DE1090769B - Verfahren zur Herstellung von Leitfaehigkeits- oder pn-UEbergaengen in Halbleiterkoerpern nach dem Aufschmelzverfahren - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Leitfähigkeits- oder pn-Übergängen in Halbleiterkörpern nach dem Aufschmelzverfahren unter Verwendung von Begrenzungskörpern für die Schmelze. Dieses Verfahren wird insbesondere angewandt bei der Herstellung halbleitender Elektrodensysteme, z. B. Kristalldioden und Transistoren. Es ist bekannt, dazu auf den Halbleiterkörper mindestens einen Körper zu stellen, der aus einer wirksamen Verunreinigung besteht oder der eine solche Verunreinigung enthält und der nachstehend Aufschmelzkörper genannt wird, welche Körper mittels einer Matrize einander gegenüber fixiert und darauf erhitzt werden, in der Weise, daß nur der Aufschmelzkörper schmilzt und mit einem Teil des Halbleiterkörpers eine geschmolzene Legierung bildet. Die Matrize bildet dabei einen Begrenzungskörper für die Schmelze. Es ist auch üblich, zwei oder mehr solcher Aufschmelzkörper gleichzeitig auf einen Halbleiterkörper aufzuschmelzen, und schließlich kann auch ein Aufschmelzkörper zwischen zwei Halbleiterkörper eingeschmolzen werden.

Ein solches Verfahren wird oft zur Herstellung von Legierungselektroden durchgeführt, wobei das Material des Aufschmelzkörpers, das nachstehend Aufschmelzmaterial genannt wird, mit dem halbleitenden Material eine Legierung bildet. Das halbleitende Material kristallisiert bei Kühlung wieder aus und wächst an das ursprüngliche Kristallgitter an. Die Eigenschaften dieses zugewachsenen Materials werden zum größten Teil durch die wirksame Verunreinigung im Aufschmelzmaterial oder durch dieses Material selbst bedingt, das mit dem halbleitenden Material in inniger Verbindung bleibt. Dabei entsteht ein Leitfähigkeits- oder pn-übergang zwischen dem ursprünglichen Halbleitermaterial und dem zugewachsenen Material.

Es ist jedoch auch möglich, das Aufschmelzmaterial so zu wählen, daß weder Zusammenschmelzung noch Legierung stattfindet, sondern nur eine Diffusion der wirksamen Verunreinigung in das halbleitende Material eintritt; in diesem Fall kann das Aufschmelzmaterial nach Kühlung entfernt werden; der darunterliegende Teil des ursprünglichen Halbleiterkörpers hat sich dabei durch Diffusion geändert und bildet einen Leitfähigkeits- oder pn-übergang mit dem Rest des Körpers.

Die Matrize muß aus feuerfestem Material hergestellt werden, unter dem hier ein Material zu verstehen ist, das einer Erhitzung bis zur Schmelztemperatur des Aufschmelzmaterials oder den gegebenenfalls höheren Temperaturen beim Aufschmelzen Widerstand leisten kann ohne Verlust an Formfestigkeit. Solche Matrizen werden meistens aus sehr reinem Verfahren zur Herstellung
von Leitfähigkeits- oder pn-Übergängen

in Halbleiterkörpern
nach dem Aufschmelzverfahren

Anmelder:

N. V. Philips' Gloeilampenfabrieken,
Eindhoven (Niederlande)

Vertreter: Dr. rer. nat. P. Roßbach, Patentanwalt,
Hamburg I₁ Mönckebergstr. 7

Beanspruchte Priorität:
Belgien vom 9. Januar 1957

Jan Koens
und Johannes Jacobus Asuerus Ploos Van Amstel,

Eindhoven (Niederlande),
sind als Erfinder genannt worden

Graphit hergestellt. Da mit Rücksicht auf die zum Fixieren der Aufschmelzkörper erforderliche Genauigkeit auch die Matrizen sehr hohen Anforderungen genügen müssen, und da weiter die Matrizen sich infolge der sehr hohen Temperaturen, denen sie ausgesetzt sind, stark abnutzen, kann eine solche Matrize nicht sehr oft benutzt werden, und deren Ersatz verursacht hohe Kosten und großen Zeitverlust. Außerdem lassen sich solche Matrizen praktisch nicht vollkommen an den Halbleiterkörper anschließen, so daß die Schmelze oft zwischen der Matrize und diesem Körper einfließen wird.

Bei dem Verfahren nach der Erfindung werden diese Nachteile vermieden. .

Bei diesem wird zunächst das Aufschmelzmaterial in der gewünschten Lage auf den Halbleiterkörper fixiert und dann von einer flüssigen, breiigen, zu einer feuerfesten Substanz erhärtbaren Masse umgeben, welche nach Erhärtung als Begrenzungskörper bei der nachfolgenden Schmelzbehandlung dient.

Ein Körper aus Aufschmelzmaterial kann einfach gegen den halbleitenden Körper gedrückt werden; das

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Material kann aber auch auf dem halbleitenden Körper bei einer so niedrigen Temperatur festgeschmalzen werden, daß das Material praktisch nicht ausfließt.

Die flüssige, breiige Masse kann z. B. durch Trocknen und/oder eine chemische Reaktion gehärtet werden.

Da die innere Form des feuerfesten Materials durch die ursprüngliche Form des Aufschmelzmaterials bedingt wird, wird eine gute Ausfüllung der zuerst genannten Form stets gewährleistet. Es ist zwar bereits bekannt, zunächst auf den halbleitenden Körper eine isolierende Form zu stellen, in die darauf Elektrodenmaterial gegossen wird (s. z. B. die niederländische Patentschrift 45 839, Fig. 1), jedoch ist dieses Verfahren weniger einfach als das Verfahren nach der Erfindung.

Es wurde auch schon vorgeschlagen, beim Auflegieren von Elektroden auf Halbleiterkörper die verschiedenen Teile in Pulver einer mit diesen Teilen nicht reagierenden Substanz einzubetten und in diesem Zustand der Erhitzung bis zur Legierungsbildung auszusetzen. Die Teile werden bei diesem Verfahren zusammengepreßt, wobei von dem Pulver ein allseitiger Druck wie von einer Flüssigkeit ausgeübt wird. Bei diesem Verfahren wird also das Aufschmelzmaterial nicht vorher auf dem Halbleiterkörper fixiert, und das Pulver bildet keine durch Erhärten entstandene Begrenzungskörper.

Das Verfahren nach der Erfindung wird nachstehend an Hand einer Anzahl von Ausführungsbeispielen, näher erläutert, die in Figuren veranschaulicht sind.

Diese Figuren zeigen halbleitende Elektrodensysteme in stark vergrößertem Maßstab in verschiedenen Stufen des Herstellungsprozesses.

Die Fig. 1 und 3 bis 15 zeigen Schnitte, und Fig. 2 zeigt eine Draufsicht nach Fig. 1.

Die Figuren zeigen einfachheitshalber jeweils nur die Anbringung einer Elektrode auf einem halbleitenden Körper: die Anbringung mehrerer Elektroden geschieht in gleicher Weise.

In Fig. 1 ist der halbleitende Körper mit \, der Aufschmelzkörper ist mit 2 bezeichnet. Die Elemente, \^rerbindungen oder Legierungen, aus denen sie zusammengesetzt sind werden nicht ausführlich erörtert. Grundsätzlich sind brauchbar alle Materialien, die zur Herstellung halbleitender Elektrodensysteme in Betracht kommen. Der Körperl besteht z.B. aus n-leitendem Germanium, der Körper 2 aus Indium.

Der Körper 2 hat zweckmäßig mindestens eine Seite, die sich gut an den halbleitenden Körper 2 anschließt. Bei den dargestellten Beispielen sind beide flach.

Der Körper 2 wird zunächst mittels zweier Halterungen 3 (Fig. 2) genau an die gewünschte Stelle gebracht und darauf von einem Stempel 4 festgehalten, während die Halterungen 3 weggenommen werden.

Darauf wird eine Menge eines Breies 5 (Fig. 3) aufgebracht, welcher derart zusammengesetzt ist, daß er durch Erhärtung eine feuerfeste Masse bilden kann.

Es ist z. B. ein Brei brauchbar, der aus 125 g Aluminiumoxyd, 20 ecm Äthylglycol und 10 ecm Butanol zusammengesetzt ist, in dem etwa Nitrozellulose gelöst ist. Sobald sich dieser Brei, in diesem Falle durch Trocknen, so weit gehärtet hat, daß eine Verschiebung des Körpers nicht mehr zu befürchten ist, kann der Stempel 4 entfernt werden. Im allgemeinen sind die Abmessungen halbleitender Elektrodensysteme so klein und somit auch die der durch die Entfernung des Stempels entstandene Öffnung 6, daß das geschmolzene Material nicht durch diese Öffnung wegfließen wird. Besteht diese Gefahr dennoch, so kann die Öffnung durch die Anbringung einer größeren Menge Brei geschlossen werden.

Das Elektrodensystem wird dann auf an sich bekannte Weise erhitzt, wobei das Material des Körpers 2 schmilzt und eine kleine Menge des halbleitenden Materials 1 sich in dem Material des Körpers 2 löst. Nach Abkühlung kristallisiert das halbleitende Material wieder aus und wächst an dem Kristallgitter des Körpers 1 an. Die Eigenschaften dieses auskristallisierten Materials werden von einem gewissen Gehalt an wirksamen Verunreinigungen aus dem Material 2, in diesem Falle Indium, beeinflußt. Die dabei auftretenden Erscheinungen sind beschrieben von unter anderem E. W. Herold »British Journal of Applied Physics«, Bd. V (April 1954), S. 115 bis 126. Die Erhitzung und die Zusammensetzung des Elektrodenmaterials können auch so gewählt werden, daß die Eigenschaften der gebildeten Elektrode stark oder auch ganz durch in das halbleitende Material eindiffundierte wirksame Verunreinigungen bestimmt werden.

In allen Figuren ist die Grenzfläche zwischen dem Material des Körpers 2 und dem halbleitenden Körper 1 flach vor der Durchführung der Erhitzung und konkav nach Beendigung dieses Vorganges angegeben.

Diese übliche, schematische Darstellungsweise ist jedoch nicht so gemeint, daß die wirkliche Grenzfläche gekrümmt sein soll. Im Gegenteil, es wird danach gestrebt, die wirkliche Grenzfläche gemäß einer der Hauptebenen des Kristallgitters verlaufen zu lassen.

Nach dem Schmelzen des Materials des Körpers 2 kann dieses sich infolge der Oberflächenspannung etwas aus den Ecken der von der Masse 5 gebildeten Umhüllung zurückziehen und in der Öffnung 6 emporsteigen (Fig. 4).

In das Aufschmelzmaterial kann darauf durch vorsichtige Erwärmung ein Zuführungsdraht 7 eingeführt werden; dabei kann die Umhüllung 5 verhüten, daß das Aufschmelzmaterial über die gebildete Grenzfläche ausfließt (Fig. 5). Die Umhüllung kann jedoch auch vorher entfernt werden, wobei auf übliche Weise vorsichtig ein Zuführungsdraht an dem Aufschmelzmaterial befestigt werden kann (Fig. 6).

Die aus dem Brei gebildete Umhüllung läßt sich z. B. durch Bürsten oder durch chemische Lösung oder durch beides entfernen. Die Umhüllung ist hinreichend formfest, um das gschmolzene Material an seiner Stelle festzuhalten, kann aber leicht durch Bürsten entfernt werden, ohne daß eine Beschädigung der Elektrode eintritt.

Die Fig. 7 bis 11 beziehen sich auf ein Verfahren, bei dem das Aufschmelzmaterial mit dem halbleitenden Körper 10 mittels eines Klebmittels verbunden wird. Das letztere, welches z. B. aus einer Lösung von Harz in Alkohol oder einer Lösung von Nitrozellulose in Amylacetat bestehen kann, kann zunächst in Form einer dünnen Schicht 11 auf den halbleitenden Körper gebracht werden (Fig. 7), und darauf wird das Aufschmelzmaterial 12 darauf festgeklebt (Fig. 8). Man kann dieses Material jedoch auch unmittelbar auf den Körper bringen und mittels einer kleinen Menge eines Klebmittels festlegen. Darauf wird ein flüssiger Brei 13, dessen Zusammensetzung bereits angegeben wurde, über das Gebilde gebracht (Fig. 9), und das Material 12 wird geschmolzen. Das Klebmittel 11 ist derart gewählt, daß es bei der Wärmebehandlung vollkommen verschwindet. Der resultierende Raum 14 in der Form ist in Fig. 10 zwar gezeichnet, spielt aber praktisch keine Rolle, da er verschwindend klein ist. Schließlich

wird die Umhüllung entfernt und ein Zuführungsdraht 15 angebracht (Fig. 11).

Das Verfahren nach der Erfindung schafft auch die Möglichkeit, den Elektroden eine Gestalt zu geben, die bisher schwierig zu verwirklichen war. Fig. 12 zeigt, auf welche Weise auf einen Körper 20 aus p-Typ-Germanium ein Draht 21 aus Blei mit 10 Gewichtsprozent oder mit 2 Gewichtsprozent Antimon gebracht wird. Dieser Draht wird bis zu einer Höhe von einigen Millimetern mit dem Brei 22 umgeben. Nach Erhärtung des letzteren wird der Draht 21 bei 23 abgeschnitten (Fig. 13).

Darauf folgt eine Wärmebehandlung, bei der das von dem Draht 21 gebildete Aufschmelzmatrial schmilzt. Schließlich wird die Umhüllung 22 wieder entfernt, worauf der Draht 21 mit einem Zuführungsdraht 24 versehen wird. Wenn dagegen der Draht 21 in einer üblichen Matrize, z. B. aus Graphit, geschmolzen wird, läßt sich diese Matrize praktisch nicht entfernen, ohne daß der Draht beschädigt wird. Außerdem können mit Hilfe des Verfahrens nach der Erfindung bequem Elektroden sehr kleiner Bemessung hergestellt werden.

Bei den vorstehend angegebenen Beispielen wurden jeweils Legierungselektroden hergestellt. Die Fig. 16 und 17 veranschaulichen die Herstellung eines pn-Überganges durch Diffusion.

Auf einen halbleitenden Körper 30 aus n-leitendem Silicium wird ein Draht 31 aus Indium gelegt und mit einem Brei 32, der wieder aus Aluminiumoxyd, etwas Nitrozellulose und einem Lösungsmittel bestehen kann, überzogen. Das Ganze wird nach Trocknen und Erhärten des Breies während 5 Stunden auf eine Temperatur von 1200° C erhitzt, wobei der Draht 31, der das Aufschmelzmaterial bildet, schmilzt. Durch Diffusion wird das untenliegende Silicium bis zu einer Tiefe von etwa 20 μ in den p-Leitfähigkeitstyp umgewandelt. Da die Lösungsfähigkeit von Silicium für Indium sehr gering ist, ist die Eindringtiefe infolge der Legierung vernachlässigbar. Nach Beendigung dieses Verfahrens werden die Umhüllung 32 und das Aufschmelzmaterial 31 entfernt, aber in dem Körper 30 ist dann ein p-Leitfähigkeitsgebiet 33 gebildet (Fig. 17), das auf an sich bekannte Weise mit einem Zuführungsdraht versehen werden kann oder auf dem andere Elektroden angebracht werden können.

Eine Abart der Befestigungsweise des Zuführungsdrahtes 7 nach den Fig. 5 und 6 besteht darin, daß dieser Zuführungsdraht bereits vor der Aufschmelzung des Aufschmelzmaterials an seiner Stelle angebracht und auch von der Umhüllung 5 umgeben wird. Wenn auf übliche Weise dafür gesorgt wird, daß der Draht und das erwähnte Aufschmelzmaterial sich verschmelzen, bleibt der Zuführungsdraht nach der Entfernung der Form steif mit der gebildeten Elektrode verbunden.

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung von Leitfähigkeitsoder pn-Übergängen in Halbleiterkörpern nach dem Aufschmelzverfahren unter Verwendung von Begrenzungskörpern für die Schmelze, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst das Aufs'chmelzmaterial in der gewünschten Lage auf dem Halbleiterkörper fixiert und dann von einer flüssigen, breiigen, zu einer feuerfesten Substanz erhärtbaren Masse umgeben wird, welche nach Erhärtung als Begrenzungskörper bei der nachfolgenden Schmelzbehandlung dient.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst das Aufschmelzmaterial bei verhältnismäßig niedriger Temperatur mit dem halbleitenden Körper zusammengeschmolzen, darauf von einer Form umgeben und schließlich bei höherer Temperatur mit dem halbleitenden Körper legiert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein aus dem Aufschmelzmaterial bestehender Körper auf dem halbleitenden Körper festgeklebt wird und darauf von einer Form umgeben und aufgeschmolzen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die flüssige, breiige Masse durch Trocknen erhärtet wird.

5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein aus dem Aufschmelzmaterial bestehender Draht mit einem Ende .gegen den halbleitenden Körper gebracht, darauf von einer Form umgeben und an diesem Ende an.dem halbleitenden Körper festgeschmolzen wird, worauf die Form gegebenenfalls entfernt und ein Zuführungsdraht mit dem freien Ende des Elektrodendrahtes verbunden wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß auf einem aus dem Aufschmelzmaterial bestehenden Körper ein Zuführungsdraht gebracht wird, worauf die beiden von einer Form umgeben werden und das Aufschmelzmaterial geschmolzen wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Französische Patentschriften Nr. 1115 448,
088 007.

In Betracht gezogene ältere Patente:
Deutsches Patent Nr. 1 015 152.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

© 009 627/322 10.60