DE1129624B

DE1129624B - Verfahren zum Herstellen eines Drift-Transistors mit einem plaettchen-foermigen Halbleiterkoerper mit einem Widerstandsgradienten entlang seiner Dicke

Info

Publication number: DE1129624B
Application number: DEP20965A
Authority: DE
Inventors: Richard A Williams
Original assignee: Philco Ford Corp
Current assignee: Space Systems Loral LLC
Priority date: 1957-07-03
Filing date: 1958-07-03
Publication date: 1962-05-17
Also published as: NL229279A; GB894708A; BE568893A; US3096259A; FR1204732A; NL112311C

Description

DEUTSCHES

PATENTAMT

P 20965 VIIIc/21g

ANMELDETAG: 3. JULI 1958

BEKANNTMACHUNG
DER ANMELDUNG
UNDAUSGABEDER
AUSLEGESCHRIFT: 17. MAI 1962

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen der sogenannten Drift-Transistoren, d. h. von Transistoren, bei welchen die zwischen Emitterzone und Kollektorzone liegende Basisschicht hinsichtlich des spezifischen Widerstandes inhomogen ist und der spezifische Widerstand eine örtlich veränderliche Größe mit einem bestimmten Gradienten, vorzugsweise vom Emitter zum Kollektor, darstellt. Im besonderen betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines Drift-Transistors mit einem plättchenförmigen Halbleiterkörper, der entlang seiner Dicke einen Gradienten des spezifischen Widerstandes aufweist.

Durch diese Veränderlichkeit des spezifischen Widerstandes entlang der Dicke der Basisschicht derartiger Drift-Transistoren wird bekanntlich in der Basiszone ein elektrisches Feld hervorgerufen, welches die Minoritätsladungsträger vom Emitter zum Kollektor drängt, so daß sich die Übergangszeit gegenüber dem Fall, bei welchem die Bewegung der Minoritätsladungsträger innerhalb der Basisschicht lediglich auf Diffusion beruht, verringert.

Die Herstellung derartiger Drift-Transistoren, die wegen der verhältnismäßig geringen Laufzeit der Minoritätsladungsträger vom Emitter zum Kollektor eine besonders gute Hochfrequenztauglichkeit besitzen, stellt jedoch vor besondere Schwierigkeiten, die vor allem darauf beruhen, daß die Emitter- bzw. Kollektorzonen genau an denjenigen Stellen des Halbleiterkörpers erzeugt werden müssen, welche entsprechend dem in dem Halbleiterkörper vorgegebenen Gradienten des spezifischen Widerstandes die für die betreffenden Zonen gewünschten Werte des spezifischen Widerstandes besitzen. In diesem Zusammenhang ist zu beachten, daß nach dem Mechanismus des Drift-Transistors einerseits der Emitter an einer Stelle der Basiszone mit verhältnismäßig niedrigem spezifischem Widerstand, der Kollektor an einer Stelle mit verhältnismäßig hohem spezifischem Widerstand erzeugt werden soll, daß jedoch andererseits, wenn der spezifische Widerstand des Basishalbleitermaterials an der Stelle der Emitterzone zu niedrig bzw. an der Stelle der Kollektorzone zu hoch ist, sich ein zu geringes Injiziervermögen des Emitters und ein zu hoher Kollektorsättigungsstrom /_co ergeben, wodurch das elektrische Verhalten des Transistors beeinträchtigt wird. Auch andere Faktoren, wie beispielsweise die Kollektordurchschlagsspannung, hängen von dem jeweiligen spezifischen Widerstand ab.

Daraus ergibt sich, daß die genaue Lokalisierung der Emitter- bzw. Kollektorzonen an den Stellen mit Verfahren zum Herstellen eines Drift-Transistors mit einem plättchen-

förmigen Halbleiterkörper mit einem Widerstandsgradienten entlang seiner Dicke

Anmelder:

Philco Corporation,

Philadelphia, Pa. (V. St. A.)

Vertreter: Dipl.-Ing. C.Wallach, Patentanwalt, München 2, Kaufingerstr. 8

Beanspruchte Priorität: V. St. v. Amerika vom 3. Juli 1957

Richard A. Williams, Collingswood, N. J. (V. St. A.), ist als Erfinder genannt worden

genau den gewünschten Werten des spezifischen Widerstandes für die Erzielung befriedigender elektrischer Eigenschaften kritisch ist, woraus sich, angesichts der geringen Abmessungen der gesamten Halbleiterbauelemente, erhebliche fabrikationstechnische Probleme ergeben.

So geht man beispielsweise bei einem bekannten Verfahren zur Herstellung von Drift-Transistoren in der Weise vor, daß der Widerstandsgradient innerhalb der Basisschicht durch Eindiffundieren eines Aktivatormetalls in eine Oberflächenschicht des Halbleiterkörpers erzeugt wird, derart, daß weiter innenliegende Stellen auf Grund des geringexen Aktivatorgehaltes einen zunehmend höheren Widerstand aufweisen.

Nach dem bekannten Verfahren wurde nun zur Herstellung der Elektroden und der Zonen des Emitters und des Kollektors folgendermaßen verfahren: In dem in der beschriebenen Weise mit einem Wider-Standsgradienten innerhalb der Oberflächenschicht versehenen Halbleiterkörper wurde beispielsweise durch Einlegieren in die Oberflächenschicht von der einen Seite des Halbleiterkörpers her eine Emitterelektrode und durch Einlegieren von der gegenüberliegenden Seite des Halbleiterkörpers her durch diesen hindurch eine Kollektorelektrode an der anderen Seite, der Innenseite der Oberflächenschicht her-

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gestellt. Berücksichtigt man, daß es sich bei der genannten Oberflächenschicht um eine mikroskopisch dünne Schicht handelt, so ist ohne weiteres klar, daß das beschriebene Verfahren der Elektrodenherstellung durch Einlegieren von den Außenoberflächen des Halbleiterkörpers her, falls eine Mindestgenauigkeit in der Lokalisierung der Elektroden und der Zonen eingehalten werden soll, äußerst kritisch und kompliziert wird und erhebliche fabrikationstechnische Probleme mit sich bringt.

Durch die Erfindung soE ein einfaches Verfahren geschaffen werden, mit HiKe dessen die Emitter- und Kollektorzonen genau an denjenigen Stellen des Halbleiterkörpers erzeugt werden können, welche die in Aussicht genommenen Werte des spezifischen Wider-Standes aufweisen.

Gemäß der Erfindung ist zu diesem Zweck vorgesehen, daß der Halbleiterkörper, der entlang dem Gradienten die für die Emitter- bzw. Kollektorzone gewünschten Werte des spezifischen Widerstandes aufweist, an den beiden gegenüberliegenden Oberflächen so weit abgetragen wird, daß die gewünschten Werte des spezifischen Widerstandes freigelegt werden, daß an den freigelegten Oberflächen je eine Emitter- bzw. Kollektorelektrode derart angebracht werden, daß die Emitter- bzw. Kollektorzonen unmittelbar an oder unter den freigelegten Oberflächen des Halbleiterkörpers gebildet werden.

Indem man in dieser Weise gemäß der Erfindung einer Oberflächenschicht mit veränderlichem spezifischem Widerstand, beispielsweise durch Eindiffundieren einer Aktivatorsubstanz in die Oberfläche des Halbleiterkörpers, hergestellt wird, wobei der spezifische Widerstand an der Außenseite der Oberflächenschicht etwas niedriger als der für die Emitterzone in Aussicht genommene niedrige Wert und an der inneren Seite etwas höher als der für die Kollektorzone gewünschte hohe Wert des spezifischen Widerstandes ist.

Besonders vorteilhaft ist eine andere Weiterbildung des Verfahrens nach der Erfindung, bei welcher die Abtragung mittels elektrolytischer Strahlätzung so vorgenommen wird, daß eine Ätzmulde gebildet wird, an deren Bodenfläche die Emitter- bzw. Kollektorelektrode mit Zuleitungen angebracht wird. Da die äußere Oberfläche der Schicht einen sehr niedrigen spezifischen Widerstand aufweisen kann, bildet sie einen Weg niedrigen Widerstandes von der Basislasche zu dem Umfangsbereich der Emitterkontaktelektrode, wie dies zur Erzeugung der für gute Hochfrequenzeigenschaften erforderlichen niedrigen Werte des Basiswiderstandes erwünscht ist. Da jedoch die Emitterelektrode in einer Ätzmulde in der Schicht angeordnet ist, ist der spezifische Widerstand des angrenzenden Halbleitermaterials größer als an der Oberfläche, und es wird somit ein kleiner Bereich höheren Widerstandes zwischen dem Emitter und der

Verbindungen zwischen Emitter und der Basis, während gleichzeitig der erwünschte niedrige Basiswiderstand erhalten bleibt.

Das Verfahren gemäß der Erfindung ist insbesondere auch zur Anwendung bei der Massenfabrikation von Transistoren im Serienverfahren geeignet.

Zu diesem Zweck ist nach einer geeigneten Ausführungsform des Verfahrens nach der Erfindung vor-

Oberflächenschicht mit niedrigem Widerstand ge-

in einem als Basisschicht dienenden Halbleiterkörper 30 bildet. Dieser kleine Bereich mit höherem spezifischem mit einem Gradienten des spezifischen Widerstandes Widerstand dient zur Vermeidung von Kurzschlußdie Stellen mit den für die Emitter- und Kollektorzonen gewünschten Werten des spezifischen Widerstandes durch Materialabtragung freilegt und nachfolgend die Emitter- bzw. Kollektorzonen möglichst 35 oberflächig an den freigelegten Stellen erzeugt, wird gewährleistet, daß diese wirklich in den für sie in Aussicht genommenen Halbleiterbereichen entstehen. Dieses Verfahren gestattet somit bei fabrikationstechnischer Einfachheit eine hohe Genauigkeit der Lokali- ₄₀ gesehen, das zur Freilegung der gewünschten Werte sierung der Emitter- und Kollektorzonen. des spezifischen Widerstandes durch elektrolytisches

Die Freilegung der Oberflächen für die Elektroden kann dabei nach einem der bekannten Verfahren, beispielsweise durch elektrolytische Ätzung, insbesondere Strahlätzung, mit hoher Genauigkeit erfolgen.

Für die Emitter- bzw. Kollektorelektrode können nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel an den freigelegten Oberflächen Metallplattierungen im elektrolytischen Strahlplattierverfahren aufgebracht werden.

Die Emitter- bzw. Kollektorelektroden als solche können entweder an den freigelegten Oberflächen des Halbleiterkörpers anlegiert (Legierungselektroden) oder mit auf der Oberfläche des Halbleiterkörpers liegender Sperrschicht (Surface-barrier-Elektrode) oberflächennah ausgebildet werden.

Derartige Elektroden mit auf der Oberfläche des

Halbleiterkörpers liegender Sperrschicht (Surfacebarrier-Elektrode) und ihre Herstellung sind an sich bekannt und in der Literatur beschrieben (vgl. Proc. I. R. E., 1953, Bd. 41, S. 1702 bis 1720; Zeitschrift für Elektrochemie, Bd. 58, 1954, Nr. 5, S. 283 bis 321, insbesondere S. 314 und 315, sowie Dosse, »Der Transistor«, München, 1955, S. 35).

Besonders vorteilhaft ist eine Weiterbildung des Verfahrens nach der Erfindung, bei welcher der Widerstandsgradient in dem Halbleiterkörper in an sich bekannter Weise durch vorhergehende Erzeugung Strahlätzen an einer großen Anzahl von Halbleiterkörpern mit gleichartiger Verteilung des spezifischen Widerstands eine gleiche Ätzdauer gewählt wird.

