Verfahren zur Herstellung einer Kontaktschicht für Halbleitervorrichtungen
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer ein Metall und ein Halbleitermaterial enthaltenden Kontaktschicht für Halbleitervorrichtungen.
Der Begriff Kontakt kann in diesem Zusammenhang sowohl einen elektrischen als auch einen mechanischen Kontakt bedeuten. Eine derartige Schicht, die also gegebenenfalls eine elektrische Verbindung bilden kann, kann insbesondere zur Befestigung eines Halbleiterkörpers, z.B. durch Löten, Hartlöten oder Aufschmelzen, auf einen Träger oder zur Bildung eines Kontakts auf einem diskreten Teil, z.B. auf einer Emitter-, Basis- oder Kollektorzone eines derartigen Körpers dienen.
Es wurde bereits vorgeschlagen, Kontaktschichten aus einer Legierung zu bilden, die z.B. aus einem Metall, das einen kennzeichnenden Störstoff darstellt, wie Indium, u.
einem Halbleitermaterial, wie Germanium, besteht (siehe britsiche Patentschrift Nr. 740 655). Die Verwendung einer derartigen Legierung als Kontaktschicht ermöglicht es zu verhindern, dass, wenn diese Schicht auf einen derartigen Halbleiterkörper aufgeschmolzen wird, eine unerwünscht grosse Menge des Halbleitermaterials des Körpers in der Kontaktschicht gelöst wird. Mit anderen Worten, durch Verwendung derartiger Kontaktschichten wird deren Eindringtiefe in den Halbleiterkörper verringert.
Auch wurde bereits vorgeschlagen, eine Kontaktschicht aus einer Legierung von Gold mit einem kleinen Gehalt an Germanium oder Silizium herzustellen, wobei die Legierung den Vorteil eines ziemlich niedrigen Schmelzpunktes, einer guten Haftung und ebenfalls einer geringen Eindringtiefe aufweist. Der Nachteil derartiger Legierungen besteht jedoch darin, dass sie sehr spröde sind und sich schwer verarbeiten lassen (siehe britische Patentschrift Nr. 109 877).
Weiter hat man bereits vorgeschlagen, Metallkontaktschichten, wie Gold, auf galvanischem Wege auf einem Substrat niederzuschlagen und dabei zugleich ein Dotierungselement, wie Antimon, gleichfalls auf galvanischem Wege niederzuschlagen. Dazu lässt sich z.B. ein lösliches Salz von Antimon, z.B. Antimonhydrochlorid, SbCl3 verwenden. (Siehe amerikanische Patentschrift Nr. 2 796 5623 und britische Patentschrift Nr. 833 828), Dieses Verfahren ist zum gleichzeitigen Niederschlagen von Halbleitermaterial, wie Silizium oder Germanium, im allgemeinen nicht anwendbar.
Die Erfindung bezweckt, die obenerwähnten Schwierigkeiten zu beheben. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass es in vielen Fällen nicht nötig ist, dass die Kontaktschicht bereits vor dem Zusammenschmelzen mit einem Teil der Halbleitervorrichtung, insbesondere des Halbleiterkörpers, aus einer Legierung besteht, und dass es sogar in vielen Fällen nicht notwendig ist, dass sich die Schicht nach dem Anbringen und Zusammenschmelzen in eine Legierung umwandelt. Die Erfindung beruht weiter auf der Erkenntnis, dass Legierungen, die auseinem Metall und einem Halbleitermaterial bestehen, oft unerwünschte mechanische Eigenschaften besitzen. Sie sind insbesondere sehr spröde, auch im Falle, dass das reine Metall an sich, das den grössten Teil bildet, duktil ist.
Mit anderen Worten, das Lösen nur einer kleinen Menge Halbleitermaterial im Metall setzt die Duktilität in starkem Masse herab. Auch wurde gefunden, dass, da die gewünschte Menge Halbleitermaterial, das in die Kontaktschicht eingebaut werden muss, im Verhältnis zur Mctallmenge oft gering ist, beide Materialien, wenn einmal in zweckmässiger Weise vereint, jedoch nicht legiert, besondere Vorteile, wie sehr nützliche mechanische Eigenschaften, aufweisen können.
Erfindungsgemäss ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass das Metall als eine zusammenhängende Schicht auf einem Substrat abgesetzt wird, wobei bei diesem Absetzen Teilchen, die aus mit dem Metall legierbaren Halbleitermaterial bestehen, zugleich abgesetzt werden, und zwar bei einer Temperatur, die niedriger ist als diejenige, bei der das Metall und das Halbleitermaterial zusammenschmelzen, und die Teilchen dieses Halbleitermaterials mindestens teilweise vom ausgeschiedenen Metall eingeschlossen werden. Es ist hierbei nicht wesentlich, dass die ganze Kontaktschicht durch gleichzeitiges Absetzen von Metall und Halbleitermaterial aufgebaut wird. So kann z.B. zunächst eine dünne Schicht aus Metall und dann gleichzeitig Metall und Halbleitermaterial abgesetzt werden. Danach könnte z.B. wieder reines Metall abgesetzt werden.
Die Verwendung einer nach der erfindungsgemässen Kontaktschicht hergestellten Kontaktschicht zur Herstellung einer mit einem Kontakt versehenen Halbleitervorrichtung ist nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktschicht, nachdem sie mit einem Halbleiterkörper der Halbleitervorrichtung in mechanischen Kontakt gebracht worden ist, auf eine Temperatur erhitzt wird, bei der das Metall und das in der Kontaktschicht enthaltene Halbleitermaterial legieren.
Hierbei kann der Halbleiterkörper aus demselben Niaterial bestehen wie die Halbleiterteilchen in der Kontaktschicht.
Das Metall wird vorzugsweise auf galvanischem Wege abgesetzt, da sich mit diesem Verfahren sehr reine Metallschichten erzielen lassen, während es nicht schwierig ist, zugleich andere Teilchen, insbesondere nichtmetallische Teilchen abzusetzen. In diesem Fall verhalten sich die Halbleiterteilchen als nicht-metallische Teilchen.
Derartige Verfahren, bei denen ein sogenanntes äusse- res elektrisches Feld verwendet wird, sind an sich bekannt, -insbesondere für die Herstellung verschleissfeester, selbstschmierender Schichten, oder Schichten, die besonderen artistischen Anforderungen entsprechen müssen (siche z.B. Tomaszewski. Clauss und Brown, Preoc.
Am. Electroplaters' Soc. 50 (1963), Seite 169-174). In diesem Fall kann das Niederschlagen der Halbleiterteilchen durch das Auftreten elektrophoretischer Effekte gefördert werden. die Erfindung muss jedoch nicht als an die Richtigkeit dieser Erklärung gebunden angesehen werden.
Das Metall kann gegebenenfalls auch mit Hilfe eines sogenannten electroless -Prozesses, nämlich eines galvanischen Prozesses, abgesetzt werden, bei dem kein äusseres Feld verwendet wird. Derartige Prozesse, auch wohl als Brenner -Prozesse bezeichnet, sind z.B. von Brenner und Riddel in Prc. Am. Electroplaters' Soc. . 33 (1946) Seite 23-33 und 34 (1947) Seite 156-170 beschrieben worden.
Das Metall kann jedoch auch auf trockenem Wege, insbesondere durch Aufdampfen oder durch Kathodenzerstäubung auf dem Substrat abgesetzt werden.
Das Absetzen der Halbleiterteilchen kann durch die Schwerkraft gefördert werden, insbesondere, wenn das Metall ohne Anwendung eines äusseren elektrischen Feldes abgesetzt wird. Dies bietet die Möglichkeit eines selektiven Absetzens der Halbleiterteilchen, die sich, unter dem Einfluss der Schwerkraft vorzugsweise auf waagerechten Flächen absetzen werden, während das Metall, das mit Hilfe des electroless - Prozesses abgesetzt wurde, sich gleichmässig auf allen Flächen absetzen wird. Wenn die Metallschicht mit Hilfe eines äusseren elektrischen Feldes abgesetzt wird, ist der Einfluss der Schwerkraft auf die Halbleiterteilchen im allgemeinen nahezu vernachlässigbar.
Das Substrat, auf dem die Kontaktschicht abgesetzt wird, kann aus einem Metall oder einer Legierung, vorzugsweise einem Metall oder einer Legierung mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten, entsprechend dem Ausdehnungskoeffizienten der üblichen Halbleiterkörper, wie Germanium und Silizium bestehen.
Äusserst zweckmässig sind Substrate aus Wolfram, Molybdän, Fernico (dies ist der Markenname einer aus 54 Gewichtsprozent Eisen, 28 Gewichtsprozenten Nickel und 18 Gewichtsprozenten Kobalt bestehender Legierung). Als Substrat eignen sich weiter insbesondere Nickel, Nickeleisenlegierungen oder keramisches Material wie Aluminiumoxyd.
Das Substrat, auf dem die Kontaktschicht abgesetzt wird, kann jedoch auch aus einem Halbleiterkörper bestehen. Die erwähnte Schicht kann insbesondere auf derjenigen Fläche eines derartigen Körpers abgesetzt werden, die dazu bestimmt ist, auf einen anderen Träger oder eine andere Unterlage aufgelötet zu werden. Es ist möglich die Kontaktschicht nur auf einem sehr kleinen Teil einer Körnerfläche abzusetzen, z.B. in einem Fenster, das in einer die erwähnte Fläche bedeckenden isolierenden Schicht, insbesondere in einer Oxydschicht, gebildet ist.
In dieser Weise können die Elektroden von Planartransistoren und -dioden dadurch gebildet werden, dass die Schicht nach dem Absetzen erhitzt und auf den Halbleiterkörper aufgeschmolzen wird, wobei dann das Vorhandensein des Halbleitermaterials in der Schicht - auf an sich bekannte Weise - eine Herabsetzung der Schmelztemperatur herbeiführt, und ausserdem verhindert, dass sich zuviel Halbleitermaterial des Körpers in der Elektrode löst, oder mit anderen Worten, dass die Eindringtiefe der Elektrode zu gross wird. Dabei ist es vorteilhaft, dass die Halbleiterteilchen in das Metall der Elektrode eingebaut werden können ohne Anwendung einer hohen Temperatur oder mechanischer Kräfte, die die Eigenschaften der Vorrichtung beeinträchtigen könnte, bzw. könnten.
Es sei bemerkt, dass in den Fällen, wo in diesem Zusammenhang vom Absetzen einer Kontaktschicht auf einem Halbleiter- oder einem keramischen Körper die Rede ist, auch ein derartiger Körper, auf dem sich bereits eine dünne Schicht befindet, gemeint sein kann. Diese dünne Schicht kann nämlich eine dünne Metallschicht se, die zur Verbesserung des Haftvermögens dienen kann, wie eine Gold- oder eine Nickelschicht, die zuvor auf dem Körper aufgedampft und durch Erhitzung darin eingebacken wird.
Obschon die Kontaktschicht im allgemeinen kontinuierlich mit dem Substrat verbunden ist, kann, nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, ein zeitweiliges Substrat verwendet werden, von dem die Kontaktschicht danach in Form einer Folie entfernt wird.
Diese Folie kann durch Walzen, Schneiden, Stanzen oder gleichartige mechanische Verfahren weiterverarbeitet werden. In diesem Fall kann insbesondere der Vorteil auftreten, dass die Duktilität der Folie an erster Stelle durch das in der Kontaktschicht vorhandene Metall bestimmt wird: das Vorhandensein des noch nicht gelösten Halbleitermaterials hat dann nur noch einen geringen Einfluss auf die Duktilität. Die unerwünschten mechanischen Eigenschaften der Legierung könnten erst dann eine Rolle spielen, nachdem die Folie zum Schmelzen gebracht ist, z.B. während des Aufschmelzens auf einen Halbleiterkörper.
Das abgesetzte Metall besteht vorzugsweise aus Gold oder Silber, während die abgesetzten Halbleiterteilchen vorzugsweise aus Silizium oder Germanium bestehen.
Vorzugsweise werden dieses Metall und die Halbleiterteilchen derart gewählt, dass diese Materialien ein deutlich hervortretendes Eutektikum bilden, was bei den obenerwähnten Elementen der Fall ist. Andere bei den erwähnten Halbleitern verwendbare Metalle sind insbesondere Aluminium, Kobalt und Nickel, die mit Germanium und Silizium ebenfalls ein Eutektikum bilden.
Die Halbleiterteilchen brauchen nicht aus Elementarhalbleitern, wie Silizium oder Germanium, zu bestehen, auch Halbleiterverbindungen, wie Galliumarsenid, sind verwendbar insbesondere in Kontaktschichten, die auf aus derselben Verbindung bestehende Körper aufgeschmolzen werden.
Die Halbleiterteilchen können sehr klein dimensioniert sein, es ist jedoch nicht notwendig, sie derart zu zerkleinern, dass sie z.B. in einem galvanischen Bade ständig dispergiert bleiben würden. Die Dispersion kann nämlich bei Verwendung grösserer Teilchen durch Rühren aufrechterhalten werden; dabei werden grössere Teilchen gegen chemische Einflüsse aus ihrer Umgebung weniger empfindlich sein.
Die Grösse der Teilchen ist vorzugsweise weniger als 5 Mikron und sogar kleiner als 1 Mikron, von denen der grössere Teil im allgemeinen noch kleiner ist.
Es ist meistens vorteilhaft, wenn die in die abgesetzte Metallschicht eingebrachte Menge Halbleitermaterial geringer als die oder gleich der der Bildung des erwähnten Eutektikums entsprechenden Menge ist.
Diese Menge kann also innerhalb weiter Grenzen variieren. Wie im nachstehenden beschrieben wird, kann die Menge so klein sein, dass, obschon die grösseren in die Schicht eingebrachten Halbleiterteilchen durch ein Mikroskop mit einer mässigen Vergrösserung von z.B.
500 mal sichtbar sein können, die Menge jedoch zu klein sein wird, um auf analytischem Wege, wie mittels einer spektroskopischen Analyse, entdeckt zu werden.
Die Schicht muss im allgemeinen mindestens 0.001 Vol. - %, aber vorzugsweise mindestens 0,01 Vol.-% Halbleitermaterial enthalten, damit die wichtigsten Vorteile verwirklicht werden können. Es sind jedoch viel grössere Mengen, wie solche, die der Bildung einer völlig aus Eutektikum bestehenden Schicht entsprechen, ebenfalls verwendbar. Ausserdem ist die Schichtdicke nicht kritisch und wird im allgemeinen geringer sein als die des Substrats oder des Halbleiterkörpers, mit dem diese Schicht verbunden werden muss. Die gleichen Dicken, die in der obenerwähnten Art von Metallschichten verwendet wurden, sind geeignet.
Es ist in der Halbleitertechnik üblich, den Halbleitermaterialien und auch Metallen, die Kontakte oder Kontaktschichten bilden, sehr geringe Mengen von Dotierungselementen zuzusetzen. In den Fällen, wo im Obenstehenden von Halbleitermaterialien oder von Metallen die Rede ist, ist das Vorhandensein solcher Dotierungselemente nicht ausgeschlossen. Zum Einschliessen eines Dotierungselements kann ein Salz des Dotierungsmittels im Bade eingeschlossen werden.
Es ist besonders einfach, der Kontaktschicht solche Dotierungselemente zuzusetzen, indem diese dem abzusetzenden Metall und/oder dem abzusetzenden Halbleitermaterial zugesetzt werden. Ein Dotierungselement, das sich schwer mit Metallen legieren lässt ist z.B. Barium. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird mit Borium dotiertes Silizium abgesetzt, indem das Bad mit mit Borium dotierten Siliziumteilchen versehen wird. Die Herstellung von mit Borium dotiertem Silizium ist in der Halbleitertechnik sehr üblich und bereitet praktisch keine Schwierigkeiten.
Die dotierten Halbleitermaterialteilchen, die den Metallen zugesetzt werden, lassen sich insbesondere von Resten von Stäben, die zur Fertigung von Halbleitervorrichtungen gedient haben, oder aus dem beim Zerschnei.
den der Halbleiterstäbe erhaltenen Abfall herstellen. Das vorliegende Verfahren schafft somit eine neue Verwendungsmöglichkeit des von anderer Fertigung von Halbleitervorrichtungen herrührenden Abfallmaterials. Dies ist umso vorteilhafter, da sich diese Reste von dotierten Stäben, ausser denjenigen von Germanium, nicht leicht zur abermaligen Verwendung reinigen lassen. Dasselbe gilt für Reste von Siliziumstäben.
Die Kontaktschicht wird vorzugsweise auf einen Halbleiterkörper, der aus demselben Material besteht wie das der Halbleiterkörper in dieser Schicht, aufgeschmolzen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen
Fig. 1 einen Schnitt durch ein Substrat einer Halbleitervorrichtung,
Fig. 2 einen Schnitt durch eine Anordnung zum auf galvanischem Wege Absetzen von Kontaktschichten auf kleinen Gegenständen, insbesondere dem Substrat nach Fig. 1,
Fig. 3 einen Schnitt durch eine Kontaktschicht auf einem Substrat,
Fig. 4 einen Schnitt durch einen auf einer Kontaktschicht befestigten Halbleiterkörper,
Fig. 5 eine Darstellung des Phasendiagramms von Gold und Silizium,
Fig. 6 und 7 Schnitte durch einen Halbleiterkörper, der erste ohne den zweiten mit einer Kontaktschicht,
Fig. 8, 9 und 10 Darstellungen der unterschiedlichen Auftragungsstadien einer Kontaktschicht in einem Fenster, angebracht in eine Isolierschicht auf einem Halbleiterkörper,
Fig.
11 eine Darstellung der Art und Weise, wie eine dünne Schicht mit Hilfe eines zeitweiligen Substrats erhalten wird,
Fig. 12 und 13 eine Darstellung zweier Stadien eines Verfahrens zur Befestigung eines Halbleiterkörpers mit Hilfe einer kleinen aus der dünnen Kontaktschicht, wie die der Fig. 11, ausgeschnittenen kleinen Platte, auf einem Substrat.
Als erstes Beispiel wird das Anbringen einer Kontaktschicht auf einem Substrat, z.B. dem Hülleboden oder dem Träger einer Halbleitervorrichtung, beschrieben, die dazu bestimmt ist, den Kristall dieser Vorrichtung zu tragen. Dieses Substrat (Fig. 1) besteht aus einer Nickelscheibe 1, durch die mit Hilfe von Durchführungen 2 eine Anzahl Leiter 3 durchgeführt ist. Die obere Fläche enthält eine Erhöhung 4, auf der ein Halbleiterkörper befestigt werden kann. Auf den Rand 5 kann eine nicht dargestellte Kappe aufgelötet werden.
Eine Anzahl dieser Unterlagen (Fig. 2) wird in eine Galvanisieranlage gebracht, die z.B. aus einer sechswinkligen, aus Isoliermaterial hergestellten gelochten Trommel 10 besteht, die um eine waagerechte Welle 11 drehbar in einem Behälter 12 angeordnet ist. Unten im Behälter ist eine Anode 13 angeordnet und der Kathodenanschluss geht über die Welle 11 zum Innern der Trommel 10. Die Antriebsvorrichtung der Trommel ist nicht dargestellt. Die Trommel dreht sich vorzugsweise abwechselnd in der einen und dann in der entgegengesetzten Richtung, dies um zu verhindern, dass sich die Leiter 3 verwirren. Die kontinuierlich verwendete Galvanisieranlage kann mit Vorteil mit einer Rührvorrichtung 14 versehen werden, um die Dispersion der Halbleiterteilchen einzuhalten.
Hinsichtlich der Zusammensetzung des Elektrolyts stellt die Erfindung keine besonderen Anforderungen, es sei denn, dass diese natürlich nicht in störendem Masse mit den Halbleiterteilchen, die darin dispergiert werden müssen, reagieren darf. Mit Rücksicht auf die vielen in der Galvanotechnik üblichen Bäder oder Elektrolyte und die Anzahl geeigneter Halbleitermaterialien, wird es nicht schwer sein, geeignete Elektrolyte und Halbleitermaterialien für das Galvanisieren zu wählen. Im Prinzip lassen sich die üblichen Elektrolyte verwenden, man soll sich jedoch zuvor durch einen einfachen Versuch davon überzeugen, ob das suspendierte Halbleitermaterial während der gewünschten Behandlungszeit nicht oder wenigstens nicht zu stark angegriffen wird.
Zum üblichen Vergolden der in Fig. 1 dargestellten Unterlage ist ein Bad verwendbar, das pro Liter Wasser enthält:
100 g Ammoniumnitrat (NH4)2 CsH60z
14 g Goldkaliumzyanid [(CN)2Au]K (68% An)
0.5 g pulverisiertes Silizium
Mit Ausnahme des zugesetzten Siliziums ist das obenstehende Bad ein Standardbad.
Die Temperatur dieses Bades beträgt mit Vorteil 600 C und die Stromstärke liegt zwischen 500 und 800 mA/dm2.
Es ist vorteilhaft, die Halbleiterteilchen einige Stunden in einer z.B. aus einem Achat hergestellten Kugelmühle zu mahlen, die vorzugsweise eine kleine Menge des nachher zu verwendenden Elektrolyts enthält.
Die Abmessungen der meisten Teilchen sind kleiner als die Dicke der niedergeschlagenen Kontaktschicht von 6 Mikron. Die mittlere Grösse kann z.B. ungefähr 1 Mikron betragen. Das Vorhandensein von Teilchen, die grösser sind als 6 Mikron, bereitete jedoch keine Schwierigkeiten.
Betreffs der Stromdichte sei bemerkt, dass dafür beim erwähnten Bade ohne suspendierte Siliziumteilchen ein Wert von 200 MA/dm- üblich ist und dass es gefährlich ist, eine höhere Stromstärke zu verwenden, da sonst Verbrennungserscheinungen auf der niedergeschlagenen Schicht auftreten können.
Das Vorhandensein der Siliziumteilchen im galvanischen Bade ist also nicht störend, im Gegenteil, es bietet an sich bereits Vorteile. Auch scheint das Vorhandensein dieser Teilchen eine gewisse Reinigung durch Adsorbtion herbeiführen zu können, wodurch Filter aus Aktivkohle, die sonst wohl bei galvanischen Bädern verwendet werden, unterbleiben können.
In der Kontaktschicht 20, deren Querschnitt schematisch in Fig. 3 dargestellt ist, konnten die dicksten Siliziumteilchen 21 durch ein Mikroskop mit einer Vergrösserung von weniger als 130mal (lincare Vergrösscrung) sichtbar gemacht werden. Sie sind grossenteils in der auf der Unterlage 1 befindlichen Goldschicht 22 eingeschlossen. Wie im Obenstehenden beschrieben wurde, kann die Schicht 22 eine Dicke von z.B. 6 Mikron haben. obschon dünnere Schichten mit einer Dicke von 3 Mikron auch sehr gut verwendbar sind.
Auf die Kontaktschicht wird ein Siliziumkristallkörper 30. wie in Fig. 4 dargestellt ist, durch Legieren verbunden. Die Einzelheiten dieses Körpers, der z.B. eine Diode, ein Transistor oder eine integrierte Schaltung sein kann, sind für die Erfindung nicht von wesentlicher Bedeutung. Zum Erhalten dieser Verbindung wird das Ganze, das aus einem Substrat, einer Kontaktschicht und einem Halbleiterkörper besteht, einige Sekunden auf eine Temperatur von 4100 C in einer nichtoxidierenden oder reduzierenden Atmosphäre erhitzt; die Erhitzungszeit und die Temperatur sind nicht kritisch, sofern die Unterlage eine Temperatur erreicht, die etwas höher liegt als die Eutektikumtemperatur. Die verwendete Temperatur wird mit Vorteil auf ungefähr 400 C über dem Eutektikumpunkt von Gold und Silizium gestellt.
Dieser Unterschied von 400 C ist klein im Vergleich zum Unterschied von 1550 C bis 1900 C den es gibt, wenn nach einem bekannten Verfahren ein aus Silizium bestehender Körper mit Hilfe einer zuvor hergestellten eutektischen Legierung von Gold und Silizium bei einer Temperatur von 5250 bis 5600 anlegiert wird. Nicht nur die Temperatur, sondern auch die Zeit der Erhitzung ist wichtig. Aus vergleichenden Versuchen stellt es sich heraus, dass wenn man z.B. eine Lötzeit von 2 Sekunden als maximal annimmt, bei Verwendung einer Kontaktschicht aus Gold eine Temperatur von 4600 C notwendig ist. Wenn man eine Goldschicht mit eingebauten Siliziumteilchen verwendet, dann reicht eine Löttemperatur von 4200 C aus.
Eines der Kriterien für eine gute Verbindung ist die ausreichende Übertragung der im Kristall entwickelten Wärme zum Substrat hin. Es wurde gefunden, dass die Wärmeübertragung bei einer nach der Erfindung hergestellten Vorrichtung sehr gut ist und wenig Streuung aufweist. Weiter ist die Qualität der Löt- oder Hartlötverbindung zwischen dem Kristall und der Unterlage besser als die von Gold allein. Ausgezeichnete elektrische Kontakte werden mit einem niedrigen thermischen Widerstand erhalten.
Die Möglichkeit einer Verbindung oder Befestigung von Halbleiterkörpern durch Anschmelzen bei relativ niedrigen Temperaturen, bildet in vielen Fällen einen wichtigen Vorteil, da die Gefahr von schädlichen Einflüssen auf den Körper und auf dessen Struktur, auf diese Weise verringert wird. Der Grund, dass es möglich ist bei derartig niedrigen Temperaturen zu arbeiten, lässt sich nicht implizit erklären, aber untenstehende Erwägungen können in dieser Hinsicht wichtig sein.
Wenn ein Halbleiterkörper zum Anschmelzen auf eine Kontaktschicht gelegt wird, dann werden diese beiden Teile, da sie nie vollkommen flach sind, einander anfangs an drei Stellen berühren. Die Bildung einer Legierung der beiden Materialien wird sich von diesen Stellen her allmählich verbreiten, was eine gewisse Zeit und um nicht zu langsam zu arbeiten, eine relativ hohe Temperatur erfordert. Bei Anwendung eines erfindungsgemässen Verfahrens, das man als ein Dispersions Verbindungsverfahren bezeichnen könnten, fängt die Bildung einer Legierung nicht an drei oder weniger Stellen an. sondern zugleich in vielen Gebieten, wo die Halbleiterteilchen in der Schicht dispergiert sind.
Natürlich werden sich besonders diejenigen Teilchen am verbesserten Verbindungsverfahren beteiligen, die sich unter dem an der Kontaktschicht zu befestigenden Halbleiterkörper befinden, oder diejenigen Teilchen, die dicht an diesem Körper liegen. Dies erklärt auch die Tatsache, dass eine Verbesserung des Verbindungsverfahrens mit Schichten erhalten worden ist, in denen der Gehalt an im Metall dispergierten Halbleiterteilchen viel niedriger war als derjenige, der notwendig sein würde, um eine Umwandlung der ganzen Schicht in eine eutektische Legierung zu erreichen; dies erklärt auch den Umstand, dass es erwünscht ist, sehr kleine Halbleiterteilchen zu dispergieren.
Wenn ein Siliziumkörper mit Hilfe einer Gold-Silizium-Legierung auf bekannte Weise auf ein mit Gold bedecktes Substrat gebracht wird, dann ist es vorauszusehen, dass diese Legierung beim eutektischen Punkt, der 3700 C beträgt, zu schmelzen anfängt. Wenn nun diese Legierung jedoch mit dem Silizium einerseits und dem Gold andererseits zusammenzuschmelzen anfängt, steigt der Schmelzpunkt der dann örtlich gebildeten Legierungen schnell, so dass man, zur Gewährleistung einer Verschmelzung über die ganze Oberfläche, mit höheren Temperaturen arbeiten muss. Das in Fig. 5 dargestellte Phasendiagramm. das aus dem Werk von Hanse Constitution of binary alloys New York 1958, Seite 232, übernommen wurde, zeigt die schnelle Steigung dieser Schmelzpunkte.
Wenn dagegen die Kontaktschicht aus Metall besteht, das Halbleiterteilchen enthält, die also mit dem erwähnten Metall zusammenschmelzen werden, so könnte eine Neigung bestehen, dass dieses Zusammenschmelzen erst oberhalb des eutektischen Punktes spürbar werden würde, aber dann auch schnell und leicht erfolgt.
Bei mikroskopischer Betrachtung eines Schnitts durch das erhaltene Produkt wird man in der Kontaktschicht 31 (Fig. 4), ausser dem üblichen rekristallisierten Gebiet 32, Einschlüsse oder kleine Inseln 33 finden, die aus Silizium, einem eutektischen Gemisch von Gold und Silizium bestehen können, oder einer Gold-Siliziumlegierung einer anderen Zusammenstellung als die des Eutektikums bestehen, die entweder unter dem Halbleiterkörper oder neben demselben anwesend sein können. Die Grösse dieser Einschlüsse 33 ist nicht nur von der Grösse der niedergeschlagenen Siliziumteilchen abhängig, sondern auch von anderen Faktoren, z.B. Erhitzungs- und Abkühlungsverhältnissen.
Derartige Einschlüsse können auch auftreten, wenn ein Halbleiterkörper auf eine ausschliesslich aus Metall bestehende Kontaktschicht aufgeschmolzen wird, aber sich dann ausschliesslich unter dem Körper oder in der unmittelbaren Umgebung desselben befinden. In einer gemäss diesem Ausführungsbeispiel nach der Erfindung hergestellten Halbleitervorrichtung, wird man Halbleitermaterial, gegebenenfalls in Form von Einschlüssen in der ganzen Kontaktschicht verbreitet, nicht nur in der Umgebung des Körpers 30, sondern über die ganze Oberfläche der Scheibe 1 und sogar unter den Leitern 3 (Fig. 1) finden. Teilchen des Halbleitermaterials oder des Eutektikums werden oft auch nach Erhitzung über der eutektischen Temperatur in der Kontaktschicht gefunden.
Das Absetzen von Halbleiterteilchen kann jedoch örtlich verhindert werden, z.B. durch örtliche Maskierung auf jenen Bezirken, wo sie ungewünscht sind. z.B. am Rand 5 (Fig. 1).
Wenn die Kontaktschicht auf galvanischem Wege mit Hilfe eines äusseren elektrischen Feldes abgesetzt wird, wie in diesem Ausführungsbeispiel, dann werden die Halbleiterteilchen ganz oder teilweise durch elektrophoretische Phänomene auch abgesetzt werden. Wie bereits im Obenstehenden bemerkt wurde, lässt sich das Metall der Kontaktschicht auch ohne Anwendung eines äusseren Feldes, nach einem chemischen Niederschlagsverfahren absetzen. Eine siliziumhaltige Kontaktschicht kann auf diese Weise erhalten werden durch Verwendung von Bädern, wie beschrieben im Artikel von de Minjer und Brenner in Plating Vol. 44, Dezember 1957, Seite 12971305, wobei den erwähnten Bädern Siliziumteilchen zugesetzt werden.
So ist z.B. ein Bad verwendbar, dessen Temperatur zwischen 950 C und 1000 C liegt, und das pro Liter Wasser enthält:
30 g Nickelchlorid (NiCl26II2O)
10 g Natriumphosphat (NaH2PO2H2O)
25 g Hydroxyessigsäure (HOCH2COOH)
1 g suspendiertes Siliziumpulver
In diesen Fällen lassen sich keine elektrophoretischen Effekte erwarten. Dadurch werden sich die Halbleiterteilchen vorzugsweise auf waagerechten Flächen abstzen.
Dies kann vorteilhaft sein in denjenigen Fällen, wo ihre Anwesenheit auf anderen Flächen weniger erwünscht ist.
Es dürfte einleuchten, dass es beim galvanischen Niederschlagen unter Anwendung eines äusseren elektrischen Feldes möglich ist, die Arbeitsverhältnisse zu bestimmen, d.h. die Lage der Elektrode und des Substrats, und die Richtung des Feldes, derart, dass die Ablagerung vorzugsweise auf einer bestimmten Fläche erfolgt. Selbstverständlich gilt dieser Vorzug sowohl für das Metall als auch für die Halbleiterteilchen. Es ist selbstverständlich möglich, hintereinander ein Verfahren mit einem äusseren elektrischen Feld und ein Verfahren ohne ein äusseres elektrisches Feld oder umgekehrt anzuwenden.
Das Absetzen von Kontaktschichten auf elektrolytischem Wege, zur Herstellung von Halbleitervorrichtungen, hat den Vorteil, dass die erhaltene Schicht einen hohen Reinheitsgrad aufweist und dass das Verfahren bei relativ niedriger Temperatur erfolgt. Weiter lässt sich das erfindungsgemässe Verfahren in vielen Fällen mit zu anderen Zwecken bereits anwesender Apparatur durchführen, da den üblichen galvanischen Bädern nur eine geringe Menge Halbleitermaterial in Form von Pulver zugesetzt zu werden braucht. Weiter bietet dieses Verfahren den Vorteil, dass die Verteilung der Halbleiterteilchen über die Metallschicht leicht und effektiv gesteuert werden kann.
Wenn es erwünscht ist, Halbleiterteilchen, die in galvanischen Bädern nicht stabil genug sind, wie Aluminiumphosphide und Aluminiumarsenide, abzusetzen, kann das Metall vorzugsweise auf trocknem Wege, z.B.
durch Aufdampfen oder durch Kathodenzerstäubung niedergeschlagen werden, während Halbleiterteilchen zugleich oder intermittierend, z.B. durch Gravitation, zur Ablagerung auf die gebildete oder zu bildende Schicht gebracht werden.
Eine erfindungsgemässe Kontaktschicht kann auch auf einem Halbleiterkörper abgesetzt werden. Dies kann mit Hilfe eines Verfahrens erfolgen, das sich nur wenig vom bekannten Verfahren zur Anbringung von auf galvanischem Wege abgesetzten Schichten aus reinem Metall unterscheidet.
Um eine aus Gold und Silizium bestehende Schicht auf einen nur aus Siliziumkristall bestehenden Körper aufzutragen, wird z.B. auf einen aus Silizium bestehenden Körper 40 vorzugsweise eine sehr dünne Goldschicht 41 (Fig. 6) aufgedampft, die durch Erhitzung auf ungefähr 6000 C einige Minuten eingebacken wird. Diese Schicht dient zur Verbesserung der Haftung der Kontaktschicht 42 (Fig. 7), die mit Hilfe des obenbeschriebenen Goldbades aufgetragen werden kann, und in dem sich Siliziumteilchen 43 (Fig. 7) befinden. Der auf diese Weise erhaltene Körper kann, gegebenenfalls nachdem er in kleinere Stücke geschnitten worden ist, auf einem Substrat angebracht werden.
Dabei fördert und beschleunigt das Vorhandensein des Siliziums in der Goldschicht sowohl den Fluss und die Haftung der Kontaktschicht bei einer relativ niedrigen Temperatur, und weiter beschränkt es die Siliziummenge, die vom Körper 40 her in der Schicht gelöst wird. Dem Körper 40 kann zuvor eine gewisse Struktur gegeben sein und z.B. eine integrierte Schaltung oder eine Anzahl derartiger Schaltungen enthalten. Auf entsprechende Weise kann ein aus Gold bestehender Kontakt in einem Fenster einer auf einem Halbleiterkörper befindlichen Isolierschicht mittels des sogenannten Planar -Prozesses angebracht werden.
Fig. 8 zeigt einen n-leitenden Halbleiterkörper 50 aus Silizium. auf dem, auf üblichem Wege, eine Siliziumo oxydschicht 51 mit einem Fenster 52 angebracht ist.
Mittels Boriumdiffusion wird das Silizium unter dem Fenster -bis zu einer Tiefe von 30 in eine p-leitende Zone 53 umgewandelt (Fig. 9).
Nach Aufdampfen einer (nicht dargestellten) dünnen Goldschicht in das Fenster und nach einigen Minuten Erhitzen bei ungefähr 600 C wird auf die bereits beschriebene Weise die Siliziumteilchen enthaltende Kontaktschicht 54 aus Gold in dem Fenster abgelagert. Der Körper 50 ist dann als Kathode (Fig. 10) zu verwenden.
Weiter kann eine Ablagerung von Gold oder Silizium auf ungewünschten Stellen durch Anwendung einer Maskierungstechnik verhindert werden.
In diesem Fall kann das Siliziumpulver mit Vorteil zuvor mit Borium dotiert werden. Eine derartige, jedoch mit Antimon dotierte Schicht 55 kann auf der Unterseite 56 des Körpers angebracht werden. Die Schichten 54 und 55 können durch eine kurze Erhitzung auf 4100 C auf den Körper aufgeschmolzen werden. In diesem Fall ist es besonders wichtig, dass die gebildete Gold-Siliziumlegierung 54 nicht rtief in die sehr dünne Zone 53 eindringt.
Dazu kann die Konzentration der Halbleitertelchen im Metall höher sein als die, welche in einer Schicht zur Verbindung des Halbleiterkörpers mit einem Substrat (Fig. A) verwendet wird. Da das Eindringen sehr gleichmässig erfolgen muss, kann es vorteilhaft sein. dass die Siliziumteilchen, die in dieser Schicht abgesetzt werden sehr fein sind und eine regelmässige Grösse aufweisen.
Die Komaktschicht kann gegebenenfalls auf einem zeitweiligen Substrat abgescetezt werden. Wenn das Metail auf galvanischem Wege abgesetzt wird, dann ist es möglich. dazu. wie in Fig. 11 schematisch dargestellt ist.
z.B. ein Substrat 60 aus politertem rostfreiem Stahl zu wählen. Vor derm bekanntlich ein galvanischer Niederschlag leicht abgeht. Es ist auch möglich ein gläsernes Substrat zu verwenden, das zuvor metallisiert worden ist.
Mit Hilfe eines der obenerwähnten Bäder kann darauf die Halbleitertelchen 62 enthaltende Kontaktschicht 61 abgesetzt werden. Fig. 11 zeigt in einem viel grösseren Detail eine Kontaktschicht, deren an der Oberfläche liegende Zonen 63 und 64 auf beiden Seiten der Schicht keine Halbleiterteilchen enthalten. was dadurch erhalten wird, dass am Anfang und am Ende des Vorgangs anssehliesslich reines Metall abgesetzt wird. Nachdem die Schicht 61 in Form einer Folie vom zeitweiligen Substrat 60 entfernt ist, kann sie in kleine Scheiben, Streifen oder Drähte verteilt werden, ohne dass es, insowieit das reine Metall duktil genug ist, Schwierigkeiten geben wird.
Auf diese Weise ist z.B. eine aus Gold mit Siliziumteilchen bestehende Kontaktschicht so duktil, dass sich leicht kleine Scheibchen daraus herstellen lassen, während es schwierig ist durch Legierung eine dünne Schicht derselben Materialien zu erhalten und herzustellen.
Von einer auf diese Weise erhaltenen dünnen Schicht ist es möglich insbesondere Scheibchen 70 (Fig. 12) zu stanzen. die zwischen einem Halbleiterkörper 71 und einem Substrat 72 angeordnet werden können, der danach durch kurzzeitige Erhitzung des Ganzen (Fig. 13) zusammengestellt werden können. Im allgemeinen werden viele am Anfang vorhandene Halbleiterteilchen 62 während dieser Behandlung gelöst und führen die Bildung von Einschlüssen 73 herbei, die aus einer Gold Siliziumlegierung bestehen.
Im Obenstehenden war die Rede von Kontaktschichten, die aus Gold und Silizium bestehen einerseits, weil Siliziumkörper sehr oft in Halbleitervorrichtungen verwendet werden und andererseits weil Gold oft sowohl als Kontakt auf dem Silizium als auch zur Bedeckung gewisser Teile, z.B. der Hüllen der Träger von Halbleiterkörpern, der Stromabnehmer für die Elektroden, usw.
verwendet wird. Zwangsläufig ist die Erfindung nicht auf diese Kombination von Materialien beschränkt.
In der untenstehenden Tabelle werden einige andere Beispiele von Kombinationen von Metallen und Halbleitern gegeben. Die eingeklammerten Temperaturen stellen annähernd die Schmelztemperaturen der zugehörigen Elemente dar. Die eutektischen Temperaturen werden auf den Kreuzungen der Reihen und der Spalten gefunden.
Ag Al Au Co Ni (960 C) (660 C0 (1063 C) (11495 C) (1453 C)
Ge (945 ) 651 C 424 C 356 C 810 C 775 C
Si (1415 ) 830 C 577 C 370 C 1195 C 806 C
Es sind insbesondere die Legierungen von Gold und Silber einerseits und Germanium oder Silizium andererseits, die deutlich hervortretende Eutektiken bilden.
Auch Aluminium bildet niedrigschmelzende Legierungen. dieses Material lässt sich, da es oxydierbar ist, nicht so gut zur Erhaltung von Kontaktschichten verwenden als die vorstehenden Materialien. Kobalt und Nickel sind in dieser Tabelle aufgeführt, weil sie den Vorteil bieten, leicht mittels electroless -Verfahren abgesetzt werden zu können.
Weiter sei bemerkt, dass es im Rahmen der Erfindung auch möglich ist, die Kontaktschicht mit anderen Schichten zu kombinieren. So ist es z.B. möglich eine Goldschicht auf einer durch chemischen Niederschlag erhaltenen und Halbleiterteilchen enthaltenden Nickelschicht niederzuschlagen. Umgekehrt ist es möglich auf einem vernickelten Substrat eine aus Gold und Siliziumteilchen bestehende Schicht abzusetzen.
Weiter sei bemerkt, dass mehrere Metalle zugleich niedergeschlagen werden können und dass die Halbleiterteilchen aus verschiedenen Halbleitermaterialien bestehen können.
Es dürfte einleuchten, dass Abarten der obenbeschriebenen Ausführungsbeispiele insbesondere durch Ersetzung durch gleichwertige Techniken möglich sind ohne aus dem Rahmen der Erfindung zu treten.