DE1044281B

DE1044281B - Halbleiteranordnung mit Waermeableiter und Verfahren zu ihrer Herstellung

Info

Publication number: DE1044281B
Application number: DEI11998A
Authority: DE
Inventors: Robert Earl Swanson; Arvid William Berger; Richard Frederick Rutz
Original assignee: IBM Deutschland GmbH
Current assignee: IBM Deutschland GmbH
Priority date: 1955-08-10
Filing date: 1956-07-28
Publication date: 1958-11-20
Also published as: GB839636A; FR1172000A

Description

DEUTSCHES

Bei der Herstellung von Halbleitersystemen wird die Beherrschung von großen Strömen erleichtert durch einen Halbleiterkörper mit einer P-N-Schidht, die eine großflächige Verbindung mit hohem Sperrwiderstand darstellt. Die Anforderungen der Frequenzempfindlichkeit und der Spannungsbeeinflussungsfähigkeit solcher Halbleitervorrichtungen macht es nötig, die Größe und Durchdringungstiefe der P-N-Schicht sehr genau zu kontrollieren.-

Die Erfindung bezieht sich auf eine Halbleiteranordnung mit Wärmeableiter und mit einer einen P-N-Übergang im Halbleiterinneren bildenden Legierungszone am Halbleiterkörper, deren Flächenausdehnung, gemessen an der dem Wärmeableiter zugewandten Halbleiteroberflächenseite, nur einen Teil dieser Halbleiteroberflächenseite ausmacht. Weiter betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung dieser Halbleiteranordnung.

Zur Verbesserung der Wärmeableitung ist es bei Halbleiteranordnungen mit einer einen P-N-Übergang bildenden Legierungszone bekanntgeworden, die Flächenausdehnung dieser an einen Wärmeableiter angeschlossenen Legierungszone, gemessen an der dem Wärmeableiter zugewandten Halbleiteroberflächenseite, so groß zu wählen, daß sie ungefähr so so groß ist wie diese Halbleiteroberflächenseite.

Die Wärmeableitungseigenschaften einer solchen Halbleiteranordnung weiterhin zu verbessern ist die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe. Dies wird bei einer Halbleiteranordnung mit Wärmeableiter und mit einer einen P-N-Übergang im Halbleiterinneren bildenden Legierungszone am Halbleiterkörper, deren Flächenausdehnung, gemessen an der dem Wärmeableiter zugewandten Halbleiteroberflächenseite, nur einen Teil dieser Halbleiteroberflächenseite ausmacht, gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß sich auf dieser Oberflächenseite des Halbleiterkörpers die Dotierungslegierung befindet und daß der Flächenbereich mit dem Legierungsstoff über das Lötmittel, der übrige Oberflächenbereich dagegen über eine thermisch und elektrisch isolierte Zwischenlage mit dem Wärmeableiter verbunden ist. Die Halbleiteranordnung gemäß der Erfindung bringt gegenüber dem Bekannten den technischen Vorteil, daß beim Dotieren durch die" gelenkte Führung und Bündelung des Wärmestromes praktisch nur ein ganz bestimmter Teil des Halbleiterkörpers der Wärmebehandlung unterworfen ist, was wiederum ein tieferes Eindringen der Dotierungsstoffe in den Halbleiterkörper hinein ermöglicht.

Es ist bereits ein Verfahren zur Bildung einer P-N-Schicht in einem Halbleiterkörper unter der Bezeichnung »Zulegieren« bekanntgeworden. Dieses bekannte Verfahren wird in vorteilhafter Weise für die Her-Halbleiteranordnung mit Wärmeableiter und Verfahren zu ihrer Herstellung

Anmelder:

IBM Deutschland
Internationale Büro-Maschinen

Gesellschaft m.b.H.,
Sindelfingen (Würti), Tübinger Allee 49

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 10. August 1955

Arvid William Berger, Hyde Park, N. Y.,

Richard FrederickRutz, Fishkill, N. Y.,
und Robert Earl Swanson, Poughkeepsie, N. Y.

(V. St. A.),
. sind als Erfinder genannt worden

stellung einer Halbleiteranordnung nach der Erfindung ausgenutzt. Zur Bildung einer Legierungsschicht wird auf die Oberfläche eines Halbleiterkörpers eine Metallmenge aufgebracht, die entweder allein oder als Ergebnis ausgewählter Verunreinigungen darin bei Bildung einer Legierung des Metalls und des Halbleiterkörpers einen Bereich des Halbleiterkörpers, welcher direkt an das zulegierte Metall angrenzt," in einen der ursprünglichen Leitfähigkeit des Halbleiterkörpers entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp umwandelt. Gewöhnlich wird ein Metall verwendet, das zusammen mit dem Halbleitermaterial eine eutektische Legierung bildet und allein imstande ist, die Leitfähigkeit des Halbleitermaterials umzustellen.

Bei Anwendung dieser Technik entsteht eine physikalisch kleine Schicht, die in bezug auf Ort und Tiefe steuerbar ist und zu der eine ohmsche Verbindung leicht hergestellt werden kann, jedoch bestehen erhebliche Schwierigkeiten bezüglich der Wärmeableitung.

Wenn eine solche Halbleitervorrichtung in Betrieb ist, liegt dann fast die gesamte im Körper verstreute Leistung in der unmittelbaren Nachbarschaft der Schicht, und kleine Temperaturschwankungen an der P-N-Schicht können Veränderungen in den Ausgangscharakteristiken der Vorrichtung bewirken. Daher ist eine gute wärmeableitende Verbindung zu dem Legierungsbereich wünschenswert. -

8,09.679/272

Es ist festgestellt worden, daß durch die Verwendung einer geringen, in bezug auf Volumen und Größe festgelegten Menge des Legierungsmetalls in Verbindung mit einer einfachen Folge von Aufbauoperationen die Möglichkeit besteht, eine Schichthalbleitervorrichtung herzustellen, in der eine Legierungsschicht thermisch und elektrisch an eine große Wärmeableitung für einen Bereich, der fast so groß ist wie der Schichtbereich, angeschlossen ist. Damit können große Ströme mit einem geringsten Anstieg der Umgebungstemperatur durch die Vorrichtung geleitet werden.

Die Legierungsschicht der vorliegenden Halbleiteranordnung kann z. B. einen Legierungsschicht-Transistor-Emitter-Kontakt, der besonders für die Operation mit geerdetem Emitter geeignet ist, bilden.

Die Erfindung soll nun an Hand der folgenden Beschreibung und der Zeichnung erläutert werden.

In der Zeichnung ist eine Schichtemitter-Punktkontaktkollektor-Halbleitervorrichtung dargestellt. Sie zeigt die Legierungsschicht und die Wärmeableitungsvorrichtung nach der Erfindung.

Aus Gründen der besseren Übersicht sind die relativen Abmessungen der Teile des in der Zeichnung dargestellten Transistors etwas verändert worden, um die Legierungsschicht- und Wärmeableiterkombination besser erkennen zu können. Zur Herstellung der richtigen Perspektive werden die genauen Größen der einzelnen Teile eines betriebsfähigen Transistors nach der Zeichnung später angegeben. Es sei ausdrücklich erwähnt, daß die Legierungsschicht-Wärmeableiter-Kombination nach der Erfindung auf alle Halbleitervorrichtungen anwendbar ist, z. B. auf Dioden und Fotozellen sowie Transistoren aller Art.

Der Transistor nach der Zeichnung enthält einen Halbleiterkörper 1, der z. B. aus Germanium vom N-Typ bestehen kann. Eine Metallelektrode 2, gewöhnlich aus Kupfer oder Nickel, ist ohmisch an den Körper 1 angeschlossen und hat eine Öffnung 3, in der ein Teil der Oberflädhe des Körpers 1 frei liegt. Die Elektrode 2 dient als Basisanschluß des Transistors. In der öffnung 3 macht ein Punktkontaktdraht 4 einen elektrisch formierten Kontakt mit hohem Widerstand mit der Oberfläche des Körpers 1 und •dient als Kollektor des Transistors. Der Punktkontakt 4 ist gewöhnlich bei Germanium vom N-Typ ein Wolfram- oder Phosphorbronzedraht, der in Kontakt mit der Oberfläche des Körpers 1 formiert worden ist. Die Durchdringungstiefe des formierten Bereiches ist durch die gestrichelte Linie 5 angedeutet. Ein Metallbereich 6 — im Falle des Beispiels ist Indium oder Zink geeignet — wird an der Oberfläche des Körpers 1 einlegiert und bildet eine P-N-Schicht, die durch die gestrichelte Linie 7 angedeutet ist. Der Metallbereich 6 wird fest an einem Wärmeableiter 8 aus thermisch leitendem Material, z. B. Kupfer, unter Verwendung einer Lötverbindung 9 angebracht. Thermisch und elektrisch isolierende Abstandsstücke 11 werden zwischen den Wärmeableiter 8 und den Halbleiterkörper 1 für nachstehend erklärte Zwecke eingesetzt. Diese Abstandsstücke 11 können aus allen möglichen Materialien — z. B. aus Faserstoff und Glimmer — bestehen. Es ist die thermisch leitende Anbringung des ganzen Aggregats über den Wärmeableiter 8 an einer größeren Montagevorrichtung durch einen Bolzen 10 vorgesehen.

Die Herstellung des Transistors nach der Zeichnung unterscheidet sich von den bekannten Verfahren in der besonderen Art der Bildung der Legierungsschicht- und Wärmeabieiterkombination in dem - Aggregat.. Sie wird in sehr einfacher Weise durch Aufbringung einer Metallmenge auf die Oberfläche des Halbleiterkörpers 1 dort, wo die Verbindungsschicht gewünscht wird, erreicht. Die Metallmenge ist von festgelegtem Volumen und bestimmter Größe, so daß bei Einlegierung des Metalls 6 zu dem Halbleiterkörper unter gesteuerten Bedingungen ein Legierungsbereich von vorher bestimmbarer Größe über der Oberfläche des Körpers erhöht wird. Die Form und

ίο Größe des Metalls kann sich mit vielen Faktoren stark verändern, jedoch ist aus den nachstehend angenäherten Werten die Größenordnung erkennbar: Für einen quadratischen Körper aus Germanium vom N-Typ, dessen Größe 5,08 · 10—² cm an einer Seite und

^J5 2,54 · 10—³ cm in der Dicke beträgt, erzeugt eine Indiumkugel von 2,54 · 10-² cm im Durchmesser eine Schicht 7, die 5,08 · ICh"⁴ cm in den Körper hineinreicht, und zwar entsteht aus dem Legierungsmetall 6 eine Fläche mit einem Durchmesser von 2,54 · 10—² cm und einer Dicke von 1,27 · 10—² cm über der Oberfläche des Körpers 1. Der Legierungsbereich entsteht dadurch, daß der Halbleiterkörper und das Metall 12 Minuten lang bei einer Temperatur von 600° C in Kontakt miteinander gehalten werden. Kugel- oder würfelförmige Legierungsmetallbereiche werden bei dieser Technik vorgezogen.

Nach der Erwärmungszeit werden der Halbleiterkörper 1 mit dem erhöhten Bereich aus Legierungsmetall 6 vorzugsweise so in eine Haltevorrichtung eingebaut, daß die Oberfläche mit dem erhöhten Bereich frei liegt. Jetzt wird der Kupferwärmeabieiter 8 mit einem Lötmittelbereich 9 versehen. Dieser ist im Verhältnis zur Größe des Wärmeabieiters 8 klein, jedoch größer als der Bereich des Legierungsmetalls 6.

Der Lötmittelbereich 9 auf dem Wärmeableiter 8 wird in Kontakt mit dem Bereich aus Legierungsmetall 6 gebracht, wobei die benachbarten Oberflächen des Wärmeabieiters 8 und des Körpers 1 parallel gehalten werden. Nun wird Wärme zur Einwirkung auf den Wärmeableiter 8 an einer Stelle gebracht, die von dem Lötmittel 9 entfernt liegt, und das Lötmittel 9 und das Legierungsmetall 6 verschmelzen. Diese Operation kann vorzugsweise nach einem von zwei Verfahren durchgeführt werden. Bei dem ersten wird der mit Lötmittel überzogene Wärmeableiter 8 durch eine Wärmequelle, z. B. einen Lötkolben, erhitzt, bis das Lötmittel 9 schmilzt, dann wird, während der Körper 1 in einer Haltevorrichtung montiert ist, der Lötmittelbereich 9 in Kontakt mit dem Legierungsbereich 6 gebracht, wobei darauf zu achten ist, daß sich der Wärmeableiter 8 und der Körper 1 nicht berühren. Hierdurch wird Wärme nur dort zu dem Legierungsbereich 6 übertragen, wo ein Kontakt erwünscht ist, und die Wärme wird weggenommen, sowie der Kontaktbereich der Legierung 6 schmilzt; bei dem zweiten Verfahren werden der Wärmeableiter 8 und der Körper 1 in einer Haltevorrichtung so montiert, daß sich der Lötmittelbereich 9 und die Legierung 6 berühren, während der Wärmeableiter 8 und der Körper durch Abstandsstücke 11 getrennt sind, um die Oberflächen zu trennen. Jetzt wird Wärme genügend lang zur Einwirkung auf den Wärmeableiter gebracht, um den Kontaktbereich zum Schmelzen zu bringen. Die erforderliche Erwärmungszeit richtet sich nach den Abmessungen der Teile, kann jedoch experimentell leicht festgelegt werden. Bei diesem Verfahren sind keine heiklen Handoperationen nötig. - Bei der Wärmeanwendung nach diesem Verfahren wird Wärme zu dem Halbleiterkörper nur an der Fläche übertragen^ wo ein-Kontakt erwünscht ist, so

daß die zur Bildung der Verbindung erforderliche Stärke und Dauer der Wärme nicht so kritisch ist wie bei Übertragung von Wärme zum Körper 1. Während also nur eine minimale Wärmeübertragung zum Körper 1 stattfindet, ist gleichzeitig die erlangte Verbindung eine thermisch und elektrisch leitende Verbindung zwischen der Schicht und dem Wärmeleiter, die mindestens so groß wie der Schichtbereich selbst ist. Durch die Größe dieser Verbindung erhält man eine maximale Wärmeübertragung, und die ganze Vorrichtung kann nach Wunsch auf der Schicht ruhen. Durch diese Vorschrift wird in sehr günstiger Weise eine Transistoroperation mit geerdetem Schichtemitter erreicht. Zur weiteren Wärmeableitung kann der Wärmeableiter 8 mit einem Montagemittel, z. B. einem Bolzen 10, versehen werden, um das ganze Aggregat an einem größeren Körper, z. B. einem Maschinenrahmen, zu befestigen.

Mit der Erfindung werden gewisse, nicht gleich erkennbare Vorteile erreicht. Zum Beispiel ist es möglieh, eine ohmsche Verbindung zu fast dem ganzen frei liegenden Bereich des zulegierten Schichtbereichs herzustellen, die hier tatsächlich ein Kontakt von der Größe des Schichtbereichs selbst ist. Die so erlangte ohmsche Verbindung wird mit einem Mindestmaß von an den Halbleiterkörper und den Legierungsbereich angelegter Wärme hergestellt, da die Wärme nur im Kontaktbereich von dem Wärmeableiter zu der Legierung übertragen wird. Dies ist vorteilhaft, weil durch die Einwirkung von Wärme auf den Halbleiterkörper ein Diffusionsvorgang eingeleitet wird, der ein tieferes Eindringen der die P-N-Schicht bildenden Verunreinigungen in den Körper zuläßt und die Eigenschaften der Vorrichtung verändern kann. Die Wichtigkeit dieser Tatsache zeigt sich in Verbindung mit der Zeichnung, wo die P-N-Schicht 7 und der elektrisch formierte Bereich 5 innerhalb des Körpers 1 liegen, so daß infolge der tieferen Durchdringung eines oder beider Teile, wie sie durch eine Temperaturerhöhung bewirkt würde, tatsächlich der Abstand zwischen ihnen verringert würde. Durch eine solche Verkleinerung des Abstands könnten viele Bestimmungswerte der Vorrichtung verändert werden. Eine dieser Veränderungen würde die »Durchschlagsspannung der Vorrichtung« sein, die exponentiell mit dem Abstand zwischen der P-N-Schicht und dem elektrisch formierten Bereich schwankt.

Durch Verwendung der bekannten Metallmenge für die Zulegierung entsteht ein erhöhter Teil über der Oberfläche des Körpers, dessen Abmessungen fast dieselben wie die der Schicht selbst sind, und eine ohmsche Verbindung zu ihm kann leichter ohne die Gefahr eines Kurzschlusses der Schicht hergestellt werden.

Claims

Patentansprüche:

1. Halbleiteranordnung mit Wärmeableiter und mit einer einen P-N-Übergang im Halbleiterinneren bildenden Legierungszone am Halbleiterkörper, deren Flächenausdehnung, gemessen an der dem Wärmeableiter zugewandten Halbleiteroberflächenseite, nur einen Teil dieser Halbleiteroberflächenseite ausmacht, dadurch gekennzeichnet, daß sich auf dieser Oberflächenseite des Halbleiterkörpers (1) die Dotierungslegierung (6) befindet und daß der Flächenbereich mit dem Legierungsstoff (6) über das Lötmittel (9), der übrige Oberflächenbereich dagegen über eine thermisch und elektrisch isolierte Zwischenlage (11) mit dem Wärmeableiter (8) verbunden ist.

2. Verfahren zur Herstellung einer Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf eine Oberflächenseite des Halbleiterkörpers (1) eine bestimmte Menge Legierungsmetall (6) aufgebracht und nach einer Wärmebehandlung dieser Verbindung ein in einem bestimmten Oberflächenbereich mit einem Lötmittel (9) bedeckter Wärmeableiter (8) mit dem Legierungsmetall (6) des Halbleiterkörpers (1) derart in Kontakt gebracht wird, daß sich Lötmittelbereich und Legierungsbereich fest berühren, und daß fernerhin von Lötverbindungen (9) freie Oberflächenteile der gleichen Oberflächenseite des Halbleiterkörpers (1) gegen den Wärmeableiter (8) durch thermisch und elektrisch isolierende Distanzstücke (11) getrennt werden und daß schließlich das Lötmittel (9) mit dem Legierungsbereich (6) des Halbleiterkörpers (1) durch einen über den Wärmeableiter (8) geführten Wärmestrom verschmolzen wird.

In Betracht gezogene Druckschriften: USA.-Patentschrift Nr. 2 703 855.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen