DE1027325B - Verfahren zur Herstellung von Silicium-Legierungs-Halbleiter-Anordnungen - Google Patents

Verfahren zur Herstellung von Silicium-Legierungs-Halbleiter-Anordnungen

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DE1027325B DEW10346A DEW0010346A DE1027325B DE 1027325 B DE1027325 B DE 1027325B DE W10346 A DEW10346 A DE W10346A DE W0010346 A DEW0010346 A DE W0010346A DE 1027325 B DE1027325 B DE 1027325B
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Description

DEUTSCHES
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Legierungs-Halbleiter-Anordnungen aus Silicium mit mindestens einer gleichrichtenden und einer ohmschen Elektrode geringen Widerstands.
Für die Leistungsfähigkeit sind bei diesen Halbleiteranordnungen, d. h. Dioden, das Gleichrichtungsverhältnis und der Sperrstrom von besonderer Wichtigkeit; von Bedeutung ist außerdem bei einer Anzahl von Anwendungsfällen die sogenannte Zener-Spannung.
Mit vorliegendem Herstellungsverfahren wird angestrebt, die Fertigung von Silicium-Gleichrichtern zu erleichtern und deren Leistungscharakteristik zu verbessern. Im einzelnen hat die Erfindung zum Ziel, das Gleichrichtungsverhältnis zu vergrößern, die Sperrströme zu vermindern, die Fertigung von gleichrichtenden Verbindungen in Silicium mit vorgeschriebener und reproduzierbarer Charakteristik und Zener-Spannungs-Höhe zu ermöglichen.
Erfindungsgemäß wird ein N-Typ-Siliciumkörper an einem Oberflächenteil mit einer ersten Elektrode aus Aluminium und an einem anderen Oberflächenteil mit einer zweiten Elektrode, welche aus Gold, das mit einem Donator dotiert wurde, in Berührung gebracht und darauf der gesamte Siliciumkörper erhitzt, um beide Elektroden mit dem Siliciumkörper zu legieren.
Mit dieser Verfahrensart wird die Herstellung von mechanisch fest mit dem Siliciumkörper verbundenen Elektroden ermöglicht, ohne daß gefährliche Spannungen in dem Siliciumkörper verbleiben. Dieser Erfolg des Verfahrens war deshalb überraschend, weil es vor der Erfindung als praktisch unmöglich angesehen wurde, Anschlußstücke an Siliciumkörper durch Schweißung zu befestigen. Es bestand daher die Auffassung, daß sich Silicium bezüglich der mechanisch festen Anbringung von Anschlüssen grundsätzlich anders verhält als Germanium, bei welchem die Herstellung von Schweißverbindungen ohne weiteres möglich ist.
In Verbindung mit Germanium ist eine dem erfindungsgemäßen Verfahren ähnliche Verfahrensart bekannt gewesen. Es ist dabei aber unbekannt geblieben, daß damit die in Verbindung mit Silicium beobachteten Schwierigkeiten behoben werden können. Die für Germanium bekanntgewordene Verfahrensart besteht darin, daß mit einem Oberflächenteil eines Germaniumkörpers eine Elektrode in Berührung gebracht wird, welche eine den Leitfähigkeitstyp bestimmende Verunreinigung enthält. Der Germaniumkörper wird dann zusammen mit dem Anschlußstück bis oberhalb der eutektischen Temperatur der Stoffe erhitzt, welche die Zwischenschicht bilden. Dadurch Verfahren
zur Herstellung von Silicium-Legierungs-Halbleiter-Anordnungen
Anmelder:
Western Electric Company, Incorporated, New York, N. Y. (V. St. A.)
Vertreter: Dr. Dr. R. Herbst, Rechtsanwalt,
Fürth (Bay.), Breitscheidstr. 7
Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 7. Februar 1952
Gerald Leondus Pearson,
Bernards Township, N. J. (V. St. Α.),
ist als Erfinder genannt worden
wird ein Teil der Verunreinigung in den Körper eingeführt, so daß je nach der Art der Verunreinigung an dem Germanium eine Gleichrichtungsverbindung oder eine Verbindung mit geringem Widerstand hergestellt wird. Im Falle von N-Typ-Germanium haben sich Aluminium, Gold und Legierungen aus Gold und einem Akzeptor für die Herstellung von Gleichrichtungsverbindungen als vorteilhaft erwiesen, während man verschiedene Donatoren, wozu auch Antimon gehört, für die Herstellung von Verbindungen mit geringem Widerstand benutzte.
Die letzterwähnte spezielle Verfahrensweise läßt sich nicht ohne weiteres auf Silicium übertragen.
Aluminium liefert zwar auch in Verbindung mit N-Typ-Silicium eine gleichrichtende Verbindung; es ist aber erforderlich, für die Herstellung eines Elektrodenanschlusses geringen Widerstandes an N-Typ-Silicium Gold zu verwenden, welches mit einem Donator verunreinigt sein soll.
Unter den verschiedenen verfügbaren Donatoren hat sich Antimon als besonders vorteilhaft erwiesen. Bei Verwendung von Antimon ist es möglich, beide Elektroden an dem Siliciumkörper mit einem Erhitzungsvorgang in zuverlässiger Weise herzustellen.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung wird ein
Streifen aus Gold-Antimön-Legierung auf einem Heizelement mit hohem Widerstand, beispielsweise auf einem Band aus Tantal, aufgelegt, und darauf
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eine Scheibe aus Silicium von hoher Reinheit und Es ist verständlich, daß geeignete, nicht dargestellte' mit N-Typ-Leitfähigkeit aufgelegt. Ein Aluminium- Glieder vorgesehen sein können, um die Stützen 12! draht miit einem Durchmesser in· der Größenordnung und die Klammer 17 gegenseitig und gegenüber dem von 0,076 mm wird mit einem Ende mit derjenigen Siliciumkörper einzustellen.
Flache der Silicium scheibe in Berührung gebracht, 5 Das Band 14 ist so angebracht, daß es mittels einer welche der mit der Gold-Antimon-Legierung in Be- ■ Stromquelle 20 erhitzt werden kann, und zwar unter rührung stehenden Fläche entgegengesetzt ist. Danach der Steuerung eines Zeitschalters 21. wird unter Aufrechterhaltung einer das Ganze umge- Nach einer Herstellungsart, die in Fig. 2 veran-
benden inerten Atmosphäre ein zeitlich bemessener schaulicht ist, wird ein N-Typ-Siliciumblättchen 22 Stromstoß durch das Heizelement hindurchgeleitet, i0 auf einen dünnen Streifen 23 aufgelegt, welcher aus um das Ganze auf etwa 650° C zu erhitzen, d. h. auf einer Legierung von Gold mit einem Donator besteht eine Temperatur, die angenähert dem Schmelzpunkt und seinerseits auf dem Tantalband 14 liegt. Das von Aluminium entspricht und oberhalb der für Alu- Silicium und der Aluminiumdraht 18 werden zweckminiutn und Silicium gültigen eutektischen Tempe- mäßig vor ihrer Anbringung einer reinigenden Ätzung! ratur von 570° C liegt. Diese Temperatur liegt auch 15 unterworfen. Der Aluminiumdraht 18 ist so eingeoberhalb der eutektischen Temperatur von etwa stellt, daß er an der Oberseite des Siliciumblättchens 370° C, die für Gold und Silicium gilt. Infolge der 22 anliegt. Dann wird das Band 14 an die Stromstoßartigen Erhitzung bilden das Aluminium und die quelle angeschlossen, um den Siliciumkörper 22 auf Gold-Antimon-Legierung mit demjenigen Teil des eine Temperatur von etwa 650° C zu erhitzen. Die Siliciums Legierungen, mit welchen sie in Berührung 20 Folge davon ist, daß das an dem Blättchen 22 anliestehen. gende Ende des Aluminiumdrahtes 18 mit dem SiIi-
Die auf diese Weise zwischen dem Aluminiumdraht cium eine Legierung bildet; auch das mit einem und dem Siliciumkörper hergestellte gleichrichtende Donator verunreinigte Gold legiert sich mit der geVerbindung liefert ein sehr hohes Gleichrichtungs- genüberliegenden Fläche des Blättchens. Vor und verhältnis, beispielsweise von etwa 108 bei 1 Volt a5 während der Erhitzung des Bandes 14 wird ein ge- und einem äußerst kleinen Sperrstrom von beispiels- eigneter Strom inerten Gases, z. B. Helium, durch diei weise 10—10 Amp. Diese Verbindung zeichnet sich Düsen 19 zugeführt und gegen den aus Gold, Silicium; außerdem durch eine scharfe Zener-Spannungs- und Aluminium bestehenden Aufbau gerichtet. Charakteristik aus, und die Zener-Spannung ist In einem typischen und als Beispiel dienenden Fall
leicht steuerbar. Es ist insbesondere festgestellt wor- 30 besteht das Blättchen 22 aus N-Typ-Silicium mit, den, daß die Zener-Spannung sich im wesentlichen einem spezifischen Widerstand von 0,5 Ohm-cm. Das, linear mit dem spezifischen Widerstand des Siliciums Blättchen hat einen Durchmesser von 2,54 mm und* ändert und etwa 10 Volt für Silicium mit einem eine Dicke von 0,51 mm. Der Draht 18 besteht aus spezifischen Widerstand von 0,5 Ohm · cm und etwa Aluminium und hat einen Durchmesser von etwa 1000 Volt für Silicium mit einem spezifischen Wider- 35 0,076 mm; der mit einem Donator verunreinigte stand von 50 Ohm-cm beträgt. Die Fluß stromcharak- Goldstreifen 23 hat eine Stärke von 0,025 mm. Die teristik wird bei niedrigen Spannungen durch den Legierung der Anschlußstücke 18 und 23 mit dem spezifischen Widerstand des Siliciummaterials nicht Silicium wurde in der Weise vorgenommen, daß man beeinflußt. Es hat sich außerdem gezeigt, daß die für die Dauer von 3 Sekunden einen Strom von etwa gleichrichtende Verbindung sehr tetnperaturbestän- 40 50 Amp. durch einen Tantalstreifen durchleitete, dig ist. dessen Widerstand 0,10 Ohm betrug.
Die Erfindung soll in Verbindung mit der Zeich- Nach der Legierung wird die aus Silicium und
nung noch näher erläutert werden; Es zeigt Anschlußstücken bestehende Einheit geätzt, und zwar
Fig. 1 teils eine perspektivische Darstellung und für die Dauer von etwa 60 Sekunden in einer Lösung,
teils das Schaltbild einer Vorrichtung, welche bei der 45 die sich aus 25 ecm Salpetersäure, 15 ecm 48°/»iger Herstellung von Silicium-Legierungs-Anordnungen Flußsäure und 15 ecm Essigsäure zusammensetzt.
Anwendung finden kann, Die Einheit kann nach der Ätzung erhitzt werden,
Fig. 2, 3 und 4 Ansichtsdarstellungen von verschie- um alle Feuchtigkeit zu beseitigen, und danach in
denen Anordnungen, Wachs, beispielsweise Ceresin, getaucht werden, um
Fig. 5 und 6 Darstellungen der Strom-Spannungs- 50 sie mit einem Schutzüberzug auszustatten. Charakteristik im Fluß- und Sperrbereich von typi- In Fig. 5 und 6 sind Strom-Spannungs-Charakte-
schen Gleichrichtern. ristiken typischer Anordnungen veranschaulicht, wel-
In Fig. 1 ist eine Vorrichtung veranschaulicht, ehe in der erläuterten Weise hergestellt worden sind welche sich für die Herstellung von Silicium-Legie- und einen Aluminiumdraht sowie eine Elektrode aus rungs-Anordnungen nach der Erfindung eignet. Die 55 mit einem Donator verunreinigten Gold aufweisen, Vorrichtung enthält eine Grundplatte oder einen welche mit dem Silicium legiert sind. In Fig. 5 zei-Träger 10, auf welchem ein hohler zylindrischer Teil gen die Kurven A und B die Fluß- und Sperrstrom- und ein Paar Isolierstützen 12 angebracht sind. charakteristik für den Fall eines Siliciumkörpers mit Die Stützen tragen Klammern 13 aus leitfähigem einem spezifischen Widerstand von 0,5 Ohm-cm, wo-Material, welche ein Metallband 14 halten, welches 60 bei der Aluminiumdraht 18 einen Durchmesser von hohe Wärmefestigkeit besitzt und beispielsweise aus 0,076 mm besaß. Die Charakteristik gilt für eine Tantal besteht. Auf dem Träger 10 ist außerdem Raumtemperatur von 27° C. In Fig. 5 sind außerdem ein Isolierblock 16 angebracht, welcher eine federnde in den Kurven A1, A2, A3 und A± die Sperrstrom-Klammer 17 trägt. Die Klammer 17 dient zur Fest- Charakteristiken dieser Anordnungen bei anderen haltung eines Aluminiumdrahtes 18, welcher in der 65 Temperaturen, die an den einzelnen Kurven vermerkt nachstehend beschriebenen Weise mit dem Silicium- sind, dargestellt. Besonders bemerkenswert sind die körper verbunden werden soll. Es sind geeignete hohen Gleichrichtungsverhältnisse von beispielsweise Düsen 19 vorgesehen, um inertes Gas, beispielsweise 108 bei 1 Volt, das plötzliche Einsetzen des Zener-Helium, durch den zylindrischen Teil 11 und längs Strombereichs und die Gleichförmigkeit der Zenerdes Drahtes 14 während der Herstellung zu leiten. 7° spannung über einen weiten Bereich der Ströme. Der
Vorwärtsstrom weicht unter den für die Kurven Ax bis At geltenden Bedingungen nicht wesentlich von dem durch die Kurven B veranschaulichten Strom ab, so daß die Einrichtung eine außergewöhnliche Temperaturstabilität aufweist.
In Fig. 6 veranschaulichen die Kurven C und D die Sperr- und Flußströme für eine Vorrichtung, bei welcher der Siliciumkörper einen spezifischen Widerstand von 1 Ohm·cm besaß. Die Kurven E und F geben die Sperrstrom- und Fluß Stromcharakteristiken für einen spezifischen Widerstand von 20 Ohm-cm wieder. In beiden Fällen hatte der Aluminiumdraht einen Durchmesser von 0,20 mm. Es sind ebenso wie bei der Vorrichtung, deren Charakteristik in Fig. 5 wiedergegeben ist, die ungewöhnlich großen Gleichrichtungsverhältnisse und die geringen Sperrströme offensichtlich. Auch aus Fig. 5 und 6 ergibt sich, daß die Zener-Spannung im wesentlichen sich linear mit dem spezifischen Widerstand des Siliciums ändert. Bei typischen Ausführungen haben sich Zener-Werte zwischen 10 und 1000 Volt ergeben, und zwar für spezifische Widerstände zwischen 0,5 und 50 Ohm · cm.
Die Erfindung läßt sich auch für die Fertigung von Anordnungen anwenden, wie sie beispielsweise in Fig. 3 veranschaulicht sind, wobei- zwei Drähte mit dem Halbleiterkörper legiert werden. Im Fall der Fig. 3 besteht der Draht 18 aus Aluminium und der Draht 23 aus Gold, welches mit einem Donator verunreinigt ist; beide Drähte können gleichzeitig mit dem Siliciumblättchen 22 legiert werden, indem man das letztere in der beschriebenen Weise auf etwa 650° C erhitzt.
Das Verfahren läßt sich außerdem für die Fertigung von Anordnungen verwenden, bei welchen die Drahtanschlüsse an entgegengesetzten Flächen des Siliciumkörpers angebracht sind. Bei der Ausführung nach Fig. 4 kann beispielsweise ein Aluminiumdraht 18 mit einer Fläche des Siliciumblättchens 22 und ein Draht 24, welcher aus mit einem Donator verunreinigten Gold besteht, mit der entgegengesetzten Fläche des Blättchens durch Legierung verbunden werden. Ein solcher Zusammenbau kann in zwei Stufen vorgenommen werden, wobei zunächst der Draht 18 an dem Körper 22 befestigt wird, indem man das Ganze auf etwa 650° C erhitzt, danach die Einheit umdreht, so daß der Draht 18 durch ein Loch 25 (Fig. 2) in dem Band 14 hindurchgreift, und dann das Ganze auf 370° C erhitzt, um den Draht 24 mit dem Silicium zu legieren.
Wenn Gold allein in der erläuterten Weise mit dem N-Typ-Silicium legiert würde, so könnte es die Leitfähigkeit des angrenzenden Siliciums verändern und insbesondere eine Umwandlung des Siliciums zum P-Typ bewirken. Ein solcher Einfluß wird durch die Donator-Verunreinigung ausgeglichen, zweckmäßig durch Antimon. Um Antimon unmittelbar in Silicium zu diffundieren, würde es notwendig sein, verhältnismäßig hohe Temperaturen anzuwenden, und zwar unter gleichzeitigem beträchtlichem Zeitaufwand. Wenn aber Antimon mit Gold legiert wird, so läßt es sich leicht in Silicium einführen, und zwar etwa bei der eutektischen Temperatur, die für Gold und Silicium gilt. Auf diese Weise kann man bei Verwendung einer aus Gold und Antimon zusammengesetzten Elektrode die Verbindung zwischen der Elektrode und dem Siliciumkörper sowohl hinsichtlich der Leitfähigkeit wie auch hinsichtlich des Leitfähigkeitstyps in gewünschter Weise einrichten.
An Stelle von Antimon können andere Elemente in gleicher Weise Verwendung finden, welche ebenso wie Antimon mit dem Silicium kein Eutektikum bilden. Donatoren wie Arsen und Phosphor können beispielsweise in Form von Überzügen des Golddrahtes Verwendung finden, wobei der umkleidete Draht und das Silicium auf etwa die für Gold und Silicium gültige eutektische Temperatur erhitzt werden.

Claims (4)

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Herstellung von Legierungs-Halbleiter-Anordnungen aus Silicium mit mindestens einer gleichrichtenden und einer ohmschen Elektrode geringen Widerstandes, dadurch gekennzeichnet, daß ein N-Typ-Siliciumkörper an einem Oberflächenteil mit einer ersten Elektrode aus Aluminium und an einem anderen Oberflächenteil mit einer zweiten Elektrode aus Gold, das mit einem Donator dotiert wurde, in Berührung gebracht wird und darauf der gesamte Siliciumkörper erhitzt wird, um beide Elektroden mit dem Siliciumkörper zu legieren.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Elektrode Antimon als Donator-Verunreinigung enthält.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die ganze Halbleiteranordnung nach der Erhitzung bzw. Legierungsbildung für die Dauer von etwa 60 Sekunden in einer Lösung von 25 ecm Salpetersäure, 15 ecm 48°/oiger Flußsäure und 15 ecm Essigsäure geätzt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Siliciumkörper, der in seinem Hauptteil N-Typ-Leitfähigkeit besitzt, eine Aluminiumdraht-Elektrode und in Abstand davon eine zweite aus einer Gold-Donator-Legierung bestehende Elektrode anlegiert wird.
In Betracht gezogene Druckschriften:
»Das Elektron«, Bd. 5 (1951/52), S. 438; Funkschau, 23 (1951), S. 274;
Torrey-Whitmer, »Crystal rectifiers«, New York, 1948, S. 99, 254, 398;
Phys. Rev., 81 (1951), 882;
Phys. Rev., 83 (1951), 165;
deutsche Patentanmeldung W 4642 VIII c/21 g 11/02 (BD. 30. 8. 51) S. 15.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
© 7» 958/341 Ϊ.
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