DE1187735B - Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauelementes - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

HOIl

Deutsche Kl.: 21g-11/02

1187 735
J21646 VIIIc/21;
19. April 1962
25. Februar 1965

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauelementes mit einem einlegierten pn-übergang des Esaki-Typs, bei dem die Fläche des Übergangs zur Verringerung seiner Kapazität durch anschließendes Ätzen verkleinert wird.

Bei solchen Halbleiterbauelementen ist es wesentlich, daß die Übergangsfläche möglichst klein gehalten wird. Bei Spitzenstromwerten von 100 mA soll der Durchmesser dieser Fläche höchstens einige Mikron betragen.

Bekanntlich werden diese Halbleiterbauelemente der oben beschriebenen Art nach dem Schichtlegierungsverfahren hergestellt, um den erforderlichen scharfen pn-übergang zu erhalten. Anschließend wird dann das Halbleiterbauelement geätzt, z. B. in einem elektrolytischen Ätzverfahren, bei dem der Halbleiterkörper und der Ätzstrahl in einem geschlossenen Stromkreis liegen, um die Abmessungen des pn-Ubergangs so zu verkleinern, daß sich beim fertigen Halbleiterbauelement der gewünschte Spitzenstrom und die geforderte N-förmige Strom-Spannungs-Charakteristik ergibt. Die damit erzielte Verringerung des Durchmessers des Halbleiterbauelementes am pn-übergang auf wenige Mikron hat zur Folge, daß die mechanische Festigkeit des Halbleiterbauelementes an dieser Stelle stark herabgesetzt wird, so daß die Halbleitervorrichtung nicht ohne weiteres praktisch brauchbar ist. Es müssen vielmehr besondere und aufwendige Maßnahmen getroffen werden, um diese Schwierigkeit zu beheben.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung von Halbleiterbauelementen der genannten Art bereitzustellen, bei dem sich gleichzeitig eine ausreichende Abstützung des kleinflächigen pn-Übergangs ergibt, so daß ohne besonderen Aufwand eine befriedigende mechanische Festigkeit des Halbleiterbauelementes erzielt wird.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß eine begrenzte Fläche des Halbleiterkörpers mit einer festhaftenden Isolierschicht versehen und dann das Legierungsmaterial so auf die Isolierschicht und Halbleiterkörper aufgebracht wird, daß es nur an einem kleinen Bruchteil der gesamten Berührungsfläche bei der nachfolgenden Wärmebehandlung mit dem Halbleiterkörper legiert, und daß die Stärke der Isolierschicht so bemessen und das Ätzen so weit geführt wird, daß nach dem Einlegieren und Ätzen des Übergangs praktisch nur die Isolierschicht als Träger für die einlegierte Elektrode des Halbleiterbauelementes dient.

Bei einem Halbleiterbauelement, das nach dem Verfahren zum Herstellen eines
Halbleiterbauelementes

Anmelder:

International Business Machines Corporation,

Armonk,N.Y. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. H. E. Böhmer, Patentanwalt,

Böblingen (Württ), Sindelfinger Str. 49

Als Erfinder benannt:

Edward M. Davis, Poughkeepsie, N. Y.

(V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 28. April 1961 (106 372)

Verfahren gemäß der Erfindung hergestellt ist, wird das Legierungsmaterial im schmalen Bereich des pn-Ubergangs im wesentlichen also nicht durch den Halbleiterkörper direkt, sondern durch eine auf diesem angebrachte Isolierschicht getragen. Dadurch werden die auf die Halbleitervorrichtung einwirkenden mechanischen Kräfte nicht allein durch das schmale pn-Übergangsgebiet aufgenommen, sondern im wesentlichen durch die Isolierschicht auf einen größeren Teil des Halbleiterkörpers übertragen.
Die isolierende Schicht dient also nicht, wie bei einem bekannten Halbleiterbauelement, dazu, den pn-Ubergang zwischen Legierungsmaterial und Halbleiterkörper vor atmosphärischen Einflüssen zu schützen.
Beim Ätzverfahren gewährleistet in vorteilhafter Weise eine automatische Abschaltung des Ätzstrahls und des Ätzstroms, daß der Querschnitt am pn-übergang des Halbleiterbauelementes die gewünschten Abmessungen erhält, so daß sich die geforderte Kennlinie ergibt.

Der so gebildete pn-übergang besitzt einen Durchmesser von etwa 1 bis 25 μ, so daß das Halbleiterbauelement die erwünschte Kennlinie und gleichzeitig eine ausreichende mechanische Abstützung für ihren pn-übergang aufweist.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand von Ausführungsbeispielen mit Hilfe der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen

509 510/295

Fig. la bis d Aufrisse und Querschnitte bekannter Halbleiterbauelemente bei verschiedenen Herstellungsschritten,

F i g. 2 ein Schaltschema einer Anordnung zum Ätzen einer Tunneldiode,

F i g. 3 eine Kurvenschar, an Hand deren die Wirkungsweise der Anordnung nach F i g. 2 erklärt wird,

F i g. 4 a bis 4 g in Draufsicht, im Aufriß und im Querschnitt eine Reihe von Schritten bei der Herstellung einer Tunneldiode gemäß dem Verfahren nach der Erfindung,

F i g. 5 a bis 5 g in ähnlicher Weise aufeinanderfolgende Schritte bei der Herstellung einer anderen Tunneldiode.

Wie Fig. la zeigt, ist auf einem Körper oder einem Plättchen 10 aus einem geeigneten Halbleitermaterial, wie z. B. η-leitenden Germanium, das in einer Größenordnung von 10¹⁹ Atomen/ccm dotiert ist, ein Kügelchen 11 aus einer den Leitfähigkeitstyp bestimmenden Verunreinigung, wie z. B. Aluminium, Bor, Indium oder Gallium oder einer Legierung daraus, aufgebracht. Das Plättchen 10 kann auch aus hoch dotiertem p-leitendem Germanium oder anderen hochdotierten Halbleitermaterialien bestehen, wie z. B. Silizium, Germanium-Silizium-Legierungen, Siliziumkarbid und intermetallischen Verbindungen, wie z. B. Phosphide, Arsenide und Antimonide von Aluminium, Gallium und Indium. In diesem Falle besteht das Verunreinigungskügelchen aus einem geeigneten η-leitenden Material. Wenn nun das Plättchen 10 und das Kügelchen 9 in bekannter Weise auf die Legierungstemperatur erhitzt werden, entsteht ein Gebilde nach F i g. 1 b, und es wird ein scharfer oder sehr dünner pn-übergang erzeugt. Bei sehr hoher Verunreinigungskonzentration wird der Übergangsbereich der Tunneldiode auf etwa 75 Angström verkleinert. Als nächstes werden die Zuleitungen 14 und 15 an dem Kügelchen 11 und an der Unterseite des Plättchens 10 in herkömmlicher Weise angebracht, wie in F i g. 1 c dargestellt ist. Die Zuleitung 15 kann an das Plättchen 10 angelötet werden.

Im nächsten Arbeitsgang wird das entstandene Gebilde elektrolytisch geätzt, um den pn-übergang unter Entfernung des kurzschlußbildenden Materials freizulegen, so daß eine Tunneldiode mit der vorbestimmten Kennlinie entsteht. Das so entstandene Halbleiterbauelement hat dann die bekannte etwa N-förmigeStrom-Spannungs-Kennlinie, wie in Fig. 3 dargestellt ist. Durch die Ätzvorgänge wird allgemein die N-förmige Strom-Spannungs-Kurve der Tunneldiode abgeändert, weil die Fläche des pn-Überganges verkleinert und dadurch ihr Spitzenstrom im Zwischenmaximum verringert wird.

In der Anordnung nach der Fig. 2, mit deren Hilfe eine Tunneldiode nach Fig. Ic geätzt wird, ist eine Gleichstromquelle 17 über die Leitungen 18 und 19 an die Diodenzuleitungen 14 und 15 angeschlossen, um der Tunneldiode einen Strom i₃ (s. Fig. 3) zuzuführen, der etwa gleich dem gewünschten Spitzenstrom der Diode ist. Ein Spannungsverstärker 20 ist mit seinen Eingangsklemmen an die Quelle 17 angeschlossen, und seine Ausgangsklemmen sind mit einer Wicklung 21 eines Relais 22 verbunden. Die beiden Ruhekontakte dieses Relais sind den Ankern 23 und 24 zugeordnet. Die gewünschte Kennlinie der Tunneldiode wird durch ein Strahlätzungsverfahren erhalten. Hierzu wird ein Strahl 25 einer alkalischen Lösung, z. B. einer solchen, die 2 Gewichtsprozent Natriumhydroxyd enthält, mit Hilfe einer Flüssigkeitspumpe 26 über eine Kathode 27, die sich in der Zuleitung 28 befindet, durch eine Düse 29 auf das Kügelchen 11 und das an den pn-übergang der Diode angrenzende Halbleiterplättchen 10 gerichtet. Die Ansaugöffnung 30 der Pumpe liegt in der Ätzlösung 31 in einem Vorratsbehälter 32. Eine Stromquelle 33 ist mit dem Motor für die Pumpe 26 über

ίο einen einpoligen Schalter 34 und den dem Anker 23 zugeordneten Ruhekontakten des Relais 22 verbunden. Die Kathode 27 und der Elektrolytstrahl in der Leitung 28 sind in Reihe mit den dem Anker 24 zugeordneten Ruhekontakten geschaltet, und dieser ist seinerseits über einen Schalter 35, eine Batterie 36, einen Widerstand 37, einen Potentiometerabgriff 38 und die beiden Zweige eines Potentiometers 39 mit den Leitungen 18 und 19 verbunden. Der Strahl 25 schließt den Ätzstromkreis zur Kathode 27.

Der Potentiometerabgriff 38 wird so eingestellt, daß nahezu gleiche Werte des von der Batterie 36 gelieferten Ätzstroms durch die Leitungen 18 und 19 zu den Zuleitungen 14 und 15 der Tunneldiode fließen. Bekanntlich wird bei einer Strahlätzung Material um den Bereich des pn-Überganges der Tunneldiode entfernt, so daß dann nach und nach die Strom-Spannungs-Kurve der Diode entsprechend den Kurven A, B, C und D in F i g. 3 verläuft. Die Gleichstromquelle 17 leitet über die Diode einen Strom /₃, der etwa dem der gestrichelten Kurve C bei einer Spannung e_x entspricht. Wenn nun aber die Tunneldiode weiter abgetragen wird, so daß ihr Spitzenstrom unter den Zwischenmaximumwert /₃ auf den Wert I₁ der Kurve D absinkt, dann springt der Arbeitspunkt der Tunneldiode plötzlich zum Punkt 0 auf den rechten Ast der Kurve D über, so daß zwischen den Zuleitungen 14 und 15 der Tunneldiode eine relativ große Spannung e₃ auftritt. Dieser Spannungssprung wird über den Verstärker 20 auf das Relais 22 übertragen, so daß die den Ankern 23 und 24 zugeordneten Ruhekontakte geöffnet werden. Damit wird aber der Stromkreis zur Pumpe 26 und der Diodenätzstromkreis unterbrochen, so daß automatisch der Ätzvorgang beendet wird, wenn die gewünschte Kennlinie erreicht ist.

Während des Ätzvorganges wird das in F i g. 1 c dargestellte Plättchen 10 abgetragen, bis es etwa die Form nach 10' in Fig. Id hat, bei der eine sehr dünne Halbleitersäule 16 das Legierungskügelchen 11 trägt. Ein sehr kleinflächiger pn-übergang, dessen maximaler Durchmesser in der Größenordnung von 1 bis 25 μ liegt, wird an der Verbindungsstelle der Säule 16 mit dem Kügelchen 11 gebildet. Der Durchmesser dieses pn-Überganges hängt von der für die Tunneldiode gewählten Kennlinie ab. Die bekannte Diode nach Fig. 1 d ist natürlich mechanisch äußerst empfindlich, und das Herstellen einer ausreichenden mechanischen Abstützung ist außerordentlich schwierig, wenn nicht unmöglich, insbesondere dann, wenn die thermische Dehnung der Teile berücksichtigt werden muß. Diese Schwierigkeiten werden erfindungsgemäß behoben durch einen nachstehend in Verbindung mit den Fig. 4 und 5 erläuterten Tunneldiodenaufbau und einem entsprechenden Herstellungsverfahren.

Wie in den Fig. 4a und 4b dargestellt, ist ein erster Körper 41, der aus Isoliermaterial besteht, fest auf einer Oberfläche eines zweiten Körpers 40 an-

gebracht, der aus Halbleitermaterial besteht. Als Beispiel sei hier angenommen, daß das Halbleitermaterial η-leitend ist und mit Arsen bis zur Entartung dotiert ist. Der erste Körper 41 kann aus einem beliebigen geeigneten Isoliermaterial bestehen, welches eine innige Verbindung mit dem zweiten Körper 40 herstellt. Zu diesem Zweck können z. B. Siliziummonoxyd oder Quarz als Schicht mit einer Stärke von etwa 25 μ und einer Länge und Breite von etwa 80 μ auf die Oberseite des Germaniumkörpers aufgedampft werden. Diese Schicht kann in bekannter Weise mit Hilfe einer Molybdänmaske so aufgedampft werden, daß oben auf dem Germaniumplättchen eine Flache 42 frei bleibt.

Im nächsten Verfahrensschritt wird auf die frei liegende Oberseite des Isolierkörpers 41 und auf einen kleinen Teil 43 der Oberfläche des Halbleiterkörpers 40 (F i g. 4 d) ein Körper 44 aufgebracht, der aus einem Akzeptor besteht. Das kann nach mehreren bekannten Verfahren geschehen, z. B. durch Aufsprühen oder Aufdampfen einer entsprechenden Legierung, wie Indium und Gallium, durch eine Molybdänmaske. Als vorteilhaft hat sich eine Legierung aus 98°/o Indium und 2% Gallium oder aus 96°/o Silber, 2°/o Indium und 2% Gallium erwiesen, die auf die Oberseite des Isolierelements 41 aufgedampft wird, und eine Legierung aus 98% Indium und 2% Gallium, die auf den Teil 43 des Germaniumkörpers 40 in Kontakt mit der erstgenannten Legierung aufgedampft wird. Es hat sich gezeigt, daß die Dreikomponentenlegierung auf dem Isolierkörper hervorragende Eigenschaften für das Anbringen von Zuführungsleitungen mit Hilfe des Thermokompressionsverfahrens besitzt.

In einem weiteren Verfahrensschritt wird die Halbleiteranordnung auf die Legierungstemperatur erhitzt, um einen pn-übergang 45, wie in der Fig. 4e gezeigt, zwischen dem Teil 44 und dem Halbleiterkörper 40 herzustellen. Dabei entsteht ein scharfer pn-übergang. Da der sich ergebende Durchmesser des pn-Überganges viel größer ist als der geforderte, muß nun die Anordnung so behandelt werden, daß der Durchmesser des pn-Überganges verkleinert wird. Vor diesem Arbeitsgang wird jedoch eine Zuleitung 46 durch Anlöten an die Basis des Halbleiterkörpers 40 und eine Zuleitung 47 aus einem geeigneten Material, wie z. B. ein Goldband, durch Thermokompression auf dem aus der Silber-Indium-Gallium-Legierung bestehenden Dotierungskörper 44 in bekannter Weise angebracht.

Die Verkleinerung des Durchmessers des pn-Überganges erfolgt vorzugsweise durch elektrolytisches Ätzen mit Hilfe der Anordnung nach Fig. 2 in der schon beschriebenen Art und Weise. Durch den Ätzvorgang wird der Halbleiterkörper 40 auf die in Fig.4g gezeigte Form verkleinert und gleichzeitig der Durchmesser des pn-Überganges auf einen Wert zwischen 1 bis 25 μ reduziert, um die erwünschte Tunneldiodenkennlinie entsprechend Kurve D (Fig. 3) zu erhalten. Der Fig. 4g ist zu entnehmen, daß sich eine gute Abstützung für den pn-übergang 45 mit dem Verfahren gemäß der Erfindung erzielen läßt. Außerdem hat die so hergestellte Diode einen kleineren Serienwiderstand und eine kleinere Induktivität als die bekannte, die eine lange, dünne Säule 16 aus Halbleitermaterial besitzt.

In den Fig. 5a bis 5g ist das Herstellen einer anderen Tunneldiode für verschiedene Verfahrensschritte dargestellt, die den mit Hilfe der Fig. 4a bis g erläuterten im allgemeinen gleichen. Der Isolierkörper 51 kann etwas größer sein als der in Fig. 4. Er enthält eine Nut 58 (F i g. 5 a), die das Anbringen eines Teils des rechteckigen Körpers 54 aus Dotierungsmaterial an dem Halbleiterkörper im Bereich der Nut ermöglicht. Weil der an dem Isolierelement angebrachte Körper aus Dotierungsmaterial eine etwas größere Fläche hat, ist die Tunneldiode von F i g. 5 g mechanisch noch fester als die Vorrichtung nach Fig. 4g.

In der Praxis werden die Tunneldioden nach der Erfindung in Matrixanordnungen so hergestellt, daß eine große Zahl von Dioden auf einem einzigen Plättchen oder einer Unterlage vorhanden sind. Vor dem Ätzvorgang wird die Anordnung dann in einzelne Einheiten zerschnitten, und die Dioden werden einzeln geätzt, um für jede die gewünschte elektrische Charakteristik zu erlangen.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauelementes mit einem einlegierten pn-übergang des Esaki-Typs, bei dem die Fläche des Übergangs zur Verringerung seiner Kapazität durch anschließendes Ätzen verkleinert wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine begrenzte Fläche des Halbleiterkörpers mit einer festhaftenden Isolierschicht versehen und dann das Legierungsmaterial so auf die Isolierschicht und den Halbleiterkörper aufgebracht wird, daß es nur an einem kleinen Bruchteil der gesamten Berührungsfläche bei der nachfolgenden Wärmebehandlung mit dem Halbleiterkörper legiert, und daß die Stärke der Isolierschicht so bemessen und das Ätzen so weit geführt wird, daß nach dem Einlegieren und Ätzen des Übergangs praktisch nur die Isolierschicht als Träger für die einlegierte Elektrode des Halbleiterbauelementes dient.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als tragende Isolierschicht für die einlegierte Elektrode des Halbleiterbauelementes Siliziummonoxyd oder Siliziumdioxyd über eine die Länge und Breite dieser Schicht bestimmende Maske auf die begrenzte Hache des Halbleiterkörpers, vorzugsweise Germanium, aufgedampft wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Legierungsmaterial mit Hilfe einer weiteren Maske so aufgedampft wird, daß die Isolierschicht in etwa dreieckiger Form bedeckt wird und lediglich eine Spitze des Dreiecks den Halbleiterkörper berührt.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die tragende Isolierschicht als eine eine Aussparung aufweisende Schicht aufgedampft wird, so daß das anschließend über eine entsprechende weitere Maske aufgedampfte Legierungsmaterial den Halbleiterkörper lediglich in der Aussparung berührt.

5. Verfahren nach Anspruch 1 unter Anwendung eines elektrolytischen Ätzverfahrens, bei dem ein Stromkreis über den Elektrolytstrahl und die Halbleitervorrichtung geschlossen wird, dadurch gekennzeichnet, daß der über den Elektrolytstrahl geschlossene Stromkreis und der Stromkreis für die Pumpe des Elektrolytstrahls je über

ein Ruhekontaktpaar eines Relais verläuft, das durch einen Verstärker gespeist wird, der durch die am Halbleiterkörper anliegende Spannung derart gesteuert wird, daß beim Auftreten einer höheren als der zulässigen Spannung während des Ätzvorganges die Ruhekontakte des Relais unterbrochen werden.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Auslegeschrift Nr. 1 077 024; USA.-Patentschriften Nr. 2 629 802, 2 796 562; H e η i s c h, »Rectifying Semicondutor Contacts«, 1957, S. 141;

»ETZ-A«, Bd. 82, H. 4, S. 114 bis 116.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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