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Flächentransistor mit einem Halbleiterkörper mit drei Zonen abwechselnden
Leitungstyps und Verfahren zum Herstellen Die Erfindung bezieht sich auf einen Flächentransistor
mit einem Halbleiterkörper mit drei Zonen abwechselnden Leitungstyps.
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Bei Transistoren unterscheidet man im wesentlichen Spitzenkontakttransistoren,
aus der Schmelze gezog,2nc Schichttransistoren, legierte Flächentransistoren und
Diffusions-Flächentransistoren. Außerdem können auch verschiedene Kombinationen
dilieser Typen benutzt werden. Die vorliegende Eifindung befaßt sich mit einem Transistor,
der in seiner zur Zeit bevorzugten Ausführungsform ein Diffusions-Flächentransistor
ist und der als eine Halbleitertriode oder als ein mchrere Schichtübergänge aufweisendes
Bauelement, wie z. B. als eine Halbleitertetrod--, aufgefaßt werden kann. Bei dieser
Art von Transistor werden die als Emitter und Kollektor wirkenden gleichrichtenden
Sehichtübergänge oder Sperrschichten dadurch erzeugt,,daß# man zu einem
N- oder P-leitenden Bereich eines Halbleitermaterials daran anstoßende andere
'Bereiche entgegengesetzten Leitungstyps herstellt.
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Der hier verwendete Ausdruck #>Halb!eitermaterial<# soll dabei
alle solche Materialien -wie Gerrnanium. Silizium. Germanium-Silizium-Legierungen
und Verbindungon, wie z. B. Siliziumkarbid. Indium-Antimonid, Gallium-Antimonid,
Aluminium-Antimonid, liidium-Arsoniü', Gallium-Arsenid, Gallium-Phosphor-Lcgierungen,
Indium-Plaosphor-Legierungen u. dglumfassen. Der Ausdruck »aktives Störelement«
oder » dotierender Fremdstoff« soll solche Verunreinigungen innerhalb des
Halbleiterkörpers bezeichnen, die die elektrischen Gleichrichtereigenschaften des
Halbleitermaterials beeinflussen, im Gegensatz zu solchen Verunreinigungen, die
keinen wesentlichen Einfluß auf diese Eigenschaften ausüben. Aktive Störelemente
werden im allgemeinen als Donatorei,-mente, wie z. B. Wismut, Phosphor, Arsen und
Antimon, und als Akzeptorstörelemente, wie z. B. Bor., Aluminium., Gallium und Indium.,
bezelchret.
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Eine Zone des Halbleitermaterials, die einen überschuß an Donatorstörelementen
aufweist und damit einen überschuß an freien Elektronen besitzt, wird damit als
mit einem Störelement gedopter N-leitender Bereich bezeichnet. Ein mit einem Störelement
ge-
dopter P-leitender Bereich ist ein solcher, der einen überschuß an Akzeptorstörelementatomen
enthält, woraus sich ein Mangel an Elektronen oder ein überschuß an Löchern ergibt,
oder, anders gesagt, ein N-leitender Bereich ist ein Bereich mit Elektronenleitung,
während ein P-leitender Bereich ein Bereich mit Löcherleitung ist.
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Eine stark gedopte N-leitende Zone kann auch als N4--Zone bezeichnet
werden, wobei das Pluszeichen anzeigt, daß die Konzentration aktiver Störelemente
in dieser Zone größer ist als die geringstei Anzahl, die notwendig ist, um den Leitungstyp
der Zone festzulegen. In gleicher Weise soll unter einer P+-leitenden Zone eine
solche Zone verstanden werden, die stärker als normal gedopt ist, um eine P-leitende
Zone hervorzurufen. Eine Zone im Halbleitermaterial, in der die Donator- und Akzeptorstörelemente
im wesentlichen einander die Waage halten, so daß die überschußladungsträgerkonzentration
sehr klein und der spezifische Widerstand sehr hoch ist, wird als im wesentlichen
eigenleitende Zone bezeichnet. Eine im wesentlichen eigenleitende Zone kann im folgenden
auch als 1-leitende Zone bezeichnet werden.
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Wenn ein durchgehend massiver einkristalliner Kristallkörper aus Halbleitermaterial
eine N-leitende Zone aufweist, an die sich eine P-leitende Zone ansizilli#-ßt, so
wird der Grenzbereich zwischen diesen beiden Zonen als PN- oder NP-Schichtübergang
oder einfach als Schichtübergang bezeichnet. Ein Transistor hat mindestens zwei
solcher Schichtübergänge. Wenn also eine P-leitende Schicht zwischen zwei N-leitenden
Schichten liegt, so handelt es sich um einen NPN-Transistor. Wenn aber eine N-leitende
Schicht zwischen zwei P-leitenden Schichen liegt, handelt es sich um einen PNP-Transistor.
Die vorliegende Erfindun,
-, ist selbstverständlich auf beide Arten
von Transistoren anwendbar, wird der Einfachheit und Klarheit halber jedoch nur
in Verbindung mit einem NPN-Transistor beschrieben.
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Die vorliegende Erfindung betrifft verschiedene neuartige Transistoranordnungen
und Verfahren zum Herstellen dieser Transistoren, die insbesondere für Hochfrequenztransistoren
großer Leistung vongroßer Bedeutung sind. Es wurde nämlich festgestellt ', daß die
Physik der Transistorwirkung eine sehr dünne Basiszone fordert, damitmian Transistoren
herstellen kann, die bei hohen Frequenzen noch eine brauchbare Ausgangsleistung
aufweisen, beispielsweise etwa 100 mW bei einer Frequenz oberhalb von
100 MHz. Außerdem ist es notwendig, daß die Basiszone bei Transistoren, die
mit hoher Stromdichte arbeiten, sehr dünn ist. Bei Verwendung einer sehr dünnen
Basiszone tritt sofort das Problem auf, wie man eine einwandfreie Kontaktverbindung
mit niedrigem übergangswiderstand mit dieser Zone herstellen kann. Insbesondere
muß es möglich sein, die Leitung an der sehr dünnen Basiszone anzuschließen, ohne
daß dadurch ein elektrischer Kurzschluß nach der Emitterzone, der Kollektorzone
oder einer anderen Zone verursacht wird. Außerdem ist es nicht erwünscht, daß die
Basiszone durchschlagen wird, was jedoch schwierig zu vermeiden ist, wenn die Basiszone
sehr dünn ist. Keiner der bisher bekannten Transistoren oder die zu deren Herstellung
verwendeten Verfahren waren geeignet, diese Probleme zufriedenstellend zu lösen.
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Basiszonen oder andere eindiffundierte Zonen, die entsprechend den
bisher bekannten Verfahren hergestellt wurden, haben meist den weiteren großen Nachteil,
daß sie eine Entartung des Halbleitermaterials zur Folge haben, insbesondere dann,
wenn Bor oder Phosphor als aktives Störelement verwendet wird. Dies ist darauf zurückzuführen,
daß bei dem üblichen, in einem Verfahrensschritt durchgeführten Festkörper-Diffusionsverfahren
gemäß dem Stand der Technik normalerweise eine ungewöhnlich hohe Oberflächenkonzentration
an aktiven Störelement-,atomen im Halbleitermaterial erzeugt wird. Beispielsweise
wird bei der Herstellung eines NPN-Transistors bei einer in einem Verfahrensschritt
durchgeführten Difftision von Bor als Störelement in das Siliziumhalbleitermaterial
hinein gewöhnlich eine Oberflächenkonzentration von mindestens 2 - Atomen
je
Kubikzentimeter erreicht. Diese Oberflächenkonzentration ist beträchtlich
höher als diejenige, die als maximal zulässig festgestellt wurde, um einen einwandfreiarbeitenden
Schichtübergang innerhalb dieses P-leitenden Bereiches durch eine nachfolgende Diffusion
eines Donatorstörelementes zu erzielen, wie im .einzelnen noch erläutert wird. Wie
festgestellt wurde, Iiegt die höchste zulässige Oberflächenkonzentration von Bor-Störelementatomen
bei etwa 5 - 1018 Atomen je Kubikzentimeter. In gleicher Weise
führt die bisher in einem Schritt durchgeführte Diffusion von Phosphorstöratomen
bei der Herstellung eines PNP-Transistors aus einem Siliziurilialbleitermaterial
normalerweise zu einer ungewöhnlich hohen Oberflächenkonzentration, wobei die höchste
zulässige Oberflächenkonzentration von Störelementatomen in diesem Fall praktisch
die gleiche ist, wie sie für Bor in einem NPN-Transistor angegeben wurde. Die vorliegende
Erfindung beschränkt nunmehr die Oberflächenkonzentration von aktiven Störelementatomen
auf eine zulässige Höhe und ist in gleicher Weise bei der Anwendung von Bor in einem
NPN-Transistor und von Phosphor in einem PNP-Transistor brauchbar.
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Ferner ergeben sich verschiedene Nachteile aus der Verwendung eines
dünnen Plättchens mit einem metallischen Kontakt bei der Schaffung eines Kollektoranschlusses
mit niedrigem übergangswiderstand, der auch bei hohen Frequenzen brauchbar ist.
Wenn ein Transistor bei hohen Frequenzen betrieben werden soll, dann ist es erforderlich,
daß ein sehr dünnes Halbleiterplättchen verwendet wird. Der metallische Kontakt
an diesem Plättchen ist daher außerordentl;ch zerbrechlich. Außerdem ist es bei
sehr dünnen N-leitenden Kollektorzonen möglich, daß die Kollektorraumladung die
gesamte Dicke der N-leitenden Zone durchdringt. Die Verwendung einer N+-leitenden
Zone als Kollektorelektrodenanschluß mit niedrigem übergangswiderstand ermöglicht
nicht nur einen wesentlich dauerhafteren elektrischen Kontakte weil eine viel größere
Kontaktfläche möglich ist, sondem beschränkt auch die Dicke der Raun-#adung der
Zone. Eine Begrenzung der Dicke der Raumladungszone hat den zusätzlichen Vorteil,
daß die übergangszeit der durch diese Zone übergehenden Ladungsträger begrenzt wird,
wodurch das Hochfrequenzverhalten des Transistors verbessert wird. Solche Transistoren,
die eine N+-leitende Zone als Kollektorelektrodenanschluß niedrigen übergangswiderstandes
verwenden, werden häufig als Transistoren mit eigenleitender Sperrschicht bezeichnet.
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Es ist nun Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten
Transistor mit einer sehr dünnen Basiszone zu schaffen, der mit einer brauchbaren
Ausgangsleistung bei viel höheren Frequenzen, z. B. über 100 MHz, betrieben
werden kann, als das bisher möglich war.
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Der Flächentransistor mit einem Halbleiterkörper mit drei Zonen abwechselnden
Leitungstyps ist erfindungsgemäß so ausgebildet, daß der eine Bereich der Kollektorzone,
an dem die Kollektorelektrode an-,gebracht ist, eine größere dotierende Fremdstoffkonzentration
als der andere Bereich der Kollektorzone enthält, daß der andere, schwächer dotierte
Bereich der Kollektorzone eine Vertiefung an einer Oberfläche hat, daß diese Oberfläche
mit der Basiszone so versehen ist, daß die Dicke der Basiszone in der Vertiefung
geringer ist, und daß auf der Basiszone in der Vertiefung die Emitterzone durch
Diffusion angebracht ist.
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Insbesondere ist es ein Merkmal des neuen Transistors, daß dieser
auch bei hohen Stromdichten betrieben wird, zumal an der sehr dünnen eindiffundierten
Basiszone ein verbesserter ohmscher Kontakt mit geringem übergangswiderstand angebracht
werden kann.
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Die Erfindung schafft ein neues Verfahren zur Begrenzung der Oberflächenkonzentration
eines aktiven Störelementes in einer Zone des Halbleitermaterials. Insbesondere
soll dabei durch das neue Verfahren die Oberflächenkonzentration von Bor oder Phosphor,
das in Silizium eindiffundiert wird, genau geregelt werden.
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Ein Merkmal der Erfindung besteht also darin, daß der neue NPN-Schichttransistor
eine eindiffundierte Basiszone aufweist, wobei die Oberflächenkonzentration der
Boratome den Wert von 5 - 1 Ols Atomen je
Kubikzentimeter nicht
überschreitet. Andererseits ist es auch ein Merkmal der Erfindung, daß der neue
PNP-Schichttransisior
eine durch Eindiffusion von Phosphor erzeugte Basiszone aufweist. bei der die Oberflächenkonzentration
der Phosphoratome den Wert von 5 - 1019 Atomen je Kubikzeniimeter
nicht überschreitet.
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Gemäß der zur Zeit bevorzugten Ausführungsform dieser Erfindung wird
ein Siliziumtransistor mit einer sehr dünnen P-leitenden Basiszone geschaffen. Unmittelbar
anschließend an diese dünne Basiszoiir ist eine wesentlich dickere P#-leitende Zone
vorgesehen, an die der Basisanschluß angeschlossen ist. Eine eindiffundierte N+Ieitende
Emitterzone ist dann auf der dünnen Basiszone vorgesehen, während eine zweite N-leitende
Zone auf der gegenüberliegenden Seite der Basiszone angebracht ist und als Kollektorzone
dient. Anschließend an die Kollektorzone und in Berührung mit der N-leitenden Kollektorzone
ist eine N+-leitende Kollektorkontaktzone vorgesehen.
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Die neuen für die Erfindung kennzeichnenden Merkmale ergeben sich
zusammen mit weiteren Merkmalen und Vorteilen der Erfindung aus der nachfolgenden
Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen, in denen die Erfindung an Hand von
Ausführungsbeispielen erläutert ist. Selbstverständlich sollen die Beschreibung
und die Zeichnungen nur der Erläuterung dienen und nicht der Beschränkun des Erfindungsgedankens.
In den Zeichnungen 9
zeigt Fig 1 eine Querschnittsansicht eines als
Ausgangsmaterial dienenden N-leitenden Siliziumhalbleiterkristallplättehens, Fig.
2 eine Querschnittsansicht des in Fig. 1 gezeigten Halbleiterplättchens zu
Beginn dexHersteflung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, Fig.
3 eine Querschnitisansicht des Halbleiterplättchens nach Fig. 2 mit einer
Schnittlinie für die nachfolgende Entfernung eines Teiles des Plättchens, Fig. 4
eine vergrößerte Schnittansicht des Halbleiterplättchens nach Fig. 3 nach
Entfernen eines Teiles des Halbleiterplättchens oberhalb der Schnittlinie, Fig.
5 eine Querschnittsansicht des Halbleiterplättchens von Fig. 4 nach einem
nachfolgenden Zwischen-Verfahrensschritt bei der Herstellung gemäß der ersten Ausführungsform
der Erfindung, Fig. 6 eine vergrößerte Querschnittsansicht eines Teiles des
Halbleiterplättchens nach Fig. 4 bei einein späteren Verfahrensschritt gemäß der
ersten Ausführungsform der Erfindung, Fig. 7 eine vergrößerte Schnittansicht
eines Teiles -eines Halbleiterplättchens bei einem weiteren späteren Verfahrensschritt
gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung, Fig. 8 eine vergrößerte Querschnittsansicht
eines Teiles eines Halbleiterplättehens kurz vor der Fertigstellung als Transistor
gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, Fig. 9 eine
Vorderansicht eines fertigen Transistors, der gemäß der ersten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung hergestellt wurde, Fig. 10 eine Draufsicht auf den
Transistor nach Fig. 9, bei dem der Klarheit halber die Anschlußleitungen
nicht gezeigt sind, Fig. 11 eine Querschnittsansicht eines Transistors gemäß
einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, Fig. 12 eine Querschnittsansicht eines
Transistors, der gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung hergestellt ist,
Fig. 13 eine schematische Vorderansicht einer Vorrichtung, die als Diffusionsofen
gemäß der vorliegenden Erfindung verwendbar ist, wobei in diese Figur ein Diagranim
eingezeichnet ist, das die Temperatur als Funktion der Längsausdchnung des Ofens
zeigt, Fig. 14 eine Endansicht, teilweise im Schnitt, einer Vorrichtung, die zur
Durchführung des Diffusionsverfahrensschrittes gemäß der vorliegenden Erfindung
brauchbar ist, Fig. 15 eine Vorderansicht, teilweise im Schnitt, einer Vorrichtung
nach Fig. 14 und Fig. 16 ein Diagramm zur Darstellung der Verteilung der
aktiven Störelementatome, z. B. von Bor in Silizium, als Funktion des Abstandes
von der Oberfläche des Plättchens nach Fig. 8 gemäß der vorliegenden Erfindung.
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Aus Gründen der Klarheit wird die Erfindung nunmehr an Hand eines
NPN-Diffusionsschichttransistors unter Verwendung von Siliziunihalbleitermaterial
besprochen, wobei ausdrücklich erwähnt werden soll, daß die Erfindung in gleicher
Weise auf andere Arten von Transistoren anwendbar ist unter Verwendung auch von
anderen Halbleitermateriahen sowie auch auf PNP-, PNIP-Transistoren u. dgl.
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Betrachtet man nun die Zeichnungen, so sieht man in den Fig.
1 bis 10 -eine Reihe von Schnittansichten eines Halbleiterplättchens
in den aufeinanderfolgenden Schritten der Herstellung eines Transistors gemäß einer
ersten Ausführungsforni der Erfindung.
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In Fig. 1 ist als Ausgangsmaterial ein N-leitendes Siliziumkristallplättehen
20 gezeigt. Fig. 2 zeigt das Plättchen 20 beim ersten Verfahrensschritt der Herstellung.
Dieser erste, Verfahrenssehritt betrifft die Erzeugung einer N+-leitenden Zone,
21 auf dem N-leitenden Plättehen 20, welche eine mittlere Zone 22 umgibt.
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Zur Beschreibung, eines Verfahrens, mit dessen Hilfe die N-'#--leitende
Zone 21. erzeugt werden kann, sei auf Fig. 13 verwiesen. Es sei jedoch ausdrücklich
darauf hingewiesen, daß die Zone 21 auch durch jedes andere zum Stand der Technik
gehörende Verfahren erzeugt werden kann. Die N+-leitende Zone 21 kann dadurch erzeugt
werden, daß das Plättchen 20 oder eine Reihe solcher Plättchen in ein Quarzschiffchen
100 (Fig. 13) eingesetzt wird. Das Quarzschiffchen wird dann in einem
hohlen, ebenfalls aus Quarz bestehenden Rohr 101 untergebracht. Ein kleiner
Tiegel 102, der P.0. enthält, wird dann in einem Ab-
stand vom Schiffchen
100 in die in Fig. 13 gezeigte Stellung innerhalb des Rohres
101 gebracht. Die Temperatur innerhalb des Ofens 103 ist nicht gleichförmig,
sondern ändert sich vielmehr entsprechend der Kurve 106, die in Fig.
13 in die Darstellung des Ofens eingezeichnet ist, um die Temperatur innerhalb
des Ofens als Funktion der Stellung des Schiffchens 100 innerhalb des Ofens
anzuzeigen. Wenn der Ofen in Betrieb ist, dann beträgt die Temperatur in der Nachbarschaft
des Quarzschiffchens 100 etwa 1300' C,
während das Phosphorpentoxyd
(P20.) innerhalb des Tiegels 102 auf etwa 400' C erhitzt wird. Während
der ersten 15 Minuten des Aufheizvorganges wird Stickstoff in ständigem Strom
durch das Rohr 101
hindurchgeleitet. Bei einer Temperatur von etwa 4001
C verdampft P.,0 , und schlägt sich auf den Plättchen 20 in dem gchiffchen
100 nieder. Während eines ersten Zeitraunies von etwa 15 Minuten diffundiert
der Phosphor in die Oberfläche des Plättchens hinein. Außerdem wird während dieses
ersten Zeitraums
ein verhältnismäßig dünner glasartiger Überzug
auf den Oberflächen der Plättchen 20 erzeugt, wie er beispielsweise in Fig.
3 dargestellt ist. Dieser glasartige Überzug besteht wahrscheinlich aus einer
Kombination von P20, und Si02. Nach den ersten 15 Minuten und während
der Ofen noch immer auf Betriebstemperatur ist, wird an Stelle von Stickstoff numnehr
Sauerstoff durch das Rohr 101 hindurchgeleitet. Diese- zweite Stufe stellt
einen N+-Diffusionsschritt dar und wird für einen zweiten Zeitraum von etwa
1.7 Stunden durchgeführt. Der während dieser zweiten Phase in dem System
vorhandene Sauerstoff fördert die Bildung des obenerwähnten glasartigen Überzuges.
Der glasartige Überzug auf der Oberfläche der Kristallplättchen ist aus zwei Gründen
erwünscht: Zunächst verhindert er die Ausdiffusion oder Verdampfung des auf dem
Kristall niedergeschlagenen und in den Kristall 20 eindiffundierten Phosphors von
der Oberfläche des Kristalls. Somit wird also während des gesamten Diffasionsverfahrens
eine konstante Quelle für Phosphoratome aufrechterhalten, so daß diese Diffusion
während des Zeitraumes von 17 Stunden stattfindet. Zweitens wirkt aber ein
glasartiger Überzug als Maske gegen die später noch zu beschreibende Bordiffusion.
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Nach den beiden Zeiträumen von 17 Stunden und 15 Minuten
werden die Plättchen 20 mit der eindiffundierten N+-leitenclen Zone 21 so aussehen,
wie in Fig. 3 gezeigt. Somit besteht das Plättchen also aus einer mittleren
Zone 22 aus N-leitendem Silizium, die von einer ersten Zone 21 aus N+-leitendem
Silizium umgeben ist, die wiederum von einem glasartigen Überzug 24 umschlossen
ist. Die Eindringtiefe der N+-leitenden Zone 21 in das Plättchen 20 wird bei dem
eben beschriebenen Verfahren üblicherweise in der Größenordnung von etwa
0,05 mm liegen, wobei eine definierte Grenze zwischen der N-leitenden
und N+-leitenden Zone praktisch nicht feststellbar ist, da die Konzentration des
aktiven Störelementes mit zu-
nehmender Eindringtiefe schwächer wird. Die
Dicke des Ausgangsplättchens sollte bei dem zur Zeit bevorzugten Herstellungsverfahren
etwa 0,3 mm betragen. Nachdem das Plättchen 20 aus dem Ofen herausgenommen
wurde und abgekühlt ist, wird das Plättchen abgeschliffen und mit einem Ätzmittel
bis zu der in Fig. 3 gezeigten Schnittlinie poliert und abgeätzt. Anschließend
sieht das Plättehen 20 aus, wie dies in der vergrößerten Darstellung in Fig. 4 gezeigt
ist. Die Oberfläche 25 liegt dann bei der in Fig. 3 eingezeichneten
Schnittlinie, so daß also eine Oberfläche aus N-leitendem Silizium frei liegt. Der
nächste Schritt in der Herstellung des Transistors in der zur Zeit bevorzugten Ausführungsforin
der Erfindung besteht darin, eine, P+-leitende Zone 26 (vgl. Fig.
5) durch Festkörperdiffusion aus einer festen, pulverförmigen B20..-Quelle
herzustellen. Der gleiche Ofen wie zuvor (Fig. 13) kann zur Erzeugung der
P+-leitenden Zone 26 innerhalb des Plättehens 20 verwendet werden. Wie auch
bei der Phosphordiffusion werden die geläppten oder abgeschliffenen Plättchen nach
Fig. 4 in einem Schiffchen angebracht, und dieses Schiffchen wird innerhalb eines
offenen Quarzrohres untergebracht. Ein kleineres Schiffchen, das festes pulverförmiges
B 20 3 enthält, wird in der Nähe des die Plättchen tragenden Schiffchens
angebracht, so daß beide Schiffchen auf eine Temperatur von etwa 1200'
C erhitzt werden können. Es ist dabei erwünscht, daß das B20, auf diese höhere
Temperatur, verglichen mit der Aufheiztemperatur von P,0", aufgeheizt wird, da B.O.,
einen niedrigeren Dar#pidruck aufweist als P.,0.. Bei der Temperatur von
1200' C
verdampft B.,Ö, und schlägt sich auf der gesamten Oberfläche &s
in Fig. 4 gezeigten Plättchens nieder. Bei diesem Bor-Diffusionsschritt wird nasser
oder feuchter Stickstoff durch das Rohr 101 hindurchgeleitet. Bei der erhöhten
Temperatur zersetzt sich der mit dem Stickstoff zusammen eingeleitete Wasserdampf
und erzeugt eine sauerstoffreiche Atmosphäre. Der Ofen wird für etwa. 11/2 Stunden
auf dieser Temperatur gehalten. Während dieser Zeit dringt das Bor durch Diffusion
bis zu einer Tiefe von etwa 0,0 13 mm ein. Die P+-leitende Zone wird so stark
als möglich gedopt, jedoch kann eine definierte Grenze zwischen der P-leitenden
und P+-leitenden Zone nicht festgestellt werden, da die Konzentration der aktiven
Störelemente mit zunehmender Eindringtiefe geringer wird, wie dies in dem Diagramm
in Fig. 16 gezeigt ist, in dem im logarithmischen Maßstab die Störelementkonzentration
CX als Funktion der Eindringtiefe X aufgezeichnet ist. Da der Überzug 24 den Kristall
an allen Oberflächen mit Ausnahme der Oberfläche 25 umgibt, wird die Diffusion
nur innerhalb der in Fig. 5 gezeigten Zone 26 stattfinden, wobei der
glasartige Überzug als Maske gegen die Bordiffusion dient. Während der Bordiffusion
wird ein zweiter glasartiger Überzug 27 gebildet und wird zusätzlich zu dem
ersten glasartigen Überzug 24 den ganzen Halbleiter umgeben. Dieser zweite glasartige
Überzug 27 besteht wahrscheinlich aus B.0. plus
SiO.. Nach dieser zweiten
Diffusion sieht ein Querschnitt des Plättchens aus, wie dies in Fig. 5 gezeigt
ist.
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Anschließend an die Herstellung dieser P+-leitenden Zone
26 gemäß dem oben beschriebenen Bordiffusionssehritt wird das Plättchen aus
dem Ofen herausgenommen, und ein Wachs, das von Fluorwasserstoffsäure nicht angegriffen
wird, wird auf einem Teil der Oberseite 30 des Plättchens nach Fig.
5 und ebenso auf der gesamten Unterseite 31
aufgebracht. Das Plättchen
wird dann für etwa 20 Sekunden in ein chemisches Ätzbad eingesetzt, das aus einer
Mischung aus Fluorwasserstoffsäure, Salpetersäure und Essigsäure besteht. Da das
Wachs von diesem chemischen Ätzbad nicht angegriffen wird, werden die Unterfläche
31 und die mit Wachs versehene Hälfte der Oberfläche 30 nicht geätzt.
Derjenige Teil der Oberfläche 30, der nicht durch das Wachs abgedeckt ist,
wird bis zu einer durch die Atzzeit bestimmten Tiefe hinweggeätzt. Selbstverständlich
werden auch die Endflächen 33 und 34, obgleich diese Endflächen der Einfachheit
halber in Fig. 6 als durch die Ätzung nicht beeinflußt dargestellt sind,
ebenso wie die senkrecht dazu liegenden End-
flächen, die nicht dargestellt
sind, angeätzt. Somit wird also innerhalb der Oberfläche 30 eine Abstufung
erzeugt, da --in Teil dieser Oberfläche, der nicht durch Wachs abgedeckt ist, entfernt
wird. Das Abätzen eines Teiles der Oberfläche in dem nicht mit Wachs abgedeckten
Bereich kann dann bis zu einer Linie parallel und gerade unterhalb des Schichtüberganges
35 in der Nachbarschaft der P+-leitenden Zone 26
und der N-leitenden
Zone 22 fortgesetzt werden. Nach dem letztgenannten Ätzvorgang sieht das Plättchen
aus, wie dies in Fig. 6 gezeigt ist. Der Klarheit halber sind die Wachsüberzüge
nicht dargestellt.
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Um andererseits die gewünschten geometrischen Abmessungen genauer
steuern zu können, so daß die
Atzirng längs einer Linie verläuft,
die gerade unterhalb des Schichtüberganges 35 liegt und parallel zu diesem
verläuft, ist es erwünscht, den gesamten Kristall dadurch zu ätzen, daß er für etwa
20 bis 60 Sekunden in reine Fluorwasserstoffsäure eingetaucht wird, bevor
der oben beschriebene Ätzvorgang in dem chemischen Ätzbad durchgeführt wird, das
aus einer Mischung mehrerer Säuren besteht. Da Fluorwasserstoffsäure reines Silizium
nicht angreift, jedoch die bor- und phosphorhaltigen glasartigen Überzüge entfernt,
so leuchtet es ein, daß dieses zweistufige Ätzverfahren insgesamt eine verbesserte
Steuerung bei der Ätzung ergibt.
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Anschließend soll eine dünne P-leitende gedopte Zone 41 (vgl. Fig.
7) unterhalb der Oberfläche 40 des stufenartig abgesetzten Abschnittes des
in Fig. 6 gezeigten Plättchens hergestellt werden. Um nun eine dünne Basiszone
41 innerhalb der Oberfläche 40 des Plättchens zu erzeugen, wurde der folgende Verfahrensschritt
als besonders vorteilhaft gefunden. Zur Erläuterung des Verfahrens zur Erzeugung
dieser P-leitenden Basiszone sei auf die Fig. 14, 15 und 16
verwiesen.
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Ein zweistufiges Diffusionsverfahren unterVerwendung der inFig. 14
und 15 gezeigten Apparatur ist besonders wirksam, um eine eindiffundierte
P-leitende Zone mit Bor als aktivem Störelement zu erzeugen, in welcher die Oberflächenkonzentration
der Boratome im Silizium den Wert von 5 - 1018 Atomen je
Kubikzentimeter
nicht überschreitet. Eine Anzahl von Plättchen 20 der in Fig. 6 gezeigten
Art werden auf eine flache Quarztafel 120 aufgesetzt. Die flache Tafel 120 kann
andererseits auch aus Silizium oder einem anderen geeigneten Material hergestellt
sein und wird verwendet., um die durch die Verformung bei hohen Temperaturen auftretenden
Spannungen zu verringern, die sonst in dem gewölbten Boden des Schiffchens 121 auftreten
könnten. Wenn die Plättchen auf der Tafel befestigt sind, wird diese in ein offenes
Schiffchen 121 eingesetzt, das ebenfalls aus Quarz be-
stehen kann. Eine Quarzplatte
125 mit einem zuvor darauf niedergeschlagenen Film aus B 103 wird
dann derart auf das Schiffchen aufgesetzt, daß die mit B.,0,
überzogene Oberfläche
126 in den Innenraum des Schiffchens weist. Das gesamte Schiffchen mit den
Plättchen und dem B.,0, wird dann in den Ofen eingebracht und für etwa
30 Minuten auf eine Temperatur von ungefähr 950'- C erhitzt. Dadurch
