DE1036391B - Verfahren zur Herstellung von Flaechen-Halbleiterkristalloden mit mindestens zwei verschmolzenen Halbleiterteilen von entgegengesetzten Leitfaehigkeitstyp - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Flächen-Halbleiterkristalloden mit mindestens zwei verschmolzenen Halbleiterteilen von entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp, die durch eine p-n-Fläche voneinander getrennt sind, bei denen der eine Halbleiterteil aus einem dünnen Plättchen, hergestellt wird und: als Halbleiter Elemente des Periodischen Systems, wie Germanium oder Silicium, verwendet werden.

Bei der Herstellung solcher Kristalloden bestehen fertigungstechnische Schwierigkeiten durch die Kleinheit der Teile, aus denen sich das Kristallsystem zusammensetzt. Einzelne Arbeitsgänge müssen unter dem Mikroskop ausgeführt werden. Dabei ist große Sorgfalt notwendig, um die Oberflächen der Teile sauberzuhalten.

Die Fertigung wird um so schwieriger, je dünner das Plättchen ist. Ein Plättchen, das nicht dicker als etwa 0,125 mm ist, läßt sich wegen seiner geringen mechanischen Festigkeit bei den einzelnen Schritten der Fertigung nur schwer handhaben.. So· dünne Plättchen sind aber bei Transistoren gefordert, weil die elektrischen Eigenschaften des Systems um so besser sind, je kleiner der Abstand der beiden durch das Plättchen voneinander getrennten p-n-Flächen ist. Entsprechendes gilt für Dioden, bei denen es häufig darauf ankommt, daß die an die p-n-Fläche angrenzende Halbleiterschicht möglichst dünn ist.

Bei einem bekannten Verfahren zur Herstellung von Flächentransistoren geht man von einem verhältnismäßig dicken Halbleiterkristall aus, der beispielsweise aus Germanium besteht, und erzeugt darin durch Sandstrahlen eine von der einen Außenfläche sich nach innen erstreckende Höhlung, an deren Bodenfläche ein Perlchen aus Aluminium oder Indium unter Bildung eines p-n-Überganges angebracht wird. Die Herstellung einer Höhlung durch Sandstrahlen erschwert die Massenfertigung und liefert nicht die nötige Genauigkeit vor allem in der Wandstärke, die sich zwischen der Bodenfläche der Höhlung und der gegenüberliegenden Außenfläche des Kristalls beim Sandstrahlen ergibt, auf deren Abmessungen es aber für die elektrischen Eigenschaften der Kristallode wesentlich ankommt.

Gemäß der Erfindung werden auf der einen Seite des zunächst dicken Halbleiterplättchens ein oder mehrere Halbleiterteile von entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp aufgebracht, ein stützender dicker Halbleiterkörper wird aus gleichem Halbleitermaterial auf der gleichen Seite des Halbleiterplättchens angeschmolzen, und das Halbleiterplättchen, das zunächst 7. B. dicker als 0,4 mm ist, wird auf der anderen Seite durch Bearbeitung auf geringere Dicke, beispielsweise auf eine solche von 0,075 mm bis 0,13 mm, vermin-Verfahren zur Herstellung

von Flächen-Halbleiterkristalloden

mit mindestens zwei verschmolzenen

Halbleiterteilen vom entgegengesetzten

Leitfähigkeitstyp

Anmelder:

Hughes Aircraft Company,
Culver City, Calif. (V. St. A.)

Vertreter: Dr.-Ing. G. .Eichenberg, Patentanwalt,
Düsseldorf, Cecilienallee 76

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 4. April 1955

Joseph Maserjian, Los Angeles, Calif.,
und Richard A. Gudmundsen, Inglewood, Calif.

(V. St. Α.),
sind als Erfinder genannt worden

dert. Beim Anschmelzen des stützenden Halbleiterkörpers ist das Plättchen noch relativ dick und von entsprechender mechanischer Festigkeit. Während der Bearbeitung auf die gewünschte geringe Dicke ist das Plättchen durch den dicken Halbleiterkörper gestützt und gegen Bruch gesichert, und das gleiche gilt für alle folgenden Operationen, da der stützende Halbleiterkörper mit dem Plättchen für alles weitere verbunden bleibt. Im Gegensatz zum Aushöhlen mit Sandstrahlen handelt es sich bei der Verminderung der Dicke des Plättchens um die Bearbeitung einer ebenen Fläche. Es ist daher nicht schwierig, gerade so viel Material abzunehmen, wie es die verlangte Plättchendicke erfordert. Zur Bearbeitung eignet sich insbesonder das Läppen.

Der stützende dicke Halbleiterkörper, der nachstehend kurz Stützkörper genannt werden soll, erleichtert die Handhabung bei allen folgenden Schritten, auch beim Einbau des Systems und beim Anbringen der Anschlüsse, Die Tatsache, daß er aus dem gleichen Halbleitermaterial besteht wie das Plättchen, gibt die: Gewähr dafür, daß bei thermischer Dehnung und Zusammenziehung keine Risse entstehen und die miteinander verbundenen Teile des aktiven Systems des Transistors oder der Diode sich nicht wieder voneinander lösen.

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Der stützende Halbleiterkörper kann aus Halbleiter- Anschluß eines Leiters an die Kollektoren 11 kann an

material vom gleichen Leitfähigkeitstyp wie das Halb- die Oberflächen Aluminium anlegiert werden. Zum

leiterplättchen hergestellt und mit ihm ohne p-n-Über- Anschluß dient dann ein Kontaktstück 12.

gang elektrisch leitend verbunden werden. Es emp- Auf die Oberfläche 15 des Plättchens 10 wird eine

fiehlt sich, ihn erheblich dicker zu wählen als das 5 Schicht 14 aus Gold von einiger Dicke aufgebracht.

Halbleiterplättchen. Diese Schicht enthält einen Aktivator des gleichen

Handelt es sich um die Herstellung eines Tran- Leitungstyps wie das Plättchen 10, vorliegendenfalls

sistors, so wird auf der anderen Seite des Halbleiter- also einen Donator, beispielsweise 0,5 °/o Antimon. Die

plättchens nach der Bearbeitung ein weiterer Halb- Goldschicht 14 überdeckt die ganze Fläche 15 des

leiterteil vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp an- i° Plättchens 10 mit Ausnahme von Ringausschnitten 16,

gebracht. Dies kann insbesondere in der Weise ge- in denen das Silicium freiliegt. Jeder Ringausschnitt

schellen, daß der stützende Halbleiterkörper mit einer umgibt konzentrisch mit Abstand einen der Kollek-

oder mehreren Bohrungen senkrecht zur Oberfläche toren 11 und verhindert Kurzschluß der Kollektor -

des Halbleiterplättchens versehen wird, daß diese flächen. Die Ringfläche 16 hat einen Außendurchmes-

Bohrungen zentrisch zu den von stützenden Halbleiter- 15 scr in der Größenordnung von 1,4 mm.

körper umgebenen Halbleiterteilen vom entgegen- Das gemäß Fig. 1 ausgerüstete Plättchen 10 wird

gesetzten Leitfähigkeitstyp angeordnet werden und gemäß Fig. 2 mit einem Stützkörper 18 versehen, des-

daß die Bohrungen im Durchmesser größer als die um- sen Hauptzweck darin besteht, dem Gebilde mecha-

faßten Halbleiterteile bemessen werden. nische Stützung zu geben und der in Fläche und Form

Endlich empfiehlt es sich, die elektrische Leitfähig- 20 im wesentlichen mit dem Plättchen 10 übereinstimmt,

keit des stützenden Halbleiterkörpers erheblich größer Der Stützkörper 18 hat demgemäß die Form einer

zu machen als die des Halbleiterplättchens. Dann ist Kreisscheibe von 25 mm Durchmesser, deren eine

der ohmsche Widerstand des stützenden Körpers Fläche mit 19 bezeichnet ist. Er ist mit Bohrungen

praktisch zu vernachlässigen, und das System verhält 20 versehen, die ihn senkrecht zur Fläche 19 durch-

sich elektrisch nicht anders, als wenn die Zuleitung 25 dringen, etwa 1,4 mm Durchmesser haben und in

unmittelbar an das Plättchen gelegt wäre. Mittenabständen von 3,5 mm angeordnet sind, wie es

Es ist bekannt, Transistoren dadurch herzustellen, den auf dem Plättchen 10 angeordneten Kollektoren daß man ein Halbleiterplättchen mit mehreren par^ 11 entspricht. Der Stützkörper 18 besteht aus dem allelen Bohrungen versieht und an die konisch er- gleichen Material wie das Plättchen 10, im vorliegenweiterten Endflächen dieser Bohrungen Halbleiter- 3° den Fall also aus Silicium. Seine Dicke soll nicht körper vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp an- kleiner sein als 0,3 mm und beträgt vorzugsweise schmilzt. Ein stützender Halbleiterkörper findet bei 0,38 mm oder mehr. Das Silicium, aus dem der Stützdiesem Verfahren keine Anwendung. Man erhält auch körper 18 besteht, braucht nicht ein kristallines SiIikeine Transistoren mit dem geringen Abstand zwi- ei um zu sein, erhält aber einen Aktivator vom gleischen den beiden p-n-Flächen, wie es beim Verfahren 35 chen Typ wie der Aktivator im Silicium des Plättnach der Erfindung möglich ist. chens 10, beispielsweise Arsen, und zwar in so be-

Zur weiteren F läuterung der Erfindung diene das trächtlicher Menge, daß die elektrische Leitfähigkeit

gezeichnete Ausfühningsbeispiel. Es zeigen des Stützkörpermaterials erheblich größer wird als

Fig. 1 bis 4 Querschnitte durch ein Halbleiter- diejenige des Materials des Plättchens 10, beispiels-

plättchen mit daran angebrachten Teilen im wesent- 40 weise etwa das Tausendfache der letztgenannten. Der

lieh vergrößertem Maßstab zur Veranschaulichung Transistorentechnik sind Methoden geläufig, die Akti-

der einzelnen Schritte bei der Herstellung eines Tran- vatormenge so zu bemessen, daß der gewünschte

sistors, , Unterschied in der elektrischen Leitfähigkeit herge-

Fig. 5 einen etwas vergrößerten Querschnitt durch stellt wird,

den fertigen Transistor und 45 Der Stützkörper 18 erhält auf seinen beiden Flach-

Fig. 6 eine Ansicht nach Linie 6-6 in Fig. 5. seiten 19 und 22 je eine Schicht aus mit Antimon

Das Verfahren eignet sich besonders zur Herstellung aktiviertem Gold. Davon dient die eine Schicht 21

einer Vielzahl von Kristalloden unter Verwendung später zum Anschluß einer Leitung an die Basis des

eines einzigen Halbleiterplättchens. Dieser Fall ist fertiggestellten Transistors. Mit der anderen Schicht

in der Zeichnung dargestellt, und zwar handelt es sich 5° wird der Stützkörper gemäß Fig. 2 auf die mit der

in dem gewählten Beispiel um die Herstellung einer aktivierten Goldschicht 14 überzogene Fläche 15 des

Vielzahl von Transistoren. Plättchens 10 aufgelegt. Das Ganze wird hierauf im

Gemäß Fig. 1 sind auf einem Siliciumplättchen 10 Vakuum auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzvcm η-Typ, von dem nur ein Teil in der Zeichnung punktes des Gold-Silicium-Eutektikums gebracht, die sichtbar ist, eine Vielzahl von Siliciumkörpern 11 vom 55 im vorliegenden Beispiel in der Größenordnung von p-Typ angebracht. Die Körper 11 bilden die Kollek- 700° C liegt. Ein kleiner Druck auf die Fläche 22 des toren der herzustellenden Transistoren. Das Silicium- Stützkörpers 18 genügt dann, um die Fläche 15 des plättchen 10 hat Kreisform und beispielsweise einen Plättchens 10 und die Fläche 19 des Stützkörpers 18 Durchmesser von 25 mm und eine Dicke von 0,38 mm. mittels der dazwischenliegenden, aktivierten Schicht So dünne Siliciumplättchen sind mechanisch nicht ge- 60 aus eutektischer Silicium-Gold-Legierung zu vernügend fest, um während der einzelnen Schritte der schweißen. Die miteinander vereinigten Körper wer-Fertigung leicht und bequem gehandhabt zu werden. den sodann nach einem gesteuerten Temperatur-Aus dem Plättchen 10 sollen vierzig Transistorsysteme programm abgekühlt, um der Möglichkeit vorzubeuhergestellt werden, von denen drei wiedergegeben gen, daß durch thermische Spannungen Risse entsind. Die Systeme sind im Grundriß quadratisch und ⁵5 stehen.

haben eine Kantenlänge von etwa 3 mm. Zu diesem Das Ergebnis dieser Schritte ist eine einzige

Zweck werden in gleichmäßigen Abständen vierzig Siliciumplatte von 0,76 mm Dicke. Die untere Fläche

Kollektoren 11 von 1,15 mm Durchmesser in Mitten- 23 wird hierauf durch Läppen bearbeitet, bis gemäß

abständen von 3,5 mm mit der Oberfläche des SiIi- Fig. 3 die Dicke des Plättchens 10 auf das Maß her-

ciumplättchens in geeigneter Weise \^rerbunden. Zum 70 abgesetzt ist, das für die Basis der herzustellenden

Kristallode erwünscht ist. Im vorliegenden Beispiel, wo es sich um die Herstellung einer Vielzahl von p-n-p-Flächen-Transistoren handelt, wird die Fläche 23 so lange geläppt, bis der Abstand zwischen den Flächen 15 und 23 etwa 0,13 mm beträgt. Die Gesamtdicke des Plättchens 10 mit dem Stützkörper 18 beträgt dann etwa 0,5 mm. Diese Dicke liefert genügend mechanische Festigkeit für bequeme Handhabung in den übrigen Arbeitsgängen.

Die einzelnen Kristallsysteme werden durch Kristallbereiche 24 vom p-Typ zu Transistoren vervollständigt. Die Bereiche 24 bilden die Emitter und werden konzentrisch zu den Kollektoren vom p-Typ auf das Plättchen 10 aufgebracht. Die Emitter 24 haben etwa 0,38 mm Durchmesser und werden in gleichmäßigen Mittenabständen von 3,5 mm angeordnet.

Auf diese Weise sind gemäß Fig. 4 vierzig p-n-p-Flächen-Transistocen mit einer einzigen SiIiciumplatte als Ausgangskörper hergestellt worden, und zwar mit einer die mechanische Festigkeit bestimmenden Plattendicke von 0,5 mm. Die einzelnen Transistoren können nun gemäß Fig. 4 durch Schnitte voneinander getrennt werden. Da der Schnittverlust etwa 0,25 mm beträgt, hat das in Fig. 5 und 6 gezeigte fertige Transistorsystem 25 etwa 3,2 mm Seitenlänge.

Nach Ätzung und geeigneter Oberflächenbehandlung sind die Transistoren fertig für den Anschluß der Zuleitungen an den Emitter, den Kollektor und die Basis.

Die für die elektrischen Eigenschaften des Transistors maßgebende Dicke der Basis 10, also' der Abstand zwischen den p-n-Flächen 26 und 27 des Kollektors und des Emitters, beträgt in dem beschriebenen Beispiel etwa 0,025 mm. Der mit dem Basisbereich leitend verbundene Stützkörper 18 macht die Handhabung einfach und gestattet die Herstellung einer Vielzahl von Transistoren ohne die Notwendigkeit, iedes einzelne System auszuhöhlen. Die Verwendung von Silicium als Werkstoff für den Stützkörper ergibt gleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten an allen Stellen, so daß thermische Dehnung und Zusammenziehung nicht zur Trennung der leitend miteinander verbundenen Flächen führen. Aus dem gleichen Grunde gestaltet sich die Aufteilung in einzelne Transistoren bequem und einfach. Denn das Material der Stützkörper kann auf dieselbe Art geschnitten werden wie das Halbleiterplättchen, und besondere Schnittprobleme treten daher nicht auf. Endlich geht aus diesem Grunde auch die Atzung ohne Schwierigkeiten vor sich, wie das Ätzmittel nicht verunreinigt werden kann.

Das Verfahren nach der Erfindung kann überall dort mit Vorteil verwendet werden, wo eine Basis verlangt wird, deren Dicke kleiner ist, als in Hinblick auf die mechanische Festigkeit tragbar wäre, beispielsweise zur Herstellung von. Dioden, wie Leistungsgleichrichter und Photozellen, mit einer Dicke der Halbleiterschicht zwischen der p-n-Fläche und dem Anschluß von 0,075 bis 0,13 mm. Soll eine Vielzahl solcher Dioden aus einem einzigen Halbleiterplättchen gefertigt werden, so kann die beschriebene Methode mit der Abänderung benutzt werden, daß nach dem Läppen des Plättchens elektrische Anschlüsse an der geläppten Fläche gegenüber der p-n-Fläche 26 hergestellt werden.

Im übrigen ist das Verfahren auch zur Herstellung einzelner Halbleiterkristalloden geeignet.

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung von Flächen-Halbleiterkristalloden mit mindestens zwei verschmolzenen Halbleiterteilen vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp, die durch eine p-n-Fläche voneinander getrennt sind, bei denen, der eine Halbleiterteil aus einem dünnen Plättchen hergestellt wird und als Halbleiter Elemente des Periodischen Systems, wie Germanium oder Silicium, verwendet werden, dadurch gekennzeichnet, daß auf der einen Seite des zunächst dicken, z. B. dicker als 0,4 mm, Halbleiterplättchens (10) ein oder mehrere Halbleiterteile (11) vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp aufgebracht werden, daß ein stützender dicker Halbleiterkörper (18) aus gleichem Halbleitermaterial auf der gleichen Seite des Halbleiterplättchens angeschmolzen wird und daß das Halbleiterplättchen auf der anderen Seite durch Bearbeitung auf eine geringere Dicke, beispielsweise auf eine solche von 0,075 mm bis 0,13 mm, vermindert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der stützende Halbleiterkörper aus Halbleitermaterial vom gleichen Leitfähigkeitstyp wie das Halbleiterplättchen hergestellt wird und mit ihm ohne p-n-Übergang elektrisch leitend verbunden wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der stützende Halbleiterkörper erheblich dicker als das Halbleiterplättchen gewählt wird.

4. Verfahren zur Herstellung eines Transistors nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf der anderen Seite des Halbleiterplättchens nach der Bearbeitung ein weiterer Halbleiterteil vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp angebracht wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der stützende Halbleiterkörper mit einer oder mehreren Bohrungen senkrecht zur Oberfläche des Halbleiterplättchens versehen wird, daß diese zentrisch zu den vom stützenden Halbleiterkörper umgebenen Halbleiterteilen vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp angeordnet werden und daß die Bohrungen im Durchmesser größer als die umfaßten Halbleiterteile bemessen werden.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bearbeitung der Dicke des Halbleiterplättchens durch Läppen vorgenommen wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterplättchen vor der Bearbeitung mindestens dreimal so dick wie im Endzustand gewählt wird.

8. Nach einem der Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 7 hergestellte Flächen-Halbleiterkristallode, dadurch gekennzeichnet, daß der stützende dicke Halbleiterkörper (18) eine elektrische Leitfähigkeit hat, die erheblich größer ist als die des Halbleiterplättchens (10).

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentanmeldung N 8831 VIIIc/21g (bekanntgemacht am 24. März 1955);

Zeitschrift für Elektrochemie, Bd. 58, 1954, S. 283 bis 321: 4

Journal of applied physics, Bd. 24, 1953, S. 424 (Verfasser R. G. Schulman und -D. M. van Winkle).

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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