DE1489250A1

DE1489250A1 - Halbleitereinrichtung und Verfahren zu ihrer Herstellung

Info

Publication number: DE1489250A1
Application number: DE19641489250
Authority: DE
Inventors: Carley Donald Raymond
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1963-10-24
Filing date: 1964-10-21
Publication date: 1972-04-27
Also published as: SE300659B; JPS4844274B1; BE654804A; DE1489250C3; ES305219A1; NL136562C; NL6412351A; US3434019A; DE1489250B2; GB1072778A

Description

6144-6 VDr. ν. D/E

RCA 53 6(52

US-Ecriol Ho. 513,678 H892 50

Piled: October 24,1963

JUadlo Corporation of America New York N.Y., V St.A.

Halblolterelnrlchtunp; und Verfahren zu ihrer Herstellung

Es ist bekannt, daß die Ausgangsleistung und die Leiatungsverstärkunß von Halbleitereinrlchtungon mit zunehmender Frequenz abnehmen. Flächenhalbleitereinrichtungen, wie Transistortrioden, sind daher bei sehr hohen Frequenzen hinsichtlich der Ausgangsleistung Grenzen gesetzt. Es war beispielsweise bisher schwierig, Transistoren mit einer Ausgangsleistung bis zu zwei Watt bei einer Betriebsfrequenz bis zu 250 MHz herzustellen. Die für diesen Frequenzbereich verfügbaren Bauelemente sind hinsichtlich ihrer elektrischen Eigenschaften weder so gleichförmig noch reproduzierbar wie es erwünscht 1st und müssen gewöhnlich in Sonderanfertigung unter Verwendung von Verfahren hergestellt werden, die sich nicht für eine Massenfertigung eignen. Für viele Zwecke, wie Entfernungsmeögeräte und Satellitennachrichtenverbindungen werden Jedoch Halbleitereinrichtungen wie Traneistoren mit einer Ausgangsleistung von mehreren V'att bei Frequenzen oberhalb von 250 MHz benötigt.

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Auch auo anderen Gründen ist es erv/Unscht, LüistungstransiGtoren und dgl. für hohe Frequenzen durch Verfahren herstellen zu können, die sich für eino Massenfertigung elG-nen, so daß größere Stücksahlen mit gleichförmigen und reproduzierbaren elektrischen Eigenschaften preiswert hergestellt v/erden können.

Durch die vorliegende Erfindung sollen daher neuartige Halbleitereinrichtungen hoher Ausgangsleistung bei sehr hohen Betriebsfrequenzen und Verfahren zur billigen Massenfertigung solcher Halbleitereinrichtungen mit gleichförmigen und reproduzierbaren Eigenschaften angegeben werden.

Gemäß der Erfindung hat eine Fiächenhalbleitereinrichtung wie eine Transistortriode eine Anzahl diskreter Emittorbereiche. Die Oberflächengröße der einzelnen Emitterbereiche ist jeweils kleiner als 25 μη im Quadrat. Stotliehe Emitterbereiche werden durch einen einzigen Metallkontakt parallelgeschaltet. Man erhält auf diese Weise bei der Einrichtung ein großes Verhältnis von Emitterumfang zu Emittorflache. Ein anderes wichtiges Merkaal von Hochfrequenz-Leistungstransistoren gemäß der Erfindung besteht darin, daß im Basisbereich der Einrichtung eine Anzahl von gut leitenden Stromwegen vorgesehen sind, die vorzugsweise eine regelmäßige Anordnung, wie ein X-Y-Gitter bilden. Diese leitenden Stromwege verteilen den Basisetroa gleichförmig im Basisbereich und setzen den Basiswiderstand

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(r..|) der Einrichtung herab.

Weitere Einzelheiten der Erfindung und

neuartige Massenproduktionsverfahren werden im folgenden anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:

Fig. la bis 11 schematische isometrische

Darstellungen einer Halbleiterscheibe während aufeinanderfolgender Verfahrensechritte bei der Herstellung einer Halbleitereinrichtung gemäß einer AusfUhrungsform der Erfindung, wobei die Figur Ik und 1 1 aus Gründen der Deutlichkeit in einem größeren Maßstab gezeichnet sind;

Flg. 2a bis 2d Querschnittsansichten einer Halbleiterscheibe während aufeinanderfolgender Verfahrensechritte bei der Herstellung einer Flächenhalbleitereinrlchtung gemäß einer anderen AusfUhrungsform der Erfindung und

Fig. JJ bis 6 Draufsichten auf eine Halbleiterscheibe während aufeinanderfolgender Verfahrensschritte bei der Herstellung einer Flächenhalbleitereinrichtung gemäß der Erfindung.

Beispiel 1.

Als erstes wird eine Scheibe oder ein Plättchen 10 (Fig. la) aus kristallischem Halbleitermaterial wie Germanium, Silicium, einer Germanium-Siliciura-Legierung, Galliumarsenid, Indiumphosphid und dgl. hergestellt, die zwei einander gegenüberliegende Hauptflächen 11, 12 aufweist. Größe, Form, Leitungetyp und Zusammensetzung der Scheibe 10

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sind für die vorliegende Erfindung nicht besonders wichtig. Geeignete Abmessungen sind beispielsweise etwa I₁S χ 1,2 χθ,15η« Bei dem vorliegenden Beispiel soll die Scheibe 10 aus einem Siliciumeinkristall bestehen und durch starke Dotierung mit einem Donator, wie Phosphor, η-leitend sein und einen spezifischen Widerstand von ungefähr 0,005 Ohm-cm haben, was

IQ -"3

einer Ladungsträgerkonzentration von etwa 1,2 χ 10 ^ cm ^

entspricht. ^;'

An der einen Seite der Scheibe wird dann ein Bv-reich hohen spezifischen Widerstandes gebildet, z.B. durch ein Epitaxial- oder Diffusionsverfahren. Β--Ί diesem Ausführungebeispiel soll ein Epitaxialverfahren verwendet werden.

Auf der einen Sehelbenflache 12 wird also durch irgend ein bekanntes Verfahren eine epltaxlale SiIiclura8chlcht l4 (Flg. Ib) aufgebracht, z.B in dem man eine Mischung aus Vaseeritoff und Siliciumchlorld über die erhitzte Scheibe leitet. Die Epitaxialsohicht 14 wächst dabei als Fortsetzung des Kristallgitters der Scheibe 10 auf. Die Epitaxialschicht 14 1st ebenfall· η-leitend und zweckmäßigerweise etwa 25 pn dick Der spezifische Widerstand der Epitaxialschicht 14 ist Jedoch größer als der der Scheibe 10 und liegt im Bereich von etwa 1 bis 15 0hm-cm.

Auf die Epitaxialschicht 14 wird dann ein elektrisch isolierender überzug 15 (Fig. Ic) aufgebracht, z.B. durch Aufdampfen. Der Isolierende Überzug 15 kann aus Siliciummonoxyd, Siliciumdioxyd, Magnesiumfluoride Magnesiua« oxyd und dgl. bestehen. Da die Scheibe bzw. die Epltaxial-

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schicht bei diesem Beispiel aus Silicium bestehen, läßt sich ein geeigneter SiliciumoxydUberzug am einfachsten durch thermische Oxydation erzeugen. Um den SiliciumoxydUberzug auf der Epitaxialschicht 14 zu erzeugen, wird die Scheibe in Dampf für etwa 20 Minuten auf 1200 ⁰C erhitzt. Während dieses Verfahrensschrittes können die anderen Flächen der Scheibe abgedeckt werden, damit auf ihnen kein Oxydüberzug entsteht. Man kann jedoch auch die ganze Scheibe mit Oxyd Überziehen und den OxydUberzug durch Schleifen, Läppen oder Ätzen an den unerwünschten Stellen wieder entfernen.

Vie in Flg. Id dargestellt ist, wird nun in dem SiliciumoxydUberzug 15 auf der Epitaxialschicht 14 eine öffnung IJ gebildet, indem der innere Teil des Überzuges entfernt wird, um einen Bereich 13 der Epitaxialschicht 14 frei zu legen. Abmessungen und Form des freigelegten Bereiches 13 sind nicht besonders wichtig, er kann beispielsweise etwa 1 χ 1 mm grofl sein. Das Entfernen des inneren Teiles des SiliciumoxydUberzugs kann durch irgend ein bekanntes Verfahren erfolgen, z.B. durch Läppen oder Schleifen oder durch Abdecken der ηander des Oxydüberzuges mit einer Xtzschutzechicht wie Paraffinwachs, Apiezonwachs und dgl. und anschlieOendes Abätzen des nicht abgedeckten Teiles des Überzuges durch ein Ätzmittel wie Flußsäure oder Ammoniumfluor ldlösung. Zur Abdeckung kann auch eine etrahlungsempfind-Iiehe Rtzschutzschicht verwendet werden, die dann mit einen entsprechenden Lichtbild belichtet, an den belichteten Stellen polymerisiert und gehärtet und en den unbelichteten

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Stellen entfernt wird. Öle etrahlungsempdlngliche Ätzechutzfechlcht kann aus einem blchromatisierten Protein, wie bichromatlsiertem Albumen, Gummiarabikum, Gelatine oder dgl. bestehen. Strahlungsempfindliche Ktzschutzschichten sind auch Im Handel erhältlich.

Die Scheibe 10 wird aneohlieflend für etwa 25 Minuten in einer Stickstoff und einen geeigneten Akzeptor, wie dampfförmiges Boroxyd (BnO,) enthaltenden Atmosphäre auf etwa 1000 ⁰C erhitzt. In dem freigelegten Teil der Epitaxialschicht 14 innerhalb der öffnung Γ5 wird auf diese Weise ein eindiffundiertes Bor enthaltender Bereich 16 (Pig. Ie) gebildet.Dar Bereich 16 1st etwa 0,5 /um dick und durch das eindiffundierte Bor P-leitend. Bei diesem Verfahrensschritt entsteht gleichzeitig ein Rl-Übergang 17 zwi· sehen dem durch das eindiffundierte Bor P-leitenden Bereich 16 und dem N-leitenden Rest der Epitaxialschlcht 14. Der übergang 17 bildet in der fertigen Einrichtung den Basis-Kollektor-tibergang.

Die Scheibe 10 wird anschließend in einer oxydierenden Atmosphäre wie Dampf für etwa 45 Minuten auf etwa 1100 °C erhitzt. Dabei entsteht auf dem das eindiffundierte Bor enthaltenden Bereich 16 ein neuer Silicium· oxydüberzug 15* (Flg. If). Der zweite Siliciumoxydüberzug 15* ist dünner als der erste Sllioiumoxydüberzug 15* dessen Dicke bei dem letztgenannten Verfahrensschritt zunimmt. Der das eindiffundierte Bor enthaltende Basisbereich 16 wird durch das Erhitzen ebenfalls dicker (etwa 2*5 um), da

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dir; Boratome tiefer In die Epitaxie 1 schicht 14 eindiffundioron.

