DE1167453B - Verfahren zur Herstellung von Halbleiterdioden - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Internat. Kl.: HOIl

Deutsche KL: 21g-11/02

Nummer: 1 167 453

Aktenzeichen: S 65831 VIIIc/21g

Anmelde tag: 13. November 1959

Auslegetag: 9. April 1964

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleiterdiode, wie sie für nachrichtentechnische Einrichtungen, wie Fernseh- und Rundfunkempfänger, geeignet ist.

Bei diseem Verfahren wird ein Stapel kreisförmiger Scheiben, der eine Halbleiterscheibe eines bestimmten Leitungstyps enthält, in eine in einer Einspannschablone hergestellte zylindrische Ausnehmung von einem im wesentlichen demjenigen der Scheiben gleichen Durchmesser eingesetzt. Die Halbleiterscheibe liegt dabei zwischen einer aus einem Lot bestehenden Scheibe und einer weiteren, einen Aktivator des entgegengesetzten Leitungstyps enthaltenden Scheibe. Anschließend werden die Scheiben auf eine Temperatur erhitzt, bei der sie sich miteinander legieren.

Mit dem Verfahren nach der Erfindung soll eine neue und verbesserte Halbleiterdiode hergestellt werden, deren Größe in bezug auf ihre Strombelastbarkeit gering ist, die ferner zuverlässig arbeitet und die zu einem hinlänglich geringen Preis hergestellt werden kann.

Hierzu wird ein neues und verbessertes Verfahren zum Einlegieren eines pn-Überganges in einen Halbleiterkörper benutzt. Dabei wird das Verhältnis der Querschnittsfläche des Übergangs zur Gesamtfläche der Scheibe ein Maximum.

Das gesteckte Ziel wird bei dem Verfahren nach der Erfindung dadurch erreicht, daß der Boden der zylindrischen Ausnehmung so geformt ist, daß ein Hohlraum unter der am äußeren Rand des Bodenteils aufliegenden untersten Lotscheibe entsteht und diese beim Schmelzen mit der Halbleiterscheibe zu einer ungleichmäßig starken Schicht legiert wird, die ihre größte Stärke in der Scheibenmitte besitzt und am Umfang der Scheibe ziemlich dünn ist, und daß beim Legieren ein zylindrisch geformtes Gewicht mit ebenfalls hohler Bodenfläche auf den Stapel aufgelegt wird.

Dabei wird ein pn-übergang auf einfache und genaue Weise so z. B. in eine Siliziumscheibe legiert, daß das legierende Material während des Legierungsvorganges die eine Stirnfläche der Scheibe vollkommen bedeckt und während dieses Vorganges sowie nachher auf dieser einen Fläche verbleibt.

Durch das Verfahren nach der Erfindung wird die Diode, die aus einer Halbleiterscheibe mit einem pn-übergang besteht, durch das Schmelzen eines aus Scheiben bestehenden Stapels gleichzeitig für das Abdichten der an die Diode heranzuführenden Leitungen sowie für den Schutz der Diode vor unver-

Verfahren zur Herstellung von Halbleiterdioden

Anmelder:

Sarkes Tarzian, Inc., Bloomington, Ind. (V. St. A.)

Vertreter:

Dr.-Ing. H. Ruschke, Patentanwalt,

Berlin 33, Auguste-Viktoria-Str. 65

Als Erfinder benannt:

George B. Finn jun., Los Angeles, Calif.
(V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 14. November 1958
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muteten Stößen und Schwingungen, die die Kontakte gefährden könnten, gut vorbereitet.

Das Stapeln von Halbleiterscheiben in einer Einspannvorrichtung zwischen Scheiben bzw. Folien aus Legierungsmaterial und das damit verbundene Erhitzen auf Legierungstemperatur ist in der Technik bereits bekannt, doch sind bisher noch keine so günstigen Diodeneigenschaften auf so einfachem Wege wie dem von der Erfindung vorgeschlagenen erzielt worden.

Das Verfahren soll nunmehr an Hand der Zeichnungen an einem Ausführungsbeispiel des Verfahrens nach der Erfindung erläutert werden; die Zeichnungen stellen dar

F i g. 1 ist eine in ihre Einzelteile aufgelöste perspektivische Darstellung, die ein Verständnis der beim Verfahren nach der Erfindung angewandten Maßnahmen erleichtert, und

F i g. 2 eine Querschnittsansicht einer Legierungsschablone, in der der Halbleiterkörper und die Legierungsstoffe vor dem Erhitzen angeordnet werden.

