DE1026875B

DE1026875B - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Halbleitern

Info

Publication number: DE1026875B
Application number: DER14311A
Authority: DE
Inventors: Dietrich Alfred Jenny
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1953-05-28
Filing date: 1954-05-28
Publication date: 1958-03-27
Also published as: FR1103565A; US2913642A; NL100884C; GB751278A

Description

DEUTSCHES

Es ist bekannt, Transistoren durch Zusatz verhältnismässig geringer Mengen einer Verunreinigungssubstanz auf gegenüberliegenden Seiten eines Halbleiterkörpers, wie Germanium oder Silizium, herzustellen. Dabei werden innerhalb des Halbleiters zwei eng benachbarte, einander gegenüberliegende Inversionsschichten gebildet. Zu diesem Zweck wurde bisher eine kleine Pille einer ausgewählten, eine Verunreinigung erzeugenden Substanz auf einer Seite des Halbleiterkörpers angebracht. Diese Pille wird zusammen mit dem Halbleiter erhitzt und bleibt auf der Oberfläche des Halbleiters haften. Eine weitere Pille wird auf der entgegengesetzten Seite des Halbleiters angebracht und die gesamte Anordnung dann ein zweites Mal erhitzt, um beide Pillen zu schmelzen und mit dem Halbleiter zu legieren und in ihn hineinzudiffundieren, so daß sich die Inversionsschichten bilden.

Bei einer derartigen Transistorherstellung haben sich verschiedene Schwierigkeiten ergeben, insbesondere die, die beiden Pillen derart anzuordnen, daß sich koaxiale Inversionsschichten bilden. Weiterhin sind nicht nur zwei Erhitzungsvorgänge erforderlich, sondern noch eine weitere Wärmebehandlung zur Befestigung der elektrischen Leitungen an den Elementen des Transistors.

Es ist bereits vorgeschlagen worden, zur Herstellung von Transistoren Gießformen zu verwenden. Diese Formen weisen in der Mitte Öffnungen zur Aufnahme der Halbleiterscheiben auf, seitlich sind einander gegenüberliegende Aussparungen vorgesehen, in die die Dotierungsmaterialien eingebracht werden können. Die gefüllte Form wird dann in einem Ofen in einer inerten Atmosphäre erhitzt, bis die gewünschte Verschmelzung stattgefunden hat.

Die vorgeschlagene Anordnung erlaubt jedoch nicht, die Wärmebehandlung der Emitter- und der Kollektorseite des Transistors verschieden zu steuern. Außerdem sind keine Maßnahmen zur gleichzeitigen Anbringung der Anschlußdrähte vorgesehen.

Außerdem besitzen die bekannten Gießformen eine erhebliche Wärmekapazität, die eine exakte Steuerung der Wärmebehandlung schwierig macht und den Chargenwechsel verzögert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von Halbleitereinrichtungen, insbesondere Legierungs-Flächentransistoren, anzugeben, bei welchem der Legierungsvorgang nach Wunsch gesteuert werden kann, bei welchem ferner zwei koaxiale Inversionsschichten entstehen und im selben Arbeitsgang die Anschlußdrähte angebracht werden können.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Kristalloden, bei welchen an be-

Verfahren und Vorrichtung
zur Herstellung von Halbleitern

Anmelder:

Radio Corporation of America,
New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter: Dr.-Ing. E. Sommerfeld, Patentanwalt,
München 23, Dunantstr. 6

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 28. Mai 1953

Dietrich Alfred Jenny, Princeton, N. J. (V. St. Α.),
ist als Erfinder genannt worden

stimmten Stellen beiderseits eines Halbleiterkörpers Verunreinigungsstoffe mittels Legierungsformen, welche die Legierungszonen begrenzen, aufgeschmolzen werden. Die Erfindung ist gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte, eine Zuführungsvorrichtung, die aus zwei Röhrchen besteht, deren Öffnungen so geformt sind, daß sie die gewünschte Berührungsfläche zwischen dem Halbleiterkörper und dem Verunreinigungsstoff definieren, so an den Halbleiterkörper anzulegen, daß sich die Öffnungen an den bestimmten Stellen befinden und anschließend die Röhrchen zu erhitzen, so daß die vorher in die Röhren eingeführten Pillen aus Verunreinigungsstoff mit dem Halbleiterkörper verschmelzen.

Die Erfindung soll nun an Hand der Zeichnung näher erläutert werden.

Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel;

Fig. 2 ist eine vergrößerte Darstellung einer in Fig. 1 im Schnitt gezeigten Schelle;

Fig. 3 ist eine vergrößerte perspektivische Darstellung einer Schelle nach einem anderen Ausführungsbeispiel ;

Fig. 4 ist ein Querschnitt durch einen legierten Halbleiterkörper.

In allen Figuren sind gleiche Bezugszeichen für gleiche Elemente verwendet.

Ein Legierungsflächentransistor kann durch die Verwendung einer Vorrichtung, wie sie als Ausführungsbeispiel in den Figuren der Zeichnungen dar-

709 957/349

Selbstverständlich ist das Legierungsverfahren nicht auf die erwähnten Materialien noch auf die beschriebene Form der Vorrichtung beschränkt, es ist vielmehr ganz allgemein auf die Herstellung von HaIb-5 leitern, die zwei gegenüber angeordnete Inversionsschichten aufweisen, anwendbar. Die Halbleiter können beispielsweise aus Silizium bestehen, und dabei kann das Material der angeschmolzenen Elektroden 16 und 18 Thallium oder Antimon sein.

Ein wesentliches Merkmal der Erfindung ist die mit Öffnungen oder Ausnehmungen versehene Schelle, welche hauptsächlich zur Fixierung der Graphitröhrchen dient. Wenn also Öffnungen oder Ausnehmungen in einander gegenüberliegenden Schenkeln der

gestellt ist, hergestellt werden. Fig. 1 zeigt einen
scheibenförmigen Körper 2 aus η-leitendem Germanium mit einer quadratischen Grundfläche von etwa
6 mm Kantenlänge und 0,125 mm Dicke, welcher in
eine federnde Schelle 6 eingespannt ist. Die Schelle 6,
welche im einzelnen in Fig. 2 dargestellt ist, kann aus
einem Metall, wie beispielsweise Nickel oder Stahl,
bestehen, welches bei etwa 500 bis 900° C nicht weich
wird. Ihre den Halbleiter berührende Oberfläche 8 ist
verzinnt. Die Schelle ist U-förmig und etwa 1,3 cm io
lang und besitzt in jedem ihrer Schenkel Öffnungen 7
und 9. Diese Öffnungen können beispielsweise Durchmesser von etwa 0,7 bzw. etwa 1,8 mm aufweisen und
liegen einander direkt gegenüber. Die Schelle kann

statt mit solchen Öffnungen auch mit Aussparungen 7' 15 U-förmigen Schelle sich decken, berühren die Röhr- und 9', wie in Fig. 3 dargestellt, versehen sein. Die chen einen in der Schelle befindlichen Halbleiter an Schelle deckt die gegenüberliegenden Seiten 3 und 4 genau gegenüberliegenden Stellen. Die fluchtende Andes Halbleiters ab und läßt nur die Flächen 10 und 11 Ordnung der Indiumkörperchen wird wesentlich frei. genauer durch die exakt fluchtende Anordnung der Der in die Schelle eingespannte Halbleiter ist 20 Öffnungen in der Schelle als durch eine andere Vorzwischen den Enden zweier Graphitröhrchen 12 und richtung, welche die Röhren oder Körperchen in eine 14 angeordnet, die derart bemessen sind, daß sie in entsprechende Lage bringt. Die Öffnungen in derardie Öffnungen 7 bzw. 9 hineinpassen. Diese Röhren tigen Schellen können mit bekannten mechanischen sind unter einem Winkel gegen die Horizontale ge- Mitteln, z. B. mit einem Gesenk mit verhältnismäßig neigt und liegen mit ihren unteren Enden an dem 25 großer Genauigkeit, hergestellt werden. Halbleiter an. Sie sind mit Heizmitteln, z. B. mit Die Graphitröhrchen, welche auch aus einem anelektrischen Widerstandsspulen 30 und 32, versehen, deren hitzebeständigen Material, z. B. aus Silizium, welche mit einer nicht dargestellten Stromquelle ver- hergestellt werden können, sollen sich glatt an das bunden sind. Indiumkörperchen 16 und 18, deren Germanium anlegen. Es soll nämlich kein flüßiges Durchmesser etwa 0,25 und 1,25 mm betragen, sind in 30 Indium auf das Germanium außer in den Öffnungen 7 die Röhrchen eingeführt und gleiten in diesen abwärts, und 9 gelangen. Jedoch sind die Abmessungen nicht bis sie Kontakt mit dem Germanium haben. Elektrische Leitungsdrähte 20 und 22, welche aus Platin
bestehen können, sind in-die Röhrchen eingezogen und
liegen auf den Indiumkörperchen auf.

Die gesamte Anordnung befindet sich in einer nicht
oxydierenden Atmosphäre, z. B. in Wasserstoff oder
Argon, um eine Oxydation zu vermeiden. Eine derartige Atmosphäre kann beispielsweise in dem glokkenförmigen Gefäß 36 eingeschlossen sein, sie kann 40 Gold, bestehen, um Schwierigkeiten der üblicherweise aber auch durch einen aus einer nicht dargestellten auf die Bildung der Inversionsschichten folgenden Düse austretenden Gasstrom erzeugt werden. Ätzung zu vermeiden. Wenn diese Drähte aus einem Die Röhrchen 12 und 14 werden etwa 5 Minuten Basismetall, wie Kupfer, bestehen, kann ein Säurelang auf annähernd 500° C erhitzt, um die Indium- ätzbad, in welches der Halbleiter eingetaucht wird, körperchen zu schmelzen/ damit sich.das Indium mit 45 verunreinigt werden.

dem Germanium legieren und in das Germanium ein- Um eine ähnliche Verunreinigung des Säureätzdiffundieren kann. Durch diesen Vorgang werden im bades durch die Schelle zu vermeiden, kann diese vor Germanium Inversionsschichten gebildet. Gleich- der Ätzung und zweckmäßig nach der Erhitzung mit zeitig wird das Indium mit den elektrischen Leitungs- einem möglichst widerstandsfähigen Material, wie drähten 20 und 22 verschmolzen. Dabei wird auf die 50 Bienenwachs, überzogen oder lackiert werden. Dies Schelle und den Halbleiter genügend Wärme über- kann leicht durch Bespritzen des Halbleiters, bevor er tragen, um das Lot zu schmelzen und eine nicht als von den Graphitröhrchen entfernt wird, erfolgen oder Sperrschicht wirkende Lötverbindung z\vischen dem durch ein Eintauchen in Wachs oder Lack, wobei die Halbleiter und der Schelle herzustellen. Leitungen und freien Oberflächen vor einer Berüh-Wenn die Anordnung ausreichend abgekühlt und 55 rung mit dem Wachs oder Lack durch einen geeigdas Indium und das Lot erstarrt ist, werden die Röhr- neten Überzug geschützt werden müssen, chen voneinander entfernt und der Halbleiter ent- Die elektrischen Heizelemente 30 und 32 können nommen. Die Vorrichtung kann dann in bekannter durch andere Heizmittel ersetzt werden, welche die Weise geätzt, montiert und in ein Schutzgehäuse ein- Körperchen 16 und 18 und den Halbleiter auf die ergebaut werden. Ein so hergestellter Halbleiter ist in 60 forderliche Formierungstemperatur bringen. Beispiels-Fig. 4 dargestellt und weist die Schelle 6 auf, welche weise kann die gesamte Vorrichtung in einen Ofen am Germanium 2 durch eine Lötverbindung 28, die eingesetzt werden oder mit einer Gasflamme eines nicht als Sperrschicht wirkt, befestigt ist. Die Schelle nicht oxydierenden Gases erhitzt werden Die elekkann in einer Schaltung als Basisklemme dienen. Die irischen Heizspulen sind wegen ihrer leichten Hand-Indiumkörperchen 16 und 18 in Fig. 1 sind mit dem 65 habung und der einfachen Steuerung des Formierungs-Halbleiter verschmolzen," um die Elektrode 16' und prozesses jedoch vorzuziehen.

18' und die Inversionsschichten 24 und 26 zu bilden. Es ist selbstverständlich, daß die erwähnten

Das Indium ist mit den elektrischen Leitungsdrähten Abmessungen der Teile lediglich zur leichteren

und 22 ebenfalls verschmolzen, welche als Elek- Beschreibung der Vorrichtung dienen. In der Praxis

trodenzuleitungen dienen.' ^;. 70 kann das Verfahren vielmehr für die Herstellung be-

allzu kritisch, da die Oberflächenspannung des Indiums beträchtlich ist.

Die elektrischen Leitungsdrähte 20 und 22 müssen 35 nicht aus Platin bestehen, sondern können auch aus einem leitenden Material gefertigt werden, welches einen oberhalb der Formierungstemperatur gelegenen Schmelzpunkt besitzt. Vorzugsweise sollen diese Drähte aber aus Metallen, wie Platin, Palladium oder

liebig geformter Halbleiter verwendet werden. Das Verfahren und die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens können insbesondere zur Herstellung von Legierungs-Flächentransistoren, die genau angeordnete Inversionsschichten aufweisen, benutzt werden.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

1. Verfahren zur Herstellung von Kristalloden, bei welchen an bestimmten Stellen beiderseits eines Halbleiterkörpers Verunreinigungsstoffe mittels Legierungsformen, welche die Legierungszonen begrenzen, aufgeschmolzen werden, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte, eine Zuführungsvorrichtung, die aus zwei Röhrchen besteht, deren Öffnungen so geformt sind, daß sie die gewünschte Berührungsfläche zwischen dein Halbleiterkörper und dem Verunreinigungsstoff definieren, so an den Halbleiterkörper anzulegen, daß sich die Öffnungen an den bestimmten Stellen befinden, und anschließend die Röhrchen zu erhitzen, so daß die vorher in die Röhren eingeführten Pillen aus Verunreinigungsstoff mit dein Halbleiterkörper verschmelzen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Halbleiterkörper eine Haltevorrichtung angebracht wird, die mindestens eine Öffnung enthält, welche mit der gewünschten Berührungsfläche einer der beiden Stellen fluchtet.

3. Verfahren nach Anspruch 2. dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper in eine U-förmige Schelle eingeklemmt wird, deren Schenkel an seinen beiden Seiten anliegen, wobei die .Schenkel Öffnungen besitzen, die die Lage der Verunreinigungsstoffe definieren.

4. Verfahren nach Anspruch 3 unter Verwendung einer metallischen Schelle, dadurch gekennzeichnet, daß die Schelle derart an dem Halbleiterkörper befestigt wird, daß zwischen Schelle und Halbleiterkörper eine nicht gleichrichtende Verbindung entsteht.

5. \^rerfahren nach Anspruch 4. dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die Innenseite eines Schenkels der Schelle verzinnt und durch Erhitzen mit dem Halbleiterkörper verlötet wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Erhitzung der Röhrchen Anschluß drähte in die Zuführungsvorrichtung eingeführt werden, welche auf den Verunreinigungspillen aufliegen.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß beide Verunreinigungspillen gleichzeitig aufgeschmolzen werden.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitsbedingungen so gewählt werden, daß sie auf der einen Seite optimal für die Erzeugung eines Emitters und auf der anderen Seite optimal für die Erzeugung eines Kollektors sind.

9. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schelle und die Verunreinigungspillen gleichzeitig mit dem Halbleiterkörper verbunden werden.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die gewünschte Berührungsfläche geätzt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 2 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Haltevorrichtung vor dem Ätzen mit einem Schutzüberzug versehen wird.

12. Kristallode, gekennzeichnet durch eine den Halbleiterkörper umfassende Haltevorrichtung, welche mindestens eine öffnung besitzt, wobei sich in dieser Öffnung, jedoch von ihrem Rand beabstandet, die am Halbleiterkörper befestigte Verunreinigungspille befindet.

13. Kristallode nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Haltevorrichtung aus einer federnden Schelle mit zwei Schenkeln besteht, zwischen denen der Halbleiterkörper liegt.

14. Kristallode nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der beiden Schenkel eine Öffnung in Form eines kreisförmigen Loches enthält.

15. Kristallode nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der beiden Schenkel eine Öffnung in Form einer sich in Schenkellängsrichtung erstreckenden Nut besitzt.

16. Kristallode nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Verunreinigungspillen koaxial zueinander und zu den öffnungen liegen und verschieden groß sind.

17. Kristallode nach einem der Ansprüche 12 bis 16. dadurch gekennzeichnet, daß die Haltevorrichtung aus Metall besteht und an dem Halbleiterkörper durch eine nicht gleichrichtende Verbindung befestigt ist und daß an den Verunreinigungspillen jeweils getrennte Anschlußdrähte angebracht sind.

18. Kristallode nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper scheibenförmig ist.

19. Einrichtung zur Ausführung des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11 bzw. zur Herstellung von Kristalloden gemäß einem der Ansprüche 12 bis 18. gekennzeichnet durch eine aus zwei Röhrchen bestehende Zuführungsvorrichtung, wobei die Öffnungen am einen Ende jedes Röhrchens so geformt sind, daß sie die Berührungsfläche des Verunreinigungsstoffes mit dem Halbleiterkörper definieren, daß weiterhin die Röhrchen so liegen, daß die öffnungen an den gewünschten Stellen am Halbleiterkörper anliegen, und schließlich durch eine Vorrichtung zum Erhitzen der Röhrchen.

20. Einrichtung nach Anspruch 19, gekennzeichnet durch eine Haltevorrichtung, die geeignet ist, den Halbleiterkörper aufzunehmen und die mindestens eine öffnung besitzt, die die Lage der Verunreinigungspille auf dem Halbleiterkörper bestimmt, wobei ein Röhrchen mit seiner öffnung in die öffnung der Haltevorrichtung eingeführt ist.

21. Einrichtung nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Röhrchen aus feuerfestem und reaktionsträgem Material bestehen.

22. Einrichtung nach Anspruch 19, 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Lage der Röhrchen gegenüber der Horizontalen einen Winkel nach oben einschließen und daß sich die genannten Öffnungen der Röhrchen an ihrem unteren Ende befinden.

23. Einrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Röhrchen aus Graphit bestehen.

24. Einrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden der Röhrchen glatt an den Oberflächen des Halbleiterkörpers anliegen.

25. Einrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Haltevorrichtung aus einer U-förmigen Metallschelle besteht.

26. Einrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Haltevorrichtung Öffnungen in Form von runden Löchern besitzt.

27. Einrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Haltevorrichtung Öffnungen in Form von Aussparungen besitzt, die zwischen Vorsprüngen an den Schenkeln der Schelle liegen.

28. Einrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Haltevorrichtung aus Metall besteht und die Innenfläche mindestens teilweise verzinnt ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschrift S 34815 VIIIc/21g (bekanntgemacht am 13.9. 1956).

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen