DE1237693B

DE1237693B - Feldeffekttransistor und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE1237693B
Application number: DE1963M0055822
Authority: DE
Inventors: John Trevor Law
Original assignee: Motorola Inc
Current assignee: Motorola Solutions Inc
Priority date: 1962-02-19
Filing date: 1963-02-18
Publication date: 1967-03-30
Also published as: NL288745A; GB997996A; FR1347395A; BE627499A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Q.:

HOIl

Deutsche KL: 21&-ΊΪ/02

Nummer: 1237 693

Aktenzeichen: M 55822 VIII c/211

Anmeldetag: 18. Februar 1963

Auslegetag: 30. März 1967

Die Erfindung bezieht sich auf Feldeffekttransistoren und Verfahren zu ihrer Herstellung. Insbesondere betrifft sie Feldeffekttransistoren, bei denen im Inneren des Halbleiterkörpers ein »Kanal« aus einem epitaktisch aufgebrachten Material ausgebildet ist.

Die elektrische Wirkungsweise eines Feldeffekttransistors beruht auf der Veränderung der Leitfähigkeit eines kleinen Gebietes des Halbleitermaterials durch elektrische Querfelder. Dieses Gebiet wird als »Kanal« bezeichnet, an den sich über einen gleichrichtenden Übergang eine Steuerzone anschließt. Zwischen einer Elektrode an dem einen Ende des Kanals und einer Elektrode an seinem anderen Ende fließt ein Strom, der sich durch Veränderung der an die Steuerzone gelegten Vorspannung modulieren läßt. Ein solches Bauelement läßt sich als Transistor mit hoher Verstärkung, hohem Eingangs- und Ausgangswiderstand oder bei automatischer Vorspannung der Steuerzone als Strombegrenzer betreiben.

Trotz der theoretischen Erforschung von Feldeffekttransistoren treten bei ihrer Herstellung praktische Schwierigkeiten auf, die bisher eine Großproduktion ausschlossen. Ein besonderes Problem besteht darin, daß der Kanal sehr dünn — nur wenige Mikron — sein soll und einen relativ hohen Flächenwiderstand aufweisen soll. Es war bisher außerordentlich schwierig, solche dünnen Halbleitergebilde herzustellen und dabei gleichzeitig die Abmessungen und den Widerstand so zu beherrschen, wie es für eine Massenherstellung bei entsprechender Reproduzierbarkeit erforderlich ist.

Weiterhin bestanden Schwierigkeiten in der Konstanthaltung der elektrischen Parameter. Die Instabilität beruht zum großen Teil in Änderungen der Umgebungsbedingungen. Bei vielen bekannten Ausführungen lagen entweder das Kanalgebiet oder die sich daran anschließenden Übergänge oder beide frei in der Umgebung um das Halbleitergebilde. Da diese Gebiete sehr empfindlich auf Änderungen der Um-Weltsbedingungen sind, waren die elektrischen Parameter etwas unstabil, selbst wenn der Halbleiterkörper sonst abgeschlossen war.

Bei bekannten Feldeffekttransistoren wird die Kanalzone entweder im Diffusionsverfahren oder Legierungsverfahren ausgebildet. Die zur Erzielung einer hohen Durchbruchsspannung erforderliche geringe Stärke der Kanalzone läßt sich jedoch mit diesem Verfahren nur äußerst schwierig erreichen. Zwar kann man bei der Anwendung einer Diffusion auf beiden Seiten des Halbleiterblättchens zu einer hohen Durchbruchsspannung kommen, jedoch führt Feldeffekttransistor und Verfahren zu dessen
Herstellung

Anmelder:

Motorola, Inc., Franklin Park, JU. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. H. Görtz, Patentanwalt,

Frankfurt/M., Schneckenhofstr. 27

Als Erfinder benannt:

John Trevor Law, Scottsdale, Ariz. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:
V. St. ν. Amerika vom 19. Februar 1962
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dies zu einer sehr unerwünschten und empfindlichen Abhängigkeit der Gleichförmigkeit des Kanals von der Gleichförmigkeit und Dicke des Halbleiterblätl· chens selbst. Außerdem sind die Kanäle von durch Diffusionsverfahren hergestellten Halbleitern hinsichtlich des Dotiermaterials stets kompensiert, wohingegen ein unkompensierter Kanal zu höherer Trägerbeweglichkeit führt, die ihrerseits eine höhere Verstärkung und einen höheren Wirkungsgrad als bei einem kompensierten Kanal zur Folge hat. Auch wirken die parasitären Kapazitäten bei diffundierten Feldeffekttransistoren stark begrenzend auf den Frequenzgang. Es ist ferner außerordentlich schwierig, wenn nicht unmöglich, mit Diffusions- oder Legierungsverfahren ein gewünschtes Dotierungsprofil zu erreichen, über das der Kennlinienverlauf des fertigen Halbleiters beeinflußbar ist. Beispielsweise verläuft der Dotierungsgrad bei Anwendung von Diffusionsverfahren stets nach einer e-Funktion. Bei einer Wärmebehandlung zur Beeinflussung des Widerstandes der Kanalzone verschieben sich bei nach Diffusionsverfahren hergestellten Halbleitern die Leitfähigkeitsübergänge, so daß eine Vorausbestimmung der Eigenschaften des fertigen Halbleiters wesentlich erschwert wird.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung von Feldeffekthalbleitern zu schaffen, denen die vorstehend geschilderten Mängel nicht anhaften. Hierzu macht die Erfindung Gebrauch von dem bei der Herstellung einfacher

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Halbleiterbauelemente bereits bekannten Verfahren der Ablagerung epitaktischer Schichten aus der Gasphase. Obwohl dieses Verfahren ebenso wie das Prinzip des Feldeffekttransistors schon lange bekannt ist, hat es sich bisher zu deren Herstellung nicht einführen können. Durch die Erfindung soll ein Feldeffekttransistor geschaffen werden, bei dem sich auch in der Massenherstellung sowohl die Dicke als auch die seitlichen Abmessungen des Kanals einwandfrei und stets reproduzierbar ausbilden lassen. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Feldeffekttransistors mit einer mit Ohmschen Hauptelektroden verbundenen Kanalzone sowie mit einer an die Kanalzone angrenzenden Zone einer Steuerelektrode auf einem Halbleiterkristall vorbestimmten Leitungstyps besteht darin, daß auf dem Kristall eine die Kanalzone bildende Schicht entgegengesetzten Leitungstyps aus der Gasphase in an sich bekannter Weise epitaktisch abgeschieden wird, auf dieser Kanalschicht eine weitere Schicht vom Leitungstyp des Kristalls ausgebildet wird und durch gesonderte Bereiche dieser weiteren Schicht hindurch an bestimmten Bereichen'des Halbleiters ein Dotiermaterial eindiffundiert wird, das den Leitungstyp des gesonderten Bereichs umkehrt und zwischen den Diffusionsbereichen eine Zone einer Steuerelektrode entstehen läßt.

Dieses Verfahren führt infolge der Gleichförmigkeit und Beständigkeit der ausgebildeten Kanäle zu höheren Fertigungsausbeuten und damit zu niedrigeren Gestehungskosten. Ein entscheidender Vorteil gegenüber einem reinen Diffusionsverfahren besteht in der durch das Epitaxialverfahren möglichen unmittelbaren exakten Ausbildung der Kanaldicke, die bei reinen Diffusionsverfahren nur sekundär aus der Differenz der beidseitigen, verhältnismäßig großen Diffusionstiefen entsteht, wobei bereits geringe Schwankungen der absoluten Diffusionstiefen starke Differenzänderungen und damit Kanaldickenänderungen ergaben. Der epitaktisch aus der Gasphase aufgebaute Kanal ändert ferner bei einer Wärmebehandlung im Gegensatz zu einem diffundierten Kanal seinen Widerstand langsamer, so daß dieser wesentlich genauer einstellbar ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren gestattet im Gegensatz zu Diffusionsverfahren in gleicher Weise die exakte Ausbildung eines η-leitenden oder eines p-leitenden Kanals, der hinsichtlich des Dotiermaterials unkompensiert ist, so daß infolge der höheren Trägerbeweglichkeit die Verstärkung des fertigen Halbleiterbaulementes größer ist. Auch lassen sich infolge des epitaktischen Aufbaus aus der Gasphase die in der angelsächsischen Fachliteratur als »spikes« oder »pipes« bezeichneten Mängel vermeiden, die die manchmal erwünschte Ausbildung nicht miteinander verbundener Steuerzonen erschweren. Auch lassen sich die parasitären Kapazitäten gegenüber Diffusionsverfahren kleiner halten. Das Dotierungsprofil des Kanals ist in weiten Grenzen sowohl qualitativ als auch quantitativ veränderbar, wodurch sich der Kennlinienverlauf beeinflussen läßt. Auch läßt sich bei Vorsehen zweier gleichdotierter Steuerzonen und bei einer gleichförmigen Dotierung des Kanals ein Feldeffekttransistor mit bezüglich des Ansprechens auf beide Steuerzonen symmetrischen Eigenschaften herstellen.

Durch die bewußte Kombination des epitaktischen Aufbaus aus der Gasphase zur Bestimmung der Kanaldicke sowie durch Anwendung von Schablonendiffusionsverfahren zur seitlichen Begrenzung der Kanalgeometrie werden in optimaler Weise die jeweiligen Vorteile beider Verfahren ausgenutzt. Die völlige Einbettung des Kanals in das Halbleitermaterial gewährleistet eine hohe Stabilität der Parameter des fertigen Halbleitersystems gegenüber Umwelteinflüssen. Vorteilhafterweise läßt sich die die Kanalschicht überdeckende weitere Schicht ebenfalls epitaktisch aufbauen, obwohl diese Schicht auch durch eine oberflächliche Umdiffusion der epitaktischen Kanalschicht oder eine Oberflächenlegierung dieser Schicht ausgebildet werden kann. Die Tiefe einer solchen Diffusion oder Legierung ist nur sehr gering, so daß sich die endgültige Kanaldicke und sein Flächenwiderstand nicht nennenswert dabei verändert.

Vorzugsweise werden der Kristall und die beiden darauf aufgebauten Schichten mit gleicher Störstellendichte dotiert. Damit erreicht man, daß die Lage der Leitfähigkeitsübergänge der Steuerzonen im wesentlichen unabhängig von Zeit und Temperatur der Wärmebehandlung wird, so daß sich die Eigenschaften des fertigen Halbleitersystems bei der Herstellung gut vorausbestimmen und einhalten lassen.

Zur Ausbildung eines zu der Oberfläche der weiteren Schicht reichenden Ohmschen Anschlusses an den Kristall kann man durch zusätzliches Eindiffundierenlassen eines Dotiermaterials in bestimmte Bereiche der weiteren Schicht und der Kanalschicht in Richtung auf den Träger den Leitungstyp eines Teils der Kanalschicht in den Leitungstyp des Trägers umkehren. Man erhält dann einen Feldeffekttransistor, bei dem der Kristall als zweite Steuerzone wirkt.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere zur Ausbildung von Feldeffekttransistoren in integrierten Schaltungen.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform für einen nach der Erfindung hergestellten Transistor hat die Zone der Steuerelektrode eine den einen Diffusionsbereich umgebene geschlossene Form und ist selbst von dem anderen Diffusionsbereich umgeben. Die Diffusionsbereiche dienen zur Bildung der mit der Kanalzone verbundenen Ohmschen Hauptelektroden. Bei einer anderen Ausführungsform ist die von der Zone der Steuerelektrode überdeckte Kanalzone in einem Vorsprung des Halbleiterkörpers angeordnet und mit an den Seiten des Vorsprungs vorgesehenen Ohmschen Hauptelektroden verbunden. Die Vorteile dieser Ausführungsformen liegen in geringen Störkapazitäten und günstigem thermischem Verhalten.

Die Erfindung wird an Hand von Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen vergrößerten schematischen Querschnitt eines Halbleiterkörpers mit zwei übereinanderliegenden epitaktischen Schichten auf einem Trägerkristall,

Fig. 2 einen schematischen Querschnitt zur Veranschaulichung der den Kanal begrenzenden Diffusionsbereiche,

Fig. 3 die Hauptschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 4 einen schematischen Querschnitt ähnlich Fig. 2 zur Veranschaulichung der Betriebsverhältnisse,

Fig. 5 ein Kennlinienbeispiel eines nach der Er^ findung hergestellten Feldeffekttransistors,

Fig. 6 einen vergrößerten schematischen Querschnitt eines nach der Erfindung hergestellten Feld-

effekttransistors, bei dem alle Verbindungen an die Oberseite herausgeführt sind,

Fig. 7 eine Abwandlung des in Fig. 6 gezeigten Transistors,

Fig. 8 einen vergrößerten schematischen Querschnitt durch einen Halbleiterkörper als elektrisches Komplement der Gebilde nach F i g. 1 bis 7,

Fig. 9 einen vergrößerten schematischen Querschnitt durch eine weitere Transistor-Ausführungsform.

Unter epitaktischen Material versteht man ein monokristallines Material, dessen kristallgraphische Orientierung durch einen Trägerkristall bestimmt wird, auf dem es sich bildet. Mindestens eine kristallographische Ebene des Trägerkristalls hat die gleichen Gitterkonstanten wie die erwünschte epitaktische Schicht, die man auf einer dieser Ebene parallelen Oberfläche wachsen läßt. Das Material der epitaktischen Schicht kann chemisch dasselbe wie das des Trägers sein, obwohl dieses theoretisch nicht von Bedeutung ist.

Der Ausdruck »Flächenwiderstand« bedeutet den Widerstand eines quadratischen Bereiches Halbleitermaterial einer bestimmten Dicke, der zwischen zwei gedachten, senkrecht zur Ebene des quadratischen Bereichs stehenden Flächen erscheint. Die Flächenwiderstandswerte werden in Einheiten um pro Quadrat angegeben.

Der Kanalbereich und die Zone der Steuerelektrode des Feldeffekttransistors werden innerhalb einer epitaktischen Halbleiterschicht gebildet, die auf einem Halbleiterkristallträger aus der Gasphase gewachsen ist. Vorzugsweise läßt man zwei epitaktische Halbleiterschichten auf dem Trägerkristall wachsen, deren eine über der anderen liegt; die Anordnung eines solchen Halbleiterkörpers in diesem Herstellungsstadium ist in der F i g. 1 dargestellt.

Die erste auf dem Träger gewachsene epitaktische Schicht 12 ist vom entgegengesetzten Leitungstyp, die zweite epitaktische Schicht 13 vom gleichen Leistungstyp wie der Träger 11. Bei dem p-leitenden Träger 11 ist also die erste Schicht 12 η-leitend und die zweite Schicht 15 p-leitend. An den Grenzen der ersten Schicht 12 befinden sich Übergänge 14 und 15 mit Gleichrichterwirkung. Der endgültige Kanalbereich ist ein Teil der ersten epitaktischen Schicht 12, die eine typische Dicke im Bereich von etwa 0,3 bis 3 Mikron hat, da der Kanalbereich zur Erzielung der gewünschten elektrischen Größen sehr dünn sein muß. Die Dicke der zweiten Schicht 13 ist nicht kritisch; sie kann etwa zweimal so dick wie die Schicht 12 sein. Die Dicke des Trägerkristalls ist ebenfalls unkritisch und kann wesentlich dicker als die Schichten 12 und 13 sein.

Die seitlichen Begrenzungen des Kanalbereichs werden durch einen Diffusionsschritt bestimmt. Nach der F i g. 2 stellen die diffundierten Bereiche 16 und 17 Ohmsche Hauptelektroden für die Eingangs- und Ausgangskontakte an dem Kanalbereich 18 dar. In Fig. 2 sind die diffundierten Bereiche 16 und 17 η-leitend; da sie stärker dotiert sind als die ursprüngliche η-leitende Schicht 12, sind sie mit n+ bezeichnet. Der zwischen den diffundierten Bereichen 16 und 17 liegende Teil der Schicht 12 ist der Kanalbereich 18. Der Bereich 19 der Schicht 13, der zwischen den diffundierten Gebieten 16 und 17 liegt, bildet eine Steuerelektrode, und der Trägerkristall 11 eine weitere Steuerelektrode des Transistors. Die Lage der Übergänge 14 und 15, die die Dicke des Kanalgebietes 18 definieren, wird durch das epitaktische, Wachstum bestimmt, und die Lage der Übergänge 21 und 22, die die seitlichen Begrenzungen der oberen Steuerelektrodenzone 19 bilden, wird durch den Diffusionsvorgang bestimmt. Die Länge des Kanals kann etwa 100 Mikron oder weniger betragen.

Die Übergänge21 und 22 haben in der Fig. 2 durch senkrecht gestrichelte Linien angedeutete Abschnitte 21' und 22' ohne Gleichrichterwirkung, die die Enden des Kanalbereichs 18 bestimmen. Die Bt ■ grenzungen der Schicht 12 außerhalb des Kanals 18 sind ebenso durch gestrichelte Linien angedeutet, da dort nach dem Diffusionsschritt keine Übergänge mit Gleidhrichterwirkung vorliegen, wenn die diffundierten Bereiche durch die Schicht 12 durchdringen.

Zur Durchführung der Diffusion kann die größere Oberfläche der zweiten epitaktischen Schicht 13 dort, wo die Zone der Steuerelektrode 19 gebildet werden soll, mit einer diffusionshemmenden Schutzschicht 23 abgedeckt werden, während die Oberflächen der Schicht 13, auf denen sich die diffundierten Bereiche

16 und 17 bilden sollen, frei bleiben.

An den freien Flächen wird in einem Diffusionsofen Donatormaterial in den Halbleiterkörper hineindiffundiert, wie in Verbindung mit F i g. 3 beschrieben wird. Die entstehenden diffundierten Gebiete 16 und

17 erstrecken sich von der äußeren Oberfläche der Schicht 13 vollständig durch diese Schicht und mindestens bis in die erste epitaktische Schicht 12 hinein. Die Diffusionstiefe ist unkritisch. Die diffundierten Bereiche können durch die erste Schicht 12 bis in den Trägerkristall eindringen, wie es Fig. 2 zeigt, ohne daß die Abmessungen des Kanalbereichs 18 wesentlich beeinträchtigt werden. Das Halbleitersystem 10 nach F i g. 2 läßt sich reproduzierbar herstellen, ohne daß eine genaue Kontrolle der Diffusionstiefe erforderlich wäre, so daß eine Massenproduktion erleichtert wird.

Das Ausgangsmaterial ist ein monokristallines Plättchen aus p-leitendem Silizium, obwohl auch Germanium oder Galliumarsenid verwendbar ist. Das Dotiermaterial im Silizium kann beispielsweise Bor sein. Aus einem gewachsenen Kristall werden die Plättchen geschnitten, geläppt, poliert und anderweitig behandelt, so daß ihre Hauptoberflächen so glatt und frei von Beschädigungen wie möglich sind. Die Schnittrichtung wird so gewählt, daß die Oberflächen der Scheiben oder Plättchen parallel zu einer bestimmten kristallographischen Ebene des Plättchens liegen, etwa die durch die Miller Indices [111] bezeichnete. Ein Abschnitt 11 eines solchen Plättchens ist in F i g. 3 oben perspektivisch gezeigt.

Das Plättchen U ist der Trägerkristall, auf dem in den Verfahrensschritten A und B die Schichten 12 und 13 epitaktisch wachsen, die gleichzeitig beim Wachsen dotiert werden können, indem sich Silizium und ein Dotiermaterial aus Dämpfen, die diese Materialien enthalten, auf den Trägerkristall 11 absetzen, während der Träger auf einer Temperatur im Bereich zwischen 1000 und 1300⁰C, vorzugsweise bei 1150° C, gehalten wird. Bei einem geeigneten Verfahren für das epitaktische Wachsen von Siliziumschichten wird der Träger in einer Reaktionskammer aufgeheizt, und ein mit Dämpfen einer Silizium-Halogenid-Verbindung, wie Silizium-Tetrachlorid oder Trichlorsilan, gesättigter Wasserstoffgasstrom wird in der Reaktionskammer über die geheizten

Plättchen geleitet. Eine heterogene Reaktion tritt auf den Plättchenoberflächen ein, und ein Film oder eine Schicht Silizium wächst in monokristalliner Form auf der Oberfläche des Plättchens. Der Leitfähigkeitstyp und der Widerstandswert der epitaktischen Schicht läßt sich durch Zufügen bestimmter Mengen einer in Hitze zerfallenden Verbindung des Dotierelementes zu dem Gasstrom steuern, so daß sich das Dotiermaterial in elementarer Form zusammen mit dem Silizium auf den Träger absetzt. Beim Wachsen von η-leitenden Schichten lassen sich geeignete Dotiermaterialverbindungen wie die Hydride und Halogenide des Phosphors, Arsen und Antimon verwenden. Beim Wachsen von p-leitenden Schichten sind die Hydride und Halogendie des Bor geeignete Dotiermaterialverbindungen.

Die besten Ergebnisse beim Wachsen von n-leitenden Schichten wurden mit Phosphin, bei p-leitenden Schichten mit Diboran erzielt. Zum Wachsen einer η-leitenden Schicht 12 mit einem Widerstandswert ao von ungefährt 0,5 Ω · cm, kann in einem Reaktionsrohr von etwa 75 mm Innendurchmesser Wasserstoffgas, das etwa 0,01 Volumprozent Phosphin enthält, bei einem Gasstrom von etwa 100 ecm pro Minute in einen reinen Wasserstoffgasstrom, der mit 10 1 pro Minute fließt, eingeleitet werden, so daß sich ein verdünntes Phosphin-Wasserstoff-Gemisch ausbildet. Dann werden etwa 100 ecm pro Minute dieser Mischung in einen Hauptwasserstoffgasstrom eingeleitet, der mit Silizium-Tetrachlorid-Dämpfen gesättigt ist und der etwa 30 1 pro Minute der Reaktionskammer zuführt. Man kann die η-leitende Schicht 12 mit einer Dicke von 1,5 Mikron bei einer Trägertemperatur von 1180° C in 5 Minuten wachsen lassen, wenn man die angeführten Daten benutzt. Um dann eine p-leitende Schicht 13 auf der Schicht 12 wachsen zu lassen, werden 100 ecm Diboran, das in einer Konzentration von etwa 100 Teilen Diboran auf eine Million Teile Wasserstoff enthalten ist, pro Minute an Stelle des Phosphin eingeleitet. Man kann eine p-leitende Schicht 13 mit einem Widerstandswert von etwa 0,5 Ω ■ cm und einer Dicke von etwa 3 Mikron in ungefähr 10 Minuten bei einer Trägertemperatur von 1180⁰C wachsen lassen.

Um die jeweilige Lage der Übergänge 14 und 15 innerhalb des Gebildes 10 trotz eines gewissen Ineinanderdiffundierens des Dotiermaterials beizubehalten, gibt man zweckmäßig dem Trägerkristall 11 und den Schichten 12 und 13 die gleiche Dotiermaterialkonzentration. Da η-leitendes Material eine größere Trägerbeweglichkeit als p-leitendes zeigt, ist der Widerstandswert des leitendes Materials in der Schicht 12 etwa dreimal so groß wie der des n-leitenden Materials in dem Träger 11 und der Schicht 13, wenn der Dotiergrad in allen Bereichen der gleiche ist. Der Widerstandswert der Schicht 12 kann etwa im Bereich von 0,01 bis 10 Ω · cm liegen; ein bevorzugter Bereich liegt zwischen 0,2 und 2 Ω · cm. Je niedriger der Wiederstandswert der Schicht 12 ist, desto dünner muß diese sein, damit sich eine genügend kleine Knickspannung ergibt. Mit abnehmender Dicke der Schicht 12 wird es zunehmend schwieriger, die Dicke dieser Schicht genau zu kontrollieren. Wenn die Schicht 12 epitaktisch wächst, ist es jedoch möglich, ihre Dicke mit genügender Genauigkeit bis herab zu etwa 0,1 Mikron zu beherrschen. Wenn der Widerstand der Schicht 12 im Bereich zwischen 0,2 und 2 Ω · cm liegt, kann die Dicke dieser Schicht im Bereich von 0,8 bis 3 Mikron liegen. Hat die Schicht 12 einen Widerstandswert von 0,2 Ω · cm und eine Dicke von 0,8 Mikron, so beträgt der Flächenwiderstand der Schicht etwa 2500 Ohm pro Quadrat. Hat die Schicht 12 im anderen Extremfall einen Widerstandswert in der Nähe von 2 Ω · cm und eine Dicke von etwa 3 Mikron, so beträgt der Flächenwiderstand der Schicht ungefähr 6700 Ohm pro Quadrat. Mit diesen Bereichen ergibt sich bei dem Halbleiter eine Knickspannung von etwa 6 Volt.

Man kann vor dem Wachsen der Schichten 12 und 13 zusätzliche epitaktische Schichten auf dem Plättchen 11 wachsen lassen, insbesondere, wenn die zusätzliche Schicht oder die Schichten dieselben Leitungseigenschaften wie das Plättchen haben. Solche zusätzlichen Lagen können als Bestandteil des Trägerkristalls angesehen werden.

Nachdem die Schichten 12 und 13 gewachsen sind, wird ein Diffusionsschritt unter Verwendung von Masken zur Ausbildung der Ohmschen Hauptelektroden ausgeführt. Mehrere Halbleiterbauelemente können aus einem einzigen Plättchen in der durch die SchritteC und D von Fig. 3 gezeigten Weise erhalten werden. Die verschiedenen Bereiche des im Schritt D von F i g. 3 gezeigten Halbleiterkörpers 10 sind in geschlossener Form ausgebildet, und Fig. 4 stellt in vergrößerter Ansicht einen Querschnitt durch das Gebilde 10' dar. Die Steuerelektrodenzone 19' ist ringförmig und vom Zuleitungsbereich 16' umgeben. Der Ableitungsbereich 17' befindet sich innerhalb der oberen Steuerelektrodenzone, und der Kanalbereich 18 hat die gleiche geschlossene Ausbildung wie die obere Steuerelektrodenzone. Der Trägerkristall 11, der die andere Steuerelektrodenzone darstellt, ist der gleiche wie in Fig. 2.

Eine Abdeckschablone, vorzugsweise aus Siliziumdioxyd, wird als Teil des Schrittes C auf der Oberfläche der Schicht 13 gebildet. Die jeweiligen Masken 23' werden mit Hilfe der Fotoätztechnik gebildet. Im Schnitt nach Fig. 3 ist nur die Hälfte jeder Maske 23' zu sehen. Die Siliziumdioxydschicht kann durch Aufheizen des Plättchens bei einer Temperatur von etwa 1100° C während etwa einer Stunde und 15 Minuten in einer Dampfatmosphäre gebildet werden. Der sich ergebende Siliziumdioxydfilm ist etwa 7500A dick. Ein Überzug aus einem lichtempfindlichen Material wird dann gleichmäßig auf den Siliziumdioxydfilm aufgebracht und durch eine getrennte Maske, die durchscheinende Stellen der gleichen Gestalt wie die gewünschten Diffusionsmasken 23' hat, belichtet. Die unbelichteten Teile des lichtempfindlichen Überzugs werden dann durch Auflösung in einem handelsüblichen Entwickler entfernt, so daß ein Muster des Überzugs auf dem Plättchen verbleibt, dessen Gestalt dieselbe ist wie die der erwünschten Diffusionsmaske 23'. Das Plättchen wird dann in einer Lösung von einem Teil Flußsäure und vier Teilen Ammoniumfluorid eingetaucht, welche die nicht von dem Überzug geschützten Stellen des Siliziumdioxydfilms auflöst. Dann wird der verbliebene Teil des Überzugs von dem Plättchen entfernt, wobei nur die erwünschte Diffusionsmaske 23' auf der Oberfläche des Plättdhens verbleibt.

Beim Diffusionsvorgang (Schritt C in Fi g. 3) wird beispielsweise Phosphor aus Dämpfen von Phosphorpentoxyd in einem Diffusionsofen in das Plättchen diffundiert, während es etwa 1 Stunde auf eine Temperatur von 1100° C erhitzt wird. Die sich ausbilden-

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den diffundierten Bereiche 16' und 17' dringen durch dieser besonderen Plättchen auf eine Temperatur von die p-Ieitende Schicht 13 zu der η-leitenden Schicht etwa 1100° C diffundiert etwas η-leitendes Dotier-12, und sie können sich sogar durch die η-leitende material von der Schicht 12 in die angrenzenden BeSchicht 12 hindurcherstrecken, wie im Schritt C von reiche, und umgekehrt diffundiert etwas p-leitendes F i g. 3 und ebenso in F i g. 4 gezeigt ist. Die diffun- S Dotiermaterial von der Schicht 13 und dem Träger dierten Bereiche sind in Fig. 3 gepunktet, so daß 11 in die dazwischenliegende Schicht 12. Da der sie sich besser von den übrigen Bereichen unter- Dotiergrad anfänglich in allen diesen Schichten etwa scheiden lassen. Ohmsche Verbindungen zu den gleich ist, verändert das Ineinanderdiffundieren die diffundierten Bereichen 16' und 17' und ebenso zu Lage der Übergänge nicht, aber es läßt den Flächender Steuerelektrodenzone 19' werden hergestellt, in- io widerstand der Schicht 12 anwachsen, in der der dem ein Metall, wie z. B. Aluminium oder Gold, auf Kanalbereich gebildet ist. Durch diese Wärmebehanddie entsprechenden Bereiche aufgebracht wird, so lung der Plättchen ist es möglich geworden, ohne ein daß sich Kontaktflächen ergeben, die mit Zuführungs- Abweichen von der elektrischen Charakteristik der drähten verbunden werden. Die Form der Metall- Vorrichtung den Knickstrom einer Feldeffektvorrichkontakte kann fototechnisch bestimmt werden, wie 15 rung von einem Wert von 100 Milliampere bis zu einem es in Verbindung mit der Bildung der Diffusions- so niedrigen Wert von 1 Milliampere zu reduzieren, masken 23' beschrieben worden ist. Um den elektrischen Betrieb der nach dem erfin-Die Teile der Siliziumdioxydmasken 23', die die dungsgemäßen Verfahren hergestellten Halbleiterbau-Übergänge 21' und 22' (F i g. 4) bedecken, können elemente zu veranschaulichen, sind die trägerarmen gegebenenfalls auf dem Halbleiterkörper verbleiben; ao Bereiche, die sich von den Übergängen des Gebildes dies hilft mit, die elektrischen Eigenschaften des fer- 10' ausbreiten, in Fig. 4 schematisch durch getigen Bauelementes zu stabilisieren. Falls der Halb- strichelte Linien und Schraffur angedeutet. In F i g. 4 leiterkörper in einem hermetisch geschlossenen Ge- ist der ringförmige Zuleitungskontakt 38 über den häuse eingekapselt ist, sind die elektrischen Eigen- Anschluß 39 mit der Spannungsquelle V₁ verbunden, schäften etwa gleichermaßen stabil, selbst wenn das 25 Der ebenfalls ringförmige Steuerelektrodenkontakt Siliziumdioxydmaterial entfernt wird; dies ist auf die 41 ist mit einer Spannungsquelle F_g über den AnAnordnung des Kanalbereichs 18' vollständig inner- Schluß 42 verbunden. Der andere Steuerelektrodenhalb des Halbleiterkörpers zurückzuführen. kontakt 43' für den Trägerteil 11 ist zu dem Anschluß Die Halterung des Halbleiterkörpers 10' und die 44 geführt, an dem ebenfalls eine Spannung V_g liegen Verbindung der Kontaktdrähte mit den metallisierten 30 kann. Der Ableitungskontakt 46 ist über den AnKontakten auf seiner Oberseite ist im Schritt E der Schluß 47 mit der Spannungsquelle V₂ verbunden.
Fig. 3 veranschaulicht. Das Material des Träger- Die Fig. 5 zeigt die elektrischen Kennlinien des kristalles 11 kann direkt auf den Metallkörper der Feldeffekttransistors 10' der F i g. 4 für verschiedene Bodenplatte 27 geschmolzen werden, wobei man ein Werte der in der F i g. 4 angegebenen Spannungen, geeignetes Lötmittel, wie ein Gold-Germanium- 35 Die Potentialdifferenz Vd, die gleich F₁-F₂ ist, ist Eutektikum, verwendet. Der untere Bereich steht auf der Abszisse und der Strom I_d zwischen dem Zudann mit der Bodenplatte in Masseverbindung. Er- leitungs- und dem Ableitungskontakt 38 und 46 auf forderlichenfalls kann auch das Kristallelement in der Ordinate abgetragen. Die verschiedenen Kurven der in F i g. 6 und 7 gezeigten Weise von der Boden- gelten für verschiedene Werte der Steuerelektrodenplatte isoliert werden, wie im weiteren noch be- 40 spannung V_g. Nach dem Knick ist die Spannungsschrieben wird. Bei der Ausführungsform nach der Stromkennlinie linear und stellt einen im wesentlichen Fig. 3 verbindet ein Kontaktdraht 28 ein Anschluß- konstanten Strom dar. An Hand von Fig. 5 läßt stück 29 mit der Zuleitungszone 16' des Halbleiter- sich sehen, daß für jede Kurve das Verhältnis von gebildes 10, ein anderer Kontaktdraht 31 verbindet Knickspannung zu Knickstrom relativ niedrig ist. Der das Anschlußstück 32 mit der Ableitungszone 17', 45 Ruhewiderstand des Transistors ist diesem propor- und ein dritter Kontaktdraht 33 verbindet den ande- tional, und demgemäß hat er einen recht niedrigen ren Zuführungsdraht 34 mit der Steuerelektrodenzone Ruhewiderstand, wie er für die meisten Schaltungs-19'. Die Zuführungsdrähte 29, 32 und 34 sind von anwendungen erwünscht ist. Praktische Ausführungen dem Metallkörper der Bodenplatte 27 isoliert, und nach der Erfindung haben einen typischen Ruhedie andere Zuführung 35 ist herumgebogen und mit 50 widerstand im Bereich von 100 bis 300 Ohm.
der Bodenplatte verbunden. In Schritt F und der Aus der F i g. 4 ist zu ersehen, daß der Knick dann Fig. 3 ist ein Deckel37 mit dem Flansch36 der eintritt, wenn die trägerarmen Bereiche in den Kanal Bodenplatte — beispielsweise durch Schweißen — 18' eintauchen. Wenn ein elektrischer Strom von dem fest verbunden, und so entsteht ein hermetisch abge- Zuleitungsbereich 16' durch den Kanal 18' in den schlossenes Gehäuse für den Halbleiterkörper 10'. 55 Ableitungsbereich 17' fließt, so tritt ein allmähliches Der fertiggestellte Transistor ist in Schritt F in etwa Ansteigen der Spannung längs des Kanals ein; hierfünffacher Vergrößerung dargestellt. durch werden die trägerarmen Bereiche veranlaßt, Der Flächenwiderstand der epitaktischen Schicht sich in das innere Ende 51 des Kanals weiter als in 12 läßt sich verändern, wenn man nach dem Schritt C sein äußeres Ende 52 zu erstrecken. Das bedeutet, eine Wärmebehandlung anschließt. Dabei ändert sich 60 daß die trägerarmen Gebiete zuerst in das innere die Lage der Übergänge 14 und 15 nicht, weil die Ende 51 des Kanals eintauchen und daß ein weiteres epitaktischen Schichten und der Trägerkristall etwa Anwachsen der angelegten Spannung V_d den Wert den gleichen Dotiergrad aufweisen. Wenn beispiels- des durch den Kanal fließenden Stromes I_d nicht weise mehrere Plättchen gleichzeitig die Schritte A, nennenswert beeinflußt. Der Strom durch den Kanal B und C der Fig. 3 durchlaufen, stellt man etwa 65 kann durch Veränderung der Steuerelektrodenspandurch elektrische Messungen fest, daß eine oder nung V_g gesteuert oder moduliert werden,
mehrere der Schichten 12 auf den Plättchen einen Die Halbleiteranordnungen 50 und 70 der F i g. 6 zu niedrigen Blattwiderstand haben. Durch Aufheizen und 7 weisen gleiche Halbleiterkörper 60 auf; jedoch

Claims

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hat die Anordnung 50 in der F i g. 6 getrennte Zu- dem Halbleiterkörper zu der Bodenplatte abfließen leitungs-, Ableitungs- und Steuerelektrodenkontakte kann. Besonders geeignet dazu sind Aluminium- und 51, 52, 53 und 54, wogegen die Anordnung 70 nach Berylliumverbindungen, die elektrisch isolierend der F i g. 7 einen einzigen Kontakt 71 hat, der den aber gut wärmeleitend sind. Das Material 77 kann Ohmschen Anschluß an den Zuleitungsbereich und 5 auf beiden Seiten metallisch überzogen werden, so die beiden Steuerelektrodenzonen darstellt, und einen daß es auf das Teil 76 und ebenso auf den Trägerteil weiteren Ohmschen Kontakt 72 an den Ableitungs- 61 des Halbleitergebildes aufgelötet werden kann,
bereich. Fig. 6 stellt einen Feldeffekttransistor, Die Fig. 8 zeigt eine Transistorform, bei der ein F i g. 7 einen Strombegrenzer dar. In beiden Fällen Trägerteil 81 aus η-leitendem Halbleitermaterial eine bildet der p-leitende Trägerkristall 61 eine Steuer- io Steuerelektrodenzone darstellt. Der Kanalbereich 82 elektrodenzone und bestimmt, in Verbindung mit der und die diffundierten Zuleitungs- und Ableitungsersten epitaktischen Schicht, die Dicke des ringför- zonen 83 und 84 bestehen aus p-leitendem Material, migen η-leitenden Kanalbereichs 62 sowie die Dicke Die andere Steuerelektrodenzone 85 ist η-leitend. Ein der ringförmigen Steuerelektrodenzone 63. Der ring- diffundierter Bereich 86, ähnlich dem diffundierten förmige η-leitende diffundierte Bereich 64 außerhalb 15 Bereich 66 nach Fig. 6, bildet einen Ohmschen Ander Steuerelektrodenzone 63 ist die Zuleitungszone, Schluß an die Träger- oder Steuerelektrodenzone 81. und der andere diffundierte Bereich 65 innerhalb der Eine Verbindung mit der Zone 86 kann auf der Steuerelektrodenzone 63 ist die Ableitungszone. Zu- Oberseite des Halbleiterkörpers hergestellt werden, sätzlich hat der Halbleiterkörper 60 einen anderen Die Bereiche 81 bis 86 des Halbleiterkörpers nach ringförmigen diffundierten Bereich 66, der außerhalb 20 F i g. 8 können in genau derselben Weise durch epider Zuleitungszone 64 angeordnet ist; er ist mit taktisches Wachsen und Diffusion hergestellt werden, einem p-leitenden Material wie Bor dotiert, so daß wie es in Verbindung mit Fig. 1 bis 7 beschrieben er dieselbe Leitfähigkeitsart wie der Trägerkristall worden ist, jedoch mit vertauschten Dotierbereichen, bekommt, und erstreckt sich von der Oberseite des Der Halbleiterkörper 80 stellt das elektrische Korn-Körpers 60 in den Trägerkristall. So bildet der Be- 25 plement zu den in F i g. 1 bis 7 dargestellten Anreidh 66 eine Ohmsche Verbindung mit der unteren Ordnungen dar.

Steuerelektrodenzone, die von dem Trägerkristall Die F i g. 9 veranschaulicht eine Ausführungsform

dargestellt wird. der Erfindung ähnlich denen von F i g. 1 bis 7, bei

Da der Bereich 66 auf der Oberseite des Halb- der jedoch der Kanal 91 des Halbleiterkörpers 90 in

leiterkörpers zugänglich ist, läßt sich der Steuer- 30 einem Vorsprung, der auch als »Mesa« bezeichnet

elektrodenkontakt 54 auf dieser Oberfläche anbringen wird, angeordnet ist. Der Kanal 91 wird durch eine

statt auf der Unterseite des Halbleiterkörpers, wie es epitaktische Schicht und die Steuerelektrodenzone 94

in der Fig. 4 dargestellt ist. Der Aufbau nach den durch eine zweite epitaktische Schicht gebildet. Der

F i g. 6 und 7 hat gewisse Vorteile. So liegen an der Halbleiterkörper 90 hat diffundierte Bereiche 92 und

Oberfläche des Halbleiterkörpers keine Übergänge 35 93, die die Zuleitungs- und Ableitungszonen darstel-

frei, und das bedeutet, daß das Halbleiterplättchen, len; die beiden Steuerelektrodenzonen sind mit 94

das in einzelne Systeme noch weiter unterteilt werden und 95 bezeichnet. Anschlüsse 96 bis 99 können in

soll (SchrittD von Fig. 3), markiert und getrennt der gezeigten Weise für die verschiedenen Bereiche

werden kann, ohne daß sich dabei die elektrischen vorgesehen sein.

Kennlinien verschlechtern. Falls nämlich einer der 40 Der Halbleiterkörper 90 kann im Prinzip nach Übergänge an der Oberfläche des Körpers offenliegt, dem an Hand von F i g. 3 beschriebenen Verfahren kann ein Schaden an der freiliegenden Kante der aus einem Körper 10 (F i g. 1) hergestellt werden, Verbindung beim Trennen auftreten, und daraus er- außer daß vor dem Diffusionsschritt zur Ausbildung geben sich leicht Verschlechterungen der elektrischen der Zuleitungs- und Ableitungszonen die epitakti-Kennlinien. Ein anderer Vorteil der Anordnungen 45 sehen Schichten um die betreffenden Stellen, wo die nach den F i g. 6 und 7 ist es, daß etwas von dem Steuerelektrodenzonen und Kanalbereiche gebildet Siliziumoxyd, das während der Diffusionsschritte als werden sollen, durch Ätzen entfernt werden, so daß Abdeckung dient, auf der Oberseite des Körpers 60 die Oberfläche des Trägerkristalls bei 101 freiliegt, verbleibt und so einen schützenden Überzug über die Die Steuerelektrodenzone 94 ist während des Ätzauf der Oberseite freiliegenden Übergänge bildet. 50 Schrittes durch ein widerstandsfähiges Material abge-Der Halbleiter 60 der F i g. 6 hat auf seiner Oberseite deckt. Zur Ausbildung der diffundierten Bereiche 92 drei Siliziumdioxydringe, die mit 55, 56 und 57 be- und 93 wird eine Diffusionsmaske auf die vorgezeichnet sind und alle Übergänge, die an die Ober- sefaene Steuerelektrodenzone 94 aufgebracht, und fläche treten, bedecken. Der Halbleiterkörper 60 nach dieses Material wird in einem Diffusionsofen in der der F i g. 7 hat nur einen Ring aus Siliziumoxyd, der 55 beschriebenen Weise behandelt. Die entstehenden den Übergang zwischen dem Zuleitungsbereich 65 Diffusionsbereiche 92 und 93 bestimmen die seit- und der Steuerelektrodenzone 63 bedeckt. Die beiden liehen Abmessungen der Steuerelektrodenzone 94 anderen Übergänge, die auf der Oberseite des Halb- und des Kanals 91 und bilden Ohmsche Verbindunleiterkörpers nach F i g. 7 auftauchen, sind durch die gen zu dem Kanal 91. Die Dicke des Kanalbereichs metallische Verbindung 71 kurzgeschlossen, und da- 60 91 ist bestimmt durch die erste epitaktische Schicht, her sind der Zuleitungsbereich 64 und die beiden die auf dem ursprünglichen Trägerkristall gewach-Steuerelektrodenzonen 61 und 63 elektrisch mitein- sen ist.
ander verbunden.

Der Halbleiterkörper 60 nach F i g. 6 und 7 kann Patentansprüche:
elektrisch von dem Metallkörper 76, auf dem er 65

montiert ist, isoliert sein. Das die elektrische Isola- 1. Verfahren zur Herstellung eines Feldeffekt-

tion darstellende Material 77 ist vorzugsweise ein transistors mit einer mit Ohmschen Hauptelek-

guter Wärmeleiter, so daß im Betrieb Wärme von troden verbundenen Kanalzone sowie mit einer

an die Kanalzone angrenzenden Zone einer Steuerelektrode auf einem als Träger dienenden Halbleiterkristall vorbestimmten Leitungstyps, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Kristall (11) eine die Kanalzone bildende Schicht

(12) entgegengesetzten Leitungstyps aus der Gasphase in an sich bekannter Weise epitaktisch abgeschieden wird, auf dieser Kanalschicht (12) eine weitere Schicht (13) vom Leitungstyp des Kristalls (11) ausgebildet wird und durch gesonderte Bereiche (16, 17) dieser weiteren Schicht

(13) hindurch an bestimmten Bereichen des Halbleiters ein Dotiermaterial eindiffundiert wird., das den Leitungstyp der gesonderten Bereiche umkehrt und zwischen den Diffusionsbereichen eine Zone (19) einer Steuerelektrode entstehen läßt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Schicht ebenfalls aus der Gasphase epitaktisch aufgebaut wird.
3. Verfahren nach den vorstehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß der Kristall und die beiden darauf aufgebauten Schichten mit gleicher Störstellendichte dotiert werden.

4. Verfahren nach den vorstehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß zwecks Ausbildung eines zu der Oberfläche der weiteren Schicht reichenden öhmschen Anschlusses an den Kristall durch zusätzliches Eindiffundierenlassen eines Dotiermaterials in bestimmte Bereiche der weiteren Schicht und der Kanalschicht in Richtung auf den Kristall der Leitungstyp eines Teils der Kanalschicht in den Leitungstyp des Kristalls umgekehrt wird.

5. Transistor nach den Verfahren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zone (19', 63) der Steuerelektrode eine den einen Diffusionsbereich (17', 65, 85) umgebende geschlossene Form hat und selbst von dem anderen Diffusionsbereieh (16', 64, 84) umgeben ist.

6. Transistor nach den Verfahren der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine in einem Vorsprung des Halbleiters angeordnete, von der Zone (94) der Steuerelektrode überdeckte Kanalzone (91), die mit an den Seiten des Vorsprungs angeordnetem Öhmschen Hauptkontakt (92, 93) verbunden ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 865 160;
deutsche Auslegeschrift Nr. 1 099 646;
französische Patentschrift Nr. 1293 699;
»Electronic Industries«, August 1960, S. 89/90; »Electronics«, 3. März 1961, S. 52/53.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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