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Ätzverfahren eines pn-Überganges bei der Herstellung einer Halbleiteranordnung
Halbleiteranordnungen, wie Gleichrichter, Transistoren, Fotodioden, Vierschichtanordnungen
u. dgl., werden bereits in großem Maße in der Elektrotechnik angewendet. Sie bestehen
meistens aus einem vorzugsweise einkristallinen Halbleiterkörper aus Germanium,
Silizium oder einer intermetallischen Verbindung von Elementen der III. und V. Gruppe
des Periodischen Systems, auf den Kontakt-Elektroden aufgebracht sind.
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Bei der Herstellung derartiger Halbleiteranordnungen müssen deren
Oberflächen, insbesondere die an die Oberfläche tretenden Grenzen der Übergänge
zwischen Zonen unterschiedlichen Leitfähigkeitstyps, geätzt werden, um sie von Überbrückungen
zu säubern, die im Falle der Beanspruchung in Sperrichtung zu einer Verschlechterung
der Sperrkennlinie führen könnten. Man kann hierfür sowohl chemische als auch elektrolvtische
Ätzverfahren anwenden. Im allgemeinen sind die letzteren vorzuziehen. Insbesondere
zeigt es sich, daß bei elektrolytischen Ätzverfahren die Ergebnisse leichter reproduzierbar
sind, da die Zeitdauer des tzens länger ist, wodurch 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 elektrolytischer Ätzung diese
schnelle »Vergiftung« der Elektrolytlösung nicht auf.
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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
die an die Oberfläche tretenden Grenzen der pn-Übergänge, von anhaftenden Verunreinigungen
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 ein Teil der Oberfläche geätzt werden soll, in dessen Nähe sich
keine für den betriebsmäßigen Gebrauch der Halbleiteranordnung vorgesehene metallische
Kontaktierung der angrenzenden p-leitenden Zone befindet.
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Beispielsweise wird nach einem früheren Vorschlag eine Vierschichtanordnung
auf folgende Weise her-.gestellt: a) In die eine Flachseite eines scheibenförmigen
Halbleiterkörpers aus p-leitendem, sehr hochohmigem Silizium wird zunächst eine
Folie aus einer Gold-Wismut-Legierung einlegiert.
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b) Die einlegierte Folie wird dann mit Hilfe von Königswasser bis
auf die Rekristallisationsschicht abgelöst.
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c) In die Rekristallisationsschicht wird danach eine einen p-dotieren.den
Stoff, z. B. Bor, enthaltende Goldfolie von geringerer Flächenausdehnung und von
geringerer Dicke als die Gold-Wismut-Folie einlegiert.
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d) In die der wismutdotierten Flachseite gegenüberliegende Flachseite
des Silizium-Halbleiterkörpers wird eine weitere, einen n-dotierenden Stoff, z.
B. Antimon, enthaltende Goldfolie einlegiert.
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e) In die wismutdotierte Rekristallisationsschicht wird in geringem
Abstand neben der einen p-dotierenden Stoff enthaltenden Goldfolie wenigstens eine
weitere Goldfolie einlegiert.
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Zweckmäßig werden die Verfahrenssehritte c), d) und e) in einem Arbeitsgang
durchgeführt. Vorteilhaft wird nach dem Verfahrensschritt b) die Flachseite des
Silizium-Halbleiterkörpers, die die Rekristallisation.sschicht enthält, plan geläppt.
Hierdurch wird die Möglichkeit geschaffen, eine ringförmige Goldelektrode von solcher
Größe auf die Rekristallisationsschicht aufzubringen, daß sie die an die Oberfläche
tretende Grenze der Rekristallisationsschicht überdeckt.
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Es entsteht eine Halbleiteranordnung, die einen Aufbau entsprechend
Fig. 1 aufweist. Ein Teil 2 des p-leitenden Halbleiterkörpers ist in seinem unsprünglichen
Zustand erhalten. geblieben. Ein anderer Teil ist
durch die Einlegierung
der Folie aus einer Gold-Wismut-Legierung gemäß Verfahrensschritt a} umdotiert worden
und bildet demzufolge eine n-leitende Zone 3. Ein kleinerer Bereich 4 dieser Zone
ist durch die Maßnahmen gemäß Verfahrensschritt c) nochmals umdotiert und damit
wiederum p-leitend geworden. Diese Zone 4 trägt eine hauptsächlich aus Gold bestehende
Kontakt-Elektrode 5, während die n-leitende Zone 3 durch eine ringförmige Kontakt-Elektrode
6 kontaktiert ist, die. ebenfalls in der Hauptsache aus Gold besteht, aber natürlich
eine andere Zusammensetzung als die Kontakt-Elektrode 5 aufweist.
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Die der wismutdotierten Zone 3 gegenüberliegende Seite des Halbleiterbauelementes
weist eine n-dotierte Zone 7 und eine darauf aufliegende flache Kontakt-Elektrode
8 auf, die ebenfalls in der Hauptsache aus Gold besteht.
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Will man nun die äußeren Grenzen der pn-Übergänge, so die Schnittlinien,
an denen die flächenhaften pn-Übergänge an die Oberfläche treten, durch einen Ätzvorgang
von Überbrückungen säubern, so läßt sich die äußere Grenze des pn-Überganges zwischen
den Zonen 3 und 4 ohne weiteres elektrolytisch ätzen. Man bedeckt, vorzugsweise
unter Zuhilfenahme einer dafür geschaffenen Vorrichtung, die Oberfläche der Halbleiteranordnung
mit einer elektrolytischer Lösung, beispielsweise 411/oiger Flußsäure, in die eine
ringförmige Platinelektrode eintaucht, deren Durchmesser etwa dem Durchmesser der
Kontakt-Elektrode 6 entspricht. Ordnet man diese Platinelektrode in geringem Abstand
oberhalb der Kontakt-Elektrode 6 innerhalb der elektrolytischen Lösung an und verbindet
sie mit dem negativen Pol einer Spannungsquelle, während die Kontakt-Elektrode5
mit dem positiven Pol verbunden ist, so findet eine anodische Abtragung des Siliziums
außen um die Kontakt-Elektrode 5 herum statt. Die äußere Grenze des Überganges zwischen
den Zonen 3 und 4 wird bei richtiger Auswahl des Potentials im erwünschten Sinne
geätzt. Dagegen tritt keine Ätzwirkung an der äußeren , Grenze des Überganges zwischen
den Zonen 3 und 2 ein, denn der Strom kann infolge der Sperrwirkung des Überganges
zwischen den Zonen 3 und 2 nicht in die Zone 2 eindringen und dort aus der Oberfläche
austreten. Die direkte Zuführung eines Stromes zu der p-leitenden Zone 2 ist ebenfalls
nicht möglich, da dieses Gebiet nicht kontaktiert ist, weil betriebsmäßig kein Stromanschluß
notwendig ist.
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Die Erfindung schafft die Möglichkeit, das elektrolvtische Ätzverfahren
auch auf diese Teile der Ober- ; Fläche der Halbleiteranordnung anzuwenden. Sie
bezieht sich demzufolge auf ein Ätzverfahren eines pn-Überganges bei der Herstellung
einer Halbleiteranordnung mit einem im wesentlichen einkristallinen Halbleiterkörper
und mindestens zwei Zonen vom ; p- und n-Typ, von denen nur die n-leitende Zone
eine für den betriebsmäßigen Gebrauch der Halbleiteranordnung vorgesehene Kontakt-Elektrode
aufweist. Erfindungsgemäß wird längs des pn-Überganges an der Oberfläche des in
das Elektrolysebad eintauchen- i den Halbleiterkörpers auf der p-Zone zum elektro-Iytischen
Ätzen eine weitere sperrfreie Kontakt-Elektrode angebracht, diese mit dem positiven
Pol einer Spannungsquelle verbunden und der negative Pol der Spannungsquelle an
eine Elektrode im Elektrolysebad angeschlossen.
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Es sind bereits verschiedene Anwendungen des elektrolytischen Ätzverfahrens
auf Halbleiteranordnungen bekanntgeworden. Im allgemeinen wird eine an dem Halbleiterkörper
angebrachte Kontakt-Elektrode mit dem positiven Pol einer Spannungsquelle verbunden
und eine in dem Elektrolysebad befindliche Elektrode mit dem negativen Pol. Es ist
auch bereits bekanntgeworden, unter Ausnutzung der gleichrichtenden Eigenschaften
einer in eine Ätzlösung eingetauchten Halbleiteranordnung eine derartige Verbindung
zwischen dem Halbleiterkörper und dem einen Pol einer Stromquelle herzustellen,
daß nur Teile des Halbleiterkörpers vom einen Leitfähigkeitstyp abgetragen werden.
Hierdurch läßt sich eine bestimmte äußere Formgebung der Halbleiteranordnung erreichen.
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Die Erfindung weist den bekannten Verfahren gegenüber einen. wesentlichen
Fortschritt auf, indem bei ihr erstmalig die vorher genannte Aufgabe gelöst wird,
einen pn-Übergang dem elektrolytischen Ätzverfahren zu unterwerfen, der sich zwischen
zwei Zonen befindet, von denen nur die n-leitende mit einer für den betriebsmäßigen
Gebrauch vorgesehenen Kontakt-Elektrode versehen ist.
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In dem oben angegebenenn Beispiel der Vierschichtanordnung, bei der
die äußere Grenze des Überganges zwischen den Zonen 2 und 3 geätzt werden soll,
wird eine ringförmige metallische Kontakt-Elektrode auf der p-leitenden Zone 2 angebracht,
welche die äußere Grenze des pn-Überganges eng umschließt. Zweckmäßigerweise wird
sie auflegiert, und zwar gleichzeitig mit den Legierungsvorgängen der Verfahrensschritte
c), d) und e) zusammen in einem Arbeitsgang. Die Fig.2 zeigt das Ergebnis: Die Halbleiteranordnung
trägt zusätzlich eine ringförmige Kontakt-Elektrode 9, welche die Zone 2 kontaktiert.
Auch für die Herstellung dieser Kontakt-Elektrode kann eine Goldfolie Verwendung
finden. Wird nun bei dem elektrolytischen Ätzvorgang an diese Kontakt-Elektrode
9 eine positive Spannung gelegt, die die gleiche Höhe aufweist wie die an die Kontakt-Elektrode
5 gelegte Spannung, so findet auch eine Ätzung der an die Oberfläche tretenden Grenze
des Überganges zwischen den Zonen 2 und 3 statt.
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In Fig.3 ist eine Vorrichtung dargestellt, die zweckmäßigerweise bei
dem Ätzverfahren Anwendung findet. Vorteilhaft wird die Ätzung unmittelbar vor der
Fertigstellung des gesamten Halbleiterbauelementes vorgenommen. Das in Fig. 2 gezeigte
Element ist deshalb in Fig. 3 weiterhin mit einer Scheibe 10
versehen, die
beispielsweise aus Molybdän oder Wolfram bestehen kann. Diese Scheibe 10 ist in
einer Ausnehmung des Bodens eines topfförmigen Gehäueteiles 11 befestigt, beispielsweise
angelötet. Die auf der in der Zeichnung oberen Seite der Halbleiteranordnung befindlichen
Kontakt-Elektroden 5 und 6 sind mit Anschlußleitern 12 bzw. 13 versehen, die beispielsweise
aus vergoldeten oder versilberten Kupferleitern bestehen und auf den zugehörigen
Kontakt-Elektroden durch Lötung oder Legierung befestigt sein können. Nach dem Ätzen
kann das Gehäuse durch einen mit Durchführungen. für die Anschlußleiter 12 und 13
versehenen Deckel geschlossen werden.
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Zwecks Durchführung der Ätzung wird in das topfförmige Gehäuseteil
11 eine z. B. aus Tetrafluoräthylen bestehende Vorrichtung 14 eingesetzt und auf
dem Rand des Halbleiterbauelementes mit Hilfe von Siliconpaste aufgeklebt. Hierbei
wird auch die an die Oberfläche tretende Grenze des Überganges zwischen den Zonen
2 und 7 abgedeckt. Diese Grenze wird aus außerhalb der Erfindung liegenden Gründen
zweckmäßigerweise dem chemischen Ätzverfahren unterworfen. Durch die Siliconpaste
wird eine Abdichtung der Vorrichtung 14 erreicht, wodurch die Möglichkeit
besteht,
einen Elektrolyten 15 in den Hohlraum oberhalb der Kontakt-Elektroden 5, 6 und 9
einzufüllen, z. B. 4%ige Flußsäure. In diesen Elektrolyten 15 taucht eine zweckmäßigerweise
aus Platin bestehende Elektrode 16 ein, die dicht oberhalb des Kontakt-Elektrodenringes
6 angebracht wird. Sie erhält vorteilhaft ebenfalls die Form eines Ringes. An einer
Stelle muß dieser Ring geöffnet sein, um eine Berührung der Stromzuführung 12 zu
vermeiden. Auf die Kontakt-Elektrode 9 wird eine Platinspitze 17 aufgesetzt und
genau wie die Stromzuführung 13 mit dem positiven Pol einer Spannungsquelle verbunden.
An den negativen Pol wird die Elektrode 16 angeschlossen. Der Strom fließt nun bei
richtiger Wahl des Potentials durch die Platinspitze 17 bzw. den Anschlußleiter
13, die Kontakt-Elektrode 9 bzw. 5, die p-leitenden Zonen 2 1>7w.4 und den Elektrolyten
15 zu der Ringelektrode 16, so daß die erwünschte Ätzwirkung an den äußeren Grenzen
der Übergänge zwischen den Zonen 2 und 3 sowie 3 und 4 auftritt.
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Die zweckmäßige Bemessung des Potentials richtet sich nach dem verwendeten
Material und den Abmessungen der Halbleiteranordnung. Gemäß einem früheren Vorschlag
soll während des Ätzvorganges die Polarisationsspannung auf der als Elektrodenfläche
wirksamen Halbleiteroberfläche unterhalb desjenigen kritischen Bereiches gehalten
werden., oberhalb dessen auf die Halbleiterfläche eine Polierwirkung ausgeübt wird.
Im Falle des gewählten Beispiels der Vierschichthalbleiteranordnung kann man bei
der Herstellung von hochohmigem p-leitendem Silizium von einem spezifischen Widerstand
von 100 Ohm - cm ausgehen und in eine 150@ dicke und einen Durchmesser von 12 mm
aufweisende Scheibe dieses Materials eine kleinere Scheibe von beispielsweise 6
mm Durchmesser und 100a Dicke aus einer Gold-Wismut-Legierung mit etwa 0,3'% Wismut
einlegieren. Der Goldkontakt wird abgelöst und die Oberfläche plan geläppt. In die
entstandene Rekristallisationsschicht 3, die nun aus n-dotiertem Silizium mittlerer
Dotierungskonzentration von etwa 1017 bis 1018 Wismutatomen pro cm3 besteht und
etwa 30 Nt stark ist, wird nun eine Folie aus einer Gold-Bor-Wismut-Legierung mit
0,3'°/o Wismut und 0,2'% Bor von etwa 50 [, Dicke und 4,5 mm Durchmesser einlegiert,
wodurch ein p-leitende Zone 4 entsteht, die durch eine in der Hauptsache aus Gold
bestehende Kontakt-Elektrode 5 kontaktiert ist. Eine ringförmige antimonhaltige
Goldfolie mit etwa 10;o Antimon, mit einem Innendurchmesser von 5 mm und einem Außendurchmesser
von 7 mm kann gleichzeitig mit einlegiert werden, wodurch eine Erweiterung der n-leitenden
Zone 3 vorgenommen wird und die Kontakt-Elektrode 6 entsteht. Weiter kann in die
gegenüberliegende flache Seite des p-leitenden Halbleiterkörpers 2 eine n-dotierende
Substanz einlegiert werden, z. B. auch eine antimonhaltige Goldfolie, wodurch die
n-leitende Zone 7 und die Kontakt-Elektrode 8 entstehen. Schließlich kann auch noch
die gemäß der Erfindung aufzubringende Kontakt-Elektrode 9 im gleichen Arbeitsgang
einlegiert werden. Sie kann ebenfalls aus Gold bestehen, dem gegebenenfalls noch
eine p-dotierende Substanz beigegeben sein kann, z. B. Bor. Diese Kontakt-Elektrode
9 erhält vorzugsweise einen Innendurchmesser von 7,2 mm und einen Außendurchmesser
von 9 mm.
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Bei einer derart bemessenen Halbleiteranordnung wird das Potential
zweckmäßigerweise so gewählt, daß bei einem Abstand der Ringelelektrode 16 von der
Kontakt-Elektrode 6 von etwa 1 mm ein Strom von etwa 4 bis 5 mA fließt. Die Behandlungsdauer
beträgt dann etwa 10 bis 15 Minuten. Nach der Atzung wird die Halbleiteranordnung
zweckmäßigerweise mit destilliertem Wasser von der noch anhaftenden, als Elektrolyt
dienenden 4o/oigen Flußsäure befreit und anschließend das Gehäuse geschlossen.
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Selbstverständlich ist die Anwendung des Verfahrens nicht auf das
ausgeführte Beispiel der Vierschichtanordnung beschränkt, sondern kann auch bei
allen anderen Halbleiteranordnungen angewendet werden, die zwei Zonen unterschiedlichen
Leitfähigkeitstyps aufweisen, von denen nur die n-leitende Zone eine für den betriebsmäßigen
Gebrauch der Halbleiteranordnung vorgesehene Kontakt-Elektrode besitzt, z. B. Fotohalhleiteranordnungen.