DE1208824B - Verfahren zum Herstellen einer ohmschen metallischen Kontaktelektrode an einem Halbkoerper eines Halbleiterbauelements - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

HOIl

Deutsche KL: 21g-U/02

Nummer: 1208 824

Aktenzeichen: T19883 VIII c/21 g

Anmeldetag: 30. März 1961

Auslegetag: 13. Januar 1966

Die Erfindung beträft ein Verfahren zur Herstellung einer ohmschen metallischen Kontaktelektrode an einem Halbleiterkörper eines Halbleiterbaulements.

In der Halbleiter-Technologie besteht häufig das Problem, an einem Halbleiterkörper eine metallische Kontaktelektrode mit möglichst guten elektrischen Eigenschaften an der Kontaktstelle anzubringen.

So ist es z. B. bekanntgeworden, eine Spitze, die die Kontaktelektrode darstellt, federnd oder auf sonst geeignete Weise an die Oberfläche des Halbleiterkörpers zu drücken, so daß an der Berührungsstelle ein möglichst guter elektrischer Kontakt besteht. Es ist auch bekanntgeworden, eine Vielzahl von kleinen Kontaktpunkten zwischen einer Kontaktelektrode und einem Halbleiterkörper dadurch herzustellen, daß man die Kontaktelektrode gitter- oder geflechtartig ausbildet und mit geeigneten Mitteln gegen die Halbleiteroberfläche drückt. Solche nur angedrückten Verbindungen haben den Nachteil, daß sie zunächst elektrisch gesehen relativ unzuverlässig sind und vor allem mechanisch nicht diejenige Festigkeit haben, die auch nur im entfernten der Festigkeit einer Lötstelle od. dgl. nahe kommt. Es muß außerdem als nachteilig betrachtet werden, daß bei derartigen Halbleiterbauelementen stets eine Einrichtung vorgesehen sein muß, um mit möglichst gleichbleibendem Druck die verschiedenen Kontaktstellen der Kontaktelektrode an die Halbleiteroberfläche zu drücken.

Es ist ferner bekanntgeworden, eine aus einem Leiter bestehende Spitze durch Anwenden von Druck und Wärme mit HiKe einer sogenannten Thermo-Druckverbindung mit einer Halbleiteroberfläche zu verbinden. Diese letztere Verbindung hat den Vorteil sehr guter elektrischer Leitfähigkeit an der Kontaktstelle, aber den Nachteil, daß die Kontaktstelle querschnittsmäßig sehr klein ist und somit für größere Leistungen unbrauchbar ist.

Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, ein Verfahren zu finden, mit dessen Hilfe man eine Kontaktelektrode an einem Halbleiterkörper herstellen kann, die mechanisch fest und elektrisch sehr gut leitend auf möglichst großer Fläche mit dem Halbleiterkörper selbst verbunden ist. Dabei stellte sich als größte Schwierigkeit in den Weg, daß die gebräuchlichen Halbleitermaterialien meist sehr spröde sind und daß aus diesem Grund bei irgendeiner flächenhaften Verbindung eines Leiters mit einem Halbleiterkörper die aus den verschiedenen Temperaturausdehnungskoeffizienten resultierenden Schwierigkeiten überwunden werden mußten.

Die Erfindung betrifft somit ein Verfahren zum Herstellen einer ohmschen metallischen Kontakt-Verfahren zum Herstellen einer ohmschen
metallischen Kontaktelektrode an einem
Halbkörper eines Halbleiterbauelements

Anmelder:

Tektronix Inc., Baeverton, Oreg. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. K.-A. Brose, Patentanwalt,

Pullach (Isartal), Wiener Str. 2

Als Erfinder benannt:

Thomas Boyd Hutchins IV, Baeverton, Oreg.

(V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 21. November 1960
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elektrode an einem Halbleiterkörper eines Halbleiterelements. Dieses Verfahren wird erfindungsgemäß so durchgeführt, daß auf die Oberfläche des Halbleiterkörpers ein Metalldrahtgitter oder -geflecht gelegt wird und. daß dann durch Einwirken von Druck und durch Aufheizen auf eine Temperatur unterhalb der Schmelzpunkte des Drahtgitter- oder -geflechtmaterials und des Halbleitermaterials oder des Eutektikums von beiden Materialien an den Kreuzungsstellen des Metalldrahtgitters oder -geflechtes mechanisch feste Thermo-Druckverbindungen zum Halbleiterkörper ausgebildet werden.

Ersichtlich löst die Erfindung damit die Schwierigkeiten bei der Herstellung von Kontaktelektroden, die dann entstehen, wenn man relativ großflächige Verbindungen benötigt und diese Verbindungen mechanisch fest sein sollen. Dadurch, daß in vernünftigen technologischen Grenzen die Fläche, an welcher das Drahtgitter oder -geflecht gegen die Halbleiteroberfläche gedrückt und in der eben beschriebenen Weise befestigt werden kann, kann man also auch sehr große ohmsche Verbindungen zwischen einer Kontaktelektrode und einem Halbleitermaterial herstellen; d. h. also, daß der Kontaktquerschnitt groß wird und man damit auch hohe Leistungen über die Kontaktstellen übertragen kann.

Bei einer besonders vorteilhaften Weiterbildung des oben beschriebenen Verfahrens kann vorgesehen

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sein, daß auf die dem Halbleiterkörper abliegende Erzeugung sauberer Kontaktflächen zwischen diesen

Seite ein zweiter Körper gelegt wird und in einem Oberflächen und der Oberfläche der Drähte des Gitters

Arbeitsgang gemäß dem oben beschriebenen Ver- 14 geätzt oder auf andere Weise gereinigt. Das Gitter

fahren der Halbleiterkörper mittels des Metallgitters 14 wurde zuvor gereinigt, beispielsweise entfettet

oder -geflechtes mit dem zweiten Körper elektrisch 5 oder geätzt oder beides. Damit die Teile 10 und 12

leitend verbunden wird. Damit besteht praktisch die und das Gitter 14 erhitzt werden können, ist ein Teil 16

Möglichkeit, den zweiten Körper, der sich auf der aus leitendem Metall so angeordnet, daß es mit einem

dem Halbleiterkörper gegenüberliegenden Seite des der Teile 10 oder 12, beispielsweise mit dem Teil 12,

Metallgeflechtes befindet, entweder aus Metall oder in Verbindung steht.

ebenfalls aus einem Halbleitermaterial oder einem io Die beschriebene Anordnung wird dann zwischen

anderen spröden Material zu wählen, so daß eine zwei Platten 18 aus feuerbeständigem, hitzeisolieren-

Möglichkeit besteht, derartige sonst sehr schwierig dem Material gebracht, beispielsweise Aluminiumoxyd

miteinander elektrisch gut zu verbindende Teile zu oder Tonerde. Diese Anordnung wird dann zwischen

verbinden. zwei Metallbacken 20 und 22 gebracht, die einen Teil

Als Halbleitermaterialien kommen zur Anwendung xs einer C-förmigen Schraubzwinge24bilden(s. Fig. 2).

an erster Stelle Silicium und Germanium in Frage, Die Teile 18,10,14,12,16 und 18 werden dann zwischen

weiterhin aber auch Gallium, Arsenmetall, Indium- den Backen 20 und 22 in der aus F i g. 2 ersichtlichen

antimonid, Aluminiumarsenid, -phosphid oder anti- Weise durch Drehen der Spindel 32 eingespannt. Die

monid, Galliumphosphid, Gallium- oder Selentellurid. Zwinge wird dann auf ein Tragteil 26 gesetzt, das auf

Es besteht sogar die Möglichkeit, mit HiKe der Er^ 20 einer Verschlußplatte 28 für eine Glocke 30 ruht,

findung Diamant mit einem Drahtgitter in der eingangs Zwischen den entgegengesetzten Enden des als

beschriebenen Weise elektrisch gut leitend und mecha- Heizung dienenden Leiters 16 und den sich durch die

nisch einigermaßen fest zu verbinden. Ebenso kann Platte 28 erstreckenden Drähten 34 werden die elek-

man Keramikmaterial, Glas oder Quarz mit einer irischen Verbindungen hergestellt und mit einer elek-

solchen Kontaktelektrode aus einem gitterartigen 25 irischen Stromquelle 36 in Reihe mit einem verstell-

Material verbinden. Mit Hilfe der Erfindung kann baren Widerstand 38 geschaltet. Darauf wird die

man beispielsweise zwei verschiedene spröde Halb- Glocke 30 aufgesetzt, wonach ein inertes oder redu-

leiter od. dgl. miteinander mechanisch fest und elek- zierendes Gas durch eine der Röhren 40 eingeführt

irisch gut leitend verbinden. Man kann aber auch ein und die Luft durch die andere Röhre ausgetrieben

Halbleitermaterial über das Metalldrahtgitter oder 30 werden kann, bis die gewünschte Atmosphäre inner-

-geflecht mit einem Metall verbinden. halb der Glocke 30 herrscht.

Als solche Metalle kommen hauptsächlich in Frage: Da der Halbleiterkörper 10, mit dem die Verbindung

Molybdän, Wolfram, Tantal, Eisen, Platin. hergestellt werden soll, aus einem harten, spröden

Besonders vorteilhaft ist das erfindungsgemäße oder zerbrechlichen Material besteht und das feuer-Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterelements, 35 feste Material des Teils 18 ebenfalls ziemlich spröde dessen Halbleiterkörper aus Silicium besteht, dessen sein kann, sollten die in Berührung stehenden Ober-Metalldrahtgitter aus Nickeldraht von etwa 0,05 mm flächen von allen Teilen präzise aufeinanderpassen, Durchmesser besteht und bei welchem auf der dem was beispielsweise dadurch erreicht wird, daß diese Drahtgitter gegenüberliegenden Seite ein Molybdän- Oberflächen durch Schleifen oder Läppen glatt und plättchen fest mit dem Gitter bzw. Geflecht verbunden 4° parallel gemacht wurden. Es ist wichtig, daß die mit ist. ' dem Gitter 14 in Berührung stehenden Oberflächen

Weitere vorteilhafte Einzelheiten der Erfindung der Teile 10 und 12 ebenfalls im wesentlichen parallel

sind in den Unteransprüchen unter Schutz gestellt. zueinander stehen, so daß der auf die verschiedenen

Im folgenden wird die Erfindung unter Hinweis auf kleinen Kontaktflächen des Gitters 14 ausgeübte Druck

die Zeichnung erläutert. In den Zeichnungen zeigt 45 im wesentlichen an allen diesen Kontaktflächen gleich

F i g. 1 einen Querschnitt in stark vergrößertem ist. Die Sehraubzwinge 24 wird so lange angezogen,

Maßstab einer Anordnung zur Herstellung einer bis an den kleinen Kontaktflächen ein relativ hoher

großflächigen Verbindung gemäß der vorliegenden Einheitsdruck herrscht, wobei dieser Druck so hoch

Erfindung, sein kann, daß die mit den Oberflächen der Teile 10

F i g. 2 eine zum Teil schaubildliche Seitenansicht 5° und 12 in Berührung stehenden runden Teile der

einer Vorrichtung, die zur Herstellung einer Groß- Drähte verformt werden. Der somit an jeder der

flächenverbindung gemäß der vorliegenden Erfindung kleinen Kontaktflächen des Gitters herrschende Druck

verwendet werden kann, und ist so gewählt, daß bei einem nachfolgenden Er-

F i g. 3 einen Querschnitt in sehr stark vergrößertem wärmungsvorgang Thermo-Druckverbindungen entMaßstab des entstehenden Produkts. 55 stehen. Der Druck ist so gewählt, daß Thermo-Druck-

In Fig. 1 ist eine Anordnung gezeigt, die ein verbindungen nicht zwischen den anderen Teilen der

erstes Teil 10 aus festem Halbleitermaterial, z. B. Anordnung entstehen können.

Silicium, enthält. Das Silicium kann entweder in Mittels eines durch das leitende Teil 16 von der

reinem Zustand vorliegen oder in Form von dotiertem Quelle 36 her fließenden Stromes werden die mitein-

p- oder η-leitendem Material. Das Teil 10 hat die 60 ander zu verbindenden Teile, nämlich die Teile 10,12

Form einer kleinen Platte. Ein zweites Teil 12 aus und 14 auf eine Temperatur erwärmt, bei der die

festem Material, beispielsweise Molybdän, ist gegen- Thermo-Druckverbindungen erzeugt werden. Man

über dem Teil 10 angeordnet, und ein gewebtes Draht- unterbricht dann den Heizstrom und läßt dann die gitter 14 aus einem geeigneten verformbaren Metall Teile unter Druck und in der Atmosphäre unter der liegt zwischen den Teilen 10 und 12. Die gegenüber- 65 Glocke abkühlen. Danach wird die Glocke abgehoben liegenden Flächen der Teile 10 und 12 sind geläppt und die Schraubzwinge 24 geöffnet. Das endgültige oder poliert oder in anderer geeigneter Weise behandelt, Erzeugnis zeigt die F i g. 3 in stark vergrößertem um ebene, parallele Oberflächen zu erzeugen, und zur Maßstab; es besteht aus den zwei Teilen 10 und 12, die

mit dem Gitter 14 durch eine große Anzahl von kleinflächigen Druckverbindungen 42 zwischen den Flächen der Teile 10 und 12 und den Drähten des Gitters verbunden sind. Es soll dabei festgestellt werden, daß die Drähte im allgemeinen winkelig zu den Oberflächen der Teile 10 und 12 verlaufen, so daß sich kurze biegsame oder nachgiebige Metalldrahtstücke 44 zwischen den Verbindungsstellen 42 ergeben. .

In einem speziellen Beispiel war das Teil 10 eine kleine Siliciumscheibe von 3,17 mm Durchmesser und 0,508 mm Dicke. Das Teil 12 war eine etwas größere Molybdänplatte von annähernd derselben Dicke, und das Teil 16 hatte eine Molybdänstreifen ähnliche Dicke. Das Gitter bestand aus Nickeldraht solcher Maschenweite, daß etwa 150 kleinfiächige Thermo-Druckver- bindungen auf der Fläche von 3,17 mm Durchmesser entstanden. Die Drähte des verwendeten Nickelgitters haben einen Durchmesser von etwa 0,05 mm, so daß die Größe der Drähte des Gitters 14 in der Zeichnung relativ zur Dicke der Teile 10 und 12 übertrieben dargestellt ist, soweit das vorliegende Beispiel betroffen ist. Für das Teil 12, das mit dem Siliciumteil 10 durch das Nickelgitter 14 und die Thermo-Druckverbindungen verbunden ist, wurde Molybdän gewählt, da der Wärmeausdehnungskoeffizient von Molybdän etwa dem des Siliciums gleicht.

Verbindungen der vorbeschriebenen Art können jedoch zwischen Teilen mit beträchtlich größeren Differenzen zwischen deren Wärmeausdehnungskoeffizienten ausgeführt werden, wenn auch die Verbindung um so stabiler ist, je mehr sich die entsprechenden Wärmeausdehnungskoeffizienten einander nähern. Die Drahtabschnitte 44 des Gitters oder Geflechtes kompensieren Unterschiede in der Wärmeausdehnung.

In dem vorstehenden speziellen Beispiel wurde die Anordnung auf 600⁰C in einer Wasserstoffatmosphäre erhitzt und dann in 20 Minuten in dieser Atmosphäre abgekühlt, wonach die Anordnung von Druck entlastet wurde.

Die verwendeten Materialien sollten einen Schmelzpunkt aufweisen, der über 400° C liegt, vorzugsweise aber bei mindestens 1000° C liegt. Das Metall des Gitters kann ebenfalls aus einer großen Anzahl von Metallen ausgewählt werden, deren Schmelzpunkte, wie eben besprochen, genügend hoch liegen. Solche Metalle sind mindestens im geringen Ausmaß dehnbar oder verformbar, so daß sie leicht verformt werden, wenn sie zwischen den beiden zu vereinigenden Teilen gepreßt werden. Dafür kommen beispielsweise noch in Frage: Kupfer, Eisen, Platin, Gold oder Silber. Thermo-Druckverbindungen können abhängig von dem verwendeten Material bei Temperaturen in einem Bereich von etwa 400 bis 1000° C gebildet werden.

Claims (3)

Patentansprüche: 55

1. Verfahren zum Herstellen einer ohmschen metallischen Kontaktelektrode an einem Halbleiterkörper eines Halbleiterbauelements, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Oberfläche des Halbleiterkörpers ein Metalldrahtgitter oder -geflecht gelegt wird und daß dann durch Einwirken von Druck und durch Aufheizen auf eine Temperatur unterhalb der Schmelzpunkte des Drahtgitter- oder -geflechtmaterials und des Halbleitermaterials oder des Eutektikums von beiden Materialien an den Kreuzungsstellen des Metalldrahtgitters oder -geflechtes mechanisch feste Thermo-Druckverbindungen zum Halbleiterkörper ausgebildet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf die dem Halbleiterkörper (10) abliegende Seite des Metalldrahtgitters oder -geflechts eine Platte (12), z. B. aus Metall, gelegt wird und im gleichen Arbeitsgang mit dem Metallgitter oder -geflecht (14) elektrisch leitend verbunden wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zum Aufheizen der miteinander zu verbindenden Teile eines derselben in wärmeleitender Verbindung mit einem durch Widerstandsheizung erhitzten Leiter (16) gehalten wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die miteinander zu verbindenden Teile (10, 14, 12) gegebenenfalls unter Einschluß des zur Heizung dienenden Leiters (16) aufeinandergestapelt und in einer Schraubzwinge (F i g. 2) zusammengedrückt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schraubzwingenbacken (20, 22) über Blöcke (18) aus feuerfestem Material an dem Stapel (10, 14, 12, 16) angelegt werden.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckeinwirkung und/oder die Wärmebehandlung in einer inerten oder reduzierenden Atmosphäre vorgenommen werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Halbleiterkörper (10) aus Silicium, ein Gitter bzw. Geflecht (14) aus Nickeldraht von vorzugsweise 0,05 mm Durchmesser und eine Platte (12) aus Molybdän verwendet werden.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß Halbleiterkörper und die Metallplatte (10, 12) als runde Platten ausgebildet werden, deren Durchmesser groß ist im Verhältnis zur Maschengröße des Gitters bzw. Geflechts (14).

9. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß für den zur Widerstandsheizung verwendeten Leiter (16) ein Molybdänband verwendet wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschrift Nr. 1120 603;
österreichische Patentschrift Nr. 130 102;
schweizerische Patentschrift Nr. 307 776;
USA.-Patentschriften Nr. 1915 221, 2 290 554, 423 870, 2 595 052;
Maschinery, London, 3. August 1950, S. 138.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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