Die zur Freilegung erforderliche Ätzdauer kann dabei durch eine Probeätzung in der Weise ermittelt werden, daß abwechselnd geätzt und der spezifische Widerstand der jeweils freigelegten Oberfläche gemessen wird.

Nach einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens nach der Erfindung kann vorgesehen sein, daß für den spezifischen Widerstand in der Oberflächenschicht mit Widerstandsgradient ein exponentieller Verlauf gewählt wird.

Nach dem Verfahren gemäß der Erfindung war es beispielsweise möglich, Transistoren mit einer oberen Frequenzgrenze von wenigstens 1000 MHz reproduzierbar herzustellen, die mit verhältnismäßig hohen Kollektorspannungen in der Größenordnung von 30 V und mit verhältnismäßig hohen Kollektorsignalspannungen in der Größenordnung von 30 V von Spitze zu Spitze betrieben werden können.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus folgender Beschreibung an Hand der Zeichnung. In dieser zeigt

Fig. 1 ein Schema zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer seiner möglichen Ausführungsformen,

Fig. 2 A, 2B, 2C, 2D und 2E Querschnittansichten eines Körpers aus halbleitendem Material in verschiedenen Stadien des Herstellungsverfahrens nach Fig. 1,

Fig. 3 eine graphische Darstellung, auf welche bei der Beschreibung der Ausführung der Erfindung in einer ihrer Formen Bezug genommen wird,

Fig. 4 in Querschnittsdarstellung ein betriebsfertiges Halbleiterbauelement nach einer Ausführungsform des Verfahrens nach der Erfindung.

Die im folgenden zur Erläuterung der Einzelheiten der Erfindung zunächst beschriebene erste Ausführungsform dient nur als Beispiel und stellt nur eine besondere Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf die Herstellung von Germaniumtransistoren vom sogenannten Mikrolegierungs-Drift-Typ dar, die bis zu außerordentlich hohen Frequenzen in der Größenordnung von 1000 MHz verwendbar sind.

Als erster Schritt des Herstellungsverfahrens wird eine Anzahl gleichartiger Halbleiterblättchen von einheitlich hohem spezifischem Widerstand aus einem geeigneten Halbleitermaterial, wie beispielsweise 20 Ohm · cm mit Antimon oberflächenbehandeltes N-Germanium mit einer Minontätsträgerlebensdauer von etwa 50 bis 500 MikroSekunden, hergestellt, indem man sie beispielsweise aus einem Einkristallblock schneidet und ihnen durch Formätzung die gewünschten Abmessungen, beispielsweise 0,25 X 0,25 X 7,6 · lQ~³cm, gibt.

Jedes dieser Blättchen wird sodann unter sorgfältig eingehaltenen Bedingungen mit einer Oberflächenschicht von stärkerem N-Charakter versehen, derart, daß der Gradient des spezifischen Widerstandes für alle Blättchen im wesentlichen gleich ist. Ein derartiges Blättchen ist in Fig. 2 A dargestellt, die einen Halbleiterkörper 10 zeigt, der mit einer Oberflächenschicht 12 versehen ist, welche vom gleichen Leitfähigkeitstyp wie das Innere des Körpers 10 sein, jedoch einen geringeren spezifischen Widerstand haben kann. Diese Oberflächenschicht erhält man vorzugsweise durch Eintauchen der Blättchen in ein im wesentlichen gleichförmig mit einem N-Fremdmetall angereichertes Medium, derart, daß das Fremdmetall in die Oberfläche diffundiert und eine Konzentration an zugesetzten Fremdatomen erzeugt, die wenigstens über einen wesentlichen Teil der Schicht im wesentliehen exponentiell mit zunehmender Tiefe in dem Körper abnimmt, d. h. im wesentlichen nach der Funktion N_oe-^Ki(^x-^Xo), worin iV₀ die Konzentration zugesetzter Fremdatome in einem Punkt Z₀ an der Außenseite der Oberflächenschicht, X die Entfernung vom Punkt X₀ in den Körper, K₁ eine konstante und e die Basis der natürlichen Logarithmen bedeuten. Da der spezifische Widerstand sich im wesentlichen umgekehrt proportional zur Fremdstoffkonzentration ändert, nimmt er in diesem Teil im wesentlichen exponentiell mit zunehmender Tiefe in der Oberflächenschicht zu, d. h. im wesentlichen nach der Funktion R_oe^K2<-^x-^xo), worin R₀ der spezifische Widerstand im Punkt X₀ und K_% eine Konstante bedeuten. Eine typische Verteilung des spezifischen Widerstandes ist in Fig. 3 dargestellt, in der der Abszisse die Entfernung im Halbleiterkörper von der Oberfläche aus und der Ordinate der spezifische Widerstand des Halbleitermaterials entsprechen. Der Kurventeil zwischen der Ordinate und der Linie C entspricht der Oberflächenschicht 12, die Kurventeile rechts von C dem Inneren oder der Hauptstärke des Blättchens. Vorzugsweise treten die für die Basiszonen nahe der Emitter- und der Kollektorelektrode gewünschten Werte des spezifischen Widerstandes R_e und R_c innerhalb der Oberflächenschicht auf, wie dies durch Linien A und B in Fig. 3 angedeutet ist.

Die Einzelheiten dieser Oberflächendiffusionsverfahren sind der Fachwelt bekannt und brauchen im einzelnen hier nicht beschrieben zu werden. Bei einer Ausführungsform dieses Verfahrens werden beispielsweise die passend hergestellten Rohlinge zusammen mit einem geeigneten flüchtigen Zusatzstoff, wie beispielsweise Phosphor, während einer vorbestimmten Zeitdauer in einen Strahlungsofen vom Lindberg-Typ gebracht. Beispielsweise verbrachte man bei einer Anwendung 100 Germaniumblättchen und etwa 4 Milligramm Phosphor etwa 30 Minuten lang in einen auf 775 ± 10° C gehaltenen Strahlungsofen, in dem ein geregelter Wasserstoffstrom über den Phosphor und sodann über die Blättchen geleitet wurde. Der Ofen wurde sodann mit einer Geschwindigkeit von 10° C pro Minute auf 450° C abgekühlt, worauf man die Blättchen herausnahm und bei Zimmertemperatur abkühlen ließ. Nach diesem Verfahren wurden Oberflächenschichten von etwa 2,5 · 10 ~⁴ cm Dicke erzielt, in denen der spezifische Widerstand von einem Wert von etwa 0,0005 Ohm · cm an der äußeren Oberfläche der Schicht hin nach innen auf den in der Mitte des Blättchens herrschenden Wert zunahm und bei denen die Änderung wenigstens in den Bereich zwischen einem Punkt etwa 5 · 10 -³ cm unterhalb der Oberfläche bis zu einem Punkt etwa 2 · 10 ~⁴ cm unterhalb der Oberfläche im wesentlichen nach einer Exponentialfunktion verlief. Bei diesem Diffusionsprozeß sollen üblicherweise Vorkehrungen getroffen werden, um eine Verunreinigung der Blättchen durch unerwünschte Fremdstoffe, wie beispielsweise Kupfer, das in der Diffusionsapparatur unvermeidbar vorhanden ist, zu verhindern. Zu diesem Zweck hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, die oberflächenbehandelten Germaniumblättchen etwa 10 Minuten lang bei 800° C in heißes Kalicyanid einzutauchen, um so alle eventuellen Spuren von Kupfer herauszulaugen.

Nachdem man auf diese Weise einen Posten Halbleiterblättchen mit im wesentlichen gleichen Oberflächenschichten hergestellt hat, ist es zweckmäßig, sich ein Profil nach Art der Fig. 3 von der Oberflächenschicht eines typischen Blättchens aus dem Posten zu verschaffen, um auf diese Weise den spezifischen Widerstand an verschiedenen Punkten der Oberflächenschicht in jedem der anderen im wesentlichen gleichen Blättchen zu bestimmen. Ein derartiges Profil erhält man beispielsweise auf die Art, daß man das ausgewählte Probeblättchen abwechselnd ätzt und seine Dicke und den spezifischen Widerstand nach herkömmlichen Verfahren mißt. Wenn jedoch das Verfahren der Oberflächenbehandlung hinreichend kontrolliert ausgeführt wird, derart, daß Schichten vorbestimmter Dicke nach Belieben erzeugt werden können, ist diese Bestimmung des Profils nicht unbedingt erforderlich.

Um die optimale Anordnung der Emitterelektroden in den anderen Blättchen des Postens zu erleichtern, hat sich das im folgenden beschriebene begrenzte Profilbestimmungsverfahren als besonders vorteilhaft erwiesen. Eines der Blättchen aus dem Posten wird, an der äußeren Oberfläche beginnend und in die Oberflächenschicht hinein fortschreitend, der elektrolytischen Strahlätzung unterworfen, und diese Strahl-

ätzung erfolgt vorzugsweise unter im wesentlichen den gleichen Bedingungen, wie sie später bei der Strahlätzung der Emitterflächen der anderen Blättchen eingehalten werden. Die zeitliche Dauer des Ätzens wird während des ganzen Verfahrens registriert. Diese Strahlätzung wird jedoch zu wiederholten Malen unterbrochen und in den so gebildeten Pausen der spezifische Widerstand der freigelegten Oberfläche des Halbleiters gemessen. Bei Halbleitern nach Art des

Grund der Ätzmulde 18 freigelegte Material den für die Basisschicht unmittelbar an einem der Elektroden der fertiggestellten Anordnung, im beschriebenen Fall am Emitter, gewünschten spezifischen Widerstand 5 aufweist. Verfahren zum elektrolytischen Strahlätzen sind bekannt und brauchen daher nicht im einzelnen beschrieben zu werden. Allgemein gesprochen führt man das Verfahren im vorliegenden Fall so durch, daß man einen Strahl eines geeigneten Elektrolyten

N-Germaniums, die mit aufgelegten Metallkontakten io auf den zu ätzenden Bereich richtet, während man

eine ohne weiteres als Gleichrichterstrecken wirkende gleichzeitig die Basislasche 14 in bezug auf den Ätz-

Oberflächengrenzschicht bilden, wird die Messung des strahl 16 positiv vorspannt. Vorzugsweise wählt man

spezifischen Widerstandes vorzugsweise so durchge- die das Strahlätzen bestimmenden Größen im wesent-

führt, daß ein derartiges Metall auf die freigelegte liehen gleich wie bei dem oben beschriebenen Prüf-

Oberfläche aufgebracht, die Durchschlagsspannung 15 ätzen zur Bestimmung des Widerstandsprofils. Die

des so gebildeten Gleichrichters gemessen und dann Ätzdauer kann dann auf den mittels des Prüfätzver-

das Metall wieder entfernt wird. Besonders vorteilhaft fahrens als geeignet bestimmten Wert eingestellt

ist es zu diesem Zweck, auf die durch Strahlätzung werden.

freigelegte Oberfläche ein Metall, das eine derartige In einem typischen Fall kann das so freigelegte Oberflächengrenzschicht ergibt, nach dem Strahl- 20 Halbleitermaterial beispielsweise einen spezifischen Elektroplattierungsverfahren aufzubringen, sodann in Widerstand in der Größenordnung von 0,01 Ohm-cm Sperrichtung ein Vorspannpotential an das Metall zu an einer 5 · 10-⁵ cm unterhalb der Außenoberfläche legen und die Diodendurchschlagsspannung der so ge- der Schicht gelegenen Stelle aufweisen. Bei einem Beibildeten Diode zu messen. Aus dem Wert der Dioden- spiel wurde ein Strahl von 1,5 · 10 -² cm Durchmesser durchschlagsspannung kann der spezifische Wider- 25 aus 0,2 η-Schwefelsäure mit einem Ätzstrom von etwa stand des Materials unmittelbar unter dem Metall 0,4 mA etwa 2 Sekunden lang angewandt, ohne Schwierigkeit aus der bekannten Beziehung Wie in Fig. 2 D ersichtlich, wird in einem nächsten

_ Schritt sodann die Oberfläche des Blättchens 10 an

V — 70 ρ -

g gegenüberliegenden Stelle elektrobestimmt werden, worm V die Durchschlagsspannung 3° lytisch mittels eines Strahles 20 geätzt, der Vorzugsm Volt und ρ der spezifische Widerstand des Halb- weise einen größeren Durchmesser als der zur Ätleitermaterials in Ohm · cm bedeuten. Nach jeder der- zung der Emitterfläche verwendete Strahl 16 hat. In artigen Messung kann man das abgeschiedene Metall einem typischen Fall, wo die Hauptmasse des Körchemisch wegätzen, ohne daß dabei Halbleitermaterial pers 10 im wesentlichen einen spezifischen Widermit abgenommen würde, und sodann das Strahlätzen 35 stand von 20 Ohm · cm aufweist und der Kollektor

abschließend in einem Bereich des Basismaterials mit einem spezifischen Widerstand von etwa 10 Ohm ■ cm angeordnet werden soll, führt man den Strahlätzprozeß von der der Emittermulde gegenüberliegenden 40 Seite des Blättchens aus über die Oberflächenschicht hinaus durch die Hauptmasse des Halbleiterkörpers bis geringfügig in die Innenseite jener Oberflächenschicht fort, in welcher die Emittermulde hergestellt worden war. In einem typischen Fall hatte der Strahl Widerstandes aufweist. Die gleichen Bedingungen und 45 20 einen Durchmesser von 2· 10 ~² cm und bestand die gleiche Dauer des Strahlätzens können dann im aus 0,2 η-Schwefelsäure. Das elektrolytische Strahlätzen wurde so lange fortgesetzt, bis Material in der Dicke von annähernd 1,5 · 10 ~⁴ cm zwischen dem Boden der geätzten Kollektormulde 20 und dem der 50 gegenüberliegenden Emittermulde 18 stehenblieb. Zur Kontrolle dieser Dicke kann beispielsweise ein Infrarot-Dickenmeßverfahren verwendet werden. Wie schematisch in Fig. 2 D dargestellt, läßt man bei diesem Dickenkontrollverfahren Infrarotstrahlung mittels des

fortsetzen. Beispielsweise kann man auf N-Germanium Indium im Strahlverfahren elektroplattieren, die Durchschlagsspannung der Indium-Germanium-Diode messen und sodann den Indiumtupfen durch Waschen mit Indiumsulphat wieder entfernen.

Nach diesem Verfahren bestimmt man die Zeit, die erforderlich ist, um durch Strahlätzen Halbleitermaterial freizulegen, das den in der Basisschicht unmittelbar am Emitter gewünschten Wert des spezifischen

weiteren Verlauf des Verfahrens zugrunde gelegt werden, um in den anderen Blättchen den Bereich freizulegen, in dem die Emitterelektrode gebildet werden soll.

Nachdem man so die für die Emitter- und Kollektorelektroden gewünschten Stellen bestimmt hat, versieht man jedes der in der beschriebenen Weise oberflächenbehandelten Blättchen mit einer ungelöteten

Basislasche 14, wie in Fig. 2B gezeigt, die eine 55 Strahles 20 durch das Halbleitermaterial unterhalb ohmsche Verbindung mit der Oberflächenschicht bildet. Zur Erzielung eines niedrigen Basiswiderstandes
gibt man der Basislasche 14 vorzugsweise eine solche

Form, daß sie die geätzte Emittermulde umgibt; bei

des Strahles hindurchtreten, während eine Photozelle 24 wenigstens einen Teil der durch den zwischen den Emitter- und Kollektormulden verbleibenden Teil des Halbleiterkörpers durchgelassenen Infrarotstrahlung spielsweise kann die Lasche in Form eines recht- 60 mißt. Vorzugsweise bläst man gleichzeitig mittels der eckigen Nickelstückes ausgebildet sein, das eine kreis- Düse 26 ein Trocknungsgas auf die Oberfläche der förmige Öffnung aufweist, welche etwas größer als die Emittermulde 18, um diese frei von Feuchtigkeits-Ätzmulde und zu dieser konzentrisch angebracht ist. niederschlag zu halten. Eine von der Photozelle 24 Wie in Fig. 2 C angedeutet, richtet man anschlie- gelieferte Anzeige der in dem Halbleiterkörper 10 ßend einen Strahl 16 einer geeigneten elektrolytischen 65 durch den Strahl 20 vor sich gehenden Ätzung kann Ätzflüssigkeit zur Bildung der Mulde 18 in der Ober- graphisch mittels eines automatisch registrierten Inflächenschicht auf diese. Die Ätzdauer und die Ätz- struments dargestellt werden. Die optischen Eigengeschwindigkeit werden so geregelt, daß das auf dem schäften der Meßanordnung werden vorzugsweise so

gewählt, daß sich bei Erreichen der gewünschten Dicke eine in einfacher Weise zu identifizierende Anzeige ergibt.

Nachdem so in geringem Abstand voneinander befindliche Bereiche des Halbleiterkörpers freigelegt wurden, welche die für die Bereiche unmittelbar an den Emitter- bzw. Kollektorelektroden des fertiggestellten Transistors gewünschten Werte des spezifischen Widerstandes aufweisen, müssen noch die Emitter- und Kollektorkontaktelektroden in diesen Bereichen hergestellt werden. Nach einer Ausführung der Erfindung geschieht dies in der Weise, daß man nach einem elektrolytischen Strahlverfahren oberflächengrenzschichtenbildende Metalltupfen auf den im wesentlichen parallelen Bodenflächen der gegenüberliegenden Emitter- bzw. Kollektormulden abscheidet. So kann man beispielsweise, wie in Fig. 2 E gezeigt, einen Tupfen 28 eines Metalls, wie beispielsweise Indium, nach einem elektrolytischen Strahlverfahren auf dem Boden der Kollektormulde 22 abscheiden. Geeignete Strahl-Elektroplattierverfahren sind bekannt. Beispielsweise kann man gegen den Boden der Mulde einen Strahl eines Ionen des zu plattierenden Metalls enthaltenden Elektrolyten richten, während man gleichzeitig die Basislasche 14 in bezug auf den Strahl negativ vorspannt. Vorzugsweise hat der zum Plattieren dienende Strahl einen etwas kleineren Durchmesser als der zum Ätzen verwendete. In einem typischen Fall hatte der zum Ätzen der Kollektormulde dienende Strahl einen Durchmesser von 2 · 10 ~² cm, während der Kollektorplattierstrahl 1,3 · 10 ~² cm Durchmesser und eine Zusammensetzung von 8,7 g Indiumsulphat und 7 g Ammoniumchlorid pro Liter hatte.

In entsprechender Weise kann man am Boden der Mulde 18 einen eine Oberflächengrenzschicht bildenden Emitterkontakt vorsehen, wobei vorzugsweise der Plattierungsstrahl kleiner als der zur Ätzung der Mulde 18 verwendete Strahl ist. In einem typischen Beispiel hatte der zur Ätzung der Emittermulde dienende Strahl einen Durchmesser von 1,5 · 10 ~² cm, der zur Plattierung dienende einen solchen von 7,6 · 10~^s cm, und die Lösung hatte die gleicheZusammensetzung wie die zur Abscheidung des Kollektortupfens verwendete. Der so gebildete Metalltupfen 32 erzeugt in der angrenzenden Halbleiteroberfläche in dem Bereich mit gewünschtem spezifischem Widerstand in geringem Abstand von der gegenüberliegengen Kollektoroberflächengrenzschicht eine Oberflächengrenzschicht.

Obwohl man, wenn man auf diese Weise geeignete Metalle abscheidet, die Obernächengrenzschichtkontakte selbst als Emitter- und Kollektorelektroden der fertiggestellten Anordnung verwendet und so ausgezeichnete Ergebnisse insbesondere im Fall des N-Germaniums erzielen kann, hat es sich doch ergeben, daß gewisse elektrische Eigenschaften der Anordnung, die für besondere Verwendungszwecke von Nutzen sein können, noch weiter verbessert werden können, indem man die metallischen Abscheidungen mit dem Halbleiterkörper in Form einer Mikrolegierung legiert. Mit diesem Verfahren lassen sich die elektrischen Eigenschaften legierter Kontakte erzielen, ohne daß dadurch die bei der Oberflächengrenzschichtform der Anordnung herrschende Geometrie wesentlich verändert würde. Das Eindringen des Metalls in die Oberfläche des Halbleiters ist bei diesem Verfahren vernachlässigbar klein, in typischen Fällen in der Größenordnung von 2,5 · 10-⁶ cm. Anordnungen und Verfahren, die zur Herstellung der gewünschten Mikrolegierungskontakte geeignet sind, sind bereits vorgeschlagen worden.

Dabei kann man die erwünschte Mikrolegierung während des Anlötens der Zuleitungen zu den Emitter- und Kollektorkonktakten erzeugen. Daher ist, unabhängig davon, ob die Oberflächengrenzschichkontakte mit oder ohne Mikrolegierungsverfahren

ίο verwendet werden sollen, der auf die Abscheidung der metallischen Emitter- und Kollektortupfen folgende Verfahrensschritt die Anbringung der entsprechenden Emitter- bzw. Kollektorzuleitungen. Das so entstehende Gebilde ist in Fig. 4 dargestellt, bei dem der Emittertupfen 32 mit der Emitterzuleitung 34, der Kollektortupfen 28 mit der Kollektorzuleitung 26 verlötet sind. Soll der Kontakt ein Oberflächengrenzschichtkontakt sein, so führt man die Lötung hinreichend schnell und bei so niedrigen Temperaturen aus, daß das Metall des Kontaktes und des Lötmittels nicht in den Halbleiter eindringen. In diesem Fall kann man als Lötmittel Indium verwenden, das an die Berührungsstelle zwischen Zuleitung und abgeschiedenem Metalltupfen gebracht und gerade so weit erhitzt wird, daß es schmilzt und die Zuleitung mit dem Metalltupfen verlötet, ohne daß der mit dem Germanium in Berührung stehende Teil des Tupfens schmilzt.

Wird eine Mikrolegierung angestrebt, so besteht das Lötmittel vorzugsweise aus 99 % Indium und 1 % Gallium und wird vor Ansetzen der Zuleitung an das abgeschiedene Indium am Ende der Zuleitung angebracht. Die zum Löten angewandte Temperatur ist so hoch und wird so lange aufrechterhalten, daß das Lötmittel schmilzt und der Tupfen vorübergehend verflüssigt wird. Jedoch ist die Temperatur nicht so hoch und die Zeit nicht so lang, daß eine wesentliche Legierung des Metalls in dem Halbleiterkörper aufträte. Nichtsdestoweniger ergeben sich, infolge der Fähigkeit des Galliums, außerordentlich hohe Trägerdichten im Halbleiterkörper zu erzeugen, wesentlich verbesserte Emitter- und Kollektoreigenschaften.

Nach dem Anbringen der Emitter- und Kollektorzuleitungen unterzieht man das Gebilde einem Reinigussverfahren. Es wird einige Sekunden lang in eine Lösung aus 15 Teilen SS^/oiger Eisessigsäure, 8 Teilen 69,5°/oiger Salpetersäure und 5 Teilen 49°/oiger Fluorwasserstoffsäure eingetaucht, hierauf mit einer geeigneten Verbindung überzogen und sodann in bekannter Weise in einem Metallbehälter hermetisch verschlossen.

Hinsichtlich des in Fig. 4 dargestellten Transistoraufbaues ist zu bemerken, daß zwar die Oberfläche der Schicht 12 einen sehr niedrigen spezifischen Widerstand aufweist, beispielsweise in der Größenordnung von 0,0005 Ohm · cm, um eine Verbindung von niedrigem Widerstand mit der ringsum führenden Basislasche 14 zu gewährleisten, daß jedoch die Emitterkontaktelektrode 32 am Boden einer leichten Vertiefung in dieser Schicht angeordnet ist, wo der spezifische Widerstand Größenordnungen höher, beispielsweise in der Größenordnung von 0,01 Ohm · cm, ist, so daß kein Kurzschluß zur Basislasche 14 besteht. Da jedoch der Durchmesser der Ätzmulde, in welcher die Emitterkontaktelektrode angeordnet ist, sehr klein, beispielsweise in der Größenordnung von 2,5 -10-² cm, ist, so erstreckt sich der Teil der Oberflächenschicht mit niedrigem spezifischem Widerstand

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Claims

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bis auf wenige tausendstel cm an den Emitter, so daß damit die Verarmungszone um die Kollektorkontaktsich ein sehr niedriger Basiswiderstand ergibt. elektrode sich durch die eigenleitende Schicht bis zu Femer ist hinsichtlich der in Fig. 4 dargestellten dem Bereich der Basiszone mit geringem Widerstand Ausführung zu bemerken, daß zwischen der Kollek- erstrecken würde. Man erkennt jedoch auch, daß viele torgrenzschicht und der Oberflächenschicht, welche 5 Vorteile des Verfahrens nach der Erfindung auch die Basisschicht zwischen den Emitter- bzw. Kollek- dann erzielt werden, wenn dieses bei Halbleiterbautorelektroden bildet, keine Materialschicht mit hohem elementen angewandt wird, in denen diese Schicht mit spezifischem Widerstand oder im wesentlichen Eigen- höherem Widerstand oder diese im wesentlichen leitfähigkeit befindet. Die Ausschaltung einer derarti- eigenleitende Schicht lediglich gegenüber den mit angen Schicht bewirkt viele der bedeutsamen elek- io deren. Verfahren erhaltenen Verhältnissen wesentlich irischen Verbesserungen des so entstehenden Tran- reduziert statt völlig ausgeschaltet wird, sistors, und zwar deshalb, weil auch für extrem nied- Beispielsweise wurden mit einer typischen Anordrige Kollektorspannungen eine wirksame Sammel- nung, die nach dem beschriebenen Verfahren unter wirkung des Kollektors erzielt wird, wogegen die Zugrundelegung der beispielshalber in der vorher-Existenz einer Zwischenschicht aus im wesentlichen 15 gegangenen Beschreibung als typisch angegebenen eigenleitendem Material verhältnismäßig hohe Mini- Werte die folgenden charakteristischen Eigenschaften malkoHektorspannungen erforderlich machen würde, erzielt:

Alpha des Transistors alpha = 0,9

Emitter-Dioden-Durchschlagsspannung V_de = 3 Volt

Kollektor-Dioden-Durchschlagsspannung V_dc = 25 Volt

Kollektorwiderstand r_c = 100 kOhm

Produkt aus Hochfrequenzbasiswiderstand und Kollektorkapazität ... r_b' -C₁. — 50 Mikromikrofarad

Kollektorausgangskapazität des gesamten Transistors C₀ = 2 Mikromikrofarad

Hochfrequenzbasiswiderstand r_b' = 40 Ohm

Maximale Schwingungsfrequenz f_max = 500 MHz

Kollektordurchschlagsspannung bei geerdetem Emitter Vmax — 25 Volt

Kollektorsättigungsstrom bei geerdeter Basis und einem Emitterstrom = 0 Ico⁼ 3 Mikroampere

Beispielsweise lieferte ein den Transistor als Ver- durch Diffusion von Indium in die Oberfläche eines Stärkerelement enthaltender Oszillator bei 100 MHz Germaniumblättchens mit hohem spezifischem Widereine Ausgangsleistung von mehr als 35 Milliwatt bei stand erzeugen. In diesem Fall können mikrolegierte einer Eingangsleistung von 100 Milliwatt. 35 Antimonkontakte zur Herstellung der gleichrichten-

Selbstverständlich kann der Halbleiterkörper mit den Emitter- bzw. Kollektorelektroden dienen, nichthomogenem spezifischem Widerstand auf meh- Das Verfahren ist auch bei Halbleiterstoffen völlig rere verschiedene Weisen hergestellt werden. So kann anderer Art, beispielsweise bei Silizium, anwendbar, man beispielsweise bei der Herstellung eines N-Ger- Im Fall eines NPN-Silizium-Transistors ist Bor ein manium-Transistors der im vorigen beschriebenen Art 40 geeignetes Material zur Oberflächenbehandlung. Die die Oberflächenschicht durch ein Verfahren erzeugen, Strahlätzung kann mit einer Lösung von 8,4 g Nabei welchem die Diffusion des gewünschten Fremd- triumfluorid und 6 cm³ 49%iger Fluorwasserstoffsäure metalls dadurch erzielt wird, daß man das Fremd- pro Liter ausgeführt werden. Vorzugsweise wird der metall in einem Bad aus einer heißen Kalicyanid- zu ätzende Bereich während des Verfahrens zur Erlösung auflöst und die Halbleiterblättchen in die Lö- 45 zielung einer sehnelleren und stetigen Ätzung beleuchsung eintaucht. Bei diesem Verfahren erfolgt die Dif- tet. Die Dicke des Siliziums kann während der Strahlfusion aus einer flüssigen Phase statt aus einem Gas, ätzung durch Beobachtungen der Farbe von durch das und die Kaliumcyanidlösung dient gleichzeitig zu dem Silizium durchgelassenem, sichtbarem Licht kontrolerforderlichen Auslaugen, durch welches uner- liert werden. Bei Silizium können in manchen Fällen wünschte Unreinheiten, wie beispielsweise Kupfer, 50 Oberflächengrenzschichtkontakte angewandt werden, aus den Blättchen entfernt werden. Ferner kann man, Da diese jedoch zu Instabilität neigen, wenn sie groobwohl die erforderliche lokalisierte Abtragung von ßen Temperaturschwankungen ausgesetzt werden, halbleitendem Material vorteilhaft nach dem oben zieht man für viele militärische oder gewerbliche beschriebenen elektrolytischen Strahlverfahren vorge- Zwecke die Verwendung von gleichrichtenden Emitnommen wird, bei manchen Anwendungen auch an- 55 ter- bzw. Kollektorkontaktelektroden vor, die man dere Verfahren anwenden. So beispielsweise das vor- durch geringfügiges Einlegieren eines Fremdmetalls geschlagene Verfahren zum lokalisierten Ätzen mit- in den Halbleiter herstellen kann, tels Ladungsträgern..

Das Verfahren gemäß der Erfindung kann auch bei PATENTANSPRÜCHE:

der Herstellung von Germaniumtransistoren mit 60 1. Verfahren zum Herstellen eines Drift-Tran-

P-Basisschichten verwendet werden, wenn man zur sistors mit einem plättchenförmigen Halbleiter-

Erzeugung der Oberflächenschicht mit niedrigem spe- körper, der entlang seiner Dicke einen Gradien-

zifischem Widerstand ein Fremdmetall vom P-Typ ten des spezifischen Widerstandes aufweist, da-

und als Emitter- bzw. Kollektorkontaktelektroden durch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper,

solche Metalle verwendet, die mit P-Material gleich- 65 der entlang dem Gradienten die für die Emitterrichtende Verbindungen bilden, wenn sie auf diesem bzw. Kollektorzone gewünschten Werte des speaufplattiert oder mit ihm mikrolegiert werden. Bei- zifischen Widerstandes aufweist, an den beiden spielsweise kann man die Oberflächendiffusionsschicht gegenüberliegenden Oberflächen so weit abgetra-

gen wird, daß die gewünschten Werte des spezifischen Widerstandes freigelegt werden, daß an den freigelegten Oberflächen je eine Emitter- bzw. Kollektorelektrode derart angebracht werden, daß die Emitter- bzw. Kollektorzonen unmittelbar an oder unter den freigelegten Oberflächen des Halbleiterkörpers gebildet werden.

2. Verfahren nach Ansprach 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper durch elektrolytische Ätzung abgetragen wird.

3. Verfahren nach Ansprach 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ätzstrahl verwendet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß für die Emitter- bzw. Kollektorelektrode an den freigelegten Oberflächen Metallplattierangen durch elektrolytisches Strahlplattieren aufgebracht werden.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Emitter- bzw. Kollektorelektrode an den freigelegten Oberflächen des Halbleiterkörpers mit auf der Oberfläche des Halbleiterkörpers liegender Sperrschicht aufgebracht wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Emitter- bzw. Kollektorelektrode an den freigelegten Oberflächen des Halbleiterkörpers anlegiert wird.

7. Verfahren nach Ansprach 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Emitterzone ein niedrigerer Wert' des spezifischen Widerstandes (R_e, A in Fig. 3) als für die Kollektorzone (R_c, B in Fig. 3) vorgesehen wird und daß der Gradient des spezifischen Widerstandes in der Basiszone aus einer Oberflächenschicht (12 in Fig. 2 und 4) mit veränderlichem spezifischem Widerstand auf dem Halbleiterkörper erzielt wird, deren spezifischer Widerstand an der Außenfläche niedriger als der für die Emitterzone gewünschte Wert und an der Innenfläche höher als der für die Kollektorzone gewünschte Wert ist.

8. Verfahren nach Ansprach 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenschicht (12 in Fig. 2 und 4) durch Eindiffundieren einer Aktivatorsubstanz in die Oberfläche des Halbleiterkörpers erzeugt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtragung mittels elektrolytischer Strahlätzung so vorgenommen wird, daß eine Ätzmulde (18 bzw. 22 in Fig. 2 und 4) gebildet wird, an deren Bodenfläche die Emitterbzw. Kollektorelektrode (32 bzw. 28) mit Zuleitungen (34 bzw. 36) angebracht wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur Freilegung der gewünschten Werte des spezifischen Widerstandes durch elektrolytisches Strahlätzen an einer großen Anzahl von Halbleiterkörpern mit gleichartiger Verteilung des spezifischen Widerstandes eine gleiche Ätzdauer gewählt wird.

11. Verfahren nach Ansprach 10, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Freilegung erf orderliche Ätzdauer durch eine Probeätzung in der Weise ermittelt wird, daß abwechselnd geätzt und der spezifische Widerstand der jeweils freigelegten Oberfläche gemessen wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß für den spezifischen Widerstand in der Oberflächenschicht mit Widerstandsgradient ein exponentieller Verlauf gewählt wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Auslegeschrift R 16395 VIIIc/21g (bekanntgemacht am 19. 7.1956);

französische Patentschrift Nr. 1137 424;

britische Patentschrift Nr. 753 133;

IRE Transact, on electron devices, Bd. ED 3, 1956, Heft 3, S. 157 bis 160;

Zeitschrift für Elektrochemie, Bd. 58, 1954, Nr. 5, S. 314 und 315.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen