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Verfahren zur Herstellung eines Transistors
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Transistors, bei dem durch Diffusion einer Verunreinigung des einen Leitfähigkeitstyps in einen Halbleiterkörper des andern Leitfähigkeitstyps wenigstens ein Teil einer Basiszone des einen Leitfähigkeitstyps und ein Kollektorübergang mit dem den andern Leitfähigkeitstyp aufweisenden Rest des Halbleiterkörpers gebildet werden, worauf auf der Basiszone nebeneinander ein Emitterkontakt mit zugehöriger Emitterzone des andern Leitfähigkeitstyps auflegiert und ein Basiskontakt angebracht wird.
Dieses Verfahren wird unter anderem bei der Herstellung von Hochfrequenztransistoren mit geringer
Stärke der Basisschicht häufig verwendet. Ausser dieser Basisstärke sind ferner der Emitterwirkungsgrad und der Basiswiderstand für gute Wirkung des Transistors von Bedeutung. Für eine wirtschaftliche
Serienherstellung ist es erwünscht, für diese Grössen auf einfache Weise einen hohen Grad der Reproduzierbarkeit zu erzielen. Bei den bekannten Diffusionstransistoren, bei denen in der Diffusionsschicht die Konzentration an Verunreinigungen von der Oberfläche her mit gleichmässiger Kontinuität z.
B. gemäss einer exponentiellen Kurve oder gemäss einer Fehlerfunktion von Gauss nach dem Kollektorübergang abnimmt, ergibt es sich in der Praxis, dass auch mit Rücksicht auf die Einfachheit und die Reproduzierbarkeit bei der Herstellung ein Kompromiss in bezug auf die Güte des Emitterwirkungsgrades und auf den Basiswiderstand gefunden werden muss. Bei einer zu schroffen Abnahme der Konzentration in der Diffusionsschicht wird beim Auflegieren des Emitters die Eindringtiefe der Emitterzone eine kritische Grösse, was für die Reproduzierbarkeit des Emittereffektes ungünstig ist und ausserdem ungünstige Werte dieser Grössen mit sich bringen kann. Ein zu kleines Konzentrationsgefälle in der Diffusionsschicht kann hingegen einen zu hohen Basiswiderstand hervorrufen.
Die Erfindung bezweckt unter anderem, ein einfaches, für Reihenherstellung gut geeignetes Verfahren zu schaffen, bei dem ein günstiges Kompromiss in bezug auf Reproduzierbarkeit, Emitterwirkungsgrad und Basiswiderstand erzielbar ist.
Bei dem eingangs erwähnten Herstellungsverfahren wird zu diesem Zweck gemäss der Erfindung die Basiszone in mindestens zwei Stufen hergestellt, wobei während der ersten Stufe durch Diffusion einer Verunreinigung des einen Typs eine für die Basiszone bestimmte Schicht in einem Halbleiterkörper des andern Typs angebracht wird und während der darauffolgenden zweiten Stufe diese Schicht mit einer Oberflächenschicht mit einer im Vergleich zur ersten Schicht erhöhten Konzentration an Verunreinigung desselben Typs mit einer Stärke versehen wird, die kleiner ist als die der ersten Schicht. Beim Auflegieren der Emitterzone und des Emitterkontaktes wird die Emitterzone durch die Oberflächenschicht mit erhöhter Konzentration bis in die erste Diffusionsschicht gebracht.
Der Basiskontakt wird auf übliche Weise neben dem Emitterkontakt angebracht, wodurch durch die Oberflächenschicht mit erhöhter Konzentration ein niedriger Basiswiderstand erzielt wird. Da die Emitterzone bis in die erstgenannte Schicht mit niedriger Konzentration eindringt, wird praktisch unabhängig von dem Basiswiderstand ein guter Emitterwirkungsgrad erzielt. Da in der erstgenannten Schicht das Konzentrationsgefälle verhältnismässig klein gewählt werden kann, während durch die Oberflächenschicht mit erhöhter Konzentration dennoch ein niedriger Basiswiderstand erzielbar ist, ist die Eindringtiefe der Emitterzone weniger kritisch, wodurch die Reproduzierbarkeit vergrössert wird.
Die zweite Stufe zum Anbringen der Oberflächenschicht mit erhöhter Konzentration besteht vorzugsweise auch aus der Diffusion einer Verunreinigung des einen Typs, die zu diesem Zweck in die Oberfläche der erstgenannten Diffusionsschicht bei einer höheren Oberflächenkonzentration und geringerer Eindringtiefe als bei der ersten Diffusionsstufe eindiffundiert wird. Bei den beiden Diffusionsbehandlungen wird vorzugsweise die gleiche Verunreinigung des einen Typs benutzt, obgleich innerhalb des Rahmens der Erfindung auch die Möglichkeit vorliegt, zwei verschiedene Verunreinigungen des einen Typs zu benutzen.
Für einen p-Typ-Germaniumkörper wird z. B. Arsen als diffundierende Donator-Verunreinigung benutzt.
Die dünne Oberflächenschicht mit erhöhter Konzentration wird vorzugsweise in der ersten Diffusionsschicht erzeugt, indem während der zweiten Diffusionsbehandlung die die Verunreinigung des einen Typs liefernde Quelle auf höhere Temperatur erhitzt wird als bei der ersten Diffusion, wodurch die Dampfspannung und somit die Oberflächenkonzentration grösser werden, und indem die zweite Diffusionsbehand-
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lung während bedeutend kürzerer Zeit durchgeführt wird. Die zweite Diffusionsbehandlung kann der ersten unmittelbar folgen und durch eine zeitweise Erhöhung der Temperatur der Quelle erzielt werden.
Bei Verwendung von einer p-Typ-Germaniumplatte und von Arsen als Verunreinigung hat es sich z. B. als besonders zweckdienlich gezeigt, die erste Diffusionsstufe während etwa einer Stunde mit einer Temperatur des Germaniums von etwa 700 C und der Arsenquelle von etwa 50 C bis 100 C durchzuführen während die zweite Diffusionsstufe innerhalb einer Zeit von etwa 5 bis 10 min bei einer Temperatur von etwa 700 C für das Germanium und von etwa 300 C für die Arsenquelle durchgeführt wird. Bei Verwendung eines Germanium-Halbleiterkörpers wird als p-Typ-Emittermaterial z. B. Aluminium und als Basiskontaktmaterial vorzugsweise eine Antimon-Goldlegierung benutzt.
Das Anbringen der Oberflächenschicht mit erhöhter Konzentration kann mit ähnlichen Vorteilen auch auf andere Weise durchgeführt werden. Es hat sich in dieser Beziehung ebenfalls als besonders zweckmässig gezeigt, diese Oberflächenschicht auf epitaxialem Wege aus einem Dampf oder einer Schmelze, der bzw. die Halbleitermaterial enthält, anwachsen zu lassen. Zu diesem Zweck kann Germanium mit einer hohen Konzentration an Verunreinigung des einen Typs auf die zuerst gebildete Schicht aufgedampft oder durch thermische Zersetzung von Germaniumverbindungen auf dieser Schicht abgelagert werden. Es ist auch möglich, diese Oberflächenschicht aus der Schmelze anwachsen zu lassen. Zu diesem Zweck wird z.
B. der Germaniumhalbleiterkörper mit der zuerst gebildeten Diffusoinsschicht in einem schräg verlaufenden Rohr untergebracht, das am Boden eine Menge einer Blei-Zinnlegierung mit Arsen als Verunreinigung enthält. Das Rohr wird auf etwa 6000 C erhitzt, um die Blei-Zinnlegierung schmelzen zu lassen, worauf das Rohr in waagrechte Lage gebracht wird, um die Schmelze über die zuerst gebildete Diffusionsschicht des Germaniumkörpers ausfliessen zu lassen. Die Temperatur kann darauf bis auf z. B. 650 C erhöht werden, um die Germaniumoberfläche zu reinigen und eine dünne Oberflächenschicht zu lösen, worauf
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Das Verfahren nach der Erfindung wird vorzugsweise derart durchgeführt, dass die Oberflächenschicht mit erhöhter Konzentration etwa ein Zehntel der Gesamtstärke der Basiszone hat, während die Emitterzone durch die Oberflächenschicht bis in eine Tiefe legiert wird, die annähernd gleich der Hälfte der Stärke
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und den Basiswiderstand.
Die Erfindung bezieht sich weiter auf einen Transistor, der durch ein oder mehrere Verfahren nach der Erfindung hergestellt ist.
Die Erfindung wird nachstehend an Hand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert.