Entsprechend einem in der Technik bereits bekannten Verfahren, bei dem durch Anwendung von Aluminium und Zinn ein pn-übergang in eine SiIiziumscheibe einlegiert wird, wird (s. Fig. 1 und 2) eine η-leitende Sih'ziumscheibe 29 unter einer Scheibe 30 angeordnet, die aus reinem Aluminium oder einer

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Aluminiumlegierung besteht und die außerdem einen Zusatz von gewichtsmäßig 1% einer Akzeptor-Verunreinigung, z. B. ¹It % Gallium oder Bor, enthält, und schließlich eine ziemlich starke Scheibe 31 aus praktisch reinem Zinn auf die Scheibe 30 gelegt. Die drei Scheiben werden dann zusammengepreßt und auf eine Temperatur erhitzt, bei der das Aluminium schmilzt und die benachbarte Siliziumfläche auflöst, so daß sich ein aus Aluminium und Silizium bestehendes Eutektikum bildet. Um ein gutes Benetzen des Siliziums zu erreichen, wird zweckmäßig eine Temperatur von etwa 900° C gewählt, die die eutektische Temperatur des Gemisches Aluminium-Silizium noch übersteigt. Nachdem das Ganze mindestens so lange erhitzt worden ist, bis sich ein Gleichgewichtszustand in der Legierung eingestellt hat, wird es abgekühlt. Bei diesem Abkühlen bildet sich eine Rekristallisationsschicht aus Silizium, in der Teile des Bors oder Galliums zurückbleiben, die den umkristaUisierten Teil des Siliziums p-leitend machen. Gleichzeitig mit dem Legieren des Aktivatorsmaterials in das Silizium wird ©in geeignetes Lötmittel, z. B. reines Zinn oder am besten eine Legierung aus Zinn und einer Donatorsubstanz, z. B. Antimon oder Phosphor, mit der gegenüberliegenden Seite der ^a5 Siliziumscheibe legiert, so daß eine Ohmsche Verbindung mit dieser hergestellt wird. Die Donatorverunreinigung dient dazu, jedwede Auswirkung irgendwelcher Aluminium-, Bor- oder Galliumdämpfe zu neutralisieren, die möglicherweise während des Legierungsvorganges auf die gegenüberliegende Seite des Kristalls geraten sind.

Für die Durchführung dieses Legierungsverfahrens wird eine Einspannschablone 25, die aus einem geeigneten chemisch tragen, feuerfesten Material, z. B. Graphit, besteht, mit einer zylindrischen Ausnehmung 26 versehen, welche eine konkave Bodenfläche 27 besitzt, die, wie aus beiden Abbildungen zu ersehen ist, durch einen Kegel mit einem Basiswinkel zwischen 13 und 30° gebildet wird. Die zylindrische Scheibe 28, die aus Zinn einschließlich etwa ^J/2% Antimon oder Phosphor besteht und eine Stärke von 0,2540 mm und einen Durchmesser von 2,540 mm besitzt, wird in die Ausnehmung 26 eingelegt, so daß sie, wie am besten aus F i g. 2 zu ersehen, am Boden der Ausnehmung über dem konkaven Teil 27 derselben liegt, wodurch unter der Scheibe 28 ein leerer Raum entsteht. Aus F i g. 2 ist ebenfalls ersichtlich, daß der Durchmesser der Ausnehmung 26 nur wenig größer als der Durchmesser der Scheibe 28 ist, so daß zwischen den beiden Teilen ein Gleitsitz hergestellt wird. Nach Einlegen der Scheibe 28 auf den Boden der Ausnehmung 26 wird die η-leitende Siliziumscheibe 29, die einen Durchmesser von 2,540 mm und eine Stärke von 0,2032 mm hat, direkt auf die in der Ausnehmung 26 befindliche Scheibe 28 gelegt und die Legierungsscheibe 30, die einen Durchmesser von 2,540 mm und eine Stärke von 0,0508 mm hat und entweder aus praktisch reinem Aluminium oder einer Aluminium-Gallium- oder Aluminium-Borlegierung besteht, auf die Siliziumscheibe 29 aufgelegt. Danach wird die zylindrische Scheibe 31, die aus praktisch reinem Zinn besteht und einen Durchmesser von 2,540 mm und eine Stärke von 0,3826 mm besitzt, auf die in der Ausnehmung 26 befindliche Legierungsscheibe 30 gelegt. Ein zylindrisch geformtes Gewicht 32, das eine konkave Bodenfläche 33 und einen Durchmesser von 2,540 mm hat, wird dann in die Ausnehmung 26 auf die zinnerne Lotscheibe 31 aufgesetzt, so daß die Scheiben 28, 29, 30 und 31 zusammengedrückt werden. Wie aus den Abbildungen zu ersehen, ist die Bodenfläche 33 konisch, und ihre Kegelfläche hat einen zwischen 13 und 30° liegenden Basiswinkel. Durch diesen Winkel wird hinreichend Raum geschaffen, um die Legierungsschicht mit ungleichmäßiger Stärke herzustellen.

Mit den wie in F i g. 2 vereinigten Teilen wird das Ganze in einen Vakuumofen gesetzt und auf eine Legierungstemperatur von etwa 900° C gebracht. Bei dieser Erhitzung schmelzen die aus Zinn bestehenden Lotscheiben 28 und 31 zuerst. Anscheinend wölbt sich das Zinn infolge der Kohäsion in die Hohlräume 27 und 33 der Einspannschablone kugelig auf. Danach schmilzt die Aluminiumscheibe 30, und wenn die Temperatur durch den eutektischen Punkt hindurchgeht, wird die Siliziumscheibe 29 oberflächlich aufgelöst. Für den hier geschilderten Prozeß sind die Gleichgewichtsbedingungen maßgebend, so daß man nur das Ganze lange genug auf Legierungstemperatur zu erhitzen hat, damit das Aluminium 30 und das Silizium den Gleichgewichtszustand erreichen. Nach der Rekristallisation des Siliziums, Aluminiums und Zinns entsteht eine Silizumscheibe mit einem über den gesamten Querschnitt derselben reichenden pn-übergang. Auf die Unterseite dieser Scheibe ist gleichzeitig ein Zinnüberzug mit Spuren eines Donators auflegiert. Die sich ergebende Diode wird dann aus der Ausnehmung 26 herausgenommen und anschließend geätzt. Nach Abschluß des Ätzprozesses wird das Ganze auf eine Temperatur gebracht, die den Schmelzpunkt des Aluminiums und Zinns übersteigt, aber niedriger als die Temperatur ist, bei der sich das Aluminium-Silizium-Eutektikum bildet. Nach dem Anschmelzen der Zuleitungen an die Diode wird das Ganze abgekühlt.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung einer Halbleiterdiode, bei dem in eine in einer Einspannschablone hergestellte zylindrische Ausnehmung ein Stapl kreisförmiger Scheiben eingesetzt wird, der eine Halbleiterscheibe eines bestimmten Leitungstyps enthält, die zwischen eine aus einem Lot bestehende Scheibe und eine weitere, einen Aktivator des entgegengesetzten Leitungstyps enthaltende Scheibe gelegt ist und dessen Scheiben einen Durchmesser haben, der im wesentlichen gleich dem der Ausnehmung ist, und bei dem diese Scheiben anschließend auf die Legierungstemperatur erhitzt werden, dadurchgekennzeichnet, daß der Boden der zylindrischen Ausnehmung so geformt ist, daß ein Hohlraum unter der am äußeren Rand des Bodenteils aufliegenden untersten Lotscheibe entsteht und diese beim Schmelzen mit der Halbleiterscheibe zu einer ungleichmäßig starken Schicht legiert wird, die ihre größte Stärke in der Scheibenmitte besitzt und am Umfang der Scheibe ziemlich dünn ist, und daß beim Legieren ein zylindrisch geformtes Gewicht mit ebenfalls hohler Bodenfläche auf den Stapel aufgelegt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verwendung einer Einspannschablone und eines Gewichtes, deren Bodenflächen konkavkonisch sind.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenwand der konkavkonischen Flächen mit der zylindrischen Außenwand einen Winkel bildet, der zwischen 13 und 30° liegt.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Auslegeschrift Nr. 1 018 557; USA.-Patentschriften Nr. 2 801 375, 2 822 307; britische Patentschrift Nr. 797 304.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen