DE1614218C

DE1614218C - Verfahren zum Herstellen einer Kontaktschicht für Halbleiteranordnungen

Info

Publication number: DE1614218C
Authority: DE
Inventors: Rodolphe Calvados Lacal (Frankreich)
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Publication date: 1976-08-26

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Kontaktschicht für Halbleiteranordnungen, wobei die Schicht ein Metall und ein Halbleitermaterial enthält.

Der Begriff »Kontakt« kann in diesem Zusammenhang sowohl einen elektrischen als auch einen mechanischen Kontakt bedeuten. Eine derartige Schicht, die also gegebenenfalls eine elektrische Verbindung bilden kann, kann insbesondere zur Befestigung eines Halbleiterkörpers, ζ. Β. durch Löten, Hartlöten oder Aufschmelzen auf einen Träger oder zur Bildung

eines Kontaktes auf einem diskreten Teil, z. B. auf einer Emitter-, Basis oder Kollektorzone eines derartigen Körpers dienen.

Es ist bekannt (GB-PS 7 40 655), Kontaktschichten aus einer Legierung zu bilden, die z. B. aus einem Metall, das einen Störstoff darstellt, wie Indium, und einem Halbleitermaterial, wie Germanium, besteht. Die Verwendung einer derartigen Legierung als Kontaktschicht ermöglicht es zu verhindern, daß bei Aufschmelzen einer solchen Schicht auf einen Halbleiterkörper eine unerwünscht große Menge des Halbleitermaterials des Körpers in der Kontaktschicht gelöst wird. Mit anderen Worten, durch Verwendung derartiger Kontaktschichten wird deren Eindringtiefe in den Halbleiterkörper verringert.

Weiter ist es bekannt (GB-PS 8 09 877), eine Kontaktschicht aus einer Legierung von Gold mit einem kleinen Gehalt an Germanium oder Silizium herzustellen, wobei die Legierung den Vorteil eines ziemlich niedrigen Schmelzpunktes, einer guten Haftung und ebenfalls einer geringen Eindringtiefe aufweist. Der Nachteil derartiger Legierungen besteht jedoch darin, daß sie sehr spröde sind und sich schwer verarbeiten lassen.

Weiter ist es bekannt (US-PS 27 96 563 und GB-PS 8 33 828), Metallkontaktschichten, wie Gold, auf galvanischem Weg auf einem Substrat niederzuschlagen und dabei zugleich ein Dotierungselement, wie Antimon, gleichfalls auf galvanischem Wege niederzuschlagen. Dazu läßt sich z. B. ein lösliches Salz von Antimon, z. B. Antimonhydrochlorid SbCl₃, verwenden. Dieses Verfahren ist zum gleichzeitigen Niederschlagen von Halbleitermaterial, wie Silizium oder Germanium, im allgemeinen nicht anwendbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Kontaktschichten zu schaffen, die eine geringe Eindringtiefe in den Halbleiterkörper zeigen, die also bei einem Erhitzungsprozeß nur wenig Halbleitermaterial lösen, gleichzeitig aber gute Verarbeitungseigenschaften haben, z. B. also keine allzu große Sprödigkeit haben.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß es in vielen Fällen nicht nötig ist, daß die Kontaktschicht bereits vor dem Zusammenschmelzen mit einem Teil der Halbleitervorrichtung, insbesondere des Halbleiterkörpers, aus einer Legierung besteht und daß es sogar in vielen Fällen nicht notwendig ist, daß sich die Schicht nach dem Anbringen und Zusammenschmelzen in eine Legierung umwandelt. Die Erfindung beruht weiter auf der Erkenntnis, daß Legierungen, die aus einem Metall und einem Halbleitermaterial bestehen, oft unerwünschte mechanische Eigenschaften besitzen. Sie sind insbesondere sehr spröde, was auch für den Fall zutrifft, wenn das reine Metall an sich, das den größten Anteil an der Kontaktschicht hat, duktil ist. Die Duktilität des Metalls wird durch die Lösung schon einer kleinen Menge Halbleitermaterials in diesem Metall stark herabgesetzt. Es wurde auch gefunden, daß, da die gewünschte Menge Halbleitermaterial, das in die Kontaktschicht eingebaut werden muß, im Verhältnis zur Metallmenge oft gering ist, beide Materialien, wenn einmal in zweckmäßiger Weise vereint, jedoch nicht legiert, besondere Vorteile wie sehr nützliche mechanische Eigenschaften aufweisen können.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird dadurch gelöst, daß das Metall als eine zusammenhängende Schicht auf einem Träger abgeschieden wird, während bei diesem Abscheiden Teilchen, die aus Halbleitermaterial bestehen, das mit dem Metall legierbar ist, zugleich abgeschieden werden bei einer Temperatur, die niedriger ist als diejenige, bei der das Metall und das Halbleitermaterial zusammenschmelzen, und die Teilchen dieses Halbleitermaterials mindestens teilweise vom abgeschiedenen Metall eingeschlossen werden. .

Es ist zu bemerken, daß es für die Erfindung nicht wesentlich ist, daß die ganze Kontaktschicht durch

ίο gleichzeitiges Abscheiden von Metall und Halbleitermaterial aufgebaut wird. So kann z. B. zunächst eine dünne Schicht aus Metall und dann gleichzeitig Metali und Halbleitermaterial abgeschieden werden. Danach könnte z. B. wieder reines Metall abgeschieden werden.

Nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung wird die Kontaktschicht auf eine Temperatur gebracht, bei der das Metall mit dem Halbleitermaterial zusammenschmilzt, nachdem sie mit einem anderen Teil der Halbleitervorrichtung in mechanischen Kontakt gebracht worden ist. Dadurch läßt sich zwischen den zu verbindenden Teilen ein guter elektrischer und/oder thermischer Kontakt durch Zusammenschmelzen der erwähnten Kontaktschicht erzielen.

