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Verfahren zur Vorbereitung.von elektrischen Halbleiteranordnungen
mit .einlegierten Elektroden für das Anbringen von elektrischen Anschlußleitern
an diesen Elektroden Die Erfindung bezieht sich auf eine Verbesserung des Verfahrens
zum Anbringen von elektrischen Anschlußleitern an elektrischen Halbleiteranordnungen
mit einlegierten Elektroden, indem diese einlegierten Elektroden in bestimmter Weise
für die Anbringung des Anschlußleiters vorbereitet werden.
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Solche Halbleiteranordnungen bzw. Halbleiterbauelemente können auf
der Basis eines einkristallinen Halbleiterkörpers aus einem Elementhalbleiter, wie
Germanium oder Silizium, oder einem solchen aus einer intermetallischen Verbindung,
wie z. B. einer Ar,IB@.-Verbindung hergestellt sein.
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Es ist in manchen Fällen erwünscht, den elektrischen Anschlußleiter
mittels einer Verlötung an der. einlegierten Elektrode anzubringen und in anderen
Fällen wiederum zweckmäßig, diesen mit der Elektrode zu verschweißen, z. B. mit
Hilfe einer elektrischen Widerstandsverschweißung.
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Der Erfindung liegt nun die Erkenntnis zugrunde, daß zum Herstellen
einer einwandfreien Verbindung zwischen einem elektrischen Anschlußleiter und der
einlegierten Elektrode das Gefüge in der, nach dem Legierungsprozeß wieder auskristallisierten,
aus Elektrodenmaterial und Halbleitermaterial bestehenden Zone eine beachtliche
Rolle spielt und daher in seinem Zustand beachtet werden muß.
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So ist es für das elektrische Verschweißen der beiden Teile günstig,
wenn das wieder auskristallisierte Gefüge des Elektrodenmaterials möglichst feinkristallin
ist, d. h., die Halbleiterkristallite, welche in das auskristallisierte Elektrodenmaterial
eingeschlossen sind, haben nur eine relativ kleine Größe, sind in großer Zahl vorhanden
und liegen möglichst nahe einander benachbart. Der Grund hierfür liegt offenbar
darin, daß das Anlösen eines Gefüges bei einer Erwärmung vorzugsweise an den Korngrenzen
der eingelagerten Halbleiterkristalle einsetzt und dann erst in das andere Elektrodenmaterial
hinein fortschreitet. Würden aber nur große eingelagerte Halbleiterkristallite vorhanden
sein, so würde ein solcher Halbleiterkristallit entweder von der aufgesetzten Elektrode
her relativ spät erwärmt werden ,infolge eines relativ langen Weges für die Wärmeenergie,
oder diese würde einen solchen Kristallit zwar relativ schnell erreichen und aufheizen,
aber dann würde der nächste Halbleitermaterialkristallit erst durch das weitere
Elektrodenmaterial hindurch erwärmt werden können. Sollen bei einem solchen grobkristallinen
Gefüge auftretende Schwierigkeiten. beim Schweißen überwunden werden, so müßte eine
relativ große Schweißleistung aufgewendet werden. Dann kann die Erwärmung aber gleichzeitig
in Richtung auf den Halbleiterkörper so schnell fortschreiten, daß dadurch die beim
Legierungsprozeß im Halbleiterkörper erzeugte Legierungsfront in: unerwünschter
Weise beeinflußt wird.
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Umgekehrt wurde für das Anlöten eines elektrischen Anschlußwiderstandes
an einer in den Halbleiterkörper einlegierten Elektrode ein grobkristallines Gefüge
als zweckmäßig erkannt, d. h. also .ein Gefüge, bei welchem in dem einkristallinen
Gefüge des fast reinen Elektrodenmaterials relativ große Halbleiterkristallite eingelagert
sind: Ein Verlöten: erfordert im allgemeinen ein vorhergehendes Ätzen der legierten
Halbleiteranordnungen. So können beispielsweise Siliziumkristalle nicht verlötet
werden, d. h., solche in der Oberfläche einer, Legierungselektrode erscheinenden
Siliziumkörper .müssen vorher durch einen Ätzprozeß entfernt werden. Handelt es
sich nun um große eingelagerte, Siliziumkristalle, die also auch in größerer Entfernung
voneinander in dem Elektrodenmaterial liegen, so gelingt es auf verhältnismäßig
einfache Weise, durch den Ätzpxozeß das Silizium bzw. Halbleitermaterial zu entfernen.
Es entstehen dann Ätzgruben, zwische,n, denen relativ große Flächen des Elektrodenmaterials
vorhanden sind, .an denen sich dann auch eine gute Verlötung durchführen läßt. Würde
dagegen nur- ein feinkristallines Gefüge vorliegen, so würde es nicht in so einfacher
Weise gelingen, das in der Oberfläche liegende oder in der oberflächennahen Zone
vorhandene einkristalline Silizium durch Ätzen zu beseitigen, sondern man würde
vielmehr nur zu einer oberflächennahen Zone gelangen, die ein relativ dünnwandiges
feinporiges
Gefüge von raumformmäßigem Aufbau eines Schwammes hat.
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Aufbauend auf den vorstehend aufgezeigten Erkenntnissen wird ein Verfahren
zur Vorbereitung von elektrischen Halbleiteranordnungen bzw. Halbleiterbauelementen
mit einlegierten Elektroden für das Anbringen von Anschlußleitern an diesen Elektroden
geschaffen, indem erfindungsgemäß beim Einlegieren der Elektroden in den Halbleiterkörper
die Abkühlungsgeschwindigkeit der Halbleiteranordnung am Ende des Legierungsprozesses
etwa vom eutektischen Punkt der aus Elektrodenmaterial und Halbleitermaterial bestehenden
Legierung an für den Fall einer späteren Verlötung des Anschlußleiters mit der einlegierten
Elektrode so gelenkt wird, daß im Elektrodenmaterialkörper in der Zone nahe der
späteren Verbindungsfläche mit dem Anschlußleiter durch eine relativ kleine Abkühlungsgeschwindigkeit
ein grobkristallines Gefüge erzeugt wird.
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Bei einer Abwandlung des vorstehend beschriebenen Verfahrens wird
der Abkühlungsprozeß der Halbleiteranordnung am Ende des Legierungsprozesses etwa
vom eutektischen Punkt der aus Elektrodenmaterial und Halbleitermaterial bestehenden
Legierung an im Falle einer späteren elektrischen Widerstandsverschweißung des elektrischen
Anschlußleiters mit der einlegierten Elektrode so gelenkt, daß im Elektrodenmaterialkörper
in der Zone nahe der Verbindungsfläche mit dem elektrischen Anschlußleiter durch
eine schnelle Abkühlung oder einen Temperatursprung im Verlauf der Abkühlung an
Stelle eines grobkristallinen Gefüges ein feinkristallines Gefüge erzeugt wird.
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Es war beim Herstellen von Halbleiterkörpern mit dotierten Bereichen
durch Einlegieren von Elektrodenmaterialien aus dem -Jeweiligen Dotierungsstoff
oder einem diesen enthaltenden Trägerstoff zwar bekannt, ein gewisses Temperaturzeitprogramm
einzuhalten. Im allgemeinen war dies ein Temperaturprofil, nach welchem ein linearer
Anstieg der Temperatur bis zu einer Spitzentemperatur gewählt wurde, welche dann
über eitlen gewissen Zeitraum genau aufrechterhalten wurde, um Gleichgewichtsbedingungen
herzustellen, und von welchem dann die Temperatur allmählich erniedrigt wurde, um
günstige Bedingungen für ein gleichmäßiges Wiederauskri@stallisieren zu schaffen.
Indessen wurde nicht erkannt, daß der Verlauf des Abkühlungsprozesses beim Einlegieren
eines Elektrodenmaterials zweckmäßig jeweils in bestimmter Weise gestaltet wird,
je nachdem, ob später an der einlegierten Elektrode ein weiterer Anschlußleiter
durch Anlöten oder Anschweißen befestigt werden soll.
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Auch war es beim Einlegieren von Elektrodenmaterialien in zwei einander,gegenüberliegende
Oberflächenteile eines Halbleiterkörpers bekannt, die Anordnung in einer trockenen
Wasserstoffatmosphäre mit einer Geschwindigkeit in der Größenordnung von 100° C/sec
zu erhitzen und danach zur Abkühlung auf die Umgebungstemperatur mit einer Geschwindigkeit
von etwa 40° C/sec sich selbst zu überlassen. Diese Anordnung wurde dann nach einer
Flüssigkeitsbehandlung erneut in einer trockenen Wasserstoffatmosphäre auf 800°
C erhitzt, um aus den einlegierten Bereichen einen Aktivator in das benachbarte
Germanium eindiffundieren zu lassen. Nach dem Eindiflrundieren bei 800° C über einen
Zeitraum zur Bildung der eindiffundierten n-leitenden Schicht vorbestimmter Dicke
wurde der Halbleiterkörper zunächst langsam bis aus 500° C, z. B. mit 1 ° Cimin,
und alsdann schneller bis auf die Umgebungstemperatur abgekühlt.
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Dieses Abkühlungsprogramm erfolgte also am Ende des Diffusionsvorganges,
bei dem die legierten Elektrodenmaterialien sich bereits wieder in festem Zustand
befanden. Es wurde im wesentlichen dabei nur der langsamen Abkühlung -bis auf 500°
C Bedeutung beigemessen, mit der Zielsetzung, solche thermischen Mängel in dem Halbleiterkörper
zu vermeiden, welche als Akzeptoren wirken, und welche in nachteiliger Weise die
Eigenschaften eines Teiles des Germaniums beeinflussen können.
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Zur näheren Erläuterung der Erfindung an Hand eines entsprechenden
beispielsweisen Schaubildes wird nunmehr auf die Figur der Zeichnung Bezug genommen.
In dieser ist das Temperaturprogramm eines Legierungsprozesses einer Siliziumhalbleiteranordnung
wiedergegeben. In den Halbleiterkörper wurde eine Gold-Antimon-Elektrode einlegiert
aus einem Elektrodenmaterial, welches zunächst in Folienform auf den Halbleiterkörper
aufgelegt und mittels einer Hilfsform an diesen angepreßt wurde. In diesem Schaubild
ist über der Zeit in Stunden die Temperatur in Celsiusgraden aufgetragen. In dem
Schaubild ist das Abbild der von einem Schreiber aufgezeichneten Kurve wiedergegeben.
Vom Punkt 1 aus wurde die zu legierende Halbleiteranordnung zunächst bis zum Punkt
1I erhitzt. Auf der Temperatur des Punktes 1I wurde diese dann über einen gewissen
Zeitraum gehalten und dann abgekühlt. Aus dieser Abkühlungszeit ist im Schaubild
ein gewisses Stück herausgelassen, welches durch die strichpunktierten Begrenzungslinien
angedeutet ist. Vom Punkt III an, d. h. bei einer Temperatur von etwa 370° C, die
der eutektischen Temperatur der Legierung Gold-Silizium entspricht, wurde die Abkühlungsgeschwindigkeit
der Halbleiteranordnung beschleunigt. Durch eine solche Temperaturbehandlung der
Halbleiteranordnung bei der Abkühlung mit einem Temperatursprung in der Abkühlungskurve
entsprechend einer z. B. etwa 10fach gesteigerten Abkühlungsgeschwindigkeit wurde
eine Halbleiteranordnung erzeugt, die in dem wiederauskristallisierten Elektrodenmaterial
in der für den Anschluß der Zuleitung vorgesehenen Zone ein feinkristallines Gefüge
besitzt und somit für das Verbinden des elektrischen Anschlußleiters mit Hilfe einer
elektrischen Widerstandsverschweißung mit der einlegierten Elektrode geeignet ist.
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Soll dagegen das Gefüge der einlegierten Elektrode für eine Lötverbindung
mit dem elektrischen Anschlußleiter vorbereitet werden, so wird der Abkühlungsprozeß
vom eutektischen Punkt III aus verhältnismäßig flach, z. B. mit einer Geschwindigkeit
von beispielsweise 0,6° C/min, weitergeführt oder sogar mit einer Geschwindigkeit,
die noch kleiner, bis herab zu etwa 0,1 ° C/min, sein kann.
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Für die Erzielung einer großen Abkühlungsgeschwitndigkeit kann beispielsweise
die Form, in der das Legieren vorgenommen wird, mit einem besonderen Kühlmittel
in Form von Luft oder einer Flüssigkeit, gegebenenfalls mit entsprechend bemessener
Strömungsgeschwindigkeit bespült werden. Umgekehrt kann für eine Verringerung der
Abkühlungsgeschwindigkeit die erkaltende Form in ihrer Abkühlung verzögert werden,
indem sie beispielsweise
mit einer Strömung eines besonders beheizter.
Mittels vorbestimmter Temperatur beschickt wird oder unmittelbar entsprechend beheizt
wird.
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Es kann allerdings notwendig sein, daß den mechanischen Eigenschaften
des Halbleiterkörpers bei der Anwendung eines solchen Temperatursprunges in der
Abkühlungskurve eine besondere Beachtung geschenkt werden muß. Das ist z. B. dann
der Fall, wenn die einlegierte Elektrode relativ dick ist. Damit durch einen zu
schnallen Anstieg der in der Halbleiterscheibe .bei dem Erkalten der Anordnung entstehenden
mechanischen Spannungen die Halbleiterscheibe nicht bricht, wird, wie es bei Halbleiterbauelementen
schon bekannt ist, zweckmäßig gleichzeitig mit dem Einlegieren der Elektrode auf
der gegenüberliegenden Oberfläche des Halbleiterkörpers eine Hilfsplatte aus einem
Werkstoff anlegiert, der in seinem thermischen Ausdehnungskoeffizienten demjenigen
des Halbleitermaterials möglichst benachbart liegt. -Diese Hilfsträgerplatte imuß
dann auf Grund von gewonnenen Erfahrungswerten mit einer solchen Dicke bemessen
werden, daß sie die Halbleiterkörperplatte entsprechend mechanisch gegen unzulässige
Biegungsbeanspruchungen schützt. Das neue Verfahren hat sich z. B. beim Einlegieren
von Dotierungsmaterial enthaltenden Goldfolien in Silizium bewährt. An Schliffbildern
von Versuchsergebnissen mit verschiedener Führung des Abkühlungsvorganges ist erkennbar,
daß bei der naturgegebenen Gleichheit der Mengenanteile an Silizium in der eutektischen
Legierungsschicht die Anzahl der Siliziumkristalle in der Volumeneinheit bei einer
in obigem Sinne feinkristallinen Struktur um mehrere Zehnerpotenzen größer ist als
bei einer in obigem Sinne grobkristallinen Struktur. Übereinstimmend damit liegen
bei der feinkristallinen Struktur die Kristallabmessungen überwiegend in der Größenordnung
1 it, während bei der grobkristallinen Struktur meist Werte in der Größenordnung
von 10 w und höher meßbar sind.