DE1127488B

DE1127488B - Halbleiteranordnung aus Silizium oder Germanium und Verfahren zu ihrer Herstellung

Info

Publication number: DE1127488B
Application number: DEW24913A
Authority: DE
Inventors: John Eric Iwersen; James Thomas Nelson
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1958-02-03
Filing date: 1959-01-27
Publication date: 1962-04-12
Also published as: BE575275A; US3028663A; GB911667A; FR1226492A; NL235742A

Description

DEUTSCHES

PATENTAMT

W 24913 VIHc/21g

ANMELDETAG: 27. JANUAR 1959

BEKANNTMACHUNG
DER ANMELDUNG
UNDAUSGABE DER
AUSLEGESCHRIFT: 12. APRIL 1962

Die Erfindung_ betrifft Halbleiteranordnungen aus Silizium oder Germanium mit mindestens einer einlegierten, aus einem dünnen Goldfilm bestehenden Elektrode.

Bei Halbleiteranordnungen mit dünnen Bereichen unterschiedlichen Leitfähigkeitstyps, die z. B. ganz oder zum Teil durch Diffusion hergestellt werden, ist es bisher schwierig gewesen, Elektroden anzubringen, welche gute elektrische und mechanische Eigenschaften besitzen, insbesondere wenn die Elektrode bei Anordnungen, die im Vergleich zu ihrer räumlichen Größe verhältnismäßig hohe Leistungsfähigkeit besitzen sollen, eine große Leitfähigkeit in Seitwärtsrichtung haben soll.

Es hat sich gezeigt, daß Gold hinsichtlich der elektrischen Leitfähigkeit und der machanischen Bindung für die Herstellung von Elektroden an Halbleiterkörpern, ζ. B. aus Germanium oder Silizium, am meisten geeignet ist. Wenn jedoch eine Elektrode an sehr dünnen diffundierten Bereichen hergestellt wird, welche beispielsweise eine Dicke von etwa 0,0025 mm besitzen, so entsteht beim Niederschlagen einer genügend schweren Goldschicht, welche die erwünschte niedrige Leitfähigkeit in Seitwärtsrichtung hat, eine Legierung zwischen dem Gold und dem Halbleitermaterial und somit eine Schmelze, die in den Diffusionsbereich eindringt und diesen zerstört. Ein gewisser Erfolg konnte dadurch erzielt werden, daß man die Goldelektrode in zwei Stufen anbringt. Dabei wird die Anordnung nach dem ersten Niederschlagen abgekühlt und die Legierungsbildung auf einen sehr dünnen Goldfilm beschränkt. Anschließend wird die Anordnung auf eine Temperatur unterhalb der vorher angewandten Temperatur wieder erhitzt und eine abschließende schwere Goldschicht niedergeschlagen. Diese Technik hat im allgemeinen hinsichtlich der Bindung zwischen dem Anfangsfilm und der schwereren Goldschicht nicht befriedigt.

Bei den Halbleiteranordnungen nach der Erfindung sind diese Mängel behoben. Deren Elektroden besitzen einen geringen Widerstand, eine hohe Temperaturbeständigkeit und einen hohen mechanischen Widerstand.

Dies wird dadurch erreicht, daß auf der dünnen Goldschicht eine vorwiegend aus Silber bestehende Schicht aufgebracht ist, die mit dem Halbleitermaterial eine Legierung mit höherer eutektischer Temperatur als die des Systems Halbleitermaterial— Gold bildet, und an welcher die metallische Zuführung mittel- oder unmittelbar angeschlossen ist. Bei diesem Aufbau der Elektroden ist ein konti-Halbleiteranordnung

aus Silizium oder Germanium

und Verfahren zu ihrer Herstellung

Anmelder:

Western Electric Company, Incorporated, New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter: Dipl.-Ing. H. Fecht, Patentanwalt, Wiesbaden, Hohenlohestr. 21

Beanspruchte Priorität: V. St. v. Amerika vom 3. Februar 1958 (Nr. ?12 804)

John Eric Iwersen, Morristown, N. J.,

und James Thomas Nelson, Gillette, N. J. (V. St. A.), sind als Erfinder genannt worden

nuierliches Aufdampfen möglich, ohne daß es notwendig ist, die Temperatur während der Herstellung der Elektrode zu erniedrigen; es können außerdem an solchen Elektroden Anschlüsse angebracht werden, welche aus einem Metall, insbesondere aus Gold, bestehen können, welches mit Silber ein System mit vergleichsweise niedriger eutektischer Temperatur bildet. Die Anschlüsse können demgemäß bei einer Temperatur unterhalb derjenigen hergestellt werden, welche entweder die Struktur der Elektrode oder die durch Diffusion hergestellten Übergänge innerhalb des Halbleiterkörpers beeinträchtigen würde.

Besonders zweckmäßig ist eine Halbleiteranordnung, bei welcher der dünne Goldfilm eine Dicke von etwa 200 Ängström und die Silberschicht, eine Stärke von 0,5 bis 15 Mikron haben. — Die Silberschicht kann eine weitere Goldschicht tragen, welche die Anschlußschicht für die Zuführung bildet. Die zusätzliche Goldschicht erleichtert die Anbringung der Zuführung unter Anwendung von Druck.

Für die Herstellung der Halbleiteranordnungen nach der Erfindung kann vorteilhaft die dünne Goldschicht aufgedampft und durch gleichzeitiges Erhitzen auf eine Temperatur zwischen 400 und 500° C mit dem Halbleiterkörper legiert werden, und unmittelbar anschließend an das Aufdampfen des Goldes erfolgt ohne Unterbrechung das Aufdampfen der Silberschicht.

Für die Herstellung von Elektroden mit zusätzlicher Goldschicht kann dieses Verfahren dadurch ergänzt werden, daß die weitere Goldschicht

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durch Aufdampfen auf die Silberschicht hergestellt wird und daß eine metallene, zweckmäßig aus Gold bestehende Zuführung mit der weiteren Goldschicht unter Druck verbunden wird.

Es können auch miteinander abwechselnde Schichten aus Gold und Silber angebracht werden, wobei die Schichtung mit einer anfänglichen sehr dünnen Schicht aus Gold beginnt und sich nacheinander verhältnismäßig schwerere Schichten aus Silber und Gold anschließen.

Die Erfindung soll an Hand der Zeichnung näher erläutert werden; in der Zeichnung zeigt

Fig. 1 eine schematische Draufsicht auf eine Halbleiteranordnung mit diffundiertem p-n-Übergang und erfindungsgemäßer Ausbildung der Elektroden,

Fig. 2 einen Querschnitt nach Linie 2-2 der Fig. 1,

Fig. 3 eine perspektivische Teilansicht einer Halbleiteranordnung mit diffundiertem p-n-Übergang und mit Elektroden nach der Erfindung sowie einer typischen Ausführung der Zuführungen,

Fig. 4 in Blockform ein Schaubild mit den wesentlichen Schritten des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Für die Herstellung der Halbleiteranordnung nach aus der Oxydschicht in den Halbleiterkörper diffundiert. Die Trägerkonzentration der Emitterbereiche ist etwa die gleiche wie die Konzentration in dem Kollektorbereich. Auf diese Weise wird entsprechend BlockI der Fig.4 z.B. eine Siliziumscheibe gewonnen, welche auf der Bodenseite eine p-leitende Schicht, eine eigenleitende Zwischenschicht und eine η-leitende Basisschicht auf der Oberseite hat, wobei sich auf der Basisschicht mehrere flächenmäßig

ίο beschränkte Emitterbereiche in gleichförmigem Abstand befinden.

Wie Block Π der Fig. 4 erkennen läßt, besteht der nächste Verfahrensschritt im Aufdampfen der ersten Metallschicht für den ohmschen Elektrodenanschluß an die Emitter- und Basisbereiche mit Hilfe einer entsprechenden Maske auf bekannte Weise. Dabei entsteht eine Elektroden, welche etwas kleiner ist als der Emitterbereich 12 und mitten in dem Emitterbereich liegt (Fig. 1). Bei diesem speziellen Transistor wird der Basiswiderstand durch zwei Basiselektrodenstreifen 13 und 14 herabgesetzt, die beiderseits des Emitterbereiches liegen. Für das Aufdampfen wird Gold mit 0,1% Antimon und Silber verwendet. Hierbei wird die Scheibe auf eine Temperatur von

der Erfindung können zunächst die Kollektor-, 25 etwa 500° C erhitzt. Die Goldschicht soll eine Dicke

Basis- und Emitterbereiche auf an sich bekannte Weise durch Diffusion hergestellt werden.

Hierzu werden zweckmäßig einkristalline Scheiben aus z. B. Germanium oder Silizium mit einer Dicke zwischen 100 und 300 Ängström besitzen. Die die Dicke des Goldfilms bestimmenden Faktoren sind folgende: Vermeidung einer so dünnen Schicht, die mechanisch oder elektrisch unwirksam ist, bzw. die

von etwa 00,25 bis 00,51 mm benutzt. Die Scheiben 30 Vermeidung einer so dicken Schicht, welche die

können angenähert runde Form haben mit einem Radius von etwa 12,7 mm. Die Halbleiterscheibe aus angenähert eigenleitendem p-leitendem Material mit einer TrägerKonzentration von etwa 5 · 10¹⁴/cm³ wird zunächst mechanisch mit Hilfe eines Schleifmittels poliert und danach Bor als die Leitfähigkeit bestimmende Verunreinigung eindiffundiert, um p-leitende Schichten mit einer Trägerkonzentration von etwa 10²⁰/cm³ bis zu einer Tiefe von etwa 0,041 mm auf beiden Seiten der Scheibe herzustellen. Die Scheibe wird dann auf beiden Seiten geläppt und mechanisch poliert. Auf einer Seite wird Oberflächenmaterial in Stärke von 0,005 bis 0,01 mm, welches einen hohen Borgehalt hat, entfernt, um Bildung einer Legierung, die die diffundierte Schicht durchdringt, ermöglicht. Unter bestimmten Bedingungen kann ein Film von 20 Ängström oder ein Film von 2000 Ängström Dicke wünschenswert sein.

Eine Goldschicht von etwa 200 Ängström Stärke läßt sich leicht bestimmen, indem man den Augenblick beobachtet, in welchem der Film bei Betrachtung durch eine Glasscheibe, die an der Vakuumkammer angeordnet ist, undurchsichtig wird. Ein solcher Film sollte in etwa einer Minute niedergeschlagen sein.

Sobald die gewünschte Stärke des Goldfilms angenähert erreicht ist, wird Silber aufgedampft. Wenn das Silber merklich verdampft, wird das Aufdampfen

eine unkontrollierte Rückdiffusion von Bor bei 45 des Goldes unterbrochen. Es ist vorteilhaft, daß das nachfolgenden Diffusionsschritten zu verhindern. Aufdampfen kontinuierlich abläuft und der Metall-

Dampfstrom nicht unterbrochen wird.

Die Silberschicht hat etwa 5 Mikron Dicke. Die Dicke der Silberschicht kann jedoch schwanken; sie 50 hängt von den elektrischen Besonderheiten der Anordnung und von der Notwendigkeit der Unterbrechung des Silberaufdampfens ab, bevor das Silber die Fläche des anfänglichen Goldfilms überschreitet. Augenscheinlich verhindert schon eine Silberschicht 55 von etwa 0,5 Mikron die Bildung einer Legierung zwischen einer äußeren Goldschicht und z. B. dem Silizium. Andererseits kann auch eine Silberschicht von etwa 15 Mikron Stärke notwendig sein, um die benötigte hohe Seitwärtsleitfähigkeit herbeizuführen, beträgt 60 Die Stärke läßt sich leicht dadurch steuern, daß eine begrenzte Silbermenge gerade vollständig verdampft wird. Wenn sämtliches Silber oder nahezu sämtliches Silber verdampft worden ist, wird erneut Gold aufgedampft und eine abschließende Schicht oder ein

hergestellt, indem Boroxyd durch eine Maske auf die 65 abschließender Überzug aus Gold auf der Oberfläche begrenzende Fläche des Emitterbereiches aufge- des Silbers aufgebracht. Diese Vorgänge sind in dampft und anschließend eine Erhitzung auf Diffu- Block III und Block IV der Fig. 4 veranschaulicht, sionstemperatur vorgenommen wird, damit das Bor Es können auch nach dem anfänglichen Goldnieder-

Ein wesentlich größerer Teil des Materials wird von der anderen Seite der Scheibe abgetragen, so daß nun eine dotierte Randschicht von etwa 0,025 mm Stärke verbleibt und die Gesamtstärke der Scheibe etwa 0,063 mm beträgt. Dann wird Antimon eindiffundiert, um einen η-leitenden Basisbereich zu schaffen, indem ein Teil des angrenzenden eigenleitenden Bereiches bis zu einer Tiefe von etwa 0,0051 mm umgewandelt wird. Infolge der benutzten relativen Konzentrationen beeinträchtigt das Antimon den Leitfähigkeitstyp der mit Bor dotierten Schicht auf der gegenüberliegenden Seite nicht wesentlich. Die Elektronenkonzentration des mit Antimon dotierten η-leitenden Bereiches etwa 10i8/cm3.

Schließlich wird eine p-leitende Emitterschicht in der Form eines rechteckigen Streifens von etwa 0,128 ■ 1,524 mm mit einer Tiefe von etwa 0,003 mm

schlag das Silber und das Gold gleichzeitig verdampft werden. Wegen seiner höheren Verdampfungsgeschwindigkeit schlägt das Silber sich rascher nieder als das Gold, und durch geeignete Mengenbemessung der beiden Metalle entsteht eine vorwiegend aus Silber bestehende Schicht, die durch einen äußeren Überzug aus Gold abgeschlossen ist.

Nach dem Aufdampfen wird dann die Scheibe in eine Mehrzahl getrennter Blättchen von etwa 2,54 · 1,143 mm Größe geteilt werden, wobei jedes Blättchen auf einer Fläche die Elektroden und den in der Mitte liegenden diffundierten Emitterbereich trägt, wie es die Fig. 1 und 2 veranschaulichen.

Ein Sockelteil IS wird dadurch hergestellt, daß man Teile des Blättchens 10 durch Ätzen entfernt. Auf der Oberseite des Sockelteils befinden sich die Emitterelektrode 11 und die Basiselektroden 13 und 14. Entsprechend Fig. 2 besteht das Halbleiterblättchen aus dem p-leitenden Emitterbereich 12, dem η-leitenden Basisbereich 16, der durch die p-n-Übergänge 18 und 19 begrenzt ist, und dem Kollektorbereich 17. Die gestrichelte Linie 20 deutet den flachen Übergang von dem ursprünglichen nahezu eigenleitenden Teil 21 zu dem Kollektorbereich 17 mit höherer p-Leitfahigkeit an.

Wie weiter oben angegeben wurde, sind die diffundierten Schichten, welche in dem Querschnitt der Fig. 2 veranschaulicht sind, extrem dünn. Der Kollektorbereich 17, der wegen der Darstellung im größeren Maßstab teilweise weggelassen ist, kann eine Dicke von etwa 0,41 mm haben. Die nahezu eigenleitende Schicht 21 hat eine Dicke von etwa 0,010 mm und der Basisbereich 16 eine solche von 0,005 mm oder weniger. Der mit Bor diffundierte Emitterbereich 12 reicht in den Basisbereich 16 bis zu einer Tiefe von etwa 0,003 m hinein.

Wie in schematischer, aber nicht maßstabgerechter Form veranschaulicht ist, können die Elektroden bei der Halbleiteranordnung nach der Erfindung als vielschichtige Elemente betrachtet werden. Die Basiselektrode 14 besteht aus dem Goldfilm 22. Dieser Film 22 wird sich wenigstens in gewissem Ausmaß mit dem halbleitenden Grundmaterial legieren. Eine solche Legierungsschicht mag vielleicht eine Stärke von 200 Angstrom haben und ist daher in Schnittdarstellung selbst bei starker Vergrößerung nicht darzustellen. Die nächste und stärkste Schicht 23 besteht aus Silber, welches den größten Anteil der metallischen Elektrode bildet. Eine wiederum aus Gold bestehende äußere Schicht M ist vorteilhafterweise vorgesehen, um die Anbringung von Drahtanschlüssen unter Druck zu erleichtern. Nach dem Sockelätzen wird das Halbleiterblättchen unter Anwendung an sich bekannter Reinigungs- und Ätzverfahren weiterbehandelt.

Entsprechend Fig. 3 wird das Blättchen 10 auf einer Montageplatte 31 festgelegt, und zwar zweckmäßig mittels einem Goldlot, was sich leicht bei einer Temperatur von etwa 400° C durchführen läßt, ohne daß dadurch die Halbleiteranordnung gefährdet wird.

Anschlußdrähte, die zweckmäßig aus Gold bestehen, werden an die Basis- und Emitterelektroden angebracht, und zwar durch Andrücken an die Goldoberfläche. Zwei der Anschlußdrähte 33 und 34 sind an einem Schaft 40 angebracht, welcher als Hauptanschlußteil für den Transistor dient; der Anschluß 32 ist an die mittlere Emitterelektrode 11 angeschlossen und ist mit einem anderen Schaft 41 verbunden, welcher den Emitteranschluß bildet. Die Montageplatte 31 als Kollektorzuführung kann aus dem Metallmantel oder Metallgehäuse des Transistors bestehen. Die Schaftteile 40 und 41 sind von der Platte 31 durch Glaseinsätze 42 und 43 isoliert.

ίο Anordnungen der beschriebenen Art können eine Leistung von 5 Watt bei einer Frequenz von 10 Megahertz und relativ hohem Wirkungsgrad abgeben und bei einer Frequenz von 100 Megahertz noch 1 Watt bei einem Wirkungsgrad von etwa 15%.

Bei Germanium als Halbleiter werden zweckmäßig niedrigere Temperaturen zwischen 390 und 400° C angewandt.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

1. Halbleiteranordnung aus Germanium oder Silizium mit mindestens einer einlegierten, aus einem dünnen Goldfilm bestehenden Elektrode, gekennzeichnet durch eine auf der dünnen Goldschicht angebrachten, vorwiegend aus Silber bestehenden Schicht, die mit dem Halbleitermaterial eine Legierung mit höherer eutektischer Temperatur als die des Systems Halbleitermaterial—Gold bildet und an welcher die metallische Zuführung mittel- oder unmittelbar angeschlossen ist.

2. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der dünne Goldfilm eine Dicke von etwa 200 Ängström und die Silberschicht eine Stärke von 0,5 bis 15 Mikron aufweisen.

3. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine weitere, auf der Silberschicht angebrachte Goldschicht, welche die Anschlußschicht für die Zuführung bildet.

4. Verfahren zur Herstellung einer Halbleiteranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die dünne Goldschicht aufgedampft und durch gleichzeitiges Erhitzen auf eine Temperatur zwischen 400 und 500° C mit dem Halbleiterkörper legiert wird und unmittelbar anschließend an das Aufdampfen des Goldes ohne Unterbrechung das Aufdampfen der Silberschicht erfolgt.

5. Verfahren nach Anspruch 4 zur Herstellung einer Halbleiteranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Goldschicht durch Aufdampfen auf die Silberschicht hergestellt wird und daß eine metallene, zweckmäßig aus Gold bestehende Zuführung mit der weiteren Goldschicht unter Druck verbunden wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentanmeldung S 32974 VIII c/21 g (bekanntgemacht am 8. 7. 1954);

deutsche Auslegeschrift S 42219 VIII c/21 g (bekanntgemacht am 30. 8. 1956);
deutsche Auslegeschrift Nr. 1018 557;
USA.-Patentschrift Nr. 2 695 852.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen