DE1064641B - Alloying process for the production of electrical semiconductor elements with pn junctions - Google Patents

Alloying process for the production of electrical semiconductor elements with pn junctions

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DE1064641B
DE1064641B DES49311A DES0049311A DE1064641B DE 1064641 B DE1064641 B DE 1064641B DE S49311 A DES49311 A DE S49311A DE S0049311 A DES0049311 A DE S0049311A DE 1064641 B DE1064641 B DE 1064641B
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foil
alloy
gold
semiconductor
intermediate layer
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Dipl-Phys Reimer Emeis
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Siemens AG
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Siemens AG
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Description

DEUTSCHESGERMAN

Zur Kontaktierung einkfistalliner Halbleiterkörper hat sich Gold als besonders gut geeignet erwiesen. Es kann dabei zugleich als Träger eines Dotierungsstoffes dienen. So ist beispielsweise vorgeschlagen worden, Gold mit einem Zusatz von etwa 1% Antimon zur n-Kontaktierung von p-Silizium zu verwenden. Ein besonders einfaches Kontaktierungsverfahren besteht darin, daß eine Goldfolie von z. B. 50' bis IOO μ Dicke auf eine Siliziumscheibe gepreßt und unter Erhitzung bis auf etwa 800° C einlegiert wird. Die Verwendung einer Folie hat den Vorteil, daß durch ihre Gestalt und Größe von vornherein die gewünschten Flächenabmessungen des späteren Kontaktbereiches auf einfache Weise festgelegt werden können, daß der Gehalt von Dotierungssubstanz genau dosiert werden kann und die erforderlichen Vorrichtungen zur \rorbereitung der Probe einfach und bequem zu handhaben sind. Ein Nachteil ist jedoch die verhältnismäßig hohe Behandlungstemperatur, weil sie die Diffusionslänge der Minoritätsträger im Halbleiterkörper wesentlich herabsetzt. Dies bedeutet in der Regel eine Verschlechterung der Eigenschaften des fertigen Gleichrichters oder Transistors. Zur Erzielung guter Eigenschaften darf nämlich die Diffusionslänge einen bestimmten Verhältniswert zu der Dicke der Basisschicht nicht unterschreiten. Die letztere kann aber praktisch nicht beliebig dünn hergestellt werden. Die hohe Behandlungstemperatur war bisher erforderlich, weil der Legierungsvorgang bei zunehmender Temperatur der Probe zunächst an einzelnen Stellen einsetzt, wo die Folie den Halbleiter am innigsten berührt. Infolgedessen ist die Dicke der entstehenden Legierungsschicht zunächst ungleichmäßig und wird erst mit dem weiteren Vordringen in das Innene des Halbleiters vergleichmäßigt. Dieses weitere Vordringen erfordert aber z. B. gemäß dem Zustandsschaubild des Zweistoffsystems Gold/Silizium eine entsprechend hohe Temperatur. Bei der nachfolgenden Abkühlung geht dann die Dicke der Legierungsschicht auf das durch das Eutektikum gegebene Maß zurück.Gold has proven to be particularly well suited for contacting single crystalline semiconductor bodies. It can also serve as a carrier for a dopant. For example, it has been proposed to use gold with an addition of about 1% antimony for n-contacting of p-silicon. A particularly simple contacting method is that a gold foil of z. B. 50 'to 100 μ thick pressed onto a silicon wafer and alloyed with heating to about 800 ° C. The use of a foil has the advantage that the subsequent contact area easily can be determined by its shape and size from the outset the desired surface dimensions that the content of dopant can be dosed accurately and easily the necessary devices for \ r Preparation of the sample and are convenient to use. A disadvantage, however, is the relatively high treatment temperature because it significantly reduces the diffusion length of the minority carriers in the semiconductor body. As a rule, this means a deterioration in the properties of the finished rectifier or transistor. To achieve good properties, the diffusion length must not fall below a certain ratio to the thickness of the base layer. The latter can, however, practically not be made as thin as desired. The high treatment temperature was previously necessary because the alloying process starts with increasing sample temperature at individual points where the foil comes into closest contact with the semiconductor. As a result, the thickness of the resulting alloy layer is initially uneven and is only evened out with further penetration into the interior of the semiconductor. However, this further advance requires z. B. according to the state diagram of the two-component system gold / silicon a correspondingly high temperature. During the subsequent cooling, the thickness of the alloy layer then goes back to the amount given by the eutectic.

Die Erfindung beruht auf der Überlegung, daß man mit einer niedrigeren Behandlungstemperatur auskommt, wenn man die Goldfolie zunächst mit einer dünnen Deckschicht aus einem geeigneten, die gewünschten Dotierungsverhältnisse nicht störenden Stoff versieht, welcher mit Gold ein niedrigschmelzendes Eutektikum bildet. Die Erfindung bezieht sich also auf ein Legierungsverfahren zur Herstellung im wesentlichen einkristalliner Halbleiterelemente, z. B. aus Germanium oder Silizium, mit mindestens zwei flächenhaften Bereichen von gleichmäßiger Dicke und verschiedenem Leitfähigkeitstyp, von denen mindestens einer durch Einlegieren einer auf den Halb-The invention is based on the consideration that one can manage with a lower treatment temperature, if you first coat the gold foil with a thin top layer of a suitable, the desired one Doping ratios provides non-interfering substance, which is a low-melting point with gold Eutectic forms. The invention thus relates to an alloying process for production in essential single crystal semiconductor elements, e.g. B. of germanium or silicon, with at least two planar areas of uniform thickness and different conductivity type, of which at least one by alloying one on the half

Legierungsverfahren zur Herstellung
elektrischer Halbleiter elemente
mit pn-übergängenAlloy process for manufacturing
electrical semiconductor elements
with pn junctions

Anmelder:Applicant:

Siemens-Schuckertwerke
Aktiengesellschaft,
Berlin und Erlangen,
Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50Siemens-Schuckertwerke
Corporation,
Berlin and Erlangen,
Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Dipl.-Phys. Reimer Emeis, Pretzfeld (OFr.]
ist als Erfinder genannt wordenDipl.-Phys. Reimer Emeis, Pretzfeld (Or.]
has been named as the inventor

leiterkörper aufgebrachten Goldfolie erzeugt wird. Erfindungsgemäß wird vor dem Legierungsvorgang zwischen der Goldfolie und dem Halbleiterkörper eine an sich bekannte dünne Zwischenschicht angebracht, wobei diese Zwischenschicht jedoch aus einer solchen Goldlegierung besteht, deren Schmelztemperatur nahe bzw. unter derjenigen des Eutektikums zwischen Halbleiter und Gold liegt. Es ist bekannt, zum Einlegieren eines zur Dotierung und Kontaktierung bestimmten Indiumklümpchens in einem Germaniumkörper eine Zwischenschicht in Gestalt einer dünnen Goldauflage auf dem Germanium anzubringen. Hierbei wird aber das Kontaktmetall Indium wegen seines niedrigen Schmelzpunktes zuerst flüssig, während die Zwischenschicht zunächst fest bleibt. Demgegenüber dient beim Einlegieren einer Goldfolie die Legierungszwischenschicht dank ihres niedrigen Schmelzpunktes dazu, durch ihre frühzeitige Verflüssigung den Legierungsvorgang zwischen dem Kontaktmetall Gold und dem Halbleitermaterial einzuleiten. Geeignete Goldlegierungen mit derart niedrigen Schmelzpunkten sind an sich bekannt.conductor body applied gold foil is generated. According to the invention, before the alloying process a known thin intermediate layer is attached between the gold foil and the semiconductor body, this intermediate layer, however, consists of such a gold alloy, its melting temperature is close to or below that of the eutectic between semiconductor and gold. It is known, for alloying a lump of indium intended for doping and contacting in a germanium body an intermediate layer in the form of a thin gold plating on the germanium to attach. Here, however, the contact metal becomes indium because of its low melting point initially liquid, while the intermediate layer initially remains solid. In contrast, it is used for alloying gold foil adds the alloy intermediate layer thanks to its low melting point, due to its early Liquefaction is the alloying process between the contact metal gold and the semiconductor material initiate. Suitable gold alloys with such low melting points are known per se.

Die Zwischenschicht kann als Deckschicht auf die Goldfolie, und zwar mindestens auf die auf den Halbleiterkörper später in Berührung kommende Seite derselben aufgedampft oder elektrolytisch oder durch Kathodenzerstäubung niedergeschlagen und vorzugsweise auch gleich im voraus, d. h. vor dem Aufbringen auf den Halbleiterkörper, auf die Goldfolie auflegiert werden. Es ist aber auch möglich, zunächst statt der Goldfolie die zu kontaktierende Fläche des Halbleitergrundkörpers mit einer dünnen Schicht der Legierungssubstanz zu bedecken, welche dann bei derThe intermediate layer can be used as a cover layer on the gold foil, specifically at least on the one on the semiconductor body later coming into contact side of the same vapor-deposited or electrolytic or by Cathodic sputtering deposited and preferably also immediately in advance, d. H. before applying are alloyed on the semiconductor body on the gold foil. But it is also possible initially instead of the gold foil, the surface of the semiconductor base body to be contacted with a thin layer of the Alloy substance to cover, which then at the

909 610/322909 610/322

Claims (4)

nachfolgenden Wärmebehandlung zunächst mit der Goldfolie die niedrigschmelzende Zwischenschicht erzeugt, mit deren Verflüssigung während des gleichen Behandlungs Vorganges der eigentliche Kontaktierungsprozeß beginnt. Für die Zwischenschicht kann ein neutrales Fremdmetall, z. B. Zinn, verwendet werden. Die Zinnmenge muß, wenn der Grundkörper beispielsweise aus Silizium besteht, äußerst gering sein, sonst wird die beim späteren Kontaktieren entstehende Siliziumlegierung spröde. Gute Ergebnisse wurden unter anderem erzielt mit einer etwa 50 μ starken Goldfolie, welche elektrolytisch gerade bis zum Sichtbarwerden von Silberglanz verzinnt war. Man kann auch die zur Dotierung bestimmte Antimonmenge, die bisher in gleichmäßiger Verteilung im Gold enthalten war, statt dessen als Deckschicht auf die Goldfolie z.B. aufdampfen. Die letztere kann dann aus reinem Gold bestehen. Befindet sich hierbei die Goldfolie auf einer Temperatur dicht oberhalb des Schmelzpunktes (360° C) des Au-Sb-Eutektikums, so entsteht die Deckschicht sofort als Legierung. Sprödigkeit der Legierungen ist weniger zu befürchten bei anderen Halbleitern, beispielsweise bei Germanium. Deshalb kann bei solchen Halbleiterkörpern auch das Zwischenschichtmetall in Folienform verwendet werden. Es können also mehrere Folien, welche die verschiedenen Legierungskomponenten der Zwischenschicht enthalten, aufeinandergelegt werden. Beispielsweise kann auf einen Germaniumkörper zunächst eine Zinnfolie und dann auf diese eine Goldfolie gelegt und dieses Aggregat dann mit einer geeigneten Preßvorrichtung zwecks Legierung in einen Ofen eingesetzt werden. Wenn es sich beispielsweise um einen η-leitenden Germaniumkörper handelt, der gleichzeitig mit der Kontaktierung in einen teilweise p-Ieitenden mit pn-übergang umgewandelt werden soll, so kann die dazu erforderliche Dotierungssubstanz, z. B. Indium, entweder in der Zinnfolie oder in der Goldfolie gleichmäßig verteilt enthalten oder auf mindestens eine Seite einer der Folien oder auf der Halbleiteroberfläche als Deckschicht niedergeschlagen sein, bevor die Wärmebehandlung zum Zweck der Kontaktierung beginnt. Die Zwischenschichtlegierung kann auch aus dem folienförmigen Kontaktmaterial, z. B. Gold, und einem Halbleiterstoff von gleicher Gitterstruktur wie der Grundkörper hergestellt werden. So kann beispielsweise bei einem Siliziumgrundkörper Germanium zur Herstellung der Zwischenlegierung verwendet werden. Hierbei wird der erwähnte Vorteil ausgenutzt, daß die Au-Ge-Legierung nicht spröde ist. Die gleiche Legierung kann natürlich auch als Zwischenschicht bei einem Germaniumgrundkörper verwendet werden. Auch bei anderen Halbleitern, z. B. Am-Bv-Verbindungen, kann die Zwischenschichtlegierung aus dem Folienmaterial und dem gleichen Halbleiterstoff, aus welchem der Grundkörper besteht, hergestellt werden. Wird der Halbleiterstoff nicht in einem besonderen Arbeitsvorgang in die Kontaktfolie einlegiert, sondern auf diese als Deckschicht aufgebracht, so daß die Zwischenschichtlegierung erst zu Beginn der Wärmebehandlung erzeugt wird, welche auch die Kontaktierung bewirkt, so kann außer Germanium und anderen Halbleiterstoffen mit Diamantgitter auch Silizium als Deckschicht auf die Goldfolie aufgebracht werden. Die anteilige Menge dieses für die Zwischenschichtbildung bestimmten Halbleiterstoffes muß natürlich so gering sein, daß die Dicke der entstehenden Legierungsschicht größenordnungs- mäßig geringer ist als die Foliendicke. Die Schmelzpunkte der Eutektika liegen für Au/Si bei 370° C bzw. für Au/Ge bei 358° C. Vorteilhaft wird die Deckschicht auf eine zusammenhängende Goldfolie von größerer Fläche aufgebracht, aus der die für die einzelnen Proben benötigten Stücke mit passenden Abmessungen und passender Gestalt herausgeschnitten oder ausgestanzt werden können. Die Folie mit der darauf befindlichen Deckschicht kann auch nachträglich noch auf eine geringere Dicke ausgewalzt werden. Zum Zweck der Kontaktierung kann die passend gestaltete Goldfolie auf den Halbleiter gelegt und unter Preßdruck beispielsweise nach Patent 1 015 152 einer Wärmebehandlung unterworfen werden. Solange bei der Erhitzung die Schmelztemperatur des Eutektikums, also beispielsweise 358° C bei Au/Sb bzw. 370° C bei Au/Si, noch nicht erreicht ist, kann der Legierungsvorgang an keiner Stelle der Auflagefläche einsetzen. Dagegen wird bei Erreichung des Schmelzpunktes der aus Gold und dem Deckschichtmetall bestehenden Legierung die Legierungsschicht flüssig und benetzt den Halbleiter auf der ganzen Berührungsfläche. Dadurch wird die Berührung zwischen Halbleiter und Kontaktfolie bedeutend inniger und über die ganze Fläche gleichmäßiger als ohne die geschmolzene Deckschicht. Ist die Deckschicht nicht schon vorher in die Goldfolie einlegiert, so findet dieser Legierungsvorgang während der Wärmebehandlung statt und führt ebenfalls zur Entstehung einer flüssigen Schicht zwischen Halbleiter und Kontaktfolie. Zur Vollendung der Kontaktierung reicht eine wesentlich geringere Endtemperatur aus als ohne Deckschicht. Man kommt beispielsweise bei Silizium und einer Sb-haltigen Goldfolie mit Zinnauflage mit einer Endtemperatur von 400 bis 500° C aus und erzielt eine Legierungsschichtdicke von hohem Gleichmaß. Patentansprüche:subsequent heat treatment initially produces the low-melting intermediate layer with the gold foil, with the liquefaction of which during the same treatment process the actual contacting process begins. For the intermediate layer, a neutral foreign metal, e.g. B. tin, can be used. If the base body is made of silicon, for example, the amount of tin must be extremely small, otherwise the silicon alloy produced during subsequent contacting becomes brittle. Good results were achieved, among other things, with an approximately 50 μ thick gold foil, which was electrolytically tinned until the silver sheen became visible. The amount of antimony intended for doping, which was previously contained in the gold in an even distribution, can instead be vapor deposited onto the gold foil as a cover layer, for example. The latter can then consist of pure gold. If the gold foil is at a temperature just above the melting point (360 ° C) of the Au-Sb eutectic, the top layer is immediately created as an alloy. Brittleness of the alloys is less of a concern with other semiconductors, such as germanium. Therefore, in such semiconductor bodies, the intermediate layer metal can also be used in the form of a foil. Several foils, which contain the various alloy components of the intermediate layer, can therefore be placed on top of one another. For example, a tin foil can first be placed on a germanium body and then a gold foil on top of it, and this assembly can then be inserted into a furnace with a suitable pressing device for the purpose of alloying. If, for example, it is an η-conductive germanium body that is to be converted into a partially p-conductive with pn junction at the same time as contacting, the doping substance required for this, e.g. B. indium, either contained in the tin foil or in the gold foil evenly distributed or deposited on at least one side of one of the foils or on the semiconductor surface as a cover layer before the heat treatment for the purpose of contacting begins. The intermediate layer alloy can also consist of the foil-shaped contact material, e.g. B. gold, and a semiconductor material of the same lattice structure as the base body can be produced. For example, in the case of a silicon base body, germanium can be used to produce the intermediate alloy. This makes use of the mentioned advantage that the Au-Ge alloy is not brittle. The same alloy can of course also be used as an intermediate layer in a germanium base body. Also with other semiconductors, e.g. B. Am-Bv compounds, the interlayer alloy can be made from the foil material and the same semiconductor material from which the base body is made. If the semiconductor material is not alloyed into the contact foil in a special process, but applied to it as a cover layer, so that the intermediate layer alloy is only produced at the beginning of the heat treatment, which also causes the contact, then in addition to germanium and other semiconductor materials with a diamond lattice, silicon can also be used as a Cover layer can be applied to the gold foil. The proportionate amount of this semiconductor material intended for the formation of the intermediate layer must of course be so small that the thickness of the resulting alloy layer is of the order of magnitude less than the thickness of the foil. The melting points of the eutectics are 370 ° C for Au / Si and 358 ° C for Au / Ge can be cut out or punched out in a suitable shape. The film with the cover layer on it can also be rolled out to a smaller thickness afterwards. For the purpose of contacting, the suitably designed gold foil can be placed on the semiconductor and subjected to a heat treatment under pressure, for example according to patent 1,015,152. As long as the melting temperature of the eutectic, for example 358 ° C for Au / Sb or 370 ° C for Au / Si, has not yet been reached during heating, the alloying process cannot start at any point on the contact surface. On the other hand, when the melting point of the alloy consisting of gold and the cover layer metal is reached, the alloy layer becomes liquid and wets the semiconductor over the entire contact surface. As a result, the contact between the semiconductor and the contact foil is significantly more intimate and more uniform over the entire surface than without the melted cover layer. If the cover layer has not been alloyed into the gold foil beforehand, this alloying process takes place during the heat treatment and also leads to the formation of a liquid layer between the semiconductor and the contact foil. To complete the contact, a significantly lower final temperature is sufficient than without a cover layer. For example, with silicon and an Sb-containing gold foil with a tin coating, a final temperature of 400 to 500 ° C. is sufficient and an alloy layer thickness of high uniformity is achieved. Patent claims: 1. Legierungsverfahren zur Herstellung im wesentlichen einkristalliner Halbleiterelemente mit mindestens zwei flächenhaften Bereichen von gleichmäßiger Dicke und verschiedenem Leitfähigkeitstyp, von denen mindestens einer durch Einlegieren einer auf den Halbleiterkörper aufgebrachten Goldfolie erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Legierungsvorgang zwischen der Goldfolie und dem Halbleiterkörper eine an sich bekannte dünne Zwischenschicht angebracht wird, wobei diese Zwischenschicht jedoch aus einer solchen Goldlegierung besteht, deren Schmelztemperatur nahe bzw. unter derjenigen des Eutektikums zwischen Halbleiter und Gold liegt.1. Alloying process for the production of essentially single-crystal semiconductor elements with at least two flat areas of uniform thickness and different conductivity types, of which at least one is applied to the semiconductor body by alloying Gold foil is produced, characterized in that before the alloying process between the gold foil and the semiconductor body a known thin intermediate layer is applied, but this intermediate layer consists of such a gold alloy whose melting temperature is close to or below that of the eutectic lies between semiconductor and gold. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschichtlegierung aus dem Folienmaterial und einem Metall mit tieferem Schmelzpunkt als das Eutektikum zwischen dem Folienmaterial und dem Halbleiterstoff hergestellt wird.2. The method according to claim 1, characterized in that the intermediate layer alloy consists of the foil material and a metal with a lower melting point than the eutectic between the Foil material and the semiconductor material is produced. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Zinn als Legierungskomponente zur Herstellung der Zwischenschichtlegierung hinzugenommen wird.3. The method according to claim 2, characterized in that tin as an alloy component for Production of the interlayer alloy is added. 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschichtlegierung aus dem Folienmaterial und einer eine Dotierungssubstanz enthaltenden Legierungskomponente hergestellt wird.4. The method according to claim 1, characterized in that the intermediate layer alloy consists of the foil material and an alloy component containing a dopant will.
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Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE961913C (en) * 1952-08-22 1957-04-11 Gen Electric Process for the production of electrically asymmetrically conductive systems with p-n junctions

Patent Citations (1)

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DE961913C (en) * 1952-08-22 1957-04-11 Gen Electric Process for the production of electrically asymmetrically conductive systems with p-n junctions

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