DE1190583B - Injektionsfreier Ohmscher Kontakt fuer Halbleiterkoerper - Google Patents
Injektionsfreier Ohmscher Kontakt fuer HalbleiterkoerperInfo
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Description
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
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.)
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 (IB). 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 IB — 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 (4)
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.
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
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Publications (1)
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ID=21774819
Family Applications (1)
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DEW29528A Pending DE1190583B (de) | 1960-03-18 | 1961-02-23 | Injektionsfreier Ohmscher Kontakt fuer Halbleiterkoerper |
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