DE1300163B - Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelementes mit einer Legierungselektrode - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelementes mit einer auf einem einkristallinen Halbleiterkörper angebrachten Legierungselektrode, z.B. eines Transistors, einer Gleichrichterdiode, einer Photodiode oder eines integrierten Schaltelementes. Unter einer Legierungselektrode ist hier eine Elektrode zu verstehen, die dadurch erhalten wird, daß auf eine Oberfläche eines Halbleiterkörpers eine Menge eines Materials, meist eines Metalls oder einer Legierung, weiter mit »Elektrodenmaterial« bezeichnet, aufgebracht wird, das einen niedrigeren Schmelzpunkt als das Halbleitermaterial hat, wonach das Ganze auf eine über dem Schmelzpunkt des Elektrodenmaterials, aber unter dem des Halbleitermaterials liegende Temperatur erhitzt und darm abgekühlt wird. Beim Aufschmelzen wird etwas Halbleitermaterial in dem Elektrodenmaterial gelöst und kristallisiert bei Abkühlung wieder aus und wächst am Halbleiterkörper an. Die Grenzfläche, bei der das Halbleitermaterial nicht mehr gelöst wird und die Wiederauskristallisierung anfängt, wird als »Legierungsfront« bezeichnet.

Es sei bemerkt, daß das Elektrodenmaterial auf verschiedene Weise auf den Halbleiterkörper aufgebracht werden kann. Es kann in festem Zustand, z. B. in Form einer Kugel, vorzugsweise in einer Legierform auf den Halbleiterkörper aufgelegt werden, wonach dann das Ganze oberhalb der Schmelztemperatur des Elektrodenmaterials oder wenigstens oberhalb der eutektischen Temperatur des Elektrodenmaterials und des Halbleitermaterials erhitzt wird (s. deutsche Patentschriften 976 348 und 976 360).

Man kann aber auch das Elektrodenmaterial in geschmolzenem Zustand, meist nach Erhitzung in einem reduzierenden Gas, auf den Halbleiterkörper fallen lassen, wodurch bewirkt wird, daß die gegenseitigen Berührungsflächen sehr rein sind (s. deutsche Auslegeschrift 1 230 911). Es ist insbesondere bei diesem Verfahren möglich, die Elektrodenmaterialmenge nicht auf einmal, sondern in zwei oder mehreren gesonderten Teilen auf den Halbleiterkörper fallen zu lassen. Dieses Verfahren kann vorteilhaft sein, wenn das Elektrodenmaterial Bestandteile, wie das Element Aluminium, aufweist, die schwer mit einem Halbleiterkörper zusammenschmelzen. Das Elektrodenmaterial kann jedoch auch als eine haftende Schicht, z. B. durch Bedampfen im Vakuum, auf den Halbleiterkörper aufgebracht werden, wonach das Ganze erhitzt werden kann (s. niederländische Patentanmeldung 6 511474).

Es ist bekannt, daß die Form der Legierungsfront von verschiedenen Faktoren abhängig ist und die elektrischen Eigenschaften der Halbleitervorrichtung beeinflußt. Anfänglich wurden Dioden und Transistören oft dadurch hergestellt, daß Indium auf Germanium aufgeschmolzen wurde. Dabei wurde meist eine gekrümmte Legierungsfront erhalten (s. z. B. Moore und Pankove, P. I. R. E., Juni 1954, S. 907 bis 913).

Sowohl zur Verbesserung der elektrischen Eigenschaften der Elektroden als auch zum Erhalten einer flachen Legierungsfront wurden später bei Germanium-Transistoren meist Elektroden verwendet, die z. B. außer Indium auch geringe Mengen an einem anderen Element, z. B. Aluminium, enthielten (siehe deutsche Auslegeschrift 1036 392). Es ist bekannt, daß derartige Elektroden in elektrischer Hinsicht am Rande der Legierungsfront am schwächsten sind und daß dort ein Durchschlag meist zuerst auftritt, wenn diese Elektroden in der Sperrichtung betrieben werden. Es wurde vorgeschlagen, diese Randgebiete auf mechanischem Wege zu entfernen oder durch vorangehendes Abtragen eine tafelbergähnliche Erhöhung zu bilden und eine Metallschicht so einzulegieren, daß die Legierungsfront an der Seitenfläche der Erhöhung an die Oberfläche des Körpers tritt (deutsche Patentschrift 1 018 555 bzw. deutsche Auslegeschrift 1209 661). Dieses Verfahren ist aber schon wegen der meist geringen Abmessungen der Elektroden schwer durchzuführen. Obwohl die Schwäche der Randgebiete am einfachsten durch elektrischen Durchschlag angezeigt werden kann, läßt sich schließen, daß auch mechanische Unvollkommenheiten hier eine Rolle spielen.

Die Erfindung hat im allgemeinen den Zweck, ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelementes mit einer Legierungselektrode zu schaffen, bei dem schwache Stellen an den Rändern nicht oder wenigstens in viel geringerem Maße als bisher auftreten. Die Erfindung gründet sich auf die Feststellung, daß das Auftreten dieser schwachen Stellen mit der Verwendung von Elektrodenmaterialien zusammenhängt, die eine flache Legierungsfront ergeben, indem sie beim Aufschmelzen nicht nur den Kristallflächen des Halbleiterkörpers unter der Elektrode, sondern auch an ihren Rändern genau folgen, wodurch an diesen Rändern scharfe Ecken entstehen, die die elektrische Feldverteilung beeinträchtigen und auch andere Störungen herbeiführen können. Der Erfindung liegt weiter die Erkenntnis zugrunde, daß bestimmte Elemente in so geringen Mengen dem Elektrodenmaterial zugesetzt werden können, daß sie die Bildung einer flachen Legierungsfront nicht, aber wohl die Bildung scharfer Ecken an den Rändern verhindern.

Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß dem Elektrodenmaterial mindestens ein weiteres Element in einer derartigen Menge zugesetzt wird, daß der Zusatz eine Abrundung der Ränder der Legierungsfront herbeiführt, aber die Bildung einer flachen Legierungsfront nicht verhindert.

Vorzugsweise wird als ein derartiges Element Magnesium verwendet. Nach einer weiteren Ausführungsform wird mindestens 4 · 10—⁴ Gewichtsprozent und höchstens 2 · 10— ¹ Gewichtsprozent Mg zugesetzt. Es hat sich gezeigt, daß dieser Zusatz insbesondere bei einem hauptsächlich aus Indium bestehenden und in an sich bekannter Weise mindestens 10—² Gewichtsprozent Aluminium enthaltenden Elektrodenmaterial eine günstige Wirkung hat; dieses Elektrodenmaterial kann weiter eine geringe Menge an Halbleitermaterial, ζ. Β. Germanium oder Silizium, enthalten (s. deutsches Patent 961913).

Es hat sich weiter herausgestellt, daß der Zusatz der erwähnten Elemente, die eine Abrundung der Ränder der Legierungsfront fördern, bei Legierungselektroden, die auf eine gemäß einer [lll]-Ebene orientierte Oberfläche eines Germanium- oder Silizium-Einkristalls angebracht werden, eine besonders günstige Wirkung hat.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand eines Ausführungsbeispieles und der Figuren näher erläutert. Es zeigen

F i g. 1,3 und 5 Schnitte durch Halbleiterkörper, die mit einer einzigen Legierungselektrode versehen sind,

Fig. 2, 4 und 6 Draufsichten auf die Körper mit Elektrode,

F i g. 7 einen Schnitt durch einen Transistor und

F i g. 8 a bis 8 d in verschiedenen Lagen eine Legierform, die zur Anwendung beim Verfahren nach der Erfindung besonders geeignet ist.

F i g. 1 bis 4 beziehen sich auf bekannte Halbleiterbauelemente, während die F i g. 5 bis 8 sich auf Vorrichtungen nach der Erfindung beziehen.

Alle Figuren sind der Deutlichkeit halber in vergrößertem Maßstab und sehr schematisch gezeichnet.

F i g. 1 und 2 zeigen einen Halbleiterkörper 1, der aus einem Germanium-Einkristall vom n-Leitfähigkeitstyp besteht, dessen obere Fläche 6 gemäß einer [lll]-Ebene orientiert ist. Auf dieser oberen Fläche 6 ist eine aus Indium bestehende Elektrode 2 aufgeschmolzen. Die Legierungsfront 3 hat eine konkave Form. Der Teil des Halbleiterkörpers, der beim Aufschmelzen der Legierung in dem Elektrodenmaterial gelöst wurde und dann wieder auskristallisierte, ist mit 4 bezeichnet. Weil dieser Teil mit Indium gesättigt ist, ist er p-leitend. F i g. 2 zeigt weiter, daß die Form der Kurve 5 längs der die Legierungsfront 3 die obere Fläche 6 des Halbleiterkörpers schneidet, nahezu rund ist. Bei Anwendung dieses Elektrodenmaterials hat die Legierungsfront somit kaum oder nicht die Neigung, den Gitterflächen des Halbleiterkörpers zu folgen.

Die F i g. 3 und 4 zeigen ein ähnliches Halbleiterbauelement wie die Fig. 1 und 2, mit dem Unterschied, daß als Elektrodenmaterial Indium mit einem Gehalt von 0,3 Gewichtsprozent verwendet wurde. Es ist deutlich wahrzunehmen, daß die Legierungsfront 13 genau gemäß einer [111]-Ebene orientiert ist, während die Legierungsfront die obere Fläche 16 längs eines Sechsecks 15 schneidet, dessen Form als die eines gleichseitigen Dreiecks mit abgerundeten Ecken umschrieben werden kann. Eben die scharfen Ecken dieser Legierungsfront verringern die Durchschlagspannung, wenn die Elektrode gleichrichtend ist und in der Sperrichtung betrieben wird. In diesem Falle und in anderen Fällen können die scharfen Ecken auch Gitterfehler herbeiführen.

Die F i g. 5 und 6 zeigen eine derartige Halbleitervorrichtung, bei der dem Elektrodenmaterial außer Aluminium auch Magnesium, nämlich etwa 0,3 Gewichtsprozent Aluminium und 1 · 10~² Gewichtsprozent Magnesium, zugesetzt ist, während die Elektrode übrigens aus Indium mit etwas darin beim Aufschmelzen gelösten Germanium besteht. Die Legierungsfront 23 ist noch gemäß einer [lll]-Ebene orientiert, und die Randteile 25 der wiederauskristallisierten Zone 24 zeigen auch noch eine Orientierung gemäß [Hl]-Ebenen, aber die Winkel, die die Randteile 25 mit der Legierungsfront einschließen und die insbesondere im Schnitt in F i g. 5 veranschaulicht werden, sind nun abgerundet, während die Winkel, die die Randteile miteinander einschließen, auch stark abgerundet sind, wie in Fig. 6 dargestellt ist. Die Sperrspannung ist in diesem Falle etwa um 15% höher als ohne den Zusatz von Magnesium.

Versuche haben ergeben, daß eine Erhöhung des Magnesiumgehaltes der obenerwähnten Legierung eine weitere Abrundung zur Folge hat. Ein höherer Gehalt als 2 · 10—^x Gewichtsprozent wird aber zweckmäßig nicht verwendet, weil dies zu Unregelmäßigkeiten in der Wieder auskristallisierung führt und keine weitere Erhöhung der Sperrspannung zur Folge hat.

Nun wird das folgende Beispiel eines Verfahrens zur Herstellung eines Transistors, der in F i g. 7 im Schnitt dargestellt ist, beschrieben.

Auf eine einkristalline Halbleiterscheibe 41 aus η-leitendem Germanium mit einem spezifischen Widerstand von 2 Qcm, einer Dicke von 200 μ und Seiten von 3X3 mm, von der die beiden größten Begrenzungsflächen 42 und 43 gemäß einer [Hl]-Ebene orientiert sind, werden zwei Elektroden, nämlich eine Emitter-Elektrode 44 und eine Kollektor-Elektrode 45, auflegiert. Zu diesem Zweck wird vorzugsweise eine sogenannte kippbare Legierform verwendet, die in verschiedenen Lagen in den F i g. 8a und 8 d dargestellt ist. Die Legierform besteht aus zwei Hälften 50 und 51, die auf den einander zugewandten Seiten mit einer Lagerung für den Halbleiterkörper 41 versehen sind. Diese Teile weisen weiter Kanäle 52 und 53 auf, in die Elektrodenmaterial in Form von Kügelchen 54 und 55 gelegt werden kann. Der Kanal 53 besitzt noch einen Seitenkanal 56, in den ein drittes Kügelchen57 gelegt werden kann. Die Legierform kann auf übliche Weise aus Graphit hergestellt sein. Nachdem das Ganze während einiger Zeit in Wasserstoff auf eine Temperatur von nahezu 500° C in der in F i g. 8 a dargestellten Lage erhitzt wurde, wurde auf 350° C abgekühlt, wonach die Form nach links über 90° in Richtung des Pfeiles 60 gekippt wurde, bis die in Fig. 8b dargestellte Lage eingenommen wurde. Dabei fiel das Kügelchen 55 auf den Körper 41, dessen Oberfläche gleich wie die des Kügelchens, durch die Erhitzung in Wasserstoff gereinigt worden war, so daß eine gute Haftung erzielt wurde. Dann wurde das Ganze nochmals in der gleichen Richtung gekippt, bis die in F i g. 8 c dargestellte Lage erreicht wurde, wodurch das Kügelchen 54 auf den Körper geworfen und die Kollektorelektrode 45 gebildet wurde. Diese beiden Kügelchen 54 und 55 bestanden aus reinem Indium. Bei der letzten Kippbewegung fiel außerdem das Kügelchen 57 aus dem Seitenkanal 56 des Kanals 53. Wenn die Legierform nochmals über 180° gekippt wurde, bis die in Fig. 8d dargestellte Lage eingenommen wurde, wurde das Kügelchen 57 auf das bereits vorlegierte Kügelchen 55 geworfen, wodurch die Emitterelektrode 44 gebildet wurde. Dieses Kügelchen 55 bestand aus Indium, dem so viel Aluminium und Magnesium zugesetzt worden war, daß der fertige Emitter etwa 0,15 Gewichtsprozent Aluminium und 0,2 Gewichtsprozent Magnesium enthielt.

Im obenstehenden Beispiel handelte es sich um einen Transistor, bei dem an die Emitter-Durchschlagspannung höhere Anforderungen gestellt wurden als mit einem aus Indium und Aluminium bestehenden Emitter erzielt werden konnten, während in diesem Falle der Kollektor aus Indium bestehen konnte. Bei vielen Transistortypen wird jedoch dem Kollektor auch Aluminium zugesetzt, insbesondere bei Transistoren für hohe Leistungen, damit eine verhältnismäßig große und flache Legierungsfront erzielt wird. Auch in diesem Falle kann die Kollektor-Durchschlagspannung durch Zusatz von Magnesium verbessert werden.

Auch in Fällen, in denen ein Element, wie Aluminium, das beim Auflegieren die Eigenschaft aufweist, daß es eine genau durch Kristallgitterflächen bestimmte Legierungsfront bildet, der Hauptbestandteil des Legierungsmaterials ist, kann der Zusatz eines Elementes, wie Magnesium, das der obenerwähnten

Eigenschaft entgegenwirkt, vorteilhaft sein. Es wurde festgestellt, daß bei aus einem Halbleiterkörper aus η-leitendem Silizium und einer auflegierten Aluminium-Elektrode bestehenden Dioden der Prozentsatz der Dioden, die eine bestimmte Durchschlagspannung nicht erreichten und somit als Ausfall zu betrachten waren, durch Zusatz einer geringen Menge Magnesium herabgesetzt werden konnte.

Die Erfindung beschränkt sich selbstverständlich nicht auf die obenerwähnten Beispiele. Sie läßt sich z. B. auch bei Halbleiterbauelementen anwenden, die vielleicht eher z. B. als Planar-Transistoren oder -Dioden bezeichnet werden können, weil sie einen oder mehrere durch Oxydhäute geschützte Übergänge aufweisen, wie dies bei planaren Vorrichtungen auch oft der Fall ist, aber bei denen dennoch Elektrodenmaterial, z.B. aufgedampftes Aluminium, einlegiert wird. In derartigen Fällen kann z. B. dem aufzudampfenden Aluminium eine geringe Magnesiummenge zugesetzt werden.

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelementes mit einer auf einem einkristallinen Halbleiterkörper angebrachten aluminiumhaltigen Legierungselektrode, dadurch gekennzeichnet, daß dem Elektrodenmaterial mindestens ein weiteres Element in einer derartigen Menge zugesetzt wird, daß der Zusatz eine Abrundung der Ränder der Legierungsfront herbeiführt, aber die Bildung einer flachen Legierungsfront nicht verhindert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dieser Zusatz aus Magnesium besteht.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens 4 · IO-⁴ Gewichtsprozent und höchstens 2 · 10—* Gewichtsprozent Magnesium zugesetzt werden.

4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Elektrodenmaterial hauptsächlich aus Indium besteht und mindestens 10~² Gewichtsprozent, aber höchstens 1 Gewichtsprozent Aluminium enthält.

5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierungselektrode auf einer in einer [lll]-Ebene orientierten Germanium- oder Silizium-Einkristallplatte angebracht wird.

6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem hauptsächlich aus Indium bestehenden und 0,1 bis 0,2 Gewichtsprozent Aluminium enthaltenden Elektrodenmaterial 0,1 bis 0,3 Gewichtsprozent Magnesium zugesetzt wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen