DE1104617B

DE1104617B - Verfahren zum elektrolytischen AEtzen einer Halbleiteranordnung mit einem Halbleiterkoerper aus im wesentlichen einkristallinem Halbleitermaterial

Info

Publication number: DE1104617B
Application number: DES63496A
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing Hubert Patalong; Fritz Hoffenreich
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1959-06-18
Filing date: 1959-06-18
Publication date: 1961-04-13

Description

Verfahren zum elektrolytischen Ätzen einer Halbleiteranordnung mit einem Halbleiterkörper aus im wesentlichen einkristallinem Halbleitermaterial Halbleiteranordnungen, wie Gleichrichter, Transistoren, Fotodioden, Vierschichtanordnungen u. dgl., werden bereits in großem Maße in der Elektrotechnik angewendet. Sie bestehen meistens aus einem vorzugsweise einkristallinenHalbleiterkörper aus Germanium, Silizium oder einer intermetallischen Verbindung von Elementen der III. und V. Gruppe des Periodischen Systems, auf den Elektroden aufgebracht sind.
Bei der Herstellung derartiger Halbleiteranordnungen müssen deren Oberflächen, insbesondere die an die Oberfläche tretenden Grenzen der Übergänge zwischen Zonen unterschiedlichenLeitfähigkeitstyps geätzt werden, um sie von Überbrückungen zu säubern, die im Fall der Beanspruchung in Sperrichtung zu einer Verschlechterung der Sperrkennlinie führen könnten. Man kann hierfür sowohl chemische als auch elektrolytische Ätzverfahren anwenden, und im allgemeinen sind die letzteren vorzuziehen. Insbesondere zeigt es sich, daß bei elektrolytischen Ätzverfahren die Ergebnisse leichter reproduzierbar sind, da die Zeitdauer des Ätzens länger ist, so daß sich eine leichtere Kontrollmöglichkeit ergibt. Außerdem ergeben sich verfahrenstechnische Vereinfachungen, da beim elektrolytischen Ätzen keine hochkonzentrierten Säuren wie beim chemischen Ätzen verwendet zu werden brauchen. Außerdem tritt bei chemischen Ätzverfahren für gewöhnlich eine sehr schnelle Verschmutzung 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 elektrolytischerÄtzung diese schnelle »Vergiftung« der Elektrolytlösung nicht auf.
Bei der Anwendung des elektrolytischen Ätzens treten mitunter gewisse Schwierigkeiten auf. So kommt es meistens weniger darauf an, die gesamte Oberfläche der Halbleiteranordnung zu ätzen, als bestimmte Stellen der Oberfläche, insbesondere (iie an die Oberfläche tretenden Grenzen der pn-Übergänge, von anhaftenden Verunreinigungen und Oberflächenstörungen zu befreien. Zu diesem Zweck muß man den elektrolytischen Strom so führen, daß er gerade an diesen Stellen aus dem Halbleitermaterial in die elektrolytische Lösung übertritt.
Der Lösung dieser Aufgabe stellen sich mitunter Widerstände entgegen, speziell dann, wenn sich innerhalb der Halbleiteranordnung entgegengesetzt gerichtete pn-Übergänge befinden, wie z. B. bei Transistoren. In diesem Fall ist ein Stromdurchgang durch die Halbleiteranordnung unmöglich gemacht, da einer der pn-Übergänge immer in Sperrichtung beansprucht ist. Man kann also die Halbleiteranordnung nicht ohne weiteres auf ein positives Potential legen und eine anodische Abtragung im Elektrolysebad vornehmen. Die Erfindung zeigt einen Weg zur Lösung dieser Aufgabe. Sie betrifft demzufolge ein Verfahren zum elektrolytischen Ätzen einer Halbleiteranordnung mit einem Halbleiterkörper aus im wesentlichen einkristallinem Halbleitermaterial, mindestens zwei entgegengesetzt gerichteten pn-Übergängen und den betriebsmäßigen Kontaktelektroden. Erfindungsgemäß werden die Kontaktelektroden der in ein Elektrolysebad eintauchenden Halbleiteranordnung mit dem positiven Pol einer Spannungsquelle so verbunden, daß an den Kontaktelektroden der Halbleiteranordnung über einen Spannungsteiler betriebsmäßige Spannungen liegen; die ganze Halbleiteranordnung wird von solchen Strömen im Elektrolysebad durchflossen, daß die Sperrwirkung der pn-Übergänge aufgehoben ist, und der negative Pol der Spannungsquelle wird an eine in das Elektrolysebad eintauchende Elektrode angelegt. Zweckmäßigerweise wird nur ein Teil der Halbleiteranordnung mit dem Elektrolysebad in Berührung gebracht.
Es ist ein Verfahren zur Veränderung der äußeren Form von Halbleiterkörpern mit einer gleichrichtenden Übergangszone bekanntgeworden, bei dem die gleichrichtenden Eigenschaften der Übergangszone bei einer elektrolytischen Ätzung ausgenützt werden, um eine örtlich verschiedene Abtragung des Halbleitermaterials zu bewirken. Bei diesem bekannten Verfahren wird die gleichrichtende Wirkung eines pn-Überganges in der Weise ausgenutzt, daß durch die Sperrwirkung dieses pn-Überganges ein Stromaustritt und damit eine Ätzung an unerwünschten Stellen verhindert wird. Eine Ätzung dieser durch den pn-Übergang vomStromdurchfluß abgeschnittenenBezirke desHalbleiterkörpers wird demgegenüber erstmals @lurch das Verfahren gemäß der Erfindung ermöglicht.
Bei einem weiteren bekannten Verfahren zum elektrolytischen Abtragen von Halbleitermaterial wird ein Impulsgenerator verwendet, der kurzzeitig hohe Spannungen und große Stromstärke zu liefern imstande ist und auf diese Weise den Ätzprozeß rasch fortschreiten läßt, ohne eine störende Erwärmung der Halbleiteranordnung oder des Ätzbades zu bewirken. Bei diesem Verfahren wird ähnlich wie bei dem vorgenannten Verfahren die Sperrwirkung der pn-Übergänge zur ''erhinderung des Stromflusses in Bereiche des Halbleiterkörpers ausgenutzt, welche dem Ätzangriff entzogen werden sollen.
An Hand eines Ausführungsbeispiels soll die Erfindung näher erläutert werden.
Fig. 1 zeigt eine Anordnung, wie sie z. B. zur elektrolytischen Ätzung eines Transistors getroffen wird, und Fig. 2 zeigt das entsprechende Schaltschema.
In Fig. 1 ist ein nach dem Legierungsverfahren hergestellter npn-Leistungstransistor 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 Halbleiterkörper aus hochohmigem, p-leitendem Silizium, in den Elektroden einlegiert sind. In die Oberseite ist ein Basis-Emitter-Elektrodenmuster und in die Unterseite eine Kollektorelektrode einlegiert. Entsprechend geformte, aus Gold mit entsprechenden Dotierungszusätzen bestehende Folien sind in ein Scheibchen des Halbleitermaterials einlegiert und bilden nun die Kontaktelektroden für entsprechend umdotierte Elektrodenbereiche. Man geht zweckmäßigerweise von p-leitendem Silizium mit einem spezifischen Widerstand von 80 bis 100 Ohm - cm aus. Auf ein etwa 100 R, starkes Scheibchen dieses Materials mit einem Durchmesser von 12 mm werden konzentrisch ein Scheibchen einer Bor enthaltenden Goldfolie von 2,85 mm Durchmesser und etwa 35 1. Stärke, ein Ring aus einer Gold-Antimon-Legierung mit etwa 0,5°/o Sb von 3 mm Innendurchmesser und 4,85 mm Außendurchmesser sowie ein Ring aus einer Bor enthaltenden Goldfolie von 5 mm Innendurchmesser und 7 mm Außendurchmesser aufgelegt. Das Ganze wird auf eine Folie aus einer Gold-Antimon-Legierung mit etwa 0,5°/o Sb von 14 mm Durchmesser gelegt und durch einen Erhitzungsvorgang miteinander legiert.
Die Figur zeigt das Ergebnis. Ein Teil des hochohmigen, p-leitenden Halbleitermaterials ist erhalten geblieben und bildet die Zone 2. Auf der Oberseite befinden sich die als Basiselektroden dienenden Goldkontakte 3 und 4, die auf entsprechend hochdotierten p-leitenden Zonen 5 und 6 ruhen. Zwischen beiden Zonen befindet sich die n-leitende umdotierteErmitterzone 7 mit der Emitterelektrode B. Auf der Unterseite befindet sich die großflächige Kollektorelektrode 9 mit der n-leitenden Kollektorzone 10. Die Kollektorelektrode ist zweckmäßig mit einer Molybdänscheibe 11 verbunden, die in einer Aüsnehmung des Bodens des Gehäuseunterteiles 12 befestigt ist, z. B. angelötet.
Wie in der Zeichnung dargestellt, wird die Ätzung der Oberseite des Halbleiterelements unmittelbar vor der endgültigen Fertigstellung des Gehäuses vorgenommen. Eine zylindrische Vorrichtung 13, die zweckmäßigerweise aus Polytetrafluoräthylen, das unter dem Handelsnamen Teflon bekannt ist, besteht, :wird auf den Rand des Halbleiterbauelements aufgesetzt und mit Hilfe von Siliconfett festgeklebt. Das Siliconfett bewirkt eine sichere Abdichtung der Aufsetzstelle, so daß in die so entstandene Höhlung der Elektrolyt, beispielsweise 4o/oige Flußsäure, eingefüllt werden kann, ohne daß die Gefahr besteht, daß der Elektrolyt ausläuft und das Gehäuseunterteil 12 oder die Molybdänscheibe 11 chemisch angreift.
Bei dem Aufkleben des Hohlzylinders 13 mit Hilfe des Siliconfettes wird die nach außen tretende Grenze des pn-Überganges zwischen den Zonen 2 und 10 bedeckt. Diese Grenze wird zweckmäßigerweise vorher 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 erwarten 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.
In das Elektrolysebad taucht eine Elektrode 14, die zweckmäßigerweise aus einem Platindraht besteht. Der Platindraht weist einen ringförmig gebogenen Teil auf, der mit wenigen Millimetern Abstand oberhalb der Halbleiterscheibe innerhalb des Elektrolyten, in diesemFa114o/oigeFlußsäure, angeordnet ist. Stromzuführungen 15 und 16 berühren Basis- und Emitterelektroden. Die Stromzuführung15 zur Basiselektrode ist gegabelt, damit sowohl die Basisronde 3 als auch der Basisring 4 kontaktiert werden. Beide Stromzuführungen 15 und 16 bestehen aus Platin und sind bis auf die Spitzen lackiert, damit eine Elektrolyse zwischen ihnen im oberen Teil des Elektrolyten verhindert wird.
An die Elektrode 14 wird nun der negative Pol einer Spannungsquelle angeschlossen und die Halbleiteranordnung an den positiven Pol. Hierbei wird der Transistor in einer betriebsmäßigen Schaltung derart angeschlossen, daß er von Strömen durchflossen wird, die die Sperrwirkung der vorhandenen pn-Übergänge aufheben. Im dargestellten Beispiel wird der Kollektor an eine Spannung von 2,4 V, die Basis an eine Spannung von 0,9 V und der Emitter an eine Spannung von 0,7 V gegenüber der Elektrode 14 (0 V) gelegt, d. h., der Boden des Gehäuseunterteiles 12 und die Stromzuführungen 15 und 16 werden über einen Spannungsteiler an entsprechende Teilspannungen einer 20-V-Spannungsquelle gelegt.
In Fig. 2 ist das Schaltbild der Anlage dargestellt. Der zwischen der Elektrode 14 und dem Emitteranschluß liegende Widerstand R1 hat eine Größe von 50 Ohm, der Widerstand R2 zwischen Emitter und Basisanschluß hat eine Größe von 10 Ohm, und der Widerstand R3 zwischen Basis und Kollektoranschluß hat eine Größe von 300 Ohm. Ein Widerstand R4 von 800 Ohm dient zur Stabilisierung. Mit der angegebenen Schaltung wurden bei einem Transistor der beschriebenen Ausführung und Größe mit Ätzdauern von 5 bis 10 Minuten gute Ergebnisse erzielt. Die Emitterzone 7 wurde, soweit sie nicht durch die Goldelektrode 8 bedeckt war, stark abgetragen, während sich die p-dotierten Zonen mit einem unschädlichen grauen Belag bedeckten.
Im Fall der Ätzung eines pnp-Transistors müssen selbstverständlich andere Spannungen zur Anwendung gelangen. Die Schaltung bleibt aber im Prinzip die gleiche wie in Fig. 2, nur daß Emitter und Kollektor vertauscht sind. Bei einem pnp-Transistor mit den gleichen Abmessungen und einem ähnlichen Aufbau wie in dem dargestellten Beispiel (hochohmiger, n-leitender Grundkörper, Basiselektrode aus Gold-Antimon, Kollektor- und Emitterelektrode aus Gold-Bor) wird an den Kollektor eine Spannung von 0,7 V, an die Basis eine Spannung von 1,8 V und an den Emitter eine Spannung von 2,0V gegenüber der Elektrode 14 (0 V) gelegt. Auch in diesem Fall fließen betriebsmäßige Ströme, die die Sperrung der pn-Übergänge aufheben.
Nach der Ätzung wird die Halbleiteranordnung gut abgespült, zweckmäßigerweise mit destilliertem Wasser, und getrocknet. Nach Entfernung des Hohlzylinders 13 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 werden kann, da sich hierdurch eine erneute Verunreinigung der Halbleiteroberfläche mit ziemlicher Sicherheit vermeiden läßt.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: 1. Verfahren zum elektrolytischen Ätzen einer Halbleiteranordnung mit einem Halbleiterkörper aus im wesentlichen einkristallinem Halbleitermaterial, mindestens zwei entgegengesetzt gerichteten pn-Übergängen und den betriebsmäßigen Kontaktelektroden, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktelektroden der in ein Elektrolysebad eintauchendenHalbleiteranordnung mit dem positiven Pol einer Spannungsquelle so verbunden werden, daß an den Kontaktelektroden der Halbleiteranordnung über einen Spannungsteiler betriebsmäßige Spannungen liegen, daß die ganze Halbleiteranordnung von solchen- Strömen durchflossen wird, daß die Sperrwirkung der pn-Übergänge aufgehoben ist, und daß der negative Pol der Spannungsquelle an eine in das Elektrolysebad eintauchende Elektrode angelegt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nur ein Teil der Halbleiteranordnung mit dem Elektrolysebad in Berührung gebracht wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein den Teil der Halbleiteroberfläche, der geätzt werden soll, umschließender isolierender Hohlzylinder auf die Halbleiteroberfläche aufgesetzt und mit dem Elektrolyten gefüllt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlzylinder mit Hilfe von Siliconpaste aufgeklebt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Elektrolyt 4°loige Flußsäure verwendet wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktelektroden der Halbleiteranordnung konzentrisch angeordnet werden und daß die in den Elektrolyten eintauchende Elektrode ringförmig ausgeführt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die eintauchende ringförmige Elektrode aus Platin hergestellt wird. In Betracht gezogene Druckschriften: SchweizerischePatentschriften Nr.319 749, 320916.