DE1160544B - Transistor mit einem als Kollektorzone dienenden Halbleiterkoerper eines Leitfaehigkeitstyps und einer zylinderfoermigen Erhebung auf der Oberflaeche und Verfahren zum Herstellen - Google Patents

Transistor mit einem als Kollektorzone dienenden Halbleiterkoerper eines Leitfaehigkeitstyps und einer zylinderfoermigen Erhebung auf der Oberflaeche und Verfahren zum Herstellen

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DE1160544B DEJ19044A DEJ0019044A DE1160544B DE 1160544 B DE1160544 B DE 1160544B DE J19044 A DEJ19044 A DE J19044A DE J0019044 A DEJ0019044 A DE J0019044A DE 1160544 B DE1160544 B DE 1160544B
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Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND
DEUTSCHES
PATENTAMT
AUSLEGESCHRIFT
Internat. KL: HOIl
Deutsche Kl.: 21g-11/02
Nummer: 1 160 544
Aktenzeichen: J 19044 VIII c / 21 g
Anmeldetag: 21. November 1960
Auslegetag: 2. Januar 1964
Das Herstellen von Transistoren für hohe Frequenzen macht den Übergang zu immer kleineren Abmessungen der Bauelemente notwendig. Es sind z. B. sogenannte Mesa-Transistoren bekannt, bei denen auf der Oberfläche des Mesa-Berges die Emitter- und Basiselektrode in sehr geringem Abstand von etwa 50 μ angeordnet sind. Das Anbringen dieser Elektroden bereitet große Schwierigkeiten und ist nur unter Anwendung kostspieliger Vorrichtungen und komplizierter chemischer Verfahren in Verbindung mit sehr genauen Masken möglich. Darüber hinaus bereitet die Kontaktierung der beiden Elektroden Schwierigkeiten, da wegen ihres geringen Abstandes voneinander leicht ein Kurzschluß zwischen den Elektroden entstehen kann.
Die Erfindung betrifft einen in seinem Aufbau völlig neuartigen Transistor mit einem als Kollektorzone dienenden Halbleiterkörper eines Leitfähigkeitstyps, dessen eine Oberfläche eine zylinderförmige Erhebung aufweist und dessen andere gegenüberliegende Oberfläche mit einer flächenhaften ohmschen Kollektorelektrode versehen ist. Erfindungsgemäß zeichnet der Transistor sich dadurch aus, daß der Mantel der zylinderförmigen Erhebung mit einer dünnen als Basiszone dienenden Halbleiterschicht des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps und die übrigen Teile der freien Oberfläche des Halbleiterkörpers mit einer dünnen Isolierschicht versehen sind, daß auf gegenüberliegenden Seiten des Mantels der zylinderförmigen Erhebung und der jeweils angrenzenden Oberfläche des Halbleiterkörpers je eine zusammenhängende leitende Schicht so aufgebracht ist, daß die beiden leitenden Schichten voneinander isoliert sind und mit der Basiszone eine gleichrichtende Emitterelektrode mit vorgelagerter Emitterzone und eine nichtgleichrichtende Basiselektrode mit den entsprechenden Zuleitungen bilden.
Halbleiterbauelemente mit zylinderförmigen Halbleiterkörpern sind an sich bekannt. Häufig werden derartige Formen bei Feldeffekttransistoren zur Beeinflussung des elektrischen Feldes verwendet. Es ist auch ein Unipolartransistor bekannt, bei dem auf einer Oberfläche des Halbleiterkörpers mehrere zylindrische Zähne angeordnet sind, die eine bessere Leistungsaufnahme des Transistors ermöglichen. Auch das Aufbringen verschiedener Schichten auf einen Halbleiterkörper zur Erzeugung einer Transistorstruktur oder zur Kontaktierung von Halbleiterbauelementen ist bekannt. Bei allen bekannten Anordnungen und Verfahren wird jedoch nicht die zylinderförmige Struktur des Halbleiterkörpers zur Ausbildung und Herstellung eines besonders zweckmäßig aufgebauten Transistor mit einem als Kollektorzone
dienenden Halbleiterkörper eines
Leitfähigkeitstyps und einer zylinderförmigen
Erhebung auf der Oberfläche und Verfahren
zum Herstellen
Anmelder:
INTERMETALL
Gesellschaft für Metallurgie
und Elektronik m. b. H.,
Freiburg (Breisgau), Hans-Bunte-Str. 19
Als Erfinder benannt:
Dr. Reinhard Dahlberg, Freiburg (Breisgau)
Transistors für hohe Frequenzen wie bei der Erfindung ausgenutzt. Bei dem Transistor nach der Erfindung ist es auf Grund seines besonderen Aufbaus möglich, die Emitter- und Basiselektroden herzustellen und gleichzeitig zu kontaktieren, ohne dabei komplizierte Vorrichtungen oder umständliche Verfahren zu verwenden, insbesondere bei der gleichzeitigen Herstellung zahlreicher Transistoren.
Die weiteren Merkmale und Vorteile der Erfindung werden an Hand der Zeichnung näher erläutert: Die
F i g. 1 und 2 veranschaulichen das Herstellen von Transistoren mit den Merkmalen der Erfindung in einem Massenverfahren; die
Fig. 3 bis 7 zeigen die einzelnen Verfahrensschritte am Beispiel eines einzelnen Transistors.
Die einzelnen Figuren sind aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht maßstabgetreu gezeichnet.
Wegen ihrer geringen Abmessungen und aus Gründen der Wirtschaftlichkeit werden die Transistoranordnungen nicht einzeln, sondern nach einem Massenverfahren hergestellt, das zum Teil bekannt ist. Es wird eine größere Halbleiterscheibe durch Verwendung geeigneter Masken an durch die Masken bestimmten Stellen mit einer Wachsschicht bedampft. F i g. 1 zeigt im Querschnitt eine solche Scheibe aus Halbleitermaterial 1 und die darauf aufgedampften Wachsflecken 2. Die Wachsflecken sind kreisförmig mit einem Durchmesser von etwa 50 μ ausgebildet. Bei dieser Größenordnung sind die Masken verhältnismäßig einfach herzustellen; ebenso bietet das Aufdampfverfahren keine Schwierigkeiten. Die mit den Wachsflecken versehene Oberfläche der Halbleiter-
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scheibe wird anschließend einem geeigneten Ätzmittel ausgesetzt, welches das Halbleitermaterial abbaut, die Wachsflecken dagegen nicht angreift. Es bilden sich dabei auf der Oberfläche zylinderförmige Erhebungen 3, wie sie in Fig. 2 dargestellt sind. Ihre Höhe beträgt zweckmäßig etwa 25 μ. Nach dem Ablösen der Wachsflecken 2 auf den Zylindern wird die gesamte Oberfläche der Halbleiterscheibe mit einer Isolierschicht versehen. Das kann z. B. durch Aufdampfen oder durch thermische Oxydation erreicht werden. Bei Verwendung von Halbleitermaterial aus Silizium entsteht dabei eine einige Mikron dicke Siliziumdioxydschicht.
Die F i g. 3 zeigt ein einzelnes Bauelement mit der aufgebrachten Oxydschicht 4. Die Oxydschicht 4 wird anschließend von der Mantelfläche der zylinderförmigen Erhebung 3 wieder entfernt. Man kann zu diesem Zweck die gesamte Anordnung senkrecht von oben ohne Verwendung einer Maske mit Wachs bedampfen, das sich wegen der Schattenwirkung beim Bedampfen im Hochvakuum nicht an der Mantelfläche des Zylinders niederschlägt. Es entsteht dabei eine Anordnung, wie sie in Fig. 4 dargestellt ist. Die Wachsschichten 5 befinden sich nur auf den senkrecht zur Bedampfungsquelle liegenden Oberflächenteilen der Halbleiterscheibe. Durch einen Ätzvorgang, z. B. unter Verwendung von Flußsäure, kann dann die Oxydschicht auf der Mantelfläche entfernt werden, so daß anschließend eine Anordnung, wie sie in F i g. 5 dargestellt ist, entsteht. Diese besteht aus dem Halbleitergrundkörper 1, der auf den senkrecht zur Mantelfläche der zylinderförmigen Erhebung liegenden Oberflächenteilen eine aus einer Oxydschicht bestehende Isolierschicht 4 aufweist.
Nach diesen vorbereitenden Maßnahmen wird in der Mantelzone der zylinderförmigen Erhebung 3 die Basiszone 6 erzeugt, wie sie in F i g. 6 dargestellt ist. F i g. 6 a zeigt den Querschnitt durch eine Halbleiteranordnung, und Fig. 6b zeigt den Grundriß, dem zu entnehmen ist, daß ein zylinderförmiger Körper 3 in seiner Mantelzone vollkommen von einer Basisschicht 6 umgeben ist. Die Basiszone 6 stellt man zweckmäßig durch einen Diffusionsvorgang her. Entsprechend dem Material des Halbleitergrundkörpers 1 mit der zylindrischen Erhebung 3 wird ein Dotierungsmaterial gewählt, das einen Leitfähigkeitstyp erzeugt, der dem Leitfähigkeitstyp des Halbleitergrundkörpers entgegengesetzt ist. Bei Verwendung von p-leitendem Silizium als Halbleitergrundkörper und als zylinderförmige Erhebung kann man z. B. zum Erzeugen der Basisschicht Phosphor verwenden. Die stehengebliebene Quarzoberfläche bewirkt eine Maskierung, so daß gerade die in Fig. 6 gezeigte Basiszone entsteht, sofern man z. B. Phosphor aus dsr Gasphase diffundiert.
Als nächster Schritt werden die Emitter- und Basiselektrode aufgebracht und gleichzeitig in einem Arbeitsgang kontaktiert. Zu diesem Zweck wird zunächst eine Verdampfungsquelle etwas oberhalb und außerhalb auf einer Seite der mit den zylinderförmigen Erhebungen versehenen Halbleiterplatte so angeordnet, daß das von ihr verdampfte Material sowohl auf die eine Hälfte des Zylindermantels gelangen kann als auch auf die daran angrenzende Oberfläche des Halbleitergrundkörpers. Dann wird anderes Material von einer VerdampfungsqueUe, die sich auf der anderen Seite der Halbleiterscheibe befindet, in der gleichen Weise auf die andere Hälfte der Mantelfläche der zylinderförmigen Erhebung und die daran angrenzende Oberfläche des Halbleitergrundkörpers aufgedampft. Dabei ist nicht zu vermeiden, daß sich die beiden aufgedampften Schichten überlappen und somit kurzgeschlossen sind. Eine Trennung der Schichten ist jedoch verhältnismäßig einfach möglich, wenn man die an sich bekannte Erscheinung berücksichtigt, daß die Schichtdicke des aufgedampften Materials unterschiedlich ist. An den der VerdampfungsqueUe am
ίο nächsten liegenden gewölbten Stellen der Mantelfläche der zylinderförmigen Erhebungen ist die Schicht dikker als an den weiter entfernt liegenden Stellen, so daß ein Dickenprofil bei jeder einzelnen Schicht besteht. Wenn man nun einen gleichmäßig dicken Teil der Schichten wieder abbaut, so werden die beiden leitenden Schichten an den Stellen ihrer geringsten Schichtdicke, die sich an den Überlappungsstellen befindet, vollständig verschwinden und voneinander getrennt. Man kann das z. B. durch einen Legierungs-Vorgang in sauerstoffhaltig«· Atmosphäre erreichen, wobei die Schichten durch Oxydbildung elektrisch getrennt werden und gleichzeitig mit der Basisschicht ihrer Zusammensetzung entsprechende Übergänge bilden. Die aufgedampften Schichten können selbstverständlich nur in die Basisschicht 6 einlegieren. An den Stellen, wo sie sich auf der Isolierschicht 4 abgesetzt haben, dienen die aufgedampften Schichten als Zuleitungen.
In Fig. 7 ist ein derartiger Transistor dargestellt.
F i g. 7 a zeigt einen Querschnitt durch einen solchen Transistor und Fig. 7b zeigt die Anordnung zum Teil im Grundriß. Mit 1 ist wieder der Halbleitergrundkörper mit der zylinderförmigen Erhebung 3, der eindiffundierten Basisschicht 6 und den Isolierschichten 4 bezeichnet. Von den aufgedampften Schichten besteht die eine Schicht aus dem Teil 7, der nach dem Legierungsvorgang den pn-übergang mit der Basisschicht 6 bildet und dem Teil 9, der der Kontaktierang des legierten Teils dient. Beide Teile bilden eine zusammenhängende Schicht und sind in einem Arbeitsgang aufgebracht. Die andere aufgedampfte Schicht besteht entsprechend aus den Teilen 8 und 10, wobei der Teil 8 z. B. einen sperrfreien Übergang mit der Basisschicht bilden kann.
Wenn man von dem im vorstehenden genannten Aufbau derTransistoranordnung ausgeht, bei dem der Halbleitergrandkörper und die zylinderi'örmige Erhebung 1 und 3 aus p-leitendem Silizium bestehen und die Basisschicht 6 durch Phosphordiffusion aus n-leitendem Silizium, dann wird man zweckmäßig zum Aufdampfen der einen Schicht 7,9 eine Gold-Gallium-Verbindung wählen, die nach dem Legierungsvorgang mit der Basisschicht einen pn-übergang bildet und die andere Schicht 8, 10 durch Verdampfen einer Gold-Antimon-Verbindung herstellen, so daß sie mit der Basisschicht nach dem Legieren einen sperrfreien Übergang bildet.
Nach dem Aufdampfen und dem Legieren besteht gewöhnlich noch ein Kurzschluß zwischen den beiden Schichten 7 und 8 auf der oberen Abschlußfläche 4 der zylinderförmigen Erhebung. Die Auftrennung dieses Kurzschlusses kann auf verhältnismäßig einfache Weise durch Anwendung des an sich bekannten photolithographischen Verfahrens erreicht werden. Dabei wird zunächst die gesamte Oberfläche der mit den Erhebungen versehenen Halbleiterscheibe mit einem lichtempfindlichen Lack überzogen, welcher durch geeignet geformte Masken abgedeckt und so belichtet
wird, daß die Stellen der oberen Fläche der zylinderförmigen Erhebung abgedeckt sind und durch einen geeigneten Entwickler herausgelöst werden können. Es liegen dann die Oberflächen der zylinderförmigen Erhebungen frei, auf denen der Kurzschluß zwischen den beiden Schichten 7 und 8 besteht. Durch Abtragen des metallischen Niederschlages mittels eines Ätzmittels wird die Trennung erreicht. Anschließend kann dann der Photolack von den übrigen Teilen entfernt werden.
Zur Kontaktierung der Kollektorseite kann man die den zylinderförmigen Erhebungen entgegengesetzte Seite der Halbleiterscheibe mit einem großflächigen sperrfreien metallischen Kontakt versehen. Damit liegen die Transistoranordnungen mit kontaktierter Emitter-, Basis- und Kollektorelektrode vor. Die einzelnen Anordnungen brauchen dann nur noch voneinander getrennt zu werden, was z. B. durch Ätzbehandlung oder mechanische Verfahren geschehen kann. Die Herstellung des gesamten Transistors einschließlich der Kontaktierung, die bei normalen Mesa-Transistoren wegen der geringen Größe der Legierungselektroden und deren geringem Abstand voneinander außerordentlich schwierig ist, geschieht nach der Erfindung lückenlos durch Massenverfahren. Es ist dadurch möglich, zu Bauelementen mit immer kleineren Abmessungen überzugehen, die bis zu sehr hohen Frequenzen verwendet werden können. Der Kollektorbahnwiderstand eines Bauelementes nach der Erfindung entspricht trotz der verhältnismäßig engen Kollektorzylinder etwa dem eines normalen Mesa-Transistors, da der Hauptteil des Widerstandes in dem Gebiet höchster Stromdichte auftritt, also wie beim Mesa-Transistor in unmittelbarer Nähe des Emitters liegt.
Die Erfindung ist nicht auf die als Beispiel in der Zeichnung dargestellte Bauform beschränkt. Sie kann verschiedene Abwandlungen erfahren, und es können auch selbstverständlich andere Materialzusammensetzungen verwendet werden. Während man bei dem normalen Aufbau, bei dem der Halbleitergrundkörper aus p-leitendem Silizium besteht, zweckmäßig sehr hochohmiges, vorzugsweise eigenleitendes Halbleitermaterial wählt, ist auch eine Anordnung denkbar, bei welcher das Halbleitergrundmaterial sehr stark dotiert ist. In diesem Falle wird man vor dem in Fig. 3 dargestellten Aufbringen der Isolierschicht 4 auf die Oberfläche des hochdotierten Halbleitergrundkörpers mit der zylinderförmigen Erhebung eine Schicht aus hochohmigem Halbleitermaterial aufbringen. Man kann zu diesem Zweck eine dünne Schicht aus eigenleitendem Material aufwachsen lassen. Danach wird dann das Bauelement in gleichem Maße weiter aufgebaut wie bereits beschrieben. Die Verwendung der zusätzlichen Schicht ist dann notwendig, wenn man einen Transistor mit besonders kleiner Rückwirkung herstellen will. Sie hat außerdem den Vorteil, daß die schädlichen Kapazitäten der Kontaktflächen 9 und 10 geringer werden als ohne Verwendung dieser Schicht.
Es ist auch noch die Anordnung weiterer Zwischenschichten denkbar. Entscheidend ist in jedem Falle das Anbringen der Emitter- und Basiselektrode und deren gleichzeitiges Kontaktieren durch das Aufdampfen je einer zusammenhängenden leitenden Schicht, die zum Teil die Basisschicht und zum Teil die Isolierschicht bedeckt. Beim Legierungsvorgang entsteht dann in der Basisschicht ein pn-übergang oder ein sperrfreier Übergang, während jeweils die auf der Isolierschicht befindliche leitende Schicht als Kontaktfläche der betreffenden Elektrode dient.

Claims (10)

Patentansprüche:
1. Transistor mit einem als Kollektorzone dienenden Halbleiterkörper eines Leitfähigkeitstyps, dessen eine Oberfläche eine zylinderförmige Erhebung aufweist und dessen andere gegenüberliegende Oberfläche mit einer flächenhaften ohmschen Kollektorelektrode versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel der zylinderförmigen Erhebung (3) mit einer dünnen als Basiszone dienenden Haibleiterschicht (6) des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps und die übrigen Teile der freien Oberfläche des Halbleiterkörpers mit einer dünnen Isolierschicht (4) versehen sind, daß auf gegenüberliegenden Seiten des Mantels der zylinderförmigen Erhebung und der jeweils angrenzenden Oberfläche des Halbleiterkörpers je eine zusammenhängende leitende Schicht (7, 9 und 8, 10) so aufgebracht ist, daß die beiden leitenden Schichten voneinander isoliert sind und mit der Basiszone erne gleichrichtende Emitterelektrode mit vorgelagerter Emitterzone und eine nichtgleichrichtende Basiselektrode mit den entsprechenden Zuleitungen bilden.
2. Transistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die leitenden Schichten (7, 9 und 8, 10) aus unterschiedlichem Material bestehen.
3. Transistor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Material der einen leitenden Schicht (8, 10) dem Leitfähigkeitstyp der Basisschicht (6) entspricht und mit dieser einen sperrfreien Kontakt bildet und daß das Material der anderen leitenden Schicht (7, 9) einem der Basisschicht (6) entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp entspricht und mit dieser einen pn-übergang bildet.
4. Transistor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper (1) mit der zylinderförmigen Erhebung (3) aus p-leitendem Silizium mit einer phosphordotierten η-leitenden Basiszone (6) im Zylindermantel besteht, daß die eine leitende Schicht (8, 10) aus einer Gold-Antimon-Verbindung mit der Basisschicht (6) einen sperrfreien Kontakt und die andere leitende Schicht (7, 9) aus einer Gold-Gallium-Verbindung mit der Basisschicht (6) einen pn-übergang bildet.
5. Transistor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper (1) mit der zylinderförmigen Erhebung (3) aus hochohmigem, vorzugsweise aus eigenleitendem Halbleitermaterial besteht.
6. Transistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper (1) mit der zylinderförmigen Erhebung (3) aus hochdotiertem halbleitendem Material besteht, dessen Oberfläche mit einer Schicht aus hochohmigem Halbleitermaterial versehen ist.
7. Verfahren zum Herstellen eines Transistors nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper (1) auf der mit der zylinderförmigen Erhebung (3) versehenen Oberfläche mit einer dünnen Isolierschicht (4) überzogen wird, daß die Isolierschicht nur von der
Mantelfläche der zylinderförmigen Erhebung wieder entfernt wird, daß in die von der Isolierschicht freie Mantelfläche ein den Leitfähigkeitstyp des Grundmaterials änderndes Dotierungsmaterial zur Bildung einer dünnen Basisschicht (6) eindiffundiert wird, daß anschließend ohne Verwendung von Masken auf je eine Mantelhälfte der zylinderförmigen Erhebung mit dem daran angrenzenden Teil der mit der Isolierschicht bedeckten Oberfläche des Halbleiterkörpers aus einer in geeigne- ao ter Stellung angebrachten Verdampfungsquelle eine geschlossene leitende Schicht (7, 9 bzw. 8, 10) aufgedampft wird und daß durch Erhitzen der Anordnung auf Legierungstemperatur entsprechend dem Leitfähigkeitstyp des aufgedampften Materials mit der Basisschicht (6) sperrfreie oder gleichrichtende Übergänge gebildet werden.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Halbleiterkörper aus Silizium eine dünne Isolierschicht (4) aus Siliziumdioxyd durch Erhitzen in oxydierender Atmosphäre erzeugt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Halbleiterkörpers mit der zylinderförmigen Erhebung vor dem Aufbringen der Isolierschicht mit einer Schicht aus hochohmigem Material des gleichen Leitfähigkeitstyps, z. B. durch einkristallines Aufwachsen, versehen wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9 zur gleichzeitigen Herstellung zahlreicher Transistoren, dadurch gekennzeichnet daß auf einer großen Platte aus Halbleitermaterial durch geeignete Ätzbehandlung zahlreiche zylinderförmige Erhebungen erzeugt, anschließend gleichzeitig mit der Isolierschicht der Basiszone sowie der leitenden Schicht versehen und erst dann in Einzeltransistoren getrennt werden.
In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschrift Nr. 1080 696;
USA.-Patentschrift Nr. 2 814 853;
französische Patentschriften Nr. 1223 418,
593.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
309 777/266 12.63 O Bundesdruckerei Berlin
DEJ19044A 1959-08-29 1960-11-21 Transistor mit einem als Kollektorzone dienenden Halbleiterkoerper eines Leitfaehigkeitstyps und einer zylinderfoermigen Erhebung auf der Oberflaeche und Verfahren zum Herstellen Pending DE1160544B (de)

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