DE1236081B - Verfahren zur Herstellung von ohmschen Kontakten an Halbleiterbauelementen - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

HOIl

Deutsche Kl.: 21g-11/02

Nummer: 1236 081

Aktenzeichen: St 21617 VIII c/21;

Anmeldetag: 29. Januar 1964

Auslegetag: 9. März 1967

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von ohmschen Kontakten an Halbleiterbauelementen mit einem Halbleiterkörper mit mindestens zwei Schichten entgegengesetzten Leitungstyps durch Auflegieren einer Goldschicht mit einer weiteren Metallschicht.

Die Technik der Herstellung von Halbleiterbauelementen, wie Dioden und Transistoren, hat nach den grundlegenden Entwicklungen vor etwa zwei Jahrzehnten große Fortschritte gemacht. Die Anforderungen an neue Festkörperbauelemente und die strengen Bedingungen für die Raumfahrt haben jedoch die industriellen und fabrikatorischen Möglichkeiten selbst der am meisten fortgeschrittenen Laboratorien in einem solchen Maße angespannt, daß die Reproduzierbarkeit, Zuverlässigkeit und Kosten noch wichtigere Faktoren geworden sind.

Das Hauptproblem in der Halbleitertechnik besteht bei der Herstellung geeigneter Kontaktanordnungen, welche starke mechanische Stöße, Vibrationen und andere Beanspruchungen aushalten.

Nach der belgischen Patentschrift 575 275 ist es bereits bekannt, Kontaktelektröden auf Halbleiterkörpern durch Aufdampfen einer Goldschicht und ohne Unterbrechung einer anschließenden Silberschicht herzustellen. Nachteilig ist bei diesem Verfahren, daß der Halbleiterkörper über eine relativ lange Zeit erhitzt werden muß und daß im Vakuum aufgedampft wird.

Durch die österreichische Patentschrift 197 436 ist das Aufbringen von Nickel als Kontaktmaterial und das Einsintern bei Temperaturen über 700° C aber noch unterhalb des Schmelzpunkts des Halbleitermaterials bekannt. Auch dabei wird über einen verhältnismäßig langen Zeitraum bei verhältnismäßig hohen Temperaturen gearbeitet. Schließlich ist die Verwendung von Nickel als Zusatz zu Legierungsmaterial mit dem Ziel, den Sperrwiderstand des beim Legieren gebildeten pn-Überganges herabzusetzen, durch die deutsche Auslegeschrift 1 058 632 bekanntgeworden.

Die Erfindung vermeidet die Nachteile der bekannten Verfahren zum Herstellen von ohmschen Kontakten bei Halbleiterbauelementen und ermöglicht es, ohmsche Kontakte herzustellen, die zuverlässiger, billiger und besser reproduzierbar sind als die bisher bekannten Kontakte. Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß auf den Halbleiterkörper zuerst eine Schicht aus Gold und dann eine weitere Schicht aus Nickel aufgebracht wird, daß beide Schichten miteinander und mit dem Halbleiterkörper bei etwa 500⁰C legiert werden und daß anschließend eine Verfahren zur Herstellung von ohmschen
Kontakten an Halbleiterbauelementen

Anmelder:

Deutsche ITT Industries Gesellschaft

mit beschränkter Haftung,

Freiburg (Breisgau), Hans-Bunte-Str. 19

Als Erfinder benannt:

Nicola Anthony Calandrellö,

Andover, Mass.;

John Hill,

John Royan,

Wakefield, Mass. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 6. Februar 1963
(256 631)

weitere Nickelschicht aufgebracht und an diese ein Zuleitungsdraht angelötet wird. An Stelle von Gold als erster Metallschicht kann auch Palladium verwendet werden.

Das Verfahren gemäß der Erfindung eignet sich insbesondere für die Massenproduktion.

Die gemäß der Erfindung hergestellten Kontakte halten starke Stöße und Vibrationen aus.

Bei Halbleiterbauelementen mit gemäß der Erfindung hergestellten Kontakten sind alle einzelnen Teile des Bauelements molekular verbunden oder legiert.

Das Verfahren gemäß der Erfindung eignet sich besonders für Planarsysteme, wie z. B. Planardioden oder Planartransistoren.

Die Erfindung soll an Hand der Figuren näher beschrieben werden.

F i g. 1 zeigt vielfach vergrößert einen Schnitt durch eine Halbleiterdiode mit Gehäuse, die nach den bekannten Verfahren hergestellt ist;

Fig. 2 zeigt vielfach vergrößert einen Schnitt durch eine Halbleiterdiode, die nach dem Verfahren gemäß der Erfindung hergestellt ist;

Fig. 3 zeigt das Fließbild der Verfahrensschritte für die Herstellung einer Ausführungsform der Erfindung.

709 518/385

3 4

In der F i g. 1 ist eine Diode dargestellt, die in eine mindestens ein Teil der mit Bor dotierten Oberfläche

Glashülle 2 eingebaut ist und leitende Zuleitungen 3 des Siliziumplättchens 4 frei liegt. Die isolierende

besitzt, die an den Enden der Glasumhüllung 2 her- Schicht 10 deckt die Oberfläche der Scheibe 4 wäh-

ausragen. Der untere Anschluß 3 ist an einem Platt- rend der Bildung des Kontaktes 7 ab und kann vor

chen 4 aus Halbleitermaterial mittels des Lotes 5 be- 5 dem Zusammenbau entfernt werden. Die Schicht 10

festigt. kann jedoch auch zum Schutz des Halbleiterkörpers

Das Halbleiterplättchen 4 enthält eine dotierte in der zusammengebauten Diode verbleiben. Der Zone 6, die in der geometrischen Mitte der Scheibe nachfolgend beschriebene Kontakt kann gleichzeitig angeordnet ist. In bekannter Weise wird Dotierungs- mit Hunderten anderer Kontakte hergestellt werden, material vom p- oder η-Typ in das Halbleiterplätt- io Bei der Ausführungsform einer nach der Erfindung chen eindiffundiert, je nach dem Leitungstyp des hergestellten Diode, die in F i g. 2 dargestellt ist, be-Plättchens 4. Das Plättchen 4 kann beispielsweise aus steht der Kontakt 7 aus einer Zone 11 aus Gold oder Silizium vom η-Typ bestehen, und die dotierte Zone7 Palladium, einer Schicht 12 aus Nickel und einer kann ein Material vom p-Typ, wie z. B. Bor, enthal- darauf angeordneten Schicht 13 aus einem Lot. Es ten. Ein Kontakt 7, üblicherweise aus Gold, wird vor 15 kann irgendeines der gebräuchlichen Lote verwendet dem Zusammenbau aus einer Goldpille gebildet, in- werden, wie z. B. eine Legierung aus Blei und Zinn, dem die Pille auf die Oberfläche der Zone 6 auf- Wenn jedoch ein zusätzlicher Schutz gegen radiogepreßt wird, während das Plättchen 4 auf einer hei- aktive Strahlung erforderlich ist, besteht die Schicht ßen Fläche erhitzt wird. Schließlich wird die S-förmige 13 vorzugsweise aus reinem Blei.
Zuleitung 8, die zuvor mit der oberen Zuleitung 3 20 Aus dem Vorstehenden kann entnommen werden, und dem Glasabschlußteil 9 vereinigt wurde, in Kon- daß zusätzlich zu den Vorteilen, die sich aus dem im takt mit dem Kondensator 7 gebracht, und danach folgenden beschriebenen Verfahren ergeben, durch wird durch Einwirkung der Wärme zum Verschlie- die Anwesenheit einer Lotschicht 13 die Bildung ßen der Umhüllung 2 die S-förmige Zuleitung 8 eines extrem stabilen und zuverlässigen Kontaktes mechanisch mit dem Kontakt 7 verbunden. Bei 25 mit dem Material der S-förmigen Zuleitung 8 erzielt solchen Konstruktionen treten Ausfälle bei einem wird, wenn die obere Zuleitung 3 und der Glas-Stoß oder bei Vibrationen auf, wo der Kontakt 7 an abschlußteil 9 durch Erwärmung mit der Hülle 2 der dotierten Zone 6 befestigt ist und wo die S-för- verschmolzen werden. Die S-förmige Zuleitung 8, die mige Zuleitung 8 an der Oberfläche des Kontaktes 7 üblicherweise aus Platin oder Palladium besteht, befestigt ist. Die Ausfälle erfolgen wegen der rela- 30 wird vor der Wärmebehandlung zum Abschließen tiven Schwäche der mechanischen Verbindung zwi- gegen den Kontakt 7 gepreßt. Während der Wärmeschen der S-förmigen Zuleitung 8 und dem Kontakt 7 einwirkung zum Verschließen der Hülle 2 trifft die und wegen der Schwierigkeiten bei der Herstellung Wärmestrahlung die Lotschicht 13. Die Wärme wird einer durchgehend zuverlässigen und reproduzier- auch über die S-förmige Zuleitung 8 weitergeleitet, baren Verbindung zwischen dem Kontakt 7 und dem 35 Die Lotschicht 13 schmilzt und verbindet sich mit diffundierten Teil 6. Der letztere Fehler tritt auf, weil dem Material der S-förmigen Zuleitung 8. Auf diese die Zusammenbautechnik von der Geschicklichkeit Weise wird ein extrem fester Kontakt erhalten, der der zusammenbauenden Person abhängt und weil es eine Beschleunigung von mehr als 50 000 g aushält, praktisch unmöglich ist, die gewünschten Tempera- In der F i g. 3 sind in Form eines Fließbildes die türen und Drücke für eine zuverlässige Verbindung 40 einzelnen Verfahrensschritte dargestellt, aus denen zu erreichen. Dies kann nur dann erreicht werden, hervorgeht, daß ein äußerst zuverlässiges und gut wenn tatsächlich jedes dieser bekannten Bauelemente reproduzierbares Halbleiterbauelement mit niedrigen einzeln von Hand zusammengebaut wird. Aus dem Kosten durch das Verfahren gemäß der Erfindung Vorstehenden kann leicht entnommen werden, daß erhalten wird.

solche Bauelemente eine hohe Ausfallrate haben 45 Die Scheiben aus einem Halbleitermaterial wie

und daß die Ausbeuten, wie bekannt, üblicherweise Silizium, Germanium, Galliumarsenid oder einem

nicht größer sind als 50%. Es ist auch klar, daß sich anderen Material werden durch Zersägen eines ein-

die bekannten Vorrichtungen nicht für die Massen- kristallinen Stabes aus dem entsprechenden Material

Produktionstechnik eignen. erhalten. Das Material kann vom p-Typ oder vom

In der F i g. 2 ist eine Planardiode in vielfacher 5° η-Typ sein. Nachdem beispielsweise eine Scheibe aus Vergrößerung zwecks besserer Übersicht dargestellt. Silizium in geeigneter Weise poliert wurde, wird eine Es wurden die gleichen Bezugszeichen verwendet wie Schicht von Siliziumdioxyd auf der Oberfläche des bei den Teilen von Fig. 1. Eine Halbleiterscheibe4 Siliziums durch Erhitzen der Scheibe in einer oxydieaus Silizium oder einem anderen geeigneten Material renden Atmosphäre, vorzugsweise in reinem Sauerist, wie dargestellt, innerhalb des Gehäuses 2 ange- 55 stoff oder in Luft, erzeugt. Kleine Flächenteile oder ordnet und auf der unteren gutleitenden Zuleitung 3 »Fenster« werden aus dem Siliziumdioxyd entfernt, mittels des Lotes 5 befestigt. Das Plättchen 4 enthält z. B. unter Verwendung der bekannten Fotoätzeine beispielsweise mit Bor diffundierte Zone 6, wenn technik.

das verwendete Silizium vom η-Typ ist. Es kann Es wurden ungefähr 400 solcher Gebiete auf einer natürlich der Leitungstyp des Plättchens 4 mit dem 60 einzigen Siliziumscheibe freigelegt, jedoch ist die Ander diffundierten Zone 6 auch vertauscht sein, ohne zahl der Gebiete nur durch die Größe der Scheibe daß die Vorteile der Erfindung verlorengehen. Eine begrenzt oder dadurch, wie nahe die Übergänge Schicht 10 von isolierendem Material, wie z. B. SiIi- nebeneinanderliegen. Als Alternative zur Oxydation ziumdioxyd, bedeckt die obere Fläche des Platt- der Siliziumscheibe und dem Ätzen kann eine mechachens 4, mit Ausnahme einer Zone in der geome- 65 nische Maske verwendet werden, welche eine enttrischen Fläche des Plättchens, in welcher der Kon- sprechende Anzahl von »Fenstern« hat. Wenn im takt gemäß der Erfindung gebildet wird. Ein »Fenster« Bereich der Fenster die Diffusion eines Aktivators ist so in der isolierenden Schicht 10 vorhanden, daß vollendet ist, wird eine dünne Schicht aus Gold oder

Palladium durch die »Fenster« auf die dotierten Teile des Siliziums aufgebracht. Es kann hierzu ein chemisches Plattierungsverfahren verwendet werden. Auch kann die Edelmetallschicht auf die dotierte Siliziumoberfläche aufgedampft werden, jedoch ist die Plattierung vorzuziehen, da in einfacher Weise die Dicke der plattierten Schicht gesteuert werden kann. Eine Schicht aus Nickel wird dann auf die Edelmetallschicht aufgebracht. Es kann wieder ein stromloses Plattierungsverfahren verwendet werden. Das Nickel kann auch auf das Gold aufgedampft werden. Ein elektrolytisches Plattierungsverfahren kann ebenfalls mit gutem Erfolg benutzt werden.

Anschließend werden die Schichten aus Gold und Nickel in den einigen hundert eingeätzten »Fenstern« in die Siliziumscheibe einlegiert. Um den Legierungsprozeß durchzuführen, wird die Siliziumscheibe etwa 5 Minuten lang auf eine Temperatur zwischen 375 und 900° C erhitzt. Es wurde gefunden, daß eine Diode von sowohl mechanisch als auch elektrisch hoher Güte erhalten wurde, wenn die Erhitzung bei einer Temperatur von 500° C für 5 Minuten durchgeführt wird. Diese relativ niedrige Temperatur ist aus einer Anzahl von Gründen vorzuziehen. Phosphor, der bis zu einem gewissen Grade anwesend ist, hat bei dieser Temperatur im Nickel eine niedrige Diffusionsgeschwindigkeit. Eine »Getterung« des Goldes durch das Nickel wird im wesentlichen vermieden durch diese Erhitzung auf eine relativ niedrige Temperatur, so daß die niedrige Lebensdauer der Minoritätsträger, die vor dem Erhitzen vorhanden war, aufrechterhalten wird.

Auch vermindert das Erhitzen bei 500° C thermische, bei der Herstellung auftretende Spannungen. Auf diese Weise wird eine gute Gleichmäßigkeit der Legierung erhalten.

Nach dem Legieren wird eine weitere Nickelplattierung durchgeführt, um die Dicke der Nickelschicht zu vergrößern. Dieses wird vor dem nächsten Verfahrensschritt durchgeführt, nämlich vor dem Überziehen mit dem Lot durch Eintauchen, damit der Kontakt geringfügig über die Siliziumdioxydschicht hinausragt und dadurch das Haften des Lotes erleichtert wird.

Vor dem Verzinnen in einem Tauchbad wird die Scheibe in ein Flußmittel eingetaucht, um das Anhaften des Lotes an dem Nickel zu erleichtern und eine Oxydation des Lotes zu verhindern, da diese einen schlechten ohmschen Kontakt ergibt. Die Verwendung von Lot sowohl an der Anode und Kathode der Diode ist etwas Neues. Durch die aufplattierten Nickelschichten wird die Verwendung eines Lotes möglich. Normalerweise haftet Lot nicht gut an sehr dünnen Goldschichten. Obwohl die Verwendung eines Lotes ein wichtiger Verfahrensschritt bei der Herstellung von Halbleitervorrichtungen ist, welche sehr widerstandsfähig gegen Stöße und Vibrationen sind, kann die Verwendung eines Lotes jedoch unterbleiben, wenn es erwünscht ist, billigere Dioden herzustellen. Es wird dann ein Druckkontakt an der S-förmigen Zuleitung hergestellt.

Das Eintauchen in das Lot ist steuerbar und hängt ab von der Art des Lotes. Der Aufbau der Lotschicht auf dem Nickel kann verändert werden, und zwar in der Weise, daß die Gehäusekapazität einstellbar ist. Hier soll noch einmal daran erinnert werden, daß die ursprünglich auf der Halbleiterscheibe erzeugte Schicht aus Siliziumdioxyd noch vorhanden ist. und verhütet, daß sowohl das aufplattierte Metall als auch das Lot an anderen Stellen haftet als bei den ausgeätzten »Fenstern«.

Schließlich wird der Zusammenbau der Halbleiterbauelemente vorgenommen. Dieser Verfahrensschritt umfaßt das Zerteilen der Halbleiterscheibe in einzelne Plättchen, die den Kontakt gemäß der Erfindung in ihrer geometrischen Mitte haben. Die einzelnen Plättchen werden dann an den Kathodenanschluß innerhalb der Glaskapsel angelötet. Der Anodenkontakt einschließlich der S-förmigen Zuleitung und dem Glasabschlußglied wird dann in die Glaskapsel gebracht. Das eine Ende der S-förmigen Zuleitung ist an einen Anschluß angeschweißt, der durch das Glasabschlußglied der Glaskapsel hindurchführt, und das andere Ende der S-förmigen Zuleitung wird in Druckkontakt mit der Lotschicht des Kontaktes gebracht. Während des Verschließens der Kapsel durch Wärmeeinwirkung wird das Lot geschmolzen, und die S-förmige Zuleitung ist nach dem Abkühlen der Diode fest mit dem Lot verbunden, so daß sich ein starrer Kontaktaufbau ergibt, der bei Einwirkung von starken Stoßen und bei der Vibrationsprüfung zu keinem Ausfall Anlaß gibt. Es soll noch daran erinnert werden, daß bei den bekannten Dioden der Kontakt zwischen der S-förmigen Zuleitung und der Goldpille ein Druckkontakt ist, da die während des Verschließens erzeugte Wärme nicht ausreicht, das Gold zu schmelzen.

Die so erhaltene sehr stabile Kontaktanordnung ist wesentlich besser als die der bekannten Bauelemente und außerdem billiger. Dies wird klar, wenn man berücksichtigt, daß bei Anwendung der bekannten Thermokompressionstechnik eine einzige Person nur einige hundert fertige Bauelemente pro Stunde herstellen kann. Durch das Verfahren gemäß der Erfindung ist es möglich, daß eine einzige Person über hunderttausend fertige Systeme pro Stunde herstellen kann.

Obwohl das Verfahren für die Herstellung von planaren Dioden beschrieben wurde, kann das Herstellungsverfahren auch bei anderen Halbleiterbauelementen, wie z. B. Planartransistoren, verwendet werden.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung von ohmschen Kontakten an Halbleiterbauelementen mit einem Halbleiterkörper mit mindestens zwei Schichten entgegengesetzten Leitungstyps durch Auflegieren einer Goldschicht mit einer weiteren Metallschicht, dadurch gekennzeichnet, daß auf den Halbleiterkörper zuerst eine Schicht aus Gold und dann eine weitere Schicht aus Nickel aufgebracht wird, daß beide Schichten miteinander und mit dem Halbleiterkörper bei etwa 500° C legiert werden und daß anschließend eine weitere Nickelschicht aufgebracht und an diese ein Zuleitungsdraht angelötet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verwendung von Palladium für die erste Metallschicht an Stelle von Gold.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Lot zum Anlöten des Zuleitungsdrahtes Blei mit oder ohne Zusatz von Zinn verwendet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf die oberste Nickel-

schicht eine Lotschicht und auf die Lotschicht vor dem Anlöten des Zuleitungsdrahtes ein Fluß-; mittel aufgebracht wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß auf eine Scheibe aus Halbleitermaterial eine Abdeckung aufgebracht wird, die mehrere voneinander getrennte Gebiete der Halbleiteroberfläche frei läßt, daß auf die frei gelassenen Gebiete Dotierungsmaterial von dem Halbleiter entgegengesetzten Leitungstyps aufgebracht und in die Halbleiterscheibe eindiffundiert wird, so daß eine entsprechende Anzahl von Umwandlungsgebieten erzeugt wird, daß eine GoId-. oder Palladiumschicht und eine Nickelschicht in

den durch die Abdeckung frei gelassenen Gebieten aufgebracht wird, daß die aufgebrachten Metallschichten miteinander und mit dem Halbleiterkörper legiert werden, daß nach dem Aufbringen einer weiteren Nickelschicht auf die durch die Abdeckung frei gelassenen Gebiete eine Lotschicht aufgebracht wird und daß schließlich die Halbleiterscheibe in einzelne getrennte Halbleitervorrichtungen zerteilt wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschriften Nr. 1058632,1127488; österreichische Patentschrift Nr. 197 436;
Unterlagen zum belgischen Patent Nr. 575 275.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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