Das Metall wird vorzugsweise auf galvanischem Wege abgeschieden, da sich mit diesem Verfahren sehr reine Metallschichten erzielen lassen, während es nicht schwierig ist, zugleich andere Teilchen, insbesondere nichtmetallische Teilchen, abzuscheiden.

In diesem Fall verhalten sich die Haibleiterteilchen als nichtmetallische Teilchen. Derartige Verfahren, bei denen ein sogenanntes »äußeres« elektrisches Feld verwendet wird, sind an sich bekannt, insbesondere für die Herstellung verschleißfester, selbstschmierender Schichten oder für die Herstellung von Schichten, die besonderen künstlerischen Anforderungen entsprechen müssen (siehe z. B. Tomaszewski, Claus und Brown, »Proc. Am. Electroplaters' Soc«, 50 (1963), S. 169 bis 174). In diesem Fall kann das Niederschlagen der Halbleiterteilchen durch das Auftreten elektrophoretischer Effekte gefördert werden.

Das Metall kann gegebenenfalls auch mit Hilfe eines sogenannten stromlosen Abscheidungsprozesses (elektroless plating), also eines galvanischen Prozesses abgeschieden werden, bei dem kein äußeres Feld verwendet wird. Derartige Prozesse, die auch als »Brenner«-Prozesse bezeichnet werden, sind z. B. von Brenner und Riddel in »Proc. Am. Electroplaters' Soc«, (1946), S. 23 bis 33, und 34 (1947), S. 156 bis 170, beschrieben worden.

Das Metall kann auch auf trockenem Wege, insbesondere durch Aufdampfen oder durch Kathodenzerstäubung auf dem Substrat abgeschieden werden.

Das Abscheiden der Halbleiterteilchen kann durch die Schwerkraft gefördert werden, insbesondere, wenn das Metall ohne Anwendung eines äußeren elektrischen Feldes abgeschieden wird. Dies bietet die Möglichkeit eines selektiven Abscheidens der Halbleiterteilchen, die sich unter dem Einfluß der Schwerkraft vorzugsweise auf waagerechten Flächen absetzen werden, während das Metall, das mit Hilfe der stromlosen Abscheidung abgeschieden wurde, sich gleichmäßig auf allen Flächen abscheiden wird. Wenn die Metallschicht mit Hilfe eines äußeren elektrischen Feldes abgeschieden wird, ist der Einfluß der Schwerkraft auf die Halbleiterteilchen im allgemeinen nahezu vernachlässigbar.

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Das Substrat, auf dem die Kontaktschicht abge- Das abgeschiedene Metall besteht vorzugsweise aus schieden wird, kann aus einem Metall oder einer Le- Gold oder Silber, während die abgeschiedenen HaIbgierung, vorzugsweise einem Metall oder einer Le- leiterteilchen vorzugsweise aus Silizium oder Gergierung mit einem thermischen Ausdehnungskoeffi- manium bestehen.

zienten, der dem Ausdehnungskoeffizienten der üb- 5 Vorzugsweise werden dieses Metall und die Halblichen Halbleiterkörper wie Germanium und Silizium leiterteilchen derart gewählt, daß diese Materialien entspricht, bestehen. Äußerst zweckmäßig sind Sub- ein deutlich hervortretendes Eutektikum bilden, was strate aus Wolfram, Molybdän oder einer aus 54 Ge- bei den obenerwähnten Elementen der Fall ist. Anwichtsprozent Eisen, 28 Gewichtsprozent Nickel und dere bei den erwähnten Halbleitern verwendbare 18 Gewichtsprozent Kobalt bestehenden Legierung. io Metalle sind insbesondere Aluminium, Kobalt und Als Substrat eignen sich weiter insbesondere Nickel, Nickel, die mit Germanium und Silizium ebenfalls Nickeleisenlegierungen oder keramisches Material ein Eutektikum bilden,
wie Aluminiumoxid. Die Erfindung ist nicht auf diese Elemente be-

Das Substrat, auf dem die Kontaktschicht abge- schränkt. Die Halbleiterteilchen brauchen nicht aus schieden wird, kann jedoch auch aus einem Halb- 15 Elementarhalbleitern, wie Silizium oder Germanium, leiterkörper bestehen. Die erwähnte Schicht kann zu bestehen; auch Halbleiterverbindungen, wie GaI-insbesondere auf der Fläche eines solchen Körpers liumarsenid, sind verwendbar insbesondere in Konabgesetzt werden, die dazu bestimmt ist, auf einen taktschichten, die auf aus derselben Verbindung beanderen Träger oder eine andere Unterlage aufge- bestehende Körper aufgeschmolzen werden,
lötet zu werden. Es ist möglich, die Kontaktschicht 20 Die Halbleiterteilchen können sehr klein dimennur auf einem sehr kleinen Teil einer Körperfläche sioniert sein, wobei jedoch nicht notwendig ist, sie abzuscheiden, z. B. in einem Fenster, das in einer die derart zu zerkleinern, daß sie z. B. in einem galvanierwähnte Fläche bedeckenden isolierenden Schicht, sehen Bad ständig dispergiert bleiben wurden. Die insbesondere in einer Oxidschicht, gebildet ist. Auf Dispersion kann nämlich bei Verwendung größerer diese Weise können die Elektroden von Planartran- 25 Teilchen durch Rühren aufrechterhalten werden; grösistoren oder -dioden dadurch gebildet werden, daß ßere Teilchen werden dabei gegen chemische Eindie Schicht nach dem Abscheiden erhitzt und auf den flüsse aus ihrer Umgebung weniger empfindlich sein. Halbleiterkörper aufgeschmolzen wird, wobei dann Die Größe der Teilchen ist vorzugsweise kleiner das Vorhandensein des Halbleitermaterials in der als 5 μίτι, insbesondere kleiner als 1 μτη.
Schicht — auf an sich bekannte Weise — eine Her- 30 Es ist meistens vorteilhaft, wenn die in die abgeabsetzung der Schmelztemperatur herbeiführt und schiedene Metallschicht eingebrachte Menge HaIbaußerdem verhindert, daß sich zu viel Halbleitern^- leitermaterial geringer als die oder gleich der der BiI-terial des Körpers in der Elektrode löst, daß also die dung des erwähnten Eutektikums entsprechenden Eindringtiefe der Elektrode zu groß wird. Dabei ist Menge ist.

es vorteilhaft, daß die Halbleiterteilchen in das Me- 35 Diese Menge kann also innerhalb weiter Grenzen tall der Elektrode eingebaut werden können ohne variieren. Wie im nachstehenden beschrieben wird, Anwendung einer hohen Temperatur oder mechani- kann die Menge so klein sein, daß sie auf analytischer Kräfte, die die Eigenschaften der Vorrichtung schem Wege, z. B. mittels einer spektroskopisch beeinträchtigen könnten. Analyse, nicht mehr festgestellt werden kann, ob-

Es ist zu bemerken, daß in den Fällen, in denen in 40 wohl die größeren der in die Schicht eingebrachten

diesem Zusammenhang vom Abscheiden einer Kon- Halbleiterteilchen durch ein Mikroskop bei einer

taktschicht auf einem Halbleiter- oder einem kerami- mäßigen Vergrößerung von z. B. 500fach sichtbar

sehen Körper die Rede ist, auch ein derartiger Kör- sein können.

per, auf dem sich bereits eine dünne Schicht befindet, Die Schicht muß im allgemeinen mindestens

gemeint sein kann. Diese dünne Schicht kann näm- 45 0,001 Volumprozent, vorzugsweise mindestens 0,01

lieh eine dünne Metallschicht sein, die zur Verbesse- Volumprozent Halbleitermaterial enthalten, damit die

rung des Haftvermögens dienen kann, wie eine Gold- wichtigsten Vorteile der Erfindung verwirklicht wer-

oder eine Nickelschicht, die zuvor auf den Körper den können. Es sind jedoch viel größere Mengen

aufgedampft und durch Erhitzung darin eingebacken ebenfalls verwendbar, wie z. B. solche, die der BiI-

wird. 50 dung einer völlig aus Eutektikum bestehenden Schicht

Obschon die Kontaktschicht im allgemeinen konti- entsprechen. Außerdem ist die Schichtdicke nicht nuierlich mit dem Substrat verbunden ist, kann nach kritisch und wird im allgemeinen geringer sein als die einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ein des Substrats oder des Halbleiterkörpers, mit dem zeitweilig benutztes Substrat verwendet werden, von diese Schicht verbunden werden muß. Es sind die dem die Kontaktschicht anschließend in Form einer 55 gleichen Dicken geeignet, wie sie oben für Metall-Folie entfernt wird. Diese Folie kann durch Walzen, schichten angegeben wurden.

Schneiden, Stanzen oder gleichartige mechanische Es ist in der Halbleitertechnik üblich, den Halb-Verfahren weiterverarbeitet werden. In diesem Fall leitermaterialien und auch Metallen, die Kontakte kann insbesondere der Vorteil auftreten, daß die oder Kontaktschichten bilden, sehr gringe Mengen Duktilität der Folie an erster Stelle durch das in der 60 von Dotierungselementen zuzusetzen. In den Fällen, Kontaktschicht vorhandene Metall bestimmt wird; wo an anderer Stelle von Halbleitermaterialien oder das Vorhandensein des noch nicht gelösten Halb- von Metallen die Rede ist, ist das Vorhandensein solleitermaterials hat dann nur noch einen geringen Ein- eher Dotierungselemente nicht ausgeschlossen. Ein fluß auf die Duktilität. Die unerwünschten mecha- Dotierungselement kann in Form eines Salzes des nischen Eigenschaften der Legierung könnten erst 65 Dotierungsmittels z. B. in ein galvanisches Bad eindann eine Rolle spielen, nachdem die Folie zum geführt werden.

Schmelzen gebracht ist, z. B. während des Aufschmel- Die Erfindung macht es besonders einfach, der

zcns auf einen Halbleiterkörper. Kontaktschicht solche Dotierungselemente zuzuset-

zen, indem diese dem abzuscheidenden Metall und/ oder dem abzuscheidenden Halbleitermaterial zugesetzt werden. Ein Dotierungselement, das sich schwer mit Metallen legieren läßt, ist z. B. Bor. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird mit Bor dotiertes Silizium abgeschieden, indem das Bad mit mit Bor dotierten Siliziumteilchen versehen wird.

Die dotierten Halbleitermaterialteilchen, die nach der Erfindung den Metallen zugesetzt werden, lassen sich insbesondere von Resten von Stäben, die zur Fertigung von Halbleitervorrichtungen gedient haben, oder aus dem beim Zerschneiden der Halbleiterstäbe erhaltenen Abfall herstellen. Das erfindungsgemäße Verfahren schafft somit eine neue Verwendungsmöglichkeit für das von anderer Fertigung von Halbleitervorrichtungen herrührende Abfallmaterial. Dies ist um so vorteilhafter, da sich diese Reste von dotierten Stäben, außer denjenigen von Germanium, nicht leicht zur abermaligen Verwendung reinigen lassen. Dasselbe gilt für Reste von Siliziumstäben.

Die erfindungsgemäße Kontaktschicht wird vorzugsweise auf einen Halbleiterkörper, der aus demselben Material besteht wie das Halbleitermaterial in dieser Schicht, aufgeschmolzen.

Ausführungbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 einen Schnitt durch ein Substrat einer Halbleiteranordnung,

F i g. 2 einen Schnitt durch eine Vorrichtung zum galvanischen Abscheiden von Kontaktschichten auf kleinen Gegenständen, insbesondere auf dem Substrat nach Fig. 1,

F i g. 3 einen Schnitt durch eine Kontaktschicht auf einem Substrat,

F i g. 4 einen Schnitt durch einen auf einer Kontaktschicht befestigten Halbleiterkörper,

F i g. 5 eine Darstellung des Phasendiagramms von Gold und Silizium,

F i g. 6 einen Schnitt durch einen Halbleiterkörper ohne Kontaktschicht,

F i g. 7 einen Schnitt durch einen Halbleiterkörper mit einer Kontaktschicht,

F i g. 8, 9 und 10 Darstellungen der unterschiedlichen Verfahrensstufen beim Abscheiden einer Kontaktschicht in einem Fenster, angebracht in einer Isolierschicht auf einem Halbleiterkörper,

Fig. 11 eine Darstellung der Art und Weise, wie eine dünne Schicht mit Hilfe eines zeitweilig verwendeten Substrats erhalten wird,

Fig. 12 und 13 eine Darstellung zweier Stufen eines Verfahrens zur Befestigung eines Halbleiterkörpers mit Hilfe einer kleinen ausgeschnittenen Platte aus einer dünnen Kontaktschicht (wie in Fig. 11 dargestellt) auf einem Substrat.

Als erstes Beispiel wird das Anbringen einer Kontaktschicht auf einem Substrat, z. B. dem Gehäuseboden oder dem Träger einer Halbleitervorrichtung, beschrieben, die dazu bestimmt ist, den Kristall dieser Vorrichtung zu tragen. Dieses Substrat (F i g. 1) besteht aus einer Nickelscheibe 1, durch die mit Hilfe von Durchführungen 2 eine Anzahl Leiter 3 durchgeführt ist. Die obere Fläche enthält eine Erhöhung 4, auf der ein Halbleiterkörper befestigt werden kann. Auf den Rand 5 kann eine nicht dargestellte Kappe aufgelötet werden.

Eine Anzahl dieser Unterlagen (F i g. 2) wird in eine Galvanisieranlage gebracht, die z. B. aus einer sechswinkligen, aus Isoliermaterial hergestellten gelochten Trommel 10 besteht, die um eine waagerechte Welle 11 drehbar in einem Behälter 12 angeordnet ist. Unten im Behälter ist eine Anode 13 angeordnet, und der Kathodenanschluß geht über die Welle 11 zum Inneren der Trommel 10. Die Antriebsvorrichtung der Trommel ist nicht dargestellt. Die Trommel dreht sich vorzugsweise abwechselnd in der einen und dann in der entgegengesetzten Richtung, um zu verhindern, daß sich die Leiter 3 verwirren. Die kontinuierlich verwendete Galvanisieranlage kann mit Vorteil mit einer Rührvorrichtung 14 versehen werden, um die Dispersion der Halbleiterteilchen aufrechtzuerhalten.

Hinsichtlich der Zusammensetzung des Elektrolyts stellt die Erfindung keine besonderen Anforderungen, es sei denn, er reagiere in störendem Maße mit den Halbleiterteilchen, die darin dispergiert werden müssen. Mit Rücksicht auf die vielen in der Galvanotechnik üblichen Bäder oder Elektrolyte und die Anzahl geeigneter Halbleitermaterialien wird es nicht schwer sein, geeignete Elektrolyte und Halbleitermaterialien für das Galvanisieren zu wählen. Im Prinzip lassen sich die üblichen Elektrolyte verwenden, man soll sich jedoch zuvor durch einen einfachen Versuch davon überzeugen, ob das suspendierte Halbleitermaterial während der gewünschten Behandlungszeit nicht oder wenigstens nicht zu stark angegriffen wird.

Zum üblichen Vergolden der in F i g. 1 dargestellten Unterlage ist ein Bad verwendbar, das pro Liter Wasser enthält:

100 g Ammoniumnitrit (NH₄X₃C₀H₆O₇,
14 g Goldkaliumzyanid [(CN)₂Au] K (68 »/0 Au), 0,5 g pulverisiertes Silizium.

Mit Ausnahme des zugesetzten Siliziums ist das obenstehende Bad ein Standardbad.

Die Temperatur dieses Bades beträgt mit Vorteil 60° C, und die Stromdichte liegt zwischen 5,00 und 8,00 mA/cm².

Es ist vorteilhaft, die Halbleiterteilchen einige Stunden in einer z. B. aus einem Achat hergestellten Kugelmühle zu mahlen, die vorzugsweise eine kleine Menge des nachher zu verwendenden Elektrolyts enthält.

Die Abmessungen der meisten Teilchen sind kleiner als die Dicke der niedergeschlagenen Kontaktschicht von 6 μπι. Die mittlere Größe kann z. B. ungefähr 1 μπι betragen. Das Vorhandensein von Teilchen, die größer sind als 6 μπι, bereitete jedoch keine Schwierigkeiten.

Bezüglich der Stromdichte sei bemerkt, daß dafür beim erwähnten Bad ohne suspendierte Siliziumteilchen ein Wert von 200 mA/cm² üblich ist und daß es gefährlich ist, eine höhere Stromstärke zu verwenden, da sonst »Verbrennungserscheinungen« auf der niedergeschlagenen Schicht auftreten können.

Das Vorhandensein der Siliziumteilchen im galvanischen Bad ist also nicht störend, im Gegenteil, es bietet an sich bereits Vorteile. Auch scheint das Vorhandensein dieser Teilchen eine gewisse Reinigung durch Adsorption herbeiführen zu können, wodurch Filter aus Aktivkohle, die sonst wohl bei galvanischen Bädern verwendet werden, unterbleiben können.

In der Kontaktschicht 20, deren Querschnitt sche-

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matisch in F i g. 3 dargestellt ist, konnten die dick- Temperatur erfordert. Bei Anwendung des erfinsten Siliziumteilchen 21 durch ein Mikroskop mit dungsgemäßen Verfahrens, das als ein »Dispersionseiner Vergrößerung von weniger als 130 mal (lineare Verbindungsverfahren« bezeichnet werden könnte, Vergrößerung) sichtbar gemacht werden. Sie sind fängt die Bildung einer Legierung nicht an drei oder großenteils in der auf der Unterlage 1 befindlichen 5 weniger Stellen an, sondern zugleich an vielen Stel-Goldschicht 22 eingeschlossen. Wie an anderer Stelle len, wo die Halbleiterteilchen in der Schicht disperbeschrieben wurde, kann die Goldschicht 22 eine giert sind. Natürlich werden sich besonders diejenigen Dicke von z. B. 6 μΐη haben, obwohl dünnere Schich- Teilchen am verbesserten Verbindungsverfahren beten mit einer Dicke von 3 μΐη auch sehr gut verwend- teiligen, die sich unter dem an der Kontaktschicht zu bar sind. io befestigenden Halbleiterkörper befinden oder die-Mit der Kontaktschicht wird ein Siliziumkristall- jenigen Teilchen, die dicht an diesem Körper liegen, körper 30, wie in F i g. 4 dargestellt ist, durch Legie- Dies erklärt auch die Tatsache, daß eine Verbesseren verbunden. Die Einzelheiten dieses Körpers, der rung des Verbindungsverfahrens mit Schichten erhalz. B. eine Diode, ein Transistor oder eine integrierte ten worden ist, in denen der Gehalt an im Metall di-Schaltung sein kann, sind für die Enfindung nicht von 15 spergierten Halbleiterteilchen viel niedriger war als wesentlicher Bedeutung. Zur Herstellung dieser Ver- derjenige, der notwendig sein würde, um eine Umbindung wird das Ganze, das aus einem Substrat, Wandlung der ganzen Schicht in eine eutektische Leeiner Kontaktschicht und einem Halbleiterkörper be- gierung zu erreichen; dies erklärt auch den Umstand, steht, einige Sekunden auf eine Temperatur von daß es erwünscht ist, sehr kleine Halbleiterteilchen 410° C in einer nicht oxidierenden oder reduzieren- 20 zu dispergieren.

den Atmosphäre erhitzt; die Erhitzungszeit und die Wenn ein Siliziumkörper mit Hilfe einer Gold-Temperatur sind nicht kritisch, sofern die Unterlage Silizum-Legierung auf bekannte Weise auf ein mit eine Temperatur erreicht, die etwas höher liegt als Gold bedecktes Substrat gebracht wird, ist es vorauszudie eutektische Temperatur. Die verwendete Tempe- sehen, daß diese Legierung beim eutektischen Punkt ratur wird mit Vorteil ungefähr 40° C höher als die 25 (370° C) zu schmelzen anfängt. Wenn nun diese Le-Temperatur des eutektischen Punktes von Gold und gierung jedoch mit dem Silizium einerseits und dem Silizium gewählt. Dieser Unterschied von 40° C ist Gold andererseits zusammenzuschmelzen beginnt, klein im Vergleich zum Unterschied von 155 bis steigt der Schmelzpunkt der dann örtlich gebildeten 190° C, den es gibt, wenn nach einem bekannten Ver- Legierungen schnell, so daß zur Gewährleistung einer fahren ein aus Silizium bestehender Körper mit Hilfe 30 Verschmelzung über die ganze Oberfläche mit höheeiner zuvor hergestellten eutektischen Legierung von ren Temperaturen gearbeitet werden muß. Das in Gold und Silizium bei einer Temperatur von 525 bis F i g. 5 dargestellte Phasendiagramm, das aus dem 560° C anlegiert wird. Nicht nur die Temperatur, son- Werk von Hanse, »Constitution of binary alloys«, dem auch die Zeit der Erhitzung ist wichtig. Aus New York 1958, S. 232, übernommen wurde, zeigt vergleichenden Versuchen stellt es sich heraus, daß 35 die schnelle Steigung dieser Schmelzpunkte,
eine Temperatur von 460° C notwendig ist, wenn man Wenn dagegen die Kontaktschicht aus Metall bez. B. eine Lötzeit von 2 Sekunden als maximal an- steht, das Halbleiterteilchen enthält, die also mit dem nimmt bei Verwendung einer Kontaktschicht aus erwähnten Metall zusammenschmelzen werden, Gold. Wenn eine Goldschicht mit eingebauten SiIi- könnte eine Neigung bestehen, daß dieses Zusamziumteilchen verwendet wird, reicht eine Löttempe- 40 menschmelzen erst oberhalb des eutektischen Punktes ratur von 420° C aus. spürbar wird, aber dann auch schnell und leicht

Eines der Kriterien für eine gute Verbindung ist erfolgt.

die ausreichende Übertragung der im Kristall ent- Bei mikroskopischer Betrachtung eines Schnittes wickelten Wärme zum Substrat hin. Es wurde gefun- durch das erhaltene Produkt finden sich in der Konden, daß die Wärmeübertragung bei einer nach der 45 taktschicht 31 (F i g. 4) außer dem üblichen rekristal-Erfindung hergestellten Vorrichtung sehr gut ist und lisierten Gebiet 32 Einschlüsse oder kleine Inseln 33, wenig Streuung aufweist. Weiter ist die Qualität der die aus Silizium oder einem eutektischen Gemisch Löt- oder Hartlötverbindung zwischen dem Kristall von Gold und Silizium bestehen können oder aus und der Unterlage besser als die von Gold allein. einer Gold-Silizium-Legierung einer anderen Zusam-Ausgezeichnete elektrische Kontakte werden mit 5° mensetzung als der des Eutektikums, die entweder einem niedrigen thermischen Widerstand erhalten. unter dem Halbleiterkörper oder neben demselben Die Möglichkeit einer Verbindung oder Befesti- anwesend sein können. Die Größe dieser Einschlüsse gung von Halbleiterkörpern durch Anschmelzen bei 33 ist nicht nur von der Größe der niedergeschlagerelativ niedrigen Temperaturen bildet in vielen Fäl- nen Siliziumteilchen abhängig, sondern auch von anlen einen wichtigen Vorteil, da die Gefahr von 55 deren Faktoren, z. B. Erhitzungs- und Abkühlungsschädlichen Einflüssen auf den Körper und auf des- Verhältnissen. Derartige Einschlüsse können auch sen Struktur auf diese Weise verringert wird. Der auftreten, wenn ein Halbleiterkörper auf eine ausGrund, daß es möglich ist, bei derartig niedrigen schließlich aus Metall bestehende Kontaktschicht aufTemperaturen zu arbeiten, läßt sich nicht explizit er- geschmolzen wird; sie befinden sich dann ausschließklären, aber untenstehende Erwägungen können in 60 lieh unter dem Körper oder in der unmittelbaren dieser Hinsicht wichtig sein. Umgebung desselben. In einer gemäß diesem AusWenn ein Halbleiterkörper zum Anschmelzen auf führungsbeispiel nach der Erfindung hergestellten eine Kontaktschicht gelegt wird, werden diese beiden Halbleitervorrichtung wird man Halbleitermaterial, Teile, da sie nie vollkommen flach sind, sich anfangs gegebenenfalls in Form von in der ganzen Kontaktan drei Stellen berühren. Die Bildung einer Legierung 65 schicht verbreiteten Einschlüssen, nicht nur in der der beiden Materialien wird sich von diesen Stellen Umgebung des Körpers 30, sondern über die ganze her allmählich ausbreiten, was eine gewisse Zeit, und Oberfläche der Scheibe 1 und sogar unter den um nicht zu langsam zu arbeiten, eine relativ hohe Leitern 3 (Fig. 1) finden. Teilchen des Halb-

leitermaterials oder des Eutektikums werden oft auch nach Erhitzung über die eutektische Temperatur in der Kontaktschicht gefunden. Das Absetzen von Halbleiterteilchen kann jedoch örtlich verhindert werden z. B. durch Maskierung jener Bezirke, wo sie unerwünscht sind, z. B. am Rand 5 (Fi g. 1).

Wenn die Kontaktschicht auf galvanischem Wege mit Hilfe eines äußeren elektrischen Feldes abgeschieden wird, wie in diesem Ausführungsbeispiel, werden die Halbleiterteilchen ganz oder teilweise durch elektrophoretische Phänomene auch abgeschieden werden. Wie bereits an anderer Stelle bemerkt wurde, läßt sich das Metall der Kontaktschicht auch ohne Anwendung eines äußeren Feldes nach einem chemischen Niederschlagsverfahren abscheiden. Eine siliziumhaltige Kontaktschicht kann auf diese Weise hergestellt werden durch Verwendung von Bädern, wie beschrieben im Artikel von de Mi η j er und Brenner in »Plating«, Vol.44, Dezember 1957, S. 1297 bis 1305, wobei den erwähnten Bädern Siliziumteilchen zugesetzt werden. So ist z. B. ein Bad verwendbar, dessen Temperatur zwischen 95 und 100° C liegt und das pro Liter Wasser enthält:

30 g Nickelchlorid (NiCl₂ ■ 6 H₂O),
10 g Natriumphosphat (NaH₂PO₂ · H₂O),
25 g Hydroxyessigsäure (HOCH₂COOH),
1 g suspendiertes Siliziumpulver.

In diesen Fällen lassen sich keine elektrophoretischen Effekte erwarten. Dadurch werden sich die Halbleiterteilchen vorzugsweise auf waagerechten Flächen absetzen. Dies kann vorteilhaft sein in denjenigen Fällen, wo ihre Anwesenheit auf anderen Flächen weniger erwünscht ist. Es dürfte einleuchten, daß es beim galvanischen Niederschlagen unter Anwendung eines äußeren elektrischen Feldes möglich ist, die Arbeitsverhältnisse, d. h. die Lage der Elektrode und des Substrats und die Richtung des Feldes, derart zu bestimmen, daß die Ablagerung vorzugsweise auf einer bestimmten Fläche erfolgt. Selbstverständlich gilt dieser Vorzug sowohl für das Metall als auch für die Halbleiterteilchen. Es ist selbstverständlich möglich, hintereinander ein Verfahren mit einem äußeren elektrischen Feld und ein Verfahren ohne ein äußeres elektrisches Feld oder umgekehrt anzuwenden.

Das Abscheiden von Kontaktschichten auf elektrolytischem Wege zur Herstellung von Halbleitervorrichtungen hat den Vorteil, daß die erhaltene Schicht einen hohen Reinheitsgrad aufweist und daß das Verfahren bei relativ niedriger Temperatur erfolgt. Weiter läßt sich das erfindungsgemäße Verfahren in vielen Fällen mit zu anderen Zwecken bereits vorhandenen Apparaturen durchführen, da den üblichen galvanischen Bädern nur eine geringe Menge Halbleitermaterial in Form von Pulver zugesetzt zu werden braucht. Weiter bietet dieses Verfahren den Vorteil, daß die Verteilung der Halbleiterteilchen über die Metallschicht leicht und effektiv gesteuert werden kann.

Wenn es erwünscht ist, Halbleiterteilchen, die in galvanischen Bädern nicht stabil genug sind, wie AIuminiumphosphide oder Aluminiumarsenide, abzuscheiden, kann das Metall vorzugsweise auf trockenem Wege, ζ. B. durch Aufdampfen oder durch Kathodenzerstäubung, niedergeschlagen werden, während Halbleiterteilchen zugleich oder intermittierend, z. B. durch Gravitation, zur Ablagerung auf die gebildete oder zu bildende Schicht gebracht werden.

Um eine aus Gold und Silizium bestehende Schicht auf einen nur aus Siliziumkristall bestehenden Körper aufzutragen, wird z. B. auf einen aus Silizium bestehenden Körper 40 vorzugsweise eine sehr dünne Goldschicht 41 (F i g. 6) aufgedampft, die durch Erhitzung auf ungefähr 600° C einige Minuten eingebacken wird. Diese Schicht dient zur Verbesserung der Haftung der Kontaktschicht 42 (F i g. 7), die mit Hilfe des bereits beschriebenen Goldbades aufgetragen werden kann und in dem sich Siliziumteilchen 43 (F i g. 7) befinden. Der auf diese Weise erhaltene Körper kann gegebenenfalls nachdem er in kleinere Stücke geschnitten worden ist, auf einem Substrat angebracht werden. Dabei fördert und beschleunigt das Vorhandensein des Siliziums in der Goldschicht sowohl den Fluß und die Haftung der Kontaktschicht bei einer relativ niedrigen Temperatur, und weiter beschränkt es die Siliziummenge, die vom Körper 40 her in der Schicht gelöst wird. Dem Körper 40 kann zuvor eine gewisse Struktur gegeben sein, und er kann z. B. eine integrierte Schaltung oder eine Anzahl derartiger Schaltungen enthalten.

Auf entsprechende Weise kann ein aus Gold bestehender Kontakt in einem Fenster einer auf einem Halbleiterkörper befindlichen Isolierschicht mittels des sogenannten »Planar«-Prozesses angebracht werden.

F i g. 8 zeigt einen N-leitenden Halbleiterkörper 50 aus Silizium, auf dem auf üblichem Wege eine Siliziumoxidschicht 51 mit einem Fenster 52 angebracht ist. Mittels Bordiffusion wird das Silizium unter dem Fenster bis zu einer Tiefe von 30 μΐη in eine P-leitende Zone 53 umgewandelt (F i g. 9).

Nach Aufdampfen einer (nicht dargestellten) dünnen Goldschicht in das Fenster und nach einigen Minuten Erhitzung bei ungefähr 600° C wird auf die bereits beschriebene Weise die Siliziumteilchen enthaltende Kontaktschicht 54 aus Gold in dem Fenster abgelagert. Der Körper 50 ist dann als Kathode (F i g. 10) zu verwenden. Weiter kann eine Ablagerung von Gold oder Silizium auf ungewünschten Stellen durch Anwendung einer Maskierungstechnik verhindert werden.

In diesem Fall kann das Siliziumpulver mit Vorteil zuvor mit Bor dotiert werden. Eine derartige, jedoch mit Antimon dotierte Schicht 55 kann auf der Unterseite 56 des Körpers angebracht werden. Die Schichten 54 und 55 können durch eine kurze Erhitzung auf 410° C auf den Körper aufgeschmolzen werden. In diesem Fall ist es besonders wichtig, daß die gebildete Gold-Silizium-Legierung 54 nicht tief in die sehr dünne Zone 53 eindringt. Dazu kann die Konzentration der Halbleiterteilchen im Metall höher sein als die, welche in einer Schicht zur Verbindung des Halbleiterkörpers mit einem Substrat (F i g. 4) verwendet wird. Da das Eindringen sehr gleichmäßig erfolgen muß, kann es vorteilhaft sein, daß die Siliziumteilchen, die in dieser Schicht abgeschieden werden sehr fein sind und eine regelmäßige Größe aufweisen.

Die Kontaktschicht kann gegebenenfalls auf einem zeitweilig benutzten Substrat abgeschieden werden. Wenn das Metall auf galvanischem Wege abgeschieden wird, ist es möglich, dazu z. B. ein Substrat 60 aus poliertem rostfreiem Stahl zu wählen (wie in

Fig. 11 schematisch dargestellt), von dem sich bekanntlich ein galvanischer Niederschlag leicht entfernen läßt. Es ist auch möglich, ein gläsernes Substrat zu verwenden, das zuvor metallisiert worden ist. Mit Hilfe eines der an anderer Stelle erwähnten Bäder kann darauf die Halbleiterteilchen 62 enthaltende Kontaktschicht 61 abgeschieden werden. Fig. 11 zeigt in einem viel größeren Detail eine Kontaktschicht, deren an der Oberfläche liegende Zonen 63 und 64 auf beiden Seiten der Schicht keine Halbleiterteilchen enthalten, was dadurch erreicht wird, daß am Anfang und am Ende des Vorganges ausschließlich reines Metall abgeschieden wird. Nachdem die Schicht 61 in Form einer Folie vom zeitweilig benutzten Substrat 60 entfernt worden ist, kann sie in kleine Scheiben, Streifen oder Drähte geteilt werden, was ohne Schwierigkeiten erfolgen kann, soweit das reine Metall duktil genug ist. Eine aus Gold mit Siliziumteilchen bestehende Kontaktschicht ist so duktil, daß sich leicht kleine Scheibchen daraus herstellen lassen während es schwierig ist, durch Legierung eine dünne Schicht derselben Materialien zu erhalten und herzustellen.

Von einer auf dieser Weise erhaltenen dünnen Schicht ist es möglich, insbesondere Scheibchen 70 (Fig. 12) zu stanzen, die zwischen einem Halbleiterkörper 71 und einem Substrat 72 angeordnet werden können. Durch kurzzeitige Erhitzung kann das Ganze (Fig. 13) miteinander verbunden werden. Im allgemeinen werden viele am Anfang vorhandenen Halbleiterteilchen 62 während dieser Behandlung gelöst und führen die Bildung von Einschlüssen 73 herbei, die aus einer Gold-Silizium-Legierung bestehen.
Es war in erster Linie die Rede von Kontaktschichten, die aus Gold und Silizium bestehen, weil Siliziumkörper sehr oft in Halbleitervorrichtungen verwendet werden und weil auch Gold häufig sowohl als Kontakt auf dem Silizium als auch zur Bedeckung gewisser Teile, z. B. der Hüllen der Träger von HaIbleiterkörpern, der Stromabnehmer für die Elektroden und ähnliches, verwendet wird. Die Erfindung ist aber nicht auf diese Kombination von Materialien beschränkt.

In der nachstehenden Tabelle werden einige andere Beispiele von Kombinationen von Metallen und Halbleitern gegeben. Die eingeklammerten Temperaturen stellen annähernd die Schmelztemperaturen der zugehörigen Elemente dar. Die eutektischen Temperaturen finden sich als Kreuzpunkte der waagerechten Reihen und der senkrechten Spalten.

Ag (960° C) Al (660° C) Au (1063° C) Co (1495° C) Ni (1453° C)

Ge (945°	C)	651°	C	424°	C	356	⁰C	810	°C	775°	C
Si(1415°	C)	830°	C	577°	C	370	°C	1195	°c	806°	C

Es sind insbesondere die Legierungen von Gold und Silber einerseits und Germanium oder Silizium andererseits, die deutlich hervortretende Eutektika bilden. Auch Aluminium bildet niedrigschmelzende Legierungen, dieses Material läßt sich aber nicht so gut zur Herstellung von Kontaktschichten verwenden wie die übrigen Materialien, da es oxidierbar ist. Kobalt und Nickel sind in dieser Tabelle aufgeführt, weil sie den Vorteil bieten, leicht mittels stromloser Verfahren abgeschieden werden zu können.

Es ist weiter zu bemerken, daß es im Rahmen der Erfindung auch möglich ist, die Kontaktschicht mit anderen Schichten zu kombinieren. So ist es z. B.

möglich, eine Goldschicht auf einer durch chemischen Niederschlag hergestellten Halbleiterteilchen enthaltenden Nickelschicht niederzuschlagen. Umgekehrt ist es möglich, auf einem vernickelten Substrat eine aus Gold und Siliziumteilchen bestehende Schicht abzuscheiden.

Es können z. B. auch mehrere Metalle zugleich niedergeschlagen werden, und die Halbleiterteilchen können aus verschiedenen Halbleitermaterialien bestehen.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herstellen einer Kontaktschicht für Halbleitervorrichtungen, wobei die Schicht ein Metall und ein Halbleitermaterial enthält, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall als eine zusammenhängende Schicht (22) auf einem Träger (1) abgeschieden wird, während bei diesem Abscheiden Teilchen (21), die aus Halbleitermaterial bestehen, das mit dem Metall legierbar ist, zugleich abgeschieden werden bei einer Temperatur, die niedriger ist als diejenige, bei der das Metall und das Halbleitermaterial zusammenschmelzen, und die Teilchen dieses Halbleitermaterials mindestens teilweise vom abgeschiedenen Metall eingeschlossen werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktschicht (31), nachdem sie mit einem anderen Teil einer Halbleitervorrichtung (30) in mechanischen Kontakt gebracht ist, auf eine Temperatur, bei der die Materialien legieren, erhitzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall galvanisch abgeschieden wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß beim galvanischen Abscheiden ein äußeres elektrisches Feld verwendet wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Abscheiden des Metalls stromlos nach dem »electroless«- Verfahren erfolgt.

6. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall durch Zerstäubung abgeschieden wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall mittels Kathodenzerstäubung abgeschieden wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwerkraft das Absetzen der Halbleiterteilchen fördert.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat durch ein Metall gebildet wird, dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient dem der üblichen Halbleiter entspricht.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat durch einen Halbleiterkörper gebildet wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat durch keramisches Material gebildet wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktschicht auf jenem Teil des Halbleiterkörpers angebracht wird, der dazu bestimmt ist, mit einem anderen Substrat verbunden zu werden.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktschicht (54) in einem Fenster (52) angebracht wird, das in einer Isolierschicht (51) auf dem Halbleiterkörper (50) gebildet ist.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktschicht (61) auf einem zeitweilig benutzten Substrat (60) angebracht und in Form einer Folie von demselben entfernt wird.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß als Metall Gold ausgeschieden wird.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß als Metall Silber ausgeschieden wird.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterteilchen aus Silizium bestehen.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterteilchen aus Germanium bestehen.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterteilchen in Anwesenheit des weiterverwendeten Elektrolyten gemahlen wurden.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall und die Teilchen aus Halbleitermaterial ein deutlich hervortretendes Eutektikum bilden.

21. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterteilchen kleiner als 5 um sind.

22. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge Halbleitermaterial, die in der Metallschicht dispergiert ist, mindestens 0,001 Volumprozent des Metalls beträgt.

23. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge Halbleitermaterial, die in der Metallschicht dispergiert ist, mindestens 0,01 Volumprozent des Metalls beträgt.

24. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge Halbleitermaterial, die in der abgeschiedenen Metallschicht dispergiert ist, weniger oder höchstens gleich der Menge ist, die der Bildung des betreffenden Eutektikums entspricht.

25. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß das abgeschiedene Metall Dotierungselemente enthält.

26. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterteilchen Dotierungselemente enthalten.

27. Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Siliziumteilchen mit Bor dotiert sind.

28. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktschicht mit einem Halbleiterkörper verschmolzen wird, der aus demselben Material besteht wie die Halbleiterteilchen in dieser Schicht.