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Verfahren zur Herstellung eines Überzuges an der Oberfläche eines
Halbleiterkörpers
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Überzuges an der Oberfläche eines Halb- leiterkörpers, das insbesondere zur Herstellung von Anschlüssen niedrigen Widerstandes an Körpern aus
Silizium und Germanium geeignet ist.
Bei der Herstellung von Halbleitereinrichtungen für die Signalumsetzung muss meist am Halbleiterkörper zumindest ein Anschluss niedrigen Widerstandes angebracht werden. Bei den meisten Halbleiter- einrichtungen hängen der Wirkungsgrad und die Zuverlässigkeit des Betriebes unmittelbar von der Art dieses Anschlusses niedrigen Widerstandes und von seiner mechanischen Festigkeit ab. Zur Herstellung von
Anschlüssen dieser Art wird üblicherweise eine Plattierung der Oberfläche des Halbleiterkörpers vorgenommen ; diese Plattierung kann ein Element enthalten, das nach Einlegieren in das darunter liegende Halbleitermaterial dessen Leitfähigkeit erhöht. Die plattierte Fläche bildet eine Elektrode, an der leicht äussere Zuleitungen durch Löten oder auf andere Weise befestigt werden können.
Insbesondere ist es bekannt, für die Herstellung einer solchen Elektrode Gold anzuwenden. Ferner ist es bekannt, mit dem Gold solche Elemente zu legieren, welche die Leitfähigkeit des betreffenden Halbleitermaterials erhöhen oder der Type nach ändern.
Bisher war es üblich, die Überzüge aus Gold und kennzeichnenden Verunreinigungselementen auf galvanischem Wege aufzubringen. Dieses Verfahren hat jedoch bestimmte Nachteile, besonders, wenn es bei kleinen Körpern in der Grössenordnung üblicher Halbleiterelemente angewendet wird.
Die Verfahren zurElektroplattierung erfordern, dass mit den zu plattierenden Körpern entweder durch direkte Drahtanschlüsse, durch Klammern oder durch gegenseitige Berührung der Körper, wie bei der Plattierung in einer Umwälztrommel, elektrische Kontakte hergestellt werden. Im Hinblick auf die Kleinheit und besondere Gestalt der Halbleiterkörper ist dieses Erfordernis praktisch schwer bzw. nur auf kostspieligem Wege zu erfüllen. Durch die abdeckende Wirkung von Draht- oder Klammerkontakten ergeben sich überdies unerwünschte Leckstellen in der fertigen Plattierung. Wenn anderseits die einzelnen Körper umgewälzt oder auch nur in geringem gegenseitigem Abstand im Bad untergebracht werden, können Schwierigkeiten dadurch entstehen, dass einzelne Körper aneinander haften oder sonstwie Oberflächenteile abdecken, die plattiert werden sollen.
Auch können bei der Galvanisierung Gasblasen entstehen, welche dazu führen, dass die Überzüge nicht gleichmässig ausfallen. Schliesslich sind für die einwandfreie Ausführung einer Elektroplattierung erfahrene Facharbeiter erforderlich.
Die Erfindung zielt deshalb darauf ab, das Anbringen eines gleichmässigen metallischen Überzuges niedrigen Widerstandes an Halbleitermaterial zu erleichtern. Insbesondere soll es die Erfindung ermög - lichen, den Überzug ohne Anwendung äusserer elektromotorischer Kräfte und mit minimalem Aufwand an Apparaturen und praktischer Erfahrung herzustellen.
Nach dem Verfahren gemäss der Erfindung wird auf einer vorbereiteten Oberfläche einer Scheibe aus Silizium oder Germanium zunächst durch verhältnismässig kurzzeitiges, gewöhnlich weniger als eine Stunde dauerndes Tauchen der Scheibe in eine alkalische Lösung von Kaliumgoldcyanid ein Goldüberzug niedergeschlagen. Sodann wird die goldplattierte Silizium- bzw. Germaniumscheibe in eine saure Lösung von Antimontrichlorid getaucht, wobei die zu plattierende Scheibe mit einem aktiven Metall, d. h. mit
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einem Metall, welches das Antimon aus der Lösung verdrängt, in Berührung gebracht wird. Beispielswei- se kann zu diesem Zweck mit der Halbleiterscheibe Aluminium in Berührung gebracht werden, wodurch das Antimon rasch auf der goldplattierten Oberfläche der Scheibe niedergeschlagen wird.
Nach diesen Plattierungsvorgängen wird die Scheibe aufeinanderfolgenden Wärmebehandlungen un- terworfen. Zunächst wird eine verhältnismässig niedrige Temperatur angewendet, um eine Diffusion des
Antimons in das Gold zu bewirken, worauf während einer kürzeren Zeit eine höhere Temperatur angewen- det wird, um eine partielle Sinterung von Gold und Antimon in das Halbleitermaterial herbeizuführen.
Durch diese Verfahrensweise wird eine partielle Diffusion des Antimons in die darunter liegende Material- schicht der Leitfähigkeitstype N bewirkt, durch die eine Region höherer Leitfähigkeit entsteht. Die plat- tierte Oberfläche bildet eine Basis, an der die äussere Zuleitung angebracht werden kann, wodurch ein
Anschluss an den Halbleiterkörper erzielt wird, der einen erwünscht niedrigen Widerstand aufweist.
Ein Merkmal der Erfindung liegt somit darin, dass in aufeinanderfolgenden, getrennten Verfahrensstufen ein metallischer Überzug sowie ein metallisches Agens niedergeschlagen werden, welches die gewünschte Änderung der spezifischen Leitfähigkeit bewirkt, ohne dass dabei eine äussere elektromotorische Kraft zur Anwendung gelangt. Der Hauptvorteil dieses elektrodenlosen Plattierungsverfahrens nach der Er- findung liegt in der genauen Regelbarkeit der Dicke der hergestellten Plattierung.
Ein weiteres Merkmal der Erfindung bilden die Wärmebehandlungsstufen, die ein festes Haften des Überzuges von extrem niedrigem elektrischem Widerstand gewährleisten.
Die Erfindung und weitere Ziele und Merkmale derselben sollen nun in Verbindung mit der Zeichnung genauer erläutert werden, die in einem Blockdiagramm schematisch die aufeinanderfolgenden Stufen eines erfindungsgemässen Verfahrens angibt.
Das halbleitende Material, auf das sich die Erfindung bezieht, ist ein hochgradig gereinigtes Material, beispielsweise Silizium oder Germanium, das etwa nach dem in den österr. Patentschriften Nr. 179318 oder 183790 beschriebenen Verfahren hergestellt worden ist.
In einem speziellen Anwendungsfall der Erfindung wurde Halbleitermaterial dieser Art nach an sich bekannten Methoden in Scheibenform gebracht ; diese Scheiben hatten z. B. eine Dicke von 0, 178 mm und eine Hauptfläche von 6,45 oder 12,9 cm. Wie in der Zeichnung durch den Block I angegeben ist, wurde jede Scheibe geätzt, beispielsweise in einer Lösung von Salpetersäure und Fluorwasserstoffsäure, worauf die zu plattierende Fläche mit feinemKarborundumpulver (Nr. 600) geläppt wurde. An Stelle dieses speziellen Ätz- und Poliervorganges können auch andere Reinigungsmethoden, die chemische und mechanische Stufen umfassen, je für sich allein oder in Kombination angewendet werden. Hernach wurde die Scheibe sorgfältig gewaschen und getrocknet.
Im Anschluss hieran wurde in der durch den Block II angegebenen Verfahrensstufe die Scheibe mit der geläppten Oberfläche nach oben in eine Goldplattierungslösung getaucht. Dieses Bad hatte folgende Zu- sammensetzung :
Kaliumgoldcyanid (67 % Gold) 10 g
Kaliumhydroxyd 200 g
Entionisiertes Wasser, aufgefüllt auf 1 l Die den Halbleiterkörper enthaltende Lösung wurde sodann langsam von Raumtemperatur auf etwa 750 C erhitzt, wobei der Temperaturanstieg 20 C je Minute betrug. Für diesen Zweck hat sich eine direkte Wärmeeinstrahlung auf die Oberfläche des nur ungefähr 2,5 cm tiefen Bades mit Hilfe einer Infrarotlampe vorteilhafter als die Anwendung einer Heizplatte unter dem Badbehälter erwiesen.
Bei Beginn des PlattierungsvorgangeswurdenWasserstoffblasenbeobachtet, dievon der Oberfläche des Halbleitermaterials ausgingen. Bei Verwendung des vorstehend angegebenen Bades wurde im Verlaufe der Plattierung 0, 077-0, 155 mg Gold je cm und Minute niedergeschlagen. Der Plattierungsvorgang wurde etwa eine Stunde fortgesetzt1 nach dieser Zeit wurde eine Schicht von ungefähr 0, 0025 mm Dicke, entsprechend einem Niederschlag von 3,88 bis 5,42 mg je cm2 erreicht.
Die tatsächlich niedergeschlagene Goldmenge kann durch Messung des Gewichtszuwachses der Scheibe ermittelt werden. In der Praxis hat es sich gezeigt, dass ein erfahrener Arbeiter in der Lage ist, die Abscheidung der richtigen Goldmenge visuell durch blosse Betrachtung der Scheibe aus der Farbe und der Textur des Niederschlages zu erkennen. Im allgemeinen liegt die Zeitdauer, die für die Verfahrensstufe zur Plattierung mit Gold erforderlich ist, zwischen 20 und 80 Minuten.
Es hat sich gezeigt, dass ein befriedigendes Ergebnis dieser Goldplattierung zu einem erheblichen Grade von der richtigen Vorbereitung der zu plattierenden Oberfläche abhängt. So wird das Gold an einer geätztenOberfläche nicht gut abgeschieden, wogegen es an einer richtig geläppten Oberfläche gut haftet.
Ein weiterer Vorteil dieser besonderenVerfhhrensweise, die zur Unterscheidung von der Elektroplattierung mit"Chemoplattierung"bezeichnet sei, besteht darin, dass die Scheiben geläppt, gewaschen, getrocknet
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und hernach vor dem Plattieren viele Stunden gelagert werden können, wogegen bei der, Elektroplattierung das geläppte Material sofort plattiert oder neuerlich vorbehandelt werden muss. Ein anderer bemerkenswerter Vorteil dieser besonderen Verfahrensstufe liegt darin, dass sehr befriedigende Überzüge an Materialien erzielbar sind, deren spezifischer Widerstand innerhalb eines weiten Bereiches liegen kann.
Bisher war es bei Anwendung der Elektroplattierung schwierig, Niederschläge an Material hohen spezifischen Widerstandes herzustellen.
Bei der Abscheidung von Gold auf Silizium verläuft die vollständige Reaktion nach der Gleichung :
EMI3.1
Das vorstehend angegebene Plattierungsbad enthält nur l %Kaliumgoldcyanid (KAu (CN) z), doch konnten befriedigende Goldniederschläge auch mit Lösungen erzielt werden, die bis 5 % dieses Goldsalzes enthielten. Bei diesen hohen Konzentrationen kann jedoch die Auswertbarkeit des Bades durch die Kaliumsilikatmenge (KSiOg) eingeschränkt werden, die bei der Lösung des Siliziums entsteht. Unter bestimmten Bedingungen kann die Silikatmenge so stark anwachsen, dass die Löslichkeit des Silikats überschritten wird, wodurch eine weisse Fällung auftritt, die sich am Silizium niederschlagen kann. Aus diesem Grunde hat sich eine Goldsalzkonzentration von 1 bis 2 % am besten bewährt.
Die Konzentration von Kaliumhydroxyd (KOH) im Bad ist ebenfalls variiert worden, wobei sich ergab, dass festhaftende Goldplattierungen bis herab zu 10 % Kaliumhydroxyd erreichbar sind. Die in der angegebenen Badzusammensetzung genannte Menge ist jedoch im allgemeinen vorzuziehen.
Wie im Block III der Zeichnung angegeben ist, wurden die goldplattierten Scheiben sodann einer Reinigung unterworfen, indem sie in eine Lösung eingetaucht wurden, um Verunreinigungsfilme od. dgl. zu beseitigen. Im Anschluss an diese Stufe wurden die Scheiben in einen metallischen Behälter mit durchbrochenen Wandungen, beispielsweise aus Kupfernetz, eingebracht und das Ganze wurde sodann in eine saure Lösung von Antimontrichlorid getaucht, wie dies im Block IV der Zeichnung angedeutet ist.
Ein geeignetes Bad hat folgende Zusammensetzung :
EMI3.2
Dieses Bad wurde durch Lösung des Antimontrichlorids in verdünnter, auf 1000 C erhitzter Säure hergestellt. Die weisse Fällung, die bei Abkühlung der Lösung auftreten kann, wird abfiltriert oder zum Absetzen gebracht. Igepal ist der Handelsname eines Produktes der General Dyestuffs Corporation, einer Tochtergesellschaft der General Aniline and Film Corporation. Dieses Produkt wird als typisches Netzmittel angewendet, um die Oberflächenspannung zu vermindern und dadurch das vollkommene Eintauchen der leichten Scheiben in das Bad zu gewährleisten, die andernfalls an der Oberfläche schwimmen würden.
Gold, das weniger aktiv als Antimon ist, kann dieses Metall aus der Lösung nicht verdrängen. Wenn aber das Gold in Berührung mit einem aktiveren Metall oder einer aktiveren Legierung gelangt, wie Kupfer, Nickel oder Messing, so wird das Antimon aus der Lösung verdrängt und an der Goldoberfläche abgeschieden. Unter aktiven Metallen sollen Metalle verstanden werden, die in der Spannungsreihe oberhalb des Reduktionspotentials von geeigneten Antimonverbindungen stehen. In diesem Zusammenhang stellt das Reduktionspotential ein Mass für die Leichtigkeit der Umwandlung des Antimons in den elementaren Zustand dar. Gewisse aktive Metalle oder Legierungen, wie Aluminium, Stahl und Kovar, verdrängen zwar Antimon, doch ist der erzielte Niederschlag nicht im gleichen Masse befriedigend.
Nach Eintauchen der Scheibe in das Bad aus Antimontrichlorid vollzog sich der Plattierungsvorgang mit einer von der Badtemperatur abhängigen Geschwindigkeit. Bei der vorstehend angegebenen Lösung wurden in verschiedenen Anwendungsfällen des Verfahrens Temperaturen von25 bis 1000 C benutzt. Bei der niedrigeren Temperatur war eine Tauchzeit von 15 bis 30 Sekunden ausreichend, um einen leichten grauen Niederschlag von Antimon zu erzielen, der mit freiem Auge kaum wahrnehmbar war. Bei Siedetemperatur wurde ein Niederschlag gleicher Art schon in weniger als 5 Sekunden erhalten. Der durch den Niederschlag von Antimon erzielte Überzug muss nicht sehr fest haften oder besonders stark sein.
Die Stärke und das Haftvermögen des Antimonüberzuges müssen nämlich bloss ausreichen, um bei der nachfolgenden Wärmebehandlung die gewünschte Diffusion des Antimons in die Goldschicht und weiter in das darunter befindliche Halbleitermaterial zu sichern. Es versteht sich, dass Antimon als Donator wirkt und bei Einlegieren in ein Material der Leitfähigkeitstype N die spezifische Leitfähigkeit erhöht.
Die besten Ergebnisse wurden erhalten, wenn der Niederschlag von Antimon gerade noch visuell fest-
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gestellt werden konnte. Ein solcher Überzug liegt in der Grössenordnung von 0,15 mg je cm2 und kann innerhalb einer Tauchzeit von etwa 20 Sekunden erreicht werden. Längere Tauchzeiten ergeben stärkere
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an niedergeschlagenem Antimon kann sich aber bei der nachfolgenden Wärmebehandlung bei hohen Tem- peraturen nachteilig auswirken.
Nach Entnahme aus dem Antimontrichloridbad wurde das Halbleitermaterial in einer zuigen Salz- säurelösung gespült, um die noch anhaftende Antimonlösung zu entfernen. Dieser Reinigungsvorgang um- fasste, wie im Block V der Zeichnung angegeben ist, auch ein Spülen in Wasser und Azeton, worauf das
Halbleitermaterial getrocknet wurde.
Das Halbleitermaterial wurde sodann einer Wärmebehandlung zugeführt, durch die die Elektroden- überzüge verfestigt wurden. Wie im Block VI angegeben ist, wurden die Scheiben zunächst ungefähr
15 Minuten einem Sintervorgang bei niedrigerer Temperatur, etwa bei einer Temperatur im Bereich von
400 bis 4500 C in einerStickstoffatmosphäre unterworfen. Diese Behandlung diente dazu, das Antimon in den Goldüberzug zu diffundieren, wobei wieder die ursprünglich gelbliche Farbe des Goldüberzuges in
Erscheinung trat. Dieser Behandlungsstufe folgte eine abschliessende Wärmebehandlung, wie im Block VII angegeben, u. zw. für eine kürzere Zeitdauer von etwa 5 Minuten bei einer höheren Temperatur von etwa
700 bis 9000 C.
In dieser Verfahrensstufe wurden das Gold und das Antimon in das Halbleitermaterial einlegiert, wodurch in unmittelbarer Nähe der plattierten Fläche eine Region hoher Leitfähigkeit im
Halbleitermaterial entstand.
Im Anschluss an diese letzte Wärmebehandlung erfolgte die weitere Behandlung des Halbleiterkörpers nach an sich bekannten Verfahren. Wie im Block VIII der Zeichnung angegeben ist, wurde insbesondere an der plattierten Fläche durch einen Lötvorgang od. dgl. eine Zuleitung befestigt.
Ausser Plattierungslösungen, bei denen eine Antimonverbindung angewendet wird, um eine Dopung des Halbleitermaterials zu bewirken, können für die Chemoplattierung auch Bäder verwendet werden, aus denen in analoger Weise Wismuth und Arsen ausgeschieden wird, um so ohmische Anschlüsse geringen Widerstandes in Germanium- und Siliziumkörpern der N-Type herzustellen. In diesem Zusammenhang können Bäder verwendet werden, die an Stelle von Antimontrichlorid Arsen- oder Wismutaverbindungen enthalten.
Überdies können gute Anschlüsse niedrigen Widerstandes an Halbleiterkörpern auch durch Aufbringen metallischer Überzüge an metallischen Elektrodengliedern, beispielsweise Aluminiumstreifen, anstatt direktes Aufbringen auf den Halbleiterkörper hergestellt werden. Dies geschieht im wesentlichen in gleicher Weise, wie dies vorstehend für das Plattieren des Halbleitermaterials beschrieben worden ist. In einigen Fällen kann die Vorgangsweise so abgewandelt werden, dass nach jeder Plattierungsstufe eine Wärmebehandlung angewendet wird, anstatt dass erst nach beiden Plattierungsstufen eine Wärmebehandlung erfolgt.
Bei dieser Verfahrensweise ist natürlich ein weiterer Arbeitsvorgang erforderlich, um die plattierte Elektrode mit dem Halbleiter zu verbinden. Dieser Vorgang, bei dem das Gold gebunden wird, erfordert eine Erhitzung des Zusammenbaues vongoldplattiertem Aluminiumstreifen und Halbleiter auf eine Temperatur, die dem Eutektikum von Gold und Halbleiter entspricht.
Die beschriebenen Beispiele erschöpfen die Ausführungsmöglichkeiten der Erfindung nicht, sondern lassen im Rahmen der Erfindung noch verschiedene weitere Abwandlungen zu.
PATENTANSPRÜCHE ?
1. Verfahren zur Herstellung eines Überzuges an der Oberfläche eines Halbleiterkörpers, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterkörper in eine alkalische Lösung einer Goldverbindung getaucht wird, um an seiner Oberfläche einen Goldüberzug auszubilden, worauf der Körper in eine saure Lösung einer Verbindung eines Metalles aus der Gruppe Antimon, Arsen und Wismuth getaucht wird, wobei seine Oberfläche in Berührung mit einem aktiven Metall bzw.
einer aktiven Legierung gehalten wird, und dass der Körper hernach während einer Zeitspanne, die zur Diffusion des ersterwähnten Metalles in den Goldüberzug ausreicht, auf erhöhter Temperatur gehalten und sodann für eine kürzere Zeit auf eine noch höhere Temperatur erhitzt wird, um das Gold und das erwähnte Metall partiell in den Halbleiterkörper einzulegieren.