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Verfahren zur Herstellung elektrischer Halbleitergeräte mit einkristallinem Halbleiterkörper, insbesondere aus Silizium
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung elektrischer Halbleitergeräte mit ein- kristallinem Halbleiterkörper, insbesondere aus Silizium, der eine Betriebstemperatur von mehr als 130 C verträgt, mit mindestens einem p-n-Übergang und einer überwiegend goldhaltigen Elektrode und besteht darin, dass zur Befestigung elektrisch leitender Anschlussteile an der Goldelektrode durch Anlöten ein im wesentlichen zinnfreies Lot mit einer Schmelztemperatur zwischen 1700C und 3000C verwendet wird.
Flächengleichrichter und Leistungstransistoren aus Silizium od. dgl., die nach dem Legierungsverfahren hergestellt sind, haben häufig eine oder mehrere Goldelektroden, da sich Gold als Trägermetall für Dotierungsstoffe, die in die Elektrodenbereiche einzulegieren sind, besonders gut eignet. An solche Goldelektroden können nun die zugehörigen elektrischen Anschlussteile oder Stromzuführungsleitungen angelötet werden.
Das dazu erforderliche Lötmetall wird zweckmässig so ausgewählt, dass einerseits bei der höchsten zu erwartenden Betriebstemperatur die Lötstelle nicht schmilzt und anderseits die Lötung bei einer Temperatur vorgenommen werden kann, bei welcher der Gleichrichter oder Transistor noch keine Veränderung erleidet, insbesondere nicht Gefahr laufen kann, stellenweise zu schmelzen ; letzteres wäre nämlich besonders unangenehm, wenn es an der Grenze zwischen Halbleitermaterial und Metallelektrode passiert, weil dann unter Umständen der p-n-Übergang durch überfliessendes Material kurzgeschlossen wird. Durch die vorgenannten Umstände ist zunächst wenigstens für Silizium ein Temperaturbereich zwischen 1700C und 3000C für die Lötung festgelegt. Besonders günstig ist der Bereich zwischen 1700C und 2500C.
In diesem Bereich sind aber Zinnlegierungen die im allgemeinen am häufigsten gebrauchten Lötmetalle.
Es wurde nun beobachtet, dass bei Siliziumgleichrichtern, welche mit sehr hohen Stromdichten bis zu mehreren 100 A/cm2 und mit entsprechend hohen Betriebstemperaturen von 1500C und mehr der Halbleiterelemente beansprucht wurden, die Lötstellen der Goldelektrodenanschlüsse Veränderungen erlitten, die zu bleibenden Kurzschlüssen der Gleichrichter führten, welche weder von aussen optisch zu erkennen, noch nachträglich wieder, z. B. durch Ätzung, zu beseitigen waren.
Die Erfindung beruht nun auf der Erkenntnis, dass die erwähnten nachteiligen Veränderungen auf den Zinngehalt des Lotes zurückzuführen sind, der unter verschärften Betriebsbedingungen starke Materialwanderungen in der Goldelektrode und über deren Grenze hinaus unter Überbrückung des p-n-Überganges bis zur Gegenelektrode hin verursachen kann. Die Richtigkeit der erwähnten Erkenntnis wurde dadurch bestätigt, dass bei der Verwendung eines zinnfreien Lotes die beschriebenen Mängel ausblieben.
Natürlich gelten auch für das zinnfreie Lot bei Silizium die obengenannten Grenzen. Das Lot muss also so zusammengesetzt sein, dass sich die Lötverbindung mit der Goldelektrode erst oberhalb 1700C zu lockern beginnt. Deshalb kommt beispielsweise Indium als Lötmetall nicht in Frage. Indium wird bei Germanium-Elementen mit Vorteil verwendet, weil Germanium nur mit einer Höchsttemperatur von 65 bis 700C betriebsmässig beansprucht werden darf und eine mit Indium auf Germanium hergestellte Lötverbindung bei zirka 1400C schmilzt. Aus demselben Grunde kann aber Indium für Silizium und andere Halbleiterstoffe, die eine Betriebstemperatur von mehr als 1300C vertragen, nicht als Lot verwendet werden.
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Die Verwendung eines zinnfreien Lotes mit einer Schmelztemperatur von 1700C oder mehr kommt nicht nur für Silizium, sondern auch für eine Reihe intermetallischer Verbindungen, insbesondere AIIIBV-
Verbindungen, in Betracht. Als Beispiele seien genannt : Gallium-Arsenid, Gallium-Phosphid, IndiumPhosphid.
Als besonders vorteilhaft erweist sich ein Lot, welches selbst Gold enthält, weil dadurch vermieden wird, dass einerseits der an sich meist sehr dünnen Goldelektrode ein Teil ihres Goldgehaltes entzogen wird, und anderseits der Schmelzpunkt des Lotes bei der Legierungsbildung schwer kontrollierbare Veränderungen erfährt. Ein geeignetes Lot ist z. B. eine Blei-Gold-Antimonlegierung. Als besonders vorteilhaft hat sich eine Zusammensetzung von 75% Blei, 17% Gold und 8% Antimon erwiesen. Diese Zusammensetzung kommt anscheinend einem ternären Eutektikum nahe. Sie hat einen Schmelzpunkt von etwa 1950C.
Sie kann auch bei Goldelektroden, welche sich auf einem p-leitenden Gebiet befinden, verwendet werden, weil infolge der erwähnten, verhältnismässig niedrigen Löttemperatur keine Gefahr besteht, dass durchdenAntimonanteildesLoteseineDotierung und gegebenenfalls Umwandlung des Leitungstyps eintreten könnte. Weiter wurden Wismut/Gold und Blei/Gold, insbesondere deren Zweistoff-Eutektika, als brauchbar befunden.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Herstellung elektrischer Halbleitergeräte mit einkristallinem Halbleiterkörper, insbesondere aus Silizium, der eine Betriebstemperatur von mehr als 1300C verträgt, mit mindestens einem p-n-Übergang und einer überwiegend goldhaltigen Elektrode, dadurch gekennzeichnet, dass zur Befestigung elektrisch leitender Anschlussteile an der Goldelektrode durch Anlöten ein im wesentlichen zinnfreies Lot mit einer Schmelztemperatur zwischen 1700C und 3000C verwendet wird.