DE1209661B - Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauelements mit einer flaechenhaften Legierungselektrode - Google Patents

Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauelements mit einer flaechenhaften Legierungselektrode

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DE1209661B DES84128A DES0084128A DE1209661B DE 1209661 B DE1209661 B DE 1209661B DE S84128 A DES84128 A DE S84128A DE S0084128 A DES0084128 A DE S0084128A DE 1209661 B DE1209661 B DE 1209661B
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Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND
DEUTSCHES
PATENTAMT
AUSLEGESCHRIFT
Int. α.:
HOIl
Deutsche KI.: 21g -11/02
Nummer: 1209 661
Aktenzeichen: S 84128 VIII c/21 j
Anmeldetag: 13. März 1963
Auslegetag: 27. Januar 1966
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauelements. Halbleiterbauelemente bestehen meistens aus einem einkristallinen Halbleiterkörper, welcher verschiedene Zonen mit unterschiedlicher Dotierung enthält und welcher Kontaktelektroden besitzt, die zur Kontaktierung der einzelnen Zonen dienen. Gemäß einem bekannten Verfahren wird in einen Halbleiterkörper eines bestimmten Leitungstyps eine Metallscheibe einlegiert, welche Dotierungsmaterial zur Erzeugung des ent- ίο gegengesetzten Leitfähigkeitstyps enthält. Es kann sich beispielsweise um Gold mit einem Zusatz von Antimon handeln bzw. um Aluminium, welches gleichzeitig als Metall für die Kontaktelektrode wie auch als Dotierungsmaterial wirksam ist. Beim Einlegieren der Metallscheibe entsteht eine umdotierte Zone als Rekristallisationsschicht und eine auf ihr aufliegende Kontaktelektrode, welche für gewöhnlich aus einem Metall-Halbleiter-Eutektikum besteht, z. B. im Fall von Gold und Aluminium. An der Grenze zwischen der umdotierten Schicht und dem von dem Legierungsvorgang nicht betroffenen Halbleiterkörper befindet sich ein pn-übergang. Wird dieser pn-übergang in Sperrichtung beansprucht, so fließt bis zum Erreichen einer bestimmten Spannung nur ein sehr geringer Sperrstrom, während beim Überschreiten dieser Spannung der pn-übergang durchschlägt und nicht mehr als Sperrschicht wirksam ist.
Es sind bereits Halbleiterbauelemente mit einer tafelbergähnlichen Erhöhung bekanntgeworden, in der sich ein pn-übergang befindet. Derartige Halbleiterbauelemente werden z. B. durch Eindiffusion eines Fremdstoffs in die tafelbergähnliche Erhöhung hergestellt oder durch Einlegieren eines Verunreinigungen enthaltenden Metallteils und anschließendes Hinterätzen bzw. Unterätzen der so entstandenen Kontaktelektrode.
Es hat sich herausgestellt, daß an einem pn-übergang, der durch Einlegieren einer Dotierungsstoffe enthaltenden Metallscheibe hergestellt ist, der Durchschlag stets nur an wenigen Stellen erfolgt, so daß es zur Erhöhung der Sperrspannung genügen würde, diese »schlechteren« Stellen auszumerzen. Die Erfindung betrifft eine Lösung dieser Aufgabe. Sie bezieht sich deshalb auf ein Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauelements mit einer flächenhaften Legierungselektrode. Ein solches Verfahren wird erfindungsgemäß derart durchgeführt, daß ein einkristalliner Halbleiterkörper durch Abarbeiten einer Zone eines Leitungstyps mit einer tafelbergähnlichen Erhöhung versehen wird und daß auf die Oberfläche Verfahren zum Herstellen eines
Halbleiterbauelements mit einer flächenhaften
Legierungselektrode
Anmelder:
Siemens-Schuckertwerke Aktiengesellschaft,
Berlin und Erlangen,
Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50
Als Erfinder benannt:
Dr.-Ing. Reimer Emeis, Ebermannstadt (OFr.);
Dr.-Ing. Arnulf Hoffmann, Pretzfeld (OFr.)
der Erhöhung eine Dotierungsstoffe enthaltende Metallscheibe, deren Rand über den Rand der Erhöhung nicht hinausragt und von dem Rand der Erhöhung nicht mehr als etwa um die Dicke der Metallscheibe entfernt ist, so einlegiert wird, daß der durch Rekristallisation entstehende Übergang an der Seitenfläche der tafelbergähnlichen Erhöhung an die Oberfläche tritt.
Vorzugsweise wird der Halbleiterkörper mit einer tafelbergähnlichen Erhöhung versehen, deren Höhe mindestens gleich der Dicke der einzulegierenden Metallscheibe ist. Vorzugsweise wird die tafelbergähnliche Erhöhung durch mechanische Abarbeitung hergestellt.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist es möglich, die sonst beim Einlegieren entstehenden »schlechteren« Stellen zu vermeiden. Im folgenden wird dies näher erläutert:
In der Zeichnung sind in der F i g. 1 bis 8 Ausführungsformen der Erfindung und bisher bekannter Halbleiterbauelemente in verschiedenen Stufen ihres Herstellungsverfahrens dargestellt. Die Zeichnungen sind der Deutlichkeit halber insbesondere in den Dickenverhältnissen stark verzerrt dargestellt. Derartige Halbleiterbauelemente weisen für gewöhnlich einen Halbleiterkörper auf, welcher aus einem Einkristall geschnitten ist und der einen Durchmesser von z. B. 12 bis 25 mm aufweist bei einer Dicke von 200 bis 300 μ. Die zur Dotierung verwendeten Metallscheiben liegen gewöhnlich in Folienform vor und weisen eine Dicke von etwa 30 bis 100 μ auf.
In F i g. 1 ist die erste Stufe des Herstellungsverfahrens eines herkömmlichen Halbleitergleichrichters dargestellt. Fig. 2 zeigt die fertige Halbleiterdiode. Auf einen Halbleiterkörper 2, beispielsweise aus
509 780/329
p-leitendem Germanium oder Silizium, wird eine Metallfolie 3 von etwas kleinerem Durchmesser, welche einen η-Leitung erzeugenden Stoff enthält, aufgelegt, z. B. eine Gold-Antimon-Folie. Die andere Seite des Halbleiterkörpers 2 wird mit einer neutralen bzw. einen p-Typ hervorrufenden Stoff enthaltenden Metallfolie 4 bedeckt.
Wird ein derartiges Aggregat beispielsweise in ein neutrales Pulver eingebettet und auf eine über der eutektischen Temperatur des Halbleitermaterials und der verwendeten Metalle liegenden Temperatur erwärmt, so entstehen zunächst Schmelzen, welche eine übereutektische Zusammensetzung aufweisen. Bei der Abkühlung rekristallisiert zunächst Halbleitermaterial wieder aus und bildet im Fall der Umdotierung eine neue Zone 5. Bei der eutektischen Temperatur erstarrt die Restschmelze und bildet Kontaktelektroden 3 a und 4 a. Die Rekristallisationszone, welche unter der Kontaktelektrode 4 a liegt, wurde nicht besonders gezeichnet, da sie den gleichen Leitfähigkeitstyp wie das Grundmaterial des Halbleiterkörpers aufweist. Im Rahmen der Erfindung ist lediglich die andere Seite, welche den pn-übergang enthält, interessant. In F i g. 3 ist ein Ausschnitt aus F i g. 2 vergrößert herausgezeichnet.
Es stellte sich heraus, daß die Stellen, in denen bei der Überbeanspruchung des pn-Übergangs zuerst der Durchschlag eintritt, im Querschnitt ein anderes Aussehen als der überwiegende Teil des pn-Übergangs zeigen. Während man bei der Herstellung von Querschliffen durch nach dem Legierungsverfahren hergestellte Halbleiterbauelemente für gewöhnlich eine abgerundete Randzone des pn-Übergangs beobachtet, weisen im Gegensatz hierzu die Stellen, an denen der Durchbruch zuerst eintritt, eine scharfe Kante in der Randzone auf. Der Durchbruch tritt hier also infolge erhöhter Feldstärke zuerst ein. In Fig. 3 ist die Kante durch den Pfeil 6 besonders gekennzeichnet. Wie sich bei weiterer Untersuchung herausstellte, besteht ein Zusammenhang zwischen dieser scharfen Kante 6 und der Kristallstruktur des Halbleiterkörpers. So zeigte sich, daß bei Halbleiterkörpern, welche Einkristallstruktur aufweisen, deren 111-Achse senkrecht zu der Flachseite der Halbleiterscheibe steht, diese scharfkantige Durchbruchstelle an drei Stellen des Randes des pn-Übergangs auftritt, und zwar an drei um je 120° versetzten Stellen. Daraus geht hervor, daß diese scharfen Kanten in der Einkristallstruktur bedingt sind und beim Aufschmelzen während des Einlegierens entstehen.
Gemäß der Erfindung werden diese scharfen Kanten dadurch beseitigt, daß der Halbleiterkörper am Rand der Kontaktelektrode senkrecht bzw. nahezu senkrecht zur Fläche der Kontaktelektrode abgesetzt ist. In F i g. 4 ist der wesentliche Teil des Halbleiterbauelements, nämlich die Oberseite, vor dem Legierungsvorgang dargestellt, in F i g. 5 nach demselben. Zweckmäßig wird auf der Oberseite des Halbleiterkörpers 12 eine tafelbergähnliche Erhöhung 12 c geschaffen, beispielsweise durch mechanische Abarbeitung, worauf eine Dotierungsmaterial enthaltende Metallfolie 13 aufgelegt wird. Zweckmäßigerweise ist die Höhe des Tafelberges 12 a mindestens so hoch wie die Dicke der verwendeten Metallfolie 13, also z. B. im Fall einer Foliendicke von 60 μ zwischen 60 und 100 μ hoch.
Wie F i g. 5 zeigt, ist nach dem Legierungsvorgang, der in gleicher oder ähnlicher Weise wie zuvor beschrieben ablaufen kann, eine umdotierte Zone 15 entstanden, welche an das unveränderte Halbleitermaterial des Körpers 12 mit einem pn-übergang angrenzt. Der pn-übergang ist vollkommen eben und weist nicht die abgerundete Randlinie wie bei dem Halbleiterbauelement gemäß F i g. 2 auf. Demzufolge kann auch nicht die scharfe Kante 6 wie in F i g. 3 auftreten. Die Sperrspannung des pn-Übergangs wird also erhöht, da die Feldstärkespitzen nicht mehr
ίο auftreten können.
In F i g. 6 ist eine andere Ausführungsform dargestellt. Die Metallscheibe 13 ist in diesem Fall etwas kleiner als die Fläche der tafelbergähnlichen Erhöhung 12 α gewählt. Hierbei ist es notwendig, daß die Randlinie der Metallscheibe einerseits nicht über die Randlinie der tafelbergähnlichen Erhöhung hinausragt, andererseits von der Randlinie der Erhöhung nicht mehr als etwa um die Dicke der Metallscheibe entfernt ist. Andernfalls kann ein nicht ebener pn-übergang entstehen.
Es ist nicht unbedingt notwendig, daß die tafelbergähnliche Erhöhung eine senkrechte Böschungslinie aufweist. Geringe Abweichungen von der Senkrechten sind zulässig. Fig. 7 zeigt eine entsprechende Ausführungsform.
Bei der Einarbeitung der tafelbergähnlichen Erhöhung kann einerseits der Rand des Halbleiterkörpers restlos abgearbeitet werden wie in den Beispielen gemäß F i g. 4 bis 7. Es genügt aber auch, wenn eine grabenartige Vertiefung 14 in den Halbleiterkörper eingearbeitet wird, wie beispielsweise in F i g. 8 dargestellt. Im Fall von kreisrunden Halbleiterbauelementen kann ein derartiger Graben leicht mechanisch eingefräst werden. Zweckmäßig hat er eine Tiefe von etwa der Dicke der Metallscheibe 13 sowie eine Breite, welche etwa der doppelten Dicke der Metallscheibe 13 entspricht. Die Einarbeitung der tafelbergähnlichen Erhöhung 12 a bzw. des Grabens 14 kann z.B. mechanisch durch Schleifen, Läppen oder Sandstrahlen erfolgen oder auch chemisch, z. B. durch Ätzen.
Nach der Legierung kann das Halbleiterbauelement in bekannter Weise vor seinem Einbau in eine Kapsel an der Oberfläche geätzt werden. Eine Ätzung bis zur Tiefe des pn-Übergangs kann aber unterbleiben, gegebenenfalls kann deshalb auf das Ätzen überhaupt verzichtet werden, wenn die Oberflächenbeschaffenheit auf andere Weise gesichert ist.
Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf den sperrenden pn-übergang in einem Gleichrichter-Bauelement beschränkt. Auch bei Transistoren oder z. B. Vierschicht-Halbleiter-Bauelementen mit Stromtorcharakter kann die Erfindung angewendet werden, z.B. im Fall eines konzentrischen Ringelektrodenmusters durch Einarbeitung von Gräben entsprechend F i g. 8. Die tafelbergähnliche Erhöhung entartet im Fall von ringscheibenförmigen Elektroden zu einer ringwallähnlichen Erhöhung.

Claims (3)

Patentansprüche:
1. Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauelements mit einer flächenhaften Legierungselektrode, dadurch gekennzeichnet, daß ein einkristalliner Halbleiterkörper durch Abarbeiten einer Zone eines Leitungstyps mit einer tafelbergähnlichen Erhöhung versehen wird und daß auf die Oberfläche der Erhöhung eine Dotierungsstoffe enthaltende Metallscheibe, deren
Rand über den Rand der Erhöhung nicht hinausragt und von dem Rand der Erhöhung nicht mehr als etwa um die Dicke der Metallscheibe entfernt ist, so einlegiert wird, daß der durch Rekristallisation entstehende Übergang an der Seitenfläche der tafelbergähnlichen Erhöhung an die Oberfläche tritt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die tafelbergähnliche Erhöhung mindestens gleich der Dicke der einzulegierenden Metallscheibe gemacht wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper durch mechanische Abarbeitung mit der tafelbergähnlichen Erhöhung versehen wird.
In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Auslegeschrift Nr. 1092131; französische Patentschriften Nr. 1184 385, 932;
britische Patentschrift Nr. 878 544; USA.-Patentschrift Nr. 2992471.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
509 780/329 1.66 © Bundesdruckerei Berlin
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