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Verfahren zum gleichzeitigen Herstellen von mindestens zwei Halbleiterbauelementen aus einem scheibenförmigen
Halbleiterkristall
Eine in der Halbleitertechnik übliche Praxis bei der Herstellung gleichartiger Bauelemente aus einem scheibenförmigen Halbleiterkristall besteht darin, dass man in der Halbleiterscheibe zunächst die zum Funktionieren der Anordnungen wesentlichen p-n-Übergange erzeugt und dann die Elektroden an die einzelnen Zonen in einer durch die Anzahl der herzustellenden Bauelemente bestimmten Anzahl mit den Abmessungen der herzustellenden Bauelemente entsprechenden Abständen anbringt und erst am Schluss die Halbleiterscheibe in die einzelnen Bauelemente auftrennt.
Das Verfahren hat gegenüber der Einzelherstellung den Vorteil, dass die oft sehr schwierige Halterung winziger Halbleiterstückchen durch die Halterung eines wesentlich grösseren Halbleiterstückes ersetzt und ausserdem die erforderlichen Justierungen pro Arbeitsgang wesentlich reduziert und erleichtert werden. Ermöglicht wird dies durch moderne Methoden der Maskierungstechnik, wie Photolitographie, welche die Erzeugung einiger Tausend Transistoren aus einer Halbleiterscheibe mit einer Fläche von etwa 1 bis 2 cm ermöglichen.
Die übliche Technik bei einem solchen Verfahren besteht darin, dass man an der einen Flachseite einer einkristallinen Halbleiterscheibe, z. B. aus Silizium oder Germanium, entweder mindestens eine sich über die ganze Flachseite erstreckende dünne Zone von entgegengesetztem Leitungstyp durch Diffusion oder Epitaxie erzeugt und in diese Zone je zu erzeugendes Bauelement eine Emitter- und eine Basiselektrode einlegiert (z. B. beim Mesatransistor) oder in den ursprünglichen Halbleiterkristall unter Anwendung der Planartechnik pro Bauelement je eine Emitter- und Basiszone eindiffundiert. Dann wird die Scheibe durch senkrecht zu ihren Flachseite geführte Schnitte in gleich grosse, gleichgeformte Stücke derart aufgetrennt, dass alle Stücke vollständige, einander gleiche Transistoren ergeben.
Das Auftrennen der Scheiben erfolgt zweckmässig durch Anritzen und Brechen längs der eingeritzten Linien, weil Zersägen und Zerschneiden sowohl mit einem mechanischen Werkzeug, als auch mit einem feinen Elektronenstrahl zu erheblichen Materialverlusten und Störungen der Halbleiteroberfläche führen und auch einen beträchtlichen technischen Aufwand erhéischen. Dabei empfiehlt es sich, die Scheiben derart an einer harten Unterlage aufzukleben bzw. festzusaugen, dass man die Abmessungen der Systeme erkennen kann, und dann das Anritzen, beispielsweise mit einem Diamantstift, vorzunehmen, worauf man die Scheibe in eine inerte Flüssigkeit bringt und durch Ultraschall zerbricht. Stattdessen kann man auch die Scheibe zwischen zwei Folien oder eine Folie und einer weichen Unterlage bringen und mittels einer Walze zerbrechen.
Nun ist es vielfach zweckmässig, wenn eine Elektrode der herzustellenden Halbleiterbauelemente eine Seite dieser Bauelemente völlig bedeckt. Dies ist insbesondere auch bei solchen Bauelementen der Fall, bei denen eine Zone bzw. Elektrode - gewöhnlich ist dies der Kollektor - mit der metallischen Grundplatte eines Gehäuses leitend verbunden ist.
In solchen Fällen ist man offensichtlich entweder dazu gezwungen, die betreffende Elektrode bzw.
Metallschicht erst nach dem Auftrennen aufzulegieren-d. h. also mit andern Worten, die elektrischen
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Eigenschaften dieses Kontaktes einzeln für jedes der Bauelemente festzulegen oder man muss eine vorher aufgebrachte Metallschicht zusammen mit der Halbleiterscheibe auftrennen. Die Erfahrung zeigt dabei, dass ein einwandfreies Zerbrechen wegen der Zähigkeit einer solchen Metallschicht nicht ohne weiteres möglich ist, so dass man notgedrungen wieder zu den oben erwähnten aufwendigen Auftrennungsmöglichkeiten zurückkehren muss, die vor allem noch den grossen Nachteil der Erhitzung der bezüglich ihrer elektrischen Eigenschaften an sich bereits weitgehend festgelegten Systeme aufweisen.
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum gleichzeitigen Herstellen von mindestens zwei Halbleiterbauelementen mit je einer die eine Oberflächenseite jedes der Bauelemente völlig bedeckenden Elektrode aus einem einzigen scheibenförmigen Halbleiterkristall, bei dem zunächst in die Halbleiterscheibe mindestens eine sich über mindestens einen Teil einer Flachseite der Scheibe erstreckenden Zone mit gegenüber der ursprünglichen Scheibe abgeänderten Leitfähigkeitseigenschaften erzeugt und erst dann gegebenenfalls erst nach dem Aufbringen mindestens eines Teiles der die einzelnen Bauelemente kontaktierenden Elektroden-senkrecht zu den Flachseiten der Scheibe in die der Anzahl der herzustellenden Bauelemente entsprechende Anzahl von je einen Anteil der abgeänderten Zone bzw.
Zonen enthaltenden Stücken durch Anritzen und Zerbrechen längs der eingeritzten Linien aufgetrennt wird und ist dadurch gekennzeichnet, dass die Flachseite der Halbleiterscheibe, welche den mit den völlig bedeckenden Elektroden zu versehenen Seiten der herzustellenden Bauelemente entspricht, mit einer Schicht, z. B.
Metallfolie, aus einem den Halbleiter sperrfrei kontaktierenden Metall bedeckt und diese Metallschicht in den Halbleiter derart einlegiert wird, dass die gesamte, insbesondere den Halbleiter im vorhinein nicht enthaltende, Metallschicht - soweit sie sich nicht durch das Eindiffundieren in den Halbleiter verbraucht - in das Eutektikum mit dem Halbleiter übergeführt wird.
Der Gedanke der Erfindung besteht also darin, das Metall der anzulegierenden Schicht in ähnlicher Weise wie den Halbleiter brüchig zu gestalten, so dass beim Auseinanderbrechen längs der eingeritzten Linien die Metallschicht ebenfalls längs dieser Linien sofort mit zerbricht und nicht-wie es sonst der Fall ist-das Metall sich an den Bruchstellen des Halbleiters verbiegt oder gar sich aus der Verbindung mit dem Halbleiter löst.
Hiezu ist erfahrungsgemäss ein ziemlich hoher Gehalt an Halbleitermaterial erforderlich, so dass die das Verlangte leistende Zusammensetzung der eutektischen Zusammensetzung entspricht bzw. sich nicht weit von dieser entfernt.
Die Erfindung kann durchgeführt werden, indem man eine aus einem derartigen Material bestehende Folie an einer der Flachseiten der Halbleiterscheibe anlegiert, wobei zweckmässig aber nicht notwendig die Folie die ganze Flachseite der Scheibe bedeckt. Die Legierungstiefe ist dabei so zu wählen, dass die angrenzende Zone der Scheibe mit einer bestimmten Leitfähigkeitseigenschaft unter Umständen zwar in ihrer Dicke stark reduziert aber niemals vollständig zum Verschwinden gebracht wird. Diese Gesichtspunkte des erfindungsgemässen Verfahrens gelten auch für den-im allgemeinen vorteilhafteren - Fall, dass die anzulegierende Metallschicht den Halbleiter nicht oder nur in kleinen Mengen enthält.
Für diesen Fall zeichnet sich das erfindungsgemässe Verfahren dadurch aus, dass auf der Flachseite der Halbleiterscheibe die Schicht eines den Halbleiter im vorhinein nicht oder nur wenig enthaltenden Metalles auflegiert und dabei die Dicke der Metallschicht sowie die Dauer des Legierungsvorganges so gewählt werden, dass die durch das Einwandern von Halbleiteratomen in das Legierungsmetall bedingten Änderungen seines inneren Gefüges ein einwandfreies Zerbrechen der Metallschicht zusammen mit der Halbleiterscheibe ermöglichen. Auch dann ist anzustreben, dass die gesamte Metallschicht, insbesondere Metallfolie, während des Legierungsvorganges, durch eindiffundierendes Halbleitermaterial in den eutektischen Zustand übergeführt wird.
Gewöhnlich soll im vorliegenden unter dem Begriff"eutektische Zusammensetzung"die Zusammensetzung eines binären Systems, nämlich des Systems aus dem halbleitenden Element und einem als Legierungsmetall zu verwendenden Element - häufig ist dies Gold - verstanden werden. Dotierende Zusätze zum Legierungsmetall sind im allgemeinen nur in so geringen Anteilen erforderlichund erwünscht, dass sie das Verhalten des Zweistoffsystems nicht merklich beeinflussen.
Mitunter kann es zweckmässig sein, dass man auch einen nur geringfügigen Zusatz des Legierungsmetalles an Dotierungsstoff berücksichtigt und bei der Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens das Eutektikum aller beteiligten Stoffe heranzieht, nämlich dann, wenn durch die Anwesenheit des Dotierungsstoffes eine merkliche Reduktion des Schmelzpunktes im Vergleich zum Eutektikum aus dem Legierungsmetall und dem Halbleitermaterial eintritt, ohne dass hiebei der Halbleitergehalt der Legierung eine starke Verminderung erfährt. Die weitere Beschreibung des erfindungsgemässen Verfahrens erfolgt nach den Zeichnungen. Dabei ist noch folgendes festzustellen :
Um ein Nachdiffundieren bzw. Nachlegieren der Systeme möglichst einzuschränken, empfiehlt es
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sich, das erfindungsgemässe Verfahren bei möglichst niedriger Temperatur vorzunehmen.
Dies führt im allgemeinen zur Anwendung von Legierungstemperaturen, bei denen weder das Halbleitermaterial noch das Legierungsmetall für sich allein aufschmelzen. In den meisten Fällen erfolgt bei der Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens das Einlegieren der Metallschicht, insbesondere Metallfolie, bei der eutek- tischen Temperatur des massgebenden Systems. Dann wird jedoch zweckmässig das erfindungsgemässe Ver- fahren so durchgeführt, dass das Legierungsmetall und die zu legierende Halbleiterscheibe unter Druck miteinander in Kontakt gebracht werden, wie dies z. B. bei dem an sich bekannten Pulverlegierungsver- fahren der Fall ist.
Das Pulverlegierungsverfahren besteht darin, dass man das zu legierende System in ein
Pulver aus inertem, hitzebeständigem Material, z.B.ALO oder MgO, einbettet und das Pulver so zu- sammenpresst, dass der erforderliche Druck zwischen dem Halbleiter und dem Legierungsmetall ent- steht.
In Fig. l ist eine dem erfindungsgemässen Verfahren zu unterwerfende Anordnung aus einer einkristal- linen Siliziumscheibe 1 dargestellt, an deren Oberseite eine Anzahl von Systemen 2 durch Diffu- sion und/oder Legierung erzeugt ist. Diese Systeme 2 bilden die wesentlichen Bestandteile der einzel- nen nach dem Auftrennen der Halbleiterscheibe 1 entstehenden Halbleiterbauelemente, z. B. Mesa- oder Planartransistoren.
Entsprechend der Erfindung wird die Halbleiterscheibe 1 an der den Systemen 2 abgewendeten
Flachseite 2 einer Folie 3 aus Gold legiert, wobei die Stärke der Folie so zu wählen ist, dass das gesamte Material der Folie am Legierungsprozess beteiligt wird, während anderseits die für das Funktionie- ren der Halbleiterbauelemente notwendige Zonenfolge mit p-n-Übergängen keine Beeinträchtigung er- fährt.
Um die Legierung durchführen zu können, wird die zu legierende Anordnung mit der Folie 3 auf eine aus einem hitzebeständigen, inerten Stoff, wie Graphit, ALO,, Glimmer oder Quarz, bestehende, auf etwa 400 - 4500C beheizte Platte 4 gestellt, während eine aus dem gleichen Material bestehende Beilagscheibe 5 die p-n-Übergänge der Systeme 2 gegen Beschädigung schützt. Die zu legierende Anordnung wird während des Legierungsprozesses in Richtung des Pfeiles gegen den Heizer 4 gepresst.
Der erforderliche Druck wird gemäss dem Pulverlegierungsverfahren von einem die Anordnung umgebenden (in den Zeichnungen nicht dargestellten) Pulver aus inertem Material geliefert.
Nachdem durch Einlegieren der Metallfolie 3 deren Material in das Eutektikum mit dem Halbleiter verwandelt ist, wird entsprechend der weiteren Lehre der Erfindung die Scheibe längs eingeritzter Linien zu den herzustellenden Halbleiterbauelementen zerbrochen. In diesem Zusammenhang ist auf Fig. 2 hinzuweisen. Hier ist die Oberseite einer mit 16 Systemen von Mesa-Transistoren 22 versehenen quadratischen Siliziumscheibe 21 gezeigt. Die Liniensysteme 26 und 27 werden mit einer Diamantenspitze unter Verwendung eines Kreuztisches als Führung, auf dem die Scheibe 21 befestigt wird, an der der einlegierten Folie 3 abgewendeten Seite eingeritzt. Das Zerbrechen kann in der eingangs geschilderten Weise erfolgen.
Die Fig. 3 zeigt einen nach der Planartechnik, entsprechend der Lehre der Erfindung, hergestellten Planartransistor, wobei die für die Kontaktierung der einzelnen Zonen erforderlichen Zuleitungen weggelassen sind. Dabei bedeutet 33 das-als Kollektor zu verwendende - Grundmaterial des Halbleiters, während die eindiffundierte Zone 32 vom entgegengesetzten Leitungstyp als Basiszone und die in diese eindiffundierte Zone 31 vom Leitungstyp des Grundmaterials als Emitterzone vorgesehen ist.
Von der Herstellungstechnik (Planartechnik) stammen noch die als Schutz für die p-n-Übergänge dienenden SiO-Schichten 34 an der Oberfläche des Halbleiters. Dieses System hat vor Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens die Dicke 37. Durch das Einlegieren einer Metallfolie an der gegenüberliegenden Seite in das Grundmaterial 33 sind die beiden Zonen 35 und 36 entstanden, wobei 35 die Rekristallisationszone aus wieder ausgeschiedenem Halbleitermaterial und 36 das in sein Eutektikum mit dem Halbleiter eines übergeführten Metalles der Folie 3 bedeutet. Die Zone 36 kann als Kollektorelektrode dienen. Vorzugsweise verwendet man jedoch das Material der Zone 36, um das Bauelement mit der metallischen Grundplatte eines Gehäuses od. dgl., die dann die Rolle der Kollektorelektrode übernimmt, zu verlöten.
Die ganzflächige kollektorseitige Auflegierung einer Metallfolie ermöglicht ferner, den Kollektorbahnwiderstand nichtepitaktischer diffundierter Transistoren wesentlich zu verringern durch tiefes Einlegieren der Metallfolie 3.
Es ist möglich, mit Hilfe der bereits beschriebenen Apparatur, dem Pulververfahren usw. diese Legierung zu erzeugen. Wird z. B. bei einem diffundierten n-p-n-Transistor eine Goldfolie mit einem geringen Zusatz von Antimon und bei einem p-n-p-Transistor eine Gold-Bor-Folie verwendet, dann kann als
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Legierung kann also das Kollektorbahngebiet wesentlich niederohmiger gemacht werden und ferner wird durch die abrupten nn-bzw. pp -Übergänge die Kollektorsperrspannung nicht beeinflusst, selbst bei kleinem Abstand zwischen Kollektor und der Rückkristallisationsschicht. Demgegenüber haben epitaktische Ausgangsscheiben den Nachteil, dass die nit-bzw. pp -Übergänge bei der Herstellung des Transistors durch Hochtemperaturprozesse verwaschen werden.
Besonders geeignet ist dieses Verfahren zur Herstellung diffundierter Leistungstransistoren, denn bei diesen liegen meist die diffundierten p-n-Übergänge relativ weit im Inneren des Kristalles, so dass die Rückkristallisationszone sehr nahe an den Kollektor legiert werden kann.
Obwohl die Erfindung an Hand von Silizium als Halbleitermaterial und von Gold, insbesondere dotiertem Gold, als Legierungsmaterial beschrieben wurde, lässt sich die Erfindung auch für andere Halbleitermaterialien und Legierungsmaterialien mit Erfolg gebrauchen. So kann man z. B. mit einer aus einkristallinem Silizium-Karbid bestehenden Scheibe arbeiten, in der ähnlich wie bei der Anordnung nach Fig. l die Systeme durch Diffundieren od. dgl. erzeugt sind. Als Material für die Folie 3 kommt z. B.
Wolfram, Platin oder Chrom, als dotierend wirkender Stoff die bei Silizium bekannten Dotierungsmaterialien in Betracht. Für Germanium sind die zum sperrfreien Kontaktieren bzw. die zur Erzeugung von gleichrichtenden Elektroden durch Legieren geeigneten Metalle bzw. Metallabscheidungen ebenso wie im Falle von A. B.-Verbindungen als Halbleitermaterial bekannt, so dass diesbezügliche Ausführungen an dieser Stelle nicht mehr erforderlich sind.
Da die wesentlichen Eigenschaften der herzustellenden Halbleiterbauelemente bereits vor der Anmeldung des eigentlichen erfindungsgemässen Verfahrens vielfach weitgehend festgelegt sind, erscheint es besonders vorteilhaft, wenn man das erfindungsgemässe Verfahren so vornimmt, dass diese elektrischen Eigenschaften keine wesentlichen Änderungen mehr erleiden.
In diesem Sinne dient bereits die Anwendung einer möglichst niedrigen Legierungstemperatur, vorzugsweise eutektischen Temperatur. Da anderseits es wieder zweckmässig ist, die Legierung so vorzunehmen, dass das gesamte Material der aufgebrachten Metallschicht bzw. Folie am Legierungsprozess beteiligt ist, so dass die Rekristallisationszone aus Halbleitermaterial besteht, ist anderseits die Dicke der Folie nur so zu wählen, dass bei vollständigem Einlegieren derselben in die Halbleiterscheibe die für das Funktionieren der Anordnung massgebliche Zonenfolge unterschiedlicher Leitfähigkeitseigenschaften keine Änderung erfährt.
Dies ist für den Legierungsfachmann der Halbleitertechnik ohne Schwierigkeiten möglich, da die zur Regelung der Eindringtiefe des Legierungsmetalles erforderlichen Massnahmen in der Halblei- terlegierungstechnik allgemein geläufig sind. Umgekehrt besteht deshalb auch für den Fachmann die Möglichkeit, aus der vorgesehenen Legierungstiefe rückwärts die hiezu erforderliche Stärke der Metallschicht 3 für ein bestimmtes vorgesehenes Material zu berechnen oder anderweitig zu ermitteln.
Die Erfindung ist mit Vorteil dann anwendbar, wenn aus der einzelnen Scheibe mehrere Halbleiterbauelemente hergestellt werden sollen, die einander vollständig gleich sind. Umgekehrt ist es jedoch auch verständlich, dass eine Übereinstimmung der Bauelemente, die aus der Scheibe hergestellt werden sollen, nicht erforderlich ist, sondern dass das erfindungsgemässe Verfahren auch dann angewendet werden kann, wenn nebeneinander Halbleiterbauelemente verschiedener Art, z. B. Dioden und Transistoren, aus der gleichen Halbleiterscheibe hergestellt werden. Vielfach würde es sich dann auch um solche Fälle handeln, bei denen bei einem Teil der Bauelemente nur ein Teil der Herstellungsschritte erforderlich ist, die bei den übrigen Halbleiterbauelementen der Fertigungsserie angewendet wird.
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