DE1042130B - Verfahren zur Herstellung von Halbleiteranordnungen - Google Patents

Description

• Verfahren zur Herstellung von Halbleiteranordnungen Die Erfindung betrifft eine Verbesserung bei der Herstellung von Halbleitergeräten, insbesondere Flächengleichrichtern für hohe Spannungen und Ströme, Leistungstransistoren usw., mit einem im wesentlichen einkristallinen Grundkörper, z. B. aus Germanium, Silizium od. dgl., welcher einen oder mehrere pn-Übergänge aufweist. Die Qualität derartiger Halbleitergeräte wird häufig durch Oberflächenverschmutzung beeinträchtigt, insbesondere an den im folgenden als »äußere pn-Grenze« bezeichneten Stellen, an denen ein pn-Übergang an die Oberfläche tritt. Es ist daher üblich, die Halbleiteroberfläche durch Ätzen zu reinigen. Damit wird jedoch nicht immer ein befriedigendes Ergebnis erzielt. Es ist z. B. die Erfahrung gemacht worden, daß sich Stoffe von edlerem Charakter als das behandelte Halbleitermaterial, von welchen Spuren in der Ätzflüssigkeit enthalten sind, auf dem Halbleitermaterial niederschlagen und unter Umständen leitende Überbrückungen der äußeren pn-Grenze bilden. Ferner kann durch Berührung mit Luft während der auf den Ätzvorgang folgenden Weiterbehandlung des Halbleitergerätes eine erneute Verschmutzung der Oberfläche eintreten. Demgegenüber wird mit der Erfindung eine Oberflächenreinigung bezweckt, bei welcher der Halbleiter nicht mit einem Fremdstoff, der Schmutzspuren enthalten kann, wie Ätzflüssigkeit, in Berührung kommt, und welche ohne größere Umstände kurz vor oder sogar nach der luftdichten Kapselung des Halbleiters am fertigen oder fast fertigen Halbleitergerät durchgeführt werden kann.
• Demgemäß bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Herstellung von Halbleiteranordnungen mit im wesentlichen einkristallinem Grundkörper, welcher mindestens einen pn-Übergang und beiderseits desselben großflächige Metallelektroden aufweist und dessen Halbleiteroberfläche während des Herstellungsganges wiederholt gereinigt wird. Erfindungsgemäß wird die letzte Oberflächenreinigung der bereits mit den Metallelektroden versehenen Halbleiteroberfläche durch ein an sich bekanntes Ionenbombardement in Gestalt einer an mindestens einer der Metallelektroden erzeugten Glimmentladung vorgenommen. Bei bekannten Fällen, in denen Halbleitereinkristalle einem Ionenbombardement ausgesetzt wurden, handelte es sich lediglich um Versuche, bei denen teils Kristalle von einheitlichem Leitfähigkeitstyp, also ohne pn-Übergang, behandelt wurden, teils der Einfluß eines Ionenbombardements auf die Oberflächenrekombination den Gegenstand der Untersuchung bildete, wobei aber nirgends der Gedanke auftauchte, diese Behandlung an geeigneter Stelle in das Herstellungsverfahren einzubauen mit dem Ziel, dadurch die Gefahr von Überbrückungen der äußeren pn-Grenze zu vermeiden. Das Verfahren gemäß der Erfindung soll an Hand der Fig. 1 bis 4 erläutert werden.
• Nach Fig. 1 bildet ein Halbleitereinkristall H als Ganzes die Kathode gegenüber einer fremden Anode A. Der Halbleiter H bestehe beispielsweise aus einem scheibenförmigen Grundkörper von p-leitendem Silizium, der auf einer Seite mit einer sperrfreien Basiselektrode B versehen ist. Eine Gegenelektrode G befindet sich auf der gegenüberliegenden Seite. Ihr ist ein n-leitender Bereich vorgelagert, der in an sich bekannter Weise durch eine geeignete Wärmebehandlung unter Anwendung einer passenden Dotierungssubstanz hergestellt sein kann. Die beiden Bereiche von verschiedenem Leitfähigkeitstyp diesseits und jenseits des pn-Überganges sind durch eine elektrisch leitende Gberbrückung des letzteren zueinander parallel geschaltet und mit dem Minuspol einer Spannungsquelle verbunden, während die Fremdanode A an den Pluspol derselben angeschlossen ist. Die Anordnung wird zur Durchführung des Reinigungsprozesses innerhalb eines inerten Gases, z. B. Argon, vorzugsweise unter geringerem als dem normalen Atmosphärendruck bzw. als dem späteren Betriebsdruck an Spannung gelegt. Argon hat sich auch bei den obenerwähnten bekannten Versuchen als geeignetes Schutzgas erwiesen.
• Fig. 2 zeigt eine entsprechende Anordnung für einen Transistor, bei welcher ein p-leitender Grundkörper H mit einer am Rande angebrachten sperrfreien Basiselektrode B zwei n-leitende Bereiche unter den einander gegenüberliegenden Flachseiten aufweist, auf denen die beiden Richtelektroden, Emitter E und Kollektor C, angebracht sind. Hier sind die drei Elektroden B, C und E zueinander parallel geschaltet und mit dem negativen Pol der Spannungsquelle verbunden, während die Fremdanode A wiederum am positiven Pol liegt.
• Zur Durchführung der Oberflächenreinigung wird nach dem Anlegen der Gleichspannung durch Abpumpen von Füllgas aus dem Behandlungsraum der Druck fortschreitend herabgesetzt, bis die Glimmentladung einsetzt. Die Druckhöhe, bei welcher das eintritt, ist von der Höhe der angelegten Spannung und von den geometrischen Abmessungsverhältnissen des Halbleitergerätes abhängig. Durch Versuch können sowohl die günstigste Spannung als auch die passende Höhe des Druckes für den wirksamsten Ionenbeschuß verhältnismäßig leicht ermittelt werden. Es ist auch ohne weiteres möglich, das Einsetzen und die Dauer der Glimmentladung durch elektrische Meßinstrumente zu überwachen. Von Zeit zu Zeit kann die Behandlung unterbrochen und durch Umschalten auf eine geeignete Prüfeinrichtung jedesmal die Sperrfähigkeit des Halbleitergerätes bzw. deren Veränderung festgestellt werden. Der Reinigungsprozeß durch Abglimmen kann bei jedem Prüfling so lange fortgesetzt bzw. wiederholt werden, bis ein gewünschter Wert der Sperrfähigkeit bzw. ein Optimum erreicht ist. Eine Unterbrechung des Ionenbeschusses kann beispielsweise durch weitere Fortsetzung der Druckverminderung mittels laufenden Abpumpens von Füllgas herbeigeführt werden.
• Die Fig. 3 zeigt eine Anordnung, bei welcher unter Fortfall einer Fremdanode eine zur Erzeugung einer Glimmentladung ausreichende Spannung zwischen die einzelnen Halbleiterbereiche von verschiedenem Leitfähigkeitstyp gelegt wird. Die Anschlüsse der Elektroden B und G sind hierbei so gepolt, daß der pn-Übergang in Sperrichtung beansprucht wird. Hierbei ist im Gegensatz zu den Anordnungen nach Fig. 1 und 2 nicht die ganze Halbleiterfläche dem Ionenbeschuß ausgesetzt, sondern nur der Teil, welcher ein genügend hohes negatives Potential hat. Da der überwiegende Anteil des Potentialgefälles am pn-Übergang liegt, erstreckt sich die Glimmentladung nicht nur bis an die dem negativen Pol zugekehrte Grenze des pn-Überganges, sondern auch mindestens auf einen Teil der in Richtung des Potentialgefälles gerechneten Breite dieses Überganges. Infolgedessen vermag offenbar die Glimmentladung, welche bei fortlaufender Druckminderung einen flächenhaften Charakter annimmt, ihre reinigende Wirkung mindestens nahezu auf die ganze Breite des pn-Überganges auszuüben. So wenigstens ist die durch Versuche festgestellte Verbesserung der Sperrfähigkeit von Silizium-Gleichrichtern durch die vorbeschriebene Behandlung erklärbar.
• Bei einem Transistor, den Fig. 4 als Beispiel zeigt, können die beiden Richtelektroden, Emitter E und Kollektor C, zueinander parallel geschaltet und an den entgegengesetzten Spannungspol gelegt werden wie die Basis B.
• Bei den Anordnungen entsprechend den Fig. 3 und 4, bei denen der pn-Übergang bzw. die pn-Übergänge während der Behandlung in Sperrichtung beansprucht werden, kann statt Gleichspannung auch Wechselspannung angewendet werden. Diese legt sich von selbst während der Sperrhalbwelle an den pn-Übergang bzw. die pn-Übergänge und ruft dort die reinigende Glimmentladung hervor. Es muß dann nur für eine Begrenzung des Stromes während der Durchlaßhalbwelle gesorgt werden, indem z. B. ein Widerstand mit dem Halbleiterelement in Reihe geschaltet wird. Der Wert dieses Widerstandes muß groß sein gegenüber dem Widerstandswert des Halbleiterelementes in Durchlaßrichtung, jedoch klein gegenüber dem Widerstandswert des Halbleiterelementes in Sperrichtung. Die Oberflächenreinigung kann bei den Anordnungen nach Fig. 3 und 4, einerlei ob mit Gleich- oder Wechselspannung, in derselben Weise durchgeführt werden, wie oben für diejenigen nach Fig. 1 und 2 angegeben.
• Bei der Herstellung der Schaltungen nach den Fig. 1 bis 4 kann mindestens ein Teil der etwa bereits angebrachten leitenden Gehäuseteile oder der für den Betrieb des fertigen Gerätes vorgesehenen Anschlußvorrichtungen (Anschlußfahnen, Klemmen) die in der Zeichnung der besseren Übersicht halber weggelassen sind, zum Anschluß an die Spannungsquelle verwendet werden, welche zur Oberflächenreinigung benutzt wird. Wird gemäß Fig. 1 und 2 eine fremde Anode A verwendet, so wird es in der Regel erforderlich sein, wenigstens einen Teil des Gehäuses erst nach dem Abglimmen der Halbleiteroberfläche anzubringen, die besagte Behandlung also in einer besonderen, luftdicht abgeschlossenen und mit inertem Gas von vermindertem Druck gefüllten Kammer vorzunehmen, in der sich auch die Fremdanode A befindet. Die Vervollständigung des Gehäuses wird dann vorteilhaft in dem gleichen abgeschlossenen und mit inertem Gas gefüllten Behandlungsraum in unmittelbarem Anschluß an das Abglimmen der Halbleiteroberfläche vorgenommen, ohne daß der Halbleiter zwischendurch mit Luft in Berührung kommt.
• Bei der Schaltung ohne Fremdanode nach den Fig. 3 und 4 ist es dagegen auch möglich, bei der Oberflächenreinigung ohne eine besondere Kammer auszukommen. Man kann nämlich die Behandlung wahlweise an dem bereits vom Gehäuse völlig umschlossenen und von inertem Gas umgebenen Halbleitergerät vornehmen, z. B. in der Weise, daß nach Anlegen der Spannung an die entsprechenden äußeren Anschlußteile des Gehäuses ein Teil des für den Betrieb vorgesehenen inerten Füllgases aus dem Gehäuse durch einen Füllstutzen abgepumpt wird. Nach dem Abglimmen wird dann wieder Füllgas in das Gehäuse eingelassen, bis der normale bzw. betriebsmäßige Druck im Gehäuse herrscht. Danach wird dessen Füllöffnung endgültig verschlossen, z. B. zugelötet.

Claims (5)

1. PATENTA\SPRttCHE: 1. Verfahren zur Herstellung von Halbleiteranordnungen mit im wesentlichen einkristallinem Grundkörper, vorzugsweise aus Silizium, welcher mindestens einen pn-Übergang und beiderseits desselben großflächige Metallelektroden aufweist und dessen Halbleiteroberfläche während des Herstellungsvorganges wiederholt gereinigt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die letzte Oberflächenreinigung der bereits mit den Metallelektroden versehenen Halbleiteroberfläche durch ein an sich bekanntes Ionenbombardement in Gestalt einer an mindestens einer der Metallelektroden erzeugten Glimmentladung vorgenommen wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zu reinigende Halbleiteroberfläche innerhalb eines inerten Gases, z. B. Argon, einer zur Erzeugung einer Glimmentladung ausreichenden Spannung ausgesetzt wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck des inerten Gases niedriger als der normale Atmosphärendruck gewählt wird.
4. 4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck des inerten Gases niedriger als der Betriebsdruck, unter welchem das fertige Halbleitergerät zu arbeiten bestimmt ist, gewählt wird. 5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiteranordnung als Ganzes unter Parallelschaltung der verschiedenen Bereiche beiderseits des pn-Überganges als Kathode gegenüber einer fremden Anode dem Ionenbombardement ausgesetzt wird. 6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine zur Erzeugung einer Glimmentladung ausreichende Spannung zwischen die einzelnen Halbleiterzonen von verschiedenem Leitfähigkeitstyp gelegt wird. 7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiteranordnung unmittelbar nach dem Ionenbombardement luftdicht gekapselt wird. B. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapselung in demselben Raum wie das Ionenbombardement vorgenommen wird. 9. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitergerät vor dem Ionenbombardement luftdicht gekapselt wird. In Betracht gezogene Druckschriften: USA.-Patentschrift Nr. 2 592 683; Das Elektron, Bd. 5, 1951/52, Heft 13/14, S. 429 bis 439'; Zeitschrift für Elektrochemie, Bd. 58, 1954, Nr.
5. 5, S. 283 bis 321.