DE1180852B - Method for the production of semiconductor arrangements with at least one pn junction produced by alloying - Google Patents
Method for the production of semiconductor arrangements with at least one pn junction produced by alloyingInfo
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Description
DEUTSCHESGERMAN
PATENTAMTPATENT OFFICE
AUSLEGESCHRIFTEDITORIAL
Internat. Kl.: HOIlBoarding school Kl .: HOIl
Deutsche KL: 21g-11/02 German KL: 21g-11/02
Nummer: 1180 852Number: 1180 852
Aktenzeichen: S 76191 VIIIc /21gFile number: S 76191 VIIIc / 21g
Anmeldetag: 9. Oktober 1961 Filing date: October 9, 1961
Auslegetag: 5. November 1964Opening day: November 5, 1964
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Halbleiteranordnungen mit wenigstens einem durch Legieren erzeugten flächenhaften pnübergang, bei dem ein Dotierungsmetall in Form eines ausgestanzten Metallplättchens in den Halbleiterkörper einlegiert wird.The invention relates to a method for producing semiconductor arrangements with at least a planar pn junction produced by alloying, in which a doping metal is in the form a punched metal plate is alloyed into the semiconductor body.
Die Herstellung sehr kleiner legierter pn-Ubergänge ist wegen der Kleinheit der Systemteile äußerst schwierig. Vor allem gelingt es nur schwer, bei einer Vielzahl von Halbleitersystemen für alle Systeme gleiche Legierungsbedingungen einzustellen und einzuhalten. Die Einhaltung gleicher Legierungsbedingungen ist aber neben der sorgfältigen Auswahl des Dotierungsmetalls eine wesentliche Voraussetzung für die Herstellung gleichartiger pn-Übergänge. Die gleichartige Beschaffenheit der pn-Übergänge ist jedoch wiederum eine wesentliche Voraussetzung für die Reproduzierbarkeit der Daten der herzustellenden Halbleitersysteme.The production of very small alloyed pn junctions is extremely difficult because of the small size of the system parts difficult. Above all, it is difficult to achieve with a large number of semiconductor systems for all systems to set and comply with the same alloying conditions. Compliance with the same alloy conditions but is an essential prerequisite in addition to the careful selection of the doping metal for the production of similar pn junctions. The similar nature of the pn junctions is, however again an essential prerequisite for the reproducibility of the data to be produced Semiconductor systems.
Zur Herstellung sehr kleiner pn-Übergänge mit reproduzierbaren Eigenschaften ist es deshalb notwendig, das Dotierungsmetall in sehr kleinen, genau definierten Mengen auf die dafür vorgesehenen Stellen der Halbleiteroberfläche aufzubringen. Dies gelingt aber bei Anwendung der bekannten Verfahren nicht oder nur in sehr beschränktem Maße.To produce very small pn junctions with reproducible properties, it is therefore necessary to the doping metal in very small, precisely defined amounts to the intended To apply places on the semiconductor surface. However, this succeeds when the known methods are used not or only to a very limited extent.
Bei den bekannten Verfahren, bei denen das Aufbringen des Dotierungsmetalls auf die Halbleiteroberfläche entweder durch Auftropfen mittels einer Kapillare bzw. durch die Anwendung geeigneter Legierungsformen erfolgt oder aber dadurch bewerkstelligt wird, daß eine mit Legierungsmetall überzogene Nadel bzw. ein entsprechend präparierter Draht mit der Halbleiteroberfläche in Berührung gebracht und bis zur Ausbildung eines pn-Überganges mit dieser bei erhöhter Temperatur in Berührung gehalten wird, läßt sich die Menge des einzulegierenden Metalls nur sehr schwer und in einem für die Herstellung sehr kleiner pn-Übergänge unzureichenden Maße exakt einstellen. Außerdem läßt sich die Lokalisierung der Legierungsstellen nicht mit der erforderlichen Genauigkeit erreichen.In the known methods in which the application of the doping metal to the semiconductor surface either by dropping it on using a capillary or by using a suitable one Alloy forms takes place or is brought about by the fact that a coated with alloy metal The needle or a suitably prepared wire is brought into contact with the semiconductor surface and kept in contact therewith at an elevated temperature until a pn junction is formed is, the amount of metal to be alloyed can be very difficult and in one for the production Set very small pn-junctions exactly inadequate dimensions. In addition, the localization of the alloy points cannot be reached with the required accuracy.
Mit dem Verfahren zum Herstellen von Halbleiteranordnungen mit wenigstens einem durch Legieren
erzeugten pn-übergang, insbesondere von Tunneldioden, bei dem ein Dotierungsmetall in Form eines
ausgestanzten Metallplättchen in den Halbleiterkörper einlegiert wird, läßt sich sowohl die definierte
Bemessung der Menge des Dotierungsmetalls als auch die genaue Lokalisierung der Legierungsstellen
auf der Halbleiteroberfläche gemäß der Erfindung dadurch erreichen, daß das vom Stanzstempel her-Verfahren
zur Herstellung von Halbleiteranordnungen mit wenigstens einem durch
Legieren erzeugten pn-übergangWith the method for producing semiconductor arrangements with at least one pn junction produced by alloying, in particular tunnel diodes, in which a doping metal in the form of a punched metal plate is alloyed into the semiconductor body, both the defined dimensioning of the amount of doping metal and the exact Achieve localization of the alloy sites on the semiconductor surface according to the invention by the fact that the stamping method for the production of semiconductor devices with at least one by
Alloying produced a pn junction
Anmelder:Applicant:
Siemens & Halske Aktiengesellschaft,Siemens & Halske Aktiengesellschaft,
Berlin und München,Berlin and Munich,
München 2, Witteisbacherplatz 2Munich 2, Witteisbacherplatz 2
Als Erfinder benannt:
Dipl.-Phys. Dr. Heinz Dorendorf,
Dipl.-Geophys. Alfred Ottmann, München,
Otto Wild, DeisenhofenNamed as inventor:
Dipl.-Phys. Dr. Heinz Dorendorf,
Dipl.-Geophys. Alfred Ottmann, Munich,
Otto Wild, Deisenhofen
ausgelöste Metallplättchen auf eine Nadelspitze gedrückt, auf dieser aufgespießt und vor dem Aufsetzen auf den Halbleiterkörper an der Nadelspitze zum Schmelzen gebracht, dann mit deren Hilfe in einer reduzierenden Schutzgasatmosphäre auf bestimmte Stellen des Halbleiterkörpers aufgebracht und anschließend in den Halbleiterkörper einlegiert wird.released metal plates pressed onto a needle point, impaled on this and before putting on melted on the semiconductor body at the needle tip, then with their help in a reducing protective gas atmosphere applied to certain points of the semiconductor body and then is alloyed into the semiconductor body.
Bei einer Ausführungsform des Verfahrens gemäß der Erfindung ist vorgesehen, daß nach dem Aufsetzen des MetaUplättchens auf dem Halbleiterkörper die Nadel vom geschmolzenen Metallplättchen abgezogen wird.In one embodiment of the method according to the invention it is provided that after the placement of the metal plate on the semiconductor body, the needle is pulled off the molten metal plate will.
Bei der Verwendung von .konisch spitz zulaufenden Nadeln wirken sich zuweilen kleinste Oberflächenfehler an der Nadelspitze beim Schmelzen des an der Nadel hängenden Plättchens ungünstig aus, da durch diese Oberflächenfehler die Oberflächenspannungsverhältnisse so verändert werden, daß das geschmolzene Plättchen seitlich an der Nadelspitze hochgezogen wird. Es ist deshalb zweckmäßig, das Nadelende durch Entfernung der Spitze zu einem Kegelstumpf abzuflachen und die Abmessungen so zu wählen, daß der Durchmesser der Vorderseite dieses Kegelstumpfes kleiner als der Durchmesser des aufzuspießenden Metallplättchens ist.When using conically tapering needles, the smallest surface defects sometimes have an effect at the tip of the needle when the plate hanging on the needle melts unfavorably, because these surface defects change the surface tension ratios in such a way that the molten platelet is pulled up on the side of the needle tip. It is therefore appropriate that the Flatten the end of the needle to a truncated cone by removing the tip and the dimensions like this to choose that the diameter of the front of this truncated cone is smaller than the diameter of the is to be impaled metal plate.
Die Verwendung derartig ausgebildeter Nadeln hat den Vorzug, daß das einzulegierende Metall beim Schmelzen Tröpfchenform behält. Auf diese Weise läßt sich eine genaue Lokalisierung der Legierungsstellen bewirken. The use of needles designed in this way has the advantage that the metal to be alloyed in Melting droplet shape retains. In this way, the alloy points can be precisely localized.
Ein weiterer Vorteil bei der Verwendung derartig ausgebildeter Nadeln kann darin gesehen werden,Another advantage of using needles designed in this way can be seen in
409 710/302409 710/302
daß die Menge des an der Nadelspitze haftenden Dotierungsmetalls durch Oberflächenkräfte bestimmt wird, wodurch eine genaue Begrenzung der Menge des Dotierungsmaterials erfolgt.that the amount of the doping metal adhering to the needle tip is determined by surface forces is, whereby a precise limitation of the amount of the doping material takes place.
Es ist bekannt, daß durch Verwendung von Aluminium als zusätzliches Dotierungsmaterial der Emitterwirkungsgrad, d. h. das Verhältnis zwischen dem in die Basiszone injizierten Strom und dem Gesamtstrom durch den Emitter, verbessert werden kann. Das Dotieren mit Aluminium bereitet wegen der Oxydhautbildung auf Aluminium oder aluminiumhaltigen Legierungen beträchtliche Schwierigkeiten. So wurde schon vorgeschlagen, das Aluminium durch Rütteln oberflächenmäßig derart vorzubereiten, daß es legierungsbereit wird, oder durch vorheriges Verbinden von Aluminiumscheibchen das Aluminium zum Einlegieren in Germaniumeinkristalle zwecks Dotierung derselben vorzubereiten. Beide Verfahren erscheinen für die Herstellung sehr kleiner Übergänge wenig geeignet. Da das Aluminium nur als zusätzliches Dotierungsmaterial in den Übergang eingebracht werden soll, d. h. da die Aluminiumkonzentrationen klein sind, genügt für den Dotierungsprozeß das vorübergehende Eintauchen eines Aluminiumteiles in die geschmolzenen Metalle während des Legierens. Besonders günstig ist es daher, bei dem Verfahren nach der Erfindung für das Aufnehmen der einzulegierenden Metallplättchen eine Nadel aus Aluminium zu verwenden und beim Einlegieren die Dotierung mit Aluminium bis zur gewünschten Konzentration dadurch durchzuführen, daß man die Aluminiumnadel in dem auf das HaIbleiterplättchen aufgesetzten geschmolzenen Metallplättchen einige Zeit beläßt.It is known that by using aluminum as an additional doping material Emitter efficiency, d. H. the ratio between the current injected into the base zone and the total current through the emitter, can be improved. The doping with aluminum prepares for the formation of oxide skins on aluminum or aluminum-containing alloys causes considerable difficulties. It has already been proposed to prepare the surface of the aluminum by shaking it in such a way that it that it is ready for alloying, or by joining aluminum disks beforehand Prepare aluminum for alloying in germanium single crystals for the purpose of doping the same. Both processes appear to be unsuitable for the production of very small transitions. Because the aluminum should only be introduced into the transition as additional doping material, d. H. because the aluminum concentrations are small, it is sufficient for the doping process to temporarily immerse an aluminum part in the molten metals during of alloying. It is therefore particularly favorable in the method according to the invention for the recording to use an aluminum needle for the metal plate to be alloyed and when alloying to carry out the doping with aluminum up to the desired concentration, that the aluminum needle is placed in the molten metal plate placed on the semiconductor plate leaves some time.
Dieses Verfahren zur Aluminiumdotierung unterscheidet sich gegenüber ähnlichen Verfahren dadurch vorteilhaft, daß es zur Dotierung sehr kleiner pn-Übergänge verwendet werden kann und daß sich außerdem höhere Aluminiumkonzentrationen in der Trägersubstanz vermeiden lassen, als zur Erzielung des gewünschten Dotierungseffektes notwendig sind. Dies bedingt eine leichtere Weiterbehandlung und Verbesserung der mechanischen Eigenschaften der legierten Systemteile.This process for aluminum doping differs from similar processes in this respect advantageous that it can be used for doping very small pn junctions and that in addition, avoid higher aluminum concentrations in the carrier substance than to achieve this the desired doping effect are necessary. This requires easier further treatment and Improvement of the mechanical properties of the alloyed system parts.
Das hier geschilderte Verfahren ermöglicht es, pn-Übergänge herzustellen, deren Kapazität bei entsprechender Kleinheit der Metallplättchen unter 10 pF liegt. Die aufzulegierenden Metallplättchen können mit einer Genauigkeit bis zu ±0,1 mm auf die HaIbleiterplättchen aufgesetzt und in diese einlegiert werden. Die Wärmeträgheit der auf diese Weise hergestellten pn-Übergänge ist so gering, daß bei Materialien, die bis zur Entartungskonzentration dotiert sind, Rekristallisationszonen von weniger als 3 μ Dicke erhalten werden. Die sehr ebenen flächenhaften Übergänge haben bei geeignet gewähltem Legierungsprogramm außerdem eine große Steilheit; Dicken der Übergänge von 150 Ä und darunter lassen sich in reproduzierbarer Weise herstellen.The method described here makes it possible to produce pn junctions, the capacity of which is appropriate Smallness of the metal platelets is less than 10 pF. The metal plates to be applied can placed on the semiconductor plate with an accuracy of up to ± 0.1 mm and alloyed into it. The thermal inertia of the pn junctions produced in this way is so low that for materials which are doped up to the degeneracy concentration, recrystallization zones of less than 3 μ Thickness can be obtained. The very flat, two-dimensional transitions have a suitably chosen alloy program also a great steepness; Transition thicknesses of 150 Å and below can be produced in a reproducible manner.
Das folgende Beispiel beschreibt Einzelheiten bei der Anwendung des Verfahrens zur Herstellung von Tunneldioden.The following example describes details in using the process to produce Tunnel diodes.
Gemäß F i g. 1 wird ein runder Stanzstempel 1 von etwa 0,1 mm Durchmesser von unten her gegen eine Indium-Gallium-Folie 3 von etwa 30 μ Dicke geführt, die von der mit einem Loch von etwa 0,1 mm Durchmesser versehenen Kupfermatrize 2 festgehalten wird. Das ausgestanzte Plättchen4 (Fig. 2; gleiche Teile sind in allen Figuren mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet) wird vom Stanzstempel 1 gegen die gleichzeitig gesenkte Nadel 5 gedrückt und auf dieser aufgespießt. Wie in F i g. 3 gezeigt, wird die Nadel 5 in eine weitere Vorrichtung geführt, in der der eigentliche Legierungsprozeß durchgeführt wird. In der mit Schutzgas durchspülten Kammer 6 ruht das mit einem pn-übergang zu versehende Halbleiterplättchen 9 auf dem Kristallträger 8, unter dem sich eine Heizvorrichtung 7 befindet. Der Kristallträger 8 wird gemäß dem Legierprogramm erwärmt, während von oben die Nadel 5 mit dem Indium-Gallium-Plättchen eingeführt und durch die zusätzliche Heizvorrichtung 10 über dem Halbleiterplättchen 9 erwärmt wird. Durch die Erwärmung schmilzt das Metallplättchen an der abgeflachten Nadelspitze (F i g. 4) zu einem Tröpfchen von etwa 40 μ Durchmesser, bleibt aber wegen der Oberflächenspannung an der Nadelspitze hängen. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gelang es, derartige Tröpfchen bis zu einem Minimaldurchmesser von 30 μ in reproduzierbarer Weise herzustellen und einzulegieren. In dem durch die seitlichen Ansatzstutzen 11 und 12 ein- bzw. ausströmenden Schutzgas werden die Oberflächen des Legierungskügelchens und des Halbleiterplättchens reduziert. Anschließend wird unter ständiger Beheizung durch die beiden Heizvorrichtungen 7 und 10 die Nadel so weit gesenkt, bis das Legierungskügelchen das Halbleiterplättchen berührt. Die durch die Reduktion mit dem Schutzgas gesäuberten Oberflächen von Halbleiterplättchen und Legierungskügelchen benetzen sich sofort und legieren miteinander. Die Nadel kann sofort nach oben zurückgezogen werden; das Kügelchen bleibt auf dem Halbleiterplättchen zurück (F i g. 5).According to FIG. 1 is a round punch 1 of about 0.1 mm in diameter from below against a Indium gallium foil 3 of about 30 μ thickness led from that with a hole of about 0.1 mm in diameter provided copper die 2 is held. The punched-out plate4 (Fig. 2; same parts are denoted in all figures with the same reference numerals) is from the punch 1 against the same time lowered needle 5 pressed and impaled on this. As in Fig. 3, the needle is 5 in out another device in which the actual alloying process is carried out. In the with In the chamber 6 flushed through protective gas, the semiconductor wafer to be provided with a pn junction rests 9 on the crystal carrier 8, under which a heating device 7 is located. The crystal carrier 8 is according to the alloying program, while the needle 5 with the indium-gallium plate is heated from above is introduced and heated by the additional heating device 10 above the semiconductor wafer 9. As a result of the heating, the metal plate melts into one at the flattened needle tip (FIG. 4) Droplets about 40 μ in diameter, but remain on the tip of the needle due to the surface tension hang. With the method according to the invention it was possible to obtain such droplets down to a minimum diameter of 30 μ can be produced and alloyed in a reproducible manner. In the one by the side The protective gas flowing in and out are the surfaces of the alloy spheres and the die. Then it is under constant heating by the two heating devices 7 and 10, the needle is lowered until the alloy ball touches the die. The surfaces cleaned by the reduction with the protective gas of semiconductor wafers and alloy spheres wet one another immediately and alloy with one another. the The needle can be withdrawn upwards immediately; the bead remains on the die back (Fig. 5).
Bei manchen Legierprogrammen kann es sich als zweckmäßig erweisen, die Benetzung der beiden Metalle durch ein Flußmittel noch zu verbessern.In some alloying programs, it can be useful to wet the two Metals can be improved with a flux.
Soll die eine Seite des Übergangs mit Aluminium zusätzlich dotiert werden, so "wird bei sonst gleichartiger Anordnung eine Nadei aus Aluminium verwendet, die beim Einlegieren des Indium-Gallium-Kügelchens so lange mit diesem in Kontakt gehalten wird, bis die gewünschte Aluminiumkonzentration dadurch erreicht worden ist, daß Aluminium aus der Nadel in dem geschmolzenen Indium-Gallium in Lösung gegangen ist. Die dazu benötigte Zeit hängt natürlich von dem speziellen, jeweils zur Anwendung kommenden Legierprogramm ab.If one side of the junction is to be additionally doped with aluminum, "will otherwise be the same Arrangement a needle made of aluminum is used when alloying the indium-gallium spheres is kept in contact with this until the desired aluminum concentration is reached has been achieved by removing aluminum from the needle in the molten indium gallium in Solution has gone. The time required for this naturally depends on the specific application coming alloy program.
Die Legierung des Metallplättchens mit dem Halbleiterkörper ist so fest und vollständig, daß beim folgenden starken Unterätzen, wie es zur Herstellung kleiner Sperrschichtkapazitäten von Tunneldioden notwendig ist, die Rekristallisationsschicht bis auf Durchmesser von 10 μ verkleinert werden kann.The alloy of the metal plate with the semiconductor body is so strong and complete that in the following strong undercutting, as it is used to produce small junction capacities of tunnel diodes it is necessary that the recrystallization layer can be reduced to a diameter of 10 μ.
Das geschilderte Verfahren ist ganz allgemein zum Einlegieren insbesondere kleiner Metallplättchen in einen Halbleiterkörper in genau definierter Weise geeignet. Es ist ferner möglich, gemäß diesem Verfahren ein zweites oder weitere dem ersten in ihren Abmessungen gleiche oder vom ersten verschiedene Metallplättchen in genau definierten Abständen neben das erste zu setzen und einzulegieren.The method described is very general for alloying, in particular, small metal platelets in a semiconductor body suitable in a precisely defined manner. It is also possible according to this procedure a second or more the same as the first in their dimensions or different from the first To place metal plates at precisely defined intervals next to the first and to alloy them.
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| GB978229A (en) | 1964-12-16 |
| NL283969A (en) |
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