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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Vakuumaufdampfen einer Metallschicht,
insbesondere aus Gold, vorzugsweise zur Herstellung eines Kontaktes, eines gleichrichtenden
Halbleitermetallkontaktes oder von Ätzmaskierungen, auf einem Halbleiterkörper,
insbesondere aus Silizium.
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Es sind bereits Verfahren bekanntgeworden, bei denen der Metallkontakt
durch Aufdampfen einer Metallschicht in einem Gasdruck von höchsten 10-4 bis 10-5
Torr hergestellt wird. Diese Art der Herstellung von Metallkontakten ist insbesondere
bei Mesatransistoren und Planartransistoren üblich, bei denen der Emitter- und der
Basiskontakt auf diese Weise hergestellt werden. Der Emitterkontakt besteht dabei
meist aus Aluminium und der Basiskontakt aus Gold.
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Es ist ein Nachteil des bekannten Kontaktierverfahrens, daß die Aufdampfschichten
bei der Ätzung leicht abblättern und auch mechanisch sehr empfindlich sind. Wenn
man in üblicher Weise zur Verbesserung der Haftfestigkeit und der elektrischen Eigenschaften
die Aufdampfschicht einlegiert, so zieht sie sich meist zu Tröpfchen zusammen und
legiert sich mit einer einige Mikrometer dicken Schicht des Halbleiterkörpers, so
daß nur dickere Kristallzonen in dieser Weise kontaktiert werden können. Außerdem
werden oft die elektrischen Eigenschaften des Halbleitermaterials und gegebenenfalls
der Passivierung durch die Temperaturbehandlung günstig beeinflußt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Weg aufzuzeigen,
eine Metallschicht, insbesondere aus Gold, vorzugsweise zur Herstellung eines Kontaktes,
eines gleichrichtenden Halbleitermetallkontaktes oder von Ätzmaskierungen, auf eine
blanke, zerstörungsfreie Halbleiteroberfläche, insbesondere aus Silizium, mechanisch
und chemisch widerstandsfähig im wesentlichen bei Zimmertemperatur im Vakuum aufzudampfen.
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Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art
erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwischen dem Halbleiterkörper und der Verdampfungsquelle
mindestens während des Beginns des Bedampfungsvorganges zur Beschleunigung des ionisierten
Anteils der verdampfenden Metallatome in einem elektrischen Feld eine so hohe elektrische
Spannung angelegt wird, daß der zu bedampfende Halbleiterkörper an seiner Oberfläche
durch die Energie des beschleunigt auftreffenden Anteils der verdampfenden Metallatome
bis zur Legierungsbildung mit dem aufdampfenden Metall erhitzt wird.
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Als besonders vorteilhaft hat sich dabei eine Spannung von mehr als
1000 V, insbesondere von 3000 V, erwiesen.
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Durch Anlegen einer. Spannung zwischen dem zu bedampfenden Halbleiterkörper
und der Verdampfungsquelle ist es möglich, Aufdampfschichten zu erzielen, die sowohl
mechanisch als auch chemisch sehr widerstandsfähig sind. Außerdem wird bei diesem
Verfahren auch vermieden, daß eine zerstörte Oberflächenschicht des Halbleiterkörpers
unterhalb der Kontaktierung vorhanden ist, da im Gegensatz zu bisherigen Kaltkontaktierverfahren
die Halbleiteroberfläche vor dem Bedampfen nicht geläppt werden muß, sondern die
Metällschicht auf die blanke Oberfläche des Halbleiterkörpers aufgebracht werden
kann. Eine zerstörte Schicht unter der Kontaktierung erleichtert die Unterätzung
der Kontakte, z. B. bei der Mesaätzung oder bei anderen Atzvorgängen, und ist deshalb
sehr ungünstig.
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Um einen mechanisch und chemisch widerstandsfähigen Kontakt zu erzielen,
muß weiterhin darauf geachtet werden, daß die zu bedampfende Oberfläche sauber ist
und insbesondere die Oxidschicht vor dem Bedampfen entfernt wird. Dies geschieht
vorteilhafterweise dadurch, daß die zu bedampfende Halbleiteroberfläche unmittelbar
vor dem Bedampfungsvorgang mit Flußsäure behandelt und ohne Spülung mit Lösungsmitteln
od. dgl. mit der Metallschicht bedampft wird. Eventuell auf der Oberfläche verbleibende
Säuretropfen werden vor dem Bedampfen mit einem Filterpapier oder durch Abschleudern
entfernt. Die dünne, z. B. durch Wasserspülung entstandene Oxidschicht kann auch
durch Flußsäuredampf (HF-Gas) oder durch Sandstrahlen entfernt werden, Behandlung
mit Flußsäuredampf kann vor allem in den Fällen vorteilhaft sein, in welchen eine
teilweise mit Glas oder Oxid passivierte Halbleiteroberfläche zu bedampfen ist.
Die Spannung, die gemäß der Erfindung zwischen dem Halbleiterkörper und der Verdampfungsquelle
angelegt wird, kann eine Wechselspannung sein. Es kann aber auch eine Gleichspannung
angelegt werden. Dabei ist es vorteilhaft, diese Gleichspannung so zu polen, daß
der Halbleiterkörper auf negativem Potential liegt, die Bedampfung also unter hoher
negativer Vorspannung des Halbleiterkörpers erfolgt. Die auf die Halbleiteroberfläche
auftreffenden Moleküle und Atome des verdampfenden Stoffes bilden bei entsprechend
hoher Energie der auftreffenden Moleküle eine Mikrolegierung mit dem Halbleiterkörper.
Dieser Vorgang wird besonders dann begünstigt, wenn das verdampfende Metall mit
dem Halbleitermaterial ein niederschmelzendes Eutektikum bildet, wie dies z. B.
bei Gold und Silizium der Fall ist.
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Die nach dem Verfahren gemäß der Erfindung hergestellten Aufdampfschichten
zeichnen sich durch besonders geringe Eindringtiefe aus und können daher sowohl
als Kontaktmaterial als auch als Ätzmaske, insbesondere für äußerst dünne Halbleiterschichten,
z. B. für Diffusionsschichten von einigen 10-5 cm Dicke verwendet werden.
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Die weitere elektrische Verbindung der unter Spannung aufgedampften
Kontakte kann in bekannter Weise etwa durch über benachbarte Passivierungsschichten
hinweg aufgedampfte Leitbahnen erfolgen. In manchen Fällen sind die bekannten Druckkontakte
oder durch Thermokompression befestigte Zuleitungen günstiger. Eine dünne Goldaufdampfschicht
ist fast nicht lötbar, weil sich das Gold in fast jedem geeigneten Lot rasch auflöst.
Man erhält einen gut lötbaren Kontakt mit dem erfindungsgemäßen Verfahren, wenn
man das zuerst unter Spannung aufgedampfte Gold galvanisch oder durch weitere Bedampfung
mit einem anderen Metall, z. B. Silber oder Nickel, verstärkt und dann gegebenenfalls
in gleicher Weise mit einem Lot, z. B. Blei, beschichtet. Auch aus anderen Gründen
kann es vorteilhaft sein, zunächst erfindungsgemäß aufgedampfte Metall. schichten
galvanisch zu verstärken.
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Eine nach dem Verfahren gemäß der Erfindung hergestellte Halbleiteranordnung,
bei der die aufgedampfte Metallschicht als elektrischer Kontakt dient, kann z. B.
nach dem an sich bekannten Mesaprinzip aufgebaut sein. Auf die z. B. mit Antimon
n-dotierte Basiszone werden dabei Aluminium als Emitterkontakt
und
Gold als Basiskontakt aufgedampft. Nach dem Einlegieren entsteht unterhalb des Aluminiumkontaktes
der Emitter-pn-Übergang, während durch das Gold die Basisschicht sperrfrei kontaktiert
wird.
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Nach dem Verfahren gemäß der Erfindung können jedoch auch Halbleiteranordnungen
hergestellt werden, die einen gleichrichtenden Halbleitermetallkontakt aufweisen.
So ist auf diese Weise z. B. die Herstellung von Metall-Halbleiterdioden möglich.
Ob eine erfindungsgemäß unter Spannung aufgedampfte Metallschicht sperrfrei oder
gleichrichtend wirkt, hängt vom Leitungstyp und vom spezifischen Widerstand des
Halbleitermaterials sowie von der Art des aufgedampften Metalls ab. So werden an
ihrer Oberfläche sehr niederohmige Diffusionsschichten durch eine erfindungsgemäße
Bedampfung meist sperrfrei kontaktiert, während z. B. Gold, Silber und einige andere
Metalle auf z. B. n-leitendem Silizium mit einem spezifischen Widerstand von etwa
0,1 Q cm und mehr eine starke Gleichrichterwirkung aufweisen.
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Bei den gemäß der Erfindung hergestellten Metallschichten ist die
Benetzung der Oberfläche des Halbleiterkörpers so gleichmäßig, daß eine aufgedampfte
Edelmetallschicht, z. B. eine Goldschicht, auch als Ätzmaskierung verwendet werden
kann. Es ist dabei besonders günstig, daß nach der Durchführung des Ätzverfahrens
die als Ätzmaskierung dienende Metallschicht ganz oder in Teilen als elektrischer
Kontakt für die Halbleiteranordnung weiterverwendet werden kann. Soll die als Ätzmaske
aufgedampfte erste Metallschicht später nur in Teilen als Kontaktmaterial verwendet
werden, so kann diese erste Metallschicht im Bereich dieser Kontaktflächen mit einer
zweiten metallischen oder nichtmetallischen Schicht z. B. galvanisch oder durch
Bedampfung oder als Fotolack überzogen werden, so daß bei der nachfolgenden Abätzung
der nur als Atzmaske dienenden Teile der ersten Metallschicht die Kontakte geschützt
bleiben.
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Das gemäß der Erfindung vorgeschlagene Verfahren wird im folgenden
an Hand einiger besonders günstiger Ausführungsbeispiele erläutert. Außerdem werden
einige nach dem Verfahren gemäß der Erfindung hergestellte Halbleiteranordnungen
beschrieben.
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Bei dem in F i. g. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel besteht das
Vakuumgefäß aus einem Metallboden 14 und einem Metalldeckel 1, die durch einen Ring
aus Isolierstoff, z. B. Keramik, der mit 11 bezeichnet ist, gegeneinander isoliert
sind. Der Ring 11 aus Isolierstoff sitzt auf einem Ring 12, der z. B. aus einem
Metall besteht, auf. In diesem Gefäß ist eine Öffnung 24 vorgesehen, die an einer
Vakuumpumpe angeschlossen ist. Auf diese Weise wird während des Bedampfungsvorgangs
ein Hochvakuum im Gefäß aufrechterhalten. Der zu bedampfende Halbleiterkörper 2
wird mittels Federn 5 und 6, die in Halterungen 3 und 4 befestigt sind, gegen den
metallischen Deckel l des Reaktionsgefäßes gedrückt. In einem z. B. aus Molybdän
bestehenden Schiffchen 9, das einseitig mit dem Boden 14 des Reaktionsgefäßes elektrisch
verbunden ist, befindet sich das zu verdampfende Metall 10. Mittels der Anschlüsse
15 und 16 kann eine elektrische Spannung zwischen dem Halbleiterkörper und der Verdampfungsquelle
angelegt werden. Weiter ist ein Schirm 7 vorgesehen, der vakuumdicht mit der Halterung
8 durch den Boden des Reaktionsgefäßes 14 hindurchgeführt ist. Dieser Schirm deckt
die zu bedampfende Oberfläche des Halbleiterkörpers gegen die Verdampfungsquelle
ab, so daß diese zunächst erhitzt werden kann, ohne daß die dabei ausdampfenden
Verunreinigungen auf die zu bedampfende Halbleiteroberfläche gelangen. Nach Reinigung
der Metallschmelze kann der Schirm durch entsprechende Drehung entfernt werden und
der Bedampfungsvorgang beginnen.
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Außerdem ist ein weiterer Schirm 13 vorgesehen, der eine Bedampfung
des Isolierrings 11 verhindert, da eine aufgedampfte Metallschicht an dieser Stelle
einen Kurzschluß bewirken würde.
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Beim Ausführungsbeispiel besteht der zu bedampfende Halbleiterkörper
aus Silizium und die Metallschmelze 10 aus Gold. Vor dem Einbau der Halbleiterscheiben
in die Apparatur wird die vom Lappen und/oder Polieren zerstörte Schicht abgetragen.
Die nun blanken Scheiben werden nach einer weiteren Spülung in deionisiertem Wasser
kurz vor der Bedampfung in Flußsäure eingetaucht und dann nicht gespült, sondern
die verbleibenden Säuretropfen mit Filterpapier abgetupft. Die so vorbehandelte
Halbleiterscheibe wird in die Bedampfungsapparatur eingebaut. Mindestens während
des Beginns der Bedampfung des Siliziumkörpers mit dem Gold wird zwischen dem Gehäuseboden
und dem Gehäusedeckel, also zwischen dem Halbleiterkörper und der Verdampfungsquelle,
eine Spannung, z. B. eine Gleichspannung, von -1500 V aufrechterhalten. Um die Siliziumscheibe
mit einer Schicht von 2 bis 4 #t Gold zu bedampfen, enthält das Molybdänschiffchen
91 g Gold, und die Entfernung des Molybdänschiffchens von der zu bedampfenden Oberfläche
beträgt 5 ein. Die Aufheizung des Goldes auf die Verdampfungstemperatur kann z.
B. durch Aufheizung des Schiffchens mittels direktem Stromdurchgang erfolgen, wobei
als Anschlußelektroden Zuführungen 25 und 26 dienen, wobei letztere elektrisch isoliert
durch den Boden geführt ist.
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Gemäß einer anderen Ausführungsform des Verfahrens kann das Aufdampfschiffehen
9 auch mit etwa 3000 V gegen Erde geladen sein und durch die Elektronenstrahlen
einer Glühkathode aufgeheizt werden. Der ionisierte Anteil der verdampfenden Goldatome
trifft dann mit so hoher Energie auf die zu bedampfende Oberfläche der Siliziumscheibe
auf, daß eine Mikrolegierung erfolgen kann. Es kann in manchen Fällen vorteilhaft
sein, durch geeignete Blenden und elektrische und/oder magnetische Felder im Raum
zwischen Verdampfer und Halbleiterkörper mindestens während des Beginns der Bedampfung
nur den ionisierten Anteil des aufdampfenden Metalls auf die Halbleiteroberfläche
gelangen zu lassen. Ebenso kann durch zusätzliche ionisierende Mittel der ionisierte
Anteil des aufdampfenden Metalls erhöht werden. Derartige Vorrichtungen sind aus
der Technik der Massenspektroskopie bekannt.
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Selbstverständlich kann der zu bedampfende Halbleiterkörper auch in
der Mitte der Bedampfungsapparatur angeordnet sein und von beiden Seiten gleichzeitig
bedampft werden. Gleichzeitige Bedampfung der zu kontaktierenden Flächen auf beiden
Seiten ist schon deshalb vorzuziehen, weil anderenfalls bei der Bedampfung einer
Seite die andere Seite durch Öldämpfe od. dgl. verunreinigt werden kann. Dabei empfiehlt
es sich, als Verdampfungsquelle eine Drahtspirale, die durch direkten Stromdurchgang
erhitzt wird, zu verwenden, die mit dem zu bedampfenden Metall beschichtet ist.
Ebenso kann auch ein
einseitig geschlossenes, mit der aufzudampfenden
Metallschmelze gefülltes und mit seiner Öffnung nahezu horizontal auf den Halbleiterkörper
gerichtetes Röhrchen als Verdampfer dienen. Um eine scharfe Begrenzung der aufgedampften
Metallschichten zu gewährleisten, ist es weiterhin zweckmäßig, zwischen der Verdampfungsquelle
und dem zu bedampfenden Halbleiterkörper eine Maske anzuordnen. Dies kann z. B.
auf einfache Weise dadurch geschehen, daß der Halbleiterkörper zusammen mit der
Maske, die z. B. aus einer mit Löchern versehenen Tantalfolie bestehen kann, in
einen Rahmen eingespannt wird. Auf diese Weise wird ein geringer Abstand zwischen
Maske und Halbleiterkörper gewährleistet und dadurch unscharfe Ränder der Aufdampfflecken
vermieden. Beim beiderseitigen Bedampfen des Halbleiterkörpers wird dieser in eine
entsprechend ausgebildete Bedampfungsdoppelmaske eingespannt. Wird bei einer beidseitigen
Bedampfung der Halbleiterkörper so in die Doppelmaske eingespannt, daß die einzelnen
Maskenöffnungen auf den beiden Seiten einander deckungsgleich oder nahezu deckungsgleich
sind, so kann nach dem Bedampfungsvorgang der Halbleiterkörper in ein entsprechendes
Ätzbad eingetaucht werden, bis er an den nicht von der Goldschicht bedeckten Teilen
durchgeätzt ist. Es entsteht dann z. B. eine in F i g. 4 dargestellte Halbleiterdiode,
wenn als Halbleiterkörper eine z. B. eine n-leitende Zone 29 und eine p-leitende
Zone 30 aufweisende Siliziumscheibe verwendet wird, bei der also ein pn-1?bergang
31 parallel zu der bedampften Oberfläche verläuft. Mit 27 und 28 sind
die aufgedampften Metallschichten, also z. B. die Goldschichten, bezeichnet. Sie
dienen bei der fertigen Halbleiteranordnung als elektrischer Anschluß, während des
Ätzverfahrens gleichzeitig als Ätzmaskierung.
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In der F i, g. 2 ist eine Halbleiteranordnung, die als Mesatransistor
ausgebildet ist, dargestellt. Sie besteht in an sich bekannter Weise aus einem Halbleiterkörper
17, der eine Mesa aufweist, die mit 32 bezeichnet ist. Auf der durch Diffusion erzeugten
Basisschicht 18 sind nach dem Verfahren gemäß der Erfindung durch Aufdampfen ein
Aluminiumkontakt 20
und ein Goldkontakt 19 erzeugt. Die Diffusionsschicht
18 ist vom n-Leitungstyp, während der als Kollektorzone dienende Halbleiterkörper
17 p-Leitungstyp aufweist. Durch Einlegieren der Aluminiumsdhicht 20 wird
der Emitter-pn-übergang in der Basiszone 18 erzeugt, während die Goldschicht 19
den Ohmschen Kontakt für die Basiszone bildet.
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In der F i g. 3 ist eine Mesadiode dargestellt, die aus einem Halbleiterkörper
21 des einen Leitungstyps und einer durch Diffusion erzeugten Schicht 22 des entgegengesetzten
Leitungstyps besteht. Die Zone 21
ist mit einem Metallkontakt 33 versehen,
der z. B. auch durch Aufdampfen nach dem Verfahren gemäß der Erfindung hergestellt
sein kann. Der elektrische Kontakt 23 ist durch Aufdampfen von Gold nach dem Verfahren
gemäß der Erfindung hergestellt. Er dient dabei gleichzeitig als Ätzmaskierung bei
der Herstellung der Mesa 34.
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Selbstverständlich ist das vorgeschlagene Verfahren nicht auf die
Anwendung der angegebenen Halbleitermaterialien und Metalle beschränkt, sondern
es können auch andere Halbleitermaterialien, z. B. Germanium oder AIIIBv-Verbindungen
und entsprechende Metalle verwendet werden.