DE1464288C - Flächentransistor und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Description

ter und der Basis abhängt und bei Spannungsänderungen verhältnismäßig langsam den Gleichgewichtszustand erreicht.

Es sei noch bemerkt, daß es bereits bekannt ist (österreichische Patentschrift 183 111), beim Ätzen eines Transistors einen der pn-Übergänge in Sperrrichtung vorzuspannen. Es ist weiter bekannt (deutsehe Patentschrift 1024 639), bei einem Transistor vor dem Anbringen des Kollektors die Basisschicht elektrolytisch abzuätzen, wobei der Emitter-Basis-Ubergang in Sperrichtung vorgespannt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Gefahr des Auftretens der erwähnten Instabilitäten zu verringern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zum Verlängern des Oberflächenweges zwisehen der Emitter- und der Kollektorzone über die Dicke der Basiszone hinaus die Basiszone am Rand eines pn-Überganges eine Nut aufweist, so daß am. Rand des anderen pn-Überganges die Basiszone einen Randteil aufweist.

Es ist nicht immer erforderlich, daß die Basiszone über die gesamte Länge des Randes des anderen pn-Uberganges einen Randteil aufweist; insbesondere nicht bei solchen Transistoren, bei denen Teile der Basiszone nur in größerer Entfernung vom Emitter an die Oberfläche treten, da diese Teile der Basiszone im allgemeinen keine Instabilitäten herbeiführen können. Der Randteil der Basiszone ist daher gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung vorzugsweise auf der angrenzenden Emitterzone angeordnet, da zwischen der Basiszone und der Zone, auf der der Randteil angeordnet ist, eine geringe Kapazitätserhöhung auftritt. Die Kapazität zwischen der Basiszone und der Kollektorzone soll aber meistens auf einen Mindestwert beschränkt bleiben; es ist daher nicht zweckmäßig, den Randteil auf der Kollektorzone anzuordnen.

Die Dicke der Basiszone wird bei einem Flächentransistor nach der Erfindung vorzugsweise nicht größer als 2 μηι gewählt.

Uin besonders zweckmäßiges Verfahren zum Herstellen eines Transistors nach der Erfindung besteht darin, daß ein Halbleiterkörper, bei dem eine mindestens an der Oberfläche des Halbleiterkörpers dünne Basiszone vom n-Leitungstyp zwischen zwei Zonen vom p-Leitungstyp liegt, zum Erzeugen der Nut auf elektrolytischem Wege geätzt wird, wobei mindestens eine der p-leitenden Zonen des Halbleiterkörpers mit der Plus-Klemme einer Stromquelle verbunden ist, deren Minus-Klemme mit einer im Elektrolyten befindlichen Kathode verbunden ist, während über einem der pn-Übergänge zwischen der n-leitenden Basiszone und einer der angrenzenden Zonen vom p-Leitungstyp eine Spannung in Sperrichtung aufrechterhalten wird. Die genannte Spannung liegt vorzugsweise zwischen 1 und 5 Volt.

Dieses Verfahren beruht auf der Erkenntnis, daß

die Spannung zwischen der Basiszone und einer der

''■■:,. angrenzenden Zonen eine Ausdehnung der an den , ί pn-Ubergängen zwischen diesen Zonen vorhandenen Raumladungsschicht in die Basiszone hinein bewirkt und daß folglich der an der Oberfläche liegende Teil

der Basiszone, in der sich die Raumladungsschicht befindet, von den Elektrolyten nur wenig angegriffen wird.

Vorzugsweise wird jedoch eine der an die n-leitende Basiszone angrenzenden Zonen vom p-Leitungstyp elektrisch mit der im Elektrolyten befindlichen Kathode und mit der Minus-Klemme der Stromquelle verbunden, während die Plus-Klemme der Stromquelle über einen Begrenzungswiderstand mit der η-leitenden Basiszone verbunden ist, wobei die Anordnung derart getroffen ist, daß sich zwischen der erwähnten Zone vom p-Leitungstyp und der Basiszone vom n-Leitungstyp eine Spannung in Sperrichtung ergibt, die gleich der Spannung der Stromquelle ίο vermindert um die über dem Vorschaltwiderstand erzeugte Spannung ist.

Nach diesem Verfahren können vorzugsweise Transistoren geätzt werden, deren Emitterzone sowohl Donatoren als auch Akzeptoren enthält und deren dünne Basiszone durch Diffusion gebildet ist.

Das Verfahren nach der Erfindung läßt sich mit besonderem Erfolg anwenden, wenn vor der elektrolytischen Ätzung ein an die Emitterzone angrenzender Oberflächenteil des Halbleiterkörpers gegen den Angriff durch den Elektrolyten mit einer Maskierungsschicht bedeckt wird und danach der verbleibende, nicht maskierte, sich bis zur Emitterzone erstreckende Oberflächenteil elektrolytisch abgeätzt wird.

Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1, 2,4 und 5 schematisch einen gezogenen Flächentransistor in verschiedenen Stufen der Bearbeitung,

F i g. 3 schematisch eine Vorrichtung zum Ätzen dieses Transistors,

Fig. 6 bis 11, 13 und 14 schematisch einen Legierungs-Diffusions-Flächentransistor in verschiedenen Stufen der Bearbeitung und

Fig. 12 und 15 Vorrichtungen zum Ätzen dieses Transistors.

F i g. 1 zeigt einen Halbleiterkörper 1, der zwei Zonen 2 und 3 vom p-Leitungstyp aufweist, zwischen denen eine dünne Basiszone 4 vom n-Leitungstyp eingeschlossen ist. Die Dicke dieser Basiszone 4 kann z. B. 5 μηι betragen. Ein solcher Halbleiterkörper 1 kann z. B. aus einem durch Ziehen aus einer Schmelze hergestellten Stab gesägt werden, in dem durch Änderung der Dotierung der Schmelze und der Ziehgeschwindigkeit eine oder mehrere solcher dünnen Zonen vom n-Leitungstyp erzeugt sind. Auf den Zonen 2 und 3 werden dann Kontakte 5 mit Akzeptoreigenschaften und auf der Basiszone 4 ein Basiskontakte mit Donatoreigenschaften angebracht (s. F i g. 2). Der Basiskontakt 6 ist im allgemeinen breiter als die Basiszone 4, weil diese so dünn ist. In diesem Falle liegt er teilweise auf der p-leitenden Zone 2. Infolge der Donatoreigenschaften des Basiskontaktes6 wird das an den Basiskontakt 6 angrenzende Material der Zone 2 η-leitend und deshalb in elektrischer Hinsicht mit der Basiszone 4 einheitlich. Das Verfahren zum Herstellen dieses Halbleiterkörpers und die Anbringung der Kontakte sind bekannt und für die Erfindung nicht von wesentlicher Bedeutung. Nachdem diese Kontakte mit aus Wachs bestehenden Maskierungsschichten 8 abgedeckt sind, wird das Ganze in eine 30 %ige Lösung von Kaliumhydroxyd gebracht, wobei die Zone 3 mit der Plus-Klemme einer Stromquelle 9 verbunden wird. Die Minus-Klemme wird über einen Begrenzungswiderstand 10 mit einer im? Bad hängenden Kathode 11 verbunden (s. Fig. 3). ' " _ „ΐϊ~■?·

Während dieser Behandlung ist der pn-übergang zwischen den Zonen 3 und 4 in Vorwärtsrichtung geschaltet. Bekanntlich wird jetzt die η-leitende Basiszone 4 am stärksten abgeätzt.

Zwischen den Kontakten 5 und 6, die auf den Zonen 2 und 4 angebracht sind, liegt jedoch eine zweite Stromquelle 11, die den pn-übergang zwischen diesen Zonen in Sperrichtung belastet. Infolgedessen erfährt die bei diesem pn-übergang vorhandene Raumladungszone in der η-leitenden Zone 4 eine Erweiterung, die durch eine gestrichelte Linie 12 angedeutet ist. Dieser Teil der Basiszone 4 wird von der Ätzflüssigkeit nicht oder nur in geringem Maße angegriffen, wodurch dort, wo die η-leitende Basiszone 4 an die Oberfläche tritt, eine an die Zone 3 grenzende Nut 15 gebildet wird, während angrenzend an die Zone 2 ein Randteil 16 übrigbleibt (s. Fig.4).

Wenn die Zone 2 die Emitterzone und die Zone 3 die Kollektorzone eines Transistors bilden, dürfte einleuchten, daß der Weg zwischen diesen Zonen _ao über die Oberfläche der Basiszone 4 langer ist als der unmittelbar gemessene Abstand zwischen Emitter- und Kollektorzone. Der erstgenannte Weg längs der Oberfläche ist in der in vergrößertem Maßstab gezeichneten Fig.5 mit 17 bezeichnet Würde der _a5 Halbleiterkörper auf übliche Weise ohne die Erzeugung der Raumladungszone 12 geätzt, so hätte sich in der Basiszone 4 eine breite Nut gebildet, deren Begrenzung in F i g. 5 mit 18 bezeichnet ist. In diesem Falle wäre der Weg von der Emitterzone zur Kollektorzone über die Oberfläche der Basiszone viel kürzer, ν

Als zweites Beispiel dient die Herstellung eines Legierungs-Diffusions-Transistors, der für Schaltzwecke bestimmt ist. Es ist bekannt, solche Transistoren mit die Lebensdauer der Ladungsträger verringernden Stoffen, z. B. Gold, zu dotieren.

Es wird vorzugsweise von einer 200 μΐη dicken Germaniumscheibe 21 (Fig. 6) vom p-Leitungstyp mit einem spezifischen Widerstand von 1 Ohm cm ausgegangen. Auf eine Seite wird eine Goldschicht 22 mit einer Dicke von 0,3 bis 0,4 μπι aufgedampft,· wonach das Gold durch eine vier Stunden dauernde Erhitzung auf 800° C in Wasserstoff in die Germaniumscheibe eindiffundiert wird. Die Goldschicht 22 Iegiert dabei mit dem Germanium und verschwindet teilweise durch Diffusion. Es kann aber natürlich auch eine Scheibe Verwendung finden, die aus einem Germaniumkörper gesägt ist, der ganz mit einem die Lebensdauer der Ladungsträger vermindernden Stoff, wie z. B. Gold, dotiert wurde. Dann wird der obere Teil der Scheibe bis zu einer Dicke von 100 μπι weggeätzt, um etwaige Oberflächenverunreinigungen zu beseitigen (s. F i g. 7).

Auf die derart erhaltene Germaniumscheibe, die nunmehr mit 23 bezeichnet wird, werden in einem Abstand von 40 μπι voneinander zwei Mengen* an Kontaktmaterial aufgebracht, die die Gestalt von Kugeln mit einem Durchmesser von 150 μπι haben. Diese Kugeln bestehen aus einer Legierung von Blei mit 5 Gewichtsprozent Antimon und etwa 1 Gewichtsprozent Aluminium bzw. aus einer Legierung von Blei mit 5 Gewichtsprozent Antimon ohne Aluminium.

Durch eine 6 Minuten dauernde Erhitzung auf eine Temperatur von etwa 750⁰C in Wasserstoff wird das Kontaktmaterial auflegiert (s. F i g. 8). Dabei diffundiert das Antimon aus diesem Material in die Oberfläche der p-leitenden Germaniumscheibe ein und bildet dort eine Basiszone 24 mit einer Dicke von etwa Ιμπι. Diese Zone 24 bedeckt die ganze Germaniumscheibe 23 und setzt sich auch unter den gebildeten Kontakten 25 und 26 fort, wie in Fig. 8 in Vergrößertem Maßstab dargestellt Während des Aufschmelzvorganges hat sich Germanium im Kontaktmaterial gelöst, das jedoch beim Abkühlen wieder segregiert und unter den Kontakten 25 und 26 zwei Zonen 27 und 28 bildet, deren erstere infolge ihres Antimongehaltes η-leitend ist, während die zweite Zone 28 infolge der höheren Löslichkeit von Aluminium in Germanium p-leitend ist Die Zone 28 bildet somit die eigentliche Emitterzone, während die Teilzonen 24 und 27 die Basiszone bilden. Die Zone 23 ist die Kollektorzone. Während des Diffusionsvorganges wandert eine kleine Goldmenge aus der unmittelbaren Nähe dieser Kontakte in einer Richtung, die derjenigen des hineindiffundierenden Antimons entgegengesetzt-ist, wodurch die schädliche Wirkung des Goldes auf die Lebensdauer der Ladungsträger in der Basiszone verringert wird. Nachdem die Zone 24 von der Unterseite der Scheibe 23 entfernt worden ist, z. B. durch Ätzen, wird die Germaniumscheibe mit Hufe einer Legierung aus Indium und Gallium auf einen Kollektorkontakt 29 aufgelötet.

Dann werden an die Kontakte 25 und 26 zwei Zuführungsdrähte 30 und 31 angelötet, und das Ganze wird mit einem maskierenden Lack 32 überzogen (s. Fig. 9). Dieser Lack wird dann von der ganzen Halbleiteroberfläche entfernt, ausgenommen dem Teil, der sich zwischen den Kontakten 25 und 26 befindet. Dies kann dadurch erfolgen, daß, wie in den Fig. 10 und 11 schematisch dargestellt ist, ein Lösungsmittel für diesen Lack, z. B. Aceton, verstäubt und zunächst in Richtung des Pfeiles 33 und dann in Richtung des Pfeiles 34 auf die Kontakte gerichtet wird. Auf diese Weise ist nur der zwischen den Kontakten 25 und 26 befindliche Teil 35 des Lackes für das Lösungsmittel unerreichbar.

Eine kennzeichnende Eigenschaft der so gebildeten Maskierung 35 ist die, daß der größere Teil der Begrenzung der Kontakte 25 und 26 und der Basiszone 24 unbedeckt bleibt.

Der Halbleiterkörper wird jetzt einer Ätzbehandlung unterworfen, die wieder in einer 30 °/oigen Lösung von Kaliumhydroxyd in Wasser erfolgen kann, wobei die Basiszuleitung 30 und der Kollektorkontakt 29 miteinander verbunden und über einen Begrenzungswiderstand 40 an die Plus-Klemme einer Stromquelle 41 gelegt sind. Die Spannung dieser Stromquelle kann etwa 2 Volt betragen. Die Minus-Klemme ist mit einer Kathode 42 verbunden (s. Fig. 12). Zwischen der Emitterzuleitung31 und der Basiszuleitung 30 liegt weiter eine Stromquelle 43, die den pn-übergang zwischen der p-leitenden Emitterzone und der n-Ieitenden Basiszone in Sperrrichtung belastet. Die Spannung dieser Stromquelle kann etwa 3 Volt betragen. Sofern erforderlich, sind die im Elektrolyten befindlichen Teile der Leiter durch eine nicht dargestellte Maskierung geschützt.

Das Ergebnis dieser Bearbeitung ist, daß die n-leitende Basiszone 24 weggeätzt wird, außer an der Stelle, an der sie von der Maske 35 bedeckt ist, und am Rand der Emitterzone 28 entlang, wo sich unter der Einwirkung der Spannungsquelle 43 eine Raumladungszone gebildet hat. Schließlich wird die Maske 35 in Aceton gelöst.

Die Fig. 13 und 14 zeigen die wichtigsten Teile des so entstandenen Transistors in vergrößertem Maßstab. ,

Der Randteil der Basiszone 24 ist mit 50 bezeichnet. Dieser Randteil ist auf der p-leitenden Emitterzone 28 angeordnet. Die Dicke dieses Randteiles 50 ist deutlichkeitshalber übertrieben dargestellt; in Wirklichkeit ist die Dicke von der Größenordnung .0,1 μΐη. Der Randteil 50 hat sich nur dort gebildet, wo die Raumladungszone während des Ätzvorganges ihren Einfluß ausübte, deshalb hat sich unter dem Basiskontakt 25 in der Nähe des mit 51 bezeichneten Teiles der Basiszone 24 kein Randteil gebildet.

Fig. 15 zeigt eine vereinfachte Vorrichtung zum Ätzen solcher Transistoren. Diese unterscheidet sich von der in Fig. 12 dargestellten Vorrichtung dadurch, daß das von der Stromquelle 41 abgekehrte Ende des Begrenzungswiderstandes 40 nur mit der Basiszuleitung-30 und nicht mit dem Kollektorkontakt 29 verbunden ist. Die Emitterzuleitung 31 ist unmittelbar mit der Minus-Klemme der Stromquelle 41 verbunden. Beträgt die Spannung der Stromquelle ίο z. B. 3,5 Volt und ist der Spannungsabfall im Widerstand 1,5 Volt, so liegt über dem pn-übergang zwischen der Emitter- und der Basiszone eine Spannung von 2 Volt in Sperrichtung.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

209 683/134

Claims (8)

1 2 ' einer Maskierungsschicht (35) bedeckt wird und Patentansprüche: danach der verbleibende, nicht maskierte, sich bis zur Emitterzone (28) erstreckende Oberflächen-

1. Flächentransistor mit einer mindestens an teil elektrolytisch abgeätzt wird (Fig. 11, 12).
der Oberfläche des Halbleiterkörpers dünnen Ba- 5

siszone vom n-Leitungstyp, dadurch gekennzeichnet, daß zum Verlängern des -^:'"■-*-*»■"■*---■'■-·■·' >
Oberflächenweges zwischen der Emitter- und der \ ^,Μ^ΐ^ΐί^-^ '
Kollektorzone (2, 3) über die Dicke der Basiszone ί 1 XLtlCr^.".

hinaus die Basiszone am Rand eines pn-Übergan- m Die Erfindung betriff feinen Flächentransistor mit

ges (3/4) eine Nut (15) aufweist, so daß am Rand einer mindestens an der Oberfläche des Halbleiter-

des anderen pn-Überganges (2/4) die Basiszone körpers dünnen Basiszone vom n-Leitungstyp sowie

einen Randteil (16) aufweist (F i g. 4). ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Transi-

2. Flächentransistor nach Anspruch 1, dadurch stors.

gekennzeichnet, daß der Randteil (16, 50) auf der 15 Es sind solche Flächentransistoren bekannt, die angrenzenden Emitterzone (2, 28) angeordnet ist dadurch hergestellt werden, daß ein Halbleiterkristall (Fig.4, 13). aus einer Schmelze gezogen wird, wobei die Tempe-

3. Flächentransistor nach einem der vorstehen- ratur, die Ziehgeschwindigkeit und/oder die Zusam-' den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die mensetzung der Schmelze so verändert werden, daß Dicke der Basiszone nicht mehr als 2 μπι beträgt, ao sich die gewünschte dünne Basiszone bildet.

4. Verfahren zum Herstellen eines Flächen- Ein sehr gut brauchbares bekanntes Verfahren transistors nach einem der vorstehenden An- zum Erzeugen einer dünnen p-leitenden Basiszone Sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Halb- eines Flächentransistors besteht darin, auf . einen s leiterkörper, bei dem eine mindestens an der Halbleiterkörper vom p-Leitungstyp eine Donator-Oberfläche des Halbleiterkörpers dünne Basis- 25 material und Akzeptormaterial. enthaltende Legiezone vom n-Leitungstyp zwischen zwei Zonen rung aufzuschmelzen, wobei das Donator- und das vom p-Leitungstyp liegt, zum Erzeugen der Nut Akzeptormaterial so gewählt ist, daß die Diffusionsauf elektrolytischem Wege geätzt wird, wobei geschwindigkeit der Donatoren größer als diejenige mindestens eine der p-leitenden Zonen (3, 23) des der Akzeptoren ist und daß die Segregationskon-Halbleiterkörpers mit der Plus-Klemme einer 30 stante der Akzeptoren größer als diejenige der Dona-Stromquelle (9, 41) verbunden ist, deren Minus- toren ist, und dabei die Wahl derart getroffen ist, daß Klemme mit einer im Elektrolyten befindlichen sich unter der Legierung eine dünne durch Diffusion Kathode (11, 42) verbunden ist, während über erzeugte Basiszone vom n-Leitungstyp und auf dieser einem der pn-Übergänge (2/4, 24/28) zwischen eine durch Segregation erzeugte Emitterzone vom der η-leitenden Basiszone (4, 24) und einer der 35 p-Leitungstyp bildet.

angrenzenden Zonen (2, 28) vom p-Leitungstyp Solche Transistoren sind von den Transistoren zu

eine Spannung in Sperrichtung aufrechterhalten unterscheiden, bei denen die Basiszone nur zwischen wird (F ig. 3, 12, 15). dem Emitter und dem Kollektor einen dünnen Teil

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch ge- aufweist, der von dicken Randteilen umgeben ist. kennzeichnet, daß die Spannung zwischen 1 und 40 Diese Transistoren ergeben sich z. B. dadurch, daß 5 Volt liegt. auf zwei einander gegenüberliegenden Seiten eines

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch Halbleiterkörpers eine Emitter- bzw. eine Kollektorgekennzeichnet, daß eine der an die η-leitende elektrode aufgeschmolzen wird, oder dadurch, daß in Basiszone angrenzenden Zonen (28) vom p-Lei- gegenüberliegenden Seiten eines solchen Halbleiter- τ tungstyp elektrisch mit der im Elektrolyten be- 45 körpers durch Ätzen Hohlräume angebracht werden, findlichen Kathode (42) und mit der Minus- in denen auf galvanischem Wege Elektroden an-Klemme der Stromquelle (41) verbunden ist, geordnet werden.

während die Plus-Klemme der Stromquelle über Auf Transistoren, bei denen der an die Oberfläche

einen Begrenzungswiderstand (40) mit der n-lei- tretende Teil der Basiszone viel dicker als der zwi-

tenden Basiszone (42, 27) verbunden ist, wobei 50 sehen dem Emitter und dem Kollektor liegende Teil

die Anordnung derart getroffen ist, daß sich zwi- der Basiszone ist, bezieht sich die Erfindung nicht,

sehen der erwähnten Zone (28) vom p-Leitungs- Bei Transistoren, bei denen der an die Oberfläche

typ und der Basiszone (24) vom n-Leitungstyp tretende Teil der Basiszone sehr dünn ist, können,

eine Spannung in Sperrichtung ergibt, die gleich insbesondere wenn sie für Schaltzwecke verwendet

der Spannung der Stromquelle vermindert um die 55 werden, Instabilitäten auftreten. Es können z. B. bei

über dem Vorschaltwiderstand erzeugte Span- solchen Transistoren, wenn sie im Aus-Zustand sind

nungist(Fig. 15). und in der Steuerspannung Spannungsschwankungen

7. Verfahren nach den Ansprüchen 4 bis 6, da- von nur wenigen Volt auftreten, kurzzeitig Ströme durch gekennzeichnet, daß es zur Änderung der hindurchgelassen werden, die unbeabsichtigte Schalt-Nut bei einem Flächentransistor Anwendung fin- 60 Wirkungen zur Folge haben. Die Spannungen, bei dedet, dessen Emitterzone sowohl Donatoren als nen diese Wirkungen auftreten, sind viel kleiner als auch Akzeptoren enthält und dessen dünne Basis- die, bei denen ein Durchschlag zwischen der Emitterzone durch Diffusion gebildet ist. und der Kollektorzone über den an die Oberfläche

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis tretenden Teil der dünnen Basiszone auftritt. Eine 7, dadurch gekennzeichnet, daß vor der elektroly- 65 Erklärung der erwähnten Wirkung könnte die sein, tischen Ätzung ein an die Emitterzone (28) an- daß sich auf dem an der Oberfläche liegenden Teil grenzender Obefflächenteil des Halbleiterkörpers der Basiszone eine Inversionsschicht bildet, deren gegen den Angriff durch den Elektrolyten mit Leitfähigkeit von der Spannung zwischen dem Emit-