DE1190583B

DE1190583B - Injektionsfreier Ohmscher Kontakt fuer Halbleiterkoerper

Info

Publication number: DE1190583B
Application number: DEW29528A
Authority: DE
Inventors: Lawrence Keith Baker; Thomas Edward Magill
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1960-03-18
Filing date: 1961-02-23
Publication date: 1965-04-08
Also published as: NL261398A; CH424993A; GB980442A; US3198999A; FR1284316A; BE601339A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

HOIl

Deutsche Kl.: 21g-11/02

Nummer: 1190583

Aktenzeichen: W 29528 VIII c/21 g

Anmeldetag: 23. Februar 1961

Auslegetag: 8. April 1965

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen einer anlegierten Ohmschen Kontaktelektrode an einem Halbleiterkörper unter Verwendung eines leitenden, mit einer Goldschicht versehenen Trägerkörpers.

Eine charakteristische Besonderheit der Halbleiterbauelemente ist das Einströmen von Ladungsträgern aus den Anschlußelektroden in den Halbleiterkörper des Bauelementes. In vielen Fällen wird diese Besonderheit mit Vorteil für den Verwendungszweck des Halbleiterbauelementes nutzbar gemacht. In anderen Fällen hat jedoch die an den Kontakten stattfindende Ladungsträgerinjektion nachteilige Wirkungen, die die Arbeitsweise des Bauelementes stören. Beispielsweise tritt diese unerwünschte Wirkung an pnp-Germanium-Transistoren mit diffundierten Schichten auf. Bei diesen Transistoren beeinträchtigt die am Kollektorkontakt stattfindende Injektion von Minoritätsladungsträgern die Stabilität des Transistors erheblich. Bei den bekannten Kollektor-Kontaktierverfahren wird unbeabsichtigt häufig ein großer Prozentsatz Bauelemente mit einem Wert der Stromverstärkung in Basisschaltung größer als 1 infolge der am Kollektor auftretenden Minoritätsladungsträgerinjektion hergestellt. Das Resultat ist ein unerwünschter Bereich negativen Widerstandes in der Kennlinie dieser Halbleiterbauelemente. Dieser macht das Halbleiterbauelement für einige Oszillator- und Verstärkerzwecke unbrauchbar.

Versuche zur Verminderung dieser Schwierigkeiten haben Wege verfolgt, die von der Theorie der Festkörperphysik gewiesen wurden. Ein Versuch beruht darauf, daß ein stark dotierter, an den Kollektoranschluß angrenzender Bereich den Fluß von Minoritätsladungsträgern, d. h. von Elektronen, aus der Kontaktstelle verhindert. Zu diesem Zweck läßt man in die Kollektorzone Dotierungsstoffe, z. B. bei pnp-Transistoren die Akzeptoren Gallium oder Indium, eindiffundieren. Wenn auch hierdurch die Injektion in gewissem Ausmaß begrenzt wird, so löst diese Technik das Problem nicht befriedigend, weil ein untragbares Absinken der Kollektordurchbruchsspannung eintritt. Überdies stellt der zusätzliche Diffusionsschritt Anforderungen an das Verfahren, die von technischen wie auch von wirtschaftlichen Ge-Sichtspunkten her lästig sind.

Es wurde auch versucht, die Lebensdauer der Minoritätsladungsträger in der an den Kollektorkontakt angrenzenden Zone zu begrenzen. Hierzu werden Materialien, die die Rekombinationsgeschwindigkeit von Löchern und Elektronen erhöhen, z. B. Aluminium, auf den Kollektorkontakt aufgedampft. Hier-Injektionsfreier Ohmscher Kontakt für
Halbleiterkörper

Anmelder:

Western Electric Company Incorporated,

New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. H. Fecht, Patentanwalt,

Wiesbaden, Hohenlohestr. 21

Als Erfinder benannt:
Lawrence Keith Baker, Reading, Pa.;
Thomas Edward Magill, Allentown, Pa.
(V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 18. März 1960 (16 002)

durch erhält man zwar eine gewisse Verbesserung im gewünschten Sinne, es ergeben sich aber neue Probleme, deren Ursache die dadurch notwendig werdenden höheren Legierungstemperaturen sind. Versuche zur Auffindung eines befriedigenden Verfahrens führten ferner zu sich ändernden Kenngrößen für die Diffusion, wie Sperrschichttiefe und Schichtwiderstand, jedoch wurde keine Wechselbeziehung zwischen diesen und dem Injektionsproblem aufgedeckt. Entsprechend den vorstehend erwähnten Versuchen ist es bekannt, eine zugleich als Anschlußelektrode dienende Tragplatte für einen Halbleiterkörper aus einem der nicht radioaktiven Übergangsmetalle der VI. Gruppe des Periodischen Systems herzustellen, da diese Metalle eine auf den Wärmeausdehnungskoeffizienten des Halbleitermaterials angepaßten Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzen. Die Tragplatte kann hierbei zur Erhöhung der Wärmeableitung aus einem porösen Sinterkörper gebildet sein, dessen Poren mit einem der nicht radioaktiven Edelmetalle oder Halbedelmetalle der I. Gruppe des Periodischen Systems gefüllt sind. Außerdem ist die Tragplatte zum Zwecke einer leichteren Lötbarkeit gegenüber Zinn mit einer dünnen Goldschicht plattiert. Der Halbleiterkörper wird dann mit Zinnlot auf der Tragplatte angelötet, wobei dem Zinn Donatoren oder Akzeptoren beigemischt sein können.

509 538/321

3 4

Ferner ist es bekannt, eine pn-Halbleiterscheibe den Zuleitungen 14 und 15. Das mit 16 bezeichnete auf der η-Seite mit einer Gold-Antimon-Kontaktie- Kopfstück besteht aus Kovar als Hauptmaterial und rungsschicht zu versehen und unter Zwischenschal- ist, wie in F i g. 2 gezeigt, zuerst mit einer Kupfer- tung einer Gold-, Nickel-, Molybdän- und Vernico- schicht 17, dann mit einer Goldschicht 18 in einer schicht an einen Kupferklotz zur Wärmeableitung 5 weiter unten eingehend besprochenen Weise überanzulöten sowie die Halbleiterscheibe auf der p-Seite zogen. Die Zuführungen 14 und 15 für den Emitter mit einer Aluminium-Kontaktierungsschicht zu ver- und die Basis und die Zuführung 19 sitzen zentrisch sehen und unter Zwischenschaltung einer Molybdän- in Bohrungen 20 durch den ebenen Teil des Kopf- und Vernicoschicht gleichfalls an einen Kupferklotz Stückes 16 und sind mit Hilfe eines Glasfußes 21 isoanzulöten, ίο liert. Das Glas 21 wird so gewählt, daß dessen Aus-

Es ist auch bekannt, den Anschlußkontakt dadurch dehnungskoeffizient dem des Kopfmaterials Kovar

herzustellen, daß ein zunächst versilberter, dann ver- angepaßt ist und daß diese Stoffe auch anderweitig

Weiter und nachfolgend wieder versilberter Kovar- zueinander passen, so daß ein dichter Verschluß auch

draht auf der zu kontaktierenden Zone eines Halb- unter wechselnden Temperaturen aufrechterhalten

leiterkörpers anlegiert wird. Schließlich ist es be- 15 bleibt. Alle Teile des Kopfstückes 16 und der Zufüh-

kannt, Halbleitereinkristalle, ζ. B. Siliziumkristalle, rangen 14, 15 und 19 werden mit Kupfer- und GoId-

dadurch zu kontaktieren, daß zunächst die Kontaktie- schichten 17 und 18 überzogen, mit Ausnahme der

rung aus Gold, Platin oder Rhodium durch Ionen- Fläche 22 (F i g. 2) zwischen dem Glas 21 und dem

austausch aufgebracht und anschließend mit einem Kovar. In der F i g. 1 befindet sich die Fläche 22 auf

unedleren Metall, z. B. Silber, Kupfer, Nickel, Cad- 20 der unteren oder abgewandten Seite des Kopf-

mium oder Zinn, vorzugsweise Zink, galvanisch ver- Stückes 16.

stärkt wird. Die Kappe 23 ist gleichfalls aus Kovar hergestellt,

Die vorstehend beschriebenen bekannten Kontak- braucht aber nicht plattiert zu sein wie das Kopf-

tierungsmethoden zeigen aber alle mehr oder weniger stück 16. Die Kappe 23 dient als Schutz für den

die eingangs beschnebenen Nachteile. 25 Transistor 11 und gleichzeitig als Gehäuse für das

Demgemäß sollen mit dem Verfahren nach der Er- fertige Gerät. Die Kappe 23 wird mit dem Kopfstück findung diese Nachteile beseitigt werden. Es wird ein 16 mittels der Unterfläche des Flansches 24 an der Herstellungsverfahren der eingangs beschriebenen Art Kappe und der oberen Fläche 25 des am Kopfstück angegeben, mit dem Ohmsche, keine Minoritäts- befindlichen Flansches 26 vereinigt. Nach dem Ver ladungsträger injizierende Anschlüsse eines Halb- 30 binden der Flansche 24 und 26 wird das Bauelement leiterkörpers hergestellt werden können. Insbesondere durch ein Kupferrohr 27, das im abgequetschten End sollen hierbei diejenigen Einflüsse bei der Transistor- zustand gezeigt wird, evakuiert und dann mit Sauer herstellung beseitigt werden, die zufällige, nicht beab- stoff gefüllt.

sichtigte Werte der Stromverstärkung α über 1 verur- Aus der F i g. 2, die einen Schnitt in der Ebene 2-2

sachen. 35 in F i g. 1 darstellt, ist der Aufbau des Transistorkör-

Gemäß der Erfindung ist diese Aufgabe für das pers 11 deutlicher erkennbar. Er besteht aus einer Verfahren der eingangs beschnebenen Art dadurch durch Diffusion von Antimon entstandenen n-leiten- gelöst, daß auf die Tragkörper zunächst eine Kup- den Basiszone 28, einer aluminiumlegierten p-leiten- ferschicht und darauf die Goldschicht aufgebracht den Emitterzone 29 und einem p-leitenden Kollektorwird, deren Gewichtsverhältnis von Kupfer- zu 40 bereich 30. Ein Streifen aus Silber—Gold ergibt eine Goldschicht 1: 3 oder 1:1 beträgt, und daß dann legierte Fläche für den Emitterkontakt 12. Durch den der Halbleiterkörper auf die Goldschicht aufgebracht Kontakt 13 wird die Verbindung zur Basis herge- wird und anschließend zum Legieren auf eine Tem- stellt.

peratur oberhalb des Gold-Kupfer-Halbleitermaterial- Die F i g. 2 zeigt zur Verdeutlichung die Abmes-

Eutektikums erhitzt wird. 45 sungen der Teile in übertriebenem und unproportio-

Im folgenden ist die Erfindung an Hand der Zeich- nalem Maßstab. Der Kollektoranschluß wird durch

nungen beschrieben. die Verbindung des Transistors 11 mit dem Kopf-

F i g. 1 ist eine perspektivische, auseinandergezo- stück an der unteren Fläche des Kollektorbereiches

gene Ansicht eines Transistors; 30 hergestellt. Eine ternäre Kupfer-Gold-Germanium-

Fig. 2 ist ein vergrößertes Schnittbild in der 50 Legierung 32 wird durch Erwärmen der Zwischen-

Ebene 2-2 der Fig. 1; fläche auf eine Temperatur von etwa 350° C herge-

F i g. 3 ist eine graphische Darstellung der Charak- stellt. Es würde festgestellt, daß bei Einhaltung des

teristik eines Ohmschen Kollektors mit nicht injizie- Gewichtsverhältnisses von Kupfer zu Gold in der

renden Kontakten, die gemäß der Erfindung herge- Kupferschicht 17 und Goldschicht 18 im Verhältnis

stellt worden sind; 55 1:1 oder 1: 3 der entstehende Kollektoranschluß

F i g. 4 ist eine graphische Darstellung einer KoI- rein Ohmscher Art ist und daß die Injektion von lektorcharakteristik mit injizierendem Kollektorkon- Minoritätsträgern aus dem Kontaktbereich in die Koltakt nach bekannten Verfahren; lektorzone 30 weitgehend verringert wird.

F i g. 5 ist eine Aufstellung der Injektionsversager Die kritische Natur des Kupfer-Gold-Verhältnisses

als Funktion der Zusammensetzung der Überzüge, 60 im Überzug des Kopfstückes wird durch die gra-

aus der die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren phische Darstellung in den Fig. 3 bis 5 erläutert.

erzielte Wirkung ersichtlich ist. Die Zusammenstellung in der F i g. 5 zeigt in Prozen-

Der Transistor nach der F i g. 1 ist typisch für ten den Anteil der Transistoren, bei denen die In-

pnp-Bauelemente zur Verwendung in Schwachstrom- jektion von Minoritätsladungsträgern ein bestimmtes

oszillatoren und Verstärkern für den HF-Bereich. Ein 65 zulässiges Maß überschreitet und aus der somit die

Mesatransistor 11 aus Germanium mit pnp-Diffu- unterschiedliche Injektion bei wechselnden Mengen

sionsschicht hat einen Emitteranschluß 12 und einen von Kupfer und Gold erkennbar ist. Man sieht aus

Basisanschluß 13 von der Oberseite der Mesaform zu der F i g. 5, daß die Injektion von Minoritätsladungs-

trägern sich deutlich erhöht, wenn man von diesen Verhältnissen abweicht. Man sieht auch, daß die günstige Wirkung sich nicht auf den Bereich zwischen diesen Verhältnissen erstreckt, sondern daß die Bereiche getrennt sind. Nimmt man an, daß ein Versagen von 10 °/o der Transistoren erträglich ist, so ersieht man, daß bei einem Verhältnis 1:1 die Grenzen der relativen Gewichtsmengen der Goldschicht bei 42 bis 58 °/o liegen, wobei der Rückstand Kupfer ist. Die Summe der Gold- und Kupferatome beläuft sich auf 100 % des Überzugse, wobei der Germaniumgehalt in der ternären Mischung nicht berücksichtigt ist. Mit anderen Worten: Die Zusammensetzung der GoId- und Kupferschichten auf dem Kopfstück vor dem Aufbringen des Transistors bestimmt die jeweilige Charakteristik des Kollektorkontaktes.

In gleicher Weise ersieht man aus der F i g. 5, daß bei einem wiederum zu 10% angenommenen Ausschuß das für das erwähnte angenäherte 1:3-Verhältnis die Grenzen zwischen 72 bis 80 Gewichtsprozent Gold, Rest Kupfer, liegen.

Die Diagramme der Fig. 3 und 4 zeigen die gewöhnliche Emittercharakteristik bei Impulsabgabe für gute und schlechte Bauelemente bei einer Mehrzahl von Basisströmen (I_B). Die Kurven der F i g. 3 zeigen die Kollektorwiderstände bei verschiedenen Kollektorspannungen mit konstantem Kollektorspannungsabfall bei einem gemäß dem Verfahren nach der Erfindung hergestellten Transistor. Als Ergebnis des rein Ohmschen, nicht injizierenden Charakters des Anschlusses sind die Kurven, wie man sieht, rein positiv (mit Ausnahme des Teiles 34 für I_B — 0, was für diese Kurve typisch ist). Im Gegensatz zum analogen Diagramm der F i g. 4 für einen typischen Transistor, der mit einer Plattierung außerhalb des oben angegebenen kritischen Bereiches hergestellt ist, sieht man die unbefriedigenden Bereiche 33 mit negativem Widerstand.

Wenn auch die Erfindung im Zusammenhang mit einem Germaniumtransistor beschrieben wurde, so ist doch das Verfahren nach der Erfindung allgemein für die Herstellung Ohmscher, nicht injizierender Anschlüsse an Germanium geeignet. Der nicht injizierende Kontakt kann somit sowohl für eine Diode als auch für einen Transistor oder für andere Halbleiterbauelemente benutzt werden. Wegen der extrem kleinen räumlichen Abmessungen der Halbleiterkörper ist es schwierig, die genaue metallurgische Struktur der Legierung in der Ohmschen Kontaktelektrode festzustellen. Die gebildete Legierung ist sehr wahrscheinlich ternär und besitzt möglicherweise eine Gitterüberstruktur. Es wird jedoch festgestellt, daß ein Verständnis der genauen Legierungszusammensetzung für die Ausübung des Verfahrens nach der Erfindung nicht notwendig ist und daß die bestimmten Faktoren zur Erzeugung eines injektionsfreien Kontaktes hier vollständig beschrieben sind, nämlich ein mit Kupfer und Gold im angegebenen kritischen Verhältnis überzogenes Kontaktmaterial. Alle Hinweise deuten darauf hin, daß die vorteilhafte Wirkung eine besondere Funktion des Kupfer-Gold-Verhältnisses ist. Das Verfahren nach der Erfindung ist daher auch auf andere Halbleitermaterialien als Germanium anwendbar.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herstellen einer anlegierten Ohmschen Kontaktelektrode an einem Halbleiterkörper unter Verwendung eines leitenden, mit einer Goldschicht versehenen Trägerkörpers, dadurch gekennzeichnet, daß auf den Trägerkörper zunächst eine Kupferschicht und darauf die Goldschicht aufgebracht werden, deren Gewichtsverhältnis von Kupfer- zu Goldschicht 1:3 oder 1:1 beträgt, und daß dann der Halbleiterkörper auf die Goldschicht aufgebracht wird und anschließend zum Legieren auf eine Temperatur oberhalb des Gold-Kupfer-Halbleitermaterial-Eutektikums erhitzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für den leitfähigen Trägerkörper eine Legierung aus Nickel, Kobalt und Eisen ohne oder mit Mangan bis zu 2% verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß für den Halbleiterkörper Germanium verwendet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kupferschicht mit etwa 12,4 oder 4,0 mg/cm² und eine Goldschicht mit etwa 12,4 mg/cm² verwendet werden.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschrift Nr. 1 004 294;
deutsches Gebrauchsmuster Nr. 1783 827;
österreichische Patentschrift Nr. 190 593;
USA.-Patentschrift Nr. 2 829 432.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen