DE1564170A1

DE1564170A1 - Halbleiterbauelement hoher Schaltgeschwindigkeit und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE1564170A1
Application number: DE19661564170
Authority: DE
Inventors: Orest Bilous; Sclby Michael Cranston; Pecoraro Raymond Philip; Meulemans Darrell Robert
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1965-08-18
Filing date: 1966-08-16
Publication date: 1970-10-15
Also published as: DE1564170C3; GB1150934A; NL6610901A; NL150948B; JPS534396B1; US3473093A; CH449782A; DE1564170B2; FR1489272A

Description

PATENTANWALT DIPL-ING. H. E. BÖHMER

703 BDBLINGEN SINDELFINGER STHASSE 49 FERNSPRECHER (07031) 6613040

An das

Deutsche Patentamt

München 2
Zweibrückenstr. 12

Anmelder:

Amtl. Aktenzeichen: Aktenz. der Anmelderin: Titel:

Böblingen, den 12. August 1966 si-sto

International Business Machines Corporation, Arnionk, N. Y. 10 504
Neuanmeldung

Docket 14 155

Halbleiterbauelement hoher Schaltgeschwindigkeit und Verfahren zu dessen Herstellung - __^

Die vorliegende Erfindung betri fft Halbleiterbauelemente hoher Schaltgeschwindigkeiten bzw. ein Verfahren zur Herstellung derartiger Bauelemente.

Ein Hauptproblem, mit dem der Konstrukteur aktiver Schaltelemente, die für die Verwendung innerhalb von Rechenanlagen geeignet sein sollen, konfrontiert wird, besteht in der Erfüllung der Bedingung hinreichend kurzer Schaltzeiten, wobei aber nicht gleichzeitig andere Parameter beeinträchtigt werden dürren. Wird z. B. die Kapazität eines Schaltelementes,, z. B. einer Diode, durch Ausbildung eines geeigneten Übergangsprofiles sowie einer kleinen Übergangsfläche hinreichend klein gemacht, so gelangt man an eine untere Grenze des Übergangs Verhaltens, die durch die sogenannte Ausschaltzeit gegeben ist. Dies ist diejenige Zeit, die erforderlich ist, um diejenigen Minoritätsträger, die zusätzlich zu den im statio-

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nären Zustand, (d. h. im eingeschlungenen Betriebszustand) vorhandenen vorliegen.zu beseitigen. Die Verkleinerung der Übergangsfläche und die Benutzung eines hinreichend abgestuften Überganges jedoch steht im direkten Gegensatz mit dem Erfordernis, daß die Schaltelemente eine geringe Erholungs spannung in Durchlaßrichtung (forward recovery voltage) und eine möglichst ideale Gleichstrom -Spannungscharakteristik besitzen sollten. Diese Eigenschaften bedingen jedoch eine gr.ße Übergangsfläche und einen abrupten Übergang. Es sind daher eine Reihe von konstruktiven Maßnahmen erforderlich, um ein trotz der genannten gegensätzlichen Forderungen geeignetes S chaltelement zu realisieren.

Ein Schaltelement kann angesehen werden als eine Parallelschaltung einer Kapazität C , welche aus der VerarmungsSchichtkapazität besteht, die dem Raumladungs gebiet eines PN-Überganges eigen istjmit dem Widerstand R-. Dieser entspricht dem Innenwiderstand der in Sperrichtung gepolten Diode, ein weiterer Widerstand R liegt in Serie mit der genannten Parallelschaltung und hängt von dem spezifischen Widerstand des Halb¹ utermaterials sowie von der Geometrie der Diode bzw. der Kontakte ab. Für verhältnismäßig geringe Kapazitäten in der Größenordnung von O, 5 pf muß die Übergangsfläche extrem klein und die Kontaktaussparungen sogar noch kleiner sein. Die Diffusionsprofile sollten flach verlaufen, so daß die peripheren Kapazitätseffekte minimal gehalten werden können. Es kann gezeigt werden, daß für eine Diodenkapazität pro Flächeneinheit von 0, 0(ί pf/Quadrat die

-2 Diffusionsfläche von der Größenordnung von 2, 5 10 mm ist und die

-2 Kontaktaussparung von der Größenordnung von 1, 2 . 10 mm. Darüberhinaus ist es nicht günstig, zum Zwecke der Herabsetzung der Kapazität den spezifischen Widerstand höher zu wählen, da schwach dotierte Oberflächen vom P-Leitfähigkeitstyp besonders stark Inversionsphänomenen ausgesetzt sind. Bauelemente des beschriebenen Typs weisen Kapazitäten der Größenordnung von 0, 94 pf auf, wohingegen für Schaltanwendungen hoher Geschwindigkeit Bauelemente mit Kapazitäten von 0, G pF erforderlich sind.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Bau-

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element aufzuzeigen, das aufgrund seiner Struktur eine geringe Eigenkapazität, niedrige Wieder erholungs spannung in Durchlaßrichtung sowie eine günstige Wieder erholungs charakteristik in Sperrichtung aufweist. Außerdem soH der Betriebsstrom des Bauelementes mehr in linearer Weise von dem Dur chmesser der Übergangsfläche als von dessen Quadrat abhängen.

D.ie genannten Forderungen werden erfüllt und weitere, unten näher erläuterte Eigenschaften durch die erfindungs gemäße Struktur des Bauelementes erreicht.

Diese'sist dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb einer ersten, gut leitenden, die Gesamtstruktur des Bauelementes an der Unter- sowie an den Seitenflächen umgebenden Zone (50) eines ersten Leitfähigkeitstypes eine zweite gut leitende, den entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp aufweisende, mit einer dritten ringförmigen Zone (58) aus eigenleitendem Halbleitermaterial seitlich umgebene Zone (54) so eingebettet ist, daß ein in vertikaler Richtung verlaufender P N -Übergang zwischen den gut leitenden Zonen lediglich an der Bodenfläche der zweiten Zone (54) zustande kommt und daß in horizontaler bzw. in radialer Richtung ein P IN -Übergang entsteht.

Die Erfindung wird nunmehr unter Zugrundelegung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung beschrieben. In dieser bedeuten: .-■■-■'

Fig. 1 eine Folge von an sich bekannten Verfahrensschritten zur

Herstellung eines Halbleiterbauelementes nach der vorlie-• genden Erfindung;

Fig. 2 ein Seitenriß eines Halbleiterbauelementes der vorliegenden

Erfindung;

Fig. 2a ein Halbleiterbauelement entsprechend der Fig. 2, welches zusätzlich mit Kont-ald.en versehen ist;

- BAD

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Fig. 3 ein Stromspannungsdiagramm des Halbleiterbauelementes

nach der Erfindung, wobei der Strom in Durchlaßrichtung gemessen ist;

Fig. 4 ein Diagramm zur Darstellung der Wiedererholungszeit

in Abhängigkeit von der Dicke der eigenleitenden S)4chicht und der Golddotierungsdichte.

Der erste in Fig. 1 dargestellte Verfahrens schritt zur Herstellung des Halbleiterbauelements nach der vorliegenden Erfindung stellt die Herstellung eines Einkristalles in Form eines Siliziumplättchens vom P Leitfähigkeitstyp dar. Im allgemeinen wird dieses Plättchen durch transversales Zerschneiden eines in irgendeiner bekannten Weise gezüchteten Siliziumstabes gewonnen. Die Dotierungsdichte des Plättchens liegt in

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der Größenordnung von 10 Atomen/cm , wobei die Dotierungs substanz aus Bor, Aluminium oder Gallium besteht. Die Dotierungssubstanz wird vor dem eigentlichen Kristallziehungsprozeß in das Silizium eingebracht, während dieses sich im geschmolzenen Zustand befindet. Das größte Plättchen, welches von einem solchen Kristall nach dessen Züchtung erhältlich ist, besitzt einen Durchmesser von etwa 2, 5 cm, sowie einen spezifischen Widerstand von etwa 0 . 15 Ohm . cm. Vor der Weiterverarbeitung wird das Plättchen einer bekannten Läpp- und chemischen Reinigungsprozedur unterzOgen, so daß es schließlich zwei im wesentlichen parallele Oberflächen bei einer Dicke in der Größenordnung von

-2

2, 5 . 10 cm besitzt. Axis einem solchen Plättchen wird eine verhältnismäßig große Anzahl von einzelnen Halbleiterbauelement en ähnlich der in Fig. 2 gezeigten Konfiguration hergestellt wie im folgenden eingehender erklärt wird.

In einem zweiten Verfahrensschritt. 22 wird eine epitaktisehe Schicht mit einer spezifischen Leitfähigkeit der Größenordnung von 2 Ohm . ein auf

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"⁵" 1 5 6 417 ü

dem P -leitenden Siliziumsubstrat gezüchtet. Das Siliziumplättchen wird auf einen Tisch aus Kohlenstoff in eine Nieder Schlagskammer eingegeben, welche mit Stickstoff in einer bestimmten Durchflußrate beschickt wird. Durchfließender Wasserstoff reinigt die Kammer von allem Stickstoff. Die Kammer wird auf 1140 C erhitzt und es wird Siliziumtetrachlorid durch Wassejsstoff geschickt und in die Kammer geleitet. Die Dotierungssubstanz, typischer'W.-eise Phosphor chlorid (N-leitend) oder eine andere geeignete Substanz in gasförmigem Zustand wird ebenfalls in die Reaktionskammer eingegeben. In dieser findet eine chemische Reaktion statt/ bei der elementares Silizium", welches mit einer N-Verunreinigung dotiert ist, auf das Plättchen auf-

-2

gewachsen wird, bis eine Dicke von 6 . 10 mm erreicht ist.

Der nächste Ve.rfahrenssch.ritt erstreckt sich auf die Anbringung einer dünnen Oxydschicht auf die Oberfläche des Plättchens und anschließendes Einätzen von Durchbrüchen·in diese Schicht. Diese Oxydation kann bewirkt werden durch thermisches Aufzüchten, durch Aufdampfen oder durch anodische Oxydation.. Beim thermischen Aufwachsen z. B. wird das Plättchen auf einen geeigneten Träger aufgebracht, in einen Quarzofen eingegeben und in diesem einem trockenen Sauerstoffstrom ausgesetzt. Nach dem Durchgang des Sauerstoffs wird der eigentliche Bedampfungsvorgang durchgeführt. Der Ofen wird bei einer Temperatur von 970 C betrieben, wobei der Dampf- und Sauerstoff-Zyklus etwa 90 Minuten dauert. Hierbei ergeben sich dünne Oxydschichten in der

0
Größenordnung von 5500 AEl.

Das oxydierte flalbleiterpiättchen ist nun fertig zum Einbringen einer Bordiffus ion, was in dem Verfahrensschritt 26 geschieht. Nunmehr wird eine Borquelle in Form von mit Bor dotiertem Silizium mit einem spezifischem Widerstand in der Größenordnung von 0,0025 Ohm . tun mit dem flalbleiterplättchen zusammen in ein Reaktionsrohr eingebracht. Dieses wird evakuiert, verschlossen und in einen Diffusionsofen gebracht.

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Das Gefäß wird in der Mitte der Heizrohre des Ofens für eine Zeit von 50 Minuten belassen. Danach wird das Reaktionsgefäß entfernt. und unverzüglich unter fließendem Wasser abgekühlt. Nach dem Öffnen werden die Plättchen aus dem Gefäß entfernt und bezüglich ihres spezifischen Widerstandes bzw. ihres Übergangsprofiles geprüft. Die Bordiffiision geht innerhalb der N-leitenden Zonen unterhalb der Durchbrüche der Oxydschichtbedeckung vonstatten, wobei eine Umwandlung zur P -Leitfähigkeit stattfindet. Die Diffusionszeit wird so gewählt, daß sich die P+-Zone bis in den ursprünglichen P -Kristall erstrecken kann. Diese Zeit liegt in der Größenordnung von 4, 5 Stunden bei einer Ofent/'emperatur von etwa 1175 C. Das Halbleiterplättchen wird wiederum in einem der bereits oben unter 24 beschriebenen Verfahrensschritte oxydiert.

Im Verfahrenes ehritt 28 wird die Ätzung geeigneter Durchbrüche innerhalb der.reoxydierten Deckschicht durchgeführt. Diese Durchbrüche

-2 sind Diffusionsöffnungen von 1, 5 oder 2, 0 . 10 mm und werden mittels eines Standardphotoresistverfahrens entsprechend dem in Verfahrens -

-2

schritt 24 angewandten bewirkt. Der Durchbruch von 1, 5 . 10*" mm wird nur dann offengelegt, wenn die Absicht besteht, einen Kontaktdurch-

-2 -2

bruch von 3, 8 . 10 mm zu benutzen. Ein 2,0 . 10 mm Durchbruch

-5 wird nur dann angesetzt, wenn ein 1, 6 . 10 mm Kontaktdurchbruch für eine Glasabdeckung vorgesehen ist, die im folgenden noch genauer beschrieben wird.

Anschließend wird der Verfahrenssehritt 30 durchgeführt, bei dem Diffusionsmaterial vom N-Leitfähigkeitstyp, typischer'weise Phosphor, in die Öffnungen innerhalb der Oxydbedockung eindiffundiert wird. Eine Menge Phosphorpentoxyd (P_0 ) wird in ein Quellenschiffchen eingegeben und in einen Ofen mit drei Heizzonen eingebracht. Nach 30 Minuten wird die Quelle in die kalte Zone des Ofens hineinvorlogt, welche etwa eine Temperatur von 150 C besitzt. Die Plättchen werden in ein Diffusions-

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schiffchen eingegeben und in die Vorheiz ζ one des Ofens mit einer Temperatur von 850 C geschoben. Nach Vollendung des Vorheiz zyklus wird die Phosphorpentoxydquelle wiederum in die Ofenzone von 300 C geschoben und nach weiteren 10 Minuten wird das Diffusionsschiffchen in die Ofenzone von 1000 C eingebracht. Es findet eine Phosphordiffusion von etwa θ Minuten Dauer statt, während die Phosphorpentoxydquelle 5 Minuten lang auf einer Temperatur von etwa 300 G gehalten wird. Nach einem, weiteren Zeitablauf von 5 Minuten wird die Quelle in die kalte Ofenzone zurückgezogen. Die Phosphordiffusion bewirkt eine Übergangstiefe in der Größenordnung

■ ■ ■ ■" -2 -

von 2, 5 -. 10 min,, nach Beendigung der Diffusion werden die Plättchen aus dem Ofen entfernt, abgekühlt und vor einer weiteren Verwendung geprüft. Eine Vordiffusion mit Gold wird im Verfahrensschritt 32 durchgeführt, wobei die Rückseite des Plättchens zurechtgeläppt und einer Sandstrahlbehandlung unterworfen wird. Das HaIbleiterplättchen wird mit einem geeigneten Sand besprüht bis ein gleichförmiges Aussehen beobachtet wird. Etwaige glänzende F lächenstellen werden weiter mit dem Sandstrahl behandelt. Die Plättchen werden dann unter destilliertem Wasser gereingit und auf einer heißen Platte getrocknet. Dann wird ein Arbeitsgang zur Reinigung durchgeführt, in dem beide Seiten des Plättchens mit einem Spiegel-Poliertuch und Alkohol bearbeitet werden. Zur Entfernung irgendwelcher sichtbaren Reste von Wachs wird Trichloräthylen oder Alkohol für mindestens 1 Minute auf die Oberfläche des Plättchen« bei Raumtemperatur gebracht. Die Plättchen werden vor der weiteren Verarbeitung getrocknet.

Ein weiterer Verfahrens schritt 34 dient der Aufdampfung und Eindiffusion von Gold, wobei zunächst eine Goldschicht auf die Rückseite eines jeden Plättchens aufgebracht wird. Das Gold wird, während eines sich anschließenden Hei7.'/.yklus,jn das Plättchen eindiffundiert. Die Verdampfung wird mit Hilfe ο ines konventionellen Verdampfers durchgeführt. Die PIhLL-.

009842/0213 «■>««**.

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chen werden in ein glockenförmiges Gefäß eingegeben, welches auf einen Vakuumdruck der Größenordnung von 2, 5.106 Torr gebracht wird. Die Verdampfung findet bei 600 C iiber eine Zeitdauer statt, die ausreicht, eine Goldschicht von 100 AE auf das Plättchen aufzudampfen. Die Hättchen werden dann aus dem Gefäß entfernt und für die Golddiffusion vorbereitet, welche in einem Ofen stattfindet. Dieser Ofen wird bei Temperaturen der Größenordnung von 1250 C über eine

15 Zeit von 20 Minuten betrieben, wobei die Goldkonzentration etwa 10

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bis 10 Atome/cm beträgt. Das Einbringen von Gold erfolgt aus drei Gründen. Zunächst stellen die eingebrachten Goldatome eine große Anzahl von Einfang Zentren innerhalb des Siliziums dar, welche als Rekombinationszentren wirken und daher die Speicherzeit herabsetzen. Zweitens wird die niedrig dotierte N-Zone durch die Goldatome kompensiert und in eine eigenleitende Zone umgewandelt. Drittens ermöglichen die bei der Golddiffusion benutzten Zeiten und Temperaturen den N sowie P -Zonen, einander zu nähern und einen Übergang zu bilden.

Nach der Golddiffusion wird innerhalb des Verfahrensschrittes 36 eine Glasüberzugsoperation durchgeführt. In der einen Ausführungsform wird eine Mischung aus Glas, bestehend aus 10 Gramm eines Bleiborsilikatglases mit 30 ml Isopropylalkohol mittels Ultraschall 10 Minuten lang gemischt. Nach einem weiteren Weichen von 24 Stunden wird Äthylazetat hinzugefügt und die Mischung 10 Minuten lang wiederum mit Ultraschall behandelt. Die Mischung wird zentrifugiert und die Konzentration auf

O₃ 00205 Gramm pro 10 cm in einer Azetatlösung herabgesetzt. Das Konzentrat wird in einen Behälter gegeben und die llalbleiterplättchen hinzugefügt. Der Behälter wird bei 3000 Umdrehungen pro Minute 3 Minuten lang zentrifugiert, wobei sich auf den llalbleiterplättchen eine gleichförmige Glassuspension-niederschlägt. Die Mischung wird dekantiert und die Ilalbleiterplättchen getrocknet. Die getrockneten llalbleiterplättchen werden in einetn Kohfofon bei 1250 C zwei Minuten lang gebrannt. Die glasüberzogenen PlälLehen werden dann axis dom Ofen herausgenommen und abge-

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kühlt.. Anschließend werden die Plättchen mit der gleichen Glassuspension überzogen, um schließlich eine Glas dicke von etwa 3, 0 mm zu erreichen. Weiterhin wird in einem Verfahrenssehritt 38 eine Ätzoperation durchgeführt, wobei die Kontaktdurchbrüche durch die Glasabdeckung önd durch die Siliziumoxydschicht hindurch bis zu den Siliziumelektroden hin durchgeführt werden. In einem ersten Schritt werden Schichtdicken von etwa 500 bis 1000 AE aufgebracht, wobei sich das Halbleiterplättchen auf Raumtemperatur befindet. Ein Photoresistmaterial wird zunächst auf den Chromniederschlag aufgebracht. Der Resist muß unempfindlich gegenüber Fluorwasserstoffsäure sein. Er wird mittels bereits in dem Verfahrensschritt 28 erwähnten Verfahren auf die Chromschicht aufgebracht. Nach bekannten photografischen Verfahren wir d ein Muster auf diesen Resist aufgebracht. Dann wird das Plättchen gereinigt, um das Metall freizulegen. Die freigelegte Chromoberfläche wird mit einer Lösung aus etwa 20 Gramm Kaliumferrizyanid K„ ( Fe (CN) ), (rotes Blutlaugensalz), Eisenhydroxyd und Wasser für 2, 5 bis 5 Minuten je nach Dicke der Chronaschicht geätzt. Die exponierten Glasteile werden in einer Lösung aus Fluorwasserstoffsäure geätzt. Die Ätzung wird etwa 60 Sekunden durchgeführt und anschließend das Plättchen gewaschen. Eine gepufferte Fluorwasserstofflösung wird als nächstes dazu benutzt, das auf dem Plättchen befindliche Siliziumdioxyd zu lösen und so die Siliziumelektroden freizulegen. Das Plättchen wird über (i Minuten in der gepufferten F¹ luorwasserstoffsäure gehalten. I¹Is schließt sich ein Waschvorgang an, wonach das Plättchen fertig zur Aufbringung der Kontaktrrietalltsierung ist.

Im anschließenden Verfahrens schritt 40 werden die Motalikontakte an dem Halbleiterbauelement, angebracht.. Anschließend an den Ätzverfahruns· ,schritt wird Gold r>dt;r Palladium boi etwa 200 C bis zu einer Dicke von ίίΟΟΟ A K aufgedampft. Vor der Weiterverarbeitung wird der metallische At¹/.-Resist durch eine heiße Trichloräthylenlösung entfernt. Gold oder

: .009842/0213 ^BA° °^RiGINAL

Palladium schält hierbei ab, wobei der Photoresist lediglich in den -■;

freigelegten Siliziumaussparungen zurückbleibt. Das Chrom wird, zusammen mit Gold oder Platin, auf die Oberfläche der Plättchen gelegt. Dann wird etwa bei 400 C 5 Minuten lang legiert. Eine Serie von Metallen wird entsprechend bekannter Kontaktmetallurgien auf das Chrom aufgebracht. Chrom-, Kupfer- und Goldauf dampfungen werden hintereinander durch eine Maske auf das Plättchen vollzogen. Als Verdampfungsapparatur dient eine bekannte Konstruktion. In einem Ausführungsbeispiel werden 210 mg Chrom auf den Wolframdraht des Verdampfers aufgebracht. 850 mg Kupfer und 460 mg Gold werden davor wad dahinter in Schiffchen eingebracht. Das Verdampfungsgerät wird auf 5.10 Torr evakuiert und die Plättchen auf 180 C aufgeheizt. Das Kupfer wird durch Temperaturerhöhung bis zum Schmelz-" punkt entgast. 75% der Chrombeschickung wird zunächst verdampft. Die Kupfer Verdampfung wird so eingeschaltet, daß sie diejenige des Chroms überlappt. Schließlich wird die Goldauf da mpfung durchgeführt^ Der Chromniederschlag hat eine Dicke in der Größenordnung von 1500 AR und bewirkt .einen Glasmetallüherzug, weLcher die Kapselung des Überganges und des Halbleiterbauelements bewirkt. Sowohl die Kupfer- als auch die niedergeschlagene Goldschicht besitzen Dicken in der Größenordnung von 5000 Ae. Die Kupfer- und Goldschichten erlauben, durch Löten löt bare Metalle an die Chromschicht anzubringen.

Nunmehr werden die Plättchen aus dem Verdampfungsgerät entfernt, abgekühlt und in ο ine. Verdampfungsvorrichtung für Zinn- und I Ue Meg ie runge η gebracht, die mit einer Blei-Zinncharge beschickt ist. Das Verdampfung«-

-4
gerät wird auf 1,25 . 10 Torr evakuiert. Die Verdampfungsoperation _t während tier das Metall mit einem niedrigen eutektisehen Punkt mit der Gold-Kupfer-Chrom-Sehieht legiert wird, dauert 8 bis 10 Minuten. Infolge der aufgebrachten MetnlLmasken ergibt sich an keinen anderen Stellen des [HäLtehens ein Nieder schlag. Die Plättchen werden aus dem Verdampfunggerät genommen, abgekühlt und die Metallmasken entfernt. Nach Prüfung

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werden die Plättchen in Borfluorsäure, Wasserstoffperoxyd und destilliertem Wasser gereinigt, um alle Spuren von Chrom, Kupfer, Gold, Blei und Zinn zu entfernen. Anschließend wird das Plättchen in kleinere Plättchen unterteilt/ von denen eins in Fig. 2 dargestellt

Die in Fig. 2 dargestellte endgültige Vorrichtung, wie sie entsprechend den in Fig. 1 dargestellten Verfahrensgängen entstanden ist, umfaßt das Plättchen 50, welches eine Deckschicht aus Siliziumdioxyd besitzt,

sowie eine N -Zone 54 von. I, 5 . 10 mm Dicke. Diese ist umgeben von einer eigenleitenden Zone 58 mit einer Gesamtdicke in der Größen-

—2 + 21

Ordnung von 4, 5 . 10 mm. Die N -Konzentration beträgt etwa 10

3
Atome/cm . Die Dotierungskonzentration innerhalb der eigenleitenden

12 13 + 9 3

Zone liegt bei 10 bis 10 , die P -Konzentration bei 10l Atomen/cm . Ein P N -Übergang 56 liegt innerhalb des Plättchens in einer Tiefe von

-v3 '

4, 5.10"* mm, gemessen von der Oberfläche des Plättchens. Ein Durchbruch 62 befindet sich in der Oxydischen Abdeckung. Die eigenleitende Zone 58 trennt die Bereiche der N -Zone 54 von der mit Bor diffundierten Zone 60. Die P N -Zone gibt Anlaß zu einem zweiten Übergang 58 innerhalb der Halbleitervorrichtung. Die Wechselwirkungen zwischen den Übergängen 56 und 58 stellen eine Halbleitervorrichtung mit hoher Schaltgeschwindigkeit und niedriger Verarmungsschicht-Kapazität sicher, ferner bewirken sie eine geringe Wiedererholung in Sperrichtung und ergeben eine ideale Stromspannungscharakteristik. Die Vorrichtung wird weiterhin mit einer dünnen Glasschicht 64 abgedeckt, wie aus der Fig. 2a zu ersehen ist, um die hydrophilen Eigenschaften der Schichtbedeckung 52 unschädlich zu machen. Ein Goldkontakt 5 3 bedeckt das freigelegte Gebiet 54 und 58. Eine dünne Chromschicht 66 bedeckt die Glässchicht 64 und den Kontakt 53. Die dünnen Gold- und Kupferschichten 70 und 68 dienen als Unterlage für die Blei-Zinn-Kontakte 72,

Die Ursachen für die; bessere Arbeitsweise: des beschriebenen Halbleiter-'

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bauelementes liegen zum Teil in den Strombedingungen begründet. Es kann gezeigt werden, daß zwei Ströme L und I (Fig. 2a) in , dem Halbleiterbauelement fließen, wobei der Strom I im wesentlichen einen horizontalen Verlauf in der Richtung der PIN-Zone und der Strom I im wesentlichen einen vertikalen Verlauf durch

P N -Übergang besitzt. Bei Vorspannung in Flußrichtung gilt für den vertikalen Strom I :

I = qD n. ...

ν η ι , expßv (1)

L P
η

wobei I den vertikalen Strom, q die elektrische Ladung, D die ν η

Diffusionskonstante für Elektronen, η. die Elektronendichte in der eigenleitenden Zone, L die Diffusionslänge für Elektronen, P die mittlere Dotierungsdichte über einen Abstand mehrerer Diffusionslängen von der Kante der Verarmungsschicht, ß den Bolzmannfaktor bei Raumtemperatur und V die Vorspannung in Flußrichtung bedeuten.

Der PIN- oder Horizontalstrom für W/ 2LV 1, wobei W die Breite und L die Diffusionslänge bedeuten, beträgt:

ρ V₁₊V₉ ,_,

*- } expß .12 (2)

wobei ix die Beweglichkeit der Elektronen, u die Beweglichkeit der Defektelektronen, L. die Diffusionslänge der Elektronen in der eigenleitenden Zone, V₁ die Gleichspannung an dem einen Ende und V die Gleichspannung am anderen Ende der eigenleitenden Zone bedeuten und die übrigen Parameter denjenigen in Verbindung mit dor Gleichung (1) entsprechen.
Durch Bildung dos Verhältnisses I /l kannjgezoigl worden, daß für

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ein Verhältnis bis 40 (jCnergie/ VoltjD proportional zu 10 fern /secj,

10 -^3

n. proportional zu 1, 5 . 10 Tem 1 > μ = 2 . μ = 3600

¹ 2 ^L 1-8 -3 ^P

Γ cm /Volt sec.Jund ρ proportional zu 10 Ccm~ J , der Strom durch den PIN-Übergang sehr viel größer ist als derjenige über den PN-Übergang. Infolge dieses Sachverhaltes kann der Strom über den NP-Übergang im wesentlichen vernachlässigt werden. Dies führt zu dem Schluß, daß der Arbeitsstrom des Halbleiterbauelementes direkt proportional dem Durchmesser des Überganges ist. Diese Tatsache wird ferner auch durch Fig. 3 erhärtet, in der der Strom in Durchlaßrichtung des Bauelementes in Abhängigkeit von den angelegten Spannungen dargestellt ist, wobei das Verhältnis der Abmessung der eigenleitenden Zone zur Gesamtbreite der Elektrodenbreite als Parameter auftritt. Die Fig. 3 zeigt, daß der Strom in Durchlaßrichtung des Bauelementes direkt proportional dem Durchmesser des Überganges ist und nicht etwa dessen zweiter Potenz. Die Kurven 70, 72 und 74 und 76 für verschiedene Durchmesser der eigenleitenden und der N -Zone sind aus dem genannten Diagramm zu ersehen. Die in die Sättigung abbiegende Krümmung im Gebiet bei einem Volt Spannung in Durchlaßrichtung ist zurückzuführen auf die Widerstandskomponente des Ilalbleitermaterials, d. h. um weiterhin einen geraden Verlauf der Kurve zu bekommen, müßte die Spannung, die an die Zuführungen der Vorrichtung angelegt wird, erhöht werden, damit der Spannungsabfall am Widerstand im Inneren der Diode kompensiert wird.

Die inverse Wiedererholungszeit der Vorrichtung, die proportional zur Kapazität der Verarmungsschicht ist, erscheint im Vergleich zu bisher gekannten Halbleiterbauelementen verbessert. Kk kann gezeigt werden, daß die inverse WJedererholungKzeit der vorliegenden Halbleiterbauelemente nach dor Erfindung gegeben ist durch folgenden Ausdruck:

orfyi/T = 1

■-2(i+yy m

-. ■; BAD ORIGINAL

QOS»42/0213

Hierbei bedeutet erf die Fehlerfunktion, d die Speicher zeit, T die Lebensdauer I
in Sperrichtung.

Lebensdauer I den Strom in Durchlaßrichtung und I_ den Strom

χ¹ ix

Die Wiedererholungszeit eines einfachen PN Überganges beträgt, wie man aus einem Artikel mit der Überschrift "Diode Storage Time Calculations¹' von M. Klein in IBM Technical Note TN 00481 vom 6. Dezember 1960 ersehen kann:

lft/T =

erflft/T = 1 (4)

Ein Vergleich der Gleichungen (3) und (4) zeigt, daß die Vorrichtung, welche eine PIN/Struktur besitzt, bezüglich der Wiedererholungsseit doppelt so schnell ist als dies bei der einfachen PN-Diode der Fall ist. Da der überwiegende Anteil des stationären Stromflusses durch die PIN-Übergänge erfolgt, ist die Kapazität infolge der Verarmungsschicht der vorliegenden Halbleitervorrichtung etwa halb so groß wie die eines herkömmlichen llalbleiterbauelementes. Es hat sich gezeigt, daß der PN-Übergang innerhalb des llalbleiterbauelementes weitgehend ohne Wirkung bleibt. Dessen Wirksamkeit kann^ als unerwünscht bezeichnet werden, da er, infolge der hohen Dotierungskonzentration auf beiden Seiten des Überganges den Ilauptteil zur Kapazität beisteuert und außerdem zur Erniedrigung der Durchbruchspannung beiträgt. Man wird daher versucht sein, zu schließen, daß der PN-Teil entfernt werden sollte, um ein besseres Betriebsverhalten des Halbleiterbauelementes zu erreichen . Die Vorteile des Vorhandenseins des PN-Überganges werden jedoch offenßar , wenn man nach der Wiederorholungsspannung in Durchlaßrichtung fragt. Entsprechend der l<Mg. 4 sind Halbleiterbauelemente zweier verschiedener Durchmesser (1)1 2, Γ> . 10 ^l nun, D2 3,0 . 10 ' mm), sowie mit drei verschiedenen Lebensdauern ( t 12 ns, 16 ns und 22 ns) aufgezeichnet. Die Fig. 4 zeigt, daß je schmäler die

BAD ORIGINAL 009842/0213

I-Zonendicke und je größer der Übergangsdurchmesser ist, desto geringer die Wiedererholungsspannung in Durchlaßrichtung ausfällt. Hieraus wird die Wirkung des PIN-Überganges klar. Da der PN-Übergang keine I-Zone besitzt, werden sämtliche Ausgleichströme in der ersten Zeit nach Anlegen eines Signals zum PN-Übergang fließen. Es geht daher aus der Fig. 4 klar hervor, daß die Ausgleichsströme zu Beginn des Schaltvorganges über den PN-Übergang fließen und nachher, wenn die Diode einen stationären Zustand erreicht, übernimmt der PIN-Übergang mehr und mehr Anteile des Stromes bis der gesamte Strom seinen Weg über den ff IN-Übergang nimmt. Der PN-Übergang erfordert daher eine geringe Wiedererholungsspannung in Flußrichtung, was außer or dantlich wichtig ist für eine schnelle Arbeitsweise des Schaltelementes. Es ist wichtig, daß das Verhältnis der Breite der eigenleitenden Zone W zu der Diffusionslänge (L) kleiner als 1 ist, um die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegenden Effekte zu realisieren. Es kann gezeigt werden, daß die Spannung über die eigenleitende Zone gegeben ist durch den Ausdruck:

■V-Tr/2 KT u*exp"W/L : ^l ' — ■ ^Γ . ^r.

wobei K die Bolzmannkonstante, T die Temperatur, q die Ladung, u die Beweglichkeiten der im Index bezeichneten Ladungsträger entsprechend den Bezeichnungen der Gleichung (2) und W die Weite der eigenleitenden Schicht sowie L die Diffusionslänge bedeuten.

Für ein Verhältnis W/L von 5 ergibt sich nach dem obigen Ausdruck V. = 1, Volt. Im Laboratorium durchgeführte MeH,suii/>en ergaben jedoch, daß der Sp.'innungKabfall jn der e iff en'J eilenden Zone un keine.r Stelle 1,5 Voll

.BAD.

0 0 9 Ö Λ 2 /021 3

beträgt, sondern ehernahe bei 0, 8 Volt liegt. Daraus ist zu schließen, daß das Verhältnis W/L kleiner als 1 ist. Es ist daher klar, daß der horizontal verlaufende Stromfluß zu der P -Zone fließt, die unmittelbar in der Nähe des Überganges 56 liegt. Dieser Stromfluß besitzt einen vernachlässigbaren Spannungsabfall. Daher ist das Verhältnis W/L in starkem Maße geeignet, den Weg des Stromverlaufes festzulegen. Für ein Verhältnis größer als 1 ist der eigenleitende Bereich genügend groß, die Arbeitsweise des Halbleiterbauelementes zu beeinflussen. Vür ein Verhältnis W/L kleiner als 1 ist der Spannungsabfall innerhalb des eigenleitenden Gebietes vernachlässigbar und trägt lediglich zu einer geringen Wiedererholungsspannung in Flußrichtung sowie ebenfalls in Sperrichtung bei. Die geringe Wiedererholungseigenschaft in Sperrichtung ist begleitet von einer geringen Verarmungsschidhtkapazität und einer linearen Abhängigkeit des Stromwertes in Flußrichtung, vom Diodendurchmesser von der Diodenfläche. Diese Eigenschaften machen dieses Halbleiterbauelement in idealer Weise zu einem aktiven Schaltelement für hohe Arbeitsgeschwindigkeit.

Obwohl die erfindungsgemäßen Maßnahmen in Verbindung mit dem Ausführungsbeispiel einer Diode beschrieben wurden, dürfte es doch evident sein, daß die Prinzipien der Erfindung ebenfalls auf Transistoren anwendbar sind, bei denen eine geringe Minoritätsladimgstr äger speicher zeit gefordert wird. Einen derartigen Transistor erhält man, wenn man anschließend an den zur Herstellung der beschriebenen Diode erforderlichen Verfahrensschritt (N -Diffusion) in einem zusätzlichen Verfahrensschritt eine P-D if fusion durchführt. Ein Transistor dioser Bauweise wird folgende Vorzüge aufweisen:

a) Bei hochdotierter Basiszone einen niedrigeren Baeiswiderstand;

b) eine niedrige Kollektorkapftgitlt (I-Zone);

c) eine minimale Baeiferveitung (vidtning);

d) · ine niedrige Ltb«n*d*uer für die Trfgtr (Golddiffusion).

BAD ORIGINAL

Fernerhin besteht die Möglichkeit, durch Variieren der Abmessungen der seitlichen Begrenzungen, der !-Zone die Stromverteilung entweder insgesamt oder in symmetrischer Weise zwischen den beiden Transistorprofilen (vertikal, PNP und horizontal, PIP) aufzuteilen.

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Claims

— 1c- Patentansprüche

1. Halbleiterbauelement hoher Schaltgeschwindigkeit, dadurch

gekennzeichnet, daß innerhalb einer ersten, gut leitenden, die Gesamtstruktur des Bauelementes an der Unter- sowie an den Seitenflächen umgebenden Zone (50) eines ersten Leitfähigkeitstypes eine zweite gut leitende, den entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp aufweisende, mit einer dritten ringförmigen Zone (58) aus eigenleitendem Halbleitermaterial seitlich umgebene Zone (54) so eingebettet ist, daß ein in vertikaler Richtung verlaufender* P N -Übergang zwischen den gut leitenden Zonen lediglich an der Boden!'Lache der zweiten Zone (54) zustande kommt und daß in horizontaler bzw. in radialer Richtung ein P [N -Übergang entsteht'.

Halbleiterbauelement nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite W der eigenleitenden ZvUie so gewählt wird, daß das Verhältnis W/L dieser Abmessung zur Diffusionslänge L in der Größenordnung von I liegt.

Verfahren zum Herstellen von Halbleiterbauelementen nach den Ansprüchen 1-2, dadurch gekennzeichnet, daß mittels einer Folge von an sich bekannten Verfahrenssehritteii auf ein als Substrat dienendes einkristallines Halbleiter Grundplättchen aus P -leitendem Silizium (50) zunächst eine N-leitende Schicht (58) mit einer spezifischen Leitfähigkeit von etwa 2, 0 Ohn .. cm epitakt isch aufgezüchtet wird, daß nach Abdecken des zentralen Bereiches des Bauelementes dieser Schicht bis in das Substrat hinein so stark dotiert werden, daß

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die genannten Randgebiete P -leitend werden und daß weiterhin nach Abdeckung dieser Randgebiete und Offenlegung des zentralen Gebietes durch Eindiffusion geeigneter Dotierungssubstanzen die zweite N -leitende Zone mit den Seitenflächen an die dritte eigenleitende und der unteren Stirnfläche an die erste, P -leitende Zone angrenzt.

Ott** 27 OfVI