DE1132404B

DE1132404B - Verfahren zum Herstellen eines pn-UEbergangs in einem Koerper aus Halbleitergrundstoff durch Einlegieren einer Pille eines Dotierungsmetalls

Info

Publication number: DE1132404B
Application number: DES60369A
Authority: DE
Inventors: Dr Heinz Henker; Dr Erich Pammer; Dipl-Phys Dieter Enderlein
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1958-10-24
Filing date: 1958-10-24
Publication date: 1962-06-28
Also published as: FR1237641A; GB916671A; CH383719A; NL244622A; DE1197178B

Description

DEUTSCHES

PATENTAMT

S 60369 VIb/48b

ANMELDETAGs 24. OKTOBER 1958

BEKANNTMACHUNG
DER ANMELDUNG
UNDAUSGABEDER
AUSLEGESCHRIFTi 28. JUNI 1962

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines pn-Übergangs in einem Körper aus Halbleitergrundstoff durch Einlegieren einer Pille eines Dotierungsmetalls, z. B. Antimon oder Indium, in diesen Körper, wobei der Legierungsprozeß in einem Flüssigkeitsbad durchgeführt wird, dessen Temperatur so groß ist, daß Legierungsbildung zwischen dem Halbleiterkörper und der Metallpille eintritt.

Das Legieren der Halbleiterbauelemente findet üblicherweise im Schutzgasofen statt. Schon geringste Spuren von Fremdstoffen auf der Kristalloberfläche oder im Schutzgas stören den Benetzungs- und damit auch den Legierungsvorgang. Wenn die Legierungssubstanz auf der Oberfläche des Halbleiters verschieden breit verläuft, schwankt die Eindringtiefe der Legierungszone. Die Folge ist eine unerwünschte Streuung der Kenngrößen.

Die molekularen Kräfte, die an der Grenzlinie zwischen festem Körper (Halbleiterkristall), flüssiger Legierungssubstanz und Schutzgas auftreten, bedingen ein Abweichen der Oberfläche der flüssigen Phase von der Ebene (Kapillarität). Die sich einstellende Form der Oberfläche der Legierungssubstanz ist durch das Randwinkelverhältnis gegeben, wobei der Randwinkel eine durch die Oberflächenspannung (Grenzflächenspannung, Adhäsionsspannung) der verschiedenen Phasen bestimmte Größe ist. Bei vorgegebener Menge der Legierungssubstanz ist somit die Legierungsfläche festgelegt.

Wie man Fig. 2 entnehmen kann, tritt beim Legieren unter Schutzgas 4 eine Undefinierte Benetzung des mit 5 bezeichneten Bereiches des Halbleiters 3 durch die flüssige Legierungssubstanz 2 und damit ein unkontrollierbarer Legierungsvorgang auf. Die Grenzflächenspannung wird schon durch geringfügige Verunreinigungen oder Oxydschichten auf der Oberfläche in meist unbekannter Weise beeinflußt, so daß dann auch die Legierung unkontrollierbar verläuft. In manchen Fällen ist bei Anwesenheit einer gasförmigen Phase überhaupt kein definiertes Randwiakelverhältnis zu erreichen.

In Fig. 1 ist das Randwinkelverhältnis für zwei flüssige und eine feste Phase dargestellt. Dabei ist 1 eine Salzschmelze oder eine hochsiedende, organische Flüssigkeit, 2 die flüssige Legierungssubstanz und 3 der Halbleiterkristall.

Es ist bereits ein Legierungsverfahren bekannt, bei dem der Halbleiterkörper nach oder während des Einlegierens der Metallpille in ein geschmolzenes Flußmittel eingetaucht wird. Durch diese Behandlung sollen Spuren von schnell diffundierenden Verunreinigungen, wie z. B. Kupfer, von der Oberfläche des Verfahren zum Herstellen
eines pn-Übergangs in einem Körper
aus Halbleitergrundstoff durch Einlegieren
einer Pille eines Dotierungsmetalls

Anmelder:

Siemens & Halske Aktiengesellschaft,

Berlin und München,
München 2, Witteisbacherplatz 2

Dr. Heinz Henker, München,
Dr. Erich Pammer, Abensberg,
und Dipl-Phys. Dieter Enderlein, München,
sind als Erfinder genannt worden

Halbleiterkörpers und des legierten Übergangs entfernt werden.

Demgegenüber ist es der Grundgedanke der vorliegenden Erfindung, eine gleichmäßige Benetzung der Halbleiteroberfläche mit dem Legierungsmetall zu erzielen, um eine gleichmäßige Eindringtiefe der Legierungszone zu gewährleisten. Um dies zu erreichen, ist es wesentlich, daß eine definierte Begrenzung des flüssigen Legierungsmetalls erzielt wird. Es ist also anzustreben, daß die Tangente in den äußersten Punkten, in denen der Schmelztropfen den Halbleiterkörper berührt, einen möglichst wenig von 90° abweichenden Winkel mit der Halbleiteroberfläche bildet.

Beim bekannten Legierungsverfahren in einem Flüssigkeitsbad ist die sich einstellende Form der Oberfläche der flüssigen Legierungssubstanz durch die Oberflächenspannung der verschiedenen Phasen, also allein durch die wirksamen Molekularkräfte, festgelegt.

Gemäß der Erfindung wird ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem zwischen den Körper aus HaIb-

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leitergrundstoff und der Badflüssigkeit eine elektrische Spannung gelegt wird, um den Randwinkel des Schmelztropfens aus Dotierungsmetall gegenüber dem Grundkörper zu beeinflussen.

Beim Verfahren gemäß der Erfindung wird also die Grenzflächenspannung und damit der Randwinkel durch die zusätzlich zu den Molekularkräften wirksamen elektrostatischen Kräfte beeinflußt.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gibt es mehrere - Möglichkeiten. Im folgenden sollen zwei besonders: günstige Beispiele näher erläutert werden.

Beim ersten Ausführungsbeispiel wird der Halbleiterkörper und die feste Legierungspille in die heiße Flüssigkeit getaucht, deren Temperatur noch unterhalb des Schmelzpunktes der Legierungspille und unterhalb der Legierungstemperatur liegt. Das Flüssigkeitsbad wird so gewählt, daß es den Kristall und die Legierungssubstanz gut benetzt und die Oberflächenverunreinigungen weglöst. Es ist besonders günstig, eine Flüssigkeit zu verwenden, die reduzierend auf die Oxydhäute an der Oberfläche des Halbleiters und der Metallpille wirkt. Halbleiterkörper und Legierungspille werden dann miteinander in Berührung gebracht und die Flüssigkeit, in die sie eintauchen, auf eine Temperatur gebracht, die gleich oder höher als die zum Schmelzen und Einlegieren der Pille notwendige Temperatur ist. Es tritt dann sofort Benetzung zwischen Legierungssubstanz und Halbleiterkristall ein. Die Legierungssubstanz breitet sich innerhalb der Flüssigkeit auf dem Halbleiterkristall so weit aus, bis der richtige Randwinkel erreicht ist, und es tritt Legierungsbildung ein.

Der umständliche Weg des Legierens im Schutzgasofen, also das Beschicken des Ofens, das Gasdurchspülen, Aufheizen und Reduzieren der Oberfläche und darauf das Aufkippen des Legierungsstoffes entfällt bei dem erfindungsgemäßen Verfahren. Die zu legierenden Teile können in einem kontinuierlich ablaufenden Arbeitsprozeß aus der normalen Atmo-Sphäre direkt in das heiße Legierungsbad getaucht und dort in eine definierte Lage zusammengebracht werden. Nachdem das Legierungsgleichgewicht erreicht ist, wird das System an die normale Atmosphäre oder insbesondere in ein Kühlbad gebracht. Die Badreste müssen bei niedrigerer Temperatur vom System entfernt werden. Die Wärmezufuhr zu dem zu legierenden System ist außerdem im Flüssigkeitsbad wesentlich günstiger als im Schutzgas, wo sie z. B. durch Strahlung zugeführt wird. Man erhält zeitlich und räumlich kleinere Temperaturschwankungen. Ist die Schmelze durchsichtig, so kann der Legierungsvorgang bequem beobachtet werden. Hierdurch wird das Erkennen von Fehlern sehr erleichtert.

Eine andere Möglichkeit zur Durchführung des Verfahrens ist auch dadurch gegeben, daß man den Halbleiterkörper (z. B. Germanium) in ein Flüssigkeitsbad bringt, das z. B. aus geschmolzenem Zinnchlorid (SnCl₂), aus einer 200° C heißen, hochkonzentrierten, wäßrigen Kalciumchlorid(CaCl₂)-Lösung, heißer Palmatinsäure oder heißem Glykol mit geringen Zusätzen von Salzen, die als Flußmittel wirken, besteht und eine Temperatur hat, die über dem Schmelzpunkt der Legierungssubstanz (z. B. Indium) und bei oder über der Legierungstemperatur liegt. Bei der Durchführung des Verfahrens liegt die Temperatur des Bades z. B. zwischen 200 und 500° C für Germanium und zwischen 400 und 800° C für Silizium. Man bringt dann die Legierungspille mit einer Justiervorrichtung auf dem Halbleiterkörper auf. Es tritt sofort Benetzung zwischen Legierungssubstanz und Halbleiterkörper und Einstellung des richtigen Randwinkels sowie Legierungsbildung ein. Das System wird dann wieder aus dem Bad herausgenommen und insbesondere in ein Kühlbad gebracht.

Je nach Stromrichtung, also je nach Polung der zwischen Flüssigkeitsbad und Halbleiterkörper angelegten Spannung, kann außerdem auch ein Abätzen der Oberfläche oder eine Dotierung der Oberfläche oder der Legierung stattfinden. Das Flüssigkeitsbad enthält dann eine Verbindung eines dotierenden Stoffes, die durch die angelegte Spannung auf der Halbleiteroberfläche, bzw. auf der Legierung niedergeschlagen wird und eindiffundiert oder einlegiert.

Bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel wird auf den insbesondere aus Germanium bestehenden Halbleiterkörper 3 ein heißer Salzschmelztropfen 1 aufgebracht. Die insbesondere aus Indium (bzw. Antimon) bestehende Metallpille 2 wird durch die Schmelze hindurch mit dem Halbleiterkörper 3 zusammengebracht. Da erfindungsgemäß die Temperatur der Schmelze und damit auch die Temperatur der mit ihr in Berührung gebrachten Halbleiteroberfläche gleich oder höher als die Legierungstemperatur liegt, tritt sofort Benetzung zwischen Metallpille 2 und Halbleiterkörper 3 und Einstellung des richtigen Randwinkels sowie Legierungsbildung ein.

In Fig. 4 ist ein Halbleiterkörper 3 dargestellt, in den nach dem erfindungsgemäßen Verfahren auf den beiden einander gegenüberliegenden Seiten des Halbleiterkörpers die Emitterelektrode 2 und die Kollektorelektrode 6 eines Transistors einlegiert sind.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

1. Verfahren zum Herstellen eines pn-Übergangs in einem Körper aus Halbleitergrundstoff durch Einlegieren einer Pille eines Dotierungsmetalls, z. B. Antimon oder Indium in diesen Körper, wobei der Legierungsprozeß in einem Flüssigkeitsbad durchgeführt wird, dessen Temperatur so groß ist, daß Legierungsbildung zwischen dem Halbleiterkörper und der Metallpille eintritt, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Körper aus Halbleitergrundstoff und die Badflüssigkeit eine elektrische Spannung gelegt wird, um den Randwinkel des Schmelztropfens aus Dotierungsmetall gegenüber dem Grundkörper zu beeinflussen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper mit der noch festen Pille in die Flüssigkeit eingetaucht und danach erst die Flüssigkeit auf die zum Schmelzen und Einlegieren der Pille notwendige Temperatur erhitzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper und die einlegierte Pille aus dem Bad herausgenommen und in ein Kühlbad gebracht werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, gekennzeichnet durch die Verwendung eines Flüssigkeitsbades, das die Oxyde und Oberflächenverunreinigungen des Halbleiters und der Legierungsstoffe löst.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch die Verwendung eines Flüssigkeitsbades, das Dotierungssubstanzen enthält.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Tropfen des Flüssigkeitsbades auf die Halbleiteroberfläche aufgebracht und die Metallpille durch diesen Tropfen hindurch mit dem Halbleiterkörper zusammengebracht wird.

In Betracht gezogene Druckschriften: Britische Patentschrift Nr. 775 616.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen