DE1060051B

DE1060051B - Verfahren zur Herstellung der Kollektorspitzenelektrode eines Transistors mit zwei vorgelagerten Zonen entgegengesetzten Leitungstyps

Info

Publication number: DE1060051B
Application number: DEI12161A
Authority: DE
Inventors: Robert Earl Swanson
Original assignee: IBM Deutschland GmbH
Current assignee: IBM Deutschland GmbH
Priority date: 1955-09-08
Filing date: 1956-09-06
Publication date: 1959-06-25
Also published as: FR1172027A; GB835028A; US2856320A

Description

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PATENTAMTES

Die zur Zeit verfügbaren Transistoren sind gewöhnlich Punktkontakttransistoren oder Schichttransistoren. Bei Punktkontakt- bzw. Spitzentransistorcn sind Kollektor- und Emitterelektrode durch Anspitzen von Drahtenden gebildet,, die dann unter leichtem Druck gegen die Transistoroberfläche gehalten werden. Solche Transistoren haben den Nachteil, daß sie schwierig herzustellen sind. Sie haben aber den Vorteil von Stromverstärkungen größer als Eins. Schichttransistoren bestehen im allgemeinen aus einem dünnen Bereich der einen Leitungsart und zwei Bereichen der entgegengesetzten Leitungsart zu beiden Seiten des ersten Bereiches. Die beiden Übergänge (PN-Übergänge). die die Bereiche trennen, wirken dann als Kollektor bzw. als Emitter. Schichttransistoren sind gegenüber Spitzentransistoren verhältnismäßig robust, haben aber den Nachteil, daß ihr Stromverstärkungsfaktor kleiner als Eins ist. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß ihre Kollektorschichten außerordentlich empfindlich gegenüber Temperaturänderungen sind.

Die Erfindung befaßt sich mit der Herstellung der Kollektorspitzenelektrode eines Transistors, um einen Transistor zu gewinnen, der die Vorteile eines Spitzentransistors mit denen eines Flächentransistors vereinigt. Es ist bereits eine Halbleiteranordnung mit einem PN-Übergang an einem formierten Spitzenkontakt bekanntgeAvorden (vgl. W. Heywang und Henker, Zeitschrift für Elektrochemie, Bd.58, Nr.5, 1954, S. 293). Durch Formierung mit einem hohen Stromstoß ist dabei in der Umgebung der Spitzenelektrode eine Gegendotierung infolge thermischer Fehlordnung der Eindiffusion von Metallatomen aus der Spitze bewirkt worden. Die der Spitze nach der Formierung vorgelagerte gegendotierte Zone ist halbkugelförmig. Es sind außerdem auch schon Halbleiteranordnungen bekanntgeworden, bei denen der Spitze zwei konzentrische, halbkugelförmige Zonen verschiedenen Leitungstyps vorgelagert sind. Um solch eine Doppelzone vor der Elektrodenspitze herzustellen, hat man zunächst auf den Halbleiterkörper eine sogenannte Formierelektrode aufgesetzt, die mit aus Störsubstanz bestehendem Material ummantelt ist. Nach dem Formierimpuls wurde diese Elektrode wieder entfernt und durch eine andere Elektrode ersetzt, deren Ummantelung aus Dotierstoffen für die Bildung des anderen Leitungstyps beim zweiten Formierimpuls bestand.

Das bekannte Verfahren hat aber den Nachteil, daß bei der Entfernung der ersten Formierelektrode die Oberfläche des Halbleiterkörpers in maßgebenden Größenverhältnissen aufgerissen und die erstformierte Zone wieder zerstört werden kann. Diese Schwierigkeiten zu beheben, ist die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe.

Verfahren zur Herstellung

der Kollektorspitzenelektrode eines

Transistors mit zwei vorgelagerten Zonen entgegengesetzten Leitungstyps

Anmelder:

IBM Deutschland Internationale Büro-Maschinen

Gesellschaft m. b. H., Sindelfingen (Württ), Tübinger Allee 49

Beanspruchte Priorität: V. St. v. Amerika vom 8. September 1955

Robert Earl Swanson, Poughkeepsie, N. Y. (V. St. A.)_r ist als Erfinder genannt worden

Die Erfindung bezieht sich somit auf ein Verfahren zur Herstellung der Kollektorspitzenelektrode eines Transistors mit zwei vorgelagerten Zonen entgegengesetzten Leitungstyps. Erfindungsgemäß wird ein Formierimpuls durch die Entladung einer Kapazität von 0,02 bis 1,0 MF, die durch eine Spannung von 300 bis 700 Volt aufgeladen ist, auf die Kontaktstelle der Kollektorspitzenelektrode mit dem Halbleiterkörper funkenfrei übertragen, die Kollektorspitzenelektrode wird aus einem mit dem Halbleiterkörper legierfähigen Material mit solchen Fremdstoffen hergestellt wird, daß diese Fremdstoffe während der Kontaktschweißung in den Halbleiterkörper eindiffundieren und denselben Leitungstyp in einer der Kollektorspitzenelektrode benachbarten halbkugelförmigen Zone wie im Halbleiterkörper erzeugen, und gleichzeitig wird durch thermische Fehlordnung eine weitere, zwischen der halbkugelförmigen Zone und dem Halbleiterkörper liegende gegendotierte Zone gebildet wird. Gegenüber dem Bekannten werden bei. der Erfindung die der Spitzenelektrode vorgelagerten beiden halbkugelförmigen Zonen gleichzeitig, d. h. in einem einzigen Verfahrensschritt, gewonnen. Ein Auswechseln von Elektroden ist bei der Erfindung nicht nötwendig.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung.^! Die Erfindung sei nachstehend an Hand der Zeichnungen näher erläutert:

909 558/3C2

'" Fig. 1 enthält eine schematische Darstellung eines Transistorkollektors, der nach der Erfindung hergestellt ist;

Fig. 2 enthält eine schematische Darstellung eines Transistorkörpers in einer Schaltung zur Bildung eines Transistorkollektors nach dem Verfahren gemäß der Erfindung;

; Fig. 3 enthält eine schematische Darstellung eines vollständigen, nach der Erfindung hergestellten Transistors; ' ;

Fig. 4 enthält eine schematische Darstellung einer anderen nach der Erfindung hergestellten Transistorform.

In Fig. 1 ist ein Körper aus Germanium 1 gezeigt, und zwar vom N-Typ. In Kontakt mit der oberen Fläche des Körpers befindet sich ein Draht 2, z. B. ein Golddraht, mit einer Verunreinigung, welche bei Legierung mit dem Germanium zu einer Leitfähigkeit vom N-Typ führt. Die Verunreinigung kann z. B. Antimon sein und aus weniger als 1% des Drahtmaterials bestehen.

Der Draht 2 ist bei 3 an den Körper 1 angeschweißt. Der Körper 1 besteht darstellungsgemäß angrenzend an die Basis des Drahtes 2 aus einem N-Bereich 4 von Halbkugelform. Außerhalb des N-Bereichs 4 ist ein P-Bereich 5 gezeigt, der den N-Bereich 4 umgibt. Der N-Bereich 4 und der P-Bereich 5 sind durch eine Sperrschicht 6 getrennt. Der P-Bereich 5 ist von dem ursprünglichen N-Bereieh des Körpers 1 durch eine Sperrschicht 7 getrennt.

(Der in Fig. 1 gezeigte Kollektor kann mit Hilfe der in Fig. 2 dargestellten Anordnung hergestellt werden, und zwar ist dort der Draht 2 in Verbindung mit einem aus einem N-Bereich 9 und einem P-Bereich 10 bestehenden Transistorkörper 8 veranschaulicht. Der Draht 2 ist an einen Stromkreis angeschlossen, der durch einen Schalter 11, einen Kondensator 12 und einen Widerstand 13 zu einem ohmschen Kontakt 14 mit dem N-Bereich 9 verläuft. Parallel mit dem Kondensator 12 ist eine Aufladungsbatterie 15 und ein Schalter 16 vorgesehen.

Beim Gebrauch der Anordnung nach Fig. 2 wird zunächst der Schalter 16 genügend lange geschlossen, um den Kondensator 12 aufzuladen. Dann wird der Schalter 16 geöffnet und der Schalter 11 geschlossen, um den Kondensator 12 über den Draht 2 und den N-Bereich 9 zu entladen. Wird der Kondensator so gewählt, daß die Entladung ausreicht, um das Ende des Drahtes 2 bei geringer Wärme an den Bereich 9 anzuschweißen, entsteht ein Kollektorkontakt.

Bei Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung sind zweckmäßig folgende wesentlichen Merkmale zu beachten. Der Draht 2 besteht vorteilhaft aus einem Metall, das sich mit dem Halbleitermaterial des N-Bereiches 9 legieren läßt. Der Draht 2 muß als Verunreinigung ein Material enthalten, das bei Legierung mit dem Halbleitermaterial eine Leitfähigkeit vom N-Typ erzeugt.

Der Durchmesser des Drahtes ist nicht kritisch, und es kann gewöhnlich jede beliebige Drahtgröße für brauchbare Transistorkollektoren verwendet werden. Als sehr geeignet hat sich ein Drahtdurchmesser von 0,005 cm erwiesen.

Die Kapazität des Kondensators 12 und das elektrische Potential, auf das er aufgeladen wird, sind kritisch. Ein grobes Kriterium bezüglich der zu verwendenden Kapazität und des Potentials ist es, daß die Entladung nicht so stark sein darf, daß sie zur Funkenbildung an dem Kontakt zwischen dem Draht und dem Halbleiter führt. Bei zu großer Wärme wird . der P-Bereich 5 »durchschlagen«, 'so daß der Kollektor seinen erwünschten großen Stromverstärkungsfaktor verliert.

Potentiale im Bereich zwischen 300 und 700 Volt und Kondensatoren zwischen 0,02 und 1,0 μΡ sind mit gutem Erfolg verwendet worden. Speziell sind folgende Kombinationen von Potentialen und Kapazitäten verwendet worden und haben zu guten Tran-. sistormerkmalen und guten Schweißverbindungen ίο. zwischen dem Draht und dem Halbleitermaterial ge- [ füJir/t; :'/.'■

300 Volt - 0,05 μΡ 400VoIt - 0,08 μΡ 500 Volt - 0,02>F

^χ5 500 Volt — 0,05 μΡ

500VoIt- 1,00 μΡ 700 Volt - 0,05 μΡ

Die Impedanz des Widerstandes 13 ist nicht sehr kritisch. Werte zwischen 25 und 700 Ohm sind mit Erfolg verwendet worden. Dieser Widerstand bestimmt zusammen mit der Kapazität des Kondensators 12 die für die Entladung des Kondensators benötigte Zeit.

Das Verfahren nach der Erfindung ist nicht auf Germanium als Halbleitermaterial und auch nicht auf Gold als Drahtmaterial beschränkt. Es kann jeder beliebige Halbleiter für den Körper und jedes beliebige Metall für den Draht verwendet werden, das sich mit dem Halbleiter legieren läßt. Wichtig ist, daß die in dem Draht verwendete Verunreinigung bei Einlegierung in das Halbleitermaterial eine Fremdleitfähigkeit desselben Typs erzeugt, wie er vorher in dem Halbleitermaterial vorhanden war.

Es ist noch nicht mit Sicherheit festgestellt worden, was sich während des beschriebenen Verfahrens abspielt. Auch ist noch nicht bestimmt worden, welche physikalischen Veränderungen in dem Halbleitermaterial die Kollektormerkmale erzeugen. Es wird jedoch zur Zeit angenommen, daß die in dem Bereich des Kontaktes zwischen dem Draht und dem Halbleiter erzeugte Wärme wirksam ist, um thermisch einen Teil des N-Materials in dem Körper 1 in P-Material zu verwandeln. Diese umgewandelte Materialzone ist allgemein halbkugelförmig und bei 5 in Fig. 1 dargestellt. Weiter wird angenommen, daß infolge der Verunreinigung in dem Draht 2 ein Teil dieser Verunreinigung durch Diffusion in den P-Bereich 5 hineinlegiert wird und darin einen ähnlichen halbkugelförmigen N-Bereich (4 in Fig. 1) erzeugt. Auf diese Weise entsteht also ein Kollektor, der grob gesagt ein sogenannter PN-Hookkollektor ist. Bekanntlich hat ein solcher Kollektor einen eigenen Stromverstärkungsfaktor, der beträchtlich größer als Eins ist.

Die zum Ausdruck gebrachte Theorie stellt eine Erklärung der oben beschriebenen -Vorgänge dar, welche in Verbindung mit dem Verfahren gemäß der Erfindung stattfinden. Wie gesagt, sind jedoch die genauen physikalischen Veränderungen, die sich abspielen, nicht mit Sicherheit bekannt, und daher soll diese Erfindung nicht durch eine spezielle Theorie begrenzt sein.

Fig. 3 zeigt einen fertigen Transistor mit einem Kollektor der in Fig. 1 gezeigten Art und einem durch Anschweißen eines Golddrahtes 17 mit einer Verunreinigung vom P-Typ an den N-Bereich 1 gebildeten Emitter. Diese Verunreinigung vom P-Typ dringt während des Schweißvorganges in den Bereich 1 ein und bildet darin einen P-Bereich 18. Die Bildung

ι UbU uö ι

,solcher geschweißten Emitter, wie bei 17 und 18 gezeigt, ist an sich bekannt, und es wird hier weder die spezielle Emitterstruktur noch ihr Herstellungsverfahren beansprucht.

Eine zur Unterseite des Körpers 1 hergestellte ohmsche Verbindung 25 dient als Basiselektrode.

Fig. 4 zeigt eine andere Form des Transistoraufbaus, und zwar besteht sie aus dem Körper 19 aus N-Halbleitermaterial, z. B. Germanium, an den ein Draht 20 angeschweißt ist, zur Bildung eines KoI-lektors nach dem in Verbindung mit Fig. 1 und 2 beschriebenen Verfahren. Bei diesem Vorgang entsteht in dem Körper 19 ein N-Bereich 21 und ein konzentrischer P-Bereich 22. Auf der anderen Seite des N-Bereiches 19 wird ein Draht 23 an den N-Bereich angeschweißt, so daß dadurch ein P-Bereich 24 in dem Körper 19 entsteht, welcher als Emitter dient. Eine ohmsche Basiselektrode 26 ist vorgesehen.

In allen hier gezeigten Transistoren darf der Abstand zwischen dem Kollektor und dem Emitter nicht größer als die Diffusionslänge für die durchschnittliche Lebensdauer der Minoritätsträger in dem Körper des Transistors sein.

Obwohl die Erfindung in Anwendung auf Transistoren mit einem Hauptkörper der Fremdleitfähigkeit vom N-Typ beschrieben ist, läßt sie sich auch ebenso gut auf Halbleiterkörper mit Fremdleitfähigkeit vom P-Typ anwenden. In diesem Falle muß der Draht eine Verunreinigung enthalten, die bei Hineinlegierung in das Halbleitermaterial zu einer Leitfähigkeit vom P-Typ führt.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung der Kollektorspitzenelektrode eines Transistors mit zwei vorgelagerten Zonen entgegengesetzten Leitungstyps, dadurch gekennzeichnet, daß ein Formierimpuls durch die Entladung einer Kapazität (12) von 0,02 bis 1,0 μΈ, die durch eine Spannung von. 300 bis 700 Volt aufgeladen ist, auf die Kontaktstelle der Kollektorspitzenelektrode (2) mit dem Halbleiterkörper (1) funkenfrei übertragen wird, daß die Kollektorspitzenelektrode (2) aus einem mit dem Halbleiterkörper (1) legierfähigen Material mit solchen Fremdstoffen hergestellt wird, daß diese Fremdstoffe während der Kontaktschweißung in den Halbleiterkörper eindiffundieren und denselben Leitungstyp in einer der Kollektor-, spitzenelektrode benachbarten halbkugelförmigen Zone (4) wie im Halbleiterkörper erzeugen, und daß gleichzeitig durch thermische Fehlordnung eine weitere, zwischen der halbkugelförmigen Zone (4) und dem Halbleiterkörper (1) liegende gegendotierte Zone (5) gebildet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe mit der Kapazität ein' Widerstand zwischen 25 und 700 Ohm geschaltet wird.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kollektorspitzenelektrode (2) weniger als 1 % Fremdstoff zugesetzt wird.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Halbleitermaterial Germanium mit einem spezifischen Widerstand von 5 bis 10 Ohm · cm verwendet wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Britische Patentschrift Nr. 686 907, 701 634.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen