DE1160547B - Verfahren zum elektrolytischen AEtzen eines Halbleiterbauelementes mit einem im wesentlichen einkristallinen Halbleiterkoerper und einem an die Oberflaeche tretenden pn-UEbergang - Google Patents

Verfahren zum elektrolytischen AEtzen eines Halbleiterbauelementes mit einem im wesentlichen einkristallinen Halbleiterkoerper und einem an die Oberflaeche tretenden pn-UEbergang

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DE1160547B DES49100A DES0049100A DE1160547B DE 1160547 B DE1160547 B DE 1160547B DE S49100 A DES49100 A DE S49100A DE S0049100 A DES0049100 A DE S0049100A DE 1160547 B DE1160547 B DE 1160547B
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Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND
DEUTSCHES
PATENTAMT
AUSLEGESCHRIFT
Internat. Kl.: HOIl
Deutsche Kl.: 21 g -11/02
Nummer: 1160 547
Aktenzeichen: S 49100 VIII c / 21 g
Anmeldetag: 16. Juni 1956
Auslegetag: 2. Januar 1964
Bei elektrischen Halbleiterbauelementen, insbesondere für größere Leistungen wie Flächengleichrichtern, Leistungstransistoren u. dgl., ist der im wesentlichen einkristalline Halbleiterkörper mit flächenhaften metallischen Kontaktelektroden versehen. In seinem Inneren befindet sich mindestens ein pn-übergang, welcher betriebsmäßig in Sperrrichtung beansprucht wird. Er bildet die Grenzfläche zwischen zwei Kristallzonen von verschiedenem Leitfähigkeitstyp. Die Herstellung solcher Halbleiterbauelemente erfordert eine Reihe aufeinanderfolgender Behandlungen. Nach Kontaktierung des meist scheibenförmigen Halbleiterkristalls, z. B. aus p-leitendem Silizium, mit Aluminium auf der einen und antimonhaltigem (etwa 1%) Gold auf der anderen Oberfiächenseite, wodurch dort eine η-leitende Zone geschaffen wird, muß die äußere pn-Grenze, das ist die Schnittlinie, längs welcher der flächenhafte pnübergang an die Halbleiteroberfläche tritt, durch einen Ätzprozeß von Überbrückungen gesäubert werden. Bisher wurde dazu ein rein chemisches Ätzverfahren unter Verwendung verhältnismäßig hochkonzentrierter Ätzlösung benutzt. Hierbei ergaben sich jedoch manchmal Fehlschläge in Gestalt einer Verschlechterung der Gleichrichterwirkung, insbesondere bei Verwendung der üblichen Säurelösungen, wie Flußsäure, gegebenenfalls gemischt mit Salpetersäure. Eine Erklärung für solche Fehlschläge kann darin gefunden werden, daß der Erfolg dieses bekannten Verfahrens bei Halbleiterbauelementen empfindlich ist gegen gewisse, für sonstige Zwecke unschädliche Bestandteile der Ätzlösung oder Verunreinigungen derselben, welche rein zufällig vorhanden sein oder während des Ätzens hineingelangen können, beispielsweise dadurch, daß die Kontakte des Halbleiterbauelementes etwa aus technologischen Gründen aus verschiedenen Metallen oder Legierungen, darunter z. B. Aluminium, Zinn und Molybdän, zusammengesetzt sind, von denen eins bzw. eine oder mehrere von der Ätzlösung angegriffen werden. Infolgedessen hat es sich als notwendig herausgestellt, die im Handel erhältlichen Ätzmittel vor ihrer Anwendung bei Halbleiterbauelementen sorgfältig zu reinigen und stets frisch anzusetzen bzw. für jeden Einsatz eine frische Menge zu verwenden. Hieraus ergeben sich ein verhältnismäßig hoher Verbrauch an Ätzmitteln und ein hoher Aufwand für ihre Aufbereitung.
Es ist ferner bekannt, bei dem Herstellen elektrischer Halbleiterelemente elektrolytische Ätzverfahren anzuwenden, sei es zur Verkleinerung der pn-Übergangsfläche zwecks Erweiterung des Fre-Verfahren zum elektrolytischen Ätzen eines
Halbleiterbauelementes mit einem im
wesentlichen einkristallinen Halbleiterkörper
und einem an die Oberfläche tretenden
pn-übergang
Anmelder:
Siemens-Schuckertwerke Aktiengesellschaft,
Berlin und Erlangen,
Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50
Als Erfinder benannt:
Dr. phil. nat. Norbert Schink, Erlangen
quenzbereiches nach oben, sei es zur Lagebestimmung und Markierung von pn-Übergängen. Dabei war man bestrebt, durch Anwendung einer verhältnismäßig hohen Spannung und Stromdichte die Behandlungsdauer abzukürzen bzw. auf Hochglanz polierte Oberflächen zu erzielen. Die Erfahrung lehrte jedoch, daß dadurch unter Umständen die Sperrfähigkeit des pn-Überganges verlorengehen kann. Diese Gefahr wird mit der vorliegenden Erfindung vermieden.
Die Erfindung macht von der beim Ätzen von Metallen und Halbleitern her bekannten Erscheinung Gebrauch, daß zur Erzielung einer Polierwirkung eine bestimmte Mindestspannung eingehalten oder überschritten werden muß, und beruht auf der Erkenntnis, daß mit einer niedrigeren als dieser Polierspannung, also mit einer Spannung, bei der eine Rauhätzung, d. h. ein Ätzen ohne Polierwirkung, stattfindet, bei den behandelten Halbleiterbauelementen höhere Werte der Sperrspannung der pn-Übergänge erreichbar sind. Demgemäß betrifft die Erfindung ein Verfahren zum elektrolytischen Ätzen eines Halbleiterbauelementes mit einem im wesentlichen einkristallinen Halbleiterkörper und einem an die Oberfläche tretenden pn-übergang, insbesondere eines scheibenförmigen Siliziumgleichrichters. Dieses Verfahren wird erfindungsgemäß so durchgeführt, daß zum Erhöhen der Sperrspannung des pn-Uberganges die angelegte Ätzspannung unterhalb der Spannung gewählt wird, bei der eine Polierwirkung an der Halbleiteroberfläche auftritt.
An Hand der Zeichnung, in der als Beispiel eine Anordnung zur elektrolytischen Ätzung einer SiIi-
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ziumgleichrichterseheibe schematisch dargestellt ist, soll die Erfindung näher erläutert werden.
Die Zeichnung zeigt die Ätzanordniing im Schniil: In ein säurefestes Gefäß G, z. B. aus Polystyrol, tauchen zwei Platinelektroden Pt, die mit der angegebenen Polung an eine Spannungsquelle Q angeschlossen werden. Dazwischen steckt eine isolierende Trennwand W, ebenfalls aus Polystyrol. Diese Trennwand hat eine kreisrunde Öffnung, welche durch das eingesetzte Kalbleiterbauelement H abgedeckt wird. Letzteres ist zum Unterschied von einem früheren Vorschlag nicht noch mit einem Mittelabgriff der Spannungsquelle durch eine zusätzliche Anschlußleitung verbunden und auch nicht umlaufend, sondern ruhend angeordnet. Es besteht aus einer kreisrunden p-leitenden Siliziumscheibe 5/ mit beispielsweise durch ein Legierungsverfahren aufgebrachten Metallkontakten, und zwar mit einem Aluminiumkontakt Al, der durch ein Molybdänblech Mc mechanisch verstärkt ist, und mit einem Gold-Antimon-Kontakt Au/Sb, dem ein η-leitender Bereich des Siliziumkristalls vorgelagert ist. Der pn-übergang ist durch eine gestrichelte Linie angedeutet. Seine oben als »äußere pn-Grenze« definierte Schnittlinie mit der Halbleiteroberfläche zieht sich als annähernd kreisrunde Linie um den ebenfalls kreisrunden Goldkontakt AvJSb in geringem Abstand herum. Die Öffnung der Trennwand W ist größer als die Goldronde AvJSb und kleiner als die Siliziumscheibe Si. Eine an der Wand W befestigte federnde Zunge Z aus Polyäthylen hält das Halbleiterbauelement // in einer solchen Stellung fest, daß die Goldseite der Kathode zugekehrt ist. Da das Halbleiterbauelement nur in der Richtung des Pfeiles stromdurchlässig ist, kann O auch eine Wechselspannungsquelle sein. Zum Auswechseln des Gleichrichters kann die Trennwand W herausgezogen werden.
Durch Versuche mit der beschriebenen Anordnung wurden folgende Feststellungen getroffen, auf denen die Erfindung beruht:
Im stromlosen Zustand greift die verdünnte Flußsäure den Gleichrichter nicht an. Lediglich das Aluminium reagiert ganz schwach. Wird an die Platinelektroden Spannung gelegt, so setzt sofort die Ätzung ein. Das Silizium wird anodisch abgetragen. Das Gold wird, obwohl es sich ebenfalls auf der anodischen Seite befindet, nicht angegriffen. Lediglich bei sehr großen Stromdichten läßt sich ein Angriff beobachten. Die andere Seite des Halbleiterbauelementes H, auf welcher sich der Aluminiumkontakt Al und das Molybdänblech Mo befinden, funktioniert als Kathode und ist dadurch einem Angriff entzogen. Die Güte der Ätzung kann durch Aufnahme und Betrachtung der Gleichrichterkennlinie jedes behandelten Halbleiterbauelementes im Kathodenstrahloszillographen beurteilt werden.
Vorzugsweise wurde mit 4%iger Flußsäure (konzentriertes HF p. a. 1: 9 mit destilliertem Wasser verdünnt) bei Zimmertemperatur gearbeitet. Konzentrationsund Temperaturänderungen treten wenig in Erscheinung. Ganz wesentlich dagegen ist die Wahl der auf der angegriffenen Halbleiteroberfläche herrschenden Stromdichte für den Erfolg der Ätzung, welche für die Höhe der Polarisationsspannung maßgebend ist. Hohe Stromdichte oberhalb eines kritischen Bereiches ruft eine Polierwirkung hervor, d. h. trägt stark ab and schafft eine glänzende und von Wasser nicht benetzbare Oberfläche, die jedoch Gleichrichter mit sehr schiechten Sperreigenschaften gibt. Kleine Stromdichte unterhalb des kritischen Bereiches dagegen trägt wenig ab und erzeugt eine matte, meist in Farben dünner Blättchen schillernde und von Wasser benetzbare Oberfläche. Dabei kann es zur Verkürzung der gesamten Behandlungsdauei beitragen und auch sonst zweckmäßig sein, vor dieser Atzung die Oberfläche etwas stärker abzutragen, was z. B. auf chemischem Wege, am einfachsten jedoch
ίο durch die erwähnte Anwendung hoher Stromdichte erzielt werden kann. Der Übergang zwischen der. beiden Ätzwirkungen erfolgte z. B. bei der Behandlung von Gleichrichtern mit S mm Durchmesser der Goldronde,-lz//5ö und 1.0 mm Durchmesser der Öfxnun« der Trennwand Yi' bei einer Stromstürke von etwa SO bis 100 niA.
Der beschriebene Tatbestand steht im Einklang mit folgenden Vorsteilun^en über anodische E!e:;-trodenreaktionen. Bei hoher anodischer Belastung liegt die Haupthemmung nicht im Übergang der Ionen des Elektrodenmaterial luis der festen Phat; in die angrenzende Lösungsschicht, sondern erst innerhalb einer sich anschließenden stationären Dift'usionsschicht. die aus verbrauchtem Elektrolyten gebildet wird. Über den aus der Elektrodenoberfläche herausragenden Spitzen oder sonstigen Unebenheiten ist diese Diffusionsschicht dünner als über den Tälern. Das dadurch über den Spitzen liegende größere elektrochemische Potenzialgefälle bewirk; ihren schnelleren Abbau und ebnet die Oberfläche ein, ohne Rücksicht auf die verschiedenen elektrochemischen Potentiale der r.n der Oberfläche liegenden Ionen der festen Phase.
Bei geringer anodischer Belastung fallen die vorgenannten Ausgangsumstände weitgehend weg. Maßgebend für den Abbau der Oberfläche sind hier die Bindungsenergien der an der Oberfläche befindlichen Ionen. Die Haupthermruing eier Reaktion liegt im Übergang der Ionen des Eiektrodeninateriais aus der festen Phase in die angießende Lcoungsschichi. Zurück bleiben, jedenfalls innerhalb gewisser Oberflächenbezirke, nur Ionen gleichen elektrochemischen Potentials.
Zusammenfassend darf im Hinblick auf die elekirischen Eigenschaften geschlossen werden, daS die Oberflächenrekombinaiion des Halbleiterkörpers klein bleibt, wenn die Oberfläche gittergerecht abgebaut wird mit einer Nivellierung azr elektrochemische;: Potentiale der an der Oberfläche liegenden Ionen.
Das kann erreicht v. erden, wenn bei der elektrolytischen Ätzung die Stromdichte bz'-v. die an der Elektrode im Stromfluß auftretende Poiarisaiionsspannung unterhalb des erwähnten kritischen Bereiches gehalten wird. Da das Ätzen natürlich um so langsamer vonstatten geilt, je geringer die Polarisationsspannung ist, so wird man am besten dem kritischen Bereich so nahe wie möglich bleiben. Beim Behandeln von Halbleiterbauelementen gegebener Bauart mit gegebenen Abmessungen in einer gegebenen Ätzvorrichtung kann zunächst der kritische Bereich der Stromstärke bzw. Stromdichte durch Versuche gefunden werden, und dann können die Werte für das elektrolytische Behandeln unier sonst gleichen Umständen ein für allemal festgesetzt werden.
Dsbci ergeben sich gegenüber der chemischen Ätzung folgende Vorteife: Das Anlöten der Aluminiumfahne entfällt, ein Abdecken der zu schützen-
den Teile durch Lack ist nicht notwendig. Da die Ätzlösung weitgehend unempfindlich gegen Verunreinigungen ist, braucht sie nicht häufig ausgewechselt zu werden. Zur Verwendung gelangt auch nur die handelsübliche analysenreine Flußsäure, keine nachdestillierte. Nicht zuletzt ist die Arbeit mit der verdünnten Säure angenehmer als der Umgang mit den hochkonzentrierten Säuren.
Die geätzten Halbleiterbauelemente sind empfindlich gegen atmosphärische Einflüsse. Durch anodische Oxydation in einer schwachen wässerigen Säure, insbesondere einer Borsäurelösung, läßt sich aber eine Schutzschicht erzeugen. Die Anordnung kann dabei die gleiche sein wie beim Ätzen. Die Gleichrichterscheibe kann in der gleichen Halterung bleiben, in der sie geätzt worden ist, und nach Abspülen mit destilliertem Wasser in ein Borsäurebad übergeführt werden. Auf diese Weise kann die behandelte Scheibe, z. B. gegen Anhauchen, unempfindlich gemacht und das Silizium auch gegen metallischen Kontakt isoliert werden.
Als besonders zweckmäßig hat sich die folgende Handhabung der beschriebenen Ätzung bewährt: Die Gleichrichterscheibe wird in das Flußsäurebad eingetaucht, wie die Figur zeigt. Erst nach 2 Minuten wird eine äußere Gleichspannung angelegt. Sie ist für das als Beispiel erwähnte Gleichrichterbauelement mit den angegebenen Abmessungen so einzustellen, daß in den folgenden 2 Minuten ein Strom von etwa 125 mA, in den nächsten 2 Minuten ein Gleichstrom von etwa 100 mA und zuletzt 4 Minuten lang ein Gleichstrom von etwa 50 mA fließt. Danach wird das Gleichrichterbauelement aus dem Ätzbad herausgenommen, gründlich gespült und anschließend in Borsäurelösung elektrolytisch nachbehandelt zwecks Oberflächenoxydation. Danach kann das Gleichrichterbauelement gekapselt und anschließend in Betrieb genommen werden.

Claims (8)

Patentansprüche:
1. Verfahren zum elektrolytischen Ätzen eines Halbleiterbauelementes mit einem im wesentlichen einkristallinen Halbleiterkörper und einem an die Oberfläche tretenden pn-übergang, insbesondere eines scheibenförmigen Siliziumgleichrichters, dadurch gekennzeichnet, daß zum Erhöhen der Sperrspannung des pn-Überganges die angelegte Ätzspannung unterhalb der Spannung gewählt wird, bei der eine Polierwirkung an der Halbleiteroberfläche auftritt.
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2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Elektrolyt eine wässerige Flußsäurelösung mit vorzugsweise 4°/o Flußsäuregehalt verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper vorher eine Zeitlang mit größerer Polarisationsspannung unter sonst im wesentlichen gleichen Umständen geätzt und dadurch vorpoliert wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper hinterher eine Zeitlang in einer als Elektrolyt dienenden schwachen wässerigen Säure, insbesondere Borsäure, anodisch behandelt wird.
5. Anordnung zur elektrolytischen Oberflächenbehandlung eines im wesentlichen einkristallinen, metallisch kontaktierten Halbleiterelementes mit pn-übergang, vorzugsweise zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterelement ruhend als bipolare Elektrode, auf deren Anodenseite der pn-übergang an die Halbleiteroberfläche tritt, im Elektrolysebad angeordnet ist.
6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der stromleitende Querschnitt des Elektrolysebades an der Stelle, an der sich das Halbleiterelement befindet, durch eine quer zur Strombahn angeordnete Blende aus Isolierstoff, deren öffnung durch das Halbleiterelement im wesentlichen abgedeckt wird, und die den ganzen Badquerschnitt außerhalb ihrer öffnung ausfüllt, eingeengt ist.
7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Blendenöffnung kleiner ist als die ihr zugekehrte Fläche des Halbleiterelementes.
8. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterelement durch eine an der Isolierblende befestigte federnde Zunge gehaltert ist.
In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschrift W 9842 VIIIc/21g (bekanntgemacht am 14. 6. 1956);
deutsche Patentschriften Nr. 823 470, 823 763;
belgische Patentschrift Nr. 528 756;
USA.-Patentschriften Nr. 2 656 496, 2 669 692;
Benninghoff, »Elektrolytisches Polieren der Metalle in der Industrie«, 1953, Anhang IV.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
309 777/269 12.63 © Bundesdruckerei Berlin
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