DE1176759B - Verfahren zum Herstellen von Halbleiteranordnungen - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Internat. Kl.: H Ol 1

Deutsche Kl.: 21g-11/02

Nummer: 1176 759

Aktenzeichen: N 20832 VIII c / 21,

Anmeldetag: 17. November 1961

Auslegetag: 27. August 1964

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen von Halbleiteranordnungen, bei dem Halbleiterkörper und eine Elektrodenmaterialmenge getrennt auf eine Temperatur zwischen dem Schmelzpunkt des Elektrodenmaterials und dem des Halbleiterkörpers erhitzt werden und dann das Elektrodenmaterial auf den Halbleiterkörper geworfen und mit ihm legiert wird. Dies kann z. B. in bekannter Weise dadurch erfolgen, daß der Körper und das Elektrodenmaterial in Aufnahmeräumen einer Form angeordnet werden, die durch mindestens einen Kanal miteinander verbunden sind, wonach die Form so gekippt wird, daß das geschmolzene Elektrodenmaterial auf den Körper fällt. Der Halbleiterkörper kann z. B. aus Germanium oder Silizium bestehen.

Für eine gute gleichmäßige Haftung zwischen dem Halbleiterkörper und dem auf ihn geworfenen Elektrodenmaterial ist es erwünscht, daß dieses Material im Augenblick der Berührung eine gewisse kinetische Energie hat. Es wurde bereits vorgeschlagen, diese kinetische Energie dadurch zu steigern, daß auf dem Elektrodenmaterial ein verschiebbares Gewicht angebracht wird. Ein Nachteil dieses Verfahrens ist, daß eine Form mit einem verschiebbaren Gewicht eine komplizierte Konstruktion hat.

Weiter ist es bekannt, Elemente aus der III., IV. und V. Gruppe des Periodischen Systems, wie Blei und Wismut, zur Herstellung von Legierungselektroden an Halbleiterkörpern zu verwenden. Das spezifische Gewicht der genannten Elemente ist recht groß und ihr Dampfdruck bei Temperaturen zwischen ihren Schmelzpunkten und dem Schmelzpunkt des Halbleiterkörpers ebenfalls groß. Diese physikalischen Eigenschaften wurden bisher jedoch nicht dazu ausgenutzt, um bestimmte Wirkungen beim Auflegieren der Elektroden zu erzielen.

Die Erfindung bezweckt nun, Mittel anzugeben, durch die die kinetische Energie des aufgeworfenen Elektrodenmaterials auf einfache Weise gesteigert werden kann. Sie beruht auf dem Gedanken, die Menge und somit das Gewicht des aufgeworfenen Elektrodenmaterials zu steigern, ohne daß die am Ende auf dem Halbleiterkörper verbleibende Materialmenge größer als normal ist. Wäre die verbleibende Menge ungewöhnlich groß, so könnten z. B. mechanische Spannungen auftreten, die zu einer Ablösung des Kontakts oder zu Rissen führen können.

Gemäß der Erfindung werden als Elektrodenmaterial zu mindestens 25 Gewichtsprozent ein oder mehrere an sich als Elektrodenmaterial bekannte Elemente mit möglichst großem spezifischem Gewicht verwendet, deren Dampfdruck bei Temperaturen Verfahren zum Herstellen von
Halbleiteranordnungen

Anmelder:

N. V. Philips' Gloeilampenfabrieken,

Eindhoven (Niederlande)

Vertreter:

Dr. rer. nat. P. Roßbach, Patentanwalt,
Hamburg 1, Mönckebergstr. 7

Als Erfinder benannt:

Willem Gerard Einthoven,

Jan Adrianus Manintveld, Nijmegen

(Niederlande)

Beanspruchte Priorität:

Niederlande vom 21. November 1960 (258 203)

zwischen dem Schmelzpunkt des Elektrodenmaterials und dem des Halbleiterkörpers mindestens ebenso groß ist <wie <ier des Bleis, und es werden der Halbleiterkörper und das aufgeworfene Elektrodenmaterial zusammen auf eine so hohe Temperatur erhitzt, daß mindestens 25 Gewichtsprozent des ursprünglich aufgeworfenen Elektrodenmaterials verdampfen.

Da für das Elektrodenmaterial Elemente verwendet werden, deren Dampfdruck in dem in Frage kommenden Temperaturbereich groß und deren spezifisches Gewicht recht groß ist, kann in einfacher Weise das Gewicht des aufgeworfenen Elektrodenmaterials gesteigert werden; die überschüssige Menge läßt sich dann leicht nach dem Aufwerfen verdampfen, und es ergeben sich keine übermäßigen Abmessungen der fertigen Elektrode. Infolge des hohen Dampfdrucks der verwendeten Elemente braucht die Anordnung auch nicht übermäßig lange auf einer hohen Temperatur gehalten zu werden, bis mindestens 25 Gewichtsprozent des ursprünglich aufgeworfenen Materials verdampft sind. Die genannten Elemente können einzeln oder zusammen verwendet werden.

Die Temperatur, bei der die Dampfdrücke der benutzten Elemente mit dem Dampfdruck von Blei verglichen werden müssen, ist nicht kritisch, weil diese Dampfdrücke, wie aus der zu erläuternden graphischen Darstellung hervorgeht, in einem großen Temperaturbereich das gleiche Verhältnis aufweisen.

409 658/328

Die geeignetste Temperatur zum Anstellen eines Vergleichs ist selbstverständlich die, bei der das Material verdampft wird.

Selbstverständlich kommen als Zusatz nur die Elemente in Betracht, die unter den in einem bestimmten Fall auftretenden Umständen keinen störenden Einfluß auf die Wirkung der weiteren im Elektrodenmaterial vorhandenen Elemente ausüben, und zwar insbesondere nicht auf die im Material normalerweise vorhandenen Aktivatoren oder auf den Halbleiterkörper.

Die Erfindung wird an Hand eines Ausführungsbeispiels, das durch Figuren verdeutlicht ist, näher erläutert.

F i g. 1 ist ein schematischer Schnitt durch eine an sich bekannte Form zum Aufwerfen und Auflegieren von Elektroden auf einen Halbleiterkörper;

F i g. 2 und 3 zeigen das Profil einer Elektrode unmittelbar nach dem Aufwerfen des Elektrodenmaterials und nach einer Wärmebehandlung;

F i g. 4 ist eine graphische Darstellung, in der der Logarithmus der Dampfspannung in Millimeter Quecksilberdruck mehrerer Elemente über dem Kehrwert der absoluten Temperatur aufgetragen ist.

Die Form nach der F i g. 1 besteht aus einer unteren Hälfte 1, in der sich ein Aufnahmeraum 2 für einen Halbleiterkörper 3 befindet, und einer oberen Hälfte 4, die durch einen Paßrand 5 in bezug auf die untere Hälfte zentriert wird. In der oberen Hälfte befindet sich ein Aufnahmeraum 6 für eine Menge an Elektrodenmaterial 7, der durch einen Kanal 8 mit einem Durchmesser von 2,5 mm mit dem Aufnahmeraum 2 für den Halbleiterkörper in Verbindung steht. Die Form kann aus Graphit hergestellt sein.

Eine solche Form kann mehrfach sein, womit gemeint ist, daß sie zum Behandeln mehrerer Halbleiterkörper ausgebildet sein kann, während auch die Zahl der auf einen Körper aufzulegierenden Elektroden mehrfach sein kann. Deutlichkeitshalber wird nachstehend nun die Anbringung einer einzigen Elektrode beschrieben.

Der Halbleiterkörper besteht z. B. aus n-leitendem Silizium mit einem spezifischen Widerstand von 10 Ω cm. Das Elektrodenmaterial besteht aus

89,75 Gewichtsprozent Blei, 5,0 Gewichtsprozent Zinn, 5,0 Gewichtsprozent Antimon und 0,25 Gewichtsprozent Callium.

Etwa 100 mg dieser Legierung werden in den Aufnahmeraum 6 gegeben, wonach die Form in einer Wasserstoffatmosphäre auf etwa 1000° C erhitzt und dann um einen kleinen Winkel nach links gekippt wird. Dabei gelangt das geschmolzene Elektrodenmaterial 7 in den Kanal 8 und fällt auf die infolge der Erhitzung in der reduzierenden Wasserstoffatmosphäre gereinigte Siliziumoberfläche. Es ergibt sich dabei eine Elektrode 9 mit einem verhältnismäßig hohen Profil, wie es schematisch in F i g. 2 dargestellt wird. Dann wird die Temperatur auf 1100° C gesteigert und 3 Stunden lang auf diesem Wert gehalten, wobei etwa die Hälfte des ursprünglich vorhandenen Bleis verdampft und die Elektrode 9 ein viel flacheres Profil annimmt, wie es in F i g. 3 dargestellt ist.

Nach dem Aufwerfen des Elektrodenmaterials löst sich eine gewisse Menge des Halbleitermaterials in ihm, die dann beim Abkühlen rekristallisiert und am ursprünglichen Kristallgitter anwächst.

Unter dieser Elektrode entstehen somit eine durch Galliumdiffusion gebildete, etwa 3 μ dicke p-leitende Siliziumschicht 10, die an das ursprüngliche n-leitende Silizium grenzt, und über dieser eine durch Rekristallisation des mit Antimon gesättigten Siliziums gebildete η-leitende Siliziumschicht 11, die durch das restliche Elektrodenmaterial bedeckt ist.

ίο Diese Schicht ist etwa 15 μ dick. Solche n-p-n-Strukturen können z. B. bei Transistoren und steuerbaren Gleichrichtern Anwendung finden.

Infolge der verhältnismäßig großen aufgeworfenen Elektrodenmateri almenge, von der später ein Teil verdampft, ist die Menge an Halbleitermaterial, die anfangs in Lösung geht, auch verhältnismäßig groß, so daß die rekristallisierte Schicht 11 verhältnismäßig dick ausgebildet wird. Findet ein Elektrodenmaterial Verwendung, in dem sich das Halbleitermaterial schlecht löst, so bleibt die Schicht 11 verhältnismäßig dünn.

Es kann selbstverständlich auch ein Elektrodenmaterial Verwendung finden, das entweder nur einen Akzeptor oder nur einen Donator enthält. Ebenso ist es möglich, daß das Material neutral ist und sowohl auf einem p-leitenden Halbleitermaterial als auch auf einem n-Ieitenden Halbleitermaterial einen Ohmschen Kontakt liefert.

In bezug auf die Wahl des Elementes, das bei dem Verfahren nach der Erfindung nach dem Aufwerfen verdampft wird, sei an Hand der F i g. 4 noch folgendes erwähnt. In dieser Figur sind als Abszisse

10'
die Werte aufgetragen, wobei T die absolute

Temperatur darstellt. Die Werte von T sind gleichfalls angegeben. Als Ordinate sind die Logarithmen des Dampfdruckes in Millimeter Quecksilberdruck aufgetragen. Für mehrere Elemente sind die Linien, die die Beziehung zwischen Dampfdruck und Temperatur angeben, gezeichnet. Bei diesen Linien, die annähernd gerade sind, sind die Symbole der Elemente und zwischen Klammern eine Zahl angegeben, die das jeweilige spezifische Gewicht angibt.
Aus der Figur geht hervor, daß die zum Bilden von Legierungselektroden vielfach benutzten Elemente Indium, Gallium, Aluminium und Zinn einen verhältnismäßig niedrigen Dampfdruck und auch ein verhältnismäßig niedriges spezifisches Gewicht besitzen.

Die für die Erfindung als Kriterium gefundene Grenze beim Dampfdruck von Blei wird nicht nur dadurch erklärt, daß der Dampfdruck dieses Elementes bei den üblichen Legierungstemperaturen um mindestens zwei Zehnerpotenzen höher als derjenige von Indium ist, obgleich das letztere Element unter der bereits erwähnten Gruppe von Elementen die höchsten Dampfdrücke aufweist. Die Wahl wird auch dadurch erklärt, daß Blei ein verhältnismäßig hohes spezifisches Gewicht hat. Das gleiche gilt für die EIemente Wismut und Thallium. Ein Element wie Zink eignet sich hinsichtlich seines Dampfdruckes auch gut für die Anwendung beim Verfahren nach der Erfindung, aber dieses Element kann einen nachteiligen Einfluß auf die elementaren Halbleiter ausüben.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herstellen von Halbleiteranordnungen, bei dem ein Halbleiterkörper und

eine Elektrodenmaterialmenge getrennt auf eine Temperatur zwischen dem Schmelzpunkt des Elektrodenmaterials und dem des Halbleiterkörpers erhitzt werden und dann das Elektrodenmaterial auf den Halbleiterkörper geworfen und mit ihm legiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß als Elektrodenmaterial zu mindestens 25 Gewichtsprozent ein oder mehrere an sich als Elektrodenmaterial bekannte Elemente mit möglichst großem spezifischem Gewicht verwendet werden, deren Dampfdruck bei Temperaturen zwischen dem Schmelzpunkt des Elektrodenmaterials und dem des Halbleiterkörpers mindestens ebenso groß ist wie der des Bleis, und daß der Halbleiterkörper und das aufgeworfene Elektrodenmaterial zusammen auf eine so hohe Temperatur erhitzt werden, daß mindestens 25 Gewichtsprozent des ursprünglich aufgeworfenen Elektrodenmaterials verdampfen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Element mit hohem Dampfdruck Blei verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Element mit hohem Dampfdruck Wismut verwendet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Element mit hohem Dampfdruck Thallium verwendet wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschrift Nr. 1015 937;
deutsche Auslegeschrift W14766 VIKc/21g (bekanntgemacht am 9. 2.1956);

österreichische Patentschrift Nr. 212 880.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen