DE1229991B

DE1229991B - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von legierten pn-UEbergaengen bei Halbleiteranordnungen

Info

Publication number: DE1229991B
Application number: DET17990A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Phys Guenther Heise
Original assignee: Telefunken Patentverwertungs GmbH
Current assignee: Telefunken Patentverwertungs GmbH
Priority date: 1960-03-04
Filing date: 1960-03-04
Publication date: 1966-12-08
Also published as: GB977328A; US3256120A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

BOIj

Deutsche KL: 12 g - Π/Tf

Nummer: 1229 991

Aktenzeichen: T17990IV c/12 g

Anmeldetag: 4. März 1960

Auslegetag: 8. Dezember 1966

Verfahren zur Herstellung von legierten pn-Übergängen bei Halbleiteranordnungen, insbesondere Dioden oder Transistoren, bei dem das Legierungsmaterial in flüssiger Form auf die Halbleiteroberfläche aufgebracht wird, sind bekannt.

Das Legierungsmaterial kann in fester Form auf den Halbleiterkristall aufgedrückt und dann in die Halbleiteroberfläche einlegiert werden. Dabei können aber auch Oxydhäute und sonstige Verunreinigungen des Legierungsmaterials auf die Halbleiteroberfläche mit aufgedrückt und nachträglich nicht mehr beseitigt werden. Diese Verunreinigungen ergeben dann Fehlstellen im Legierungsfrontenverlauf. Sq können zwar kleinflächige Legierungselektroden mit einem Maximaldurchmesser von 1,5 mm, jedoch keine großflächigen Legierungselektroden, wie sie vor allem für Leistungstransistoren benötigt werden, hergestellt werden.

Ein anderes Legierungsverfahren besteht darin, daß die Legierungssubstanz mit HiKe einer Legierungsform (Legierungsträger) auf den Halbleiterkörper auflegiert wird. Die mit einer Bohrung versehene Legierungsform wird dabei auf den Halbleiterkristall aufgesetzt, die Legierungssubstanz anschließend in Form einer kleinen Kugel bzw. Pille in die meist zylindrische Bohrung eingebracht und schließlich das Legieren durch Erwärmung der Legierungsform auf die Legierungstemperatur vorgenommen. Großflächige Elektroden erfordern aber erhebliche Mengen Legierungsmaterial.

Bei einem anderen Legierungsverfahren wird die auf den kalten Halbleiterkörper meist in Tablettenform aufgebrachte Legierangspille durch eine Art Druckstempel beschwert und dadurch zu verhindern versucht, daß sich das Legierungsmaterial beim Aufschmelzen unter der Wirkung der Oberflächenspannung zu einer Kugel zusammenzieht und infolgedessen nicht die gesamte, zur Benetzung vorgesehene Halbleiteroberfläche gleichzeitig und gleichmäßig benetzt. Bei diesem Verfahren besteht die Gefahr, daß das aufgelegte Legierungsmaterial trotz größter Sorgfalt doch noch Spuren von Schmutz, Oxyden und sonstigen Substanzen enthält, die ein einwandfreies Legieren großflächiger Legierungsbereiche nicht erlauben und unbenetzte Stellen zurücklassen. Auch ist es bei diesem Verfahren nicht möglich, das Halbleitermaterial vor dem Legieren auszuheizen und dadurch die Oberfläche des Halbleiterkristalls von flüchtigen Veranreinigungen, die ebenfalls zu unbenutzten Stellen führen können, zu säubern.

Das Aufdampfen des Legierungsmaterials bietet zwar technologisch gesehen keine zu großen Schwie-Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von legierten pn-Übergängen bei
Halbleiteranordnungen

Anmelder:
Telefunken

Patentverwertungsgesellschaft m. b. H.,
Ulm/Donau, Elisabethenstr. 3

Als Erfinder benannt:

Dipl.-Phys. Günther Heise, Ulm/Donau

rigkeiten, doch ist der dabei erforderliche Aufwand zu groß. So muß beispielsweise das Aufdampfen in sehr gutem Vakuum erfolgen, so daß, abgesehen von

ao den dazu erforderlichen Apparaturen, beträchtliche Anlaufzeiten erforderlich sind. Außerdem muß nach dem Aufdampfen eine gewisse Zeit abgewartet werden, bis der Tiegel, und gegebenenfalls auch die Blende, sofern diese nicht wassergekühlt ist, sich so

as weit abgekühlt haben, daß das aufgedampfte Gut entnommen werden kann, ohne zu oxydieren.

Schließlich ist noch ein Verfahren bekannt, bei dem das Legierungsmaterial in Gestalt eines flüssigen Tropfens auf die Halbleiteroberfläche aufgebracht wird. Die Verwendung einer Kapillarröhre bei diesem Verfahren hat den Vorteil, daß Oxydhäute oder sonstige auf dem Legierungsmaterial befindliche Schmutzhäute beim Austreten des Tropfens aus der Kapillarröhre in den meisten Fällen abgestreift werden. Infolge der Kugelgestalt des Tropfens läßt es sich allerdings nicht verhindern, daß bei diesem Verfahren der Legierungsprozeß ungleichmäßig, und zwar zuerst in der Mitte der zu legierenden Fläche, eingeleitet wird. Dies führt zu einem kalottenförmigen Verlauf der Legierungsfront, der sich vor allem bei großflächigen Legierungselektroden nachteilig bemerkbar macht. Großflächige Elektroden lassen sich dabei nur herstellen, wenn entsprechend viel Legierungsmaterial vorhanden ist. Legierungsflächen bestimmter Größe sind dabei nicht reproduzierbar, da keine einwandfreie Begrenzung des Legierungsmaterials gewährleistet ist.

Diese Nachteile können bei einem Verfahren zur Herstellung von legierten, vorzugsweise großflächigen pn-Übergängen bei Halbleiteranordnungen, insbesondere Dioden oder Transistoren, bei dem Legierungsmaterial in flüssiger Form unter Verwendung eines

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Legierungsträgers auf die Halbleiteroberfläche aufgebracht wird, beseitigt werden, wenn erfindungsgemäß das in eine oder mehrere Vertiefung(en) des Legierungsträgers, die derart bemessen ist (sind), daß ihr Volumen gleich dem Volumen des vorgesehenen Legierungsmaterials und ihre Fläche(n) gleich der (den) angestrebten Legierungsfläche(n) ist (sind), eingebrachte Legierungsmaterial und der Halbleiterkörper gemeinsam in geringem Abstand voneinander auf die vorgesehene Legierungstemperatur gebracht und erst danach zusammengeführt werden.

Das Legierungsmaterial kann von unten her an den festgehaltenen Halbleiterkörper oder auch umgekehrt, der Halbleiterkörper von oben her an das festgehaltene Legierungsmaterial herangebracht werden.

Ein besonderer Vorteil des Verfahrens nach der Erfindung ist darin zu sehen, daß die gesamte zu legierende Fläche unmittelbar bei der Berührung des Legierungsmaterials mit dem Halbleitermaterial vom Legierungsmaterial gleichzeitig benetzt wird. Dadurch ist jede Kalottenbildung ausgeschlossen, d. h., selbst ausgedehnte Legierungsfronten werden eben und verlaufen bei exakter Orientierung des Halbleiterkristalls planparallel zur Halbleiteroberfläche. Die Menge des erforderlichen Legierungsmaterials ist im wesentlichen nicht mehr durch die Größe der zu benetzenden Legierungsfläche, sondern durch die Tiefe der in den Legierungsträger eingebrachten Vertiefung bestimmt. Durch die Wahl von Vertiefungen mit geringer Tiefe hat man es somit in der Hand, mit einer geringen Menge Legierungsmaterial großflächige und parallel zur Halbleiteroberfläche verlaufende pn-Übergänge mit geringer Legierungstiefe herzustellen. Die pn-Übergänge sind frei von Störungen und Legierungsfehlstellen, da im Legierungsmaterial und auf der Halbleiteroberfläche vorhandene Verunreinigungen durch das Ausheizen, d. h. durch die vor dem eigentlichen Legierungsprozeß getrennt voneinander vorgenommene Erwärmung des Legierungs- und Halbleitermaterials, zur Abwanderung infolge Verdampfung gezwungen werden.

Die Erfindung soll an einigen Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.

In F i g. 1 ist die prinzipielle Anordnung einer vertikalen, nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitenden Legierungsapparatur dargestellt. Der zu legierende Halbleiterkörper 1 wird von oben in die Kristallaufnahme 2 eingeführt, bis er auf den im Inneren der Kristallaufnahme befindlichen Absatz 3 zu liegen kommt. Anschließend wird der Halbleiterkristall durch ein zusätzliches Gewicht 4 beschwert.

Nachdem die für den Legierungsprozeß erforderliche Legierungssubstanz 5 in die dafür vorgesehene Vertiefung 6 des Legierungsträgers 7 eingebracht worden ist, wird der Legierungsträger 7 von unten in die Kristallaufnahme 2 eingefahren. Wie aus F i g. 1 ersichtlich, ist der Legierungsträger 7 auf ein Keramikrohr 8 aufgesetzt, an dessen oberem Ende ein Thermoelement 9 zur ständigen Überwachung der Temperatur angebracht ist.

Der Legierungsträger 7 wird aber zunächst nur so weit in die Kristallaufnahme 2 eingefahren, daß die untere Oberfläche des Halbleiterkristalls 1 noch nicht von der Legierangssubstanz S berührt wird. Die von dem Legierungsträger 7 dabei eingenommene Stellung wird als Ausheizstellung bezeichnet; in dieser Stellung werden sowohl Halbleiterkörper 1 als auch die Legierungssubstanz 5 getrennt voneinander auf die vorgesehene Legierungstemperatur gebracht. Die Ausheizzeit beträgt ungefähr 2 Minuten; bei Verwendung einer Indiumlegierung empfiehlt sich beispielsweise eine Ausheiztemperatur von 400 bis 500⁰C. Die beim Ausheizen frei gewordenen Verunreinigungen können aus der Kristallaufnahme 2 nach außen gelangen, da zur Beseitigung der Verdampfungsprodukte in der Kristallaufnahme Schlitze 10 vorgesehen sind.

Die sowohl zum Ausheizen als auch zum Legieren erforderlichen Temperaturen werden durch die Heizwicklung 11 erzeugt, die auf den Heizwicklungsträger

12 aufgebracht ist.

Nach Beendigung des Ausheizens wird der Legierungsträger 7 so weit gehoben, bis seine Stirnfläche den Halbleiterkristall 1 berührt. Zur Kontrolle, ob diese Berührung bereits stattgefunden hat, empfiehlt es sich, den Legierungsträger 7 in der Kristallauf-

ao nähme 2 so weit nach oben zu fahren, daß der Halbleiterkörper 1 leicht angehoben wird. Dabei benetzt die geschmolzene Legierangssubstanz die gesamte Legierungsfläche des Halbleiterkristalls gleichzeitig, so daß dadurch und infolge der gleichmäßigen

as Schichtdicke das Legierungsmaterial sehr gleichmäßig mit dem Halbleitermaterial legiert. Das Gewicht 4 muß derart beschaffen sein, daß es die Oberflächenspannung der flüssigen Legierangssubstanz überwindet. Es.darf sich der Halbleiterkörper 1 infolge der im flüssigen Legierungsmaterial herrschenden Oberflächenspannung also nicht von'der Stirnfläche des Legierungsträgers abheben.

Nach erfolgter Legierung wird das Legierungsgut zur Abkühlung gebracht und der Legierungsträger 7 aus der Kristallaufnahme 2 herausgefahren, wenn die Temperatur unter den Schmelzpunkt des Legierungsmaterials gesunken ist. Diese Temperatur liegt für Indium bei etwa 156° C.

Fig. 2 zeigt die Ausführungsform eines- Legierungsofens, der sich von dem der F i g. 1 hinsichtlich der Ausbildung des Legierungsträgers unterscheidet. Der Legierungsträger 7 ist bei dieser Ausführungsform im Gegensatz zum Legierungsträger 7 der F i g. 1 mehrteilig ausgebildet und ermöglicht die Herstellung nicht nur einer, sondern mehrerer Legierungselektroden beliebiger Form.

Bei Legierungsträger der Fig. 2 sind drei Trägerteile zu unterscheiden, nämlich ein mittlerer Trägerteil 13, um den zwei weitere Trägerteile 14 und 15 konzentrisch angeordnet sind. Die Trägerteile 13 und 14 sind durch Federn 16 und 17 gelagert, die derart bemessen sind, daß bei der Aufwärtsbewegung des Legierungsträgers die Berührung der einzelnen Trägerteile mit der unteren Oberfläche des HaIbleiterkörpers nicht gleichzeitig, sondern nacheinander erfolgt, und zwar derart, daß der mittlere Trägerteil

13 den Halbleiterkristall mit seiner Stirnfläche zuerst berührt. Infolge dieser Berührung und bedingt durch die Aufwärtsbewegung des Legierungsträgers wird die mittlere Feder 16 zusammengedrückt, wodurch die Berührung des zweiten Trägerteiles 14 mit dem Halbleiterkörper erfolgen kann.

Der in F i g. 2 gezeigte Legierungsträger kann natürlich auch aus mehr als drei Einzelträgern bestehen; die Zahl der zu verwendenden Trägerteile hängt im allgemeinen von der Anzahl der zu legierenden Elektroden ab. Die Aufteilung des Legierungsträgers in Einzelträger empfiehlt sich, wenn

mehrere Elektroden nebeneinander auf der gleichen Halbleiteroberfläche aufzulegieren sind.

Die einzelnen Trägerteile des Legierungsträgers 7 sind wie der Legierungsträger der F i g. 1 mit Vertiefungen versehen, deren Form und Größe sich nach den Abmessungen der herzustellenden Legierungselektroden richten. Im Ausführungsbeispiel der Fig. 2 sind die Vertiefungen der Trägerteile derart beschaffen, daß sich konzentrisch um die mittlere Legierungselektrode angeordnete Ringelektroden ergeben. Bei dieser Ausführungsform ist um die Basiselektrode in der Mitte des Halbleiterkörpers die Emitterelektrode angeordnet, die wiederum konzentrisch von der äußeren Basiselektrode umgeben ist.

Die in den F i g. 3 und 4 dargestellte Legierungsvorrichtung bietet die Möglichkeit, mehrere Halbleitersysteme gleichzeitig zu legieren, und zwar in einem Schiebeofen. Bei diesem Verfahren wird nach Fig. 3 das von einem Ofen umgebene und von Schutzgas durchströmte Quarzrohr 19 über das Legierungsgut geschoben. Im Ausführungsbeispiel der F i g. 3 und 4 sind in der Legierungsform 18 je zwei Kristallaufnahmen 2 nebeneinander angeordnet, während die Zahl der in Längsrichtung vorhandenen Legierungspaare von der Ausdehnung der Temperaturzone des Legierungsofens abhängt, d. h. von der Länge des Quarzrohrstückes, in dem die jeweils gewünschte Temperatur gleichmäßig aufrechterhalten werden kann.

Die Berührung des Halbleiterkörpers mit dem Legierungsmaterial kommt nicht wie bei den Vorrichtungen der F i g. 1 und 2 durch eine Aufwärtsbewegung der Legierungsträger 7, sondern umgekehrt durch Absenken der Kristallaufnahmen, in denen sich die Halbleiterkristalle und die Halterungsgewichte 4 befinden, zustande.

Ein Schieber 20 ist während des Ausheizens zwischen den Rand 21 der Kristallaufnahmen 2 und die Oberfläche der in dem Träger 22 gehalterten Legierungsform 18 geschoben.

Nach Beendigung des Ausheizens wird der Schieber 20 nach rechts herausgezogen (F i g. 3), wodurch je zwei Kristallaufnahmen freigegeben werden. Die freigegebenen Kristallaufnahmen rutschen dann entlang der schiefen Ebene 23 langsam nach unten, und zwar so lange, bis die Kristalle auf die Legierungsträger zu sitzen kommen. Dadurch wird das Legierungsmaterials mit dem Halbleiterkörper in Berührung gebracht und der Legierungsprozeß eingeleitet.

F i g. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Legierung in einem Durchlauf-Tunnelofen vorgenommen wird. Auch bei dieser Vorrichtung sind wieder Vorkehrungen getroffen, die dafür sorgen, daß die Kristallaufnahmen einschließlich Gewicht und Kristallkörper nach Beendigung der Ausheizzeit nach unten gleiten.

Die gesamte Anordnung der F i g. 5 muß man sich auf einem Band 24 von hinten nach vorn bewegt denken. Im Tunnel des hier nicht gezeigten Durchlaufofens ist an einer ganz bestimmten Stelle, nämlieh an der Stelle, an der der Legierungsprozeß eingeleitet werden soll, ein fester Arm 25 angeordnet, der auf den Dreharm 26 an dieser Stelle ein Drehmoment ausübt. Erreicht somit die in Fig. 5 gezeigte Vorrichtung bei ihrem Durchlauf durch den Tunnelofen die Stelle, an der sich der feste Arm 25 befindet, so wird der an der Kristallaufnahme befindliche Dreharm 26 infolge der Vorwärtsbewegung der Vorrichtung auf dem Band so weit nach hinten gedreht, daß er ohne Behinderung am festen Arm 25 vorbeigleiten kann. Die damit verbundene Drehung der in der Formaufnahme 27 befindlichen Kristallaufnahme 2 bewirkt, daß diese nach F i g. 6 mittels der Arme 26 und 28 in die gegenüberliegenden Ausfräsungen 29 der Formaufnahme 27 gleitet und dabei den Kristall 1 mit dem Legierungsmaterial 5 zusammenführt.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung von legierten, vorzugsweise großflächigen pn-Übergängen bei Halbleiteranordnungen, insbesondere Dioden oder Transistoren, bei dem Legierungsmaterial in flüssiger Form unter Verwendung eines Legierungsträgers auf die Halbleiteroberfläche aufgebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß das in eine oder mehrere Vertiefung(en) des Legierungsträgers, die derart bemessen ist (sind), daß ihr Volumen gleich dem Volumen des vorgesehenen Legierungsmaterials und ihre Fläche(n) gleich der (den) angestrebten Legierungsfläche(n) ist (sind), eingebrachte Legierungsmaterial und der Halbleiterkörper gemeinsam in geringem Abstand voneinander auf die vorgesehene Legierungstemperatur gebracht und erst danach zusammengeführt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Legierungsmaterial von unten her an den festgehaltenen Halbleiterkörper herangebracht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper von oben her an das festgehaltene Legierungsmaterial herangebracht wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Halbleiterkörper und Legierungsmaterial vor dem Zusammenführen ungefähr 2 Minuten auf der Legierungstemperatur gehalten werden.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Schiebe- oder Durchlaufofen erhitzt wird.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine vertikal stehende Kristallaufnahme (2) mit einer senkrecht verlaufenden zweistufigen Bohrung versehen ist, daß die Bohrung mit dem größeren Durchmesser, in die der Halbleiterkörper (1) und ein Gewicht (4) eingebracht sind, sich im oberen Teil eines Ofens (11, 12) befindet und daß ein Legierungsträger (7) vorgesehen ist, dessen Durchmesser gleich dem kleineren Durchmesser der zweistufigen Bohrung gewählt ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der größeren Bohrung gleich dem Durchmesser bzw. dem Diagonalmaß des Halbleiterkörpers (1) gewählt ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kristallaufnahme (2) von einer Heizspule (11) umgeben ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 6 bis 8„ dadurch gekennzeichnet, daß der Legierungsträger (7) auf ein Keramikrohr (8) aufgebracht ist, an

dessen vorderem Ende sich ein Thermoelement (9) zur Messung der jeweils herrschenden Temperatur befindet.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Legierungsträger (7) mehrteilig ausgebildet ist und daß jedes Trägerteil (13, 14, 15) mit einer Vertiefung versehen ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Trägerteile (14, 15) konzentrisch um den mittleren Trägerteil (13) angeordnet sind.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die um den mittleren Trägerteil (13) angeordneten Trägerteile (14, 15) mit ringförmig ausgebildeten Vertiefungen versehen sind.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerteile mit Ausnahme des äußeren Trägerteiles durch Federn (16, 17) gelagert sind.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Federn (16, 17) derart bemessen sind, daß die Berührung der einzelnen Trägerteile (13,14,15) mit dem Halbleiterkörper (1) nicht gleichzeitig, sondern nacheinander erfolgt, und zwar derart, daß der mittlere Trägerteil (13) den Halbleiterkörper (1) mit seiner Stirnfläche zuerst berührt.

15. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, 3, 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß in einer rohrförmig ausgebildeten Formaufnahme (27) eine Kristallaufnahme (2) beweglich und ein Legierungsträger (7) unbeweglich angeordnet sind, daß die Kristallaufnahme (2) an ihrer Außenfläche beidseitig mit einander diagonal gegenüberliegenden Gleitarmen (26, 28) und im Inneren mit einer zweistufigen Bohrung versehen ist, daß in die Formaufnahme (27) Einfräsungen (29) eingearbeitet sind, in welche die Gleitarme (26,28) der Kristallaufnahme (2) bei deren Drehung nach unten gleiten können.

16. Vorrichtung nach Anspruch 6 bis 15, da-, durch gekennzeichnet, daß die Kristallaufnahme (2) derart mit einem oder mehreren Schlitzen bzw. Bohrungen versehen ist, daß beim Ausheizen frei werdende Verunreinigungen nach außen gelangen können.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Britische Patentschrift Nr. 794 674.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen