DE1160543B - Verfahren zum Behandeln von Transistoren, um die Lebensdauer bzw. die Speicherzeit der Ladungstraeger, insbesondere in der Kollektorzone, durch Rekombination zu verringern - Google Patents
Verfahren zum Behandeln von Transistoren, um die Lebensdauer bzw. die Speicherzeit der Ladungstraeger, insbesondere in der Kollektorzone, durch Rekombination zu verringernInfo
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Description
DEUTSCHES
PATENTAMT
AUSLEGESCHRIFT
Internat. Kl.: HOU
Deutsche Kl.: 21g-11/02
Nummer: 1 160 543
Aktenzeichen: F 31524 VIII c / 21 g
Anmeldetag: 27. Juni 1960
Auslegetag: 2. Januar 1964
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Behandeln von Transistoren, um die Lebensdauer
bzw. die Speicherzeit der Ladungsträger insbesondere in der Kollektorzone durch Rekombination zu verringern.
Bei der Entwicklung von Halbleiterbauelementen, insbesondere von Transistoren, war man besonders
bemüht, die Lebensdauer der Elektronen und Defektelektronen
bzw. Löcher im Halbleitermaterial zu erhöhen. Obwohl die ersten Halbleiterbauelemente in ίο
dieser Hinsicht noch recht unvollkommen waren, sind in der Zwischenzeit bemerkenswerte Fortschritte gemacht
worden, so daß jetzt durch konsequente Verbesserungen der Eigenschaften von Transistoren und
anderen Halbleiterbauelementen beachtliche Werte der Lebensdauer erreicht werden können. Da die
Technologie der Transistoren nunmehr so weit fortgeschritten ist. daß die gewünschten Lebensdauerwerte der Elektronen und Defektelektronen erreicht
werden können, ist es nunmehr auch möglich, diejenigen Vorteile auszunutzen, die durch kontrollierbare
Begrenzung der Lebensdauerwerte erreicht werden können. Besonders auf dem Gebiet der Halbleiterdioden
sind in dieser Hinsicht erhebliche Fortschritte erreicht worden, und es sind Dioden hergestellt
worden, welche infolge der begrenzten Lebensdauerwerte der entsprechenden Materialien
sehr schnelle Schaltzeiten haben.
Es ist bekannt, daß die Größe der Rekombination der Elektronen und Löcher im Überschuß über die
Trägergleichgewichtsdichten von der Anwesenheit und Dichte von Rekombinationszentren in dem Halbleitermaterial
abhängig sind. Diese Rekombinationszentren können infolge von Strukturfehlern im
Kristallgitter oder durch die Anwesenheit bestimmter Verunreinigungen in den Halbleitermaterialien entstehen.
Auf dem Gebiet der Kontrolle und Herstellung von Kristailgitterstörungen durch Verwendung
von Neutronenbeschuß sind bereits erhebliche Forschungs- und Entwicklungsarbeiten geleistet worden.
Dabei sind überraschende Ergebnisse erzielt worden, und außer dem Fortschritt auf dem Gebiet der
Grundwissenschaft sind dabei auch beachtliche praktische Nutzanwendungen ermöglicht worden. Es sei
in diesem Zusammenhang erwähnt, daß die Anwendung der Neutronenbeschießung von Halbleitermaterial
bestimmte Vorteile hat; insbesondere ist z. B. eine sehr genaue Kontrolle, Überwachung und
Beeinflussung der erreichten Ergebnisse möglich. Der entsprechende Arbeitsgang kann dabei auch verhältnismäßig
wirtschaftlich gehalten werden, so daß auch eine kommerzielle Auswertung durchaus lohnend er-Verfahren
zum Behandeln von Transistoren,
um die Lebensdauer bzw. die Speicherzeit
der Ladungsträger, insbesondere in der
Kollektorzone, durch Rekombination
zu verringern
um die Lebensdauer bzw. die Speicherzeit
der Ladungsträger, insbesondere in der
Kollektorzone, durch Rekombination
zu verringern
Anmelder:
Fairchild Camera and Instrument Corporation, New York, N. Y. (V. St. A.)
Vertreter:
Dipl.-Ing. F. B. Fischer, Patentanwalt,
Köln-Sülz, Remigiusstr. 41/43
Als Erfinder benannt:
Jean A. Hoerni, Los Altos, Calif. (V. St. A.)
Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 30. Juni 1959
(Nr. 823 839)
scheint. Eine andere Lösungsmöglichkeit des Problems der Überwachung und Beeinflussung der
Größe der Rekombination besteht in der Diffusion bestimmter Verunreinigungen in das Halbleitermaterial,
und es sind auch auf diesem Gebiet gründliche Untersuchungen und umfangreiche Forschungsarbeiten
durchgeführt worden. Auch hier sind für bestimmte Sonderanwendungen, ζ. Β. Halbleiterdioden,
beachtliche Ergebnisse erreicht worden.
Wenn auch die erwähnten Lösungsversuche des Problems der Überwachung und Beeinflussung des
Rekombinationsverhaltens an sich schon beträchtliche Fortschritte in der Technologie dieses Gebietes
darstellen, so gibt es doch noch eine Reihe ungelöster Probleme. Im Hinblick auf die Verwendung eindiffundierter
Verunreinigungen als Rekombinationszentren ist der gegenwärtige Stand der Technik, daß
dies im wesentlichen nur für Halbleiterdioden anwendbar ist. Es ist bisher noch nicht möglich gewesen,
eine Überwachung und Beeinflussung der örtlichen Lage der eindiffundierten Verunreinigungen zu
ermöglichen, und wenn dieses auch in der Technologie der Dioden keine besonderen Auswirkungen hat,
so ist es doch ein erheblicher Nachteil für Transistoren. Bei dem erwähnten Verfahren zur Herstellung
von Rekombinationszentren durch Kristallgitter-
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störungen, welche durch Neutronenbeschuß erzeugt worden sind, sind die wesentlichen Nachteile, daß
durch Neutronenbeschuß nicht unbedingt eine dauernde Wirkung erreicht werden kann.
Ein verbessertes Verfahren zur Erreichung begrenzter und spezieller Ziele währe auch nur dann
von größerem Nutzen, wenn ein solches Verfahren in Kombination mit allgemeinen Verfahren anwendbar
ist, innerhalb deren es nur ein Teilverfahren darteile, da die außerordentlich vorteilhaften Ergebnisse
hierbei mit einem Minimum an Kosten und nur sehr geringen Änderungen der bewährten Verfahren erreichbar
sind.
Die Erfindung bezweckt also, ein neues und verbessertes Verfahren anzugeben, um bei Transistoren
die selektive Kontrolle der Lebensdauerwerte der Elektronen und Löcher, die im Überschuß über die
Trägergleichgewichtsdichten vorhanden sind, zu erdichten in der Kollektorzone eines Diffusionstransistors
vorhanden sind, unter den entsprechenden Wert in der Basiszone herabzusetzen.
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Behandeln von Tansistoren, um die Lebensdauer bzw.
die Speicherzeit der Ladungsträger, insbesondere in der Kollektorzone, durch Rekombination zu verringern.
Die Erfindung besteht darin, daß Ver
stellen soll. Es ist nun bei der Herstellung von Halb- io möglichen. Ferner bezweckt die Erfindung, ein Verleiterbauelementen
übliche Praxis, mehrere Er- fahren anzugeben, welches eine permanente Begrenhitzungsvorgänge
vorzusehen, die verschiedenen zung der Rekombination in bestimmten vorgegebenen Zwecken dienen, welche auf diese Weise erreicht Teilen der Transistoren ermöglicht. Die erfindungswerden
können. Insbesondere ist es üblich, die gemäß vorgesehenen Verfahrensschritte zum Zweck
Temperatur der Halbleitereinrichtung bei einem be- 15 der selektiven Überwachung und Beeinflussung der
stimmten Stadium des Verfahrens zu erhöhen, bei Rekombinationsraten in vorgegebenen Teilen des
dem das Halbleitermaterial im wesentlichen ein- Transistors sollen dabei in vorteilhafter Weise bei den
geschlossen ist und von anderen äußeren Einflüssen üblichen Trannsistorherstellungsverfahren anwendbar
weder erreicht werden noch von ihnen beeinflußt sein. Ferner soll die Erfindung in vorteilhafter Weise
werden kann. Es hat sich gezeigt, daß durch die 20 ermöglichen, die Lebensdauer der Elektronen und
Temperaturen, die normalerweise während dieses Löcher, die im Überschuß der Trägergleichgewichts-Erhitzungsvorganges
bei gebräuchlichen Herstellungsverfahren von Halbleiterbauelementen herrschen,
die Kristallgitterstörungen, welche durch Neutronenbeschuß des Halbleitermaterials erzeugt worden sind, 25
im wesentlichen beseitigt werden. Das bedeutet, daß
Neutronenbeschuß zur Erzeugung einer gewünschten
Dichte von Rekombinationszentren im Halbleitermaterial nur dann angewendet werden könnte, wenn
die Kristallgitterstörungen, welche durch Neutronenbeschuß des Halbleitermaterials erzeugt worden sind, 25
im wesentlichen beseitigt werden. Das bedeutet, daß
Neutronenbeschuß zur Erzeugung einer gewünschten
