DE1947060A1

DE1947060A1 - Verfahren zur Herstellung von ohmschen Kontakten an einem Halbleitersubstrat

Info

Publication number: DE1947060A1
Application number: DE19691947060
Authority: DE
Inventors: Gambino Richard Joseph; Stephan V Molnar
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1968-09-19
Filing date: 1969-09-17
Publication date: 1970-03-26
Also published as: GB1225105A; FR2018388A1; US3574676A

Description

IBM Deutschland Internationale Büro-Maathinen (ietelltchaft mbH

Böblingen, 16. September 1969 mö-hl

Anmelderin:

International Business Machines Corporation, Armonk, N. Y. 10504

Amtl. Aktenzeichen:

Aktenzeichen der Anmelderin:

Neuanmeldung

Docket YO 968 040

Verfahren zur Herstellung von ohmschen Kontakten an einem Halbleitersubstrat

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von ohmschen Kontakten an einem ferromagnetischen - vorzugsweise aus einer Lanthanid-Chalkogenid- bzw. Lanthanid-Chalko gen -Verbindung bestehenden - Halbleitersubstrat,

Halbleitersubstrate mit einer derartigen Zusammensetzung erlangen zunehmende Bedeutung bei ferromagnetischen Halbleitern, thermoelektrischen und magnetooptischen Bauelementen sowie bei magnetfeldabhängigen Widerständen und dergleichen. Man wandte diesen Stoffen erhöhte Aufmerksamkeit zu, als man entdeckte, daß die Curie-Temperatur bei diesen Verbindungen beeinflußt und somit über die Temperatur des flüssigen Stickstoffs angehoben werden konnte. Dadurch schien eine weit größere Verwendung dieser Verbindungen möglich. Weitere Einzelheiten dieser speziellen Substratverbindungen und der Einrichtungen, in denen sie Verwendung finden können, sind den folgenden US-Patentschriften bzw. Anmeldungen zu entnehmen: 3.353,907; 3.371.042; 3.370.342; 3. 370. 924 und Serial No. 411.525.

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Ein besonderes Problem, welches einer ausgedehnteren Verwendung dieser Verbindungen seit langem entgegensteht, besteht in der Schwierigkeit, an diesen Substraten zuverlässige und gute ohmsche Kontakte anzubringen. Prinzipiell sind bereits viele Verfahren bekanntgeworden,. an llalbleitersubstraten durch Löten mit geeigneten Legierungen ohmsche Kontakte auszubilden, jedoch ist dies bisher bei den der Erfindung zugrundeliegenden Substraten nicht in befriedigender Weise gelungen. Es gibt bis heute noch keine ^ irgendwie gearteten Regeln oder Grundsätze, nach denen man für besondere

- Substrate geeignete Legierungsstoffe auswählen könnte. Die US Patentschrift

3.370.342 gibt beispielsweise eine empirisch ermittelte Formulierung für die Zusammensetzung des Kontaktmaterials mit einem B0:40 IJi-Cd Eutektikum an, mit dem unterschiedlich gute Kontakteigenschaften erzielt wurden.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung von ohmschen Kontakten an einem vorzugsweise aus einer Lanthanid-Chalkogenid- bzw. Lanthanid-Chalkogen-Verbindung bestehenden Halbleitersubstrat anzugeben, mit dem zuverlässige und einwandfreie Kontakte erzielt werden.

Die Erfindung geht aus von einem Substrat mit der allgemeinen Formel

Eu SE₁ A. Dabei steht SE für ein dreiwertiges Lanthaniden-Element χ 1-x

(Seltene Erden), A für ein Chalkogen und es gilt ferner 0<x^l. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung dieser ohmschen Kontakte besteht in den folgenden Verfahr ens schritten:

a) Aufbringen einer kleinen Menge niedrigschmeizenden Legierungsmaterials mit einem Lanthanid und einem Metall guter elektrischer Leitfähigkeit als Legierungsbestandteilen auf die Substratoberfläche;

b) Erhitzendes Substrats und des Legierungsmaterials auf die Schmelztemperatur des letzteren und

c) Fortsetzen des Wärmeprozesses nach b) über eine solche Zeitspanne, daß das Legierungsmaterial teilweise in das Substrat eindiffundiert.

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ßAD ORIGINAL.

Auf diese Kontaktstellen werden nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung die Anschlußdrähte mittels eines Indiumlots angelötet. Die Le-,4erungszLisammensetzun^ setzt sich dabei vorteilhafterweise aus 70-95 Gewichtsprozenten eines Lanthanide und 30-5 Gewichtsprozenten eines elektrisch gut leitenden Metalls zusammen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand spezieller Ausführungsbeispiele unter Zuhilfenahme der Zeichnungen näher erläutert:

Es zeigen:

Fig. 1 das aus einer Lanthanid/Chalkogenid-Verbindung bestehende

halbleitende Substrat mit einem darauf angebrachten ohmschen Kontakt und

Fig. 2 die Strom/Spannungscharakteristik des erfindungsgemäß hergestellten Kontaktes.

Gemäß der Erfindung sollen jute ohmsehe Kontakte hergestellt werden zu Substraten, die aus einer Verbindung'von seltenen Erden (Lanthaniden) mit Chalkogenen bestehen, beispielsweise EuO,. EuS, EuSe und Verbindungen der allgemeinen Formel Eu SE A, wie sie beispielsweise'in der aineri-

1 — X X

Iranischen Patentschrift 3. 371,041 beschrieben sind. SE sieht dabei für "Seltene Erden" und A bedeutet ein Chalkogen. Um derartige ohmsclie Kontakte zu erzielen, werden Legierungen aus einem dreiwertigen Lanthanidenelement und einem pite elektrische Leitfähigkeit aufweisenden Metall verwendet.

Die Legierungen setzen sich zusammen aus bestimmten Gewichtsanteilen eines dreiwertigen Lanthanidenelements, wie z. B. Ce, Pr, Nd, Gd, Tb, Dy, Ho, Yb, Er, Tm und Lu, sowie mindestens einem Metall der folgenden

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Gruppe: Ag, Au, Cu, Zn, Ni, Co, Pd und Pt. Diese Mischungen werden mittels bekannter Bogenschweißverfahren unter Verwendung einer Wolfram- - elektrode und eines wassergekühlten Kupfereinsatzes in einer Edelgasatmosphäre, beispielsweise in Argon, eingeschmolzen. Eine weitere Möglichkeit zur Legierungsherstellung kann darin bestehen, die Mischung aus den Legierungsbestandteilen in einen geeigneten Behälter, z.B. aus Tantal, Graphit oder Al Ö , und anschließend auf eine solche Temperatur zu erhitzen, daß auch der Mischungsbestandteil mit dem höheren Schmelzpunkt zum Schmelzen gebracht wird. Je nach den Erfordernissen der Schmelzein-" richtung können die Legierungsbestandteile in Pulverform, körnig als Granulat oder in irgendeiner anderen günstigen Form aufbereitet sein, Anschliessend wird die eutektische Zusammensetzung induktiv in einer Edelgasatmosphäre, beispielsweise Argon, erhitzt.

Die Erfindung wird im folgenden anhand einiger ausgewählter Beispiele näher,beschrieben. In den folgenden Beispielen wird die Erfindung nur anhand einiger repräsentativer Lanthanidenelemente sowie deren Legierungen mit geeigneten Metallen erläutert, entsprechend den Maßnahmen gemäß dieser Erfindung können jedoch Legierungen auch von den anderen dreiwertigen. Lanthanidenelementen sowie den anderen bereits aufgezählten r Metallen gewählt werden.

Beispiel 1

Eine pulverförmige Mischung aus 76 Gewichtsprozenten La und 24 Gewichtsprozenten Ag wird in einen Tantaltiegel eingebracht. Der so gefüllte Tiegel wird in einem induktiv beheizten Ofen in Argon-Atmosphäre 15 Minuten lang auf eine Temperatur von 1000 C erhitzt. Die sich ergebende eutektische Zusammensetzung weist einen ausgeprägten Schmelzpunkt bei 518° C auf. \ -

Zur. Bildung der eigentlichen Kontakte werden Ideine Mengen in der Größen-

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Ordnung von 10 mg der nach obiger Vorschrift hergestellten Legierung auf die Tr ennungs flächen eines Einkristalls aus einer Lanthanid/Chalkogen-Verbindung aufgebracht, beispielsweise auf ein Kristall der Formel Eu_n GfI _n,Se, das seinerseits auf einer Tantalstreifen-Iieizvorrichtung angeox'dnet ist. Mittels der Heizvorrichtung können die Schmelztemperaturen der Legierung erreicht werden. Das Erhitzen der Legierung und des Kristalls geschieht in einem geschlossenen sauerstoffreien System in Edelgasatmosphäre, z. B. Argon, um eine Oxydation der Chalkogenide und des Legierungsmaterials zu verhindern» Die Legierung wird bid auf ihre Schmelztemperatur aufgeheizt und anschließend diese Temperatur solange aufrechterhalten, daß die Legierung teilweise in .das Kristall eindiffundieren kann (Fig. 1). Die Aufheizzeit beträgt etwa 15 Minuten. Die Legierungsschmelze benetzt dabei unmittelbar die Kristalloberfläche. Mittels eines Indiumlots werden schließlich die Verbindungsdrähte, beispielsweise aus Kupfer an diese Kontaktstellen angelötet.

Die Widerstandscharakteristik des so hergestellten Kontakts wurde bei verschiedenen Temperaturen im Bereich von 4, 2 K und Raumtemperatur gemessen. Aus dem linearen Verlauf dieser Meßkurve in Fig. 2 ist klar zu ersehen, daß es sich um gute ohms ehe Kontakte handelt,

Beispiel 2

Es wird eine Mischung aus 79, 5 Gewichtsprozenten La in Stäbchenform und 20, 5 Gewichtsprozenten Au in Form einer Folie im Innern einer konventionellen Gleichstromlichtbogen-Schmelzvorrichtung untergebracht, Der eigentliche Schmelzraum ist evakuiert und mit Argon gefüllt. Zwischen der Wolframelektrode und dem eingebrachten zu schmelzenden Material wird ein Lichtbogen gezündet, so daß die Mischung etwa 1 Minute lang durch entsprechende Ausrichtung der Wolframelektrode geschmolzen wird. Der sich ergebende Barren in Knopfform wird anschließend gewendet, so daß die

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Unterseite nach oben kommt und in dieser Anordnung noch einmal dem Schmelzprozeß unterworfen. Insgesamt wird der Barren mindestens dreimal umgeschmolzen um eine weitmöglichste Homogenität zu erreichen. Die Legierung weist einen Schmelzpunkt von 501 C auf. Die Art und Weise des Einbringens der ohmschen Kontaktstellen in den Halbleiterkörper gellt wie in Beispiel 1 beschrieben vor sich. Auch hier wird eine ähnliche Strom-Spannungscharakteristik erzielt, wie sie in Fig. 2 dargestellt ist.

Beispiel 3

Es wird das Verfahren von Beispiel 1 wiederholt, lediglich mit der Ausnahme, daß eine Mischung von 86 Gewichtsprozenten La und 1-1 Gewichtsprozenten Cu ■ Verwendung findet. Bei der daraus resultierenden Legierung wurde ein Schmelzpunkt von 468 C festgestellt. Das Einbringen der ohmschen Kontakte in das Kristall geschieht auch liier, wie bereits im Zusammenhang mit Beispiel 1 erläutert. Auch die auf diese Weise hergestellten Kontakte weisen das in Fig. 2 dargestellte lineare, also ohmsche, Verhalten auf.

Neben den beschriebenen Beispielen wurden unter Zugrundelegung der erfindungsgemäßen Maßnahmen weitere Ausführungsbeispiele erprobt, die in der folgenden Tabelle aufgelistet sind.

Lanthanid % (Gewicht) Metall % (Gewicht) Schmelzpunkt der

Legierung in ⁰C

La	88,5	Zn	11,5	527
La	84,0	Ni	16,0	485
La	84,0	Co	16,0	440
Pr	82,5	Cu	17, 5	472 -
Pr	77,9	Au	22,1	600
Pr	93,0	Ni	7,0	480
Pr	78, 0	Ag	22,0	582
Yb	, -74,0	Cu	26, 0	760

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BAD ORlGiMAL

Es wird demnach gemäß der Erfindung ein Verfahren angegeben, mit dem zuverlässige ohmsche Kontakte an ferromagnetischen, aus einer Verbindung von Lanthanide!! mit Chalkogenen bestehenden Halbleitersubstraten gebildet werden können. Es wurde eine Anzahl von niedrigschmelzenden Legierungen, bestehend aus einem Lanthanid und einem gut elektrisch leitenden Metall als Legierungsbestandteilen, gefunden, welche die an einen ohmschen Kontakt zu stellenden Anforderungen in bester Weise erfüllen.

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Claims

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PATENTANSPRÜCHE

Verfahren zur Herstellung von ohmschen Kontakten an einem ferromagnetischen - vorzugsweise aus einer Lanthanid-Chalkogenid- bzw. Lanthanid-Chalkogen-Verbindung bestehenden - Halbleitersubstrat, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

a) Aufbringen einer kleinen Menge niedrigschmelzenden Legierungsmaterials mit einem Lanthanid und einem Metall guter elektrischer Leitfähigkeit als Legierungsbestandteilen auf die Substratoberfläche;

b) Erhitzen des Substrats und des Legierungsmaterials auf die Schmelztemperatur des letzteren und

c) Fortsetzen des Wärmeprozesses nach b) über eine solche Zeitspanne, daß das Legierungsmaterial teilweise in das Substrat eindiffundiert.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Lanthanid eines der Elemente Ce, Pr, Nd, La, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu undals Metall eines der Elemente Au, Ag, Cu, Zn, Ni, Co, Pd, Pt Verwendung findet.
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 2, gekennzeichnet durch eine Legierungszusammensetzung aus 70 bis 95 Gewichtsprozenten eines Lanthanide und 30 bis 5 Gewichtsprozenten eines elektrisch gut leitenden Metalls.
4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 2 gekennzeichnet durch eine Legierungszusammensetzung aus 76 Gewichtsprozenten La und 24 Ge-

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Wichtsprozenten Ag.
5. Verfahren nach den Ansprüchen 1-2, gekennzeichnet durch eine Legierungszusammensetzung aus 79, 5 Gewichtsprozenten La und 20, 5 Gewichtsprozenten Au.
6. Verfahren nach den Ansprüchen 1-2, gekennzeichnet durch eine Legierungszusammensetzung aus 86 Gewichtsprozenten La und 14 Gewichtsprozenten Cu.
7. Verfahren nach den Ansprüchen 1-2, gekennzeichnet durch eine Legierungszusammensetzung aus 88, 5 Gewichtsprozenten La und 11, 5 Gewichtsprozenten Zn.
8. Verfahren nach den Ansprüchen 1-2, gekennzeichnet durch eine Legierungszusammensetzung aus 84, 0 Gewichtsprozenten La und 16, 0 Gewichtsprozenten Ni.
9. Verfahrennach den Ansprüchen 1-2, gekennzeichnet durch eine Legierungszusammensetzung aus 84,0 Gewichtsprozenten La und 16,0 Gewichtsprozenten Co.
10. Verfahren nach den Ansprüchen 1-2, gekennzeichnet durch eine Legierungszusammensetzung aus 82, 5 Gewichtsprozenten Pr und 17, 5 Gewichtsprozenten Cu.
11. Verfaliren nach den Ansprüchen 1-2, gekennzeichnet durch eine Legierungszusammensetzung aus 77, 9 Gewichtsprozenten Pr und 22,1 Gewichtsprozenten Au.
12. Verfahren nach den Ansprüchen 1-2, gekennzeichnet durch eine Le-Docket YO 968 046 -03813/1252

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gierungszusammensetzung aus 93, O Gewichtsprozenten Pr und 7, 0 Gewichtsprozenten Ni.
13. Verfaliren nach den Ansprüchen 1-2, gekennzeichnet durch eine Legierurigszusammensetzung aus 78, 0 Gewichtsprozenten Pr und 22, 0 Gewichtsprozenten Ag. ■ .
14. Verfahren nach den Ansprüchen 1-2, gekennzeichnet durch eine Legierungszusammensetzung aus 74 Gewichtsprozenten Yb und 26, 0 Gewichtsprozenten Cu.
15. Verfahren nach den Ansprüchen 1-14, gekennzeichnet durch ein Indiumlot zum Anlöten der Anschlußdrähte an die Kontakte,

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