DE1296264B - Legierungsverfahren zur Herstellung von Halbleiterelementen - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft ein Legierungsverfahren zur außerdem auch durch Behandeln des Basismaterials, Herstellung von Halbleiterelementen mit mindestens d. h. des Germaniums, mittels eines bestimmten Vorzwei flächenhaften Zonen von gleichmäßiger Dicke behandlungsprozesses, tritt häufig eine über die ge-

und verschiedenem Leitfähigkeitstyp, von denen min- wünschten Grenzen hinausgehende Ausbreitung des

destens eine durch Einlegieren einer auf den Halb- 5 Legierungsmaterials auf. Daraus ergeben sich struk-

leiterkörper aufgebrachten Goldfolie erzeugt wird, turelle Fehler am Umfang des pn-Überganges, und

wobei der Halbleiterkörper aus Germanium besteht. dessen Eigenschaften werden verschlechtert.

Bei der Herstellung von Transistoren mit legierten Wenn Golddrähte verwendet werden, so werden Übergängen und Germanium als Basismaterial wird die zugespitzten Enden des Drahtes mit dem Germeist Indium oder Blei als Hauptbestandteil der Le- io manium in Berührung gebracht, und es wird ein elekgierungsmaterialien verwendet. Außerdem ist es be- irischer Strom vom Golddraht zum Germanium gekannt, als Hauptbestandteil der Legierungsmateria- leitet oder aber die gesamte Anordnung auf eine lien eutektische Zusammensetzungen aus Germanium Temperatur oberhalb des eutektischen Punktes des und einem Metall wie Gold oder Blei zu verwenden, Gold-Germaniums-Systems erhitzt, wodurch sich ein um deren niedrigen Schmelzpunkt und gute Benet- 15 Eutektikum an den Berührungsflächen bildet und dazungseigenschaften auszunutzen. So ist ein Verfahren mit ein Legierungsvorgang erfolgt. Dieses Verfahren bekannt, bei welchem eine Goldfolie in Germanium hat den Vorteil, daß der von der Reaktion nicht be- oder Silizium einlegiert wird, wobei eine Metall- rührte Teil des Golddrahtes selbst als elektrische Zuschicht, die mit dem Legierungsmaterial bei einer führung verwendet werden kann. Da jedoch das Le-Temperatur verschmilzt, die unterhalb der Eutekti- 20 gieren in einem Zustand erfolgt, bei dem eine relativ kumstemperatur des Legierungsmaterials und des große Goldquelle vorhanden ist, kann eine genaue Halbleitermaterials liegt, zwischen diese beiden Steuerung der Eindringtiefe kaum erreicht werden. Schichten sandwichartig eingebracht wird, mit dem Aus diesem Grund wurden bisher die mit diesen VerZiel, die Behandlungstemperatur weiter zu vermin- fahren hergestellten pn-Übergänge nicht als Emitterdern. Darüber hinaus sind auch Verfahren bekannt, 35 oder Kollektorübergänge eines Transistors verwendet, bei welchen das Legierungsmaterial aufgedampft Beim Verfahren des Auf dampf ens und Einlegierens wird, wobei Aluminium aufgedampft und einlegiert für Mesatransistoren wird Aluminium durch Aufwird, um den Emitter eines Mesatransistors zu bil- dampfen in gewünschter ebener Dimension und einer den. Ferner ist ein Verfahren zur Herstellung einer Dicke von etwa einem Mikron oder darunter nieder-Basis-Emitter-Elektrode bekannt, wobei zunächst 30 geschlagen und daraufhin einlegiert, um so einen eine Goldschicht mit einer Dicke von etwa 200 Ä auf Übergang mit flacher Eindringtiefe zu erhalten. Der den Basis-Emitter-Bereich einer Germaniumunter- Legierungsvorgang erfolgt dabei jedoch vergleichsschicht (Kollektor) vom Mesatyp und dann über diese weise Undefiniert und Übergangsfiäche und Eindring-Goldschicht eine Silberschicht mit 0,5 bis 15 Dicke tiefe sind bei verschiedenen Exemplaren unterschiedaufgedampft wird und schließlich diese Schichten bei 35 Hch.

einer Temperatur zwischen 400 und 500° C mit der Aufgabe der Erfindung ist deshalb die Schaffung

Halbleiterunterlage verschmolzen werden. eines Verfahrens zum Einlegieren einer Goldfolie in

Transistoren mit durch Rekristallisation gewach- eine Germaniumplatte, das eine gute Benetzung, eine senen Übergängen müssen außerdem bei ihrer Her- gleichförmige Eindringtiefe und insbesondere eine Stellung mit Basiszuführungen versehen werden. Dies 40 scharfe Begrenzung des Legierungsbereiches gewährgeschieht meist in der Weise, daß Golddrähte durch leistet. Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe Stromimpulse festgeschweißt werden. Um einen guten durch ein Verfahren gelöst, bei welchem in bekannter ohmschen Kontakt auf den schmalen Basisschichten Weise ein aktive Verunreinigungen enthaltendes einer Breite von meist etwa 10 Mikron und darunter Goldplättchen einer Dicke unter 0,3 mm auf eine und außerdem eine gute Gleichrichterwirkung im 45 Germaniumplatte aufgelegt, der ganze Körper auf Kollektor- und Emitterbereich zu erhalten, wurden mindestens 450° C erhitzt und dann zur Bildung bisher Golddrähte mit Fremdmetallen der III. oder einer Rekristallisationsschicht abgekühlt wird und das V. Gruppe der Elemente verwendet, wie beispiels- dadurch gekennzeichnet ist, daß das Goldplättchen weise Gold-Gallium-Legierungsdrähte oder Gold- ein Verhältnis seines Durchmessers zur Dicke zwi-Antimon-Legierungsdrähte. 50 sehen 2 und 30 aufweist.

Bei den obigen Verfahren, bei denen Indium, Blei Zwar war es beim Einlegieren einer Gold-Wismutoder die erwähnten eutektischen Legierungen ver- Folie in eine Siliziumschicht bereits bekannt, der wendet werden, schmelzen die Legierungsmaterialien Folie einen Durchmesser von 6 mm und eine Dicke bei einer Temperatur unterhalb derjenigen, bei wel- von 0,1 mm zu geben. Da jedoch bekannterweise die eher sie mit dem Basismaterial, also dem Germanium, 55 Legierungsvorgänge bei Silizium und Germanium reagieren. grundlegend verschieden sind, konnte das bekannte

Aus diesem Grund tritt in jedem Fall eine Lösung Verfahren nicht als Vorbild für das Einlegieren in

des Basismaterials auf, nachdem das Legierungs- Germaniumschichten dienen. Ebensowenig konnten

material geschmolzen und über die Basis verbreitet bereits bekannte Verhältnisse zwischen der Dicke der

worden ist, wodurch dessen ursprüngliche Gestalt, 60 Rekristallisationsschicht und der Dicke der Legie-

die es vor dem Aufheizen innehatte, verlorengeht. rungspille zur Lösung der oben gestellten Aufgabe

Demgemäß ist die Fläche des Überganges, hergestellt beitragen.

durch das Einlegieren, nicht äquivalent den Abmes- Bei der Erfindung wird also die dünne Schicht aus

sungen des Legierungsmaterials vor dem Erhitzen. Gold mit ausreichend flacher und glatter Oberfläche

Obwohl üblicherweise die Größe des Übergangs- 65 und mit einer aktiven Verunreinigung in Berührung

gebietes und die Eindringtiefe durch die Legierungs- mit einem Germaniumkörper gebracht, der ebenfalls

temperatur und die Umgebungsatmosphäre während eine ausreichend flache und glatte Oberfläche auf-

des Legierungsvorganges gesteuert werden können, weist. Die derart zusammengebrachten Materialien

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werden auf eine Temperatur oberhalb des eutekti- Krümmung neigt. Daraus ergibt sich jedoch eine sehen Punktes des Gold-Germanium-Systems erhitzt. weitergehende Anlösung des blanken Grundmaterials Ab 360° C erfolgt dann über die gesamte Beruh- unterhalb des Legierungsgemisches, wohingegen kein rungsfläche die Bildung des Eutektikums, so daß ein Einlegieren an den von der geschmolzenen Legierung Legieren direkt unterhalb des verwendeten dünnen 5 entblößten Bereichen auftritt. Das heißt, die Legie-Goldfilms erfolgt, d. h., das Legieren erfolgt nur in rungsschmelze hält ihre ursprüngliche flache Gestalt einem Bereich, welcher die gleiche Ausdehnung in nicht ein, wodurch andererseits das durch die der Ebene und die gleiche Gestalt wie das Goldplätt- Schmelze bedeckte Gebiet verkleinert wird. Daraus chen aufweist. In diesem Fall ist die Menge an züge- folgt, daß sich der Legierungsvorgang unter dem geführtem Gold begrenzt, und das Germanium über- io schmolzenen Metall weiter fortsetzt, wohingegen kein wiegt weit das Gold. Wenn somit die Materialien eine Legieren in dem Bereich auftritt, in welchem das Babestimmte Zeitdauer bei vorbestimmter Legierungs- sismaterial nicht mehr von der Schmelze bedeckt ist. temperatur im Gleichgewichtszustand gehalten wer- Als Folge davon würde sich die Gestalt der unter dieden, so wird das Germanium bis in eine Tiefe gelöst, sen Bedingungen erhaltenen Rekristallisationsschicht die aus dem Gold-Germanium-Phasendiagramm vor- 15 von der Gestalt des ursprünglich verwendeten dünausbestimmbar ist. nen Plättchens unterscheiden, und es würden sich ört-

Dann wird der Prüfling mit einer vorbestimmten liehe Bereiche ausbilden, an denen kein Legieren

Geschwindigkeit abgekühlt, so daß sich eine Ger- stattgefunden hat. Dieser Vorgang wird jedoch ver-

maniumschicht bildet, welche die dem Gold züge- mieden, wenn das Verhältnis des Durchmessers zur

setzten aktiven Verunreinigungen enthält. Wenn bei- so Dicke des Goldplättchens sich innerhalb des Be-

spielsweise ein dünnes Plättchen aus einer Gold- reiches von 2 bis 30 bewegt.

Gallium-Legierung für η-leitendes Germanium ver- Die Gestalt des dünnen Goldplättchens ist nicht

wendet wird, so entsteht eine p-leitende rekristalli- auf eine Kreisscheibe begrenzt, sondern es ist auch

sierte Schicht, womit ein pn-übergang erzeugt wird. möglich, ein dünnes Goldplättchen jeder beliebigen

Die Rekristallisationsschicht hat eine Gestalt und 25 Gestalt zu verwenden. Im Fall einer beliebig anderen Größe gleich dem verwendeten dünnen Goldplättchen als der kreisförmigen Gestalt entspricht die Gerade und weist außerdem eine Eindringtiefe mit bestimm- maximaler Länge unter den Segmentlinien, welche tem konstantem Wert auf, der durch die Dicke des die geschlossene, den Umfang bildende Linie in zwei dünnen Goldplättchens und die Legierungstemperatur Punkten schneiden, dem Durchmesser der Scheibe, gegeben ist. Der wesentliche Vorteil der Rekristalli- 30 Das heißt, im Fall eines dünnen Goldplättchens besationsschicht liegt in der ebenen Ausbildung ihrer liebiger Gestalt kann derselbe Effekt wie bei einer Unterlage begründet, und diese Tatsache macht es Kreisscheibe erzielt werden, wenn das Verhältnis der möglich, die Eigenschaften zu verbessern und eine erwähnten Geraden (effektiver Durchmesser) maxigute Reproduzierbarkeit der Herstellung zu erreichen. maler Länge zur Dicke im Bereich von 2 bis 30 liegt. Als Ergebnis einer Vielzahl von Versuchen hat sich 35 An Hand der Zeichnung sind Ausführungsformen jedoch gezeigt, daß zur Erzielung einer derartigen des Verfahrens nach der Erfindung beispielsweise eridealen Rekristallisationsschicht die Einhaltung des läutert, und zwar zeigen

angegebenen Bereiches für die Größe der dünnen A b b. 1 und 2 vergrößerte Seitenansichten, im

Goldplatte und für die Legierungstemperatur erfor- Schnitt, einer Diode während zweier Verfahrens-

derlich ist. 40 stufen des Verfahrens nach der Erfindung und

Zuerst soll die Legierungstemperatur untersucht A b b. 3 und 4 ähnliche Ansichten des Vorganges werden. Offensichtlich ist, daß diese Temperatur der Herstellung eines Transistors,
höher als der eutektische Punkt des Gold-Germa- . -T₁
nium-Systems liegen muß. Im Temperaturbereich Beispiel 1
zwischen 356 und 450° C ist jedoch die Benetzung 45 In den A b b. 1 und 2 ist ein η-leitender Germazwischen der dünnen Goldschicht und dem Germa- niumkörper 1 mit einem spezifischen Widerstand von nium sehr gering. Bei allen Temperaturen über 2,3 Ohm cm und einer Ausdehnung von 2 · 3 · 0,2 mm 450° C dagegen wurden gute Ergebnisse erzielt, und dargestellt, der eine flache Oberfläche aufweist, da die erzeugten pn-Übergänge zeigten gute Gleich- die Bearbeitungsfläche vorher durch Ätzen mit CP 4 richtereigenschaften. Da das Legierungsverfahren bei 50 entfernt worden ist. Ein Goldscheibchen 2 mit einem den Temperaturen oberhalb 450° C zu guten Ergeb- Durchmesser von 0,6 mm und einer Dicke von nissen führt, ist es möglich, eine Rekristallisations- 0,03 mm, enthaltend 2% Gallium, und ein Nickelschicht mit gewünschter Eindringtiefe und Dicke plättchen 3, dessen eines Ende mit Zinn plattiert ist, durch Verändern der Legierungstemperatur inner- sind auf den Germaniumkörper 1 aufgebracht, wie in halb des obigen Bereiches gemäß der für den jeweili- 55 A b b. 1 dargestellt ist. Diese Anwendung wird dann gen Halbleiter erforderlichen Eigenschaften zu er- 10 Minuten lang in strömendem Wasserstoff gas auf halten. 580° C erwärmt, wonach sie um 7° C pro Minute ab-

Bezüglich der Dimensionen des dünnen Gold- gekühlt wird, so daß sich eine Rekristallisations-

plättchens muß die angegebene Grenzdicke eingehal- schicht ausbildet.

ten werden, vor allem, um eine vorbestimmte Ein- 60 Nach Beendigung dieses Verfahrens weist der

dringtiefe zu erzielen. Wie bereits in Verbindung mit Prüfling die in A b b. 2 gezeigten physikalischen

dem Aufdampf- und dem Legierungsverfahren für Merkmale auf. Die mit dem Bezugszeichen 4 bezeich-

Aluminium festgestellt, wird jedoch, wenn die Dicke nete Schicht ist eine p-leitende Germaniumschicht,

des dünnen Plättchens klein im Vergleich zu seiner die mit Gallium dotiert ist. Der Teil oberhalb dieser

Oberflächenausdehnung ist, die Oberflächenkrüm- 65 p-Ieitenden Germaniumschicht 4 ist ein Teil 5 aus

mung der geschmolzenen Legierung außerordentlich dem Gold-Germanium-Eutektikum.

klein, weshalb die geschmolzene Legierung infolge Hernach wird ein Nickeldraht von 0,1 mm Durch-

der Oberflächenspannung zu einer Vergrößerung der messer auf die Gold-Germanium-Eutektikums-

schicht 5 aufgeschmolzen, und zwar unter Verwendung einer kleinen Indiumpille. Die Strom-Spannungs-Charakteristik des erzielten Elementes wurde dann gemessen. Der Mittelwert des Sperrstroms verschiedener Prüflinge betrug 3,1 Mikroampere bei 5 einer Sperrspannung von 12 Volt und 4,2 Mikroampere bei einer Sperrspannung von 30 Volt. Der Gesamtwert der Sperrstrom-Durchschlagspannung betrug 110 Volt.

Wie sich aus der obigen Beschreibung ergibt, hat das Verfahren nach der Erfindung die folgenden Vorteile:

1. Das Einlegieren erfolgt bei engem Kontakt zwischen dem Legierungsmaterial und der Halbleiterbasisplatte, und zwar ohne die Notwendigkeit der Ausübung von Druck.

2. Die Eindringtiete ist gleichmäßig.

3. Nach dem Legierungsprozeß wird keine Ausbreitung des Legierungsmaterials beobachtet, und der Bereich der Rekristallisationsschicht unterscheidet sich nicht wesentlich von dem Gebiet des verwendeten Legierungsmaterials.

4. Da Gold als Hauptbestandteil verwendet ist, wird das Legierungsmaterial während des Legierungsprozesses nicht oxydiert.

Beispiel 2

Die A b b. 3 und 4 zeigen einen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Transistor, bei dem ein dünnes Goldplättchen als Emitter und Indium als Kollektor verwendet werden.

Gemäß A b b. 3 wurde ein Goldplättchen 7 mit 3% Galliumanteil, einem Durchmesser von 0,6 mm und einer Dicke von 30 Mikron bei 580° C in die Oberfläche 9 eines η-leitenden Germaniumkörpers 6 einlegiert, der eine Dicke von 130 Mikron und einen spezifischen Widerstand von 3 Ohm cm aufweist. Danach wurde eine Indiumpille 8 mit 0,8 nun Durchmesser bei 500° C auf die andere Oberfläche 10 des Germaniumkörpers 6 auflegiert.

Der Aufbau des erzielten Halbleiterelementes, hergestellt durch dieses Verfahren, ist in A b b. 4 gezeichnet. Es bildeten sich p-leitende Germanium-Rekristallisationsschichten 11 und 13 zwischen dem Germaniumkörper 6 und einem Gold-Germanium-Eutektikum 7 und wiedererstarrtem Indium 14. Die Basisbreite dieser Elemente betrug 40 bis 50 Mikron, und aus diesen Elementen hergestellte Transistoren wiesen einen gemeinsamen Emitterstrom-Verstärkerfaktor oi_cb von etwa 60 auf.

Wenn auch im obigen die Erfindung in bezug auf einen Transistor beschrieben worden ist, bei dem ein Goldplättchen als Emitter und eine Indiumpille als Kollektor verwendet ist, können auch ausgezeichnete Transistoren hergestellt werden, wenn Goldplättchen sowohl für den Kollektor als auch für den Emitter verwendet werden.

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Legierungsverfahren zur Herstellung von Halbleiterelementen mit mindestens zwei flächenhaften Zonen von gleichmäßiger Dicke und verschiedenem Leitfähigkeitstyp, von denen mindestens eine durch Einlegieren einer auf den Halbleiterkörper aufgebrachten Goldfolie erzeugt wird, wobei ein aktive Verunreinigungen enthaltendes Goldplättchen einer Dicke unter 0,3 mm auf eine Germaniumplatte aufgelegt, der ganze Körper auf mindestens 450° C erhitzt und dann zur Bildung einer Rekristallisationsschicht abgekühlt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Goldplättchen ein Verhältnis seines Durchmessers zur Dicke zwischen 2 und 30 aufweist.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen