JP5456276B2

JP5456276B2 - 半導体素子および金属−半導体コンタクトを製造する方法

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Description

本発明は、半導体からなる第１の層、例えば基板と、この第１の層上に延びている第２の層と、第１の層と第２の層の間に延びておりかつ第１の層および第２の層の材料から形成された少なくとも１つの第１のおよび第２の中間層と、第1の層との導電性接続を形成しかつ第２の層から出てまたはこの第２の層を貫通する導電性のコンタクトと、を含む半導体素子に関する。

更に、本発明は、半導体からなる第１の層、例えば基板と、この層上に形成されており、かつ金属からなりまたは金属を含む基礎コンタクト材料からなる第２の層と、を有する半導体素子の、例えばソーラセルの、金属-半導体コンタクトを製造する方法に関する。

このような半導体素子は、特許文献１から公知である。
DE 10 2007 027 263.6 半導体製造、特にソーラセル製造では、製造コストの理由から、焼結された金属コンタクトを、セルの前面または裏面に用いる。

通常は、シリコン・ソーラセルの裏面には、大きい面積のアルミニウム層がある。アルミニウム層を、ソーラセルの製造中に、熱処理によって焼結工程に晒す。このことによって、同時に、ソーラセルの裏面のパッシベーション領域を、いわゆる裏面電界（ＢＳＦ）によって形成する。

焼結の際に、第1の層と呼ばれるシリコン基板と直接に接触しているアルミニウム層を、アルミニウム層とシリコン基板の間の境界面に溶融し、隣接する第1の層と合金化する。冷却の際には、Ａｌが大いにドープされたシリコン層が、ウェハの、即ち基板の、Ｓｉに向いた裏面で、エピタキシャル的に硬化する。同時に、シリコンが添加されたＡｌ層が、Ａｌ層に向いた側で硬化する。冷却工程の終わりに、アルミニウムが大いにドープされた層と、シリコンが添加された層との間のＡｌ-Ｓｉ共融混合物が硬化する。アルミニウムが大いにドープされておりエピタキシャル成長されたシリコン層は、ソーラセルの裏面のパッシベーションの原因となる。アルミニウムを大いにドープすることによって、層の半導体に、マイナス電荷された動かない過剰なＡｌアクセプタを形成する。これらのアクセプタは、少数キャリアを跳ね返す電界、即ち、いわゆる裏面電界を発生させる。

アルミニウム層が、ソーラセルの、即ち基板の裏面全体に亘って延びているとき、半田技術上の問題がある。何故ならば、例えば、スズめっきされた、またはスズめっきされない金属コネクタ、特に銅コネクタをアルミニウムの裏面に直接半田づけすることは容易にできないからである。しかし、必要な電気的な接触を実行するためには、通常は、銀コンタクトを有する条導体または半田づけ点を、基板表面上に、直接、スクリーン印刷、タンポン印刷または他の適切な印刷方法によって塗布し、条導体または半田づけ点に、スズめっきされた銅ストリップを半田づけする。従って、半田コンタクトの領域に、アルミニウム層の切り欠きが形成されている。その結果、この領域には、裏面電界が形成されない。それ故に、ソーラセルの裏面は、完全には電気的にパッシベーションされず、このことによって、裏面電界のある領域に比べて局部的に低い光電流が生じる。このことは、効率の高さにとってマイナスの結果をもたらす。

銀が原料として高価な材料であるので、製造コストを減じるためには、銀を使用しないほうがよい。従って、Ａｇコンタクトを完全に回避することが望ましい。

コンタクトストリップをアルミニウムストリップに直接半田づけすることは、幾つかの理由から難しい。或る理由は、Ａｌ粒子の酸化された表面にある。他の理由は、アルミニウムの上面が、焼結工程に基づいて、十分には連結して形成されていないことである。かくして、焼結工程中に、Ｓｉがドープされている合金層に亘って、個々の球状の共に焼結されたＡｌ粒子の形態をとるＡｌ層（焼結層）が生じる。このＡｌ層では、アルミニウムからなる閉じた複合体ではなくて、比較的緩く焼結された複合体がある。この複合体は、アルミニウムペーストの組成および／またはプロセスパラメータに従って、焼結の際に、多かれ少なかれ多孔性である。孔は、ガラス成分で充填してあってもよい。

しかし、この焼結アルミニウム層に半田づけすることが万一できるとしても、多孔性の故におよび従って層の不安定性の故に、非常に低い保持しか与えられていないであろう。この低い保持は、約２−８Ｎの低い剥離力で表わされる。焼結層は引き裂かれ、それ故に、引裂き点の両側に粒子の球構造が認められる。このことによって、コンタクトストリップを引き剥がそうと試みる際に焼結層が破壊されるという危険性がある。同様なことは、アルミニウム層の半田結合箇所が、モジュールにおいて作動条件下で作用する引張り力に晒されているときに、生じる。半田づけ点の低い耐久性をもたらし、かつ結果として高い伝達抵抗を伴うことがある小さな亀裂が生じる。

半導体素子および／または明細書の最初の部分に記載されたタイプの金属-半導体コンタクトを製造するための方法を、パッシベーションにとって重要な裏面電界が中断されたりまたは損なわれたりせずに、機械的に耐久性のある、電気的に完璧に半田づけ可能なコンタクトが、特にアルミニウムからなりまたはアルミニウムを含む第２の層の材料の領域で、製造されるように、改善するという課題が、本発明の基礎になっている。

本発明では、上記課題は、前記タイプの半導体素子を用いて、導電性のコンタクトが、第２の層の中に浸透して合金化されており、または第２の層の材料と共に混合物を形成する半田づけ可能なまたは金属との濡れ性のある材料を有することによって解決される。半田づけ可能なまたは金属との濡れ性のある材料が、第２の層から出て２つの中間層のうちの少なくとも１の中に浸透して合金化されていることは好ましい。金属との濡れ性のある材料は、コネクタを半田づけするために用いる、その都度使用される溶融はんだによって、濡らされるコンタクト材料である。

本発明に基づき、全体的にまたは少なくとも部分的に半田づけ点の領域で第２の層によって覆われている裏面を有する半導体素子が生じる。第２の層は、基礎コンタクト材料から、特にアルミニウムからなり、または少なくとも基礎コンタクト材料、例えばアルミニウムを含み、半導体と合金化される。このことによって、裏面電界によってパッシベーションされた、半導体素子の全面的な裏面が生じる。裏面電界を形成する層は、第２の中間層である。

次に、第２の層に、半田材料を含む層、例えばＳｎ層を形成することができるのは、適切な方法によって浸透して合金化するためである。その結果、第１の層まで貫く電気的なコンタクトが生じる。このコンタクトによって、裏面にコネクタ、例えば銅コネクタを半田づけすることが可能である。

第1の中間層は、基礎コンタクト材料、例えばＡｌおよび／または更に半田材料からなり、かつ半導体がドープされている層である。この半田材料は、Ｓｎ，ＳｎＡｇ，ＰｂＳｎ，ＣｄＳｎ，ＳｎＺｎ，ＳｎＭｇ，ＳｎＢａおよび／またはＳｎＣａからなり、あるいは、これらの材料のうちの１または複数を含むことができる。この場合、第1の中間層は、第１のおよび第２の層の材料からなる共融混合物を含むこともできる。

金属との濡れ性のある半田づけ可能な材料は、場合によっては、或る程度、半導体素子の中に浸透して合金化されている。その結果、金属との濡れ性のある材料は、裏面電解を形成しかつ基礎コンタクト材料がドープされている、第１の層のエッジ層である第２の中間層の中まで浸透して合金化されている。このような第２の中間層が第1の層から形成されているので、従って、半導体の境界まで浸透して合金化される。しかしながら、裏面電界の機能を損なうことはない。従って、金属との濡れ性のある半田づけ可能な材料は、半導体まで到達していることができ、即ち、この材料は、基礎コンタクト材料がドープされているエッジ層の中に浸透して合金化することができる。

第２の層は、Ａｌ，Ｉｎ，Ｇａ，Ｂのグループのからの少なくとも１つの材料または材料混合物である。

導電性のコンタクトの金属との濡れ性のある材料は、Ｓｎ，Ｐｂ，Ｚｎ，Ｍｇ，Ｃａ，ＢａＩｎ，Ｇａ，Ｃｄ，Ａｇ，Ａｕ，Ｎｉ，Ｆｅのグループの少なくとも１つの材料、または他の適切な半田材料またはこのようなグループの複数の材料の混合物である。

第２の層は、基礎コンタクト材料、例えばＡｌおよび半田づけ可能な材料の混合物から作られている材料からなることが可能である。

第２の層における混合された材料の割合は、０．０１重量％ないし９９．９重量％であってもよい。しかしながら、１０重量％と３０重量％の間および／または５０重量％と７０重量％の間の範囲が考えられることは好ましい。

本発明では、第1の層から出ておりかつ第２の層を貫く連続的な電気的なコンタクトが生じる。この電気的なコンタクトには、コネクタ、例えば銅コネクタを第２の層に半田づけすることができる。好ましくはＳｎ半田であり、またはＳｎを含む少なくとも１つの半田を有するこの電気的なコンタクトは、第２の層、例えばアルミニウム層の孔を埋め、連結する金属層を形成する。焼結工程中に目立つようになり、かつ不良な機械的安定性および不良な電気的な接触特性の原因となる、焼結層の多孔性を、このような処置によって、少なくとも局部的に、しかも半田のある箇所にも除去する。

この代わりに、第２の層、例えばアルミニウム層は、第２の層の基礎材料からなるペースト、例えばアルミニウムペーストに、例えばＳｎ粉末またはＳｎ-Ａｌ合金粉末を、適切な量混合し、このことによって、半導体からなる第１の層、例えば基板から出ておりかつ第２の層、例えばアルミニウムコンタクト層を貫き、しかも銅コネクタを半田づけすることができる電気的なコンタクトを製造することができる。

Ａｌがドープされておりかつ半導体からなる層、少なくともこの層まで延びており、この層と、機械的に接着結合し、裏面電界の電気的特性を損なうことがない金属製の電気的なコンタクトが作られる。

明細書の最初の部分に記載のタイプの金属-半導体コンタクトを製造する方法は、第２の層の形成後に、この層の上に、半田づけ可能なまたは金属との濡れ性のある材料を塗布し、あるいは、第２の層の形成のために、第１の層の上に、基礎コンタクト材料および半田づけ可能な材料からなる混合物を塗布すること、および半田づけ可能なまたは金属との濡れ性のある材料の機械的な処理および／または熱処理および／または熱噴霧によって、半田づけ可能なまたは金属との濡れ性のある材料を、第２の層の中に、あるいは、この第２の層の中におよび半導体素子の製造中に第１のおよび第２の層の間に形成される少なくとも１つの中間層の中に浸透させて合金化することを特徴とする。

可能な製造法は、半田づけ可能な材料を、機械的な処理または音波の機械的な処理、例えば塗りつけまたは打ち込みによって、あるいは半導体素子へ音波または超音波を加えることによって、同時に熱処理しつつ、第２の層の形成中におよび／または形成後に、第２の層の中にまたは少なくとも１つの中間層の中までおよび／または第１の層の中に浸透させて合金化することを特徴とする。この場合、超音波を周波数ｆで加えることができる。但し、１０ｋＨＺ≦ｆ≦１００ｋＨｚ、特に２０ｋＨＺ≦ｆ≦８０ｋＨｚである。特に、この場合、製造される半導体素子を、温度Ｔに晒し、但し、０℃≦Ｔ≦８００℃、特に１８０℃≦Ｔ≦３５０℃であることが提案されている。

他の可能性は、半田づけ可能な材料を、製造される半導体素子の熱処理によってのみまたはほぼ熱処理によってのみ、第２の層の形成中にまたは形成後に、第２の層の中に、および場合によっては少なくとも第1の中間層の中に浸透させて合金化することを提案する。この場合、熱処理を、１５０℃と１６００℃の間の温度範囲に、好ましくは、２３０℃と４５０℃との間の範囲で（局所的に、短期間で）行なうことができる。

非常に高い温度では、熱の供給を、レーザビームまたは集中光源（ＺＭＲ）によって行なう。光源を、楕円形のミラーによって、半田づけされる領域に集束させ、その後、半田づけされる領域に亘って導く。この代わりに、光パルスを、半田づけされる領域に当てることができる。最後に、レーザビームも、半田づけされる領域に亘って走査することができる。半田づけされる領域を加熱するための他の可能性は、中周波のまたは高周波の電磁界の結合（誘電半田づけ）である。この目的のために、１０ｋＨＺないし１００ｋＨｚ、好ましくは１００ｋＨＺないし８００ｋＨｚの範囲にある周波数が提案されている。

半田づけ可能な材料を熱噴霧によって塗布するとき（このことによって、同時に、少なくとも第1の中間層の中まで完全な合金化を行なうことは好ましい）、半田づけ可能な材料を、速度ｖで塗布するほうがよい。但し、１０ｍ／ｓ≦ｖ≦３０００ｍ／ｓ、好ましくはｖ≒３００ｍ／ｓである。熱噴霧中に、製造される半導体素子が、更に、１００℃と６００℃の間の範囲にある温度に晒されているほうがよい。

熱噴霧中に、半導体素子に、周波数ｆの超音波を加えることができる。但し、特に１０ｋＨＺ≦ｆ≦１００ｋＨｚ、好ましくは２０ｋＨＺ≦ｆ≦８０ｋＨｚである。

この代わりに、第1の層へ、第２の層の基礎コンタクト材料、例えばＡｌペーストおよび金属との濡れ性のあるまたは半田づけ可能な材料からなる混合物、あるいは、この半田づけ可能な材料を含む合金を塗布し、次に、第２の層を形成することができる。混合物としては、金属との濡れ性のあるまたは半田づけ可能な材料および／またはこの半田づけ可能な材料を含む合金の割合ｘを有する混合物を用いる。但し、０重量％＜ｘ≦５０重量％または５０重量％≦ｘ＜１００重量％である。

しかしながら、金属との濡れ性のあるまたは半田づけ可能な材料を、第２の層に点状に温度を加えることによって、特に半田づけによって、好ましくは少なくとも第1の中間層の中まで浸透させて合金化することができる。

第２の層のための基礎コンタクト材料として、Ａｌ，Ｉｎ，Ｇａ，Ｂのグループの少なくとも１つの材料、またはこのグループの複数の材料からなる混合物であり、あるいは、材料または混合物を含む基礎コンタクト材料を用いる。

金属との濡れ性のあるまたは半田づけ可能な材料、例えば、金属およびセラミック材料として、スズ、スズ合金、インジウム、鉛、カドミウム、ガリウム、銀、金、ニッケル、鉄、チタン、ハフニウム、亜鉛、マグネシウム、カルシウム、バリウムのグループの少なくとも１つの材料あるいはグループの複数の材料から形成された混合物であるか、このような材料または混合物を含む材料、特にこの材料を用いる。

更に、大きな面積のアルミニウムコンタクトには、全面的にまたは少なくとも部分領域で、金属との濡れ性のある他の材料を塗布することができる。全面に塗布された半田づけ可能な層構造のための例として、約８０ｎｍの厚みのあるスパッターされたＮｉ-Ｖ層を見なすことができる。

層として部分領域に塗布された材料の例として、ＡｌおよびＣｕまたはＡｇおよびＣｕを挙げることができる。他の金属は、Ａｇ，Ｃｕ，Ａｌ，Ｎｉ，Ｚｎである。

本発明の複数の他の詳細、利点および特徴は、複数の請求項と、これらの請求項から読み取れる、単独および／または組合せで生じる複数の特徴とからのみならず、図面から見て取れる複数の好ましい実施の形態の以下の記述からも明らかである。

図面からは、半導体素子の断面略図が見て取れる。以下、半導体素子を、簡単にするために、ソーラセルという。ここでは、シリコンからなる基板１０、即ち半導体層が示されている。基板の、即ち半導体層の前面には、通常、ｐｎ接合ならびにフロントコンタクトおよび場合によってはパッシベーション層を形成するために、複数の半導電性の層が塗布されていることができる。しかし、この点では、更に詳細な説明を必要とすることなく、ソーラセルのような半導体素子のよく知られた構造を参照するよう指摘する。

第１の層と呼ぶ半導体層１０に、例えば、スクリーン印刷、タンポン印刷、熱噴霧によって、金属または半金属（以下、すべての適切な材料の典型例としてアルミニウムともいう）からなる層を形成する。この層を、ソーラセルの製造中に、焼結工程に晒す。このことによって、外側のアルミニウム層（以下、単に層ともいう）１２が第２の層として生じる。アルミニウム層１２とシリコンの基板１０との間に、裏面電界を形成しておりかつアルミニウムがドープされたシリコン層（以下、単に層ともいう）１４と、シリコンがドープされておりかつＡｌ-Ｓｉ共融混合物１８を有するアルミニウム層（以下、単に層ともいう）１６とを形成する。しかし、この点では、同様に、よく知られた従来の技術を参照されたい。シリコンがドープされたアルミニウム層１６を第１の中間層と呼び、アルミニウムがドープされたシリコン層を第２の中間層１４と呼ぶ。

アルミニウムからなる外側の、即ち第２の層１２は、焼結工程の故に、多孔性であるので、多数の中空空間を有する。

共融混合物１８を含めた、層１０，１２および中間層１４，１６に関しては、これらの層は図面では略示されており、実際の寸法を反映していないことを述べねばならない。

第２の層と呼ぶべきアルミニウム焼結層（以下、アルミニウム層ともいう）１２に、接触用のコネクタ、例えば銅コネクタを半田づけするために、図３の図解に従って、第２の層１２に、全面にまたは部分領域で、金属との濡れ性のまたは半田づけ可能な材料を含むかまたはこの材料からなる層２０を形成する。このことは、単なる例として理解しなくてはならない。何故ならば、以下に説明するように、半田づけ可能なコンタクトが生じるように、半田づけ可能な材料を複数の層に挿入するためには、他の可能性もあるからである。

既述のように、図面では、第２の層１２、即ち焼結層に、好ましくはＳｎを含むか、Ｓｎからなるか、またはＳｎ合金を含む層２０を形成し、次に、例えば点状に熱を加えることによって、例えば、半田づけによって、層２０からなる半田づけ可能な材料を、裏面電界を形成しておりかつアルミニウムがドープされている、第２の中間層１４であるＳｉエッジ層１４の、少なくともその縁部領域の中まで浸透させて合金化することが提案されている。このことを、図４のハッチングによって示す。参照符号１５を付した領域に、次に、コネクタ、例えば銅コネクタを半田づけする。その結果、半導体素子の必要な電気的な配線を可能にする。但し、裏面が、基本的には、アルミニウム層のような第２の層１２と半田づけ不可能であること考慮に入れない。領域１５は導電性のコンタクトである。

半導体-金属コンタクトを形成するためには、種々の可能性がある。これらの可能性を以下に略述する。

音波振動および熱を、第１の層１０であるＳｉ層のような半導体層と、例えばアルミニウム、インジウム、ガリウム、ホウ酸のような基礎コンタクト材料からまたはこれらの材料によって形成される混合物からなる第２の層１２と、双方の層の間に延びている中間層１４，１６，１８とから構成される現存のシステムに入れることによって、第２の層１２上に塗布された半田づけ可能な材料２０を、裏面電界を形成しておりかつアルミニウムがドープされたシリコン層１４の縁部領域の中まで浸透させて合金化する。この代わりに、半田づけ可能な材料は、既に、第２の層１２の中にあることも可能である。必要な振動は、超音波を加えることによって発生され、周波数は、１０ｋＨｚと１００ｋＨｚの間で、好ましくは２０ｋＨｚと８０ｋＨｚの間の範囲で供給される。半田づけ可能な材料の浸透合金化（Einlegierung）の最中に、半導体素子を、０℃と６００℃の間、好ましくは室温と３００℃の間にある所望の温度に加熱するほうがよい。

この代わりに、半田づけ可能な材料を浸透させて合金化するための熱処理のみを行なうことができ、半田づけ可能な材料の溶融温度によりも高い温度が用いられる。好ましい温度値は２３０℃と９００℃の間に、特に３５０℃と４００℃の間にあり、しかも、半田づけ可能な材料に応じている。この半田づけ可能な材料とは、特に、スズ、インジウム、鉛、ガリウム、カドミウム、銀、金、ニッケル、鉄、チタン、ハフニウム、亜鉛、マグネシウム、カルシウム、バリウムまたはこれらの材料から形成された混合物であってもよい。半田づけ可能なおよび浸透して合金化される材料を、焼結層、即ちアルミニウム焼結層１２の形成後に、塗布することができる。

しかしながら、焼結層１２を形成するために、出発材料例えば既に半田づけ可能な材料を含むペーストを用いる可能性もある。この場合、例えば焼結工程において７００℃ないし１０００℃での熱処理によって、層１２に、第２の層１２の基礎コンタクト材料と、半田づけ可能な材料とからなる混合物が生じる。この混合物を、熱処理に基づき、少なくとも第１の中間層１６の中、実施の形態では、シリコンがドープされたアルミニウム層の中まで浸透させて合金化する（図５の領域１５を参照せよ）。裏面電界を形成する層１４の縁部領域にまでの更なる浸透合金化を行なうことができる(図４の領域１５を参照せよ)。

半田づけ可能な材料を少なくとも第１の中間層１６へおよび／または第２の中間層１４へまで入れるための他の可能性は、半田づけ可能な材料が、熱噴霧によって、焼結されたアルミニウム層１２へ塗布されることにある。更に、超音波を加えることおよび／または熱処理を行なうことができる。半導体素子を、溶接可能な材料の浸透合金化のために振動させるとき、超音波を、１０ｋＨｚと１００ｋＨｚの間の周波数範囲で、好ましくは２０ｋＨｚと８０ｋＨｚの範囲で供給するほうがよい。半田づけ可能な材料自体が、１０ｍ／ｓと１０００ｍ／ｓの間の、好ましくは３００ｍ／ｓの範囲の速度で層１２に衝突するほうがよい。

既に前述したように、半導体-金属コンタクトを、従来の半田づけ技術によっても製造することができる。この目的のために、半導体素子の製造中に、半田づけ可能な材料の成分、例えばＳｎまたはＳｎ-Ａｌ合金成分を有するバック・コンタクトのための基礎コンタクト材料からなるペーストを塗布する。既に半導体素子、例えばソーラセルの製造の際に、従ってアルミニウム-シリコン境界面におけるバック・コンタクトの成形の際に、従って層１４と１６の間の移行領域で、連結されているＡｌ-Ｓｎ層を形成する。この層は、Ａｌ-Ｓｎ層として、裏面の外面まで延びている。

Ｓｎ成分を有するアルミニウムペーストを用いるとき、アルミニウムペーストのＳｎ成分は、０ａｔ．％＜ｘ＜５０ａｔ．％の間の範囲にあることが可能である。シリコンにおけるＳｎの溶解度が極めて低くて、Ｓｉ-Ｓｎ２成分系の相図で７００℃では０．０５ａｔ．％にあり、９００℃では０．０８ａｔ．％にあるので、合金相の形成（Legierungsphase）中に、バック・コンタクト形成の際に、Ａｌ成分が存続する。その結果、Ａｌ-Ｓｎ合金層と、Ａｌが多くドープされておりかつ裏面での裏面電界の原因をなしてエピタキシャル成長するＳｉ層１４とが、Ｓｎの存在で、妨げられずに成長することができる。ＳｎがＳｉに対し等電子であるので、このことから、バック・コンタクトの電気的特性のかなりの変化は生じない。従って、従来のプロセスパラメータを維持することができる。その結果、技術の変化は必要でない。

しかし、アルミニウムペーストが、５０ａｔ．％と１００より少ないａｔ．％との間の範囲のＳｎ成分を含むという可能性もある。このような組成では、裏面金属化部分全体が、２３０℃と５８０℃の間の範囲の低い温度でも、溶融する。その結果、アルミニウム含量のＡｌ-Ｓｉ境界層が形成される。ＳｉにおけるＳｎの溶解度が低いので、前記説明が成り立つ。

種々のＳｎ成分を有するペースを用いることによるコンタクトの前記複数の製造法の間の相違は、Ｓｎの成分が≦５０％であるとき、コンタクト層が、ＡｌとＳｉの間の合金の形成によって、一定程度まで溶融し、これに対し、Ｓｎの成分が高いとき、即ち５０％ないし１００より少ない％であるとき、バック・コンタクト層が、ＡｌとＳｎの間の合金の形成によって全く液状にあることにある。

層のＳｎ成分は、図５に略示する0ように、バック・コンタクト層のＳｎ成分から、少なくともＡｌ-Ｓｉ-Ｓｎ合金層、即ち中間層１６まで達する。

半導体-金属コンタクトを形成するための他の方法は、半田づけ可能な材料を半導体の裏面に半田づけする際に、完全な合金化（Durchlegierung）を行なうことにある。この場合、第２の層は、同様に、所定の量（Einstellung）の対応の半田づけ可能な材料を有する。この場合、以下に、第２の層１２の基礎コンタクト材料がアルミニウムであり、半田材料がＳｎであることを出発点とする。Ｓｎの半田を裏面から半田づけするとき、ＳｎによるＡｌ-Ｓｎ合金の局所的な添加と、このことから、用いられるＳｎの量に左右される、Ａｌ層の異なった組成とが生じる。限られた半田づけ温度によって、半田合金／半田ゾーンの浸透の深さを定める。半田づけ温度が２５０℃であるとき、２ａｔ．％のアルミニウムが溶ける。しかしながら、金属バック・コンタクト層、即ち第２の層１２におけるＳｎの含有量が、平衡温度に従って限定して調整されたので、この層は、合金層１６の境界面まで達する。半田づけは金属層に入り、濃度が変化する。何故ならば、Ａｌ含有量が著しく増大するからである。Ｓｎ成分が非常に高いとき、溶融ゾーンが金属層へ流れ込むことがある。半田づけ効果は、金属バック・コンタクト層１２にＳｎを添加することによって、強化される。Ａｌ-Ｓｎ合金の適切な組成によって、所定の温度では、浸透の深さを調整することができる。

焼結相の形成中に合金層をコンタクトに形成する間に、ＡｌおよびＳｎが結合して、連結されている層を形成する。この層は、Ｓｎに対し５０より少ない％の重量部の場合の組成にとって多孔性であり、Ｓｎ成分が５０より多い重量％であるときの組成では緻密である。このことによって、Ｓｎ含有の粒子または合金層の部分領域で半田づけを行なうことができる。Ｓｎ含有量を増大させるとき、半田づけ温度を下げることができる。

図４では、第２の層１２の外面から出ている導電性のコンタクトが、参照符号１５を付して示されている。このコンタクトは、第２の中間層１４、従ってアルミニウムがドープされておりかつ裏面電界を形成しているシリコン層に延びている。図５では、導電性のコンタクトが、焼結層、従って第２の層１２から、シリコンがドープされているアルミニウム層である第１の中間層１６まで延びている。しかしながら、導電性のコンタクトが、図４に示されかつ参照符号１５ａが付された領域が明示するように、Ａｌ-Ｓｉ共融混合物１８まで延びているという可能性も存在する。

他の可能性は、図５に示されかつ参照符号１５ｂが付された領域が明示するように、導電性のコンタクトが第２の層１２の中だけに浸透して合金化されていることにある。

第1の半導体層と、基礎コンタクト材料からなる第２の層とから構成されている半導体装置の部分の断面略図を示す。形成された半導体-金属コンタクトを有する、図１に示す半導体素子の概略的な構造を示す。塗布された半田づけ可能な材料を有する、図２に示す半導体素子を示す。奥に到達するのが異なる半導体-金属コンタクトを有する、図２に示す半導体素子を示す。第1の中間層まで達する半導体-金属コンタクトと、第２の層の中にまで浸透して合金化されている半導体-金属コンタクトとを有する、図２に示す半導体素子を示す。

符号の説明

１０第１の層
１２第２の層
１４第２の中間層
１５ａ導電性のコンタクト
１６第１の中間層
１８共融混合物

Claims

半導体からなる第１の層（１０）と、この第１の層の上側に設けられ、第１の層全体に渡って延びている第２の層（１２）と、前記第１の層と前記第２の層の間に延びておりかつ前記第１の層および前記第２の層の材料により夫々形成され、第１並びに第２の中間層を含んだ少なくとも２つの中間層（１４，１６）とを有する半導体素子であって、
前記第２の層（１２）側に位置する前記第１の中間層（１６）は、前記第１の層および前記第２の層の複数の材料からなる共融混合物（１８）と、前記第１の層との導電性接続を形成しかつ前記第２の層から出てまたはこの第２の層を貫通する導電性のコンタクト（１５，１５ａ，１５ｂ）とを含んでいる、半導体素子であって、
前記導電性のコンタクト（１５，１５ａ，１５ｂ）は、前記第２の層（１２）の中で合金化されており、または前記第２の層の前記材料と混合物を形成する半田づけ可能なまたは金属との濡れ性のある材料で形成されていることを特徴とする半導体素子。
前記半田づけ可能なまたは金属との濡れ性のある材料は、導電性のコンタクト（１５，１５ａ，１５ｂ）として、前記第２の層（１２）から出て、前記第２の中間層（１４）中に浸透して合金化されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体素子。
前記第１の層（１０）と、前記第１の中間層（１６）との間に、前記第２の層の材料がドープされている前記第２の中間層（１４）が延びており、この第２の中間層まで、前記半田づけ可能なまたは金属との濡れ性のある材料を含む前記導電性のコンタクト（１５，１５ａ，１５ｂ）が延びていることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体素子。
前記第２の層（１２）は、Ａｌ，Ｉｎ，Ｇａ，Ｂのグループの少なくとも１つの基礎コンタクト材料またはこのグループの複数の材料の混合物であり、あるいはこの基礎コンタクト材料または混合物を含むことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１に記載の半導体素子。
前記導電性のコンタクト（１５，１５ａ，１５ｂ）の前記半田づけ可能なまたは金属との濡れ性のある材料は、Ｓｎ，Ｐｂ，Ｉｎ，Ｇａ，Ｃｄ，Ｆｅ，Ａｇ，Ａｕ，Ｔｉ，Ｈｆ，Ｚｎ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｂａのグループの少なくとも１つの材料、半田材料または前記グループの複数の材料の混合物であり、あるいは前記材料、半田材料または混合物を含むことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１に記載の半導体素子。
前記第２の層（１２）は、少なくとも部分的に、Ａｌおよび前記半田づけ可能なまたは金属との濡れ性のある材料の混合物からなることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１に記載の半導体素子。
前記第２の層（１２）は、Ａｌおよび前記半田づけ可能なまたは金属との濡れ性のある材料の混合物から製造されている材料からなることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１に記載の半導体素子。
前記半田づけ可能なまたは金属との濡れ性のある材料は、前記第２の層（１２）の形成後に、この第２の層の中に浸透して合金化されていることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１に記載の半導体素子。
前記半田づけ可能なまたは金属との濡れ性のある材料は、裏面電界を形成しており、かつ、前記第２の層（１２）の基礎コンタクト材料と合金化される半導体からなる前記第２の中間層（１４）の中に浸透して合金化されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体素子。
前記第１の層（１０）から形成される前記第２の中間層（１４）には、前記第２の層（１２）の基礎コンタクト材料と、前記半田づけ可能なまたは金属との濡れ性のある材料とが溶解されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体素子。
前記第２の層（１２）は、０．０１重量％ないし９９．９重量％の半田づけ可能なまたは金属との濡れ性のある材料、を含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体素子。
前記第２の層（１２）は、１０重量％ないし５０重量％の半田づけ可能なまたは金属との濡れ性のある材料を含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体素子。
前記半田づけ可能なまたは金属との濡れ性のある材料は、スズまたはスズ合金を含むことを特徴とする請求項１１又は１２に記載の半導体素子。
半導体材料からなる第１の層（１０）と、この層の上側に第１の層全体に渡って延びるように形成されており、かつ金属からなりまたは金属を含む基礎コンタクト材料からなる第２の層（１２）と、を有する半導体素子の金属-半導体コンタクト（１５，１５ａ，１５ｂ）を製造する方法において、
前記第２の層（１２）の形成後に、この層の上に、半田づけ可能なまたは金属との濡れ性のある材料（２０）を形成し、あるいは、前記第２の層（１２）の形成のために、前記第１の層（１０）の上に、第２の材料および半田づけ可能なまたは金属との濡れ性のある材料からなる混合物を塗布すること、および前記半田づけ可能なまたは金属との濡れ性のある材料の機械的な処理および／または熱処理および／または熱噴霧によって、半田づけ可能なまたは金属との濡れ性のある材料を、前記第２の層（１２）の中で合金化し、あるいは、この第２の層の中におよび前記半導体素子の製造中に前記第１のおよび第２の層の間に形成される少なくとも１つの中間層（１４，１６，１８）の中に浸透させて合金化することを特徴とする方法。
前記半田づけ可能なまたは金属との濡れ性のある材料を、前記製造される半導体素子の熱処理によってのみまたはほぼ熱処理によってのみ、前記第２の層（１２）の形成中におよび／または形成後に、前記第２の層の中に、あるいはこの第２の層（１２）および前記少なくとも１つの中間層（１４，１６，１８）の中に浸透させて合金化することを特徴とする請求項１４に記載の方法。
前記半田づけ可能なまたは金属との濡れ性のある材料を、音波振動処理によって、前記第２の層（１２）の中に、あるいは、この第２の層（１２）および前記少なくとも１つの中間層（１４，１６，１８）の中に浸透させて合金化することを特徴とする請求項１４に記載の方法。
前記熱処理を温度Ｔで行ない、但し、１５０℃≦Ｔ≦８００℃であることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
前記熱処理を温度Ｔで行ない、但し、２３０℃≦Ｔ≦６００℃であることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
前記半田づけ可能なまたは金属との濡れ性のある材料を、前記製造される半導体素子に超音波を加えることによって、前記第２の層の形成中におよび／または形成後に、前記第２の層（１２）の中に、あるいは、この第２の層（１２）および前記少なくとも１つの中間層（１４，１６，１８）の中に浸透させて合金化することを特徴とする請求項１４に記載の方法。
超音波を周波数ｆで加え、但し、１０ｋＨＺ≦ｆ≦１００ｋＨｚであることを特徴とする請求項１９に記載の方法。
超音波を周波数ｆで加え、但し、２０ｋＨＺ≦ｆ≦８０ｋＨｚであることを特徴とする請求項１９に記載の方法。
超音波を２０ｋＨＺまたは４０ｋＨｚの周波数で加えたことを特徴とする請求項１９に記載の方法。
超音波を加える最中に、前記製造される半導体素子を温度Ｔに晒し、但し、０℃≦Ｔ≦１０００℃であることを特徴とする請求項１９に記載の方法。
超音波を加える最中に、前記製造される半導体素子を温度Ｔに晒し、但し、２０℃≦Ｔ≦６００℃であることを特徴とする請求項１９に記載の方法。
前記半田づけ可能な材料を、熱噴霧によって、前記第２の層（１２）へ塗布することを特徴とする請求項１４に記載の方法。
前記半田づけ可能な材料を、速度ｖで塗布し、但し、１０ｍ／ｓ≦ｖ≦３０００ｍ／ｓ、であることを特徴とする請求項２５に記載の方法。
前記半田づけ可能な材料を、速度ｖで塗布し、但し、ｖ≒３００ｍ／ｓであることを特徴とする請求項２５に記載の方法。
前記熱噴霧中に、前記製造される半導体素子を、温度Ｔに晒し、但し、０℃≦Ｔ≦５００℃であることを特徴とする請求項２５に記載の方法。
前記熱噴霧中に、前記製造される半導体素子を、温度Ｔに晒し、但し、２０℃≦Ｔ≦６００℃であることを特徴とする請求項２５に記載の方法。
前記熱噴霧中に、前記製造される半導体素子に、周波数ｆの超音波を加え、但し、１０ｋＨＺ≦ｆ≦１００ｋＨｚであることを特徴とする請求項２５に記載の方法。
前記熱噴霧中に、前記製造される半導体素子に、周波数ｆの超音波を加え、但し、２０ｋＨＺ≦ｆ≦８０ｋＨｚであることを特徴とする請求項２５に記載の方法。
前記熱噴霧中に、前記製造される半導体素子に、２０ｋＨＺまたは４０ｋＨｚの周波数の超音波を加えることを特徴とする請求項２５に記載の方法。
前記第1の層（１０）へ、前記第２の層（１２）の基礎コンタクト材料および前記半田づけ可能な材料からなる混合物、あるいは、この半田づけ可能な材料を含む合金を塗布し、次に、前記第２の層（１２）を形成することを特徴とする請求項１４に記載の方法。
前記基礎コンタクト材料は、Ａｌペーストであることを特徴とする請求項３３に記載の方法。
混合物としては、前記半田づけ可能な材料および／またはこの半田づけ可能な材料を含む合金の割合ｘを有する混合物を用い、但し、０重量％＜ｘ≦５０重量％または５０重量％≦ｘ＜１００重量％であることを特徴とする請求項３３に記載の方法。
前記半田づけ可能な材料を、前記第２の層（１２）に点状に温度を加えることによって、特に半田づけによって、前記少なくとも１つの中間層まで浸透させて合金化する請求項１４に記載の方法。
前記第２の層（１２）のための基礎コンタクト材料として、Ａｌ，Ｉｎ，Ｇａ，Ｂのグループの少なくとも１つの材料、またはこのグループの複数の材料からなる混合物であり、あるいは、前記材料または混合物を含む材料を用いることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
前記半田づけ可能なまたは金属との濡れ性のある材料として、Ｓｎ，Ｉｎ，Ｐｂ，Ｇａ，Ａｇ，Ａｕ，Ｃｄ，Ｆｅ，Ｔｉ，Ｈｆ，Ｚｎ，Ｍｇ，Ｃａ，Ｂａのグループの少なくとも１つの材料、または前記グループの複数の材料の混合物であり、あるいは前記材料または混合物を含む材料を用いることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
前記半田づけ可能なまたは金属との濡れ性のある材料として、Ｓｎ合金であるかＳｎ合金を含む材料を用いることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
前記第1の層（１０）と前記第２の層（１２）との間に、前記第２の層の、前記第1の層の材料と合金化されかつ前記第２の層に形成された層である第1の中間層（１６）と、前記第２の層の材料と合金化されかつ前記第１の層に形成された層である第２の中間層（１４）と、前記第1の中間層と前記第２の中間層の間に延びている共融混合物（１８）と、を形成することを特徴とする請求項１４に記載の方法。