DE2023110C3

DE2023110C3 - Verfahren zur Herstellung einer Siliziumdiode mit hyperabruptem pn-übergang

Info

Publication number: DE2023110C3
Application number: DE19702023110
Authority: DE
Inventors: Toki Hoshida; Metsumoto Keiji Moriguchi; Sato (Japan)
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Filing date: 1970-05-04
Publication date: 1976-07-01

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung tiner Siliziumdiode mit hyperabruptem pn-Übergang Unter Erwärmen eines Plättchens aus p-Silizium mit einem spezifischen elektrischen Widerstand von 5 bis 100 Ohm-cm und mit einem auf eine Oberfläche des Plättchens aufgebrachten Metalltropfen aus einer Legierung aus Zinn, Antimon und Aluminium in einem Gewichtsverhältnis von Sn : Sb : Al wie 300 ~ 1500 :25 ~ 100 :1 auf eine Temperatur von 540 bis 940⁰C bei vermindertem Luftdruck unter 5χ 10⁵ mm Hg, Schmelzen des Metalltropfens, Haftenlassen des Metalltropfens an der Oberfläche und Abkühlen des Plättchens auf Raumtemperatur.

Durch die britische Patentschrift 9 41686 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements (Transistor oder Diode) bekannt geworden, bei dem man eine fvictallpille (oder einen Metalltropfen) auf eine obere Fläche eines Halbleiterplättchens aufbringt, und die Pille (oder den Tropfen) und das Plättchen erwärmt, bis die Pille schmilzt und an dem Plättchen haftet. Dann wird das Plättchen umgedreht, so daß sich die Pille auf der unteren Oberfläche des Plättchens befindet, und das lumgedrehte Plättchen auf eine Temperatur erwärmt, die über der vorangegangenen Erwärmungstemperatur liegt, so daß die Pille in das Plättchen einlegiert, um darin einen pn-Übergang zu bilden.

Der Zweck des Umkehrens eines Plättchens nach der britischen Patentschrift 9 41 686 besteht darin, (a) zur Herstellung eines Transistors einen zweiten pn-Übergang durch Anbringen einer kleineren Materialpille, die einlegiert werden soll, auf der oberen Oberfläche des Plättchens zu bilden, oder (b) zur Herstellung einer Diode einen ohmschen Kontakt auf einer anderen Oberfläche des Plättchens zu bilden, die nicht diejenige ist, auf der zuvor ein pn-Übergang gebildet worden ist. Nach dieser britischen Patentschrift 9 41 686 wird nach dem Umkehren des Plättchens eine kleinere Pille auf dem Plättchen angebracht. Dadurch soll ein Emitter gebildet werden.

Diese Patentschrift beschreibt jedoch nicht ein Verfahren, bei dem ein Plättchen umgedreht wird, um nur einen pn-Übergang zu bilden. Auf Grund dieser britischen Patentschrift 9 41 080 konnte nicht erwartet werden daß der vorhandene Reststrom durch Umdrehen des Plättchens und Erwärmen des Plättchens sehr verringert werden kann. .

Ein ganz ähnliches Verfahren wird ferner in der französischen Patentschrift 12 65 744 beschrieben.

In der US-Patentschrift 31 40 683 wird ein Doppellegierungsverfahren angegeben, das dann besteht daß der Legierungsvorgang in zwei Schritten durchgeführt wird, wobei das Plättchen zwischen zwei Durchgangen durch den Ofen umgedreht wird, so daß die Plattchenoberfläche, die legiert wird, jedesmal oben hegt Diese Druckschrift betrifft jedoch ein Verfahren zur Herstellung eines Transistors. Darüber hinaus ist ersichtlich, daß bei diesem Verfahren das Legieren eines Metalltropfens mit einem Plättchen immer auf der Fläche des Plättchens durchgeführt wird, die oben hegt.

Sch die deutsche Auslegeschrift Π 70 082 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements (Transistor, Diode) mit einem hyperabrupten pn-Ubereane bekannt geworden, bei dem man ein Plattchen aus Silizium mit einer auf eine Oberfläche aufgebrachten, zusammengesetzten Schicht auf eine Temperatur zwischen 670 und 790⁰C erwärmt, wodurch die zusammengesetzte Schicht schmilzt und an der einen Oberfläche haftet und wobei die zusammengesetzte Schicht Aluminium enthält. Das Plättchen wird weiter auf eine Temperatur von 950 bis 1050⁰C in Wasserstoffgas erwärmt und schließlich auf Raumtemperatur abgekühlt.

Nach diesem bekannten Verfahren kann ein hyperabrupter pn-Übergang nicht hergestellt werden. Allenfalls erreicht man einen abrupten pn-Ubergang bzw. einen stufenartigen pn-Übergang. Insbesondere ist aber nach diesem bekannten Verfahren ein schnelles Erwärmen (innerhalb von 10 Sekunden) gegen Ende der Temperaturbehandlung und ein anschließendes schnelles Abkühlen erforderlich.

Durch die US-PS 31 43 443 ist ein Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauelements (Transistor, Diode) mit einen: pn-Übergang bekanntgeworden, bei dem man ein Plättchen aus η-Silizium verwendet, auf das bei vermindertem Luftdruck von etwa 2x10·" mm Hg eine Schicht aufgebracht wird. Dann wird das Plättchen auf eine Temperatur von etwa 600°C erwärmt, wodurch die Schicht schmilzt, und an der einen Oberfläche haftet und wobei die Schicht Aluminium enthält Weiterhin wird das Plättchen auf Raumtemperatur abgekühlt und einer Zwischenbehandlung unterworfen, und danach wird das behandelte Plättchen auf eine Temperatur von etwa 1200⁰C erwärmt.

Die erste Stufe bei diesem bekannten Verfahren ist das Aufdampfen von Aluminium (und nicht einer Al-Legierung) im Vakuum. Demgegenüber wird bei dem Verfahren nach der Erfindung ein Metalltropfen, der Aluminium enthält, im Vakuum dazu gebracht, an dem Plättchen zu haften. Bei der letzten Stufe des Verfahrens nach der US-Patentschrift 3143 443 wird ferner die Diffusion des Aluminiums bei 1200⁰C in einer oxidierenden Atmosphäre durchgeführt. Im einzelnen stellt die Diffusion nach dieser Druckschrift eine Diffusion von Aluminium von der festen Si-Schicht zum n-Siliziumsubstrat in einer oxidierenden Atmosphäre dar. Aus der deutschen Auslegeschrift, 16 39 546 ist ein Verfahren zur Herstellung eines pn-Übergangs bekanntgeworden, bei dem ein Metallkügelchen Donatorenfremdatome enthält, und bei dem man das Kügelchen auf die umgedrehte Oberfläche eines

Plättchens aufbringt, so daß sich das Kügelchen auf der unteren Oberfläche befindet und man weiter das umgedrehte Plättchen mehrmals erhitzt. Danach werden Zinnkügelchen an einer Siliziumplatte mittels eines Klebemittels befestigt. Die Siluiumplatte mit dem Zinnkügelchen wird in eine aluminiumhaltige Graphit lehre eingeführt, und zwar in der Weise, daß das Zinnkügelchen unter der Siliziumplatte angeordnet wird Dann wird 2 Minuten auf 1100⁰C erhitzt. Mit dieser Behandlung soll erreicht werden, daß das Zinnkügelchen Aluminium-Dampf absorbiert, und daß das Zinnkügelchen an der Siliziumplatte festgeschmolzen wird. Der Zweck ist nicht die Bildung eines pn-Übergangs. Bei der Wärmebehandlung (1160⁰C), die als nächste Verfahrensstufe ausgeführt wird, oder bei der Wärmebehandlung (1140⁰C), die danach ausgeführt wird, trägt das in dem Zinnkügelchen absorbierte Aluminium zu der Bildung eines pn-Übergangs bei.

Dabei ist wesentlich, ob das Zinnkügelchen während der Wärmebehandlungen (1160°C, 1140⁰C) unter der Siliziumplatte oder über der Siliziumplatte angeordnet ist. Da die deutsche Auslegeschrift 16 39 546 nichts über die betreffende Stellung aussagt, ist herkömmlicherweise anzunehmen, daß das Zinnkügelchen sich über der Siliziumplatte befindet. Denn die Siliziumplatte wird mit dem Zinnkügelchen, das Aluminium absorbiert hat und an der Siliziumplatte festgeschmolzen ist, in einem Quarzrohr unter Wasserstoffgas, das Arsen-Dampf enthält, erwärmt. Dabei wird ein pn-Übergang hergestellt. Bei der Wärmbebehandlung ist es erforderlich, die Siliziumplatte aus der Graphitlehre herauszunehmen, weil sonst Arsen nicht zur Bildung eines pn-Übergangs beitragen könnte. Es war jedoch auf diesem Gebiet bisher üblich, diese Behandlungsstufen mit einem Zinnkügelchen vorzunehmen, das über der Siliziumplatte angeordnet ist.

Aufgr.be der Erfindung ist die Schaffung eines einfachen Legierungsverfahrens, nach dem eine Siliziumdiode mit hyperabruptem pn-Übergang hergestellt werden kann.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß man das Plättchen nach dem Abkühlen bei Raumtemperatur herumdreht, so daß der Metalltropfen an der einen Oberfläche nach unten hängt, und das herumgedrehte Plättchen auf eine Temperatur von 960 bis 1080⁰C in Wasserstoffgas 5 bis 40 Minuten lang erwärmt. Durch die Erfindung wird erreicht, daß die nach diesem Verfahren hergestellten Siliziumdioden mit hyperabruptem pn-Übergang einen Reststrom besitzen, der unter dem liegt, der bei einem herkömmlichen Verfahren erzielbar ist. An Hand der Zeichnungen wird eine bevorzugte Ausführungsform der Frfindung näher erläutert.

F i g. 1 ist ein Querschnitt durch ein Siliziumplätlchen mit einem daran haftenden Metalltropfen;

F i g. 2 ist ein Querschnitt durch das Siliziumplättchen de^r Fig. 1, das während des Erwärmungsvorganges umgedreht worden ist;

Fi g. 3 ist ein Querschnitt durch das Siliziumplättchen der F i g. 2 während des Abkühlungsvorganges und

Fig.4 ist ein Querschnitt durch eine Ausführuiigsform einer Siliziumdiode mit hyperabruptem Übergang. die nach dem Verfahren nach der Erfindung hergestellt worden ist.

Nach Fig. 1 wird ein Metalltropfen 2 mit gegebener Zusammensetzung auf ein Siliziumplättchen 1 gelegt. Dieser Metalltropfen 2 hat einen Schmelzpunkt, der unter dem des SiliziumpläUchens 1 liegt. Der Metalltropfen 2 auf dem Siliziumpiättchen 1 wird in einer nicht oxydierenden Atmosphäre auf eine Hafttemperatur zwischen den Schmelzpunkten des Metalltropfen 2 und des Siliziumpläuchens 1 erwärmt. Während der Erwärmung schmilzt der Metalltropfen 2 und bildet eine Kugel, die an der Oberfläche des Siliziumpläuchens 1 in der Berührungsfläche 3 haftet.

Wenn das Siliziumplättchen 1 mit dem daran haftenden Metalltropfen 2 bei der Hafttemperatur umgedreht wird, fällt der Metalltropfen 2 nicht vom Siliziumplättchen 1 ab. Das Plättchen 1 mit dem jetzt nach unten hängenden, legierten Metalltropfen 2 wird weiter in einer nicht oxydierenden Atmosphäre auf eine Temperatur erwärmt, die über d<*r Hafttemperatur und unter dem Schmelzpunkt des Plättchens 1 liegt. Während der weiteren Erwärmung greift der geschmolzene Metalltropfen 2 das Plättchen 1 an, wie in F i g. 2 gezeigt, und löst Bestandteile des Plättchens bis zur Löslichkeitsgrenze heraus. Bei der höchsten Temperatur der weiteren Erwärmung hat der geschmolzene Metalltropfen 2 eine Zusammensetzung, die im wesentlichen durch die des herausgelösten Teils 4 bestimm! ist.

Während der Abkühlung auf Raumtemperatur werden die aufgelösten Bestandteile an dem angegriffenen Teil 4 sowie an der Oberfläche des Metalltropfens 2 abgeschieden und bilden eine Abscheidungsschichi 5, und zwar vorherrschend am angegriffenen Teil, wie in F i g. 3 dargestellt. Diese Abscheidungsschicht 5 zeigt ein Epitaxialwachstum und vollendet einen Übergang an der Berührungsfläche mit dem Plättchen 1. Die Berührungsfläche hat eine regelmäßige Form, basierend auf den Indizes der Oberflächenebene des Plättchens, z. B. eine dreieckige Form auf der [111] Ebene und eine quadratische Form auf der [100]-Ebene.

Das Plättchen 1 ist ein Halbleiter, der einen pn-Übergang mit einem Metalltropfen bilden kann.

Das Metall des Metalltropfens ist ein Element, das ein Donator oder ein Akzeptor für den Halbleiter sein kann, oder eine Legierung, die im wesentlichen aus mindestens einem Element aus der Gruppe besteht, die ein Donatorenmaterial, ein Akzeptorenmaterial und ein Trägermaterial für den Halbleiter aufweist.

Ein Silizium-Einkristallhalbleiter und ein Germanium-Einkristallhalbleiter können entweder mit Aluminium oder mit Indium kombiniert werden. Die arbeitsfähige Legierung für diese Halbleiter enthält mindestens ein Trägermetall, wie etwa Zinn, Blei, Gold. Silber und deren Legierungen, und mindestens ein aktives Material, wie Phosphor, Arsen, Antimon, Wismut, Bor, Aluminium, Gallium und Indium.

Der nach einem Verfahren nach der Erfindung gebildete pn-Übergang hat einen Restslrom. der unter dem bei einem herkömmlichen Verfahren liegt. Insbesondere wird dieser Effekt gefördert, wenn der Metalltropfen als Akzeptor Aluminium enthält.

Für die einfache Praxis ist es vorteilhaft, wenn das Plättchen mit dem daran haftenden Metalltropfen nach dem Abkühlen auf Raumtemperatur umgedreht wird. Das herumgedrehte Plättchen wird in einen Ofen eingebracht und erwärmt.

Eine bessere Haftung zwischen dem Metalltropfen und dem Plättchen kann erzielt werden, wenn das Plättchen mit dem aufgelegten Metalltropfen bei vermindertem Druck unter 5 χ 10⁵ mm Hg erwärmt wird.

Das Verfahren nach der Erfindung ist besonders zur Bildung einer Siliziumdiode mit hyperabruptem Übergang geeignet, wenn Aluminium als Akzeptor verwen-

del wird. Dabei erwärmt man ein p-Halbleiterplättchen aus Silizium einem auf dessen obenliegender Oberfläche aufliegenden Metalltropfen auf eine Hafttemperatur von 540 bis 940⁰C unter vermindertem Luftdruck unter 5χ ΙΟ⁵ mm Hg, wodurch der Metalltropfen schmilzt und an der Oberfläche haftet. Dann dreht man das Plättchen bei Raumtemperatur herum, so daß der anhaftende Metalltropfen an der Oberfläche nach unien hängt. Das Plättchen mit dem Metalltropfen wird weiter auf eine Temperatur von 960 bis 1080⁰C in einer nicht oxydierenden Atmosphäre für einen Zeitraum von 5 bis 40 Minuten erwärmt, so daß der Metalltropfen das Plättchen an der Berührungsfläche angreift. Das an der Berührungsfläche von dem Metalltropfen angegriffene Plättchen wird abgekühlt. Der Metalltropfen besteht im wesentlichen aus einer Legierung von Zinn, Antimon und Aluminium in einem Gewichtsverhältnis von Sn : Sb : Al = 300 ~ 1500 : 25 ~ 100 :1. Das Plättchen aus p-Silizium hat einen spezifischen Widerstand von 5 bis lOOOhm-cm.

Beispiel

Ein poliertes Halbleiterplättchen aus p-Silizium wird in ein Quarzschiffchen gelegt. Ein Metalltropfen der Zusammensetzung aus Tabelle 1 wird auf das Plättchen gelegt. Das Plättchen hat eine quadratische Form von 2x2 mm und ist 0,2 mm stark. Der Metalltropfen hat die Form einer Pille von 0,5 mm Durchmesser und 0.5 mm Höhe.

Tabelle 1

Gewichtsanteile des Metalltropfens

Al
1

Sb
55

Sn
800

unter dem Plättchen hängt. Das herumgedrehte Plättchen in dem Quarzschiffehen wird weiter in Wasserstoff für 25 Minuten auf 1(4O⁰C erwärmt. Bei der Temperatur von 1040⁰C greift der MctaUtropfen das Plättchen an der Eterührungsfläche an und löst Silizium bis zur Löslichkeitsgrenze bei der Temperatur heraus. Gleichzeitig diffundieren Alurriiniumatome aus dem Metalltropfen durch die Ber ihrungsfläche in das Plättchen. Während des Abkühlvorganges auf Raumtemperatur wird das aufgelöste Silizium vorherrschend am angegriffenen Teil abgeschieden und bildet eine Siliziumdiode mil hyperabruptem pn-Übergang. Die abgekühlte Siliziumdiode wird mit einem Zuführungsdraht 11 am Metalltropfen 2 unter Verwendung eines herkömmlichen Lotes 12 und mit einer Molybdänelektrode 13 an der freien Oberfläche des Plättchens 1 unter Verwendung eines eutektische)! Al-Si-Lotes 14 nach F i g. 4 versehen.

Tausend Proben von Siliziumdioden mit hyperabruptem Übergang wurden gleichzeitig nach diesem Verfahren hergestellt. Die Verteilung der Restströme der 1000 Siliziumdioden wurde· untersucht. Außerdem wurden 1000 weitere Proben von Siliziumdioden mit hyperabruptem pn-Übergang nach einem Verfahren hergestellt, welches genau dem oben beschriebenen Verfahren entsprach, mit der Abwandlung, daß die Plättchen mit den daran haftenden Metalltropfen nicht herumgedreht wurden. Tabelle 2 zeigt einen Vergleich der Verteilung des Reststromes zwischen dem Verfahren nach der Erfindung und dem herkömmlichen Verfahren.

Tabelle 2

Reststrom bei
-30 V (nA)

Der Metalltropfen auf dem Plättchen wird auf eine Hafttemperatur von 66O⁰C für 20 Minuten bei vermindertem Druck von 2 χ 10⁵ mm Hg erwärmt. Während der Erwärmung schmilzt der Metalltropfen zur Form einer Kugel und haftet an dem Plättchen in der Berührungsfläche. Das abgekühlte Plättchen wird herumgedreht, so daß der kugelförmige Metalltropfen < 50

50-100

100-200

200-500

500-1000

1000-2000

2000 <

Prozeritsatz	herkömmliches
neues Verfahren	Verfahren
	0
10	4
7	3
24	10
18	16
13	15
16	52
12

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Verfahren zur Hersteilung einer Siliziumdiode mit hyperabruptem pn-Obergang unter Erwärmen eines Plättchens aus p-Silizium mit einem spezifischen elektrischen Widerstand von 5 bis 100 Ohm-cm und mit einem auf eine Oberfläche des Plättchens aufgebrachten Metalliropfen aus einer Legierung aus Zinn, Antimon und Aluminium in einem Gewichtsverhältnis von Sn : Sb : Al wie 300 ~ J 500 :25 ~ 100 :1 auf eine Temperatur von 540 bis 940⁰C bei vermindertem Luftdruck unter 5 χ 10-5 mm Hg, Schmelzen des Metalltropfens, Haftenlassen des Metalltropfens an der Oberfläche und Abkühlen des Plättchens auf Raumtemperatur, dadurch gekennzeichnet, daß man das Plättchen nach dem Abkühlen bei Raumtemperatur herumdreht, so daß der Metalltropfen an der einen Oberfläche nach unten hängt, und das herumgedreh- *> te Plättchen auf eine Temperatur von 960 bis 1080° C in Wasserstoffgas 5 bis 40 Minuten lang erwärmt.