetall die Legierungsstellle vor dem Legieren mit einer Schicht eines die Halbleiteroberfläche gut benetzenden Hilfsmetalls zu versehen.
• Es war bisher nicht möglich, pnp-Siliziumtransistoren herzustellen, die so geringe Sperrströme haben wie die komplementären npn-Transistoren. Zur Verbesserung der Sperrstromeigenschaften wurden Oberflächenbehandlungen, wie z. B. Atzmethoden, Lacküberzüge, Behandlung mit Salzen und Glasuren, vorgenommen, welche nur eine unwesentliche Verbesserung des Sperrstromes bei pnp-Transistoren bewirken konnten.
• Mit dem Verfahren nach der Erfindung iläßt sich eine Verringerung der Sperrströme, z. B. von 1", bis etwa auf den dreißigsten Teil eines nicht nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten, im übrigen gleichdimensionierten pnp-Transistors oder einer anderen Halbleitervorrichtung der genannten Art erreichen.
• Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen einer Halbleiteranordnung mit einem n-leitenden Siliziumkristall, insbesondere eines Flächentransistors vom pnp-Typ, mit mindestens zwei einlegierten Elektroden, von denen mindestens eine gleichrichtend ist und die gleichrichtenden Elektroden nur Aluminium aqs Aktivatormaterial enthalten. Gemäß der Erfindung wird der Siliziumkristall zunächst mit Galliumdampf behandelt und hierbei die Temperatur des Silizumkristalls auf einem unterhalb des Schmelzpunktes von Silizium, jedoch oberhalb der Temperatur des zu verdampfenden Galliums liegenden Wert gehalten. Anschließend werden die Elektroden in die mit Galliumdampf vorbehandelte Oberfläche des Siliziumkristalls so tief einlegiert, daß die dünne, durch die Behandlung mit dem Galliumdampf beeinflußte Oberfläche des Silizumkristalls von den einlegierten Elektroden durchdrungen wird. Schließlich wird nach dem Aufbringen der Elektroden die Oberfläche des Siliziumkristalls kurz, z. B. mit Flußsäure und Salpetersäure, geätzt.
• Es war zwar bekannt, Legierungselektroden aus Indium, die mit Gallium versetzt sind, zu verwenden. Sinn des Galliumzusatzes ist es, Emitter mit höherer Emitterergiebigkeit herzustellen, als sie durch das Einlegieren reiner Indiumelektroden erhalten werden. Dieser Gesichtspunkt entfällt jedoch, wenn aluminiumhaltige Elektroden einlegiert werden, da Aluminium auch bezüglich Silizium die Leitfähigkeit bedeutend stärker als Ga(Ilium erhöht.
• Der bekannte Gesichtspunkt, das Einlegieren von Elektroden durch vorheriges Aufbringen eines die Benetzung fördernden Hilfsmetalls zu erleichtern, führt nicht auf die Lehre der Erfindung, da Gallium im Gegensatz zu geschmolzenem Indium sehr schlechte Benetzungseigenschaften entwickelt und außerdem einen bei 29° C liegenden Schmelzpunkt besitzt. Schließlich wäre es zur Förderung der Benetzung erforderlich, daß das Hilfsmetall in metallischem Zustand an der Halbleiteroberfläche vorliegt, was bei dem Verfahren gemäß der Erfindung sicher nicht eintritt, da der Siliziumkristall eine höhere Temperatur als das zur Erzeugung des Galliumdampfes dienende Gallium aufweisen soll. Es kann sich also an der Oberfläche des Siliziumkristald's im vorliegenden Fall keine das Einlegieren der Elektroden erleichternde Galliumschicht ausbilden, sondern nur ein Eindiffundieren von Galliumatomen aus der Gasphase in den Silizumkristall stattfinden.
• Es war weiter bekannt, gas- oder dampfförmige Dotierungsstoffe zum Eindiffundieren in Halbleiterkristalle zu bringen, um den Leitfähigkeitstyp bzw. den Leitfähigkeitsgrad des Kristalls an der Oberfläche abzuändern und in. diese abgeänderte Oberfläche Elektroden mit pn-Übergang einzul'egieren, wobei die Legierungselektroden auch die Oberflächenzone vollständig durchdringen können. Das eindiffundierte Störstellenmaterial erzeugt jedoch beim Bekannten stets den entgegengesetzten Leitungstyp, als ihn die einlegierte Elektrode hervorrufen würde. Die dünne Oberflächenzone kann beim Bekannten mit einer nicht diese Zone durchdringenden Emitterelektrode und einer bis in das unterhalb dieser Zone liegende Grundmaterial des Kristalls reichenden Kollektorelektrode versehen sein, wobei die Obergächenzone den zum Grundmaterial entgegengesetzten Leitungstyp besitzt. Diese Konstruktion, bei der die Oberflächenzone in der Umgebung der Kofektarelektrode durch Abätzen vollständig aufgetrennt ist, entspricht der eines Drifttranssistors mit einem die Ladungsträger in der Basiszone in Richtung auf den Kollektor beschleunigenden Driftfeld. Eine andere bekannte Ausnutzungsweise der Diffusionszone an der Oberfläche des Halbleiterkristalls ist dann gegeben, wenn das eindiffundierte Störstellenmaterial den gleichen Leitungstyp wie der Kristall besitzt, so daß die Oberflächenzone eine bedeutend höhere Leitfähigkeit als der übrige Teil des Kristalls erhält. Das in dieser Oberflächenzone entstehende Driftfel'd stößt dann die vom Emitter injizierten Minoritätsträger von der Oberfläche des als Basiszone dienenden Halbleiterkristalls zurück und setzt auf diese Weise die Rate der Oberflächenrekombination herab. Bei einem solchen Transistor muß sowohl der Emitter als auch der Kollektor die Oberflächenzone durchdringen.
• Die Lehre .der Erfindung gibt im Gegensatz zu dem Bekannten die Anweisung, einen Aktivator, der den gleichen Leitungstyp, wie ihn die einzulegierende Elektrode hervorruft, erzeugt, nämlich Gallium, zur Erzeugung der Oberflächenzone zu verwenden. Aus diesem Grunde und auf Grund der am Schluß des Herstellungsverfahrens anzuwendenden Ätzbehandlung wird zwangläufig beim Erfindungsgegenstand eine Oberflächenzone entstehen, deren Leitfähigkeit wesentlich geringer als die des Kristallinnern ist, so daß Ströme an, der Oberfläche des Halbleiterkristalls eine starke Einschränkung erfahren. Die Lehre der Erfindung bewirkt somit zwar ebenfalls das Entstehen eines Driftfeldes in der Oberflächenzone. Jedoch hat die Oberflächenzone einen solchen Leitungstyp, daß sie weder im Sinne des bekannten Drifttransistors noch im Sinne der anderen bekannten. Anordnung ausgenutzt werden kann.
• Die Dotierungsstärke des Halbleiterkristalls wird auch beim Bekannten entsprechend den Gesichtspunkten der Verwendung als Basiszone eingestellt. Demzufolge hat die Oberflächenzone dort eine stärkere Leitfähigkeit als die Basiszone, während beim Gegenstand der Erfindung gerade das Umgekehrte der Fall ist. Da aber andererseits die Sperrwirkung eines pn-Übergangs um so geringer ist, je größer die Leitfähigkeit der im pn-Übergang aneinandergrenzenden Halbleitermaterialien ist, bedeutet dies, daß beim Bekannten im Gegensatz zu einer gemäß der Erfindung hergestellten Anordnung die Oberflächenzone in stärkerem Maße Sperrströme verursacht, als dies der hochohmigen Zone im vorliegenden Fall möglich ist. Demzufolge wird das Verhalten der bekannten Anordnung bezüglich des Sperrstromes wesentlich ungünstiger sein. als das der durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellten Anordnung. Die durch den Erfindungsgegenstand erzielte Verbesserung wird somit beim Bekannten nicht erreicht.
• Bei der Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung wird in. zweckmäßiger Weise folgendermaßen vorgegangen: n-dotierte Siiiziumscheibchen werden 45 Minutenentsprechend dem bekannten Diffusionsverfahren bei etwa 1100° C der Einwirkung von Galliumdampf ausgesetzt. Zu diesem Zweck wird der n-leitende Siliziumkristall zusammen mit elementarem Gallium in einem Vakuumgefäß, z. B. aus Quarz, derart angeordnet, daß der Galliumdampf zur Halbleiteroberfläche gelangt. Es empfiehlt sich dabei, die Stelle des Vakuumgefäßes, an der sich das Gallium befindet, auf etwas niedrigere Temperatur (vorzugsweise etwa 800° C) als die Siliziumkristalle (etwa 1100° C) zu halten. Das Vakuumgefäß wird dabei vor dem Erzeugen des Galliumdampfes etwa auf 10-5 Torr oder darunter evakuiert.
• Die nach bekannten Verfahren legierten Halbleiteranordnungen werden abschließend einer kurzen Ätzbeliandlung, z. B. mit Flußsäure und Salpetersäure, unterworfen.
• Fig.1 zeigt das Schema eines gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren hergestellten Transistors. Der Siliziuxnkristall 1 ist durch die vorgeschlagene Oberflächenbehandlung mit einer etwa 5 #t starken Schicht mit einer Galliumkonzentration von etwa 10-1? Germaniumatomen pro Kubikzentimeter versehen. Auf den Kristall 1 wird dann in üblicher Weise Aluminium als Kollektor 3 und Emitter 4 aufgedampft sowie ein Gold-Antimon-Ring 5 als Basisanschluß um den Emitter gelegt, die in bekannter Weise, z. B. nach dem bekannten Pulververfahren, so tief einlegiert werden, daß sie die galliumhaltige Oberflächenschicht durchdringen und den unmittelbaren Kontakt zu dem darunter befindlichen n-leitenden Kern des Siliziumkristalls gelangen. Die unterbrochenen Linien sollen andeuten, daß durch den Legierungsvorgang die dort vorher vorhandenen Flächen verschwunden sind.
• Fig. 2 stellt eine zur Herstellung der Galliumvordotierung verwendete Anordnung dar. Das aus Quarz bestehende Vakuumgefäß enthält den n -leitenden Siliziumkristall 2 und außerdem flüssiges oder festes Gallium 3. Das Gefäß wird an der Stelle des Siliziumkristalls höher, nämlich auf etwa 1100° C, erhitzt, während an der Stelle des Galliums nur eine Temperatur von etwa 800° C herrschen soll.

Claims (2)

1. PATENTANSPRÜCHE: 1. Verfahren zum Herstellen einer Halbleiteranordnung mit einem n-leitenden Siliziumkristall, insbesondere eines Flächentransistors vom pnp-Typ, mit mindestens zwei einlegierten Elektroden, von denen mindestens eine gleichrichtend ist und die gleichrichtenden Elektroden nur Aluminium als Aktivatormaterial enthalten, dadurch gekennzeichnet, daß der Siliziumkristall zunächst mit Galliumdampf behandelt und hierbei dieTemperatur des Siliziumkristalls auf einem unterhalb des Schmelzpunktes von Silizium, jedoch oberhalb der Temperatur des zu verdampfenden Galliums liegenden Wert gehalten wird und daß anschließend die Elektroden in die mit Galliumdampf vorbehandelte Oberfläche des Siliziumkristalls so tief einlegiert werden, daß die dünne, durch die Behandlung mit dem Galliumdampf beeinflußte Oberfläche des Siliziumkristalls von den einlegierten Elektroden. durchdrungen wird, und daß schließlich nach dem Aufbringen der Elektroden die Oberfläche des Siliziumkristalls kurz, z. B. mit Flußsäure und Salpetersäure, geätzt wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, da.ß der in ein. auf 10-5 Torr oder darunter evakuiertes Behandlungsgefäß eingebrachte Siliziumkristall auf 1100° C und die zur Erzeugung des Galliumdampfes im gleichen Behandlungsgefäß angeordnete Galliummenge auf etwa 800° C erhitzt wird. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Auslegeschriften Nr.1071844, 1073111; schweizerische Patentschrift Nr. 335 766; »Nachrichtentechnische Fachberichte«, Bd.1,1955, Nachdruck 1957, S. 31/32; »Handbook of Semiconductor Electronics«, 1956, Kap. 7, S. 14/15.