Mittels der oben angegebenen Abdeck- und Ätzverfahren v/erden in dem Siliclumoxydliberzug 15* über dem Basiebereich 16 eine Anordnung von Kanälen 18 (Fig. Ig) gebildet. Abmessungen, Form und Anzahl der Kanüle 18 sind nicht besonders wichtig, sie werden entsprechend der Anzahl der anschließend zu bildenden Emitterbereiche gewählt. Durch die Kanäle 18 werden Teile des Basisber-elches 16 freigelegt. Fig. 3 zeigt den Halbleiterkörper 10 mit der Anordnung von Kanälen 18 im SlliciumoxydUberzug 15' in diesem Zustand in Draufsicht.

Die Scheibe 10 wird nun in einer neutralen Atmosphäre, die einen verdampften Akzeptor enthält, erneut erhitzt. Bei diesem Beispiel wird die Scheibe 10 für etwa 15 Minuten in einer Boroxyddämpfe enthaltenden StlckstoffatmosphKre auf etwa 1200 ⁰C erhitzt. In die freiliegenden Teile des P-Ieitenden Basisbereiches 16 diffundiert daher zusätzlich Bor ein, so dal P⁺-Zonen 19 In Form eines reohtecklgen X-Y-Gitters oder Netzes In Basisbereich entsprechend den Kanälen 18 im SiliciumoxydUberzug 15* gebildet werden. Die Zonen 19 sind bei diesem Beispiel etwa 7,5 um breit und etwa 3 pn tief. Da der durch Eindiffusion von Bor erzeugt«

Basisbereich 16 nur etwa 2,5 Qb dick 1st, reichen die P⁺- Zonen 19 vollständig durch den P-IeItenden Baslsbereloh und noch eine klene Strecke in den N-leitenden Tail der Epitaxialschicht 1%. Die Grenzen der P⁺- Zonen 19 sind durch

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gestrichelte Linien 29 dargestellt, die P P-Ubergänge im P-loltenden Basisbereich 16 und P⁺N-Ubergänge im N-leitenden Teil der Epitaxialschicht 14 unterhalb des Basis-Kollektor-Uberganges 17 bilden.

Die leitenden Zonen 19 bestehen weder aus

Metall noch aus einem Metall-Halbleiter-Eutektikum, sie können als Teile des halbleitenden Basisbereiches angesehen werden, die stärker als der Rest des Basisbereiches dotiert sind.

Der spezifische Widerstand der P⁺-Zonen 19

ist beträchtlich kleiner als der spezifische Widerstand des P-Bereiches 16. Die Flächenleitfähigkeit des Basisbereiches 16 beträgt bei diesem Beispiel an der Oberfläche ungefähr 80 Ohm pro Quadrat, während die Flächenleitfähigkeit der P⁺- Zonen an der Oberfläche nur ungefähr 4 Ohm pro Quadrat beträgt. Die P⁺-Zonen 19 bilden daher Leiterstrecken zur gleichförmigen Verteilung des Stromes über den ganzen Basisbereich 16. Der effektiv3 Innenwiderstand zwischen der gleichrichtenden Emitterelektrode und dem nichtgleichrichtenden BasisanschluS, der in hybriden ~~Ersatzschaltbildern als Basiswiderstand iv. _t bekannt 1st, wird dadurch herabgesetzt und die Grenzfrequenz wird dementsprechend erhöht. Der Basisstrom kann nicht in den Kollektorbereich der Epitaxialschicht 14 gelangen, da die Grenzen 29 unterhalb des Basis-Kollektor-Überganges 1? gleichrichtend sind, wie obm schon erwähnt wurde. Hinsichtlich des Basiswiderstandes r.. · und

ob

anderer Parameter von hybriden /^Ersatzschaltbildern sei

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auf die Veröffentlichungen von I*. J. Giacoletto "Study of P-N-P Alloy Junction Transistors From D.C· Through Medium Frequency", RCA Review, Band 15, No. 4, Dezember I954 Seiten 5Ο6 bis 562 und "Terminology and Equations for Linear Active Four-Terminal N-tv.Orks Including Transistors", RCA Be view, Band 14, No. 1, März 1953 Seiten 28 bis 46 verwiesen. Da r^t einer der wesentlichen Parameter ist, die die Funktionsfähigkeit von Transistoren bei höheren Frequenzen beeinträchtigen, ist die Verringerung des Basiswiderstandes besonders vorteilhaft, insbesondere für Halbleitereinrichtungen, die für einen Betrieb bei Frequenzen über 100 MHz bestimmt sind.

Die Halbleiterscheibe 10 wird nun zwecBmäQigerweisG mit einem Ätzmittel, wie FluSsäure, behandelt, um die verbliebenen Teile der Siliciuraoxydtiberzüge 15 und 15* zu entfernen; die Scheibe hat dann das in Fig. lh gezeigte Aussehen. Dieser Verfahrensschritt dient auch dazu, gewisse Verunreinigungen, wie Metallionen zu entfernen, die sich zwischen der Siliciumoxydschicht und dem Halbleiter ansammeln können.

Die Scheibe wird nun für etwa 50 Minuten erneut in Dampf auf etwa 1000 ⁰C erhitzt, so daß auf der ganzen Scheibe eine frische saubere Siliciumoxydschicht 25 (Fig. 1 j) entsteht.

Wie in Fig. Ik aer besseren Deutlichkeit hai V ber in einer vergrößerten Teilansicht der Scheibe 10 darge« stellt ist, wird die frische Silicluiiloxydschlcht 25 maskiert und geätzt, um in aer Schicht 25 e.lrasjVielzahl von Öffnungen

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20 zu bilden, durch die Teile des eindiffundiertes Bor enthaltenden P-leitenden Basisbereiches 16 freigelegt werden. Die öffnungen 20 bilden eine regelmäßige Anordnung, beispielsweise ein X-Y-Gitter, so daß sich jede öffnung 20 innerhalb eines Bereiches befindet, der durch zwei sich kreuzende Paare leitender Zonen 19 begrenzt wird. Die Form der einzelnen öffnungen 20 ist nicht wesentlich, sie kann kreisförmig, dreieckig, rechteckig oder sogar unregelmäßig sein. Um optimale Ergebnisse bei hohen Frequenzen zu erzielen, soll die Fläche der einzelnen öffnungen 20 jedoch kleiner als 25 aim im Quadrat sein. Bei diesem Beispiel sind die öffnungen 20 qviadrate mit einer Kantenlänge von etwa 12,5 um und bilden eine rechteckige Anordnung von I^ Reihen und 12 Soalten. Fig. 4 ist eine Draufsicht, die die Anordnung deiöffnungen 20 in diesem Fertigungszustand zeigt.

Die Scheibe 10 wird nun in einer Umgebung erhitzt, die einen verdampften Donator enthält, um den Loitungstyp der freiliegenden Teile des eindiffundiertes Bor enthaltenden Bereiches 16 umzukehren. Bei diesem Beispiel wird die Scheibe 10 für etwa 2 bis 10 Minuten in einer Phosphorpentoxyddämpfe enthaltenden Atmosphäre auf etwa 1100 ⁰C erhitzt. Teile 21 des Basisbereiches 16 werden dadurch N-leltend, sie dienen als die Emitterbereiche der Einrichtung. An den Grenzen zwischen den durch eindiffundierten Phosphor N-leitenden Emitterbereichen 21 und dem durch eindiffundier·» tes Bor P-leitenden Basisbereich 16 entstehen auf diese Veise eine Vielzahl von PN-übergHngen 22, die die Emitter-

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Basis-Übergänge der Einrichtung bilden.

Anschließend wird die Scheibe 10 wieder für etwa 20 Minuten in Dampf auf etwa 1Ö00 ⁰C erhitzt, um auf den einzelnen Emitterbereichen 21 Silieiumoxydschichten 35 (Fig. 1 l) zu bilden. Die Silieiumoxydschichten 35 sind dünver als der SlliciumoxydUberzug 25» dessen Dicke jedoch bei der Erhitzung zunimmt. Durch Abdecken und Ätzen wird in den die einzelnen Emitterbereiehe 21 bedeckenden Siliciuraoxydschichten 35 jeweils eine öffnung 36 für einen EmitteransehluQ gebildet. Größe und Form der öffnungen 36 ist nicht wesentlich, die öffnungen 36 sollten jedoch ganz innerhalb der Fläche des zugehörigen darunterliegenden Emitterbereiches 21 liegen. BeL dem vorliegenden Beispiel sind die öffnungen 36 für die EmitteranschlÜ3se Quadrate mit etwa 7*5 pm Kantenlänge und bezüglich den zugehörigen Emitterbereichen 21 zentriert, die * wie erwähnt, die Form von Quadraten mit 12,5 um Kantenlänge haben. Beim Ausätzen der öffnungen 36 werden auch gleichzeitig Teile der Siliciumoxydsehicht 25 entfernt, um eine Anordnung von Kanälen 38 zu bilden. Die Kanäle 38 sind vorzugsweise ebenso breit wie die P -leitenden Zonen 19, also bei diesem Beispiel 7» 5/ura , und sie bilden eine sich nur in einer Richtung erstreckende Anordnung bei der durch die einseinen Kanäle 38 jede zweite leitende Zone I9 bis zur mittleren Reihe der öffnungen 36 freigelegt wird. Fig. 5 zeigt die Anordnung der Emitteranschlußöffnungen 36 und der Kanäle 38 in diesem Zustand

An den freigelegten P -leitenden Zonen 19

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und den freigelegten Teilen der einzelnen Emitterbereiche 21, die den öffnungen 36 entsprechen, wird nun ein niederohmlger elektrischer Anschluß angebracht. Dies kann beispielsweise durch einen Niederschlag aus einem Metall oder einer Legierung auf jedem der freigelegten Teile der Scheibe erfolgen. BoI diesem Beispiel wird auf die ganze Oberfläche der Scheibe ein Aluminiumfilm 40 aufgedampft. Die genaue Dicke des Filmes 40 ist nicht wesentlich, ein geeigneter Wert ist etwa 4 um. Der leitende Film 40 kontaktiert nicht den ganzen Basisbereich 16, da er zum Teil die Siliciumoxydschichten 25 und 35 überdeckt, er stellt jedoch einen Anschluß an die freigelegten Teile der Scheibe her, die den leitenden Zonen 19 und don AnachlußflHehen J6 innorhalb dor einzelnen Efnitterbereichü 21 entsprochen. Obwohl Aluminium in Silicium als Akzeptor wirkt, hat es sich herausgestellt, daß Aluminium sowohl mit den durch eindiffundiertes Bor P⁺-leitenden Leiterzonen 19 als auch mit den durch eindiffundierten Phosphor N-leitenden Emitterbereichen 21 einen niederohmigen Kontakt bildet. Wenn der Metallfilm 40 wie bei diesem Beispiel dünner ist als etwa 25 Aim, ist dao Ilucter oder die Anordnung dor leitenden Zonen und der Emitteröffnungen als Vertiefungen im Ilotallfilm sichtbar.

Da der als Anschluß dienende Metallfilm 40 im ursprünglichen Zustand den Basisberelch der Einrichtung und die Emi ,terbereiche kurzschließt, wird der Film 40 in zwoi getrennte Tolle unterteilt, von denen der eine nur mit dem BasiGbereich dor Einrichtung Kontakt macht, während dor

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andere nur die Emittorbcreicho kontaktiert. Die Unterteilung des flrtallfllmos 40 erfolgt an zweckmäßigsten durch Aufbringen einor photoempfindlichon Ktzschutζschicht auf den Moto.llfllrn, Bollchtung dieser Schicht mit ©inem entsprechenden Llchtmuoter, Entwickeln der Schicht und Entfernen dor freigelegten Teile des Itetallfilms 40 durch ein Ätzmittel, oo daß Teile der darunter liegenden Siliciumoxydschicht 25 freigelegt worden. Bsi täera -worlicfg&aiäQn BoiEplel werden die von der ßtz3chut2achieht nicht bedeckten Tolle den auo Aluminium bestehenden Filma 40 nm bequemsten mit einem Ätzbad entfernt , das oine wltaoerige tJatrlumhydroxydlösung enthiilt. Der Kontaktfilm wird vorzußov/eiso in zwei Teile unterteilt, wie Piß. 6 In Draufsicht zelßt, nUnllch einen mittleren Teil 42, der der KmL .teranschluß wird und ein fiuerer Teil 44, der als Ba-8lßan3chluß der Einrichtung dient. Die Anschlüsse 42, 44 eind voneinander durch die dazwischen liegenden freigelegten Teile der Siliciumoxydachicht 25 elektrisch isoliert. Der Emittoranschluß 42 hat vorzugsweise oine aüfgefingerte oder kammartige Struktur mit einer Anzahl von Fingern 43. Boi dem vorliegenden Beispiel bedockt jeder Pinger 43 zwei benachbarte Reihen von Emitteransohluöflachen. Da bei diesem Beispiel 12 Spalten Eraitterboroiche vorhanden sind, umfaßt der Emitteran3chluQ 42 seche Pinger 43,der Baeisanschluß 44 reicht vom Umfang des Baoiebereiches zu den sehmalen Zonen zwischen den Fingern 43, so daß Jede zweite leitende Zone 19# die in der Draufsicht nicht dargestellt sind, zwischen den

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Fingex-n kontaktlert wird. Dor Baaicatrcn wird also gleichförmig und mit geringen V/lderstandsver:u3ten mittela des Kreuugitters au3 den P - Zonen I9 hoher LeitflihickeIt über den ganzen P-Ie!tendon Daalcbereich 16 verteilt. Durch die von den Loiteratrocken 19 gebildete Anordnung Im Baalßberoich der Einrichtung wird denentßprechend der Wort den als Basiswidcrstand (ϊ\-1) bekannton elektrischen Parameters herabgesetzt und daa Arbeiten der Einrichtung bei hohen Frequenzen wesentlich verbessert.

Die N-loitendo Masse dor Epitaxlalschicht stellt den Kollektorbereich der fertigen Einrichtung dar. Da die Epitaxialschicht 14 bei den vorliegenden Doiaplel auf einer Scheibe 10 gezüchtet vnii'de, die ebenfnlla Il-leitend ist, kann ein elektriechar Anschluß für den Kollektoi-bereich 14 durch Anlüten einc3 Leitungsdrahtes an der Flüche 11 der Scheibe 10 hergestellt werden. Eine andere MCgllchkait beoteht darin, die Scheibe 10 in einem ÖehHuoe zu montieren, woboi dann die Fläche 11 mit dem Boden des Gehäuses verbunden wird, das dann ale Kollektoranschluß fllr die Einrichtung dient. Mit dem EniitteransohluO 42 und dem Basicanschluß 44 werden dann jeweils noch mindestens ein Anschlußdraht verbunden, z.B. durch Thermokompression oder Löten. Dae Anbringen der AnßchlußdrUhte und das Kapseln der Einrichtung können in bekannter Welse ausgeführt werden,, so da/3 sich eine nHhere Beschreibung erübrigt.

Die beschriebene Einrichtung zeichnet sich durch ein hohes Verhältnis von Emitterumfang (gemessen In

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Millimeter) zu EmittorflHche (gerechnet in Hillimetorquadrat) aus. Ea ist bekannt, daß sich der Emitterinjoktionsstrom durch Vergrößern des EmittorUmfanges erhöhen läßt, da der Emifcterstrom von der Emitterzone über den Emitterumfang in die Baßiszone atrörat. Die Aucgnnssleistung der Einrichtung lUßt üieh zwar auf diene V.'oise durch Vergrößerung dar Emitterflttoho und dea F.mittorurafangoa vergrößern, durch die Vergrößerung der IJmitterflUehe nimmt jedoch auch die Emittorkapazitttt zu, wodurch die Hochfrequenzcigenechaften der Einrichtung beeinträchtigt v/erden. Bei Hochfrequenztranaistoren ist daher eine Vergrößerung des Emltterumfanges ohne gleichzeitige Übermäßige.Erhöhung dor Emitterfläche erwünocht. Um dies zu erx-elchen, hat man bisher dem Eraitterbereieh die Form eines Blattes oder einer regelmäßigen Figur mit einer Anzahl von Keulen gegeben. V<enn hierdurch auch ein etwas günstigeres Verhältnis von Emitterumfang zu Emitterflffcho erreicht werden konnte, co cind die erreichten Verhtiltnicwerte immer noch ungenügend für Hochfrequena-Leistungstransistoren. Bei der hler beschriebenen Einrichtung wird das Verhältnis von Eralttcrumiang su Emitterfläche dadurch beträchtlich vergrößert, daß der Emitter in eine Vielzahl von Emitterboreichen aufgeteilt wird, deren Fl&chc Jeweils kleiner als 25 /um im Quadrat beträgt. Man betrachte beispielsweise bekannte Einrichtungen, w ie Mesatransistor en und dgl'., deren Emitterzone im allgemeinen rechteckig 1st. Die Abmessungen der Emitterzone solcher Einrichtungen wechseln zwar von Type zu Type, als repräsentativer Y.'ert kann jedoch.beispielsweise 0,05 x 0,5 nun

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hcrausgegriffen werden. Die Emitterflüehe eines solchen Transistors betrügt dementsprechend 0,026 mm bei einem Eraitterurafang von 1,1 mm. Im Gegensatz dazu enthalt die im Beispiel 1 beschriebene Einrichtung I56 Emitterbereiche, die Jeweils die Fora eines Quadrates mit einer KantenJ.Snge von 12,5jum haben. Wie sich leicht errechnen läßt, ist die gesamte Emitterfläche der in dem vorliegenden Beispiel beschriebenen Einrichtung geringfügig kleiner als die Emitterflache der oben als typisch angenommenen bekannten Einrichtung» während das Verhältnis von Emitterumfong zu Emitterfläche bei dem vorliegenden Beispiel etwa achtmal größer ist ale bei der bekannten Einrichtung. Es ist einleuchtend, daß dieser erhebliche Fortschritt hinsichtlich des Verhältnisses von Emlttcrumfang zu Emitterfläche nicht wesentlich beeinträchtigt wird, wenn man der Anordnung von Emitterbereichen in der Einrichtung gemäß der Erfindung irgend eine andere Form gibt, z.B. eine dreieckige, kreisförmige oder unregelmäßige, solange nur die Fläche Jedes einzelnen Emitterbe-► reiches kleiner als 25 um im Quadrat ißt. Ein Merkmal der Einrichtungen gemäß der Erfindung ist, daß das Verhältnis von Emitterurnfang zu EmitterflHche größer als 6 gemacht wird, um hohe Ausgangsleistungen bei hohen Betriebsfrequenzen zu erzielen.

Beispiel II.

Bei dem oben beschriebenen Beispiel wurde zur Herstellung dar Halbleitereinrichtung eine Halbleiterscheibe mit einer Epitaxie!schicht auf der einen Seite ver-

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wendet. Bel dem vorliegenden Beispiel wird eine Flächenhalbleitereinriehtung ausschließlich durch Diffusionsverfahren hergestellt, also ohne daß es erforderlich ist, eine Epitaxialschicht zu züchten.

Als erstes wird wieder eine Scheibe 50 (Fig·

2a) aus kristallischem Halbleitermaterial mit zwei gegen-

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überliegenden Hauptflachen/hergestellt. Die genaue Größe, Form und Zusammensetzung der Scheibe 50 sind nicht wesentlich. Bei diesem Beispiel wurde eine Scheibe 50 aus einem Siliciumeinkristall verwendet, deren Abmessungen etwa 1,2 ac 1,2 χ 0,38 mm betrugen. Der Leitungstyp der Scheibe kann be· liebig sein, hier wurde ein N-leitendes Haterial mit einen spezifischen Widerstand im Bereich von etwa 1 bis 15 Ohm-cn verwendet.

Die Scheibe 50 wird In einer Atmosphäre erhitzt, die einen Dotierungsstoff desselben Typs wie die Scheibe enthält. Bei diesem Beispiel wurde die Scheibe für etwa 30 Minuten in einer Phosphorpentoxyddämpfe enthaltenden Atmosphäre auf etwa 1250 °0 erhitzt, wobei sich eine durch eindiffundierten Phosphor N⁺-leitende OberflSchenzone (Fig. 2b) bildet, die einen N-Ieitenden mittleren Teil 54 umgibt. Bei den angegebenen Bedingungen wird die Oberflächenzone 53 etwa 0,127 mm dick und hat eine Oberflächen-

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konzentration von etwa 1 χ 10 Phosphoratomen/onr.

Die Enden der Scheibe werden dann abge-

' «!mitten und die Scheibe wird an der einen Haupt fläche 52 3.B. durch Läppen soweit abgetragen, daß die ganze N⁺-Ober-

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flächenzone an dieser Seite und ein Teil des H-leitenden Mittelbereiches 54 entfernt wird: der in Fig. 2c dargestellte Rest der Scheibe 50* enthält eine etwa 0,13 ram dicke II «-Zone 53* an der einen Seite 51 und einen N-loltenden Teil 54^f, dar etwa 0,041 mm dick lot. Das Läppen wird sweckraitfligerweise ao durchgefüphrt, daS die der Seite 51 gegenüberliegende Fläche der Scheibe 50* optisch eben ist, tie die Dicke der Scheibe 50* und der anschließend in ihr gebildeten Biffudinszonen besser steuern zu können.

Die ScheibenflSche 51 wird dann abgedeckt und die Scheibe 50 wird mit einem Ätzmittel behandelt, um eine etwa 15 ura dicke Schicht von der nicht abgedeckten Seite zu entfernen. Hierdurch wird der durch die Bearbeitung unbrauchbar gewordene Teil der Scheibe entfernt und es wird eine frische reine Oberfläche für die nachfolgende Behandlung freigelegt. Die Abdeckung wird mm entfernt und auf der Seite der Scheibe 50*, die der Fläche 51 gegenüberliegt, wird eine Isolierschicht 55, z.B. aus Siliciuraoxyd, ausgebracht.

Wie in Fig. 2d dargestellt 1st, enthält

die Scheibe nu$ angrenzend an die Fläche 51 eine etwa 0,13 nan dicke N⁺«2one 53* und eine N-Zone 5**, die etwa 25 um diele ist.

Die Scheibe 50* besteht also aus einer

dünnen N-leitenden Schicht auf eines dickeren N⁺-leitend«n Bereich und entspricht daher im Aufbau der in Fig. Ib dar* gestellten Halbleiterscheibe dee Beispiels 1. Die erschließenden Verfahrenssohrltt« Warden entsprechend den oben be-

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cchriebehen Beispiel 1 durchgeführt, es werden also Jeweils durch Diffusion in der N-leitenden Zone 5^^f ein Basisbereich, innerhalb dos Basloboreiches ein Gitter aus gut leitenden Zonen und im Basicbereich außerdem eine Anzahl von Emitterber eichen gebildet, deren Fläche jeweils kleiner ale 25 um Ira Quadrat ist, und der Basisbereich und die Emitterbereiche werden mit metallischen Anschlüssen versehen.

Eine andere Möglichkeit besteht darin, eine Seite einer kristallischen Halbleiterscheibe eines bestimmten Leitungstyps abzudecken und In die unnbgedeckte Seite dor Scheibe einen Dotierungsstoff desselben Typs eindiffundieren zu lasnen, so daS eine Scheibe gebildet wird, die nn dor einen Seite einen Dereich eines bestimmten Leitungetyps und hohen sjOZifischen Widerstandes und an der anderen Seite einen Bereich kleinen spezifischen Widerstandes aufweist. Die anschließenden Verfahrensschritte zum Herstellen eines BasiGbereiehes, leitender Zonen oder Strecken Im Basisbereich und einer Anordnung diskreter Emitterbereiche werden in der oben beschriebenen Weise durchgeführt.

Beispiel 5»

Bei diesem Beispiel wird eine kristallische Halbleiterscheibe hergestellt, die eine dünne Zone oder Schicht eines gegebenen Leitungstyps auf einer dickeren Zone oder Schicht desselben Leitungstyps Jedoch kleineren spezifischen Widerstandes umfaßt, was durch epitaxiales Aufwehs en entsprechend Pig. Ib des Beispiels 1 oder durch Dif-

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fuaion entsprechend Fig. 2d den Beispiels 2 geschehen kann. Die Oberfläche dar dünnen Zone der Scheibe wird dann gaeignet maskiert und es wird ein Dotierungsatoff dea ungolcohrten Leitungstyps in dio dünne Zone eindiffundiert, um ein rechteckiges Gitter leitenderZonen entgegengeootsten Leitungstypa zu bilden, etwa in Form der X-Y-Gittcranordnung 19 in Fig. If;. Anschließend wird ein Daciobereich entgegengesetzten Leitungatyps, wie der Basisbereich 16 in Fig. Ig, in die dünne Zono der Scheibe um das erwähnte Gitter aus den IeI-tenden Zonen eindiffundiert. Bei diesem stielten Diffusionsechritt nimmt die Leitfähigkeit dos aus den leitenden Zonen gebildeten Gitters zu.

Ein großer Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, daß der erGte Diffusionsschritt zur Bildung des Git* ters aus den leitenden Zonen oder Strecken bei erhöhten Temperaturen mit konzentrierten Verunreinigungen oder Dotierungsstoffen durchgeführt werden kann, 00 daß die gut leitenden Zonen sehr stark dotiert werden und damit einen sehr kleinen elektrischen Widerstand erhalten. Dieser Verfahrenaschritt kann durchgeführt werden, ohne die Leitfähigkeit des Basisbereiches nu beeinflussen, der anschließend gebildet wird, bei dem in diesem Beispiel beschriebenen Verfahren ist die Leitfähigkeit des X-Y-Gittere im Baeisboreich größer als die LeltfKhißkeit des entsprechenden Gittere in den Beispielen 1 und 2. Der Basiswideretand r_bbt der Einrichtung wird dadurch vielter herabgesetzt und der Basleetrora wird noch besser auf die Emitterbereiche verteilt. Die an-

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schließenden Schritte zur Bildung der Vielzahl von Emitter· berelchen, deren Flüche Jevjeils kleiner als 25 um im Quadrat (One mil square) ist, im Banisbereich und die Kontaktierung des Basis- und Emitterbereiches können entsprechend Beispiel 1 durchgeführt worden.

Mit Transistoren, die mit einer Anordnung oder einem Gitter von leitenden Bereichen oder Strecken innerhalb doo Baaicbereiches und mit einer Vielzahl von Emitterberolchen, deren FlKchenatanessung Jev/oilo kleiner als

25 um im Quadrat ist, und einem Verhältnis von Emitterum- ^ fang zn EmitterflSche, das größer als sechs 1st, ließen sich Ausgangsleistungen von sechs Watt bei Betriebsfrequenzen bis zu 500 KHz erreichen. Transistoren mit derart hohen Ausgangsleistungen bei Frequenzen über 250 MlIz sind bisher nicht bekannt geworden.

Die Erfindung wurde oben in den Beispielen anhand von NPN-Siliciumtransistoren beschrieben, sie ist natürlich nicht auf diesen Typ beschränkt. Die Leitungstypen der verschiedenen Bereiche können umgekehrt werden, so daß man PN^-Halbleitereinrichtungen erhält. Andere kristallische Halbleitermaterialien, wie Germanium, Indiuraphosphit und dgl. und gegebenenfalls andere geeignete Akzeptoren und Donatoren können ebenfalls verwendet werden. Für den leitenden Film können aufler Aluminium auch andere Metalle verwendet werden, z.B. ein Edelmetall wie Gold, und das Aufbringen dieses Filmes auf die Halbleiterscheibe kann mit anderen Verfahren geschehen, z.B. stromloses Fiat-

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tieren, Elektroplattieren und dsl. Auch die isolierenden Schichten können nach anderen Verfahren hergestellt v/erden, z.B. durch Aufdampfen. Wenn die isolierenden Schichten aus Siliciumoxyd bestohen und durch thermisches Aufwachsen auf einer Siliciumacheibe erzeugt werden, können sie gleichzeitig ra it den Diffusionsschritten gebildet werden. Wenn die Halbleiterscheibe nicht aus Silicium, sondern beispielsweise aus Germanium, Galliumarsenid und dgl. besteht, können isolierende Schichten aus Siliciumoxyd durch thermisch© Zersetzung von Slloxanverbindunsen hergestellt werden (vgl. beispielsweise USA-Patentschrift J5*O89* 793)- Die Anordnung aus den -.-..■ leitenden Zonen im Basisbereich der Einrichtung kann auch nur in einer Richtung verlaufen, beispielsweise zwischen den durch die Emitterbereiche gebildeten Spalten; andererseits kann die Anordnung ein nichtorthogonales oder unregelmäßiges Gitter bilden. Die Herateilung; der Einrichtung wurde zwar der Einfachheit halber nur anhand einer einzelnen Einheit« die aus einer einzigen Scheibe gefertigt wurde, beschrieben« in der Praxis können selbstverständlich hundert oder mehr c\ Einheiten preiswert gleichzeitig auf einer Scheibe eines Halbleiterkristalles gebildet und dann in getrennte Einheiten mit gleichförmigen und reproduzierbaren elektrischen Eigenschaften unterteilt werden.

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Claims

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Patentansprüche.

1. Transistor mit einem kristallischen Halbleiterkörper, dor olno Anzahl von diskreten Emitterbereichen einca Gegebenen Leitungatypa, die nlteincnder verbunden sind, einen Kollelctorbarelch des gegebenen Loitungotyps und einen zwischen dem Emitter- und Kollektovbereich eingeordneten Basisbereieh entgegengesetzten Leitungotyps enthalt, gekennzeichnet durch eine Mehrzahl leitender Zonen im Daaicbereich, die dem entgegengesetzten Leitungstyp angehören, Jedoch einen kleineren cpozifischen Widerstand als der übrige Teil dö3 Dasisbereiches aufweisen und mit einem allen diesen Zonen gemeinsamen elektrischen Anschluß versehen sind.

2. Verfahren zur Herstellung einer Halbleitereinrichtung, insbesondere nach Anspruch 1 aus einer kristallischen Halbleiterscheibe eines gegebenen Leitungstyps, die zwei gegenüberliegende Haupt f lochen aufweist» dadurch gekennzeichnet, daß an der einen HauptflKche ein Bereich des gegebenen Leitungstypa Jedoch höheren spezifischen Widerstandes als die Scheibe gebildet wird; daß ein Dotierungsstoff des entgegengesetzten Leitungstyps derart in den Dereich höheren spezifischen Widcrni niulos eindiffundiert wird, daß nur ein Teil dieses Bereiches in den entgegengesetzten Leitungstyp umgekehrt wird?

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daß ein Dotierungsstoff des entgegengesetzten Leitungstyps in Teile dee den entgegengesetzten Leitungstyps aufweisenden Teil eindiffundiert werden, um leltendo Zonen in diesem Teil zu bilden, und daß ein Dotierungsstoff des gegebenen Leitungstyps in andere Teile des Bereiches entgegengesetzten Leitungstyps eindiffundiert werden, um eine Anzahl von Bereichen des gegebenen Leitungstyps zu bilden.

J. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Dotierungsstoff des entgegengesetzten Leitungetyps derart in die Teile des Bereiches entgegengesetzten Leitungstyps eindiffunldert werden, daß eine Anordnung aus leitenden Zonen des entgegengesetzten Leitungstyps in dem Bereich entsteht.

4. Verfahren nach Anspruch 1, daduroh gekennzeichnet, daß der Dotierungestoff des entgegengesetzten Leitungstyp· in die Teile des Bereiches entgegengesetzten Leitungstyps derart eindiffundiert werden, daß ein X-Y- oder Kreuzgitter aus leitenden Zonen des entgegengesetzten Leitungstyps in dem Bereich gebildet werden.

5. Verfahren nach Anspruch 1, daduroh gekennzeichnet, daß die Anzahl von Bereichen des gegebenen Leitungstype mit einem einzigen Anaohluß versehen werden.

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6. Vorfahren naoh Anspruch 1, dadurch gokonnzo lehnet, daQ der Dotierungestoff des entgegengesetzten Leltunsotyps zuerst in Teilbereiche des Bereiches höheren spezifischen Widerstandes eindiffundiert wird, um die leitenden Zonen in dem Bereich höheren spezifischen Widerstandes zu bilden, und daß dann der Dotierungsstoff des entgegengesetzten Leitungstyps in den Bereich höheren spezifischen Widerstandes eindiffundiert wird, so daß der in den entgegengeootzten Leitungstyp umgekehrte Teil dieses Bereiches die leitenden Zonen umgibt.

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