wird ein B.,0.-überzug auf der Oberfläche der Plättehen niedergeschlagen, der sich
mit dem Silizium der Plättchen zur Bildung eines glasartigen überzuges aus B,0,
verbindet. Während dieser 30 Minuten dauernaen Auffieizung findet eine Diffusion
von Bor aus dem glasartigen überzug bis zu einer Tiefe von etwa 0,1
bis 0,2
Mikron statt. Während dieser Niederschlagsbildung wird innerhalb des Schiffchens
eine Stickstoffatmosphäre aufrechterhalten. Nach dieser ersten halben Stunde entspricht
die Borkonzentration innerhalb der Oberfläche 40 des Plättchens 20 etwa der Kurve
140 im Diagramm Fig. 16. Aus dieser Kurve ist ersichtlich, daß die Oberflächenkonzentration
von Bor 1,5 - 1020 Atome je Kubikzentimeter beträgt, was mehr ist,
als für eine eventuell herzustellende Basiszone eines Transistors wünschenswert
ist. Nach dieser ersten 30 Minuten dauernden Aufheizung wird der Ofen abgeschaltet,
die Plättehen werden auf Zimmertemperatur abgekühlt und anschließend für etwa
30 Sekunden in ein Atzbad aus reiner Fluorwasser-,toifsäure eingesetzt, um
alle Glasüberzüge von der Oborfläche des Plättehens 20 zu entfernen. Die geätzten
Plättehen werden dann erneut in das Schiffchen, wie in Fig. 14 und 15 gezeigt,
eingesetzt, jedoch ohne den Borniederschlag, worauf nasser Sauerstoff eingeleitet
wird, während das Schiffchen erneut für etwa 2 Stunden auf eine Temperatur in der
Umgebung von 1100' C erhitzt wird. Während dieser Zeit findet eine weitere
Diffusion statt, diesmal auf eine Tiefe von etwa 3 bis 4 Mikron. Dieser zweite
Diffusionsschritt ergibt eine Neuverteilung der Boratome, die eine Konzentrationsverteilung
in dem Silizium entsprechend der Kurve 141 im Diagramm in Fig. 16 annehmen,
so daß sich eine gleichförinige Verteilung an der Oberfläche ergibt, die an der
Oberfläche den Wert von 5 - 1018 Atomen je Kubikzentimeter nicht überschreitet.
Dieses neuartige zweistufige Diffusionsverfahren ergibt die erwünschte Neuverteilung
der Boratome in dem Silizium. Während des zweiten Diffnsionsschrittes besteht die
Diffusionsquelle ausschließlich aus denjenigen Boratomen, die in die Oberfläche
des Kristalls eindiffundiert waren, ohne daß eine weitere äußere Quelle für Boratome
in dem System vorhanden ist, die die endgültige Oberflächenkonzentration beeinflussen
könnte. Da aber der zweite Diffasionssehritt in einer nassen Sauerstoffatmosphäre
durchgeführt wurde, bildet sich auf der gesamten Oberfläche des Plättchens (vgl.
Fig. 7) eine glasartige Siliziumdioxydüberzugsschicht 42. Dieser dünne glasartige
überzug kann als Maske gegen eine nachfolgende Diffusion dienen, um die Emitterzone
zu erzeugen, wie im folgenden noch beschrieben wird. Ein anderes Verfahren zur Herstellung
dieser Maske besteht darin, statt der nassen Sauerstoffatmosphäre während des zweiten
Bordiffusionsschrittes eine nasse Stickstoffatmosphäre zu verwenden. Verwendet man
eine nasse Stickstoffatmosphäre, dann wird ein Siliziumdioxydüberzug erzeugt.
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Somit ergeben die oben beschriebenen Verfahrensschritte einen teilweise
fertiggestellten Transistor mit einem dünnen Bereich 41 der Basiszone mit einer
Stärke von etwa 3 Mikron, an den sich ein beträchtlich stärkerer Bereich
26 der Basiszone anschließt, an die ein brauchbarer Basisanschluß hergestellt
werden kann. Zur Herstellung der Emitterzone wird das ganze Plättchen mit Ausnahme
einer vorbestimmten Fläche auf der Zone41 nunmehr mit einem Wachs maskiert, das
von Fluorwasserstoffsäure nicht angegiffen wird. Dann wird das auf dem Plättchen
niederge , schlagene Glas bis auf die mit Wachs überzogenen Flächen durch
eine Ätzung mit Fluorwasserstoffsäure entfernt, welche die gleiche Ausdehnung haben
wie die Fläche, die in eine N-leitende Emitterzone 43 (vgl. vgL Fig. 8) umgewandelt
werden soll. Zur Erzeugung der Emitterzone 43 wird eine Apparatur verwendet, die
ähnlich aufgebaut ist wie die in Verbindung mit der Herstellung der N+-leitenden
Zone 21 verwendete Apparatur, um Phosphor aus einer P"0"-QueRe zur Erzeugung einer
N-leitenden Emitterzone 43 bis zu einer Tiefe von etwa 1,5 Mikron innerhalb
der Basiszone 41 zu erzeugen, wie sich dies am besten aus Fig. 8 ergibt.
Die für diesen letzten Diffusionssehritt erforderliche Zeit beträgt bei einer Temperatur
von etwa 1100' C ungefähr 10 Minuten.
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Fig. 9 und 10 zeigen eine Vorderansicht und eine Draufsicht
im Schnitt eines entsprechend der bisher beschriebenen ersten Ausführungsform der
Erfindung erzeugten Transistors. Punktförmige Kontakte werden
an
der Basiszone 41 durch einen Kontakt mit der stark gedopten P+-leitenden Zone
26 mit Hilfe einer Elektrode 26 a hergestellt. Da die Zone
26 eine beträchtliche Stärke von beispielsweise 12 Mikron aufweist und da
diese Zone eine P+-leitende Zone ist, die sich unmittelbar an die in der Umgebung
unmittelbar unterhalb der Emitterzone 43 sehr dünne Basiszone 41 anschließt, die
eine Stärke von etwa 2 Mikron hat, so wird dadurch also die Hauptaufgabe der vorliegenden
Erfindung gelöst. Die Elektrode 43 a ist in Kontaktberührung mit der Emitterzone
43, und in gleicher Weise kann ein flächiger Kontakt mit der Kollektorzone 22 durch
an sich bekannte Mittel durch Herstellung eines Anschlusses an die N+-leitende Zone
21 hergestellt werden. Dieser letzte, nicht gezeigte Anschluß kann dabei unmittelbar
an dem Transistorgehäuse hergestellt werden, wenn dieses aus Metall besteht, um
dadurch eine dritte Elektrode oder einen dritten Kontakt herzustellen.
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Somit wurde also eine neuartige Transistorkonstruktion und ein Verfahren
zur Herstellung dieses Transistors gemäß der zur Zeit bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung beschrieben. Dieser neue Transistor weist dabei die sehr erwünschte,
sehr dünne Basiszone auf, die einen Betrieb bei hohen Frequenzen erlaubt, ohne daß
die zuvor gemachten Einschränkungen gelten, denen die bisherigen Hochfrequenzschichttransistoren.
unterworfen waren.
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Es muß aber noch bemerkt werden, daß die Emitterzone, die gemäß Fig.
9 und 10 sich bis zur Kante der Basiszone erstreckt, auch andererseits
so ausgelegt werden kann, daß sie sich nur bis zu einem Punkt kurz vor der Kante
der Basis erstrekt. Diese Anordnung verringert die Gefahr, daß ein Oberflächenleckstrom
zwischen der Emitterzone und der Basiszone entstehen kann durch eine Erscheinung,
die im allgemeinen als Kanalbildung bezeichnet wird. Weiter sei noch hinzugefügt,
daß Fig. 10 zwar eine rechteckige Kollektorform zeigt, die andererseits auch
kreisförmig ausgeführt sein kann. Die Wahl zwischen einer kreisförn-ägen oder rechteckigen
Ausgestaltung ist für die anschließend beschriebenen Ausführungsformen ebenfalls
freigestellt.
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In den Fig. 11 und 12 sind verschiedene andere Ausführungsformen
eines gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellten Transistors dargestellt.
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Die ringförmige Ausbildung des in Fig. 11 gezeigten Transistors
enthält einen mittleren, vertieften oder stufenförmig abgesetzten Bereich innerhalb
der N-leitenden Kollektorzone 53, unter der eine N+-leitende Zone 54 liegt.
Die Basiszone 52 erstreckt sich über die gesamte obere Oberfläche der Kollektorzone
53,
während die Emitterzone 50 innerhalb des unteren und verdünnten
Bereiches 51 der Basis 52 liegt. Die Anordnung nach Fig.
11 weist im Vergleich zu der Anordnung in Fig. 9 und
10 einen verringerten effektiven Bäsiswiderstand auf, da die Emitterzone
in Fig. 11 einen größeren Umfang je Flächeneinheit der sich daran
anschließenden, in der Mitte liegenden Basiszone besitzt.
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In Fig. 12 ist gewissermaßen das Gegenstück zur Ausführungsform nach
Fig. 11 gezeigL An Stelle eines tiefer liegenden Mittelabschnittes ist ein
erhöht liegender Mittelabschnitt vorgesehen. Diese Vorrichtung weist eine N-leitende,
Kollektorzone 63 auf, die über einer N+-leitenden Zone 64 liegt. Die Basiszone
61
weist einen stärkeren Bereich 66 auf, an den der Elektrodenanschluß
an den erhöht liegenden Mittelabschnitt 67 angeschlossen werden kann, sowie
einen dünneren Bereich 68, der den dickeren Bereich 66 umgibt. Die
Emitterzone 60 liegt über dem dünnen Bereich der Basiszone 68 und
umgibt ebenfalls den dickeren Basisbereich 66 der Zone. Diese Konstruktion
hat gegenüber der Anordnung nach Fig. 11 offensichtlich Vorteile, da festgestellt
wurde, daß für ein optimales Betriebsverhalten die Emitterfläche größer sein sollte
als die effektive Basisfläche.
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Obgleich die Erfindung im Hinblick auf einen PNP-Transistor oder einen
NPN-Transistor beschrieben wurde, so ist es ohne weiteres denkbar, eine eigenleitende
oder Meitende Zone aus Halbleitermaterial an irgendeiner geeigneten Stelle oder
Stellen zwischen den übrigen Zonen anzubringen, um dabei je
nach den Erfordernissen
beispielsweise einen NPIN-Transistor, einen PNIP-Transistor oder eine andere Kombination
von Zonen unterschiedlichen Leitungstyps herzustellen.