Verfahren zum elektrolytischen Ätzen eines Halbleiterkörpers mit zwei entgegengesetzt gerichteten pn-Übergängen Das Hauptpatent betrifft ein Verfahren zum elektrolytischen Ätzen eines Halbleiterkörpers mit pn-llbergang, bei dem während des Atzvorganges die Polarisationsspannung auf der als Elektroden fläche wirksamen Halbleiteroberfläche unterhalb denn jenigen Wert gehalten wird, oberhalb dessen auf die Halbleiterfläche eine Polierwirkung ausgeübt wird.
Als Beispiel ist die Ätzung einer Gleichrichter- anordnung behandelt. Diese Gleichrichteranordnung wird als bipolare Elektrode im Elektroiysebad so angeordnet, dass sie eine Öffnung in einer Blende aus Isolierstoff bedeckt, die im Elektrolysebad quer zur Strombahn den ganzen Badquerschnitt ausserhalb ihrer Öffnung ausfüllt. In die beiden durch die isolierende Blende getrennten Teile des Elektrolyse bades taucht je eine Platinelektrode, die an den negativen bzw. positiven Pol der Spannungsquelle angeschlossen sind.
Der Strom wird also gezwungen, durch die Halbleiteranordnung hindurchzuwandern und auf ihrer Oberfläche die erwünschte Ätzwirkung auszuüben.
Die Erfindung betrifft eine Weiterbildung dieses Verfahrens für Halbleiter mit zwei entgegengesetzt gerichteten pn-LJbergängen. Erfindungsgemäss wird nur der Teil der Halbleiteroberfläche, der geätzt wer den soll, mit dem Elektrolyten bedeckt und eine den p-leitenden Bereich des Halbleiterkörpers kontaktie rende Elektrode an den positiven Pol und eine in geringem Abstand von der Halbleiteroberfläche innerhalb des Elektrolyten angeordnete Elektrode an den negativen Pol einer Spannungsquelle ange schlossen. Vorteilhaft wird dabei eine für diesen Zweck besonders gestaltete Vorrichtung verwendet.
Die Erfindung schafft so eine Möglichkeit, auch Halbleiterelemente mit kompliziertem Aufbau dem Verfahren nach dem Hauptpatent zu unterwerfen, insbesondere Transistoren, Vierschichtanordnungen und dergleichen.
An Hand eines Ausführungsbeispieles soll die Erfindung näher erläutert werden. In der Zeichnung ist ein nach dem Legierungsverfahren hergestellter Transistor dargestellt, der bereits in dem Unterteil seines Gehäuses befestigt ist, in das eine für das Ätzverfahren geeignete Vorrichtung eingesetzt ist.
Der Transistor besteht beispielsweise aus einem Grundkörper aus hochohmigem, p-leitendem Sili zium, in den Elektroden einlegiert sind. In die Ober seite ist ein Basisemittermuster und in die Unterseite eine Kollektorelektrode einlegiert. Entsprechend ge formte,
aus Gold mit entsprechenden Dotierungs- zusätzen bestehende Folien sind in ein Scheibchen des Halbleitermaterials einlegiert und bilden nun die Elektroden für entsprechend umdotierte Elektro- denbereiche. Man geht zweckmässigerweise von p-lei- tendem Silizium von einem spezifischen Wider stand von 80 bis 100 Ohm cm aus, Auf ein etwa <B>100</B> ,y starkes Scheibchen dieses Materials mit einem Durchmesser von 12 mm werden konzen trisch ein Scheibchen einer Bor enthaltenden Gold folie von 2,85 mm Durchmesser und etwa 35,
u Stärke, ein Ring aus einer Gold-Antimon-Legierung (etwa 0,5% Sb) von 3 mm Innendurchmesser und 4,85 mm Aussendurchmesser sowie ein Ring aus einer Bor enthaltenden Goldfolie von 5 mm Innen durchmesser und 7 mm Aussendurchmesser aufgelegt, das Ganze auf eine Folie aus einer Gold-Antimon- Legierung (etwa 0,5 % Sb)
von 14 mm Durchmesser gelegt und durch einen Erhitzungsvorgang miteinan der legiert.
Die Figur zeigt das Ergebnis. Ein Teil des hoch- ohmigen, p-leitenden Halbleitermaterials ist erhalten geblieben und bildet den Bereich 2. Auf der Ober- Seite befinden sich die als Basiselektroden dienenden Goldkontakte 3 und 4, die auf entsprechend koch dotierten, p-leitenden Bereichen 5 und 6 ruhen. Zwischen beiden Bereichen befindet sich der n-lei- tende umdotierte Emitterbereich 7 mit der Emitter- elektrode B.
Auf der Unterseite befindet sich die grossflächige Kollektorelektrode 9 mit dem n-leiten- den Kollektorbereich 10. Die Kollektorelektrode ist zweckmässig mit einer Molybdänscheibe 11 verbun den, die in einer Ausnehmung des Bodens des Ge häuseunterteiles 12 befestigt, z. B. angelötet ist.
Auf der Oberseite des Halbleiterscheibchens be finden sich zwei U-förmige Anschlussbrücken, die kreuzweise zueinander angeordnet sind, damit eine Berührung ausgeschlossen wird. Sie bestehen aus Gold oder vergoldetem Silberband und sind auf den entsprechenden Elektroden oder Elektrodenbereichen durch Legierung befestigt. Die Anschlussbrücke 13 für die Emitterelektrode 8 ist in der Bildebene darge stellt. Die Anschlussbrücke 14 für die Basiselektrode steht senkrecht zur Bildebene und verbindet die Basis- ronde 3 mit dem Basisring 4.
An diese Anschluss- brücken können dann Anschlussleiter angelötet oder anlegiert werden, die, mit Hilfe von Glaseinschmel zungen isoliert, durch einen auf das Gehäuseunterteil 12 aufzulötenden Deckel geführt werden.
Wie in der Zeichnung dargestellt, wird die Ätzung der Oberseite des Halbleiterelementes un mittelbar vor der endgültigen Fertigstellung des Ge häuses vorgenommen. Eine zylindrische Vorrich tung 15, die zweckmässigerweise aus Polytetrafluor- äthylen ( Teflon ) besteht, wird auf dem Rand des Halbleiterelementes mit Hilfe von Siliconfett be festigt.
Das Siliconfett bewirkt eine sichere Abdich tung der Aufsetzstelle, so dass in die so entstandene Höhlung der Elektrolyt, beispielsweise 4%ige Fluss- säure, eingefüllt werden kann, ohne dass die Gefahr besteht, dass der Elektrolyt ausläuft und das Ge häuseunterteil 12 oder die Molybdänscheibe 11 (che misch) angreift.
Bei dem Aufkleben des Hohlzylinders 15 mit Hilfe des Siliconfettes wird die nach aussen tretende Grenze des pn-Überganges zwischen den Schichten 2 und 10 bedeckt. Diese Grenze wird zweckmässiger weise einer chemischen Ätzung unterworfen, da der Kollektor-Basis-Übergang hochsperrend sein soll. Der starke chemische Ätzangriff führt zu der maximal erreichbaren Sperrspannung, die von der jeweiligen Anordnung unter sonst gleichen Bedingungen zu er warten ist.
Da der Emitter-Basis-Übergang nicht so hoch zu sperren braucht, sondern im Gegenteil eine hohe Sperrspannung unerwünscht ist, weil sie zu einer hohen Verlustleistung führt, wird der Emitter- Basis-Bereich nicht chemisch, sondern elektrolytisch geätzt.
Das elektrolytische Ätzverfahren ist auch aus an deren Gründen dem chemischen vorzuziehen. Insbe sondere zeigt es sich, dass bei elektrolytischen Ätz- verfahren die Ergebnisse leichter reproduzierbar sind, da die Zeitdauer des Ätzens länger ist, wodurch sich eine leichtere Kontrollmöglichkeit ergibt (Zeiten von 5 bis 15 Min. gegenüber Zeiten von 1 bis 3 Sek. beim chemischen Ätzen). Ausserdem ergeben sich verfahrenstechnische Vereinfachungen, da beim elek trolytischen Ätzen keine hochkonzentrierten Säuren wie beim chemischen Ätzen verwendet zu werden brauchen.
Ausserdem tritt bei chemischen Ätzver- verfahren für gewöhnlich eine sehr schnelle Ver schmutzung der Ätzlösungen ein, die sie für eine weitere Verwendung unbrauchbar machen. Hierdurch ist der Ätzmittelverbrauch sehr gross und demzufolge das Verfahren sehr unwirtschaftlich. Im Gegensatz dazu tritt bei elektrolytischer Ätzung diese schnelle Vergiftung der Elektrolytlösung nicht auf.
In den Elektrolyten taucht eine Elektrode 16, die an den negativen Pol einer Spannungsquelle angeschlossen ist. Ihre Form richtet sich nach den sonstigen Gegebenheiten der Anordnung, unter an derem auch nach der Zugänglichkeit der einzelnen Teile. Wichtig ist, dass sich zumindest ein Teil der Elektrode in geringem Abstand von der zu behan delnden Oberfläche befindet. Mit Rücksicht auf die Anschlussbrücken 13 und 14 erhält die Elektrode 16 im dargestellten Beispiel die Form eines umgekehrten U.
Wird die Ätzung vor der Aufbringung der An schlussbrücken durchgeführt, so kann die Elektrode 16 die Form eines Ringes oder zweier Halbringe haben und innerhalb des Elektrolyten in geringem Abstand von wenigen Millimetern oberhalb der ring förmigen Emitterelektrode 8 angebracht sein, wo durch eine Ätzung der äusseren Grenzen der über gänge zwischen dem Emitterring und dem Basisring bzw. der Basisronde gewährleistet ist. Die Zufüh rung des Stromes erfolgt im dargestellten Beispiel durch einen Kontaktdraht 17, der auf die Anschluss- brücke 14 aufgesetzt wird und an den positiven Pol der Spannungsquelle angeschlossen ist.
Im Falle des Fehlens der Anschlussbrücken müssen sowohl die Basisronde als auch der Basisring einzeln an den positiven Pol angeschlossen werden. Damit eine Elek trolyse im oberen Teil des Elektrolyten zwischen dem Kontaktdraht 17 und der Elektrode 16 ver mieden wird, sind sowohl der Kontaktdraht 17 bis auf die Spitze als auch die Elektrode 16 bis auf den U-förmigen Teil lackiert. Die Teile 16 und 17 be stehen aus Platin.
Die Dauer des Ätzprozesses sowie die zur An wendung gelangenden Ströme und Spannungen hän gen von den Gegebenheiten der einzelnen Anordnung ab. In dem dargestellten Beispiel des Legierungs transistors mit den genannten Abmessungen und Werten wurden gute Ergebnisse erzielt, wenn zwi schen der Elektrode 16 und dem Kontaktdraht 17 eine Spannung von 1,3 V angelegt und eine Ätzdauer von etwa 8 Min. gewählt wurde. Es stellte sich zu nächst ein Strom von etwa 4 mA ein, der dann auf etwa 3,5 mA zurückging.
Nach der Ätzung wird die Halbleiteranordnung gut abgespült, zweckmässigerweise mit destilliertem Wasser, und getrocknet. Nach Entfernung des Hohl- zylinders 15 kann dann die endgültige Kapselung der Anordnung vorgenommen werden. Ein wichtiger Vorteil des beschriebenen Verfahrens ist darin zu sehen, dass die Ätzung in einem so fortgeschrittenen Stadium des Fertigungsprozesses vorgenommen wer den kann, da sich hierdurch eine erneute Verunrei nigung der Halbleiteroberfläche mit ziemlicher Sicherheit vermeiden lässt.
Process for electrolytic etching of a semiconductor body with two oppositely directed pn junctions The main patent relates to a process for electrolytic etching of a semiconductor body with a pn transition, in which during the etching process the polarization voltage on the semiconductor surface acting as an electrode surface is kept below that value, above whose polishing effect is exerted on the semiconductor surface.
The etching of a rectifier arrangement is treated as an example. This rectifier arrangement is arranged as a bipolar electrode in the electrolysis bath in such a way that it covers an opening in a screen made of insulating material, which in the electrolysis bath fills the entire cross-section of the bath outside its opening transversely to the current path. A platinum electrode, which is connected to the negative or positive pole of the voltage source, dips into the two parts of the electrolysis bath, which are separated by the insulating screen.
The current is thus forced to migrate through the semiconductor arrangement and exert the desired etching effect on its surface.
The invention relates to a further development of this method for semiconductors with two oppositely directed pn-LJ transitions. According to the invention, only the part of the semiconductor surface that is to be etched is covered with the electrolyte and a p-conductive area of the semiconductor body contacting the electrode to the positive pole and an electrode located a short distance from the semiconductor surface within the electrolyte to the negative Pole of a voltage source connected. A device specially designed for this purpose is advantageously used.
The invention thus creates a possibility of also subjecting semiconductor elements with a complicated structure to the method according to the main patent, in particular transistors, four-layer arrangements and the like.
The invention will be explained in more detail using an exemplary embodiment. In the drawing, a transistor produced by the alloying process is shown, which is already fastened in the lower part of its housing, into which a device suitable for the etching process is inserted.
The transistor consists, for example, of a base body made of high-resistance, p-conductive silicon into which electrodes are alloyed. A base emitter pattern is alloyed into the upper side and a collector electrode into the lower side. Appropriately shaped,
Foils made of gold with appropriate doping additives are alloyed into a small disc of the semiconductor material and now form the electrodes for correspondingly redoped electrode areas. One expediently assumes a specific resistance of 80 to 100 ohm cm for p-conductive silicon. An approximately <B> 100 </B>, y thick disc of this material with a diameter of 12 mm is concentrated Discs of a gold foil containing boron, 2.85 mm in diameter and about 35,
u thickness, a ring made of a gold-antimony alloy (about 0.5% Sb) of 3 mm inside diameter and 4.85 mm outside diameter and a ring made of a boron-containing gold foil of 5 mm inside diameter and 7 mm outside diameter, the Whole on a foil made of a gold-antimony alloy (about 0.5% Sb)
14 mm in diameter and alloyed with one another by a heating process.
The figure shows the result. Part of the high-ohmic, p-conducting semiconductor material has been preserved and forms area 2. On the upper side are the gold contacts 3 and 4, which serve as base electrodes and which rest on appropriately boil-doped, p-conducting areas 5 and 6 . The n-conducting, redoped emitter area 7 with the emitter electrode B is located between the two areas.
On the underside is the large-area collector electrode 9 with the n-conducting collector area 10. The collector electrode is conveniently connected to a molybdenum disk 11, which is fixed in a recess in the bottom of the lower housing part 12, for. B. is soldered.
On the top of the semiconductor wafer there are two U-shaped connection bridges, which are arranged crosswise to one another so that contact is excluded. They are made of gold or gold-plated silver tape and are attached to the corresponding electrodes or electrode areas using an alloy. The connecting bridge 13 for the emitter electrode 8 is shown in the plane of the drawing. The connecting bridge 14 for the base electrode is perpendicular to the plane of the drawing and connects the base blank 3 to the base ring 4.
Connection conductors can then be soldered or alloyed to these connection bridges, which, insulated with the aid of glass seals, are passed through a cover to be soldered onto the lower housing part 12.
As shown in the drawing, the etching of the top of the semiconductor element is made un indirectly before the final completion of the Ge housing. A cylindrical Vorrich device 15, which is conveniently made of polytetrafluoroethylene (Teflon), is fastened to the edge of the semiconductor element with the aid of silicone grease.
The silicone grease securely seals the contact point so that the electrolyte, for example 4% hydrofluoric acid, can be poured into the cavity created in this way without the risk of the electrolyte leaking out and the lower housing part 12 or the molybdenum disk 11 (chemical) attacks.
When the hollow cylinder 15 is glued on with the aid of the silicone grease, the boundary of the pn junction between the layers 2 and 10 that protrudes to the outside is covered. This limit is expediently subjected to chemical etching, since the collector-base junction should be highly blocking. The strong chemical etching attack leads to the maximum achievable reverse voltage that can be expected from the respective arrangement under otherwise identical conditions.
Since the emitter-base junction does not have to block as high, on the contrary, a high reverse voltage is undesirable because it leads to high power dissipation, the emitter-base area is not chemically but electrolytically etched.
The electrolytic etching process is also preferable to the chemical one for other reasons. In particular, it has been shown that the results are easier to reproduce with electrolytic etching processes, since the duration of the etching is longer, which makes it easier to control (times of 5 to 15 minutes compared to times of 1 to 3 seconds for chemical Etching). In addition, there are procedural simplifications since electrolytic etching does not require the use of highly concentrated acids such as chemical etching.
In addition, chemical etching processes usually cause very rapid contamination of the etching solutions, which makes them unusable for further use. As a result, the consumption of etchant is very high and the process is consequently very uneconomical. In contrast, with electrolytic etching, this rapid poisoning of the electrolyte solution does not occur.
An electrode 16, which is connected to the negative pole of a voltage source, is immersed in the electrolyte. Their form depends on the other conditions of the arrangement, including the accessibility of the individual parts. It is important that at least part of the electrode is located a short distance from the surface to be treated. With regard to the connection bridges 13 and 14, the electrode 16 is given the shape of an inverted U in the example shown.
If the etching is carried out before the connection bridges are applied, the electrode 16 can have the shape of a ring or two half-rings and be attached within the electrolyte at a small distance of a few millimeters above the ring-shaped emitter electrode 8, where the outer boundaries are etched the transition between the emitter ring and the base ring or the base round is guaranteed. In the example shown, the current is supplied by a contact wire 17 which is placed on the connecting bridge 14 and is connected to the positive pole of the voltage source.
If there are no connection bridges, both the basic round plate and the basic ring must be individually connected to the positive pole. So that electrolysis in the upper part of the electrolyte between the contact wire 17 and the electrode 16 is avoided, both the contact wire 17 are painted up to the tip and the electrode 16 up to the U-shaped part. Parts 16 and 17 be made of platinum.
The duration of the etching process and the currents and voltages used depend on the particulars of the individual arrangement. In the illustrated example of the alloy transistor with the dimensions and values mentioned, good results were achieved when a voltage of 1.3 V was applied between the electrode 16 and the contact wire 17 and an etching time of about 8 minutes was selected. A current of around 4 mA was initially established, which then fell to around 3.5 mA.
After the etching, the semiconductor arrangement is rinsed well, expediently with distilled water, and dried. After removing the hollow cylinder 15, the final encapsulation of the arrangement can then be carried out. An important advantage of the method described can be seen in the fact that the etching can be carried out at such an advanced stage of the manufacturing process, since this will almost certainly prevent further contamination of the semiconductor surface.