DE1015936B - Method of manufacturing an electrically asymmetrically conductive semiconductor device, e.g. a rectifier - Google Patents
Method of manufacturing an electrically asymmetrically conductive semiconductor device, e.g. a rectifierInfo
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Description
DEUTSCHESGERMAN
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer elektrisch unsymmetrisch leitenden Halbleiteranordnung, beispielsweise eines Gleichrichters, in dessen Oberfläche zur Erzeugung einer Zone entgegengesetzten Leitungstyps ein Dotierungsmaterial 5 einlegiert wird. Heute verwendet man in der Regel als Grundkörper eine Germaniumplatte und als Dotierungsmaterial eine Pille aus Indium.The invention relates to a method for producing an electrically asymmetrically conductive Semiconductor arrangement, for example a rectifier, in its surface to create a zone opposite conductivity type a doping material 5 is alloyed. Today one usually uses a germanium plate as the base and an indium pill as the doping material.
Zur Herstellung eines Leistungsgleichrichters wird in der Regel ein Indiutnkügelchen in die Oberfläche des Germaniumplättchens einlegiert, wobei dieser Vorgang in einer Atmosphäre aus Wasserstoff oder Argon oder sogar im Vakuum durchgeführt wird. Diese Herstellungsmethode liefert befriedigende Ergebnisse bei Gleichrichtern, deren Grundplatte in der 100-Ebene orientiert ist und ferner für Gleichrichter kleinerer Abmessungen. In anderen Fällen ergeben sich jedoch bei Anwendung dieser Herstellungsmethode praktische Schwierigkeiten. So haben beispielsweise Versuche ergeben, daß dann Fehler auftreten, wenn das beschriebene Verfahren dazu benutzt wird, um Indium als Dotierungsmaterial in ein Germaniumplättchen der 111-Ebene einzulegieren, oder wenn man Indium in Germaniumplättchen zur Erzeugung von Großflächengleichrichtern einlegieren möchte.In order to produce a power rectifier, an indiutn ball is usually inserted into the surface of the germanium platelet, this process taking place in an atmosphere of hydrogen or argon or even in a vacuum. This manufacturing method gives satisfactory results for rectifiers whose base plate is oriented in the 100 plane and also for rectifiers smaller ones Dimensions. In other cases, however, this manufacturing method is practical Trouble. For example, tests have shown that errors occur when the described Process is used to add indium as a doping material to a germanium platelet 111 level, or if you add indium to Would like to alloy germanium platelets for the production of large-area rectifiers.
Sorgfältige Untersuchungen haben ergeben, daß derartige Fehler dadurch auftreten, daß bei der optimalen Legierungstemperatur (die beim Auflegieren von Indium auf Germanium etwa 510° C beträgt) das Indium dazu tendiert, über die Germaniumoberfläche zu laufen, mit dem Ergebnis, daß beim Abkühlen dieser Anordnung ein mehr oder weniger weiter Hof einer bloßen Indium-Germanium-Legierung rund um die Legierungszone entsteht. Das Ergebnis einer solchen Anordnung ist schematisch in Fig. 1 der Zeichnung dargestellt. In dieser Zeichnung stellt 1 die übliche Nickel- oder sonstige Unterlage dar, 2 die Germaniumplatte und 3 das aus Indium bestehende Dotierungsmaterial. Wie sich aus der Abbildung ergibt, ist die Legierungszone von einem Hof aus einer Indium-Germanium-Legierung umgeben, die in Fig. 1 durch das Flächenstück 4 dargestellt wird. Die Anwesenheit einer solchen Zone ist dafür verantwortlich, daß ein solcher Gleichrichter schlechte Gleichrichtungseigenschaften zeigt. Das Abätzen dieser Schicht bringt in den meisten Fällen keine ausreichende Verbesserung.Careful investigations have shown that such errors occur because the optimal Alloy temperature (which is around 510 ° C when alloying indium on germanium) the Indium tends to run over the germanium surface, with the result that on cooling around this arrangement a more or less wide halo of a bare indium-germanium alloy the alloy zone is created. The result of such an arrangement is shown schematically in Fig. 1 of the drawing shown. In this drawing, 1 represents the usual nickel or other base, 2 represents the Germanium plate and 3 the doping material consisting of indium. As can be seen from the figure, the alloy zone is surrounded by a halo of an indium-germanium alloy, which is shown in FIG. 1 is represented by the patch 4. The presence of such a zone is responsible for that such a rectifier exhibits poor rectifying properties. Etching off this layer brings in most cases insufficient improvement.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Herstellungsverfahren für Halbleiteranordnungen der geschilderten Art anzugeben, bei dem derartige, einen Hof um die Legierungszone bildende Schichten reduziert oder zumindest wesentlich verringert sind, so daß eine scharfe Grenze zwischen dem injizierten Material und der Grundplatte, auf die dieses Material auflegieri ist, zu erkennen ist.The invention is based on the object of a manufacturing method specify for semiconductor arrangements of the type described, in which such, one The layers forming the area around the alloy zone are reduced or at least substantially reduced, so that a sharp boundary between the injected material and the base plate on which that material is placed auflegieri is to be recognized.
Verfahren zur Herstellung einer elektrisch, unsymmetrisch leitenden Halbleiteranordnung, z.B. eines GleichrichtersProcess for the production of an electrically, asymmetrically conductive semiconductor arrangement, e.g. a rectifier
Anmelder:Applicant:
Marconi's Wireless Telegraph Company
Ltd., LondonMarconi's Wireless Telegraph Company
Ltd., London
Vertreter: Dr.-Ing. B. Johannesson, Patentanwalt,
Hannover, Göttinger Chaussee 76Representative: Dr.-Ing. B. Johannesson, patent attorney,
Hanover, Göttinger Chaussee 76
Beanspruchte Priorität:
Großbritannien vom 28. Juli 1955 und 28. Mai 1956Claimed priority:
Great Britain July 28, 1955 and May 28, 1956
Henry Stanley Blanks, Chelmsford, EssexHenry Stanley Blanks, Chelmsford, Essex
(Großbritannien),
ist als Erfinder genannt worden(Great Britain),
has been named as the inventor
Zur Lösung dieser Aufgabe wird gemäß der Erfindung das Dotierungsmaterial zunächst auf den Halbleiterkörper aufgelegt und in einer inerten Atmosphäre oder im Vakuum auf eine Temperatur erhitzt, die nur etwas höher liegt als die Temperatur, bei der das Dotierungsmaterial schmilzt, anschließend auf dem geschmolzenen Material eine Oxydhaut erzeugt und schließlich der Körper auf die für die Legierungsbildung erforderliche Endtemperatur erhitzt und anschließend abgekühlt. Es empfiehlt sich weiterhin, die Oxydschicht nach Beendigung des Legierungsvorganges, beispielsweise durch Abätzen, zu entfernen.To achieve this object, according to the invention, the doping material is first applied to the semiconductor body applied and heated to a temperature in an inert atmosphere or in a vacuum, which is only slightly higher than the temperature at which the doping material melts, then on the molten material creates an oxide skin and finally the body is heated to the final temperature required for alloy formation and then cooled down. It is also advisable to remove the oxide layer after the alloying process has been completed, for example by etching to remove.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens gemäß der Erfindung wird das Dotierungsmaterial zunächst in einer Atmosphäre von sauerstofffreiem Wasserstoff geschmolzen; anschließend wird diese Atmosphäre durch eine Atmosphäre aus Stickstoff ersetzt, die in geringem Umfang Sauerstoff enthält. Nach Wechsel dieser Atmosphäre, in der die Erwärmung vorgenommen wird, wird die Temperatur auf die Legierungstemperatur erhöht. Um dem Stickstoff eine ausreichende Menge von Sauerstoff hinzuzufügen, damit der erforderliche Oxydüberzug hergestellt wird, kann man diesen Stickstoff zunächst in Wasser einblasen.In a preferred embodiment of the method according to the invention, the doping material is first melted in an atmosphere of oxygen-free hydrogen; subsequently becomes this atmosphere is replaced by an atmosphere of nitrogen containing a small amount of oxygen. After changing this atmosphere in which the heating is carried out, the temperature increased to the alloy temperature. To give the nitrogen a sufficient amount of oxygen add this nitrogen first, so that the required oxide coating is produced blow in water.
Das Verfahren und die nach diesem Verfahren hergestellte Anordnung sind in den Fig. 2 und 3 der Zeichnung dargestellt.The method and the assembly produced by this method are shown in FIGS Drawing shown.
70Ϊ 697/33270Ϊ 697/332
Fig. 2 zeigt in schematischer Darstellung eine Anordnung, mit der es möglich ist, das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen, und inFig. 2 shows a schematic representation of an arrangement with which it is possible to use the inventive Procedure, and in
Fig. 3 ist eine der Anordnung gemäß Fig. 1 entsprechende Halbleiteranordnung dargestellt, die mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens erhalten wird.FIG. 3 shows a semiconductor arrangement corresponding to the arrangement according to FIG. 1, which is marked with Is obtained using the method according to the invention.
In Fig. 2 stellt F einen Heizofen dar, der mit Hilfe einer Heizwicklung W, die seine Wände umgibt, elektrisch aufgeheizt werden kann. Zu dieser Anordnung gehören Mittel, mit denen es möglich ist, den Innenraum des Heizofens mit einer Wasserstoff- oder einer Stickstoffatmosphäre zu füllen. Mit H ist eine Wasserstoff zuführungsleitung und mit Λ* eine Stickstoffzuführungsleitung bezeichnet. Die letztere Leitung mündet mit ihrer Öffnung nach unten in einem geschlossenen Behälter T, der Wasser enthält. Der zugeführte Stickstoff wird durch das Wrasser geblasen und anschließend über eine weitere Leitung B dem Heizofen zugeführt. Ein Zweiwegehahn C ermöglicht es, die ZuführungsleitungJf des Heizofens entweder mit der Leitung B oder der Leitung H in Verbindung zu bringen. Mit Hilfe einer Austrittsleitung O werden die Gase aus dem Innenraum des Heizofens abgesaugt, wobei noch ein Gasmesser M in die Leitung O eingeschaltet ist. Mit Hilfe eines Thermoelementes K, das mit einem geeigneten Meßinstrument (nicht dargestellt) verbunden ist, kann man die Temperatur innerhalb des Heizofens bestimmen.In Fig. 2, F represents a heating furnace which can be electrically heated with the aid of a heating coil W which surrounds its walls. This arrangement includes means with which it is possible to fill the interior of the heating furnace with a hydrogen or a nitrogen atmosphere. H denotes a hydrogen supply line and Λ * denotes a nitrogen supply line. The latter line opens with its opening at the bottom in a closed container T which contains water. The supplied nitrogen is r by the W ater blown and subsequently fed to the heating furnace via a further line B. A two-way valve C enables the supply line Jf of the heating furnace to be connected to either line B or line H. With the aid of an outlet line O , the gases are sucked out of the interior of the heating furnace, with a gas meter M also being connected to the line O. With the help of a thermocouple K, which is connected to a suitable measuring instrument (not shown), the temperature inside the heating furnace can be determined.
In dem Heizofen befindet sich eine Anordnung, die aus einer Nickel- oder anderen Grundplatte 1 besteht, auf der ein Germaniumplättchen 2 aufliegt. Auf diesem Germaniumplättchen befindet sich eine Pille 3 aus Dotierungsmaterial. Der Heizofen wird zuerst mit Stickstoff und dann mit Wasserstoff gespült, und anschließend wird die Temperatur allmählich auf 300° C erhöht. Diese Erwärmung erfolgt also in einer sauerstofffreien Wasserstoffatmosphäre, wobei der Wasserstoff über die Leitung H mit einer Geschwindigkeit von beispielsweise 2 cu. ft. pro Stunde durch den Heizofen geleitet wird. Wenn die Temperatur etwa 300° C erreicht — diese Temperatur ist hoch genug, damit das Indium schmilzt und das Germanium benetzt, aber noch nicht hoch genug, um eine Legierungsbildung zu verursachen —, wird sie auf diesem Wert gehalten, die Wasserstofrdurchspülung des Heizofens anschließend gestoppt und eine Stickstoffdurchspülung des Ofens durchgeführt, wobei dieser Stickstoff kleine Mengen von Sauerstoff enthält. Dieser Atmosphärenwechsel erfolgt durch Drehung des Hahnes C in eine solche Stellung, daß die Leitung B durchgeschaltet ist; der Sauerstoff in dem Stickstofffluß wird dadurch erhalten, daß der Stickstoff durch das Wasser des Tankes D geblasen wird. Die Temperatur wird dann unter Beibehaltung der neuen Atmosphäre weiterhin bis auf einen Wert von ungefähr 510° C gesteigert, eine Temperatur, die einen optimalen Wert für die Legierungsbildung darstellt. Wenn die zuerst vorgenommene Wasserstoffdurchspülung durch die Stickstoffdurchspülung ersetzt wird, bildet sich infolge der Anwesenheit geringer Mengen von Sauerstoff in dem Stickstoff eine Oxydhaut auf der Oberfläche des geschmolzenen Dotierungsmaterials. Diese Oxydhaut erhöht die Oberflächenspannung und verhindert auf diese Weise die unerwünschte Ausbreitung dieses Dotierungsmaterials, wenn die Temperatur auf einen solchen Wert erhöht wird, daß die Legierungsbildung zustande kommt.In the heating furnace there is an arrangement which consists of a nickel or other base plate 1 on which a germanium plate 2 rests. A pill 3 made of doping material is located on this germanium plate. The heating furnace is purged first with nitrogen and then with hydrogen, and then the temperature is gradually increased to 300 ° C. This heating thus takes place in an oxygen-free hydrogen atmosphere, the hydrogen via the line H at a rate of, for example, 2 cu. ft. per hour is passed through the heater. When the temperature reaches around 300 ° C - this temperature is high enough for the indium to melt and wet the germanium, but not yet high enough to cause an alloy to form - it is held at this value and the hydrogen purging of the furnace is then stopped and performing a nitrogen purge of the furnace, the nitrogen containing small amounts of oxygen. This change of atmosphere takes place by turning the tap C into such a position that the line B is switched through; the oxygen in the nitrogen flow is obtained by blowing the nitrogen through the tank D water. The temperature is then increased further, while maintaining the new atmosphere, to a value of approximately 510 ° C., a temperature which is an optimal value for alloy formation. When the initial hydrogen purging is replaced by the nitrogen purging, an oxide film forms on the surface of the molten dopant due to the presence of small amounts of oxygen in the nitrogen. This oxide skin increases the surface tension and in this way prevents the undesired spreading of this doping material if the temperature is increased to such a value that the alloy formation takes place.
Wenn die Temperatur von etwa 510° C erreicht ist, wird der Heizofen abgeschaltet und in geeigneter Weise gekühlt, z. B. durch einen Luftstrom, der das Äußere des Heizofens umspült. Wenn die Kühlung beendet ist, wird die Halbleiteranordnung, beispielsweise der Gleichrichter, aus dem Ofen herausgenommen. Wenn eine Entfernung der Oxydhaut auf der Oberfläche des Dotierungsmaterials gewünscht wird, so kann dies durch chemische Ätzung vorgenommen werden.When the temperature of about 510 ° C is reached, the heating furnace is switched off and in an appropriate manner Way chilled, e.g. B. by a stream of air that washes around the exterior of the heating stove. When the cooling is completed, the semiconductor device, for example the rectifier, is removed from the furnace. When removal of the oxide film on the surface of the dopant is desired this can be done by chemical etching.
Das Ergebnis des erfmdungsgemäßen Verfahrens ist schematisch in Fig. 3 dargestellt, in der die gleichen Teile mit denselben Bezugszeichen versehen sind wie bei der Anordnung nach Fig. 1. Der Hof um die Legierungsschicht herum ist praktisch verschwunden. The result of the method according to the invention is shown schematically in FIG. 3, in which the the same parts are provided with the same reference numerals as in the arrangement according to FIG. 1. The courtyard around the alloy layer has practically disappeared.
Die durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens erhaltenen Verbesserungen bei einem Gleichrichter sind in der folgenden Tabelle wiedergegeben. Sie zeigt die Versuchsergebnisse an Hand der Sperrcharakteristiken bei Gleichrichtern, die experimentell untersucht worden sind und die in jeder Beziehung einander gleich sind mit Ausnahme dessen, daß der eine nach dem bisher üblichen Verfahren, ohne Bildung einer Oxydhaut, hergestellt worden ist, während bei Herstellung des anderen das erfindungsgemäße Verfahren benutzt wurde. In dieser Tabelle stellen die vertikalen Spalten die Werte für verschiedene Sperrspannungen in Volt dar. In der Tabelle sind dann die Werte für die Sperrströme in Milliampere eingetragen. The improvements in a rectifier obtained by using the method according to the invention are shown in the following table. It shows the test results on the basis of the locking characteristics in the case of rectifiers which have been experimentally investigated and which in every respect are equal to each other with the exception that the one has been produced by the previously customary process, without the formation of an oxide skin, while the method of the invention was used in the manufacture of the other. In this table, the vertical columns show the values for different reverse voltages in volts. The table then shows the Values for the reverse currents entered in milliamperes.
IVIV
10 V 50 V10V 50V
100 V100 V
150 V150 V
200 V200 V
250 V250 V
Ohne OxydüberzugWithout oxide coating
vor der Ätzung ..
nach der Ätzung .before etching ..
after etching.
Mit OxydüberzugWith oxide coating
vor der Ätzung ..
nach der Ätzung .before etching ..
after etching.
2 0 2 0
2,5 1,52.5 1.5
10 1010 10
4 24 2
Ver-Ver
Die Hauptvorteile des erfindungsgemäßen fahrens bestehen in den folgenden Punkten:The main advantages of driving according to the invention are the following:
1. Es ermöglicht die Herstellung von Flächengleichrichtern mit scharf begrenzten Legierungszonen;1. It enables the manufacture of surface rectifiers with sharply delimited alloy zones;
2. es ermöglicht die -Herstellung von Großflächengleichrichtern mit hohen Sperrspannungen und von Gleichrichtern mit in der 111-Ebene orientierten Plättchen;2. It enables the production of large-area rectifiers with high blocking voltages and of Rectifiers with oriented in the 111 plane Tile;
23 2323 23
40 4040 40
70 7070 70
8,58.5
10 910 9
1111
3. es ermöglicht die Verwendung von Halbleitergrundplatten, die in ihrer Ausdehnung nicht größer sind als die gewünschten Verbindungsflächen, so daß die Gesamtgröße vermindert wird.3. It enables the use of semiconductor base plates that are not larger in size are than the desired joint areas so that the overall size is reduced.
In der spezifischen Beschreibung der Erfindung istIn the specific description of the invention is
angenommen worden, daß der Halbleiterkörper aus einem Germaniumplättchen besteht, das mit Indium dotiert ist. Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß diebeen assumed that the semiconductor body consists of a germanium platelets with indium is endowed. It should be noted, however, that the
Erfindung auf diese Materialien nicht beschränkt ist, daß man vielmehr auch Gleichrichter herstellen kann, bei denen sowohl der Halbleitergrundkörper als auch das Dotierungsmaterial aus anderen Ausgangsstoffen, beispielsweise aus Silizium für den Halbleitergrundkörper und aus Antimon für das Dotierungsmaterial, bestehen.Invention is not limited to these materials, that you can also manufacture rectifiers, in which both the semiconductor base body and the doping material are made from other starting materials, for example made of silicon for the semiconductor base and of antimony for the doping material, exist.
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1956
- 1956-07-19 DE DEM31154A patent/DE1015936B/en active Pending
- 1956-07-24 FR FR1155086D patent/FR1155086A/en not_active Expired
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| GB797687A (en) | 1958-07-09 |
| FR1155086A (en) | 1958-04-22 |
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