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Verfahren zum Auflegieren von Legierungsmaterial auf einen Halbleiterkörper
zur Herstellung eines Sperrschicht-Übergangs oder sperrfreien ohmschen Anschlusses
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Auf-!-,-gieren von bei der gewünschten
Legierungstemperatur mit Halbleitermaterial gesättigtem Legierungsmaterial auf einen
Halbleiterkörper zur Herstellung eines mit einer Sperrschicht versehenen oder ohmschen
Anschlusses für eine Halbleiteranordnung.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, auf Halbleitermaterial einen
Legierungskontakt herzustellen, dessen Legierungsfront möglichst wenig in den Grundkörper
eindringt. Die Herstellung solcher Kontakte ist besonders für Hochfrequenztransistoren
von Bedeutung, bei denen der Grundkörper sehr dünne Schichten besitzt, die durch
die Legierungsfront des Kontaktes nicht durchstoßen werden dürfen. Wenn mit diesem
Kontakt gleichzeitig eine Sperrschicht gebildet werden soll, kommt es wesentlich
darauf an, die Legierungsfront parallel zur Ausgangsfläche des Grundkörpers auszubilden,
was ebenfalls nur durch eine geringe Eindringtiefe der Kontaktlegierung zu erreichen
ist. Das Legierungsmaterial kann je nach der herzustellenden Anordnung entweder
Störstellenmaterial oder mit Störstellenmaterial versetztes Legierungsmaterial oder
passives Legierungsmaterial sein.
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Zur Herstellung eines Legierungstransistors wird nun beispielsweise
nach bereits bekannten Verfahren auf einen zwar einkristallinen, aber in zwei Zonen
verschiedenen Leitfähigkeitstyps geteilten Halbleitergrundkörper ein Körper aus
einem niedrigerschmelzenden Legierungsmaterial aufgebracht. Am meisten bekannt sind
hierfür z. B. Germanium als Halbleitermaterial und Indium als Störstellen- und Legierungsmaterial.
Nun wird die Anordnung über den Schmelzpunkt des Legierungsmaterials erwärmt, wobei
dieses schmilzt und bei der gegebenen Temperatur eine gesättigte Lösung von Halbleitermaterial
im Legierungsmaterial bildet. Bei der nachfolgenden Abkühlung scheidet sich zunächst
das gelöste Halbleitermaterial ab (zum Teil auf dem Halbleiterkörper als Schicht,
zum Teil als Schwebeteilchen), weil die Löslichkeit desselben im Störstellenmaterial
mit der Temperatur stark abnimmt. Dabei baut sich im abgeschiedenen Halbleitermaterial
Legierungs- bzw. Störstellenmaterial mit ein und prägt dadurch dort den Leitfähigkeitstyp
ein (sofern das Legierungsmittel nicht völlig passiv ist). Danach erstarrt das Legierungsmaterrial
und bietet die Möglichkeit, die entstandene störstellendotierte Halbleiterschicht
niederohmig leitend anzuschließen.
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Die für die elektrischen Eigenschaften wesentliche Grenzfläche zwischen
den Leitfähigkeitstypen (einerseits mit diesem Störstellenmaterial dotiert und andererseits
durch diesen Legierungsvorgang nicht beeinflußtes Halbleitermaterial) entsteht an
der Stelle, bis zu der das Halbleitermaterial beim Auflegieren des Materials gelöst
worden ist. Die Auflösung des Halbleitermaterials erfolgt nicht vollkommen gleichmäßig,
sondern j e nach dem Kristallaufbau des Halbleiterkörpers stellenweise etwas unterschiedlich.
Außerdem ist diese Auflösung zur Mitte der Legierungsfläche meist stärker als am
Rand, so daß auch noch eine mehr oder weniger stark gewölbte Grenzfläche entsteht
(Kalottenform).
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Der Abstand dieser so entstandenen gewölbten und unregelmäßigen Fläche
zu einer zweiten benachbarten Grenzfläche soll z. B. beim Hochfrequenztransistor
möglichst klein gemacht werden, muß aber mindestens von derselben Größenordnung
sein wie die Unregelmäßigkeiten der Legierungsfront, weil sonst eine Berührung dieser
Grenzflächen, d. h. das Durchstoßen der dazwischenliegenden Schicht, nicht zu vermeiden
ist. Die _Wege der Ladungsträger zu jener zweiten Grenzfläche sind von verschiedenen
Stellen der ersten Grenzfläche aus verschieden lang. Insbesondere sind von einem
merklichen Teil der Grenzfläche diese Wege noch verhältnismäßig lang; dadurch ist
bei einem Transistor die obere Grenzfrequenz gegeben, die ja durch die Laufzeit
der Ladungsträgen- bestimmt ist. Wird also eine glattere Grenzfläche und ein geringerer
gleichmäßiger Abstand der beiden Grenzflächen im Transistor verwendet, so wird dadurch
die obere Grenzfrequenz des Transistors hinausgeschoben. Bekannte Versuche gehen
davon aus, das Legierungsmaterial nur wenig über seinen Schmelzpunkt zu erhitzen,
um die Halbleitermateriallöslichkeit klein zu halten; dies ist jedoch deshalb unangebracht,
weil erfahrungsgemäß dann nur eine stellenweise Benetzung des Halbleiters stattfindet.
Es
sind auch Legierungsverfahren bekannt, bei denen das Legierungsmaterial mit Halbleitermaterial
versetzt wird. Der Grad der Versetzung ist bei den einzelnen Verfahren verschieden.
Neben Legierungsmaterial mit eutektischer Zusammensetzung verwendet man häufig Legierungsmaterial,
welches bei der in Frage kommenden Legierungstemperatur mit Halbleitermaterial gesättigt
ist.
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Bei solchen Verfahren wird beispielsweise eine Indiumschmelze mit
Germanium versetzt, die mit Germanium versetzte Indiumschmelze zum Erstarren gebracht:
aus dem erstarrten Legierungsmaterial werden dann Bleche geformt, aus denen wiederum
Scheibchen gestanzt, die dann als germaniumhaltiges Indium auf das Germanium aufgebracht
und auflegiert werden.
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Der wesentliche Nachteil eines solchen Verfahrens besteht darin, daß
zwar bei der Versetzung der Indiumschmelze mit Germanium bei der vorgegebenen Temperatur
eine Germaniumlösung stattfindet, jedoch muß beim Erkalten des Legierungsmaterials
das Germanium zwangläufig in dem Maße ausscheiden, wie die Löslichkeit mit der Temperatur
abnimmt. Am Erstarrungspunkt ist die Löslichkeit nur etwa 0,5%. Das Halbleitermaterial
scheidet sich zumeist in Form von kleinen Kriställchen aus, die im Indium verteilt
sind.
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Wird nun ein solches Materialstück auf einen Germaniumkörper aufgebracht
und z. B. in einem Legierungsofen auf die Legierungstemperatur erwärmt, so fängt
es an, nicht nur die Kriställchen, sondern auch den Germaniumkörper zu lösen, bis
es gesättigt ist. Dabei wird aber der Zweck, den Germaniumkörper nur möglichst wenig
aufzulösen, nicht erreicht, andererseits neigen die schwebenden Kriställchen dazu,
sich auf der Grenzfläche abzusetzen, wo sie den Aufbau der einkristallinen Rekristallisationszone
stark stören.
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Zur Behebung dieser Mängel wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß
das Legierungsmaterial zunächst auf seine vorgesehene Legierungstemperatur, bei
der es im flüssigen Zustand vorliegt, gebracht wird und dabei so behandelt wird
oder vorbehandelt worden ist, daß es bei der Legierungstemperatur vollständig oder
fast vollständig mit Halbleitermaterial gesättigt ist. Gleichzeitig wird der Halbleitergrundkörper
auf die gleiche oder annähernd gleiche Temperatur wie das Legierungsmaterial gebracht
und danach das flüssige und mit Halbleitermaterial gesättigte Legierungsmaterial
mit dem Halbleitergrundkörper in Berührung gebracht.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird beim Legieren von Legierung-
bzw. Störstellenmaterial auf einen Halbleiterkörper sehr wenig Halbleitermaterial
im Legierungsmaterial aufgelöst, weil das Legierungsmaterial bereits gesättigt ist
und weil durch die getrennt voneinander vorgenommene Erwärmung des Legierungsmaterials
und des Halbleitermaterials auf die Legierungstemperatur eine Lösung von Halbleitermaterial
im Legierungsmaterial praktisch ausgeschlossen ist. Die Gestalt der Grenzfläche
von nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Halbleiteranordnungen weicht
nur wenig von der Gestalt der (vorzugsweise glatten) Halbleiteroberfläche ab. Der
Abstand von Grenzflächen (basisschichtige) kann dabei geringer gewählt werden als
in bekannten Anordnungen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform wird die gewünschte Menge Legierungsmaterial
an einem Stab aus Halbleitermaterial angebracht und geschmolzen, wobei sich das
Legierungsmaterial in einen Tropfen verwandelt, der entsprechend der gewählten Temperatur
mit Halbleitermaterial gesättigt ist. Dieser Tropfen wird ohne wesentliche Temperaturänderung
auf einen passiven Haltekörper, beispielsweise einen Draht, übertragen, der beim
Erstarren durch den Tropfen gleichzeitig angelötet wird und damit den elektrischen
Kontakt für den fertigen Transistor bildet. Es ist aber auch möglich, daß der Stab
aus Halbleitermaterial, das dann vom gleichen Leitungstyp sein muß, wie ihn das
Legierungsmaterial erzeugt, selbst als Zuleitung für die Halbleiteranordnung verwendet
wird. Es ist wesentlich, daß in diesem Tropfen, der auch auf andere Art erzeugt
worden sein kann, sich keine Kriställchen aus Halbleitermaterial bilden können.
Ist er eine Zeitlang kälter oder kalt, so muß er vor der Berührung mit dem Halbleiterkörper
eine so lange Zeit vorgewärmt werden, bis eventuell entstandene Kriställchen mit
Sicherheit wieder aufgelöst worden sind. Beim Vorwärmen wird der Tropfen eine entsprechende
Zeit auf der Legierungstemperatur oder zwischendurch gegebenenfalls (zur Beschleunigung
des Auflösungsvorganges) auch auf höherer Temperatur gehalten. Eine Variation der
Temperatur ist jedoch nicht durchführbar, wenn der Tropfen sich an einem Stab aus
Halbleitermaterial befindet.
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Um einen sicheren Ablauf des Legierungsvorganges (Benetzung) zu gewährleisten,
kann es angebracht sein, eine geringe Menge des Halbleiterkörpers noch aufzulösen,
bevor die Erstarrung eintritt. Daher kann entweder so verfahren werden, daß der
aufgebrachte Legierungsmaterialtropfen nicht ganz vollständig mit Halbleitermaterial
gesättigt ist oder daß die Temperatur nach dem Herstellen des Kontaktes von flüssigem
Legierungsmaterial mit dem Halbleitermaterial noch etwas erhöht wird. Diese Temperaturerhöhung
aber wird so bemessen, daß durch die damit verbundene Löslichkeitserhöhung und Auflösung
des Halbleitermaterials im Legierungsmaterial vom Halbleiterkörper nur so wenig
Material gelöst wird, daß die Abweichungen der entstandenen Grenzfläche klein gegen
die Abstände zu einer anderen Grenzfläche sind.
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Erwünscht bei der nachfolgenden Abkühlung und Erstarrung des Störstellenmaterialtropfens
ist, daß sich das gelöste Halbleitermaterial an der Grenzfläche zwischen Halbleiterkörper
und Legierungsmaterial möglichst vollständig ausscheidet. Für ein einwandfreies
Funktionieren eines Transistors ist es unbedingt erforderlich, daß die Grenzfläche
mit dem ausgeschiedenen gedopten Halbleitermaterial überdeckt ist; separate, in
der Rekristallisationszone eingebettete Halbleiterkriställchen geben zu Störungen
Anlaß. Daher ist es zweckmäßig, daß nach dem Herstellen des Kontaktes von flüssigem
Störstellenmaterial mit dein Halbleiterkörper eine solche Teinperaturv-erteilung
leim Abkühlen erzeugt wird, daß die Ausscheidung des Halbleitermaterials vom Halbleiterkörper
her beginnt. Das kann erreicht werden, indem entweder während und bzw. oder nach
dein Herstellen der Berührung der Halbleiterkörper gekühlt wird, vorzugsweise über
die Anordnung zur Kühlung des fertigen Transistors im Betrieb, oder daß der Haltekörper
des Legierungsmaterials, vorzugsweise ein Haltedraht, während des Abkühlvorganges
wärmer gehalten wird.
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Der praktische Aufbau eines Hochfreduenztransistors geht nun so vor
sich, daß zunächst nach irgendeinem bekannten Verfahren, beispielsweise einem Diffusionsverfahren,
eine möglichst dünne Schicht (Basis) eines Halbleiterkörpers, die mit einem besonderen
Kontakt
versehen wird, den Leitfähigkeitstyp bekommt, der dem Leitfähigkeitstyp des übrigen
Halbleiterkörpers (Kollektors) entgegengesetzt ist, daß dann auf diese dünne Schicht
das flüssige Legierungs-und Störstellenmaterial aufgebracht wird, wobei dieses denselben
Leitfähigkeitstyp erzeugt, wie ihn der Kollektor hat.
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Die Erfindung und ihre Weiterbildungen lassen sich auch kombinieren
mit dem bekannten Drifttransistor. Dort ist die Dotierung der Basiszone so getroffen,
daß sie vom Emitter zum Kollektor abklingend ist. Am günstigsten ist es, wenn der
Störstellendichteabfall exponentiell verläuft. Das aus dem Legierungsmaterial erstarrte
und mit dies-ein leitend verbundene Halb-1eitermateria1 der rekristallisierten Zone
bildet den hochdotierten Emitter, die dünne Schicht die Basis und der übrige Halbleiterkörper
den Kollektor. Aus bekannten theoretischen Überlegungen folgt, daß es am günstigsten
ist, wenn die Störstellendichte im Emitter ungefähr zwei bis drei Zehnerpotenzen
größer ist als in der Basis, dort wiederum eine bis zwei Zehnerpotenzen größer als
im Kollektor, wobei die Basiszone dünn ist sowohl gegen die Kollektorzone als auch
gegen die Emitterschicht. Es ist also erwünscht, die Emitterzone dick zu machen.
Und das erreicht man gerade mit dem oben angegebenen Abkühlungsverfahren, bei dem
sich das Germanium quantitativ an dem Halbleiterkörper ansetzt.
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Das Aufbringen des flüssigen Legierungsmaterials auf den Halbleiterkörper
läßt sich nun noch mit weiteren Schritten der technischen Fertigung kombinieren.
Einmal können mit dem Herstellen des Kontaktes des flüssigen Störstellenmaterials
mit der dünnen Schicht des Halbleiterkörpers gleichzeitig weitere Kontakte mit dieser
Schicht, vorzugsweise ein ohmscher Zuleitungskontakt, hergestellt werden, vorzugsweise
durch Verbindungsmaterial (Lötmaterial), das denselben oder annähernd denselben
Erstarrungspunkt hat wie das Legierungsmaterial. Aber weiter ist es auch möglich,
daß das Herstellen des Kontaktes des flüssigen Legierungsmaterials mit dem Halbleiterkörper
gleichzeitig mit dem Einschmelzen der Halbleiteranordnung in ein Gefäß verbunden
wird, wobei die Einschmelzstelle und die damit sich ergebende Temperaturverteilung
entsprechend :der Lehre der Erfindung und deren Weiterbildungen gewählt werden.
Die Kombination des Einschmelzens mit dem Legieren ist natürlich auch anwendbar
für die Herstellung einer Halbleiteranordnung, die nicht nach der Lehre der Erfindung
erfolgt; wie jedoch besonders aus Fig.3 und der dazugehörigen Beschreibung ersichtlich
ist, ist die Anwendung dieser Kombination mit der Lehre der Erfindung besonders
vorteilhaft.
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Die Verfahrensschnitte sollen noch einmal an Hand der Zeichnungen
an bevorzugten Ausführungsformen erläutert werden.
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In Fig.1 ist der Legierungsvorgang schematisch dargestellt; Teil a
ist die Anordnung vor dem Legieren, Teil b diese nach dem Legieren. An einem Haltekörper
1 (der nachher die Zuleitung bildet) befindet sich der mit Halbleitermaterial gesättigte
Tropfen aus Legierungsmaterial 2. Dieser wird auf die heiße Basiszone 5 in heißem
Zustand aufgebracht, die mit der Sperrschicht 7 an den übrigen Halbleiterkörper
8 grenzt. An der Stelle 4 bildet sich die Grenzschicht zwischen Basis und Emitter;
letzterer wird gebildet durch das rekristallisierte Halbleitermaterial 3.
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Fig.2 zeigt eine andere praktische Ausführungsform; hier gelten dieselben
Bezugszeichen. Die gewölbte Basis 5 ist über den Kontakt 6 angeschlossen. Teil a
der Figur zeigt wieder die Anordnung vor, Teil b diese nach dem Aufbringen des Tropfens.
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Fig. 3 zeigt eine Anordnung, bei der das Auflegieren des Indiumtropfens
mit dem Auflegieren des Basiskontaktes und dem Einschmelzen :der Anordnung in ein
Glasgefäß kombiniert ist, und zwar Teil a die Anordnung vor dem Einschmelzen und
Teil b die Anordnung des fertigen Transistors. Vor dem Herstellen des Kontaktes
befindet sich wieder der Indiumtropfen 2 an einem Haltedraht 1, neben ihm auf gleicher
Höhe an einem Haltedraht 6 ein passives Lötmittel 12. (Die Halterungen 1 und 6 können
auch parallele Schneiden sein, um eine elektrisch günstigere Elektrodenform zu erreichen,
oder es kann auch der Basisanschluß als ringförmige Elektrode ausgebildet werden,
die den Emitterpunkt umschließt. Das hier behandelte Beispiel ist nur der Übersichtlichkeit
halber gewählt.) Beide Drahtspitzen haben gleichen Abstand von der Basiszone 5,
die durch die Sperrschicht 7 von dem Kollektor 8, der gleichzeitig die Kühlung der
Anordnung im Betrieb übernimmt und auf seiner Halterung 9 und wärmeleitenden Zuleitung
10 befestigt ist, getrennt ist. Diese beiden Drahtspitzen befinden sich in einem
Quetschfuß 14, der mit dem Glaskolben 13 des Gefäßes an der Stelle 15 (Teil b) verschmolzen
wird. Bei der Abkühlung rekristallisiert aus dem Indiumtropfen 2 das gelöste Germanium
von der Grenzfläche 4 beginnend und bildet den Emitter 3. Gleichzeitig rekristallisiert
aus dem passiven oder mit solchen Störstellen, die denselben Leitfähigkeitstyp erzeugen,
wie die Basis ihn hat, bildenden Lötmittel 12 das gelöste Germanium in einer Schicht
11; dort ist die Basis ohmisch leitend angeschlossen. Der Kollektor bzw. die Kollektorkühlung
und Kollektorzuleitung ist am zur Einschmelzstelle entgegengesetzten Ende dieses
Glasgefäßes ausgeführt. Zunächst wird die Anordnung durch eine (nicht gezeigte)
Heizvorrichtung vorgewärmt, so daß alle Teile der Anordnung die Temperatur erhalten,
die für das Aufbringen der Legierungsmittel auf den Halbleiterkörper vorgesehen
ist. Dann wird der Quetschfuß mit den Legierungsmitteltropfen gesenkt, bis die gewünschte
Berührung eintritt, und eingeschmolzen. Während des Einschmelzvorganges an der Stelle
15 wird der Transistor bereits an der wärmeleitenden Kollektorzuführung 10 durch
Anblasen mit einem Luftstrom gekühlt. Dadurch wird die erforderliche Temperaturverteilung
erzeugt, die das sowohl im Lötmittel als auch im Störstellenmaterial gelöste Germanium
vom Germaniumkörper her beginnend sich rekristallisieren läßt.