Dichte von Rekombinationszentren im Halbleitermaterial nur dann angewendet werden könnte, wenn
die üblichen Verfahren zur Transistorherstellung ent- 30 unreinigungen, die bei Einbau in das Halbleiterscheidend
abgeändert würden. Eine solche Abände- material Energieniveaus mit etwa gleichem Abstand
rung wäre jedoch sehr unvorteilhaft, da als Folge vom Leitfähigkeitsband und vom Valenzband ervon
Änderungen, die bei den bekannten Herstellung^- geben, mit einer so geringen Konzentration in den
verfahren vorgenommen werden, eine Reihe schwie- Halbleiterkörper des Transistors einduffundiert werriger
anderer Probleme auftreten; außerdem bedingt 35 den, daß die Rekombination der Ladungsträger in
eine wesentliche Änderung dieser Art kostspielige bestimmten Transistorzonen erhöht wird, aber die
Änderungen bei den entsprechenden Herstellung- Stromverstärkung des Transistors erhalten bleibt,
anordnungen und Apparaten. In ähnlicher Weise Vorzugsweise wird bei einem npn-Transistor Gold
wurde bei der Eindiffundierung von Verunreinigun- gleichmäßig in den ganzen Transistor einduffundiert,
gen in Halbleitermaterial gefunden, daß Erhitzungen 40 so daß nach einem weiteren bevorzugten Merkmal
üblicher Art, wie sie normalerweise bei der Tran- der Erfindung das Einduffundieren der eine Versistorherstellung
vorgenommen werden, die Rekom- ringerung der Speicherzeit bewirkenden Verunreinibinationszentren
im wesentlichen beseitigen, die ur- gungen in einem Stadium der Transistorherstellung
sprünglich durch das erwähnte Verfahren hervor- vorgenommen werden kann, in dem das Einduffungerufen
worden sind, so daß der fertige Transistor 45 dieren aller anderen dotierenden Verunreinigungen
oder das fertige Halbleiterbauelement nicht die er- abgeschlossen ist. Bei einem doppelt diffundierten
wünschten Lebensdauereigenschaften aufweist, wie npn-Siliziumtransistor wird vorzugsweise Gold bei
sie durch das Eindiffundieren von Verunreinigungen einer Temperatur von etwa 980° C 30 Minuten lang
erreicht werden sollten. in den Transistor einduffundiert, so daß sich eine Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu- 50 verhältnismäßig gleichmäßige, niedrige Konzentration
gründe, die Rekombinationsraten der Elektronen und von Gold in dem Transistor ergibt und anschließende,
Löcher über die Trägergleichgewichtsdichten hinaus selektiv zu überwachen und zu beeinflussen. Dabei
sollen im wesentlichen permanente Dichten der Rekombinationszentren erreicht werden. Insbesondere
ist vorgesehen, daß das erfindungsgemäße Verfahren auch bei den üblichen Transistorherstellungsverfahren
ohne Schwierigkeiten eingesetzt werden kann. Als besonderer Vorteil der Erfindung ist vorgesehen, daß
im Herstellungsverfahren vorgenommene Erhitzungen die Goldverteilung nicht wesentlich beeinflussen.
In diesem Zusammenhang ist zu erwähnen, daß es an sich bekannt ist, Gold in Transistoren einzudiffundieren,
beispielsweise derart, daß ein sehr kleiner geätzter Siliziumstreifen über eine Dauer von
2 Tagen bei 1200r C in Anwesenheit von Gold erhitzt
wird. Auch ist es bekannt. Gold in einen
die Erhitzungsvorgänge, die normalerweise bei der 60 Germaniumgrundkörper zu dem Zweck einzudiffun-Herstellung
von Transistoren stattfinden, und ins- dieren, einen im wesentlichen gleichförmigen spezibesondere
solche Erhitzungsvorgänge, die auf die fischen Widerstand und einen fotoelektrischen Effekt
Halbleiterdiffusion folgen, in keiner Weise die Er- zu erhalten. Dabei ist ein pn-übergang vorgesehen,
gebnisse beeinträchtigen, die durch die Erfindung er- bei dem der Übergang selbst ein Punktkontakt und
reicht werden. Dadurch, daß das erfindungsgemäße 65 nicht eine eindiffundierte Übergangsschicht ist, so
Verfahren ohne weiteres in die üblichen Verfahren daß die Wirkung des Goldes in den p- und n-Beder
Transistorherstellung eingefügt werden kann, reichen in diesem Zusammenhang ohne Bedeutung
bringt die Erfindung erhebliche wirtschaftliche Vor- ist. Schließlich ist es bekannt, eine bestimmte be-
grenzte Verteilung von Verunreinigungen in begrenzte Bereiche von Transistoren bei der Herstellung
von Halbleiteranordnungen mit verminderter Temperaturabhängigkeit vorzunehmen, und es sind
auch bereits Untersuchungen über das Verhalten von Halbleitermaterialien bei gleichmäßiger Einduffundierung
von,Gold vorgenommen worden, welche zu dem Ergebnis führten, daß eine gleichmäßige Eindiffundierung
von Gold identische Wirkungen sowohl in den p- als auch in den η-Bereichen ergibt.
Wie erwähnt, unterscheidet sich die Erfindung gegenüber diesen bekannten Verfahren dadurch, daß
die betreffende Verunreinigung, die bei Einbau in das Halbleitermaterial Energieniveaus mit etwa
der Lebensdauerwerte nicht hergestellt werden kann. Im Gegenteil, das der Diffusion unterworfene Basis-Halbleitermaterial
hat einen niedrigeren Lebensdauerwert als das nicht einer Diffusion unterworfene
Halbleitermaterial der Kollektorzone. Dabei ist zu berücksichtigen, daß jeder an dem Transistor vorgenommene
Arbeitsgang, der in gleicher Weise auf die Lebensdauerwerte in der Basiszone und der
Kollektorzone einwirkt, einen Vorteil nur auf ίο Kosten eines entsprechenden anderen Nachteils erreichen
kann; das bedeutet also, daß man zwar eine schnellere Schaltzeit durch Herabsetzen der Lebensdauerwerte
in der Kollektorzone erreichen kann, jedoch
wird gleichzeitig dabei eine entsprechende
gleichem Abstand vom Leitfähigkeitsband und vom 15 Herabsetzung der Lebensdauerwerte in der Basiszone
Valenzband ergibt, nur mit einer so geringen Kon- die Stromausbeute des Transistors erheblich herabzentration
in den Halbleiterkörper des Transistors setzen. Unter Berücksichtigung dieser Schwierigkeiten
eindiffundiert wird, daß die Rekombination der ist demgegenüber bei dem erfindungsgemäßen Ver-Ladungsträger
in den Transistorzonen selektiv erhöht fahren vorgesehen, die Lebensdauerwerte selektiv
wird, so daß die Lebensdauer der Minoritätsträger 20 und kontrolliert herabzusetzen, um zu ermöglichen,
im Kollektor geringer wird, als dies in der Basis der daß die Lebensdauerwerte in der Kollektorzone allein
Fall ist, daß einerseits die Speicherzeit des Transistors herabgesetzt werden, während die in der Basiszone
in vorteilhafter Weise gegenüber Transistoren üblicher Bauart um ein Mehrfaches geringer wird, ohne
daß andererseits eine nennenswerte Verminderung 25
der Stromverstärkung die Folge ist. Die Erfindung
ermöglicht daher eine überraschend einfache Lösung
daß andererseits eine nennenswerte Verminderung 25
der Stromverstärkung die Folge ist. Die Erfindung
ermöglicht daher eine überraschend einfache Lösung
eines bisher noch nicht befriedigend gelösten Pro-* blems: Erfindungsgemäß ist es nunmehr möglich, bei
des Transistors erwünschten höheren Lebensdauerwerte erhalten bleiben.
Um nun die erwähnte unterschiedliche Veränderung der Lebensdauerwerte zu erreichen, ist vorgesehen,
daß die Eigenschaften bestimmter Verunreinigungen in entsprechender Weise ausgenutzt
werden, um die Rekombinationsraten von Elektronen
dem normalen Herstellungsgang der Transistor- 30 unnd Löchern in verschiedenem Ausmaß zu beein
flussen. Die Kollektor- und Basiszonen eines Transistors bestehen normalerweise aus verschiedenen
Arten von Halbleitermaterial, und diese Tatsache kann im vorliegenden Fall ausgenutzt werden. Dabei
fertigung einen verhältnismäßig geringen Anteil einer vorgegebenen Verunreinigung in einen Transistor einzudiffundieren,
ohne daß es notwendig ist, die Eindringtiefe der Diffusion zu begrenzen oder den
Diffusionsvorgang zu lokalisieren, und man erhält 35 ist zu berücksichtigen, daß die Rekombinationsrate
durch dieses Verfahren eine selektive Begrenzung von Elektronen und Löchern oder die Lebensdauerder
Lebensdauer der Ladungsträger, so daß sowohl werte von Elektronen und Löchern in einem gedie
höchstmögliche Verstärkung als auch sehr ge- gebenen Halbleiterbereich notwendigerweise die
ringe Schaltzeiten erreicht werden können und die gleichen sind, wenn man Fangeffekte vernachlässigt.
Schaltzeiten gegenüber den bisher bekannten Tran- 40 Die Symbole Tn 0 und TP0 mögen die Lebensdauersistoren
um das Fünffache bis Zehnfache herab- werte der Elektronen und Löcher angeben, wie sie
gesetzt werden können. Weiterbildungen und weitere in stark dotiertem p-Halbleitermaterial bzw. stark
Vorteile der Erfindung können der nachfolgenden dotiertem Halbleitermaterial gegeben sind. Diese
Beschreibung entnommen werden, in der bevorzugte Lebensdauerwerte der Elektronen und Löcher hän-Ausführungsformen
und Beispiele der Erfindung an- 45 gen mit den Einfangquerschnitten der Verunreinigegeben
sind. Die Erfindung ist jedoch nicht auf gungen in dem Halbleitermaterial durch die folgendiese
Ausführungsformen und -beispiele beschränkt.
Das der Erfindung zugrunde liegende Problem und
die Lösung durch das erfindungsgemäße Verfahren
werden nachfolgend in der Anwendung auf Transisto- 50
ren beschrieben, die einer doppelten Diffusion unterworfen sind. Eine eingehendere Betrachtung des Verhaltens von Transistoren zeigt, daß die Bedingungen
für die Lebensdauer der Träger in den verschiedenen
Teilen des Transistors nicht die gleichen sind. Um 55
eine hohe Stromausbeute in einem solchen Transistor
zu erreichen, ist es notwendig, daß das Basis-Halbleitermaterial hohe Lebensdauerwerte aufweist,
Das der Erfindung zugrunde liegende Problem und
die Lösung durch das erfindungsgemäße Verfahren
werden nachfolgend in der Anwendung auf Transisto- 50
ren beschrieben, die einer doppelten Diffusion unterworfen sind. Eine eingehendere Betrachtung des Verhaltens von Transistoren zeigt, daß die Bedingungen
für die Lebensdauer der Träger in den verschiedenen
Teilen des Transistors nicht die gleichen sind. Um 55
eine hohe Stromausbeute in einem solchen Transistor
zu erreichen, ist es notwendig, daß das Basis-Halbleitermaterial hohe Lebensdauerwerte aufweist,
während das Kollektor-Halbleitermaterial niedrigere p-"bzw. n-Halbleitermaterial. Aus den obigen Über-Lebensdauerwerte
haben sollte, um Speichereffekte 60 legungen ergibt sich, daß man die Kontrolle über die
möglichst gering zu halten. Die gewünschten niedri- relativen Elektronen- und Löcher-Lebensdauerwerte
geren Lebensdauerwerte in der Kollektorzone des dadurch erreichen kann, daß man in die Transistoren
Transistors sind von besonderer Bedeutung, wenn solche Verunreinigungen eindiffundiert, welche eine
der Transistor für Schaltzwecke verwendet wird, weil große Differenz zwischen den Fangquerschnitten für
Speichereffekte die Schaltzeit erhöhen. Es ist in 65 p- und n-Halbleitermaterial bieten. Es besteht daher
den Gleichungen zusammen:
und
σπ0
TP0 -
v„Na.
PO
In den angegebenen Gleichungen sind vn und vp
die thermischen Trägergeschwindigkeiten, N ist die Dichte der Störzentren (Verunreinigungszentren), und
und σρ0 sind die Einfangquerschnitte in starkem
diesem Zusammenhang ein besonderer Nachteil, daß bei den üblichen Verfahren zur Herstellung doppelt
diffundierter Transistoren das erwähnte Verhältnis
bei solchen Verunreinigungen, bei denen a„ 0 und ap „
erheblich differieren, die Möglichkeit, die Lebensdauerwerte in dem einen Teil eines Transistors er-
heblich zu beeinflussen, ohne die Lebensdauerwerte Transistors mit der erwähnten eindiffundierten Verin
einem entsprechenden anderen Teil entgegen- unreinigung keinerlei Ausscheidung dieser Vergesetzter
Leitfähigkeit wesentlich zu beeinträchtigen. unreinigung. Es können daher auch noch an-Bei
einem npn-Transistor ist daher die Bedingung schließend weitere übliche Verfahrensschritte ausfür
die Herabsetzung der Speicherzeit ohne wesent- 5 geführt werden, ohne daß in irgendeiner Weise die
liehe Beeinträchtigung der Stromausbeute: σΡ0^>
an 0, Elektronen- und Löcher-Lebensdauerwerte in den
und es ist dementsprechend im Fall eines pnp-Tran- verschiedenen Zonen des Transistors sich ändern,
sistors die Bedingung einzuhalten: an0^>
ap 0. Dieser Vorteil konnte bei den bisher bekannten Ver-
Im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäß vor- fahren der Beeinflussung der Lebensdauer der Elekgesehenen
Verfahren sind als Verunreinigungen, i° tronen und Löcher nicht erreicht werden, und die
welche für eine Beeinflussung der Lebensdauer in Erfindung stellt daher gegenüber den bekannten VerBetracht
kommen, solche Elemente geeignet, welche fahren einen erheblichen Fortschritt dar.
Energieniveauwerte ergeben, die nahe der Mitte des Das erfindungsgemäße Verfahren kann bei doppelt
Energieniveauwerte ergeben, die nahe der Mitte des Das erfindungsgemäße Verfahren kann bei doppelt
Bandabstandes zwischen dem Valenzband und dem diffundierten Siliziumtransistoren in einem solchen
Leitungsband des Halbleitermaterials liegen. In 15 Stadium des Herstellungsverfahrens angewandt werdiesem
Zusammenhang sei auf die entsprechenden den, daß eine weitere Diffusion der bereits vorhande-Veröffentlichungen
über die Theorie der Halbleiter nen p- und η-Bereiche vernachlässigbar ist. Der Tran-Bezug
genommen, in denen die Definitionen und Er- sistor wird dotiert durch Aufbringungen einer gleichklärungen
der verschiedenen Energiebänder enthalten mäßigen Schicht einer gewählten Niedrigniveausind.
Es ist nun üblich, Verunreinigungen in Silizium 20 verunreinigung auf die freigelegte Fläche des Kollek-
und Germanium einzudiffundieren, um Gebiete von tors des Transistors. Bei einem npn-Transistor wird
verschiedenem Leitungstyp zu erhalten, und es ist eine Niedrigniveauverunreinigung gewählt, welche
dabei üblich, Elemente der III. und V. Gruppe des einen wesentlich größeren Einfangquerschnitt für
Periodischen Systems zu diesem Zweck zu ver- Löcher als für Elektronen aufweist. Entsprechend
wenden. Diese Verunreinigungen, die meistens als a5 den obigen Überlegungen erfüllt dann die VerDotierung
bezeichnet werden, haben die Tendenz, unreinigung die Beziehung nP0>
on0. Anschließend Energieniveaus zu ergeben, welche nahe bei den kann eine weitere Erhitzung des doppelt diffundierten
Valenz- oder Leitungsbändern des Halbleiter- Transistors nach bekanntem Verfahren erfolgen, um
materials liegen, so daß dort Donatoren- oder die Diffusion zu beenden, und zwar bei einer solchen
Akzeptorenbedingungen hergestellt werden; dem- 3o Temperatur, daß wesentliche Änderungen der ngegenüber
werden durch Verunreinigungen oder und p-Bereiche des Transistors nicht auftreten. Es
Elemente, die nachfolgend als »Niedrigniveau- wird nur eine verhältnismäßig kurze Zeit benötigt,
verunreinigungen« bezeichnet werden, Energie- um die Niedrigniveauverunreinigung praktisch in den
niveaus erreicht, welche in der Nähe der Mitte des ganzen Transistor hineinzudiffundieren. Obwohl es
Bandabstandes zwischen dem Valenzband und dem 35 theoretisch möglich ist, die Diffusion dieser VerLeitungsband
des Halbleitermaterials liegen. Wäh- unreinigung auf denjenigen Bereich des Transistors
rend die üblicherweise verwendeten Dotierungen der zu beschränken, auf die sie aufgebracht ist, könnten
III. und V. Gruppe des Periodischen Systems nor- hierbei erhebliche Schwierigkeiten auftreten; bei Anmalerweise
sehr niedrige Diffusionsgrade aufweisen, Wendung der Erfindung ist diese Begrenzung jedoch
weichen die Niedrigniveauverunreinigungen insofern 40 nicht erforderlich. Obwohl eine übermäßige Konzenerheblich
davon ab, als diese die Tendenz haben, tration an Niedrigneveauverunreinigungen bei einer
verhältnismäßig schnell in das Halbleitermaterial ein- Transistorschicht für das Verhalten des Transistors
zudiffundieren. Dies ist besonders vorteilhaft im Hin- nachteilig sein kann, wird eine begrenzte Diffusion
blick auf die Anwendung der Erfindung auf Diffu- der Verunreinigung durch die Schicht und in andere
sionstransistoranordnungen, weil es nun möglich ist, 45 Bereiche des Transistors außerhalb des Kollektors,
diese Elemente in den Transistor in einer solchen auf den die Verunreinigung aufgebracht wird, die
Zeit in dem Herstellungsverfahren einzudiffundieren, vorteilhafte Wirkung der Erfindung nicht beeinträchin
der weitere Diffusionen der bereits vorhandenen tigen.
Akzeptor- und Donatorverunreinigungen vemach- Wie bereits erwähnt, bewirkt die Differenz der ver-
lässigbar sind. Dies ist ferner besonders vorteilhaft, 5o wendeten Verunreinigungen in bezug auf die Einfangweil
die Eindiffundierung der vorgesehenen Ver- querschnitte für Elektronen und Löcher, daß der
unreinigungen in die Transistoren auf diese Weise vorgesehene Erfolg, nämlich das Erreichen verschieohne
Schwierigkeit in die üblichen Herstellungsgänge dener Elektronen- und Löcher-Lebensdauerwerte in
der Transistoranfertigung eingeführt werden kann. den verschiedenen Teilen des Transistors, erreicht
Als Verbesserung des Verfahrens der Transistor- 55 wird. Es ist dabei keine allzu genaue Kontrolle und
herstellung ist erfindungsgemäß das Aufbringen eines Bemessung der Zeit oder der Temperatur notwendig,
Elementes mit niedrigem Energieniveau gleichmäßig die bei Anwendung der Erfindung eingehalten werüber
den behandelten Teil eines Transistorkollektors den. Dieser Vorteil erhöht die Wirtschaftlichkeit der
vorgesehen. Der gleichmäßig überzogene Transistor- Erfindung, weil dadurch Kosten für die Kontrolle
körper wird dann für eine kurze Zeit auf eine Tem- 6Q und Bemessung der Zeit und der Temperatur fortperatur
erhitzt, welche so bemessen ist, daß die ge- fallen. Im Anschluß an das Eindiffimdieren der gewünschte
Menge dieser Verunreinigung in das wählten Niedrigniveauvemnreinigung in den Tran-Transistormaterial
eindiffundiert. Anschließend kön- sistor kann der übliche Herstellungsgang des Transinen
die übrigen Schritte der üblichen Transistor- stors abgeschlossen werden. Nach den bekannten Verherstellungsverfahren
ausgeführt werden, ohne daß 65 fahren erfolgt meistens eine anschließende Erhitzung,
die durch die vorangegangenen Verfahrensschritte bei der der Transistor auf eine Temperatur in der
eingestellte Rekombinationsrate sich ändert. Ins- Größenordnung von 300° C bei Silizium und
besondere bewirkt die anschließende Erhitzung des 100° C bei Germanium gebracht wird. Obwohl eine
solche Temperatur ausreicht, um die Wirkung eines Neutronenbeschusses auf den Transistor fast völlig
aufzuheben, haben Temperaturen dieser Art keinerlei Auswirkungen auf die Veränderungen, die durch
die erfindungsgemäßen Verfahrensschritte erreicht worden sind. Eine Temperatur in der Größenordnung
von 300° C, auf die ein Transistor während der erwähnten Schritte des Herstellungsverfahrens im allgemeinen
gebracht wird, bewirkt eine Art Vergütung, so daß Störungen des Kristallgitters wenigstens zum
Teil aufgehoben werden. Diese Wirkung ist zwar in mancher Hinsicht sehr erwünscht, jedoch würde sie
die Vorteile eines Neutronenbeschusses fast völlig aufheben, falls ein solches Verfahren zur Begrenzung
der Lebensdauer der Elektronen und Löcher in Transistoren angewendet wäre.
Im Zusammenhang mit einem Ausführungsbeispiel der Erfindung seien noch kurz einige weitere Einzelheiten
erwähnt: Ein Silizium-npn-Transistor als Doppeldiffusionstransistor kann in üblicher Weise so
behandelt werden, daß Akzeptor- und Donatorverunreinigungen in einen undiffundierten Halbleiterkörper
eindiffundiert werden, so daß man die erforderlichen Kollektor- und Emitterschichten erhält.
Anschließend an die übliche Diffusion der für die Basiszone und die Emitterzone erforderlichen
Dotierungsmittel wird eine gleichmäßige Schicht von Gold auf die Kollektorseite des Transistorkörpers
aufgebracht. Diese Goldschicht kann durch Plattierung oder Verdampfung aufgebracht werden, und
sie braucht nur eine sehr geringe Stärke zu haben, die etwa in der Größenordnung eines Mikrons liegen
kann. Anschließend wird die Eindiffundierung des Goldes in den Transistorkörper vorgenommen, und
zwar über eine Zeitdauer und bei einer Temperatur, welche eine optimale Konzentration und eine gleichmäßige
endgültige Dotierung ermöglicht. Die Diffusion kann beispielsweise 30 Minuten lang bei einer
Temperatur von ungefähr 980° C durchgeführt werden. Im Anschluß an die Diffusion des Goldes in den
Transistorkörper werden die üblichen Verfahrensschritte der Transistorherstellung ausgeführt. Bei
einem doppelt diffundierten Siliziumtransistor, der in bekannter Weise hergestellt ist und bei dem jedoch
die erwähnte Eindiffundierung von Gold vorgenommen ist, wurde festgestellt, daß die Stromausbeute
kaum beeinträchtigt ist, während die Speicherzeit des Transistors um einen Faktor von 5 bis 10 vermindert
ist. Der Einfangquerschnitt von Gold ist erheblich größer für Löcher als für Elektronen. Infolgedessen
bewirkt die Diffusion von Goldatomen in den Transistorkörper einen erheblichen Unterschied zwischen
Tn 0 und Tp0, wie aus den obigen Gleichungen der
Lebensdauer und des Einfangquerschnittes entnommen werden kann. Da nun Gold einen Einfangquerschnitt
im η-Material erzeugt, welcher erheblich über dem Einfangquerschnitt in p-Material liegt, ergibt die
erwähnte umgekehrte Abhängigkeit der Lebensdauer von den Einfangquerschnitten eine geringstmögliche
Lebensdauer im η-Bereich des Kollektors und eine relativ sehr hohe Lebensdauer im p-Basis-Bereich. Es
wurde bereits erwähnt, daß es ein sehr erheblicher Vorteil ist, eine relativ lange Lebensdauer im Basisbereich
zu erhalten, um eine hohe Stromausbeute zu erreichen, und dabei gleichzeitig die Lebensdauer im
Kollektorbereich herabzusetzen, so daß die Speichereffekte begrenzt werden. Die zusätzlich zu der Erläuterung
der erfindungsgemäß vorgesehenen technischen Maßnahmen in der Beschreibung enthaltenen
theoretischen Darlegungen stellen eine mögliche Erklärung und Veranschaulichung der Vorgänge dar,
die der Erfindung zugrunde liegen. Unabhängig davon, ob diese Erklärung im Zuge einer späteren eingehenderen
Erforschung bestätigt oder durch neuere Theorien abgeändert oder ergänzt werden wird, hat
es sich gezeigt, daß die zu erreichenden Wirkungen sich in der Praxis klar und überzeugend einstellen,
wobei vor allem der Vorteil hervorzuheben ist, daß ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellter
Transistor die besonders erwünschten Eigenschaften einer unbeeinträchtigten Stromausbeute
und einer sehr kurzen Schaltzeit hat.
Claims (4)
1. Verfahren zum Behandeln von Transistoren, um die Lebensdauer bzw. die Speicherzeit der
Ladungsträger, insbesondere in der Kollektorzone, durch Rekombination zu verringern, dadurch
gekennzeichnet, daß Verunreinigungen, die bei Einbau in das Halbleitermaterial Energieniveaus
mit etwa gleichem Abstand vom Leitfähigkeitsband und vom Valenzband ergeben, mit einer so geringen Konzentration in den
Halbleiterkörper des Transistors eindiffundiert werden, daß die Rekombination der Ladungsträger
in bestimmten Transistorzonen erhöht wird, aber die Stromverstärkung des Transistors
erhalten bleibt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in einen npn-Transistor Gold
gleichmäßig eindiffundiert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Eindiffundieren
der eine Verringerung der Speicherzeit bewirkenden Verunreinigungen in einem Stadium der
Transistorherstellung vorgenommen wird, in dem das Einduffundieren aller anderen dotierenden
Verunreinigungen abgeschlossen ist.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem
doppelt diffundierten npn-Siliziumtransistor Gold bei einer Temperatur von etwa 980° C 30 Minuten
lang in den Transistor eindiffundiert wird und daß anschließende Erhitzungen während der
Transistorherstellung so vorgenommen werden, daß die Verteilung des Goldes nicht wesentlich
beeinflußt wird.
In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschrift Nr. 1051 983;
britische Patentschrift Nr. 799 670;
Phys. Rev., Bd. 105, 1957,Nr. 4, S. 1168 bis 1173, und Bd. 111, 1958, S. 1515 bis 1518.
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309 777/265 12.63 © Bundesdruckerei Berlin
Applications Claiming Priority (2)
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