Fig. 1 a zeigt eine graphische Darstellung, in der als Abszisse die Konzentration an Verunreinigung in Atomen pro cm3 und als Ordinate die Eindringtiefe D von der Oberfläche her in li aufgetragen sind, welche Konzentrationsverteilung bei einem durch das Verfahren nach der Erfindung hergestellten Transistor auftritt, dessen erfindungsgemäss wesentlicher Teil im Schnitt schematisch in Fig. 1 b dargestellt ist. Fig. 2 zeigt den gleichen Transistor der Fig. 1 b in einer perspektivischen Ansicht.
Die Herstellung eines Transistors des sogenannten Mesa-Typs durch das erfindungsgemässe Verfahren wird nachstehend in weiteren Einzelheiten an Hand vorstehend erwähnter Figuren näher erläutert.
Es wird von einer p- Typ-Germaniumplatte 1 mit einer Konzentration von etwa 1015 Akzeptoren pro cm3 ausgegangen. Dieser Konzentrationspegel ist in Fig. l a durch die gestrichelte Linie 2 angedeutet.
Die Platte wird auf übliche Weise in einem Ofen mit zwei Temperaturbereichen auf 700 C während einer Stunde in Anwesenheit einer Menge Arsen erhitzt, die auf etwa 50 - 1000 C erhitzt wird, wodurch
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Das Arsen diffundiert dabei in den Germaniumkörper und bildet in einer Tiefe von etwa l il einen Kol- lektor-pn-Übergang. Fig. 1 b zeigt den wesentlichen Teil des Transistors in einem Schnitt, wobei die Arsendiffusion von der Oberfläche 3 der Germaniumscheibe 1 her stattgefunden hat und ein in einer Tiefe von 1 (1. vorhandener, durch die gestrichelte Linie 4 angedeuteter Kollektor-pn-Übergang 4 gebildet wird. Das teilweise dargestellte Halbleitermaterial unterhalb der gestrichelten Linie 4 bildet die p-TypKollektorzone 5 und der oberhalb der gestrichelten Linie 4 liegende Teil 6 dient für die n-Typ-Basiszone.
Am Ende der ersten Diffusionsbehandlung wird die Temperatur der Arsenmenge, während das Germanium noch auf einer Temperatur von etwa 7000 C ist, auf etwa 300 C für die zweite Diffusionsbehandlung erhöht, die etwa 5-10 min beansprucht. Während der zweiten Diffusionsbehandlung wird wegen des bedeutend höheren Dampfdrucks des Arsens eine Oberflächenschicht 7 mit stark erhöhter Arsenkonzentration gebildet, die jedoch infolge der kurzen Behandlungsdauer nur eine Stärke von etwa 0, 1 tL hat.
Das Ergebnis dieser zweiten Diffusionsbehandlung ist eine Basiszone, die aus zwei Schichten 6 und 7 mit einem Konzentrationsunterschied besteht-was aus Fig. 1 a deutlich ersichtlich ist-, in welcher der Verlauf der Arsenkonzentration als Abszisse und die Eindringtiefe D als Ordinate aufgetragen sind. An der Oberfläche des Körpers liegt eine Schicht mit einer stark erhöhten Konzentration (Linie 9 a deutet
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den Verlauf an) zwischen etwa 1019 und lOI6 Arsenatomen/cm, welche durch die zweite Diffusionsbehand- lung erhalten ist. Die gestrichelte Linie 8 deutet in diesen Figuren die Grenzlinie des Bereichs der er- höhten Konzentration an.
Unterhalb dieser Grenzlinie 8 erstreckt sich über einen Knick in der Konzen- trationslinie bis zum Kollektorübergang 4 eine erheblich weniger steil verlaufende Konzentrationsver- teilung 9 b, die über einen Abstand von etwa ut nur von etwa 1016 auf 1015 Arsenatome/cm3 abfällt.
Der Verlauf der Kurve 9 b ist auf die erste Diffusionsbehandlung zurückzuführen, die bei einem kleineren
Arsendampfdruck während einer längeren Zeit durchgeführt wurde.
Auf die Basiszone 6, 7 wird darauf zur Herstellung eines Emitterkontaktes 10 mit zugehöriger Emitter- zone 11 eine Aluminiumschicht aufgedampft und bis zu einer Tiefe von etwa 0, l5 (. L auf an sich bekannter
Weise einlegiert, wobei sich die rekristallisierte p-Typ-Emitterzone und der Aluminiumemitterkontakt 10 bilden. Der Emitterübergang 12 dringt somit durch die Oberflächenschicht 7 hindurch bis in die Schicht 6 mit einem geringen Konzentrationsgefälle und mit niedriger Konzentration. Der Basiskontakt 13 mit zugehöriger rekristallisierter n- Typ-Schicht 14 kann auf an sich bekannte Weise durch Aufdampfen und
Einlegieren einer Gold-Antimonlegierung erhalten werden. Die Eindringtiefe des Basiskontaktes 13, 14 kann kleiner sein als die Eindringtiefe der Oberflächenschicht 7, z.
B. 0, 1 oder weniger oder gewünschtenfalls auch grösser. In Fig. 2 ist die gleiche Transistorstruktur perspektivisch dargestellt, wobei entsprechende
Teile mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet sind.
Infolge der stark erhöhten Konzentration an Verunreinigung in der dünnen (O, l [1.) oberen Schicht 7 der Basiszonerings um den Emitterkontakt 10 und der Emitterzone 11 wird eine Schicht mit sehr niedrigem spezifischen Widerstand gebildet, die einen niedrigen Basiswiderstand sichert. Die Eindringtiefe dieser Oberflächenschicht 7 ist jedoch geringer als die der Emitterzone 11, die im wesentlichen mit Material verhältnismässig hohen spezifischen Widerstands in Berührung ist. Die Emittereigenschaften, insbesondere der Emitterwirkungsgrad sind günstig. Gewünschtenfalls kann der Kontakt der Emitterzone und der Emitterkontakt mit der hochdotierten Schicht vollständig dadurch unterbrochen werden, dass rings um den Emitter auf an sich bekannte Weise eine Nut geätzt wird.
Die Konzentrationen (9 a bzw. 9 b in Fig. 1 a) in den Schichten 7 bzw. 6 (siehe Fig. 1 b) sind durch Verwendung der Erfindung unabhängig voneinander regelbar, u. zw. in der Weise, dass einerseits ein niedriger Basiswiderstand in hohem Masse unabhängig von dem Emitterwirkungsgrad und anderseits ein hoher Emitterwirkungsgrad in hohem Masse unabhängig von dem Basiswiderstand erzielt werden. Da die Emitterelektrode durch die Oberflächenschicht 7 hin in das Gebiet 6 mit niedrigerem Konzentrationsgefälle legiert wird, wird gleichzeitig die Reproduzierbarkeit verbessert. Das Verfahren nach der Erfindung eignet sich daher vorzüglich zur Durchführung einer wirtschaftlich günstigen Reihenherstellung von Diffusionstransistoren mit erheblichen Vorteilen im Vergleich zu den bekannten Verfahren.
Der Transistor kann weiter auf übbliche Weise mit einem Kollektorkontakt versehen und fertig bearbeitet werden.
Es sei schliesslich noch bemerkt, dass die Erfindung selbstverständlich nicht auf die vrostehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt ist und dass innerhalb des Rahmens der Erfindung zahlreiche Abarten dem Fachmann zur Verfügung stehen. Es können z. B. der Basiskontakt und der Emitterkontakt eine andere Gestalt haben ; ein Kontakt kann z. B. konzentrisch innerhalb des andern angebracht sein.
Zur weiteren Vereinfachung der Serienproduktion von identischen Transistoren kann von einer Halbleiterscheibe ausgegangen werden, die hinreichend gross ist, um nachträglich in eine grosse Anzahl von Transistorscheiben unterteilt zu werden, während die grosse Scheibe zunächst dem erfindungsgemässen Verfahren unterworfen wird, worauf sie in eine Anzahl gesonderter, praktisch gleicher Transistoren zerteilt wird, die bis zur Teilung gleichzeitig und auf gleiche Weise behandelt worden sind. Es können weiter auf übliche Weise die ausserhalb der unmittelbaren Nähe des Emitter- und des Basiskontaktes liegenden Teile von der Basiszone entfernt werden, so dass die mesaförmigen Transistoren erhalten werden.
Es ist auch möglich, das erfindungsgemässe Verfahren bei der Herstellung von sogenannten Planartransistoren durchzuführen, bei denen vor der Diffusionsbehandlung die Halbleiterscheibe mit einer maskierenden Schicht z. B. einer Oxydschicht versehen wird, um die Diffusion auf bestimmte Oberflächenteile des Körpers zu beschränken.
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