DE1152865B

DE1152865B - Verfahren zum Herstellen von Legierungs-kontakten durch Anlegieren von Gold oder ueberwiegend Gold enthaltenden Legierungen an Siliziumkoerper

Info

Publication number: DE1152865B
Application number: DEL32663A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Phys Friedrich Seid
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1959-03-09
Filing date: 1959-03-09
Publication date: 1963-08-14
Also published as: NL249198A; GB925042A

Description

Es sind bereits mehrfach Versuche unternommen worden, um Gold oder überwiegend Gold enthaltende Legierungen mit Silizium zu legieren. Diese Bemühungen wurden verstärkt, als das Silizium in großem Umfange Eingang in die Herstellung von Trockengleichrichtern mit flächenhaften Elektroden und Kristallverstärkern fand. Gold läßt sich mit Silizium wegen der geringen erforderlichen Legierungstemperaturen und wegen der geringen auftretenden Verspannungen gut verarbeiten, und es lassen sich durch Zusatz von geringen Mengen an Dotatoren oder Akzeptoren an Silizium sperrende und nahezu sperrfreie Kontakte durch Legierung bilden. Die wesentlichen Schwierigkeiten bei der Herstellung derartiger Legierungskontakte besteht darin, daß das flüssige Gold das Silizium schlecht benetzt, so daß die Einhaltung enger Toleranzen erschwert ist, und daß Schichten aus Goldlegierungen, die z. B. auf das Silizium aufgedampft sind, äußerst brüchig sind und bei der zur Legierungsbildung nötigen Erwärmung abplatzen. Die Verwendung von Flußmitteln verbietet sich bei der hohen Empfindlichkeit des Siliziums gegen Verunreinigungen von selbst.

Nach dem durch die US.-Patentschrift 2789 068 bekannten Verfahren zur Herstellung eines pn-Überganges durch Anlegieren von Aluminium an einen η-leitenden Siliziumkörper wird Aluminium auf den auf einer Temperatur zwischen der Schmelztemperatur des Aluminium-Silizium-Eutektikums (577° C) und der Schmelztemperatur von Silizium (1450° C), z. B. auf einer Temperatur zwischen 700 und 900° C, gehaltenen Siliziumkörper im Vakuum aufgedampft und Siliziumkörper sowie die hierbei gebildete flüssige Aluminium-Silizium-Lösung unter Auskristallisation von p-leitendem Silizium abgekühlt.

Zur Herstellung eines pn-Überganges durch Anlegieren von Aluminium an einen n-leitenden Siliziumkörper ist ferner durch die USA.-Patentschrift 2 802759 bekannt, den Siliziumkörper auf eine Temperatur zwischen der Schmelztemperatur des Eutektikums Aluminium—Silizium und der Schmelztemperatur des Siliziums zu erhitzen, auf den erhitzten Siliziumkörper Aluminium aufzudampfen, den Siliziumkörper unter die eutektische Temperatur abzukühlen, erneut den Siliziumkörper auf eine Temperatur zwischen eutektischer Temperatur und Siliziumschmelztemperatur zu erhitzen, wiederum Aluminium aufzudampfen und anschließend den Siliziumkörper auf Zimmertemperatur abzukühlen.
Da bei den bekannten Verfahren die Temperatur Verfahren zum Herstellen von Legierungskontakten durch Anlegieren von Gold
oder überwiegend Gold enthaltenden
Legierungen an Siliziumkörper

Anmelder:

Licentia Patent-Verwaltungs-G. m. b. H.,
Frankfurt/M., Theodor-Stern-Kai 1

Dipl.-Phys. Friedrich Seid, Rüthen/Möhne,
ist als Erfinder genannt worden

der zu bedampfenden Fläche über dem eutektischen Punkt liegt, ist sowohl an der Dampfquelle als auch an der zu bedampfenden Fläche eine flüssige Phase vorhanden, die in jedem Falle der Einwirkung der Schwerkraft unterworfen ist. Ist nun in bekannter Weise der Dampfstrahl von oben nach unten gerichtet, so ist die dem Verdampfer zu entnehmende Menge von vornherein auf einen Höchstwert begrenzt, bei dessen Überschreitung das zu verdampfende Gut abtropfen würde und jedes definierte Arbeiten unterbunden wäre. Die Menge des Aufdampfgutes ist so schon auf einen Höchstwert begrenzt. Diese Höchstmenge wird zudem noch ziemlich isotrop in den Raum verdampft, so daß nur ein Bruchteil von ihr die zu bedampfende Fläche erreicht. Dampft man aus einem Tiegel von unten nach oben, so kann man zwar die Dampfquelle genügend ergiebig gestalten. Es besteht jedoch dann die Gefahr, daß die aufgedampfte Schicht abtropft.

Eine Legierungssehicht von einer gewissen Dicke wird jedoch aus mehreren Gründen benötigt. Will man nämlich nach dem Legierungsverfahren pn-Übergänge herstellen, so muß die Legierungssehicht so viel aufgedampftes oder anders aufgebrachtes Material enthalten, daß trotz der aus mechanischen Gründen nach unten begrenzten Dicke der Siliziumplatten der Abstand zwischen Kollektor und Emitter eines Transistors bzw. zwischen sperrfreier und sperrender Elektrode eines Gleichrichters möglichst klein gehalten werden kann. Siliziumscheiben werden aus mechanischen Gründen nicht dünner als etwa Vio mm gemacht. Demgegenüber liegt für Silizium der wünschenswerte Abstand zwischen dem pn-übergang am Emitter und dem am Kollektor bei etwa

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20 μ. Bei Gleichrichtern bringt man den pn-übergang so nahe wie möglich an die sperrfreie Elektrode, um den Widerstand in Flußrichtung klein zu halten. Der Abstand zwischen der Raumladung vor dem pn-übergang eines in Sperrichtung beanspruchten Gleichrichters und der sperrfreien Elektrode kann bis auf etwa 10~³ mm verringert werden. Da man also die Plättchen nicht dünner machen kann, müssen die durch Legieren erzeugten pn-Übergänge tiefer in die Halbleiterschalen hineingelegt werden, d. h., es muß eine größere Menge Silizium angelöst werden. Da nun aber eine vorgegebene Menge Legierungsmaterial bei vorgegebener Temperatur über eine vorgegebene Fläche des Halbleiterscheibchens nur eine gewisse Menge Silizium zu lösen vermag und Temperatur und Oberfläche durch andere Parameter mitbestimmt werden, ist die Tiefenlage des pn-Überganges nur durdh die Menge des Legierungsmaterials einstellbar. Die bekannten Verfahren, bei denen die aufdampfbare Menge begrenzt ist, sind daher schon wegen dieser Beschränkung von Nachteil.

Bei einer dünnen Legierungsschicht, an welcher zugleich die elektrische Zuleitung angelötet werden soll, ist der unter der Legierungsschicht liegende pn-übergang durch das Löten gefährdet, in seinen Eigenschaften z. B. durch durch zusätzliches Lot eingeschleppte Verunreinigungen beeinträchtigt zu werden. Nach dem bekannten Verfahren kann außerdem nicht gearbeitet werden, wenn Bedampfungsblenden verwendet werden sollen, die auf der zu bedampfenden Fläche aufliegen. Die Bedampfungsblenden wurden nämlich durch die flüssige Phase an die Oberfläche des Siliziums angelötet. Bedampfungsblenden, die nicht aufliegen, ergeben aber nur dann die erforderlichen genügend scharfen Begrenzungslinien des bedampften Bereiches, wenn die Dampfquelle angenähert punktförmig ist. Damit würden sich jedoch sehr hohe Bedampfungszeiten ergeben. Von diesen Nachteilen frei ist nun das Verfahren gemäß der Erfindung.

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen von Legierungskontakten durch Anlegieren von Gold oder überwiegend Gold enthaltenden Legierungen an einen Siliziumkörper, insbesondere bei der Herstellung von elektrisch unsymmetrisch leitenden Systemen, bei dem der Siliziumkörper auf eine Temperatur oberhalb 150° C, jedoch unterhalb des eutektischen Schmelzpunktes des Gesamtsystems erhitzt, im Vakuum unter Einhaltung der oberen Temperaturgrenze mit dem zu legierenden Material bedampft, während eines längeren Zeitraumes, vorzugsweise mehr als ¹A Stunde, auf Zimmertemperatur abgekühlt und anschließend bei einer Temperatur zwischen 400 und 800° C das aufgedampfte Legierungsmaterial an den Siliziumkörper, vorzugsweise unter Schutzgas, anlegiert wird. Das Aufheizen des Siliziumkörpers bringt zunächst eine Entgasung seiner Oberfläche mit sich, des weiteren bewirkt es aber während des Aufdampfens und im Zusammenwirken mit der langsamen Abkühlung die Ausbildung einer grobkristallinen und daher sehr weichen Goldschicht, die bei dem nachfolgenden Legierungsvorgang nicht abplatzt.

Um den Leitfähigkeitscharakter und damit das Sperrvermögen des Legierungskontaktes gegenüber dem Silizium zu modifizieren bzw. zu bestimmen, werden zweckmäßig dem Gold eine oder mehrere als Aktivatoren bekannte Substanzen aus den Gruppen HI und V des Periodischen Systems, insbesondere Aluminium oder Antimon, zugegeben.

Der Ablauf des Verfahrens wird begünstigt, wenn der Siliziumkörper vor der Bedampfung einer Ätzbehandlung, vorzugsweise mit Flußsäure, unterworfen wird. Es ist weiterhin von Vorteil, zu vermeiden, daß das bedampfte Silizium vor der Anlegierung mit Luftsauerstoff in Berührung kommt.

Der Zusatz von Legierungskomponenten zu dem Gold kann in der Weise erfolgen, daß diese mit dem Gold gleichzeitig aufgedampft werden, jedoch kann es von Vorteil sein, erst unmittelbar vor der dem Anlegieren dienenden Wärmebehandlung eine oder mehrere Komponenten des Legierungsmaterials auf das bereits aufgedampfte Legierungsmaterial in fester Form aufzulegen.

Für die Herstellung von nahe benachbarten Kontakten auf ein und derselben Halbleiterfläche ist es sehr wichtig, die Kontaktfläche mit sehr enger Toleranz zu begrenzen. Zu diesem Zweck wird unmittelbar auf die zu bedampfende Halbleiteroberfläche eine Blende aufgelegt. Bei dem Verfahren gemäß der Erfindung kann die Blende ohne die Schwierigkeiten der bekannten Verfahren auf die Halbleiteroberfläche aufgelegt werden. Da bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ein festes Kondensat gebildet wird, kann die Blende auch leicht wieder abgenommen werden.

Weiterhin hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, eine Goldlegierung mit einem Germaniumgehalt bis zu 15 Gewichtsprozent zu verwenden, weil dabei die während des Legierungsvorganges angelöste Menge des Siliziums klein gehalten werden kann.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der zu bedampfende Siliziumkörper zu Beginn der Behandlung geätzt, z. B. mit einer zu etwa gleichen Teilen aus Flußsäure, rauchender Salpetersäure und Eisessig bestehenden Lösung. Die Siliziumscheibe wird sodann im Vakuum von 2 · 10~^s Torr auf 180° C erhitzt. Aus einem Wolframschiffchen wird reinstes Gold in einer Stärke von etwa 10 μ aufgedampft. Die Bedampf ung kann sich dabei auf einen oder mehrere durch Masken oder Blenden abgegrenzte Bereiche derselben Oberfläche erstrecken. Es lassen sich jedoch auch wesentlich dickere Schichten, bis zu einigen Zehntelmillimetern, und auf Flächen von mehreren Quadratzentimetern erzielen. Danach läßt man die bedampfte Siliziumscheibe langsam, d. h. in einem Zeitraum von 20 bis 25 Minuten, auf Zimmertemperatur abkühlen. Darauf wird je nach dem Charakter des zu erzielenden Überganges festes Aluminium oder eine feste Gold-Antimon-Legierung, vorzugsweise mit 0,5 % Antimon, auf die Goldschicht aufgelegt und dann bei einer Temperatur von etwa 400° C legiert. Bei Verwendung von Aluminium wird jedoch diese Temperatur auf etwa 700 C° gesteigert.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich besonders zur Herstellung elektrisch unsymmetrisch leitender Systeme, wie z. B. Trockengleichrichter, Kristallverstärker oder Photoelemente, die Silizium als Halbleiter enthalten.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

1. Verfahren zum Herstellen von Legierungskontakten durch Anlegieren von überwiegend Gold enthaltenden Legierungen an einen Siliziumkörper, insbesondere bei der Herstellung von

elektrisch unsymmetrisch leitenden Systemen, dadurch gekennzeichnet, daß der Siliziumkörper auf eine Temperatur oberhalb 150° C, jedoch unterhalb des eutektischen Schmelzpunktes des Gesamtsystems erhitzt, im Vakuum unter Einhaltung der oberen Temperaturgrenze mit dem zu legierenden Material bedampft, während eines längeren Zeitraumes, vorzugsweise mehr als ¹Ii Stunde, auf Zimmertemperatur abgekühlt und daß anschließend bei einer Temperatur zwischen 400 und 800° C das aufgedampfte Legierungsmaterial an den Siliziumkörper, vorzugsweise unter Schutzgas, anlegiert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Gold eine oder mehrere als Aktivatoren bekannte Substanzen der Gruppen III oder V des Periodischen Systems, insbesondere Aluminium oder Antimon, zugesetzt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß eine Goldlegierung mit einem Germaniumgehalt bis zu 15 Gewichtsprozent verwendet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zu bedampfende Fläche durch auf die Halbleiterfläche aufgelegte Blenden begrenzt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der SilMumkörper vor dem Bedampfen einer Ätzbehandlung, vorzugsweise mit Flußsäure, unterworfen wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Legieren von dem bedampften Silizium Luftsauerstoff ferngehalten wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß unmittelbar vor der dem Anlegieren dienenden Wärmebehandlung auf das aufgedampfte Legierungsmaterial weitere Komponenten des Legierungsmaterials in fester Form aufgelegt werden.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß auf den auf 150° C erhitzten Siliziumkörper auf einem oder mehreren Bereichen von dessen Oberflächen je eine Goldschicht von etwa 10 μ Stärke aufgedampft wird, sodann nach dem Abkühlen je nach dem Charakter des zu erzielenden Überganges festes Aluminium oder eine feste Gold-Antimon-Legierung, vorzugsweise mit 0,5 °/o Antimon, aufgelegt und bei einer Temperatur von etwa 400° C, bei Verarbeitung von Aluminium bei etwa 700° C anlegiert wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:
USA.-Patentschriften Nr. 2 789 068, 2 802759.