DE1093911B - Verfahren zur Befestigung einer metallischen Kontakt-Elektrode an dem Koerper aus halbleitendem Material einer Halbleiteranordnung - Google Patents

Verfahren zur Befestigung einer metallischen Kontakt-Elektrode an dem Koerper aus halbleitendem Material einer Halbleiteranordnung

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DE1093911B
DE1093911B DES58480A DES0058480A DE1093911B DE 1093911 B DE1093911 B DE 1093911B DE S58480 A DES58480 A DE S58480A DE S0058480 A DES0058480 A DE S0058480A DE 1093911 B DE1093911 B DE 1093911B
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Description

DEUTSCHES
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Befestigung einer metallischen Kontakt-Elektrode an dem Körper aus halbleitendem Material einer Halbleiteranordnung.
Bekanntlich besteht häufig, insbesondere in der modernen Halbleiter- und Transistortechnik, die Notwendigkeit, Metallkörper, beispielsweise Elektroden, an einem Körper aus halbleitendem Material so zu befestigen, daß ein guter elektrischer Kontakt gewährleistet ist und noch weitere Forderungen, z. B. die Vermeidung von Verunreinigung der Halbleiteroberfläche, zu erfüllen sind.
Dabei ergibt sich die Schwierigkeit, daß beim Anschmelzen oder Anlöten derartiger Kontakt-Elektroden sich infolge der notwendigen Erhitzung Oxydfilme bilden, und zwar sowohl an der Oberfläche der Metallelektroden als auch an der Halbleiteroberfläche. Diese Oxydfilme verhindern eine ausreichende Benetzung des Halbleitermaterials durch das geschmolzene Metall, wodurch die Kontaktbildung beeinträchtigt wird. Insbesondere können durch die Oxydschicht unerwünschte Richtleiteffekte hervorgerufen werden, die in jedem Falle störend wirken, sei es, daß bei einem Basisanschluß eines Transistors der erwünschte rein ohmsche Kontakt beeinträchtigt wird, sei es, daß bei der Herstellung der Elektrodenanschlüsse an Gleichrichtelektroden mit darunterliegender pn-Schicht zusätzliche Richtleiteffekte auftreten, welche in jedem Fall die elektrischen Qualitäten der fertiggestellten Halbleiteranordnung verschlechtern.
Es sind bereits verschiedene Maßnahmen vorgeschlagen worden, um dieser unerwünschten Oxydbildung zu begegnen.
So hat man beispielsweise beim Anlöten von Elektroden an Halbleiterkristalle zur Herstellung eines geeigneten ohmschen Kontaktes ein Flußmittel verwendet, um den Metalloxydfilm vom Kristall zu entfernen. Gewisse Halbleitermaterialien, wie beispielsweise Germanium oder Silizium, sind jedoch gegen Verunreinigungen und Störstoffe sehr empfindlich, so daß nach dem Lötvorgang zusätzliche Reinigungsschritte erforderlich werden, um die durch das Flußmittel etwa auf den Halbleiter gelangten Verunreinigungen zu entfernen. Dies bedeutet eine erhebliche Komplizierung und Verteuerung des Herstellungsverfahrens. In vielen Fallen sind die Verunreinigungsprozesse auch irreversibel.
Nach einem weiteren Verfahren wird zwischen Kristall und daran zu befestigender Elektrode eine Zwischenschicht angewandt, die vorzugsweise durch Aufplattieren eines Metalls auf den Halbleiterkörper hergestellt wird. Dieses Verfahren hat, abgesehen davon, daß auch hier zusätzliche Verfahrensschritte erforderlich werden, den Nachteil, daß durch die
Verfahren zur Befestigung
einer metallischen Kontakt-Elektrode
an dem Körper aus halbleitendem
Material einer Halbleiteranordnung
Anmelder:
Sperry Rand Corporation,
Wilmington, Del. (V. St. A.)
Vertreter: Dipl.-Ing. C. Wallach, Patentanwalt,
München 2, Kaufingerstr. 8
Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 3. Juni 1957
Bernard Jacobs, Norwalk, Conn. (V. St. Α.),
ist als Erfinder genannt worden
Metallschicht häufig die elektrischen Eigenschaften des Halbleiters verändert werden.
Man hat ferner vorgeschlagen, die Elektrode an dem Halbleiter allein mit dem Lötmaterial ohne Verwendung eines Flußmittels oder einer Metallzwischenschicht zu befestigen, wobei die Oxydschichtbildung dadurch vermieden werden soll, daß der gesamte Befestigungsvorgang in einer inerten Atmosphäre ausgeführt wird. Abgesehen davon, daß in der Praxis Fälle vorkommen, in denen eine geeignete inerte Atmosphäre nicht zur Verfügung steht, hat sich gezeigt, daß auch auf diesem Wege die Ausbildung von Oxydschichten nicht zuverlässig vermieden werden kann.
Alle diese geschilderten, von der Oxydschichtbildung herrührenden Probleme bei der Befestigung metallischer Körper an der Oberfläche eines Körpers aus halbleitendem Material einer Halbleiteranordnung werden gemäß der Erfindung dadurch vermieden, daß zwischen der Oberfläche des Körpers aus halbleitendem Material und einem Metallkörper eine schmelzbare Metallschicht angeordnet und zwischen der schmelzbaren Metallschicht und der Oberfläche des Körpers aus halbleitendem Material Titan eingebracht
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3 4
wird und daß die schmelzbare Metallschicht auf eine bekannten Verfahren ein Plättchen mit parallelen
solche Temperatur erhitzt wird, daß die schmelzbare Flächen mit Seitenlängen von etwa 1,25 cm und einer
Metallschicht das Titan löst und die benachbarte Dicke zwischen 0,018 und 0,02 cm gebildet wird.
Oberfläche des Körpers aus halbleitendem Material Das Siliziumplättchen wird dann zusammen mit
benetzt. 5 einem Aluminiumplättchen, zwei Molybdänplättchen
Durch diese Maßnahme, Titan als sauerstoffredu- und zwei Zinnplättchen in einer Graphitform 1
zierendes Agens zu verwenden, wird die Herstellung (Fig· 1) in der Reihenfolge: Molybdän 2, Zinn 3,
eines vollkommenen Verbundes zwischen dem Metall- Silizium 4, Zinn 5, Aluminium 6, Molybdän 7, auf-
körper und der Halbleiteroberfläche ermöglicht, selbst geschichtet.
wenn sich ursprünglich auf dem Halbleiterkörper ein io Alle Plättchen außer dem Siliziumplättchen haben
Oxydfilm befindet oder gebildet haben sollte. Indem etwa 0,65 cm Durchmesser. Die Dicken des Alumi-
beim Lötverfahren gemäß der Erfindung die Titan- nium-, Zinn- und Molybdänplättchens betragen in
partikelchen sich nach Verflüssigung des schmelzbaren dieser Reihenfolge 0,0075, 0,013 und 0,025 cm.
Metalls in diesem lösen und verteilen, gelangen sie an Vor dem Aufschichten werden die Oberflächen der
die benachbarten Oberflächen des Halbleiters und des 15 Aluminium- und Zinnplättchen mit Titanpulver der
Metallkörpers und reagieren infolge der hohen Sauer- Korngröße zwischen 50 und 130 pro cm bestreut und
Stoffaffinität des Titans chemisch mit etwa gebildeten das Titanpulver mittels einer Handpresse in die Me-
Oxyden unter Reduktion derselben. Auf diese Weise talloberfläche eingedrückt.
wird erreicht, daß alle Oxyde, die sich auf der Halb- Die Form 1 besteht aus einem im ganzen gesehen leiteroberfläche, auf der Oberfläche des Metallkörpers 20 becherförmigen Gebilde, das einen Hohlraum geeigsowie gegebenenfalls in dem schmelzbaren Metall neter Größe zur Aufnahme des Plättchenstapels aufwährend der Erhitzung bilden, sofort wirksam redu- weist. Ein Graphitblock 8 geeigneter Form wird direkt ziert werden, so daß eine vollkommene Lötung bzw. auf das zuoberst liegende Molybdänplättchen 7 gelegt Legierung erzielt wird. und wirkt als Deckel der Form 1, wobei ein darauf-
Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Er- 25 gesetztes Gewicht 9 (Fig. 2) die Plättchen in ihrer
findung ist vorgesehen, daß die schmelzbare Metall- Lage hält.
schicht auf eine oberhalb seines Schmelzpunktes, jedoch Nach dem Aufschichten der Plättchen in der Form 1
unterhalb des Schmelzpunktes von Titan liegende wird eine elektrische Heizvorrichtung 10 (Fig. 2) um
Temperatur erhitzt wird. ' ' die Form herumgelegt und diese unter eine Glocken-
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung 30 haube 11 gebracht. Hierauf wird mittels einer nicht besteht darin, daß zur Befestigung des Metallkörpers dargestellten, an eine Öffnung 12 angeschlossenen an dem Körper aus halbleitendem Material uner- Vakuumpumpe die Luft unter der Glockenhaube abwünschte Teile des Körpers aus halbleitendem Ma- gesaugt und aus einer nicht dargestellten Stromquelle terial, der schmelzbaren Metallschicht sowie des ein elektrischer Strom durch die Heizvorrichtung 10 Metallkörpers elektrolytisch weggeätzt werden und 35 geleitet, der die Temperatur der Form und ihres Indaß die Stärke des Elektrolyten vor dem Abschalten haltes auf einen über dem Schmelzpunkt von Zinn, der Ätzspannung stetig verringert wird. jedoch unter dem Schmelzpunkt von Titan liegenden
Das Titan kann in Pulverform oder in Form einer Wert bringt, d. h. auf einen Wert vorzugsweise im
Folie angewandt werden. oberen Teil des Bereiches zwischen 550 und 850° C.
Bei Anwendung des Titans in Pulverform wird 40 Die Temperatur wird während einer für die Durch -
nach einer vorteilhaften Ausführungsform zweckmäßig führung des Schmelzvorganges ausreichenden Zeit,
so verfahren, daß das Titanpulver in die gegen die d. h. etwa 10 Minuten lang, auf diesen Wert gehalten.
Oberfläche des Körpers aus halbleitendem Material Das Vakuum wird während dieser Zeit aufrechterhal-
später anliegende Oberfläche der schmelzbaren Metall- ten. Hierauf läßt man die Anordnung abkühlen und
schicht eingepreßt wird oder daß das Titanpulver in 45 nimmt den Plättchenstapel heraus.
die Oberflächen des Metallkörpers und der schmelz- Durch das Verfahren werden die Plättchen an den
baren Metallschicht eingepreßt wird. miteinander in Berührung stehenden Oberflächen innig
Zusätzlich kann nach einer weiteren Ausführungs- verbunden, wobei das Zinn keinesfalls bis zu einer
form der Erfindung vorgesehen sein, daß die bei dem unzulässigen Tiefe in das Silizium eindringt.
Verfahren vorgenommene Erhitzung unter Vakuum 5° Man darf annehmen, daß während des Verfahrens
erfolgt. die Titanpartikelchen sich nach Verflüssigung des
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung Zinns in diesem verteilen und daß diese Flüssigkeit
ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines sich unter Benetzung der benachbarten Oberflächen
Ausführungsbeispiels an Hand der Zeichnung; in der Silizium-, Aluminium- und Molybdänplättchen
dieser zeigt 55 ausbreitet. Infolge seiner hohen Sauerstoffaffinität
Fig. 1 im Querschnitt die in einer Graphitform zu- reagiert das Titan chemisch mit auf dem Silizium-
sammengesetzten Bestandteile einer Silizium-Diode, plättchen etwa gebildetem Säliziumdioxyd unter Re-
bevor die Halbleiteranordnung erhitzt und die Be- duktion zu Silizium und beseitigt auch etwaige Oxyde
standteile miteinander verbunden worden sind, aus dem Zinn, so daß dieses sich mit dem Silizium im
Fig. 2 eine Vorrichtung zum Erhitzen der in Fig. 1 60 Berührungsbereich legieren kann. Außerdem vermag
gezeigten Halbleiteranordnung im Vakuum, das Titan in ähnlicher Weise mit etwa vorhande-
Fig. 3 ein Verfahren zum Ätzen einer Halbleiter- nem Stickstoff zu reagieren, wodurch weiterhin ge-
anordnung zur Beseitigung von überstehenden Teilen, währleistet ist, daß sich dem geschmolzenen Zinn eine
Fig. 4 die Bestandteile eines Silizium-Transistors im wesentlichen reine Siliziumoberfläche zur Einwir-
in einer zu ihrer Verbindung geeigneten Anordnung. 65 kung darbietet.
Das Verfahren zur Herstellung einer Silizium-Diode Die Molybdänplättchen 2 und 7 sollen verhindern,
mit pn-Schicht besteht darin, daß aus N-Silizium,d.h. daß Zinn die Form benetzt und die Halbleiteranord-
hochgereinigtem Silizium mit einem sehr geringen nung an der Form selbst haftenbleibt. Außerdem dient
Prozentgehalt an einem oder an mehreren Elementen jedes der Molybdänplättchen 2 und 7 als Kontakt, an
der Gruppe V des Periodischen Systems, nach einem 70 welchen ein Zuleitungsdraht angelötet werden kann.
Das Zinn dringt in das Silizium nicht bis zu einer unzulässigen Tiefe ein, sondern benetzt die Oberfläche im wesentlichen gleichförmig, so daß ein inniger Verbund erzielt wird.
Gewöhnlich ergibt sich während der Erhitzung, daß etwas Zinn aus dem Zwischenraum zwischen den Plättchen heraustritt und eine Brücke zwischen den Kanten des Siliziumplättchens und der benachbarten Plättchen bildet, wodurch die Schichtung an ihrem Umfang kurzgeschlossen wird. Außerdem können am Umfang, infolge kleinerer Mangel, auch Kriechstrecken entstehen.
Zur Beseitigung dieser Kurzschlußverbindungen befestigt man die in der beschriebenen Weise verbundene Silizium-Diode an einem mit dem einen der Molybdänplättchen 7 verbundenen Draht 31 (siehe Fig. 3) und bringt eine geringe Menge Ammonium-Bifluorid, das als Ätzlösung wirkt, so auf die Silizium-Diode, daß wenigstens der Umfangsbereich des Siliziums davon bedeckt wird. Eine ausreichende Menge wird an der Schichtung durch die Oberflächenspannung festgehalten.
Eine in der Ätzlösung unlösliche Goldkathode 32 wird teilweise in das Ammonium-Bifluorid eingetaucht und mit dem negativen Pol einer Gleichstromquelle 33 verbunden. Der positive Pol wird über einen Schalter 34 und ein Amperemeter 35 mit dem Molybdänplättchen 7 verbunden, das teilweise in die Ätzlösung eingetaucht ist.
Nach dem Schließen des Schalters 34 (Fig. 3) wiird durch Elektrolyse an der frei liegenden Oberfläche entlang dem Rand des Siliziums Material abgetragen. Durch Regelung der angelegten Spannung kann die elektrolytische Wirkung mehr oder weniger auf die ringförmige Oberfläche, welche den Rand des Silizium- und der Aluminiumplättchen überbrückt, derart beschränkt werden, daß die übrige Anordnung in keinem unerwünschten Ausmaß geätzt wird.
Nach Durchführung der Ätzung verdünnt man den Elektrolyten zunehmend durch Zugabe von destilliertem Wasser aus einer Tropfvorrichtung 36, die ebenfalls in Fig. 3 dargestellt ist. Infolge der zunehmenden Verdünnung des Elektrolyten nimmt der durch den Elektrolyten geleitete Strom ständig ab. Sobald die Ätzlösung vollständig durch destilliertes Wasser er- 4-5 setzt ist, wird der Schalter 34 geöffnet und die Halbleiteranordnung getrocknet.
Dieses Verfahren zur Beseitigung etwaiger Kriechstrecken am Umfang der Schichtung hat den Vorteil, daß die Ätzung selektiv in der Nähe der Berührungsstelle stattfindet, ohne daß gleichzeitig andere Bereiche der Anordnung geätzt werden, und daß durch die stetig zunehmende Verdünnung des Elektrolyten keine Anionen in der Lösung zurückbleiben, die sich nach Abschalten des Stromes auf dem geätzten Bereich ablagern könnten.
Einige der in der beschriebenen Weise hergestellten Silizium-Dioden wiesen in der einen Richtung eine Leitfähigkeit von 50 Ampere pro Volt, in der entgegengesetzten Richtung eine solche von 3 Mikroampere pro 100 Volt auf. Es ergab sich, daß in derartigen Stromdioden eine Stromdichte von 800 bis 1000 Ampere pro cm2 aktiver Schichtfläche zulässig ist.
In Fig. 4 ist ein Flächentransistor vom pnp-Typ dargestellt, der nach einem dem beschriebenen ahnliehen Verfahren hergestellt wurde. Er weist einen Silizium-Halbleiterkörper 41 und zwei Aluminium-Elektroden 42, 43 auf, die mit dem Silizium-Halbleiterkörper verbunden sind. Wie bei der Herstellung einer Diode werden mit Titan behandelte Zinnplättchen 44, 45 zwischen die Oberflächen, welche die Kontakte bilden sollen, gebracht. Die ohmsche Kontakt-Elektrode in dem Transistor an dem Halbleiterkörper wird zwischen einem Molybdänplättchen 46 und einem Teil des Siliziumplättchens 41 hergestellt. Auch hier wird während der Herstellung ein mit Titan behandeltes Zinnplättchen zwischen das Molybdänplättchen 46 und das Silizium gebracht.
Das gleiche Verfahren mit Anwendung von Titan, Schmelzen und Ätzen kann bei anderen Halbleiterund Elektrodenmaterialen angewandt werden. Auch kann das Verfahren unter Verwendung von Titanfolie an den Kontaktoberflächen an Stelle von Titanpulver durchgeführt werden, an Stelle der Zinnplättchen können Plättchen aus Blei oder aus einer Blei-Zinn-Legierung angewandt werden.

Claims (10)

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Befestigung einer metallischen Kontakt-Elektrode an dem Körper aus halbleitendem Material einer Halbleiteranordnung, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Oberfläche des Körpers (4) aus halbleitendem Material und einem Metallkörper (6, 7) eine schmelzbare Metallschicht (5) angeordnet und zwischen der schmelzbaren Metallschicht und der Oberfläche des Körpers aus halbleitendem Material Titan eingebracht wird und daß die schmelzbare Metallschicht auf eine solche Temperatur erhitzt wird, daß die schmelzbare Metallschicht das Titan löst und die benachbarte Oberfläche des Körpers aus halbleitendem Material benetzt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die schmelzbare Metallschicht (5) auf eine oberhalb seines Schmelzpunktes, jedoch unterhalb des Schmelzpunktes von Titan liegende Temperatur erhitzt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß nach der Befestigung des Metallkörpers an dem Körper aus halbleitendem Material unerwünschte Teile des Körpers aus halbleitendem Material, der schmelzbaren Metallschicht sowie des Metallkörpers elektrolytisch weggeätzt werden und daß die Stärke des Elektrolyten vor dem Abschalten der Ätzspannung stetig verringert wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Titan in Pulverform verwendet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Titanpulver in die gegen die Oberfläche des Körpers aus halbleitendem Material später anliegende Oberfläche der schmelzbaren Metallschicht (5) eingepreßt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Titanpulver in die Oberflächen des Metallkörpers und der schmelzbaren Metallschicht eingepreßt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Titan in Form einer Folie angewandt wird.
8. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für die schmelzbare Metallschicht Zinn, Blei oder eine Zinn-Blei-Legierung verwendet wird.
9. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß als Halbleitermaterial Silizium verwendet wird.
10. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß unter Vakuum erhitzt wird.
In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 858 925, 631 649; deutsche Auslegeschriften Nr. 1 002 472, S 33505 VIIIc/21g (bekanntgemacht am 8. 11.1956); USA.-Patentschrift Nr. 2 822 606.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
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