DE2142342A1 - Verfahren zur Herstellung einer Halbleiteranordnung - Google Patents

Verfahren zur Herstellung einer Halbleiteranordnung

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DE2142342A1 DE19712142342 DE2142342A DE2142342A1 DE 2142342 A1 DE2142342 A1 DE 2142342A1 DE 19712142342 DE19712142342 DE 19712142342 DE 2142342 A DE2142342 A DE 2142342A DE 2142342 A1 DE2142342 A1 DE 2142342A1
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Description

PHN.
GÜNTHER M. DAVID 2 U 2 3 4 2
Patentcssassor
Anmelder: N.V. PHILIPS' GLOEILAMPENFABRIEKEH Akte» PHH"- 5140
Anmeldung von» 20· ÄUg. 1971
"Verfahren zur Herstellung einer Halbleiteranordnung".
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleiteranordnung, bei dem auf einem Teil eines Halbleiterkörpers, der im wesentlichen aus
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einer A B -Verbindung oder einem Mischkristall derselben besteht und einen ersten Leitfähigkeitstyp aufweist, ein ohmscher Kontakt mit niedrigem Widerstand angebracht wird, dadurch, dass eine Dotierungsschicht, die ein Metall und einen im Halbleiterkörper den ersten Laitfähigkeitstyp herbeiführenden Dotierungsstoff enthält, auf einer Oberfläche des Halbleiterkörpers angebracht wird und der Körper und die Schicht auf eine Temperatur erhitzt werden, bei dar die Dotiertmgsschicht und d©r Halblsiterkörpsr mit« einander legieren,, wonach gekühlt wird,, wobei doti©rt@s Halbleitermaterial auf dem Halblsitsrlsörpor
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schlagen wird. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf eine durch dieses Verfahren hergestellte Halbleiteranordnung.
Halbleiteranordnungen, die durch das erwähnte Verfahren hergestellt werden, sind z.B. Lawinen- und "Varactor"-Dioden, Schottky-Dioden, lumineszierende Dioden und Gunn-Effekt-Mikrowellenvorrichtungen.
Das erwähnte Verfahren ist z.B. aus einem Artikel in "Solid State Electronics» Nr.10, S.381 - 383 (1967) bekannt. Darin wurde beschrieben, dass ein ohmscher n+- Kontakt auf einem η-leitenden Galliumarsenidkörper dadurch angebracht werden kann, dass eine gold— und germaniumhaltige Dotierungsschicht auf dem Galliumarsenidkörper angebracht und mit diesem Körper legiert wird.
Nach einem derartigen Legierungsvorgang befindet sich auf dem Halbleiterkörper eine harte und spröde Schicht, was oft mit einer eutektischen Zusammensetzung dieser Schicht einher geht. Es hat sich nin als besonders schwierig und oft unmöglich erwiesen, auf der erwähnten spröden Schicht mit Hilfe des in der Halbleitertechnologie üblichen Wärme-Druckverfahrens einen Stromleiter anzubringen.
Eine andere häufig verwendete Dotierungsschicht enthält Silber und Zinn. Zum Erhalten einer befriedigenden Benetzung des Halbleiterkörpers beim Legieren müssen Schichten mit einem verhältnismässig hohen Zinngehalt verwendet werden, wodurch wegen des niedrigen Schmelzpunktes von Zinn nur niedrige Betriebstemperaturen der Halbleiteranordnungen anwendbar sind.
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Ausserdem sei noch bemerkt, dass die beim Legierungsvorgang erhaltenen eutektisehen Schichten ausser ungünstigen mechanischen Eigenschaften auch oft eine schlechte Wärmeleitfähigkeit aufweisen, wodurch sie die in der Anordnung erzeugte Wärme in ungenügendem Masse ableiten.
Die Erfindung bezweckt u.a., die erwähnten Nachteile der bekannten Verfahren wenigstens grösstenteils zu vermeiden. Ihr liegt die Erkenntnis zugrunde, dass zum Erhalten einer guten Wärme-Druckbindung und einer guten Wärmeleitfähigkeit der Ersatz der Dotierungsschicht erwünscht ist.
Nach der Erfindung ist das Verfahren der eingangs erwähnten Art dadurch gekennzeichnet, dass nach der Kühlung die Dotierungsschicht entfernt und eine metallische Kontaktschicht auf dem Dotierten Halbleitermaterial angebracht wird.
Durch das Verfahren nach der Erfindung werden auf
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A B -Halbleiterkörpern Kontaktschichten erhalten, die eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweisen und auf denen sich mit Hilfe von Wärme-Druckverfahren besonders einfach Stromleiter anbringen lassen. Infolge der hohen Güte der Kontakte, und zwar einer guten Wärmeleitfähigkeit und elektrischen Leitfähigkeit, können endgültig erhaltene Anordnungen auch bei hohen Temperaturen verwendet werden, während die Energieausbeute, d.h. das Verhältnis zwischen der Energie des in der Halbleiteranordnung erzeugten Signals und der der Anordnung zugeleiteten Energie, wesentlich höher als die bekannter Halbleiteranordnungen ist.
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Vorzugsweise wird als A B -Verbindung Galliumarsenid oder Galliumphosphid verwendet.
Ohmsche Kontakte mit niedrigem Widerstand sind
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von besonderer Bedeutung auf η-leitenden A B -Halbleiterkörpern und werden z.B. durch Anwendung von Dotierungsschichten erhalten, die Gold und Germanium oder Silber und Zinn enthalten. Ohmsche Kontakte mit niedrigem Widerstand
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auf p-leitenden A B -Halbleiterkörpern werden z.B. durch Anwendung von Dotierungsschichten aus Gold und Zink oder Silber und Germanium oder Gallium und Silicium erhalten. Wenn eine Dotierungsschicht, die Gallium und Silicium enthält, z.B. auf Galliumphosphid verwendet wird, werden Phosphoratome durch Siliciumatome ersetzt.
Die Zusammensetzung der Dotierungsschicht kann, weil diese Schicht nach dem Legierungsvorgang entfernt wird, derart gewählt werden, dass das bei der Abkühlung niedergeschlagene Halbleitermaterial optimal dotiert ist.
Vorzugsweise wird daher eine Dotierungsschicht mit einem Goldgehalt zwischen 80 Gew.% und 88 Gew.$ verwendet, die zum übrigen Teil praktisch aus Germanium besteht, oder es wird eine Dotierungsschicht mit einem Silbergehalt zwischen 4o Gew.$ und 79 Gew.$ verwendet, die zum übrigen Teil praktisch aus Zinn besteht.
Zum Erhalten dotierten Halbleitermaterials nach dem Legierungsvorgang wird vorzugsweise lagsam abgekühlt und weist bei der Abkühlung der Halbleiterkörper eine niedrigere Temperatur als die angrenzende Legierung des Halbleitermaterials und der Dotierungsschicht auf.
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Ein guter ogmscher Kontakt lässt sich, namentlich, schwer auf einem Substrat mit hohem spezifischem Widerstand anbringen. Das Verfahren nach der Erfindung kann aber auch vorteilhaft bei niederohmigen Substraten verwendet werden.
Auch kann erwünschtenfalls gleichzeitig auf zwei c-j
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Seiten eines A B.-Halbleiterkörpers ein ohmscher Kontakt angebracht werden. Wenn dabei ein hochohmiger und ein niederohmiger Teil des Halbleiterkörpers kontaktiert werden müssen, erfolgt dies derart, dass wenigstens die Temperatur des hochohmigen Teiles niedriger als die der an diesen Teil grenzenden Legierung ist.
Die Dotierungsschicht kann z.B. dadurch entfernt
werden, dass sie in einem geeigneten Lösungsmittel gelöst wird, das den Halbleiterkörper nicht angreift oder verunreinigt. Es hat sich herausgestellt, dass es bereits genügend ist, ein Lösungsmittel anzuwenden, dass das Metall der Dotierungsschicht löst.
° Vorzugsweise wird daher eine Dotierungsschicht verwendet, die nach der Abkühlung durch Lösen in Quecksilber oder in ,flüssigem Gallium entfernt wird.
Die metallische Kontaktschicht kann auf üblichen Weise, z.B. durch Aufdampfen, angebracht werden»
Es besteht eine grössere Wahl in der Zusammensetzung der Kontaktschicht als bei den bekannten Verfahren, bei denen die Dotierungsschicht nicht nur zum Legieren dient,· sondern auf dieser Schicht auch Stromleiter angebracht werden müssen. Die Kontaktschicht kann aus dem gleichen Metall bestehen, das auch in der Dotierungsachicht vorhanden war.
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Vorzugsweise wird eine Kontaktschicht verwendet, die aus mindestens zwei Metallschichten besteht, wobei z.Bf zunächst eine gut haftende Metallschicht angebracht wird, die dann mit einer anderen Metallschicht überzogen wird, was zum Erhalten einer guten Anfertigung wichtig sein kann. Vorzugsweise wird daher eine erste Metallschicht verwendet, die mindestens eines der Elemente Chrom, Aluminium und Titan enthält und auf der eine zweite Metallschicht angebracht wird, die aus Gold oder Silber besteht.
Ein weiterer Vorteil des Verfahrens nach der
Erfindung ist der, dass Halbleiteranordnungen erhalten werden können, bei denen Wanderung von in Kontakten vorhandenen Metallen längs der Oberfläche in erheblichem Masse verhindert wird.
Daher wird bei einer besonderen Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens auf der Seite des Halbleiterkörpers, auf der die erwähnte Dotierungsschicht liegt, ein anderer Teil der Oberfläche des Halble±terkörpers mit " einer zweiten Dotierungsschicht versehen, wonach die Dotierungsschichten mit dem Halbleiterkörper legiert werden, worauf gekühlt wird, wobei getrennte Gebiete dotierten Halbleitermaterials gebildet werden; dann werden die Dotierungsschichten entfernt, wonach jedes dotierte Gebiet teilweise mit einer metallischen Kontaktschicht versehen wird, wobei die metallischen Kontaktschichten in grösserer gegenseitiger Entfernung als die vorerwähnten Dotierungsschichten angebracht werden·
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Mit Hilfe der erwähnten Ausführurigsform wird z.B. ein Halbleiterkörper erhalten, in dem an der Oberfläche des' Halbleiterkörpers bei hoher Spannung zwischen den Kontakt-, schichten Mikrowellen erzeugt werden, praktisch ohne dass Wanderung von Metallen längs der Oberfläche und Kurzschluss auftreten.
Die Dotierungsschichten werden z.B. durch Aufdampfen über eine Maske mit Oeffnungen geeigneter Abmessungen oder durch Photoätzen einer aufgedampften Dotierungsschicht angebracht.
Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf eine durch das Verfahren nach der Erfindung hergestellte Halbleiteranordnung.
Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung und zweier Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
Figuren 1-3 Schnitte durch einen Teil einer Halbleiteranordnung in aufeinander folgenden Stufen der Herstellung durch das erfindungsgemässe Verfahren.
Fig. k einen Schnitt durch einen Teil einer
anderen Halbleiteranordnung in einer Stufe der Herstellung durch das erfindungsgemässe Verfahren. Beispiel I
Bei diesem Ausführungsbeispiel des Verfahrens nach der Erf indung wird von einem Halbleiterkörper ausgegangen, der aus einer Scheibe 1 aus Galliumarsenid von n+-Leitfähigkeitstyp besteht (siehe Fig. 1) und auf dem auf übliche Weise eine epitaktische Galiiumarsenidschieht 2 vom n-Leit-
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fähigkeitstyp angebracht ist. Der spezifische Widerstand der Scheibe 1 beträgt 0,001SL cm und der der Schicht 2 0,3 SLcm, Die Dicke der Scheibe ist 30 /um und die der epitaktischen Schicht 20 /um.
Auf die Oberfläche der epitaktischen Schicht werden ansclJ iessend in einer Hochvacuumapparatur nach-" einander 500 1Έ Silber, 3500 &E Zinn und 4500 &E Silber aufgedampft. Diese aufgedampften Schichten sind in Fig.
^ als eine einzige Dotierungsschicht dargestellt. In der Silber das Metall und Zinn der in dem Galliumarsenid— halbeiterkörper den η -Leitfähigkeitstyp herbeirührende Dotierungsstoff ist. Die Schicht 3 wird dann bei einer Temperatur von etwa 400°C auf übliche Weise mit einer 0,25 /Um dicken Schicht k aus pyrolytischem Siliciumoxyd versehen. Bei dieser Temperatur ist das Zinn-Silber-Gemisch nicht geschmolzen, weil das Zinn eine Menge Silber aufnimmt, wodurch der Schmelzpunkt erhöht wird, während keine Reaktion mit dem Galliumarsenid oder Ausbauchung der Dotierungs-
schicht 3 auftritt.
Die Siliciumoxydschicht 4 bildet eine Abschirmung, wodurch etwaige Verdampfung von Arsen vermieden und die Flachheit des endgültigen Kontaktes, gefördert werden kann.
Dann werden der Halbleiterkörper und die Dotierungsschicht auf eine Temperatur erhitzt, bei der der Körper und die Schicht miteinander legieren.
Der Legierungsvorgang erfolgt in einem Ofen, der mit einer äusseren Heizvorrichtung versehen ist, die den Ofen
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auf einer Temperatur von etwa 200 C hält, während mittels einer inneren Heizvorrichtung die Temperatur auf etwa 500 C gebracht wird. Der Halbleiterkörper wird vor der Erhitzung derart in dem Ofen angeordnet, dass die Siliciumoxydschicht h mit der inneren Heizvorrichtung in direktem Kontakt ist.
Die Temperatur wird während etwa 2,5 Minuten auf etwa 500°C gehalten, wobei die epitaktische Schicht 2 und die Dotierungsschicht 3 miteinander legieren, wonach langsam mit einer Geschwindigkeit von I80 C/Stunde gekühlt wird, wobei dotiertes Halbleitermaterial auf dem Halbleiterkörper niedergeschlagen wird. Der ganze Legierungsvorgang wird in einer Atmosphäre sehr reinen Wasserstoffs durchgeführt.
Während der Abkühlung ist die Temperaturverteilung im Ofen derart eingestellt, dass wenigstens die Temperatur der epitaktischen Schicht niedriger als die der angrenzenden Legierung des Halbleitermaterials und der Dotierungsschicht ist. Dadurch wird an der Oberfläche der verhältnismässig hochohmigen Schicht 3 die Wiederkristallisation des Galliumarsenids gefördert.
Nach der Abkühlung wird auf übliche Weise die Siliciumoxydschicht k entfernt, während die Dotierungsschicht 3 mit Hilfe von Quecksilber oder geschmolzenem Gallium entfernt wird, welche Stoffe das dotierte Galliumarsenid nicht angreifen oder verunreinigen.
Die Dicke der wiederkristallierten Schicht beträgt etwa 1000 &E.
Auf dem dotierten Halbleitermaterial wird durch Aufdampfen eine metallische Kontaktschicht 5 (siehe Fig« 2)
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angebracht, die aus zwei Metallsch.ich.ten besteht, und zwar einer ersten Metallschicht aus Titan und einer zweiten Metallschicht aus Gold, die in Fig. 2 nicht gesondert dargestellt sind.
Der auf übliche Weise gemessene Kontaktwider-
—h 2
stand beträgt 10~ Λ/cm .
Gleichzeitig und auf die obenbeschriebene Weise, d.h. mit Hilfe einer Dotierungsschicht, kann die Scheibe 1 mit einer metallischen Kontaktschicht 6 versehen werden. Während der Abkühlung der auf der Scheibe befindlichen Dotierungsschicht ist der Temperaturgradient dann zwar nicht optimal, aber ist das Anbringen eines ohmschen Kontakts mit geringem Kontaktwiderstand ein weniger kritischer Vorgang als die Anbringung eines solchen Kontakts auf der epitaktischen Schicht, weil diese Schicht einen wesentlich höheren spezifischen Widerstand als die Scheibe aufweist.
Auf übliche Weise kann die Scheibe 1 über die
Schicht 6 auf einem festen Substrat 8, z.B. aus Glas, montiert werden, wonach mit Hilfe einer Photoätzbehandlung Mesa-Strukturen 7 mit einem Durchmesser von I6O-I9O ;um gebildet werden können (siehe Fig. 3) und das Substrat 8 entfernt wird. Die gesonderten Mesa-Strukturen können durch das Wärme-Druckverfahren in einem geeigneten Halter montiert und als Gunn-Effekt-Vorrichtungen verwendet werden.
Bei dem Verfahren nach der Erfindung ist das dotierte Halbleitermaterial sehr niederohmig, wodurch durch Aufdampfen einer metallischen Kontaktschicht, ohne
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einen danach erfolgenden Legierungsvorgang, ein guter Kontakt erhalten werden kann.
Eine Gunn-Effekt-Vorrichtung mit einem durch das erfindungsgemässe Verfahren angebrachten ohmschen Kontakt lieferte beim Anlegen einer nichtpulsierenden Gleichspannung ein 5 GHz-Signal mit einer Energie von 500 mW und einer Engerieausbeute von 5$·
Beispiel II
Bei einer besonderen Ausführungsform des Verfahrens gemäss der Erfindung wird auf der Seite des Halbleiterkörpers, auf der die Dotierungsschicht liegt, ein anderer Teil der Oberfläche des Halbleiterkörpers mit einer zweiten Halbleiterkörpers mit einer zweiten Dotierungsschicht versehen. Dann werden die Dotierungsschichten mit dem Halbleiterkörper legiert und wird gekühlt, wobei getrennte Gebiete 4i und 42 (siehe Fig. 4) dotierten Halbleitermaterials in einer epitaktischen Schicht 43 gebildet werden. Anschliessend werden die Dotierungsschichten entfernt, wonach die dotierten Gebiete 41 und 42 teilweise mit metallischen Kontaktschichten 44 und 45 versehen werden, wobei diese Kontaktschichten in grösserer gegenseitigen Entfernung als die vorerwähnten Dotierungsschichten angebracht werden.
Bei einem Abstand von 100 /um zwischen den Kontaktschichten 44 und 45 und einem Abstand von 20 /um zwischen den dotierten Gebieten 41 und 42 (was dem Abstand zwischen den vorerwähnten Dotierungsschichten entspricht)
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wird Wanderung von Metallen aus den Kontakt schichten (z.B. von Silber) vermieden.
Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die
obenbeschriebenen Beispiele. Neben Gunn-Effekt-Vorrichtungen können z.B. lichtemittierende Dioden hergestellt werden Dabei lassen sich neben Galliumarsenid Galliumphosphid und Mischkristalle dieser beiden Verbindungen verwenden.
Einer Dotierungsschicht aus Zinn und Silber
kann z.B. Se zugesetzt werden. Se führt den n-Leitfähig-
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keitstyp in A B -Verbindungen herbei und fördert die Benetzung des Halbleiterkörpers mit der Silber-Zinn-Dotierungsschicht.
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Claims (1)

  1. '"" 2H23A2
    PATENTANSPRUECHE:
    M.λ Verfahren zur Herstellung einer Halbleiteranordnung, bei dem auf einem Teil eines Halbleiterkörpers,
    III V - ■
    der wesentlich aus einer A B -Verbindung oder einem Mischkristall derselben besteht und einen ersten Leitfähigkeitstyp aufweist, ein ohmscher Kontakt mit niedrigem Widerstand angebracht wird, dadurch, dass eine Dotierungsschicht, die ein Metall und einen im Halbleiterkörper den ersten Leitfähigkeitstyp herbeiführenden Dotierungsstoff enthält, auf einer Oberflächen des Halbleiterkörpers , angebracht wird und der Körper und die Schicht auf eine Temperatur erhitzt werden, bei der die Dotierungsschicht und der Halbleiterkörper miteinander legieren, wonach gekühlt wird, wobei dotiertes Halbleitermaterial auf dem Halbleiterkörper niedergeschlagen wird, dadurch gekennzeichnet t dass nach der Abkühlung die Dotierungsschicht entfernt und eine metallische Kontaktschicht auf dem Dotierten Halbleitermaterial angebracht wird.
    2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
    TTT γ
    dass ala A B -Verbindungen Galliumarsenid oder Galliumphosphid verwendet wird. "
    3» Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein© Dotierungssehicht mit einem Goldgehalt zwischen 80 Gew.$ und 88 G©wo$ verwendet -wird, di© übrigen Toil praktisch aus Germanium besteht.
    ha Verfahren nach Anspruch 1 od®r S8 dadur zeichnet, dass eine Dotlerungssei&icnt lai.t ©iatara Silbsrgehalt
    zwischen 4o Gew.$ und 70 Gew.$ verwendet wird, die zum übrigen Teil praktisch, aus Zinn besteht.
    5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass langsam gekühlt wird und dass bei der Abkühlung der Halbleiterkörper eine niedrigere Temperatur als die angrenzende Legierung des Halbleitermaterials und der Dotierungsschicht aufweist.
    6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, fc dadurch gekennzeichnet, dass die Dotierungsschicht nach Abkühlung dadurch entfernt wird, dass sie in Quecksilber oder in flüssigem Gallium gelöst wird.
    7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine metallische Kontaktschicht verwendet wird, die aus mindestens zwei Metallschichten besteht.
    8. Verfahren nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Metallschicht angebracht wird, die mindestens eines der Elemente Chrom, Aluminium und Titan enthält und auf der eine zweite Metallschicht angebracht wird, die aus Gold oder Silber besteht.
    9 · Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Seite dos Halbleiterkörpers, auf der die erwähnte Do tierungs schicht liegt, ©in anderer Teil der Oberfläche des Halbleiterkörpers mit einer zweiten Dotierungsschicht versehen wird; dass die Bcstäarungsschichten dann mit dem Halbleiterkörper legiert werden}
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    dass anschliessend gelcühlt wird, wobei getrennte Gebiete dotierten Halbleitermaterials gebildet werden, und dass die Dotierungsschichten entfernt werden, wonach jedesdotierte Gebiet teilweise mit einer metallischen Kontaktschicht versehen wird, wobei die metallischen Kontaktschichten in grösserer gegenseitiger Entfernung als die vorerwähnte Dotierungsschichten angebracht werden.
    10. Halbleiteranordnung, die durch das Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche hergestellt ist.
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    Leerseite
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