DE1154693B

DE1154693B - Verfahren zur Herstellung von Halbleiteranordnungen

Info

Publication number: DE1154693B
Application number: DES62051A
Authority: DE
Inventors: Fritz Hoffenreich; Dr-Ing Hubert Patalong
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1959-03-07
Filing date: 1959-03-07
Publication date: 1963-09-19

Description

Verfahren zur Herstellung von Halbleiteranordnungen Halbleiteranordnungen, wie Gleichrichter, Transistoren, Fotodioden u. dgl., bestehen meistens aus einem im wesentlichen einkristallinen Grundkörper aus Halbleitermaterial, wie Sffizium, Germanium oder intermetallischen Verbindungen der 111. undV. Gruppe des Periodischen Systems, auf den Elektroden aufgebracht sind. Es sind bereits verschiedene Verfahren zu ihrerHerstellungbekanntgeworden. So istbeispielsweise ein Verfahren bekanntgeworden, bei dem ein im wesentlichen einkristalliner Halbleiterkörper und Elektrodenmaterial aufeinandergelegt und unter Anwendung von mechanischem Druck unter Erhitzung zusammenlegiert werden, wobei das aus Halbleiter-und Elektrodenmaterial bestehende Einsatzaggregat zur Vorbereitung des Legierungsprozesses in Pulver einer mit den Bestandteilen des Einsatzes nicht reagierenden Substanz eingebettet und in diesem Zustand der Erhitzung bis zur Legierungsbildung ausgesetzt wird. Nach einem neueren Vorschlag wird hierbei das Einsatzaggregat nur einseitio, eingebettet und mit der anderen Seite auf eine feste ebene Unterlage- gelegt.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleiteranordnung, bei dem auf einen Körper aus Halbleitermaterial ein Körper aus Elektrodenmaterial, welches bei erhöhter Temperatur mit dem Halbleitermaterial eine flüssige Legierung bildet, aufgelegt, das Ganze unter Anwendung von mechanischem Druck bis zurBildung einer flüssigen Lösung des Elektrodenmetalls mit einem Teil des Halbleiterkörpers erhitzt und anschließend wieder abgekühlt wird, wobei ein Teil des in flüssige Lösung gegangenen Halbleitermaterials rekristallisiert. Erfindungsgemäß wird während der Rekristallisation des Halbleiterinaterials der mechanische Druck vermindert.
Es wurde beobachtet, daß bei nach dem Schmelzlegierungsverfahren unter Anwendung von mechanischem Druck hergestellten Halbleiteranordnungen die Diffusionslänge im wiedererstarrten Halbleitermaterial wesentlich kleiner als im Ausgangsmaterial ist. Dies läßt sich nicht allein durch Verunreinigungen erklären, die während des Legierungs- und Temperungsprozesses in das Halbleitermaterial eindiffundieren. Man muß annehmen, daß dabei auch Versetzungen und Verspannungen erzeugt werden, die zu erhöhter- Rekombination der Ladungsträger führen. Unter anderem ist dafür auch der Druck verantworthch zu machen, der während des Legierungsvorganges ausgeübt wird.
Dieser zusätzliche Druck isterferderlich, um eine Benetzung des Halbleiterinaterials mit den Fremdstoffen des Elektrodenmaterials sicherzustellen. Man kann also nach der Einleitung des Legierungsvorganges den Druck vermindern und dadurch die mit der Aufrechterhaltung des Druckes verbundenen Nachteile vermeiden.
An Hand von Ausführungsbeispielen soll die Er-Imdung näher erläutert werden. Zunächst einmal sei die Herstellung eines Leistungstransistors als Ziel gesetzt. Fig. 1 zeigt die einzelnen Teile des Grundelementes sowie eine während des Legierungsprozesses verwendete Vorrichtung, für welche ün Rahmen der vorliegendenErfindung keinPatentschutz beansprucht wird. Auf der einen Flachseite -einer Scheibe 2 aus einem p-leitenden einkristallinen Halbleitermaterial, beispielsweise Silizium, hegen eine kleinere Scheibe 3 aus einer Gold-Antimon-Legierung (0,5 bis 1 % Sb), ein etwas größerer Ring 4 aus einer Bor enthaltenden Goldfolie und ein weiterer den Ring 4 umschließender Ring 5 aus der gleichen Gold-Antimon-Legierung. Die gegenüberliegende Flachseite der Siliziumscheibe, 2 ruht auf einer scheibenförmigen Folie 6 ebenfalls aus einer Gold-Antimon-Legierung. Das gesamte Aggregat liegt in einer kleinen Einsatzschale 7, die -beispielsweise aus Graphit bestehen kann. Der Boden ist plangeschliffen und weist Löcher zur Entgasung während des Erhitzungsprozesses auf. Die Schale 7 ist mit Graphitpulver 8 gefüllt und mit einem Graphitdeckel 9 verschlossen. An die Stelle des Graphits, kann auch ein anderes mit den Bestandteilen des Einsatzaggregates, nicht reagierendes und dieses nicht verunreinigendes Material treten.
Mehrere derartig präparierte Einsatzschalen7 werden nun, wie die, Fig. 2 zeigt, in einem Quarzrohr 10 aufgestapelt. Dieses Quarzrohr 10 befindet sich in einem schematisch angedeuteten Ofen 11, der beispielsweise, elektrisch beheizt sein kann. Durch ein aus Stahl bestehendes Belastungsgewicht 12, das sich zusätzlich in dem Quarzrohr 10 befindet und über eine kleine Platte 13 auf den Stapel der Einsatzschalen 7 drückt, wird ein Druck auf die Legierungsteile 2 bis 6 ausgeübt. Das Quarzrohr 10 ist mit einem Amchlußstutzen 14 verschlossen, der an eine Vakuumpurape angeschlossen ist. über dem Quarzrohr 10 ist ein aus einer Spule 15 und einem Eisenkern 16 bestehender Elektromagnet angeordnet, der an eine Stromquelle, 17 angeschlossen ist und mit Hilfe eines Schalters, 18 eingeschaltet werden kann.
Der Legierungsvorgang nimmt folgenden Verlauf: Das Quarzrohr 10 wird evakuiert und der Ofen 11 allmählich auf eine Temperatur von etwa 700' C aufgeheizt. Die Einsatzaggregate sind in das neutrale Pulver 8 eingebettet, wobei die einzelnen Teile durch den durch das Belastungsgewicht 12 ausgeübten Druck fest aufeinandergepreßt werden. Infolge, der Diffusion reichert sich das Elektrodenmaterial mit dem Halbleitermaterial an und schmilzt schließlich. Man muß annehmen, daß ohnedie Anwendung des Druckes nicht nur eine seitliche Verschiebung der einzelnen Teile des Einsatzaggregates gegeneinander vorkommen kann, sondern daß auch keine flächige Berührung der aufgelegten Folien mit dem Halbleiterscheibchen 2 erfolgt und als Folge davon sich eine ungleichmäßige Legierungsfront bildet. Bei punktförmigen Kontakt findet auch nur eine kleinflächige Diffusion und damit eine kleinflächige Benetzung statt.
Wenn die aufgelegten Elektrodenmaterialien aufgeschmolzen sind, im Falle des genannten Beispiels bei etwa 6001 C, wird der Druck vermindert. Nachdem eine Benetzung stattgefunden hat, ist kein Ausweichen und überlegieren des Elektrodenmaterials mehr zu befürchten, so daß die Aufrechterhaltung des Druckes nun nicht mehr notwendig ist. Die Druckverminderung wird durch Einschaltung des Elektromagneten 15, 16 bewirkt, der das Stahlge#-wicht 12 abhebt. Bei der Konstruktion des Elektromagne,ten ist besonders darauf zu achten, daß wänne#-empfindliche Teile, also insbesondere die Spule, ]nicht zu stark aufgeheizt werden können. Deshalb ist eine Ausführung mit einem Eisenkern notwendig, da die Spule zerstört werden würde, wenn das aufgeheizte Belastungsgewicht in sie hineingezogen würde.
Nach dem Aufschmelzen des Elektrodenmaterials wird die Heizung fortgesetzt, bis etwa 700' C erreicht sind. Die Aufheizung von Zimmertemperatur bis 600' C dauert etwa 30 Minuten, worauf weitere 10 Minuten bis zum Erreichen von 7000 C verstreichen. Danach wird diese Temperatur 10 Minuten lang eingehalten, worauf die Heizung abgeschaltet wird und der Ofen allmählich auskühlt. Nach etwa 2 Stunden Abkühlung werden die fertig legierten Trausistorelemente dem Quarzrohr und den Einsatzkapseln entnommen. Während der ganzen Zeit, vom Aufschmelzen des Elektrodenmaterials an bis zum Herausnehmen der Elemente. nach vollständiger Ab- kühlung, bleibt das Gewicht 12 angehoben.
Dieses Verfahren bietet verschiedene Vorteile. Zunächst einmal kann von dem flüssigen Elektrometall nichts weggedrückt werden, und weiterhin erfolgt eine zwanglose Erstarrung des Elektrodenmetalles und eine zwanglose Rekristallisation des Halbleitermaterials. Damit wird die Erzeugung von Verspannungen und damit auch von Versetzungen merklich vermindert. Das rekristallisierte Gitter weist keine zusätzlichen Störungen auf.
Nach dem Legierungsvorgang ist ein n-p-n-Transistorelement entstanden. Es besteht aus dem Grundkörper 2, einer Kollektorzlektrode, die aus der Gold-Antimon-Folie 6 entstanden ist, einer Basiselektrode, die aus der Gold-Bor-Folle 4 entstanden ist, sowie einer Emitterelektrode, die aus dem Gold-Antimon-Scheibchen 3 und dem Gold-Antimon-Ring 5 entstanden ist.
Das erfindungsgemäße Vorgehen ist nicht auf das .ausgeführte Beispiel beschränkt. So werden beispielsweise gewisse Gleichrichtergtundelemente nach dem Schmelzlegierungsverfahren nicht unter Einbettung in ein neutrales Pulver hergestellt, sondern die Legierungsbestandteile werden zwischen zwei festen Graphitscheiben angeordnet und so dem Erhitzungsproze#ß ausgesetzt. Auch hierbei wird eine Verbesserung der Benetzung durch die Anwendung von Druck erreicht, und auch hierbei kann eine Druckverminderung während der Rekristallisation zur Vermeidung von zusätzlichen Störstellen führen. Zweckmäßigerweise wird auch in diesem Fall die Druckverminderung genau wie, in dem zuerst genannten Beispiel schon gleich nach Erreichung der Temperatur vorgenommen, bei der das mit dem Halbleitermaterial durch Diffusion angereicherte Elektrodenmaterial schmilzt.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: 1. Verfahren zur Herstellung einer Halbleiteranordnung, bei dem auf einen Körper aus Halbleiterrnaterial ein Körper aus einem Elektrodenmetall, welches bei erhöhter Temperatur mit dem Halbleitermaterial eine, flüssige Lösung bildet, aufgelegt, das Ganze unter Anwendung von mechanischem Druck bis zur Bildung einer flüssigen Lösung des Elektrodenkörpers mit einem Teil des Halbleiterkörpers erhitzt und anschließend wieder abgekühlt wird, wobei ein Teil des in flüssige Lösung gegangenen Halbleitermaterials rekristaEisiert, dadurch gekennzeichnet, daß während der Rekristallisation des Halbleitermaterials der mechanische Druck vermindert wird.
2. Verfahren nch Ansprach 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Halbleitermaterial Silizium und als Elektrodenmetall eine Legierung aus Gold und Dotierungssubstanzen verwendet wird und daß auf etwa 700' C erhitzt wird, wobei bei etwa 600' C der Druck vermindert wird. 3. Verfahren nach Ansprach 1, dadurch gekennzeichnet, daß das aus einem scheibenfönnigen Halbleiterkörper und aufgelegtem Elektrodenkörper aus Metall bestehende Einsatzaggregat in ein mit den Bestandteilen des Einsatzes nicht reagierendes Pulver während der Erhitzung eingebettet wird.
In Betracht gezogene Druckschriften: Österreichische Patentschrift Nr. 185 893.