DE1018557B - Verfahren zur Herstellung von gleichrichtenden Legierungskontakten auf einem Halbleiterkoerper - Google Patents

Verfahren zur Herstellung von gleichrichtenden Legierungskontakten auf einem Halbleiterkoerper

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DE1018557B
DE1018557B DEN11085A DEN0011085A DE1018557B DE 1018557 B DE1018557 B DE 1018557B DE N11085 A DEN11085 A DE N11085A DE N0011085 A DEN0011085 A DE N0011085A DE 1018557 B DE1018557 B DE 1018557B
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Jan Adrianus Manintveld
Theo Willem Willemse
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Original Assignee
Philips Gloeilampenfabrieken NV
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Description

Die Erfindung· bezieht siah auf ein Verfahren zur Herstellung von gleichrichtendem Legierungskonfakten auf einem Halbleiterkörper, bei dem ein Legierungsmetall auf diesen aufgebracht wird,, beide bis oberhalb der I^gierungs-temperatur erhitzt und schließlich abgekühlt werden. Es ist bekannt, ein solches Verfahren bei der Herstellung von Transistoren und Kristalldioden anzuwenden, wobei der halbleitende Körper meist aus Germanium oder Silizium besteht. Das aufgeschmolzene Legierungsmetall muß mehrere Bedingungen erfüllen, um einen gleichrichtenden Kontakt ergeben zu können. Diese bekannten Bedingungen werden hier nicht näher erläutert. Nur ist zu erwähnen, daß in Verbindung mit Germanium vielfach Indium und eine Blei-Antimon-Legierung Anwendung finden, während Aluminium und eine Gold-Antimon-Legierung vielfach zum Herstellen, gleichrichtender Kontakte auf Silizium Verwendung finden.
Die in dieser Weise hergestellten Kontakte weisen vielfach unerwünschte elektrische Eigenschaften auf, z. B. Rekoimbinationisersciheinimgen, die anscheinend mechanischen Spannungen zuzuschreiben sind, die infolge der Differenz zwischen den Ausdehnungskoeffizienten der Teile auftreten, aus denen der erzielte Kootakt besteht. Diese Teile sind: der ursprüngliche halbleitende Körper, das Metall und die sich zwischen diesen beiden ergebende Übergangszone. Das Entstehen dieser Spannungen ist verständlich, wenn man erwägt, daß die Ausdehnungskoeffizienten der meist verwendeten Metalle das Fünffache bis Zehnfache derjenigen der halbleitenden Werkstoffe sind.
Die erwähnten Nachteile treten insbesondere auf, wenn ein Kontakt mit verhältnismäßig großer Oberfläche, beispielsweise mehr als 1,4 mm2, hergestellt werden muß. Die Rekombinationserscheinungen sind bei gleichrichtenden Kontakten sehr unerwünscht, weil sie einen hohen Rückstrom herbeiführen; bei ohmschen Kontakten hingegen wird eine starke Rekombination angestrebt.
Es wurden bereits mehrere Verfahren vorgeschlagen, um diese Nachteile zu beheben. Es wurde beispielsweise vorgeschlagen, ein Metall aufzuschmelzen, dessen Ausdehnungskoeffizient gleich demjenigen des halbleitenden Körpers ist, oder ein Metall, das sehr streckbar ist, so daß es sich bei etwaigen Spannungen deformieren kann, oder ein Metall, dessen Schmelzpunkt angenähert bei Zimmertemperatur liegt. Diese Voirschläge lassen sämtlich eine äußerst geringe Wahl für das Metall übrig; es ist sehr schwierig, wo nicht unmöglich, unter diesen wenigen Metallen eines zu finden., das auch einen guten gleichrichtenden Kontakt ergibt.
Die Erfindung bezweckt unter anderem, das Auf-Verfahren zur Herstellung
von gleichrichtenden Legierungskontakten
auf einem Halbleiterkörper
Anmelder:
N. V. Philips' Gloeilampenfabrieken,
Eindhoven (Niederlande)
Vertreter: Dr. rer. nat. P. Roßbach, Patentanwalt,
Hamburg I1 Mönckebergstr. 7
Beanspruchte Priorität:
Niederlande vom 26. August 1954 und 10. März 1955
Theo Willem Willemse, Delft,
und Jan Adrianus Manintveld,
Eindhoven (Niederlande),
sind als Erfinder genannt worden
treten der erwähnten Spannungen zu verhüten, ohne daß die Wahl des Metalls grundsätzlich beschränkt wird, und die Herstellung gleichrichtender Kontakte mit großer Oberfläche zu ermöglichen.
Sie gründet sich auf die Erkenntnis, daß das Auftreten mechanischer Spannungen an der Grenzfläche zwischen dem Metall und dem halbleitenden Körper sogar bei erheblicher Differenz in ihren Ausdehnungskoaffizienten größtenteils verhütet werden kann, wenn das Metall dieser Grenzfläche gegenüber an einen Körper angeschmolzen wird, der nachstehend als Kompensator bezeichnet wird und der angenähert den gleichen Ausdehnungskoeffizienten wie der halbleitende Körper aufweist. Das Metall befindet sich dann in einem mehr oder weniger symmetrischen Zustand zwischen zwei Körpern, mit angenähert gleichen Aus dehmungskoef fiz ien ten.
Gemäß der Erfindung wird somit bei einem Verfahren zur Herstellung von gleichrichtenden Legierungskontakten auf einem Halbleiterkörper, bei dem ein Legierungsmetall auf diesen aufgebracht wird, beide bis oberhalb der Legierungstemperatur erhitzt und schließlich abgekühlt werden, das Legierungsmetall während des Legierungsvorganges auf der dem Halbleiter gegenüberliegenden Seite an einen Kompensator bzw. an eine Metallfläche angeschmolzen, welche wenigstens ebenso groß ist wie dieLegierungsfläcihe mit dem Halbleiter und höchstens den doppelten
7M 758^343
Außerdem beeinträchtigte die Verringerung· die Eigenschaften des Kontaktes. Bei einem ohmschen Kontakt ist nämlich eine starke Rekombination erwünscht.
In diesem Zusammenhang sei auch erwähnt, daß 5 das Vorhandensein eines !Compensators in der Nähe der gleichrichtenden Grenzschicht zwischen dein Metall und dem halbleitend«! Körper eis ermöglicht, eine gute Kühlung gerade dort zu verwirklichen, wo bei Stromdurchgang die meiste Wärme erzeugt wird.
Fig. 6 ist ein Schnitt durch einen Transistor;
Fig. 7 ist ein Schnitt durch Teile einer Diode während des Legierungsvorgangs;
Fig. 8 zeigt eine Ansicht des nach dem Legierungsvorgang erzielten Ergebnisses.
Die Figuren sind nur schematisch, sie steilen die wahren Abmessungen stark vergrößert dar.
An Hand der Fig. 1 werden zunächst die Haupt-
Auedehniingskoisffizieinrijsn wie der Halbleiter aufweist, wobei die Legierangssehichtdicke sehr klein gehalten wird. Vorzugsweise werden jedoch die Ausdehnungskoeffizienten gleich groß gewählt.
Die absolute Dicke der Schicht ist vorzugsweise
weniger als 0,1 mim. Die dein Ausdehnungskoeffizienten des Kompensators gesetzte Grenze ist mit Rücksicht auf die folgenden Erwägungen gewählt.: Am
günstigsten würde eine absolute Gleichheit der Ausdehnungskoeffizienten sein, die jedoch nur dadurch er- io Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist desziel'bar ist, daß der Kompensator und der halbleitende halb der Kompensator als Kühlplatte ausgebildet oder Körper aus dem gleichen. Material hergestellt werden. er ist mit einer Kühlplatte verbunden. Es ergibt sich jedoch auch ohne genaue Übereinstim- Die Erfindung wird an Hand einer Zeichnung näher
mung des Ausdehnungskoeffizienten bereits eine große erläutert, in der einige Ausführungsbeispiele dargetechniscbe Verbesserung gegenüber den bekannten 15 stellt sind.
Bauarten. Vielfach, worden beispielsweise Kontakte Fig. 1 bis 5 zeigen Schnitte durch Kristalldioden;
aus einer Blei-Antimon-Legierung mit einem Ausdehiiungisko&ffizieniteirj,· λ=29 "10~6 auf Germanium aufgeschmolzen, dessen Ausdehnungskoeffizient nur 5,6
bis 6 ΊΟ—6 beträgt. Eine große Verbesserung der elek- 20
irischen Eigenschaften des gleichrichtenden Kontaktes
ergibt sich bereits durch die Wahl eines Koinpensators mit einem Ausdehnungskoeffizienten von weniger
als 10 · 10—6. Zum Aufschmelzen von Kontakten
auf Silizium, das einen Ausdehnungskoeffizienten 25 bedingungen, die bei der Herstellung eines gleich-2 = 2-10—6 bis 4 · 10~6 besitzt, findet vielfach Alu- richtenden Kontaktes nach der Erfindung erfüllt werminium mit einem λ = 28 · 10~6 Verwendung. Hierbei den sollen, näher erläutert. Ein halbledtender Körper, wird mit einem Kompensator, der ein 2 = 8· 10^6 hat, beispielsweise eine aus einem Einkristall gesägte bereits eine große Verbesserung erzielt. Germaniumscheibe des η-Typs, ist mit 1 bezeichnet.
Es ergibt sich auch eine große Verbesserung, wenn 30 Auf diesen ist eine Metallmenge 2, beispielsweise der Ausdehnungskoeffizient des Kompensators ge- Indium, aufgeschmolzen. Es wird angenommen, daß ringer als derjenige des halbleitenden Körpers be- eine geringe· Menge des Germaniums sich im Indium massen wird. löst und sich nach dem Abkühlen wieder abtrennt und
Die möglichst völlige Kompensation ergibt sich am ursprünglichen Kristallgitter als eine dünneGrenzjedoch dadurch, daß für den Kompensator das gleiche 35 schicht 3 anwächst, die durch Kreuzschraffur ange-Material wie für den halbleitenden Körper oder ein geben ist. Diese Schicht 3 ist von der p-Art, weil chemisch verwandtes Material gewählt wird. Dieser Indium ein Akzeptor ist. Sie weist somit gleichrich-Körper und der Kompensator können beide entweder tende Eigenschaften gegenüber dem ursprünglichen aus Germanium oder aus Silizium bestehen, es können Germanium auf. Der Ausdehnungskoeffizient von diese* Elemente1 jedoch auch gegenseitig Verwendung 40 Indium ist jedoch, wie vorstehend bereits erwähnt, anfinden. In solchen Fällen wird nicht nur der Vorteil genähert das Siebenfache desjenigen von Germanium, erzielt, daß dieAusdehniungskoeffizienten einander gut
angepaßt sind, sondern auch der, daß sich das zwischen
den beiden halbleitenden Körpern befindliche Metall
beiderseitig gleich stark oder angenähert gleich stark 45
mit diesen Körpern legiert, wodurch die Symmetrie
weiter unterstützt und das Auftreten von Spannungen
verringert wird. Wenn in diesem Fall der halbleitende
Kompensator die Anbringung eines Stromleiters am
Metallkontakt verhindern würde, kann gemäß einer 50 daß die Ausdehnungskoeffizienten des Kompensators weiteren Ausführungsform- des Verfahrens der Koan- und des Körpers 1 sich nur wenig voneinander unter pensator nach dam Auf schmelzen entfernt werden, bei- scheiden, und weiter, daß die Dicke D des übrigspieisweise durch Schleifen oder Ätzen. Es ist jedoch bleibenden Teiles der Metallschicht im Verhältnis zum auch vorteilhaft, den Kompensator aus halbleitendem Durchmesser L dieser Schicht gering ist, verschwin-Material herzustellen, dessen Leitungsart derjenigen 55 den die mechanischen Spannungen in und in der Nähe das halbleitenden Körpers entgegengesetzt ist, bei der Schicht 3 größtenteils.
welchem Kompensator der spezifische Widerstand ge- Die in. Fig. 1 dargestellte Metallschicht 2 steht an
ringer als derjenige des letzteren Körpers ist. Das den Rändern ein wenig unter dem Kompensator4 heraufgeschmolzene Metall bildet jetzt mit dem Ivompen- \όγ; solange dieser nicht bedeckte Rand der Metallsator einen ohmschen Kontakt, so daß eine Strom- 60 schicht klein ist, führt er keine gefährlichen Spannunzuleitung ohne weiteres am Kompensator befestigt gen in der Grenzschicht 3 herbei. Es ist jedoch vorwerden kann. zuziehen, den Kompensator 4 wenigstens ebenso groß Es sei bemerkt, daß es bekannt ist, einen halbleiten- wie die Grenzschicht 3 auszubilden, d. h. die Oberden Körper an eine Platte anzulöten, die aus einer fläche, auf der das Metall 2 auf den Körper 1 aufgebekannten Legierung aus 54% Eisen, 29% Nickel und 65 schmolzen ist, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist. 17% Kobalt besteht. Hierbei wird bezweckt, das Zer- Auf der Unterseite ist der halbleitende Körper auf springen des Körpers zu verhüten. Es ergibt sich kein an sich bekannte Weise mittels eines Lötmittel« 5 an gleichrichtender, sondern ein ohmscher Kontakt. Die einer Trag- oder Kühlplatte 6 befestigt. Tatsache, daß in diesem Falle die Rekombinations- Fig. 3 zeigt, wie auf einen halbleitenden Körper 10 wirkung auch verringert wurde, wurde beachtet. 70 beispielsweise aus Silizium eine Aluminiumschicht 11
so daß nach dem Abkühlen in und in der Nähe der Schicht 3 mechanische Spannungen auftreten, die die elektrischen Eigenschaften beeinträchtigen.
Wenn jetzt gleichzeitig mit dem Aufschmelzen des Metalls 2 auf dem Körperl ein Kompensator 4., beispielsweise in Form einer Scheibe, an dieses Metall auf der dem Körperl abgewendeten Seite· angeschmolzen wird, wobei dafür Sorge getragen werden muß,
aufgeschmolzen ist, die auf der Oberseite an einen Kompensator 12 aus Silizium oder Germanium angeschmolzen ist. Auf beiden Seiten hat sieh eine Grenzschicht 13 gebildet.
In diesem Falle kann das Vorhandensein dieser Grenzschicht oder der Widerstand des Kompensator« 12 ein Hindernis für die Anbringung eines Kontaktes an der Metallschicht 11 sein. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß die elektrischen Eigenschaften der Grenzschicht zwischen dem Teilen 10 und 11 nicht verschlechtert werden, wenn nach dem Aufschmelzen und Abkühlen der Kompensator wieder entfernt wird, beispielsweise durch Schleifen (Fig. 4).
Durch passende Wahl des halbleitenden Materials des Kompensators kann dieser selbst jedoch auch, zur Stromzuführung zur Metallschicht benutzt werden.
Fig. 5 zeigt einen halbleitenden Körper 20, der aus Silizium des η-Typs besteht. Auf dem Körper ist eine AlumJniumiSchiciht 21 angebracht, die wiederum an einen Kompensator1 22 aus Silizium angeschmolzen ist. Für dieses Silizium ist ein Material mit einem sehr niedrigen spezifischen Widerstand von beispielsweise· 0,01 Ω cm des p-Typs gewählt. Eine gleichrichtende Grenzschicht bildet sich niunimehr nur bei 23 auf der Unterseite der Metall schicht. An die Teile 20 und 22 können ohmsche Kontakte angelötet werden.
Auf ähnliche Weise kann auf einen halbleitenden Körper des p-Typs eine aus einer Gold-Arsen-Legierung bestehende Metallschicht aufgeschmolzen werden. Diese: Schicht ist mit einem Kompensator aus Silizium mit niedrigem Widerstand von der n-Art verbunden.
Fig. 6 stellt einen Transistor dar. Dieser besteht aus einem halbleitenden Körper 30 aus Germanium der η-Art, der auf der Unterseite mit einem gleichrichtenden Kontakt in Form einer aufgeschmolzenen. Metallschicht 31 versehen ist, die gleichfalls an einen Kompensator 32 angeschmolzen ist. Letzterer besteht aus einer Molybdänplatte mit einem Ausdehnungskoeffizienten 2 = 4,9-10~ö, die bei 33 zur Unterstützung der Haftung der aus Indium bestehenden Metallschicht 31 vergoldet ist. Der Kontakt 31 soll als Kollektor verwendet werden. Auf dem Körper 30 sind weiter eine Emitterelektrode 34, die gleichfalls aus· Indium besteht, und ein ohmscher Basiskontakt vorgesehen, der aus einem zu einem nahezu geschlossenen Ring abgebogenen Draht 35 besteht, der mit einer Lötschicht 36 auis einer Legierung aus Gold, Germanium und Antimon überzogen, ist. Ein praktisches Verfahren zur Anbringung dieses Kontaktes besteht darin, daß ein auf der ganzen Länge vergoldeter Draht 35 aus »Fernieo« mit einem Ausdehnungskoeffizienten X=4 bis 6 · 10—° am unteren Ende in eine geschmolzene Germanium-Antimon-Legierung eingetaucht und dann auf dem Körper 30 angeordnet wird. Um die Anbringung dieses Kontaktes an der richtigen Stelle zu erleichtern, kann der Körper 30 vorher mit einer ringsum laufenden Nut 37 versehen werden, die in der Figur gestrichelt dargestellt ist.
Wenn der Körper 30 aus Germanium der p-Art besteht, können die Teile 31 und 34 aus einer Blei-Anitknon-Legierung (2 = 29-10—9) und das Lötmittel aus einer Legierung aus Gold, Germanium und Indium hergestellt werden.
Es sei noch bemerkt, daß bei diesem Transistor nur der Kontakt 31 als gemäß dem Verfahren nach der Erfindung aufgeschmolzen betrachtet werden kann. Beim Basiskontakt 35-36 ist zwar der Draht 35 vorgesehen, der nahezu den gleichen Ausdehnungskoeffizienten wie der halblei ten.de Körper aufweist, aber das Lötmittel 36 bildet keine dünne Schicht, so daß sich keine Kompensation von Spannungen an der Grenze zwischen den Teilen 36 und 30 ergibt. Außerdem ist dieser Kontakt ein ohmscher und nicht ein gleichrichtender.
Als Grundstoff zum Herstellen des Kompensators eignen sich in Verbindung mit halbleitenden Körpern aus Germanium und Silizium die Übergangsmetalle der VI. Hauptgruppe des Periodischen Systems, d. h. Chrom, Molybdän und Wolfram.
Ein Beispiel einer solchen Anwendung wird durch die Fig. 7 und 8 näher erläutert. In einen Graphitblocik 40 ist ein zylindrischer Hohlraum 41 mit einem Durchmesser von 3,5 mm gebohrt, der auf der Unterseite in einer engen Öffnung 42 endet. Im Hohlraum 41 ist eine vergoldete Wolfranischeibe 43 (2 = 4,2-10—e) angeordnet, an deren Unterseite ein Nickeleisendraht 44 angeschweißt ist, der in der Öffnung 42 angeordnet ist. Auf dieser Wolframplatte ist eine 25 μ dicke Goldscheibe 45 angeordnet, Auf dieser liegt eine 100 μ dicke Siliziumscheibe 46 der η-Art. Diese wird durch eine 25 μ dicke Alumiiniumscheibe 47 und eine zweite Wolframplatte 48 bedeckt. Letztere besteht aus gesintertem Wolfram, das mit Aluminium imprägniert ist, dem zur Unterstützung der Haftung 1% Silizium zugesetzt ist. Die Platte 48 ist wiederum mit einem Zuileiitungsdrahit 49 versehen. Der Stapel ist durch ein durchbohrtes Gewicht 50 aus Graphit beschwert. Das Ganze wird, gegebenenfalls noch weiter zusammengedrückt durch eine nicht dargestellte Feder, in einen Ofen eingesetzt und während 15 Minuten auf eine Temperatur von 750° C erhitzt in einer Atmosphäre von 8O°/o· Stickstoff und 20% Wasserstoff bei einem Druck von 760 mm. Nach dem üblichen Ätzvorgang, der in einem Gemisch aus 15 cim3 Essigsäure, 15 cm3 Flußsäure von 48% und 25 cm3 Salpetersäure von 70% vorgenommen werden kann, ergibt sich die in Fig. 8 dargestellte Diode oder Gleichrichter, bei der die Wolfraimplatte48 den Kompensator bildet, der die mechanischen Spannungen zwischen der Metallschicht 47 und dem Halbleiterkörper 46 unterdrückt.

Claims (8)

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Herstellung von gleichrichtenden Legierungskotitakten auf einem Halbleiterkörper, hai dem ein Legierungsmetall auf diesen aufgebracht wird, beide bis oberhalb der Legierungsitemperatur erhitzt und schließlich abgekühlt werden, dadurch gekennzeichnet, daß das Legierungsmetall während des Legierungsvorganges auf der dem Halbleiter gegenüberliegenden Seite an einen Kompensator bzw. an eine Metallfläche angeschmolzen wird, welche wenigstens ebenso* groß ist wie die Legierungsfläche mit dem Halbleiter und höchstens den doppelten Ausdehnungskoeffizienten wie der Halbleiter aufweist, wobei die Legioruingsschichtdicke sehr klein gehalten wird.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausdehnungskoeffizient des Kompensator« geringer oder gleich demjenigen des Hail'bleiterkörpers bemessen wird.
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Legierungsschicht kleiner als 0,1 mm gehalten wird.
4. Halbleitandes Elektrodensystem mit gleich r ich tenden Legierungskon takten, insbesondere Transistor- oder Kristalldiode, hergestellt nach Verfahren gemäß Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper aus Germanium oder Silizium, der Kompensator aus einem
der Übergangsmetalle der VI. Hauptgruppe des Period! schein Systems der Elemente·, nämlich Chrom, Molybdän oder Wolfram besteht.
5. Hailfaleitendes Elektrodensystem nach. Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kornpeosator aus dem gleichen Material wie der Halbleiterkörper oder aus chemisch, verwandtem Material besteht.
6. Halibleiitendes Elektrodensystem nach Anspruch 4 oider 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompensator nach der Legierung durch Abschleifen entfernt ist.
7. Halbleitendes Elektrodensystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß für den Kompensator ein halbleitendes Material gewählt wird, dessen Leitungstyp demjenigen des halbleitenden Körpers entgegengesetzt ist, wobei der spezifische Widerstand des Kompensatormaterials niedriger als derjenige des Körpers ist.
8. Hailibleitendes Elektrodensystem nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dia,-durch gekennzeichnet, daß der Kompensator als Kühlplatte ausgebildet oder mit einer Kühlplatte verbunden ist.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
© 709· 758/348 10.57
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