<Desc/Clms Page number 1>
Verfahren zur Herstellung von Halbleiteranordnungen mit wenigstens einem durch Legieren erzeugten pn-Übergang
Die Herstellung sehr kleiner legierter pn-Übergänge bereitet wegen der Kleinheit der Systemteile vielfach erhebliche Schwierigkeiten. Für eine Reihe von Anwendungsgebieten sind jedoch Bauelemente mit sehr geringen Abmessungen erforderlich. Die Reproduzierbarkeit der Daten von Halbleitersystemen hängt in hohem Masse von der Gleichartigkeit der Herstellungsbedingungen für jeden pn-Übergang ab, der den wichtigsten Bestandteil der meisten Halbleiteranordnungen darstellt.
Bei festliegenden Ausgangs- eigenschaften des mit pn-Übergängen zu versehenden Halbleitermaterials werden die Eigenschaften der pn-Übergänge ausserdurch die Art des verwendeten Legierungsmaterials durch die Bedingungen, unter denen der Legierungsprozess durchgeführt wird, bestimmt.
Aus den genannten Gründen ist es erforderlich, genau definierte Mengen Legierungsmaterials auf den zu behandelnden Halbleiterkörper aufzubringen. Ausserdem ist eine genaue Lokalisierung des Legierungsbereiches von grosser Bedeutung.
Bei dem bekannten Verfahren zur Einlegierung von Kontaktierungs-und/oder Dotierungsmaterial lässt sich zwar eine ausreichend gute Lokalisierung des Legierungsbereiches erreichen, die Menge des auf die Halbleiteroberfläche übertragenen Materials variiert jedoch sehr stark, so dass die Tole."anzgrenzen oft erheblich überschritten werden.
Derartige Schwierigkeiten werden bei dem Verfahren gemäss der Erfindung zum Herstellen einer Halbleiteranordnung mit wenigstens einem durch Legieren hergestellten pn-Übergang (vorzugsweise Tunneldiode), bei dem ein Legierungsmetall in Form eines ausgestanzten Metallpläctchens in den Halbleiterkörper einlegiert wird, dadurch vermieden, dass das vom Stanzstempel herausgelöste Metallplättchen auf eine Nadelspitze gedrückt und auf dieser aufgespiesst vor dem Aufsetzen auf den Halbleiterkörper an der Nadelspitze zum Schmelzen gebracht, mit dieser in einer reduzierenden Schutzgasatmosphäre auf den Halbleiterkörper aufgebracht und dann das Metallplättchen in den Halbleiterkörper einlegiert wird.
In diesem Falle lässt sich die Menge des auf die Halbleiteroberfläche übertragenen Dotierungsmate- rials genau festlegen, da es ohne Schwierigkeit möglich ist, gleich grosse Plättchen aus einer Metallfolie bestimmter Dicke auszustanzen und da ausserdem die Menge des auf den Halbleiterkörper aufgebrachten Dotierungsmaterials durch die Adhäsionskräfte zwischen der Nadelspitze und dem Metallplättchen begrenzt wird.
Bei einer Ausführungsform des auf dem Erfindungsgedanken beruhenden Verfahrens wird das auf der Nadelspitze aufgespiesste Metallplättchen durch Berührung mit dem vorgeheizten Halbleiterplättchen auf die Legierungstemperatur erhitzt.
Soweit es für die Einstellung der durch den Legierungsvorgang erzeugten Eigenschaften des Überganges zweckmässig ist, hält man die Nadel - selbst beheizt oder unbeheizt-mit der aufgesetzten das Haibleiterplättchen benetzenden Legierungspille in Kontakt. Es kann sich auch als zweckmässig erweisen, die Nadel nach dem Aufsetzen des Metallplättchens auf das Halbleiterplättchen durch Abziehen vom Metallplättchen zu trennen.
<Desc/Clms Page number 2>
Bei konisch spitz zulaufenden Nadeln wirken sich zuweilen kleinste Oberflächenfehler an der Nadel- spitze beim Schmelzen des an der Nadel hängenden Plättchens ungünstig aus, da durch sie die Oberflä- chenspannungsverhäItnisse so verändert werden, dass das geschmolzene Plättchen seitlich an der Nadel- spitze hochgezogen wird. Flacht man das Nadelende durch Entfernung der Spitze zu einem Kegelstumpf ab, so werden die Tröpfchen nicht mehr über die Vorderkante des Kegelstumpfes auf die Seite hinauf- gezogen. Damit das einzulegierende Metall beim Schmelzen Tröpfchenform behält und nicht völlig auf der Vorderseite des Kegelstumpfes zerläuft und die ? en überzieht, muss die Vorderseite des Kegelstumpfes einen Durchmesser bekommen, der kleiner als der der aufzuspiessenden Metallplättchen ist.
Diese Form- gebung sichert zugleich noch einwandfreies Aufspiessen : Trotz der Abflachung der Nadelspitze können die
Metallplättchen aufgenommen werden, so lange der Durchmesser der Kegelstumpfvorderseite bis etwa um die Hälfte kleiner als der Durchmesser der Metallplättchen ist.
Es ist bekannt, dass durch Verwendung von Aluminium als zusätzliches Dotierungsmaterial der Emit- terwirkungsgrad, d. h. das Verhältnis zwischen dem in die Basiszone injizierten Strom und dem Gesamt- strom durch den Emitter, verbessert werden kann. Das Dotieren mit Aluminium bereitet wegen der Oxydhautbildung auf Aluminium oder aluminiumhaitigen Legierungen beträchtliche Schwierigkeiten. So wur- de schon vorgeschlagen, das Aluminium durch Rütteln oberflächenmässig derart vorzubereiten, dass es legierungsbereit wird, oder durch vorheriges Verbinden von Aluminiumscheibchen das Aluminium zum Einlegieren in Germaniumeinkristalle zwecks Dotierung derselben vorzubereiten. Beide Verfahren erscheinen für die Herstellung sehr kleiner Übergänge wenig geeignet. Da das.
Aluminium nur als zusätzliches Dotierungsmaterial in den Übergang eingebracht werden soll, d. h. da die Aluminiumkonzentrationen klein sind, genügt für den Dotierungsprozess das vorübergehende Eintauchen eines Aluminiumteiles in die geschmolzenen Metalle während des Legierens derselben. Besonders günstig ist es im Sinne der Erfindung, für das Aufnehmen der einzulegierenden Metallplättchen eine Nadel aus Aluminium zu verwenden und beim Einlegieren die Dotierung mit Aluminium bis zur gewünschten Konzentration dadurch durchzuführen, dass man die Aluminiumnadel in dem auf das Halbleiterplättchen aufgesetzten geschmolzenen Metallplättchen einige Zeit belässt.
Dieses Verfahren zur Aluminiumdotierung unterscheidet sich gegenüber ähnlichen Verfahren dadurch vorteilhaft, dass es zur Dotierung sehr kleiner pn-Übergänge verwendet werden kann und dass sich ausserdem höhere Aluminiumkonzentrationen in der Trägersubstanz vermeiden lassen als zur Erzielung des gewünschten Dotierungseffektes notwendig sind. Dies bedingt eine leichtere Weiterbehandlung der legierten Systemteile und Verbesserung der mechanischen Eigenschaften derselben.
Das hier geschilderte Verfahren ermöglicht es, pn-Übergänge herzustellen, deren Kapazität bei entsprechender Kleinheit der Metallplättchen bis unter 10 pF liegt. Die aufzulegierenden Metallplättchen können mit einer Genauigkeit bis zu : k 0, 1 mm auf die Halbleiterplättchen aufgesetzt und in diese einlegiert werden. Die Wärmeträgheit der auf diese Weise hergestellten pn-Übergänge ist so gering, dass bei Materialien, die-bis zur Entartungskonzentration dotiert sind, Rekristallisationszonen von weniger als 3 j. t Dicke erhalten werden. Die sehr ebenen flächenhaften Übergänge haben bei geeignet gewähltem Legierungsprogramm ausserdem grosse Steilheit ; Dicken der Übergänge von 150 und darunter lassen sich in reproduzierbarer Weise herstellen.
Das folgende Beispiel beschreibt Einzelheiten bei der Anwendung des Verfahrens zur Herstellung von Tunneldioden.
Gemäss Fig. 1 wird ein runder Stanzstempel l von etwa 0, 1 mm ex von unten her gegen eine IndiumGallium-Folie 3 von etwa 30 li Dicke geführt, die von der mit einem Loch von etwa 0, 1 mm) versehenen Kupfermatrize 2 festgehalten wird. Das ausgestanzte Plättchen 4 (Fig. 2i gleiche Teile sind in allen Figuren mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet) wird vom Stanzstempel l gegen die gleichzeitig gesenkte Nadel 5 gedrückt und auf dieser aufgespiesst. Wie in Fig. 3 gezeigt, wird die Nadel 5 in eine weitere Vorrichtung geführt, in der der eigentliche Legierungsprozess durchgeführt wird.
In der mit Schutzgas durchspülten Kammer 6 ruht das mit einem pn-Übergang zu versehende Halbleiterplättchen 9 auf dem Kristallträger 8, unter dem sich eine Heizvorrichtung 7 befindet. Der Kristallträger 8 wird gemäss dem Legierprogramm erwärmt, während von oben die Nadel 5 mit dem Indium-Gallium-Plättchen eingeführt und durch die zusätzliche Heizvorrichtung 10 über dem Halbleiterplättchen 9 erwärmt wird. Durch die Erwärmung schmilzt das Metallplättchen an der abgeflachten Nadelspitze (Fig. 4) zu einem Tröpfchen von zirka 40 Jl , bleibt aber wegen der Oberflächenspannung an der Nadelspitze hängen. Mit dem erfindungsgemässen Verfahren gelang es, derartige Tröpfchen bis zu einem Minimaldurchmesser von 30 u in reproduzierbarerWeise herzustellen und einzulegieren.
In dem durch die seitlichen Ansatzstutzen 11 und 12 einbzw. ausströmenden Schutzgas werden die Oberflächen des Legierungskügelchens und des Halbleiterplätt-
<Desc/Clms Page number 3>
chens reduziert. Anschliessend wird unter ständiger Beheizung durch die beiden Heizvorrichtungen 7 und
10 die Nadel so weit gesenkt, bis das Legierungskügelchen das Halbleiterplättchen berührt. Die durch die
Reduktion mit dem Schutzgas gesäuberten Oberflächen von Halbleiterplättchen und Legierungskügelchen benetzen sich sofort und legieren miteinander. Die Nadel kann sofort nach oben zurückgezogen werden ; das Kügelchen bleibt auf dem Halbleiterplättchen zurück (Fig. 5).
Bei manchen Legierprogrammen kann es sich als zweckmässig erweisen, die Benetzung der beiden
Metalle durch ein Flussmittel noch zu verbessern.
Soll die eine Seite des Überganges mit Aluminium zusätzlich dotiert werden, so wird bei sonst gleich- artiger Anordnung eine Nadel aus Aluminium verwendet, die beim Einlegieren des Indium-Gallium-Kü- gelchens so lange mit diesem in Kontakt gehalten wird, bis die gewünschte Aluminiumkonzentration da- durch erreicht worden ist, dass Aluminium aus der Nadel in dem geschmolzenen Indium-Gallium in Lö- sung gegangen ist. Die dazu benötigte Zeit hängt natürlich von dem speziellen, jeweils zur Anwendung kommenden Legierprogramm ab.
Die Auflegierung des Metallplättchens ist so fest und vollständig, dass beim folgenden starken Unter- ätzen, wie es zur Herstellung kleiner Sperrschichtkapazitäten von Tunneldioden notwendig ist, die Re- kristallisationsschicht bis auf Durchmesser von 10 J. L verkleinert werden kann.
Das geschilderte Verfahren ist nicht auf die als Beispiel angeführte Herstellung von Tunneldioden beschränkt. Es ist ganz allgemein zum Einlegieren insbesondere kleiner Metallplättchen in genau definierter
Weise geeignet. Es ist ferner möglich, gemäss diesem Verfahren ein zweites oder weitere dem ersten in ihren Abmessungen gleiche oder vom ersten verschiedene Metallplättchen in genau definierten Abständen neben das erste zu setzen und einzulegieren.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zum Herstellen einer Halbleiteranordnung mit wenigstens einem durch Legieren hergestellten pn-Übergang, vorzugsweise Tunneldiode, bei dem ein Legierungsmetall in Form eines ausgestanzten Metallplättchens in den Halbleiterkörper einlegiert wird, dadurch gekennzeichnet. dass das vom Stanzstempel herausgelöste Metallplättchen auf eine Nadelspitze gedrückt und auf dieser aufgespiesst vor dem Aufsetzen auf den Halbleiterkörper an der Nadelspitze zum Schmelzen gebracht, mit dieser in einer reduzierenden Schutzgasatmosphäre auf den Halbleiterkörper an vorher bestimmten Stellen aufgebracht und dann das Metallplättchen in den Halbleiterkörper einlegiert wird.