DE1297237B

DE1297237B - Flaechentransistor und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE1297237B
Application number: DE1964I0026566
Authority: DE
Inventors: Eichhoff; Dr Gerhard; Dipl-Phys Hans; Weinerth
Original assignee: Deutsche ITT Industries GmbH
Current assignee: TDK Micronas GmbH
Priority date: 1964-09-18
Filing date: 1964-09-18
Publication date: 1969-06-12

Description

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Die Erfindung betrifft einen Flächentransistor mit hochohmigen Schicht, deren spezifischer Widerstand

einem Halbleiterkörper mit drei Zonen abwechselnd 4 ßcm beträgt, eine höhere Abbruchsspannung auf

entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps, bei dem die als ein Transistor mit einer hochohmigen Schicht,

Kollektorzone an ihrer zu kontaktierenden Oberfläche deren spezifischer Widerstand 2 öcm beträgt. Durch eine niederohmigere als ihre hochohmige, innen- 5 geeignete Wahl des Verunreinigungsprofils dieser

liegende Schicht aufweist, sowie ein Verfahren zu Schicht kann man erreichen, daß bei kleinen Strömen

seiner Herstellung. der Stromverstärkungsfaktor des Transistors in bei-

Ein derartiger Flächentransistor ist aus der Zeit- den Fällen gleich groß ist. Es hat sich jedoch gezeigt,

schrift »Industrial Electronics«, Bd. 1, 1963, Nr. 4, daß bei höheren Strömen der Stromverstärkungs-S. 198 bis 201, bekannt. io faktor von der Verunreinigungskonzentration und

Bei den bekannten Flächentransistoren, die aus damit dem spezifischen Widerstand der hochohmigen zwei äußeren Schichten eines Leitfähigkeitstyps als Kollektorschicht abhängt. Bei der Schicht mit einem Emitter- und Kollektorzone und einer dazwischen- spezifischen Widerstand von 2 i3cm ist bei großen liegenden Schicht des entgegengesetzten Leitfähig- Strömen der Stromverstärkungsfaktor größer als bei keitstyps als Basiszone bestehen, wird die Kollektor- 15 der Schicht mit einem spezifischen Widerstand von zone häufig aus zwei Schichten unterschiedlicher 4 ücm. Bei der Konstruktion eines Transistors mit Dotierung und damit unterschiedlichen Widerstandes vorgegebener Geometrie, vorgegebener Abbruchaufgebaut. Um einen möglichst guten ohmschen Kon- spannung und vorgegebenem Stromverstärkungstakt mit der Kollektorzone zu erhalten, ist es zweck- faktor entsteht daher die Schwierigkeit, daß man mäßig, die in der Nähe der Oberfläche liegende ao unter Umständen nicht in der Lage ist, den für die Schicht möglichst hoch zu dotieren und damit nieder- gewünschte Abbruchspannung erforderlichen speziohmig zu machen, wie beispielsweise aus der deut- fischen Widerstand der hochohmigen Kollektorzone sehen Auslegeschrift 1131 811 bekannt ist. Anderer- einzustellen, weil dadurch der Stromverstärkungsseits ist es im Interesse einer möglichst hohen Ab- faktor bei hohen Strömen zu stark absinkt, bruchspannung erforderlich, die Schicht in der Nähe 25 Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen des Kollektor-pn-Überganges durch eine geringe Transistor mit einer Kollektorzone zu schaffen, die Dotierung möglichst hochohmig auszubilden. Für den sich widersprechenden Forderungen nach hoher eine derartige hochohmige Schicht sprechen auch Abbruchspannung und hohem Stromverstärkungsnoch andere in elektrischer Hinsicht an einen Tran- faktor gerecht wird.

sistor zu stellende Forderungen. Ferner ist es aus 30 Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch

der deutschen Auslegeschrift 1131811 bekannt, in gelöst, daß die Kollektorzone außerdem zwischen

einem die Basiszone enthaltenden Mesaberg die ihrer hochohmigen, innenliegenden Schicht und dem

Emitterzone durch Legieren herzustellen. So ist aus Kollektor-pn-Übergang eine dünne, gegenüber der

der Zeitschrift »Elektronische Rundschau« (1960), hochohmigen, innenliegenden Schicht niederohmigere Nr. 4, S. 153, bekannt, in der Basiszone am Kollek- 35 Schicht aufweist.

torübergang eines Leistungstransistors für hohe Der oben beschriebene Flächentransistor wird im

Frequenzen eine eigenleitende Schicht anzuordnen. folgenden an Hand der Zeichnung näher erläutert.

Weitere Dotierungsprofile von Flächentransistoren, F i g. 1 zeigt einen Längsschnitt durch den oben bei denen die Dotierungskonzentration der wenig beschriebenen Flächentransistor; dotierten Schicht in der Basiszone am Kollektor- 40 F i g. 2 gibt die Verteilung der Verunreinigungspn-Übergang stetig in einen hochdotierten Basis- konzentration in den einzelnen Zonen an. zonenteil am Emitter-pn-Übergang übergeht, sind aus In F i g. 1 ist ein Flächentransistor in Form eines der Zeitschrift »Scientia Electrica«, 5 (1959), Heft 1, Planartransistors dargestellt, mit der n-leitenden S. 19 bis 39, bekannt. Danach und aus der deutschen Emitterzone 3, der p-leitenden Basiszone 2 und der Auslegeschrift 1126 515 ist ferner bekannt, in der 45 η-leitenden Kollektorzone 1. Die Kollektorzone ist Kollektorzone am Kollektor-pn-Übergang eine in drei Schichten aufgeteilt, von denen die n-leitende schwächer dotierte Schicht einer sonst sehr nieder- Schicht la stark dotiert ist und eine Verunreinigungsohmigen Kollektorzone anzuordnen. Derartige konzentration bei Silizium von etwa 10¹⁹ cm³ besitzt. Schichtenfolgen bzw. Dotierungsprofile, wie sie bei- Dieser schließt sich die hochohmige n-Schicht 1 b an, spielsweise auch aus der USA.-Patentschrift 3 006 791 5<> deren Verunreinigungskonzentration etwa bei 10¹⁵ bekannt sind, verfolgen den Zweck, einen niedrigen cm³ liegt. In diese hochohmige Schicht 1 b ist die Kollektor-Bahnwiderstand bei hoher Abbruchspan- p-leitende Basiszone 2 eingebettet mit einer schmalen nung zu erzielen. Gleiches gilt für den allgemein η-leitenden Schicht Ic in der Kollektorzone entlang bekannten Epitaxial-Planartransistor, der beispiels- des Kollektor-pn-Überganges. Sie hat eine Verunreiweise in der Zeitschrift »Industrial Electronics«, 55 nigungskonzentration von etwa 10¹⁷ cm³. Bd. 1, (1963), Nr. 4, S. 198 bis 201, beschrieben ist. Der in Fig. 1 dargestellte Planartransistor zeichnet Es hat sich allerdings gezeigt, daß die hochohmige sich bekanntlich dadurch aus, daß die Emitter- und Kollektorschicht offenbar auch den Stromverstär- Basiszone durch Anwendung geeigneter Oxydkungsfaktor des Transistors beeinflußt, und zwar im masken 4 & und 4 a in den Halbleiterkörper 1 durch entgegengesetzten Sinn wie die Abbruchspannung. 60 Diffusion eingebracht werden und daß die entstehen-Es ist bekannt, daß man bei vorgegebener Geo- den pn-Übergänge durch die auf der Oberfläche des metrie des Transistors die Abbruchspannung durch Halbleiterkörpers verbleibenden Oxydschichten gegen Ändern der Verunreinigungskonzentration innerhalb äußere Einflüsse weitestgehend geschützt sind. Die der unmittelbar an den Kollektor-pn-Übergang Anschlüsse für die Emitter-, Basis- und Kollektorangrenzenden hochohmigen Schicht der Kollektor- 65 zone können nach bekannten Methoden hergestellt zone beeinflussen kann. Dabei wird die Abbruch- werden und sind in der Zeichnung nicht dargestellt, spannung um so größer, je hochohmiger diese Schicht In F i g. 2 ist die Verunreinigungskonzentration !N gemacht wird. So weist z. B. ein Transistor mit einer in Abhängigkeit von der Dicke d des Transistors

dargestellt. Die Verhältnisse in der Emitterzone sind in dem Schaubild der F i g. 2 nicht mit angegeben. Die senkrechten gestrichelten Linien geben entsprechend der Einteilung in F i g. 1 die Grenzen der einzelnen Schichten bzw. Zonen an. Die Kurve 10 stellt die mit dem WertA^ beginnende Verunreinigungsverteilung in dem Halbleiterkörper mit der an der Oberfläche liegenden hochdotierten, niederohmigen Schicht 1 α und der die hochohmige Schicht 1 b enthaltenden, z. B. durch epitaktisches Aufwachsen erzeugten hochohmigen, mit einer geringen Verunreinigungskonzentration des Wertes N_ib versehenen Schicht dar. Die Kurve 11 gibt die bei einem Diffusionsschritt entstehende Verunreinigungskonzentrationsverteilung in der die niederohmigere Schicht 1 c unmittelbar am Kollektor-pn-Übergang enthaltenden epitaktischen Schicht an. Die Kurve 12 gibt die Verunreinigungskonzentrationsverteilung an, die bei der Diffusion der Basiszone 2 entsteht.

Bei dem oben beschriebenen Flächentransistor ist die wirksame Kollektorzone in den hochohmigen Kollektorzonenteil 1 b mit geringen Verunreinigungen, der die Abbruchspannung des Transistors bestimmt, und die niederohmigere Schicht Ic mit höherer Dotierung aufgeteilt, welche dafür sorgt, daß der Stromverstärkungsfaktor bei hohen Strömen nicht absinkt.

Bei kleinen Strömen ist der Stromverstärkungsfaktor, soweit er durch die Verhältnisse in der Basiszone bestimmt wird, der gesamten Zahl der Störstellen in der Basis umgekehrt proportional. Da bei einer diffundierten Basiszone die Oberflächenkonzentration wesentlich größer ist als im Inneren, haben die Dotierungsverhältnisse am Kollektor-pn-Übergang praktisch keinen Einfluß auf den Stromverstärkungsfaktor.

Bei großen Strömen ist der Stromverstärkungsfaktor, soweit ihn die Verhältnisse in der Basiszone bestimmen, dagegen dem Quadrat der Basisbreite umgekehrt proportional. Die Breite der Basis, die von einer Oberfläche in einem Halbleiterkörper durch Eindiffundieren von Dotierungsmaterial erzeugt wird, hängt aber bei sonst gleichen Bedingungen von der Dotierung des Grundkörpers ab. Sie ist schmaler ,je höher der Grundkörper dotiert ist. Eine schmale Basis erhöht aber den Stromverstärkungsfaktor.

Man nutzt also bei dem oben beschriebenen Flächentransistor den Teil der Kollektorzone, der unmittelbar an die Basiszone angrenzt und der ohnehin für die Höhe der Abbruchspannung nicht maßgebend ist, aus, um die Basisbreite zu verringern und den Verlauf des Stromverstärkungsfaktors des Transistors bei großen Strömen zu verbessern.

Für die Herstellung eines Planartransistors nach der F i g. 1 wird in an sich bekannter Weise von einer hochdotierten, niederohmigen Trägerplatte, z. B. aus Silizium, ausgegangen. Durch epitaktisches Aufwachsen wird die hochohmige Schicht 1 b erzeugt. Die freie Oberfläche dieser Schicht wird mit einer als Diffusionsmaske 4 b wirkenden Oxydschicht überzogen, die in der Mitte eine öffnung aufweist. In diese öffnung wird Dotierungsmaterial des gleichen Leitfähigkeitstyps wie der Grundkörper mittels eines Diffusionsprozesses, z. B. durch Eindiffundieren von Phosphor, erzeugt. Die Diffusion wird so gesteuert, daß die Grenze dieser Schicht innerhalb der hochohmigen Schicht Ib verläuft. Anschließend wird durch die gleiche öffnung der Oxydschicht 4 b Dotierungsmaterial des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps, z.B. Bor, eingebracht. Es entsteht die p-leitende Basiszone 2. Die Diffusion wird so gesteuert, daß der pn-übergang mit der Kollektorzone innerhalb der hochdotierten, niederohmigeren Schicht 1 c verläuft. Zum Erzeugen der Emitterzone 3 wird zunächst eine weitere Oxydschicht als Diffusionsmaske Aa auf die Oberfläche des Halbleiterkörpers aufgebracht, die in der Mitte eine kleinere öffnung aufweist als die der ersten Oxydschicht 4 b. Durch diese öffnung wird Dotierungsmaterial eingebracht, das n-Leitfähigkeit erzeugt. Man kann das z. B. durch Eindiffundieren von Phosphor erreichen.

Der oben beschriebene Flächentransistor kann auch ein anderer Transistorstyp, z. B. ein Mesatransistor, sein. Zu seiner Herstellung wird zweckmäßig wiederum von einer hochdotierten Substratplatte ausgegangen, auf der durch epitaktisches Aufwachsen eine niedrig dotierte, hochohmige Schicht des gleichen Leitfähigkeitstyps erzeugt wird. Man kann dann entweder durch weiteres epitaktisches Aufwachsen oder durch Diffusionsprozesse entsprechend denen bei der Herstellung des Planartransistors die n-leitende niederohmigere Schicht 1 c und die p-dotierte Basiszone 2 herstellen. Anschließend wird ein zentraler Teil der freien Oberfläche der Basiszone mittels eines ätzfreien Materials, z. B. Wachs, abgedeckt und durch Einwirken eines Ätzmittels die außerhalb dieser Abdeckschicht liegenden Teile des Halbleitermaterials abgetragen. Es entsteht dabei ein Mesaberg, der mindestens bis zum Kollektor-pn-Übergang reichen soll. Anschließend wird nach Entfernen der Abdeckschicht die Emitterzone 3 durch einen Legierungs- oder Diffusionsprozeß hergestellt.

Der oben beschriebene Flächentransistor kann auch ein pnp-Transistor sein.

Claims

Patentansprüche:

1. Flächentransistor mit einem Halbleiterkörper mit drei Zonen abwechselnd entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps, bei dem die Kollektorzone an ihrer zu kontaktierenden Oberfläche eine niederohmigere als ihre hochohmige, innenliegende Schicht aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Kollektorzone (1) außerdem zwischen ihrer hochohmigen, innenliegenden Schicht (1 b) und dem Kollektor-pn-Übergang (5) eine dünne, gegenüber der hochohmigen, innenliegenden Schicht (Ib) niederohmigere Schicht (Ic) aufweist.

2. Verfahren zum Herstellen eines Flächentransistors nach Anspruch 1, bei dem eine Schicht der Kollektorzone durch epitaktisches Aufwachsen gebildet wird und die Basis- und Emitterzone durch Diffusion gebildet werden, dadurch gekennzeichnet, daß auf einer Trägerplatte aus Halbleitermaterial eines ersten Leitfähigkeitstyps mit hoher Verunreinigungskonzentration als Kollektorzonenoberflächenschicht (1 a) eine Schicht des gleichen Leitfähigkeitstyps mit niedriger Verunreinigungskonzentration für die hochohmige innenliegende Schicht (1 b) der Kollektorzone epitaktisch aufgebracht wird, daß die Oberfläche der epataktischen Schicht mit einer Diffusionsmaske (4 b) versehen wird, die in der Mitte eine öffnung enthält, daß durch diese öffnung den gleichen Leitfähigkeitstyp erzeugendes

Dotierungsmaterial in die epitaktische Schicht flach eindiffundiert wird, so daß eine Schicht hoher Verunreinigungskonzentration für die an den Kollektor-pn-Übergang (5) angrenzende niederohmigere Schicht (Ic) der Kollektorzone entsteht, daß anschließend in die durch den ersten Diffusionsprozeß erzeugte Schicht hoher Verunreinigungskonzentration die Basiszone (2) des Flächentransistors bildendes Dotierungsmaterial des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps eindiffundiert wird und daß schließlich nach Anbringen einer weiteren Diffusionsmarke (4 ä) über der ersten Diffusionsmarke (4 b) mit einer kleineren öffnung, die kleiner als die Öffnung der ersten Diffusionsmaske ist, die Emitterzone (3) bildendes Dotierungsmaterial des ersten Leitfähigkeitstyps in die Basiszone (2) eindiffundiert wird.

3. Verfahren zum Herstellen eines Flächentransistors nach Anspruch 1, bei dem eine Schicht der Kollektorzone durch epitaktisches Aufwachsen gebildet und ein bis mindestens zu dem Kollektor-pn-Übergang reichender Mesaberg geätzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß auf eine Trägerplatte aus Halbleitermaterial eines ersten Leitfähigkeitstyps mit hoher Verunreinigungskonzentration eine Schicht des gleichen Leitfähigkeitstyps mit niedriger Verunreinigungskonzentration durch epitaktisches Aufwachsen hergestellt wird, daß dann durch Diffusion oder epitaktisches Aufwachsen eine weitere Schicht des gleichen Leitfähigkeitstyps mit hoher Verunreinigungskonzentration und anschließend eine die Basiszone bildende Zone des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps erzeugt werden, daß durch Abdecken eines zentralen Teils der freien Oberfläche der Basiszone und Abätzen der nicht abgedeckten Teile des Halbleitermaterials ein mindestens bis zu dem Kollektor-pn-Übergang reichender Mesaberg geätzt wird und daß anschließend in der Basiszone eine Emitterzone des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps durch Diffundieren oder durch Legieren erzeugt wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen