DE1273497B

DE1273497B - Verfahren zum Aufbringen von extrem duennen, homogenen Metallschichten auf die Oberflaeche von Halbleiterkristallen

Info

Publication number: DE1273497B
Application number: DE1960S0067416
Authority: DE
Inventors: Dipl-Phys Dr Wolfgang Henning; Dipl-Phys Dr Eberha Groschwitz
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1960-03-04
Filing date: 1960-03-04
Publication date: 1968-07-25
Also published as: DE1273497C2

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND DEUTSCHES #Ä PATENTAMT Int. α.:

AUSLEGESCHRIFT

BOIj

Deutsche KL: 12 g-17/34

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

P 12 73 497.3-43 (S 67416)

4. März 1960

25. Juli 1968

Zur Herstellung von Halbleiterbauelementen, ζ. Β. von Hochfrequenztransistoren nach dem Mesaprinzip, oder Gleichrichtern ist es häufig notwendig, dünne Metallfolien zur Erzeugung des Emitter- bzw. Kollektorüberganges einzulegieren. Die hierbei auftretenden Schwierigkeiten bestehen vor allem in der mangelnden Formbeständigkeit und Homogenität der aufgedampften Metallschichten beim Legierungsvorgang. Versuche, das Dotierungsmaterial aufzudampfen und entweder gleichzeitig oder nachträglich unter- oder oberhalb der eutektischen Temperatur einzulegieren, waren wenig erfolgreich, da beim Einlegieren diese Metallfolien, deren Dicke in der Größenordnung von 1μ liegt, zu kleinen tropfenförmigen Teilchen, die wesentlich kleiner als die Aufdampffläche sind, zusammenschrumpfen und eine unerwünschte spitzenförmige Einlegierung des Metalls in den Halbleiterkörper hervorrufen. Außerdem besteht dabei die Gefahr des Durchlegierens durch die äußerst dünne Basiszone eines Transistors.

Diese Nachteile können bei einem Verfahren zum Aufbringen von extrem dünnen, weniger als 10 μ betragenden, homogenen Metallschichten von bestimmter, vorgegebener Formgebung auf hochgereinigte Oberflächen von Halbleiterkristallen, vorzugsweise von Einkristallen, durch Aufdampfen und nachträgliches Einlegieren, vermieden werden, wenn erfindungsgemäß zunächst die gleiche Substanz, aus der der Halbleiterkristall besteht, bzw. bei Verbindungshalbleitern zunächst eine (oder alle) Komponente^) der Verbindung aufgedampft wird (werden), wenn dann mit dem Aufdampfen des aufzubringenden Metalls begonnen wird und wenn während des Aufdampfens die Temperatur des zu beschichtenden Halbleiters unterhalb und danach oberhalb der eutektischen Temperatur gehalten wird.

Durch das Verfahren nach der Lehre der Erfindung werden aber nicht nur die im vorhergehenden genannten Nachteile vermieden, sondern es werden darüber hinaus noch weitere wesentliche Vorteile erzielt. So ist es z. B. als erheblicher Vorteil anzusehen, daß sich die nach der Lehre der Erfindung hergestellten Legierungsstellen sehr gut kontaktieren lassen. Dies war bei den üblichen Verfahren, bei denen unerwünschte Inselbildungen stattfinden, nicht der Fall. Außerdem läßt sich mit Hilfe des Verfahrens gemäß der Erfindung eine sehr gute, eben verlaufende Legierungsfront erzielen. Diese ist für einen einwandfrei arbeitenden Emitter wegen des homogenen Stromlinienverlaufs im Kristall erwünscht. Beim Mesatransistor mit hoher Grenzfrequenz ist eine ebene Legierungsfront wegen der außerordentlich

Verfahren zum Aufbringen von extrem dünnen, homogenen Metallschichten auf die Oberfläche
von Halbleiterkristallen

Anmelder:

Siemens Aktiengesellschaft, Berlin und München,

8000 München 2, Witteisbacherplatz 2

Als Erfinder benannt:
Dipl.-Phys. Dr. Eberhard Groschwitz,
Dipl.-Phys. Dr. Wolf gang Henning,
8000 München

dünnen Basisschicht, deren Dicke in der Größenordnung von 1 bis 2 μ liegt, notwendig. Für optimale elektrische Eigenschaften von Halbleiterbauelementen sind diese Vorteile von entscheidender Bedeutung.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß die aufgedampfte Schicht nicht notwendigerweise kristalline Struktur haben muß, sondern auch quasikristalline oder sogar amorphe Struktur besitzen kann. Im Gegensatz zu einer unbedampften Halbleiteroberfläche ist bei der durch die Vorbedampfung erhaltenen Oberfläche die Möglichkeit gegeben, die Oberflächenspannung der später aufgedampften Metallfolien so, und zwar in einem erheblichen Maß zu beeinflussen, daß die Metallfolien beim Einlegieren nicht mehr in sich zusammenschrumpfen, sondern homogen an der gesamten Halbleiteroberfläche haften. Auf diese Weise wird erreicht, daß die Adhäsionskräfte zwischen den Metallfolien einerseits und der Halbleiteroberfläche andererseits gegenüber der die Inselbildung bewirkenden Oberflächenspannung des Metalls überwiegen.

Man geht dabei so vor, daß man das Aufdampfen der Halbleitersubstanz entsprechend der Formgebung der aufzubringenden Metallschichten vornimmt. Die Durchführung des Aufdampfverfahrens kann in verschiedenerweise erfolgen. So kann beispielsweise beim Einsetzen des Aufdampfens mit Metall das

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Aufdampfen der Halbleitersubstanz in einem bestimmten konstanten oder variierten Verhältnis fortgesetzt werden. Ebenso können die Partialdrucke der Komponenten, die bei der Bedampfung anwesend sind, während des Bedampfungsvorganges variiert werden. Dies kann z. B. in der Richtung geschehen, daß der Anteil der Metallatome, während des Aufdampfvorganges vergrößert wird. Kommt ein Halbleitermaterial zur Anwendung, das etwa den gleichen Dampfdruck wie das aufzubringende Metall besitzt, so wird die Menge der aufgedampften Halbleitersubstanz auf einen Wert nahe Null herabgesetzt.

Der Bedampfungsvorgang kann beispielsweise in einer Edelgasatmosphäre vorgenommen werden, oder aber es kann während des Bedampfungsvorganges, zumindest zeitweise, Sauerstoff in geringen Mengen zugeführt werden.

Außerdem können der Dampfphase während des Bedampfungsvorganges geringe Mengen von katalytisch wirksamen Edelmetallen zugesetzt werden, ao Eine weitere Möglichkeit ist darin zu sehen, daß der Gasatmosphäre während des Aufdampfvorganges in Gasform vorliegende dotierende Spurelemente zugesetzt werden. Hierzu zählen beispielsweise bei Verwendung von Germanium als Halbleitergrundmaterial Antimon, Aluminium oder Indium. Bei Verwendung von Silicium als Halbleitergrundmaterial bieten sich als dotierend wirkende Zusätze Aluminium oder Antimon an. Kommen als Halbleitergrundmaterial halbleitende Verbindungen, wie beispielsweise A₁₁₁B _v-Verbindungen zur Anwendung, so können die Komponenten unabhängig von ihrem stöchiometrischen Verhältnis aufgedampft werden.

Das Verfahren nach der Lehre der Erfindung ist im besonderen dazu geeignet, eine oder mehrere, beispielsweise 1μ starke Metallschichten als kleine Flächen in der Größenordnung von z. B. 0,1 X 0,2 mm auf einen Halbleiterkristall aufzubringen.

Dieses Verfahren ist nicht nur darauf beschränkt, Metallschichten zu erzeugen, die bei Halbleiterbauelementen mit Sperrschicht Verwendung finden, sondern es können darüber hinaus Metallschichten erzeugt werden, die keine Sperrschicht zwischen dem einlegierten Metall und dem Halbleitergrundkristall hervorrufen, wie sie beispielsweise bei der sperrfreien Kontaktierung erforderlich sind.

Das Verfahren nach der Lehre der Erfindung eignet sich besonders zum Herstellen von Schichten aus schwer oder nicht oxydierenden Edelmetallen, z. B. Gold oder Silber, auf Halbleitergrundkristallen.

Mit besonderem Vorteil läßt sich das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen von Transistoren nach dem Mesaprinzip anwenden, bei dem eine ohmsche Kontaktfläche neben einer nichtohmschen Kontaktfläche auf der gleichen Halbleiteroberfläche aufgebracht ist, wobei der Abstand zwischen den Kontaktflächen in der Größenordnung von 5 μ liegt.

Erstes Ausführungsbeispiel

Auf einen auf eine Temperatur von 370° C aufgeheizten Germaniumriegel werden zunächst 20 mg Germanium aufgedampft. Daran anschließend erfolgt eine Bedampfung mit einem Gemisch, das aus 100 g Aluminium und 10 mg Germanium besteht. Nach Abschluß des Aufdampfvorganges werden die Aufdampfschichten bei 450° C einlegiert. Legierungsdauer beträgt bei dieser Temperatur etwa 1 Minute. Während des Aufdampfungsvorganges wird im Reaktionsgefäß ein Vacuum von 2-10~⁵ Torr aufrechterhalten. Der Abstand zwischen Verdampfungsquelle und Germaniumriegel betrug im vorliegenden Fall 7,5 cm; die dabei erhaltene Schichtdicke insgesamt 0,6 bis 0,8 μ.

Zweites Ausführungsbeispiel

Auf einen auf eine Temperatur von 300° C erhitzten Germaniumriegel werden 120 mg Germanium aufgedampft. Daran anschließend werden 120 mg Gold auf die zuvor mit Germanium bedampfte Oberfläche aufgedampft. Nach Abschluß des Aufdampfvorganges werden die aufgedampften Schichten Minuten lang bei 400° C einlegiert. Der Abstand zwischen Verdampfungsquelle und Germaniumriegel betrug ebenfalls 7,5 cm; das im Reaktionsgefäß aufrechterhaltene Vacuum 10~⁵ Torr. Bei diesem Ausführungsbeispiel wurde eine Gesamtschichtdicke von 0,2 bis 0,3 μ erreicht.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Aufbringen von extrem dünnen, weniger als 10 μ betragenden, homogenen Metallschichten von bestimmter, vorgegebener Formgebung auf hochgereinigte Oberflächen von Halbleiterkristallen, vorzugsweise Einkristallen, durch Aufdampfen und nachträgliches Einlegieren, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst die gleiche Substanz aus der der Halbleiterkristall besteht bzw. bei Verbindungshalbleitern zunächst eine (oder alle) Komponente(n) der Verbindung, aufgedampft wird (werden), daß dann mit dem Aufdampfen des aufzubringenden Metalls begonnen wird und daß während des Aufdampfens die Temperatur des zu bedampfenden Halbleiters unterhalb und danach oberhalb der eutektischen Temperatur gehalten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufdampfen der Halbleitersubstanz entsprechend der Formgebung der aufzubringenden Metallschichten vorgenommen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Einsetzen des Aufdampfens mit dem Metall das Aufdampfen der Halbleitersubstanz in einem bestimmten konstanten oder variierten Verhältnis noch fortgesetzt wird.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Partialdrucke der Komponenten, die bei den Bedampfungsvorgängen anwesend sind, während der Bedampfung variiert werden.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil der Metallatome während des Aufdampfvorganges vergrößert wird.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Halbleitermaterial, das etwa den gleichen Dampfdruck wie das aufzubringende Metall besitzt, die Menge der aufgedampften Halbleitersubstanz auf einen Wert nahe Null herabgesetzt wird.

7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Bedampfungsvorgang in einer Edelgasatmosphäre vorgenommen wird.

8. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß während des Bedamp-

fungsvorganges mindestens zeitweise geringe Mengen Sauerstoff zugeführt werden.

9. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Dampfphase während des Bedampfungsvorganges geringe, katalytisch wirksame Mengen von Edelmetallen zugesetzt werden.

10. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasatmosphäre während des Aufdampfvorganges in Gasform vorliegende dotierte Spurenelemente zugesetzt werden.

11. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung von Verbindungshalbleitern als Halbleitergrundmaterial die Komponenten unabhängig von ihrem stöchiometrischen Verhältnis aufgedampft werden.

12. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine Metallschicht, deren Dicke in der Größenanordnung von 1 μ liegt, aufgedampft wird.

13. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß eine Metallschicht in Form einer oder mehrerer kleiner Flächen in der Größenordnung von 0,1 X 0,2 mm aufgedampft wird.

14. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß eine Metallschicht ohmisch und eine Metallschicht nichtohmisch nebeneinander mit einem Abstand von etwa 5 μ auf die gleiche Seite der Halbleiteroberfläche aufgedampft werden.

In Betracht gezogene Druckschriften:
USA.-Patentschrift Nr. 2 802759.