DE1236082B - Verfahren zur Herstellung eines Legierungskontaktes an einer duennen Oberflaechenschicht eines Halbleiterkoerpers - Google Patents

Description

DEUTSCHES JmWvSSSl· PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Deutsche KL: 21 g -11/02

Nummer: 1236 082

Aktenzeichen: W 32310 VIII c/21 g

J 236 082 Anmeldetag: 23.Mail962

Auslegetag: 9. März 1967

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Legierungskontaktes an einer dünnen Oberflächenschicht eines Halbleiterkörpers, bei dem das Legierungsmaterial auf den erhitzten Körper aufgedampft wird und der Körper anschließend auf eine Temperatur oberhalb der elektischen Temperatur von Legierung- und Halbleitermaterial und unterhalb seiner Schmelztemperatur erhitzt wird.

Bei der Herstellung von Transistoren mit sogenannter diffundiertes Basis wird in bekannter Weise eine n-Basisschicht in einen p-Germaniumkörper eindiffundiert. Anschließend werden zwei üblicherweise parallele Streifen durch aufeinanderfolgendes Verdampfen von Aluminium und Gold durch eine Öffnung in einer Maske auf der Basis niedergeschlagen. Nachdem das Aluminium verdampft ist, wird die Temperatur des Germaniumkörpers über den elektischen Schmelzpunkt erhöht. Es entsteht ein legierter Emitterkontakt mit einem pn-übergang. Anschließend wird Gold verdampft, auf der Basis niedergeschlagen, und die Temperatur wird über den eutektischen Schmelzpunkt erhöht, wobei sich ein legierter Ohmscher Basiskontakt bildet.

Wegen der geringen Abmessungen der Streifen und der geringen Dicke der Basisschicht bringt dieses Verfahren schwierige Probleme mit sich. Die Steuerung der Legierungstemperatur für die Streifen ist dabei besonders kritisch. Es ist bisher notwendig gewesen, die Temperatur von einem konstanten Wert relativ schnell auf einen Spitzenwert zu erhöhen und dann schnell zu verringern. Dann besteht immer die Gefahr, den Spitzenwert zu überschreiten oder die Temperatur zu lange auf dem Spitzenwert zu halten. Als Folge davon neigt das niedergeschlagene Metall dazu, die Basisschicht an einer oder mehreren Stellen zu durchbrechen, so daß im Fall des Emitterkontaktes der Emitter-Kollektor-Übergang des Transistors kurzgeschlossen wird. Andererseits zeigt sich häufig auch eine Kraterbildung, d. h. ein oder mehrere nicht benetzte Bereiche, die völlig frei von Aluminium sind. Das führt zu einer schlechten elektrischen und mechanischen Verbindung. Ähnliche Probleme treten im Fall des Goldstreifens auf. Das Problem einer Durchbrechung der Basisschicht ist hier jedoch nicht so schwierig, da nur eine relativ kleine Metallmenge in dem Basiskontakt verwendet wird. Die erläuterten Umstände führen dazu, daß sehr viele Ausfälle während des Herstellungsverfahrens auftreten.

Es ist auch bekannt, zur Bildung eines pn-Übergangs bei einem Halbleiterkörper eine Legierungs-Verfahren zur Herstellung eines
Legierungskontaktes an einer dünnen
Oberflächenschicht eines Halbleiterkörpers

Anmelder:

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

Vertreter:

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

Als Erfinder benannt:
John Llewellyn Winkelman,
Reading, Pa. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 8. Juni 1961 (115 663) --

schmelze aus dem Halbleitermaterial und einem Akzeptor- oder Donatormaterial in Form eines Tropfens auf die Oberfläche des Halbleiterkörpers aufzubringen. Beim Abkühlen bilden sich Kristalle, die auf den Halbleiterkörper aufwachsen und einen pn-übergang auf dessen Oberfläche erzeugen. Eine Legierung der Schmelze mit dem Halbleiterkörper findet dabei nicht statt, und es ist auch nicht an eine Abscheidung aus dem dampfförmigen Zustand gedacht worden.

Die Verdampfung und Abscheidung aus dem dampfförmigen Zustand ist für eine Vielzahl von Materialien an sich bekannt. Es ist auch bekannt, je ein Element aus der dritten und fünften Gruppe des periodischen Systems der Elemente gleichzeitig aus dem dampfförmigen Zustand abzuscheiden, um sogenannte III-V-Verbindungen herzustellen.

Es ist auch bereits ein Verfahren zur Herstellung von Kristalloden bekannt, bei dem ein Legierungsmaterial, beispielsweise Indium, auf Trägerplättchen aufgeschmolzen und in Kontakt mit dem gleichen Halbleitermaterial gebracht wird, aus dem der Halbleiterkörper besteht, an den später anlegiert werden soll. Bei erhöhter Temperatur sättigt sich das Legierungsmaterial mit dem Halbleitermaterial. Bei diesen bekannten Verfahren handelt es sich nicht um die

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Herstellung eines Legierungskontaktes an einer dünnen Oberflächenschicht eines Halbleiterkörpers. Außerdem werden bei einem derartigen Verfahren zur Einlegierung einer Verunreinigung üblicherweise nur Spuren der Verunreinigung benutzt.

Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, das eingangs erläuterte Verfahren zur Herstellung eines Legierungskontaktes an einer dünnen Oberflächenschicht eines Halbleiterkörpers, bei dem das Legierungsmaterial auf den erhitzten Körper aufgedampft wird und der Körper anschließend auf eine Temperatur oberhalb der eutektischen Temperatur von Legierungs- und Halbleitermaterial und unterhalb seiner Schmelztemperatur erhitzt wird, zu verbessern. Es sollen solche Kontakte unter weniger kritischen Bedingungen und mit verbesserten elektrischen mechanischen Eigenschaften hergestellt werden.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe empfiehlt die Erfindung, daß das Legierungsmaterial mehr als 15% Halbleitermaterial derselben Art wie das Material des Körpers und wenigstens 50°/o Kontaktmetall enthält. Es kann dann die Legierungstemperatur für eine bestimmte Zeitspanne aufrechterhalten werden, ohne daß unerwünschte Nebenwirkungen auftreten. Insbesondere wird die kritische Temperaturspitze vermieden, und die Anforderungen an die Temperatursteuerung werden weitgehend verringert. Es läßt sich eine hohe Qualität bei guter Ausbeute mit guten elektrischen und mechanischen Eigenschaften durch gleichförmiges Legieren erreichen. Des weiteren wird die Tiefensteuerung und die Bildung eines gleichförmigen Übergangs verbessert. Durchbrüche des Legierungsmaterials durch die dünne Basisschicht sind verhindert. Nach der vorliegenden Erfindung hergestellte Transistoren haben daher eine höhere Verstärkung und eine bessere Reproduzierbarkeit ihrer elektrischen Eigenschaften.

Das Verfahren nach der Erfindung läßt sich auch bei Dioden und auch in Verbindung mit Silizium und anderen Halbleitermaterialien und bei verschiedenen Verunreinigungen anwenden. Es kommen außerdem verschiedene Kontaktmetalle in Frage.

Es besteht auch die Möglichkeit, Masken zu verwenden, mit denen gleichzeitig viele Transistoren auf einer Halbleiterscheibe erzeugt werden. Die Scheibe wird dann später auseinandergeschnitten.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Zeichnungen noch näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 schematisch eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,

F i g. 2 einen Halbleiterkörper mit einem nach einem bekannten Verfahren gebildeten legierten Emitter,

F i g. 3 einen Halbleiterkörper mit einem gemäß der Erfindung gebildeten legierten Emitter,

F i g. 4 einen Halbleiterkörper mit einem Emitter, der eine Kraterbildung aufweist,

F i g. 5 einen Halbleiterkörper mit einem gemäß der Erfindung legierten Emitter,

F i g. 6 ein Diagramm für die Temperatur in Abhängigkeit von der Zeit bei bekannten Verfahren,

F i g. 7 ein Diagramm für die Temperatur in Abhängigkeit von der Zeit nach der Erfindung.

Gemäß F i g. 1 enthält die Vorrichtung zur Bildung von streifenförmigen Legierungskontakten auf einer einkristallinen Germaniumscheibe 10 eine Verdampfungsvorrichtung 11, die innerhalb einer Glasglocke 12 eingeschlossen ist, und eine Heizeinrichtung 13

für die Charge mit Leitungen 14, die an eine nicht dargestellte Stromquelle anschließbar sind. Eine Wärmequelle 15 wird durch eine Regeleinrichtung 16 für die Temperatur der Vorrichtung 11 und der davon abhängigen Temperatur der Germaniumscheibe gesteuert. Ein Thermoelement 20 mißt die Temperatur der Vorrichtung 11 und steuert die Einrichtung 16.

Es wird angenommen, daß die Scheibe 10 gemäß F i g. 1 aus mit Indium dotiertem Germanium besteht, d. h. p-leitfähig ist, und eine diffundierte n-Basisschicht aufweist, die durch Dampf-Festkörperdiffusion von Arsen oder Antimon in die Oberfläche der Scheibe unter Verwendung eines Trägergases erhalten wird. Die Scheibe kann eine solche sein, bei der die Dotierung des Germaniums mit dem Indium während des Kristallwachsvorganges stattfindet. Zur Ausführung des Verfahrens wird die Scheibe 10 auf der Vorrichtung 11 angeordnet. Die Abstandsstücke 17 werden auf der Scheibe so angeordnet, daß der Aluminium-Emitterstreifen 18 und der Gold-Basisstreifen 19 auf der Scheibe in derselben Vorrichtung durch aufeinanderfolgende Verdampfungs- und Legierungsschritte in bekannter Weise hergestellt werden können. Die Maske 21 hat eine öffnung 22, die oberhalb der Abstandsstücke liegt. Ein Abstandsstück 23 ist oberhalb der Maske 21 angeordnet. Mit Hilfe einer geeigneten Einrichtung kann die Anordnung durch Ausübung von Druck auf das Abstandsstück 23 festgelegt werden.

Danach wird eine Germaniummenge desselben Leitfähigkeitstyps wie die Scheibe und vergleichbar großem spezifischen Widerstand ausgewählt. Die Menge wird dadurch gereinigt, daß sie zuerst in etwa 10 cm³ Flußsäure für fünf Minuten eingebracht, dann in Wasser gespült, in reines Aceton eingetaucht und schließlich in Luft getrocknet wird. Das so behandelte Material wird in geeignete Stücke zum Einbringen in die Verdampfungseinrichtung 13 gebrochen. Es können auch kleine Mengen von Germanium wie angegeben behandelt und direkt in dem Verdampfungsprozeß verwendet werden.

Zur Vorbereitung der Aluminiummenge wird ein Stück eines Aluminiumdrahtes ausgewählt, der mittels Trichloräthylen und Aceton gereinigt, dann trocken geblasen und für eine Minute in einer 10°/oigen Natriumhydroxydlösung geätzt wird, wonach das Aluminium mit Wasser gespült wird. Der Draht wird in eine geeignete Form für die Verdampfungseinrichtung gebogen, und vor dem Einbringen wird der Reinigungsvorgang zweckmäßig wiederholt.

Der Prozentsatz des zum Aufdampfen verwendeten Germaniums und Aluminiums kann sich innerhalb eines großen Bereiches ändern. Ein Gewichtsprozentbereich von etwa 15% Germanium und 85% Aluminium bis etwa 50% Germanium und 50% Aluminium ist zweckmäßig. Der Ertrag erscheint besonders gut zu sein, wenn die Bestandteile etwa 25 Vo Germanium und 75 % Aluminium sind. Es ist wichtig, daß in diesem Bereich der eutektische Punkt des Systems Germanium-Aluminium liegt. Wenn der Prozentsatz des Germaniums unter 15% kommt, beginnen die beschriebenen unerwünschten Zustände wegen des Überwiegens von Aluminium aufzutreten. Andererseits, wenn der Prozentsatz des Germaniums 25% zu übersteigen beginnt, tritt im Betrieb ein Serienwiderstand im Emitterkontakt des Transistors auf, der unerwünscht sein kann.

Claims (4)

Nachdem das Material in die Heizeinrichtung 13 eingesetzt wurde, wird die Glasglocke 12 evakuiert. Der Heizstrom fließt dann genügend lange durch die Heizeinrichtung, um die Materialien vollständig zu verdampfen und das Aluminium und Germanium in Partikelform durch die Maske auf den Basisbereich der Scheibe niederzuschlagen. Die Temperatur der Vorrichtung 11 wird bei etwa 330° C konstant gehalten, dann für das Legieren auf etwa 525° C erhöht und hier vorzugsweise etwa fünf bis zehn Minuten gehalten. Die erhöhte Temperatur wird lange genug aufrechterhalten, um die Bildung eines Emitterstreifens mit den gewünschten elektrischen und mechanischen Eigenschaften sicherzustellen. Die Temperatur wird dann auf den niedrigeren Wert zurückgebracht. Die Legierungstemperatur wurde auf 525° C festgelegt, damit der so legierte Streifen besser den hohen Temperaturen während der nachfolgenden Bearbeitungsschritte widerstehen kann. Tatsächlich kann das Legieren auch bei dem eutektischen Schmelzpunkt von 424° C erfolgen. F i g. 2 zeigt einen legierten Emitter 25, der nach einem bekannten Verfahren in dem Basisbereich 26 eines Halbleiterkörpers 27 gebildet wurde, während F i g. 3 einen legierten Emitter 25 zeigt, der gemäß der Erfindung gebildet wurde. Es ist aus F i g. 2 zu ersehen, daß der p-Ieitende legierte Emitterstreifen einen eingekerbten vorderen Rand und an einem Punkt einen Durchbruch durch den Kollektor-Basis-Übergang 29 aufweist. Andererseits ist aus F i g. 3 zu ersehen, daß ein gleichförmig legierter Emitter in einem Teil des Basisbereiches 26 gebildet wird. Es ist angenommen worden, daß der scharfe Durchbruch oder die Spitzen in der legierten Fläche nach der bekannten Art auf das Bestreben des Aluminiums zurückzuführen sind, Versetzungen in der Gitterstruktur des Halbleiterkristalls zu folgen oder längs ihnen leichter zu legieren. Auf Grund einer eutektischen Verdampfung des Halbleitermaterials und des Metalls treten stabile Gleichgewichtsbedingungen an dem Ansatz der Legierung und gleichförmige Legierungsergebnisse auf. Des weiteren zeigt ein Vergleich der F i g. 4 und 5, daß die in F i g. 4 dargestellte bekannte Form eine Kraterbildung oder Nichtbenetzung durch den AIuminiumstreifen aufweist (Fläche 29), während der Emitterstreifen 25 in Fig. 5, der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gebildet ist, vollkommen homogen ist und den Basisbereich des Halbleiterkörpers vollständig benetzt. F i g. 6 zeigt ein Diagramm für den Temperaturverlauf in Abhängigkeit von der Zeit bei einem bekannten Verfahren zur Bildung eines Aluminiumemitters. F i g. 7 zeigt dagegen den Temperaturverlauf bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Bildung eines Germanium-Aluminium-Emitters, wie oben beschrieben. Die Diagramme lassen erkennen, daß die Temperaturspitze 30 in F i g. 6 durch ein Plateau 31 in F i g. 7 ersetzt ist. Durch die Beseitigung der Temperaturspitze wird der kritische Punkt bei der Temperatursteuerung des Verfahrens vermieden. Die Erfindung ist zwar im Zusammenhang mit der Bildung eines Aluminiumstreifens beschrieben worden, aber es wurde ebenfalls eine bedeutende Verbesserung bei der Bildung eines Gold-Basisstreifens erzielt. Dabei wird mit Antimon dotiertes n-Germanium in der Charge zusammen mit Gold verwendet, um einen Ohmschen Kontakt herzustellen. Außer in Verbindung mit den Aluminium- und Goldstreifen eines diffundierten Basistransistors kann die Erfindung auch allgemein bei Halbleitern Anwendung finden, wenn gleichmäßig legierte Kontaktbereiche mit guten elektrischen und mechanischen Eigenschaften erwünscht sind. Zu dem Emitter- und Basisstreifen und zu dem Kollektorbereich werden bei der Fertigstellung des Transistors geeignete Verbindungen hergestellt, und der Transistor kann auf übliche Weise mit einem Gehäuse versehen werden. In einem praktischen Fall kann eine p-Germaniumscheibe einen spezifischen Widerstand von etwa Vio Ohm-cm2 haben, wobei der Aluminiumstreifen ungefähr 0,0254-0,152 mm groß ist und eine Dicke von etwa 5000 A aufweist. Der diffundierte Basisbereich ist etwa 1 μ dick. Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung eines Legierungskontaktes an einer dünnen Oberflächenschicht eines Halbleiterkörpers, bei dem das Legierungsmaterial auf den erhitzten Körper aufgedampft wird und der Körper anschließend auf eine Temperatur oberhalb der eutektischen Temperatur von Legierungs- und Halbleitermaterial und unterhalb seiner Schmelztemperatur erhitzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Legierungsmaterial mehr als 15 % Halbleitermaterial derselben Art wie das Material des Körpers und wenigstens 50% Kontaktmetall enthält.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Legierungsmaterial 75 %> Kontaktmetall enthält.

3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Halbleitermaterial Germanium und das Kontaktmetall Aluminium ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des Körpers beim Aufdampfen etwa 330° C beträgt und der Körper zum Legieren auf 424 bis 525° C erhitzt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper für etwa 5 bis 10 Minuten auf der Legierungstemperatur gehalten wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Patentschrift Nr. 961 913;

deutsche Auslegeschriften Nr. 1 057 845,
823;

USA.-Patentschrift Nr. 2 802759;

»IRE Transactions-Circuit Theory«, 1956, H. 1, S. 22/25;

»Proc. IRE«, September 1960, S. 1642/1643;
»Bell Lab. Record«, 1958, S. 364/336.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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