DE1213056B

DE1213056B - Elektrolytisches AEtzverfahren zum Verkleinern von pn-UEbergangsflaechen und/oder zum Beseitigen von Oberflaechenstoerungen an pn-UEbergaengen bei Halbleiterkoerpern von Halbleiterbauelementen

Info

Publication number: DE1213056B
Application number: DES80933A
Authority: DE
Inventors: Dr Hans-Joachim Henkel; Alfred Kunert
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1962-08-16
Filing date: 1962-08-16
Publication date: 1966-03-24

Description

Elektrolytisches Ätzverfahren zum Verkleinern von pn-Übergangsflächen und/oder zum Beseitigen von Oberflächenstörungen an pn-übergängen bei Halbleiterkörpern von Halbleiterbauelementen Bei dem Herstellen von Halbleiterbauelementen muß in vielen Fällen dem. Legierungsprozeß ein Ätzprozeß folgen. Die Behandlung der Oberfläche und der pn-Übergänge erfolgt durch Materialabtragen, das durch chemisches oder elektrochemisches Ätzen erreicht werden kann. Dieses Ätzen ist erforderlich, um Nebenschlüsse am Rand der Rekristallisationszonen zu beseitigen und/oder die Fläche des pn-überganges zu reduzieren. In zahlreichen Fällen führt der Auflösungsprozeß bei rein chemischen Ätzverfahren mit meist sehr aggressiven Lösungsmitteln schon nach kürzerer Zeit zu einem Kurzschluß des Bauelements, da nicht nur das Halbleitermaterial, sondern auch das Legierungsmaterial etwas gelöst wird. Das aufgelöste Legierungsmaterial scheidet sich auf der pn-übergangszone unter dem Einfluß des dort vorhandenen starken elektrischen Feldes wieder ab. Dies ist besonders bei solchen Bauelementen der Fall, deren Feldstärke im pn-Übergang sehr groß ist, wie das insbesondere bei Tunneldioden zutrifft.
Es ist bekannt, diese Nachteile durch Anwenden eines elektrolytischen Ätzverfahrens zu vermeiden, da das aufgelöste Halbleiter- und Elektrodenmaterial beim elektrolytischen Ätzen an der Kathode abgeschieden wird. So kann bei einem bekannten Verfahren bei Halbleiterkörpern, die eine hochdotierte Oberflächenschicht vom gleichen Leitungstyp wie der Halbleitergrundkörper und einlegierte Kontakte vom anderen Leitungstyp besitzen, entlang der Ränder der einlegierten Kontakte in die hochdotierte Oberflächenschicht ein Graben eingeätzt werden. Weiterhin ist es bekannt, daß sich p-leitendes und n-leitendes Halbleitermaterial, insbesondere Germanium und Si:izium, beim elektrolytischen Ätzen unterschiedlich verhalten. Dieses unterschiedliche Verhalten ist vermutlich auf eine entgegengesetzt dotierte Oberflächenschicht, eine sogenannte Inversionsschicht, zurückzuführen, die sich an der Oberfläche des n-leitenden Halbleitermaterials ausbildet. Ferner ist es bekannt, daß bei Halbleiterkörpern mit pn-Übergängen die n-leitende Zone abgeätzt werden kann, indem diese Zone, jedoch nicht die p-leitende Zone, mit der Anode verbunden wird. Der pn-übergang wird dadurch in Sperrichtung belastet, so daß der Strom aus der n-leitenden Zone in den Elektrolyten fließt. In der p-leitenden Zone tritt kein Stromfiuß auf, und sie wird daher beim Ätzen nicht angegriffen.
Die Erfindung betrifft ein elektrolytisches Ätzverfahren zum Verkleinern von pn-Übergangsflächen und/oder zum Beseitigen von Oberflächenstörungen an pn-übergängen bei Halbleiterkörpern von Halbleiterbauelementen, die eine entgegengesetzt dotierte Oberflächenschicht auf einer Zone aufweisen. Das Verfahren gemäß der Erfindung besteht darin, daß zum Ablösen eines Teiles der p- oder n-leitenden Zone der Elektrolyt so ausgewählt wird, daß die eine Zone bereits bei der Spannung passiviert ist, bei der die andere Zone abgelöst wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren beruht auf der überraschenden Feststellung, daß beim elektrolytischen Ätzen mit geeigneten Elektrolyten bei niedrigen Spannungen zunächst die Zone eines Leitungstyps des Halbleiterkörpers abgelöst wird, während die andere Zone, die eine entgegengesetzt dotierte Oberflächenschicht aufweist, noch nicht angegriffen wird, und daß bei Erhöhung der Spannung eine Passivierung der sich zunächst ablösenden Zone eintritt, bevor die andere Zone abgelöst wird. Ferner besteht gemäß einer weiteren Ausbildung der Erfindung die Möglichkeit, den Elektrolyten so zu wählen, daß bei niedrigen Spannungen das Material der metallischen Elektroden des Halbleiterkörpers abgelöst wird, während der Halbleiterkörper selbst noch nicht angegriffen wird, und daß beim Erhöhen der Spannung das Elektrodenmaterial passiviert wird, bevor eine Ablösung des Halbleitermaterials eintritt.
Gegenüber den bisher bekannten Ätzverfahren besitzt das erfindungsgemäße Verfahren den großen Vorteil, daß es in Abhängigkeit von der angelegten Spannung eine wahlweise und getrennte Abtragung der p-leitenden Zone, der n-leitenden Zone oder des Elektrodenmaterials bei Halbleiterbauelementen erlaubt.
Besonders vorteilhaft ist die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens für die Herstellung von Tunneldioden, z. B. GaAs-Tunneldioden. Diese werden durch Einlegieren einer kleinen Zinnkugel in p-leitendes Halbmaterial hergestellt. Diese Tunneldiode besteht aus einem verhältnismäßig großen p-leitenden Gebiet und einem sehr kleinen n-leitenden Gebiet im Legierungsbereich der Zinnkugel. Ein Abtragen des p-leitenden GaAs-Gebietes wird deshalb erst nach verhältnismäßig langer Zeit nennenswerte Auswirkungen auf die Fläche des pn-Gebietes und damit auf das Strommaximum der Kennlinie zeigen. Es lassen sich dadurch in gut kontrollierbarer Weise Störungen an der Oberfläche des pn-übergangs beseitigen. Soll hingegen durch ein Ätzverfahren der Strom im Maximum auf einen geforderten Wert herabgesetzt werden, d. h. die Fläche des pn-Übergangs verkleinert werden, so ist ein Auflösen des n-leitenden Gebietes zu empfehlen. Infolge des wesentlich kleineren n-Gebietes läßt sich eine schnelle Änderung der Kennlinie erzielen. Neben der Zeitersparnis ergibt sich noch der Vorteil beim Verfahren gemäß der Erfindung, daß das Verunreinigen des Elektrolyten wegen der sehr kleinen Menge des aufgelösten n-Materials auch entsprechend gering ist.
An Hand der Zeichnung und im Beispiel des elektrolytischen Auflösens von GaAs in Schwefelsäure wird die Erfindung noch näher erläutert. Es zeigt F i g. 1 eine Anordnung zum Durchführen des Verfahrens gemäß der Erfindung, F i g. 2 die Strom-Spannungs-Kurven für p-leitendes GaAs in Schwefelsäure in Abhängigkeit von deren Konzentration, F i g. 3 die Strom-Spannungs-Kurven für p- und n-GaAs in 1 n-Schwefelsäure, F i g. 4 die Strom-Spannungs-Kurven für Sn, p-und n-GaAs in Schwefelsäure.
Die F i g. 1 zeigt eine Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Mit 11 ist das Elektrolysegefäß, mit 12 der Elektrolyt H2S04, mit 13 ein Platinblech als Kathode, mit 14 eine GaAs-Tunneldiode als Anode, mit 15 eine Tauchvorrichtung und mit 16 die Stromzu- und -abführungen bezeichnet.
In der F i g. 2 sind die Strom-Spannungs-Kurven für p-leitendes GaAs in Schwefelsäure verschiedener Konzentration graphisch dargestellt. Auf der Abszisse ist die angelegte Spannung in Volt und auf der Ordinate der Strom in Milliampere aufgetragen. Die Kurve 21 wurde in einer n 5-H2504, Kurve 22 in einer 1 n-H.S04 und Kurve 23 in einer 5 n-H2S04 aufgenommen. Der Verlauf dieser drei Strom-Spannungs-Kurven zeigt ein Ansteigen des Stromes bei etwa 0,6 Volt bis zu einem Maximum zwischen etwa 0,9 und 1,2 Volt. Danach erfolgt ein plötzlicher Stromabfall auf einen Minimalwert, der sich erst ab etwa 2,5 Volt wieder erhöht. Während des Stromanstiegs bildet sich auf dem GaAs eine Oberflächenschicht, die isolierend wirkt und zu einer Passivierung führt. Diese Isolierschicht bewirkt den plötzlichen Abfall des Stromes.
In F i g. 3 ist der Verlauf der Strom-Spannungs-Kurve von n-leitendem Galliumarsenid im Vergleich zum p-leitenden Galliumarsenid dargestellt. Auf der Abszisse ist ebenfalls die angelegte Spannung in Volt und auf der Ordinate der Strom in Milliampere aufgetragen. Die Kurve 31 gibt die Strom-Spannungs-Kurve für p-feitendes GaAs und die Kurve 32 die Strom-Spannungs-Kurve für n-leitendes GaAs wieder. Die Kurven wurden in 1 n-H.S04 als Elektrolyt aufgenommen. Die Strom-Spannungs-Kurve 32 zeigt, daß für n-leitendes GaAs der Stromanstieg erst bei etwa 1,3 Volt beginnt. Das Strommaximum liegt etwa bei 2,3 bis 2,8 Volt. Danach fällt der Strom auf einen niedrigen Wert ab, der sich bis etwa 5 Volt nicht wieder wesentlich erhöht. Auch auf dem n-leitenden GaAs bildet sich eine dunkle Oberflächenschicht, welche die Passivierung bewirkt.
Die F i g. 4 zeigt die Strom-Spannungs-Kennlinie für Sn-Elektroden, p-leitendes GaAs und n-leitendes GaAs in 5 n-H2S04 als Elektrolyt. Auf der Abszisse ist die angelegte Spannung in Volt und auf der Ordinate der Strom in Milliampere aufgetragen. Die Kurve 41 gibt die Strom-Spannungs-Kurve des Elektrodenmaterials Sn, Kurve 42 die des p-leitenden GaAs und Kurve 43 die des n-leitenden GaAs wieder. Die graphische Darstellung zeigt, daß in 5 n-H2S04 das Zinn sich schon bei Spannungen von 0,2 Volt hinreichend schnell passivieren läßt. Die Passivierung des Zinns ist dabei nicht nur von der angelegten Spannung abhängig, sondern auch eine Zeitreaktion, die je nach der Konzentration des Elektrolyten bei der genannten Spannung mehr oder weniger rasch binnen weniger Sekunden zur Ausbildung einer Schutzschicht führt.

Claims

Patentansprüche: 1. Elektrolytisches Ätzverfahren zum Verkleinern von pn-Übergangsflächen und/oder zum Beseitigen von Oberflächenstörungen an pn-übergängen bei Halbleiterkörpern von Halbleiterbauelementen, die eine entgegengesetzt dotierte Oberflächenschicht auf einer Zone aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß zum Ablösen eines Teiles der p- oder der n-leitenden Zone der Elektrolyt so ausgewählt wird, daß die eine Zone bereits bei der Spannung passiviert ist, bei der die andere Zone abgelöst wird. 2. Elektrolytisches Ätzverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrolyt so ausgewählt wird, daß die dem Elektrolyten ausgesetzten metallischen Elektroden am Halbleiterkörper bei Spannungen abgelöst werden, bei denen das Halbleitermaterial noch nicht abgelöst wird, und daß die metallischen Elektroden bei den Spannungen passiviert werden, bei denen Halbleitermaterial abgelöst wird. 3. Elektrolytisches Ätzverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Halbleiterkörper aus Galliumarsenid und 0,2-bis 5normale Schwefelsäure als Elektrolyt verwendet wird. In Betracht gezogene Druckschriften: Britische Patentschrift Nr. 871161; The Sylvania Technologist, Bd. 11, April 1958, Nr.
2, S. 50 bis 58, Nature, 18. Juli 1953, Nr. 4368, S.115.