DE1110323C2 - Verfahren zur Herstellung von Halbleiteranordnungen - Google Patents

Verfahren zur Herstellung von Halbleiteranordnungen

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DE1110323C2 DE1959S0066325 DES0066325A DE1110323C2 DE 1110323 C2 DE1110323 C2 DE 1110323C2 DE 1959S0066325 DE1959S0066325 DE 1959S0066325 DE S0066325 A DES0066325 A DE S0066325A DE 1110323 C2 DE1110323 C2 DE 1110323C2
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Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND
DEUTSCHES
PATENTAMT
PATENTSCHRIFT 1110
INTERNAT.KL. H 01 1
ANMELDETAG: 18. DEZEMBER 1959
BEKANNTMACHUNG
DER ANMELDUNG
UND AUSGABE DER
AUSLEGESCHRIFT: 6. JULI 1961
AUSGABE DER
PATENTSCHRIFT: 25. JANUAR 1962
STIMMT ÜBEREIN MIT AUSLEGESCHRIFT
1110 323 (S 66325 Vm c/21g)
Die Erfindung betrifft ein neuartiges Verfahren zur Herstellung von Halbleiteranordnungen unter Benutzung von Legierungselektroden mit Gold als wesentlichem Legierungsbestandteil und eines den jeweiligen Legierungselektroden benachbart liegenden Körpers aus Wolfram. Hierbei ist besonders an solche Halbleiteranordnungen gedacht, die auf der Basis eines Halbleiters aus oder nach Art von Germanium oder Silizium oder einer intermetallischen Verbindung, wie z.B. einer A111Bv- oder AIVBVI-Verbindung, arbeiten.
Bei der Herstellung solcher Halbleiteranordnungen haben sich Schwierigkeiten sowohl in der einwandfreien Anbringung als auch in der betriebsmäßigen Aufrechterhaltung einer einwandfreien Verbindung zwischen der Anschlußelektrode und der einlegierten Elektrode der eigentlichen Halbleitervorrichtung ergeben. Das letztere ist insbesondere dann der Fall, wenn die Halbleiteranordnung intermittierenden Belastungen von großer Häufigkeit betriebsmäßig ausgesetzt ist.
Schwierigkeiten bei der Herstellung solcher Halbleiteranordnungen haben sich, wenn die Anschlußelektroden nach der Fertigstellung des Halbleiterelementes durch einen besonderen Weichlötprozeß an dem Element befestigt werden, dahingehend gezeigt, daß während des Betriebes an der Lötverbindungsstelle Ermüdungserscheinungen in dem Lötmaterial eintreten, so daß auf diese Weise auch die gesamte Lötverbindungsstelle ermüdete. Es blieb daher einerseits die einwandfreie mechanische Verbindung nicht mehr gewährleistet, und andererseits stieg auch die durch den erhöhten Übergangswiderstand bedingte Verlustwärme an dieser Übergangsstelle, so daß es aus diesen Gründen zu einer unzulässigen Erwärmung der Halbleiteranordnung kam.
Solche bei einer nachträglichen Anbringung der Anschlußelektroden durch Weichlötung auftretende Schwierigkeiten können an sich umgangen werden, indem die Anbringung der Anschlußelektroden an dem Halbleiterelement mittels eines Hartlötprozesses erfolgt. Bei der Durchführung einer solchen Hartlösung ist es aber wiederum äußerst wichtig, daß die miteinander zu verlötenden Teile durch das Lot einwandfrei benetzt werden. Wird in speziellen Fällen unmittelbar dasjenige Elektrodenmaterial, welches bei der Durchführung des Legierungsprozesses an der Halbleiteranordnung für die Erzeugung der in vorbestimmter Weise mit vorbestimmtem elektrischem Leitungstyp dotierten Zonen benutzt wird, gleichzeitig auch unmittelbar als das Lot für die Herstellung der mechanischen und elektrischen Verbindung Verfahren zur Herstellung von Halbleiteranordnungen
Patentiert für:
Siemens-Schuckertwerke Aktiengesellschaft, Berlin und Erlangen
Dipl.-Ing. Udo Lob, München, ist als Erfinder genannt worden
zwischen der Anschlußelektrode und der an der Halbleiteranordnung einlegierten Elektrode ausgenutzt, so muß diese Eigenschaft der guten Benetzung durch das Legierungselektrodenmaterial sinngemäß gegenüber dem Anschlußelektrodenmaterial gewährleistet sein.
Vielfach ist es nun bei der Herstellung von Halbleiteranordnungen üblich, als mit den in den Halbleiterkörper einlegierten Elektroden unmittelbar verbundene Anschlußelektroden bzw. Zwischenanschlußelektroden solche zu benutzen, welche aus einem Werkstoff bestehen, der in seinem thermischen Aus-
. dehnungskoeffizienten demjenigen des Halbleiterkörpers möglichst nahe benachbart liegt. Für diese Zwecke geeignete Werkstoffe sind z. B. Molybdän und Tantal, wenn der Halbleiterkörper aus Germanium oder Silizium besteht. Besteht z. B. der Halbleiterkörper aus Silizium, so würde sich ein unmittelbarer Elektrodenanschlußkörper aus Wolfram an der einlegierten Elektrode empfehlen, denn dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient liegt demjenigen des Siliziums am nächsten benachbart. Bei der Herstellung von ■ SUiziüm-Halbleiteranordnungen ist es nun z. B. üblich, für die Dotierung des Halbleiterkörpers als Material für die eine Legierungselektrode eine Gold-Antimon-Legierung zu benutzen. Nun hat sich aber gezeigt, daß zwischen Gold und Wolfram nur sehr schwierig eine einwandfreie Benetzung zu erreichen ist. Es würde also in diesem Falle keine Möglichkeit bestehen, eine einwandfreie Lötverbindung zwischen einem Anschlußelektrodenkörper bzw. Zwischenanschlußelektrodenkörper aus Wolfram und
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einem Legierungselektrodenkörper einer Goldlegie- Zur näheren Erläuterung der Erfindung an Hand
rung z. B. aus Gold—Antimon zu erzeugen, ins- einer beispielsweisen Ausführung wird nunmehr auf
besondere, wenn die Verlötung zwischen den An- die Zeichnung Bezug genommen. In dieser· bezeich-
schlußelektrodenkörper und die Einlegierung der net 1 einen Halbleiterkörper aus Silizium. Dieser ist
Elektroden für die Dotierung des Halbleiterkörpers 5 für die Erzeugung der dotierten Zonen bestimmten
in seinen Zonen bestimmten elektrischen Leitungs- elektrischen Leitungstyps mit je einer Elektrode 2
typs in dem gleichen thermischen Behandlungsprozeß aus einer Gold-Antimon-Legierung bzw. einer Elek-
der Halbleiteranordnung vorgenommen werden trode 3 aus einer Gold-Bor-Legierung versehen,
sollen. Ferner sind je eine Anschlußelektrode 4 und 5 aus
Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Erkennt- io Wolfram als Zwischenelektroden vorgesehen, die an nis zugrunde, daß sich diese Schwierigkeiten dadurch ihren den einlegierten Elektroden 2 und 3 gegenüberüberwinden lassen, daß erfindungsgemäß für die liegenden Flächen mit je einem besonderen Tantal-Durchführung eines Verlötungsprozesses zwischen überzug 6 bzw. 7 versehen sind. An den beiden einer Anschlußelektrode aus Wolfram und einer Wolframelektroden bzw. Wolframzwischenkörpern 4 Legierungselektrode aus einer den Dotierungsstoff 15 und 5 sind mittels Hartlotschichten 8 bzw. 9 dann enthaltenden Gold-Legierung, der Wolframkörper die Körper 10 bzw. 11 aus Kupfer für die Vornahme nicht unmittelbar z. B. mit dem Gold—Antimon der des elektrischen Anschlusses und eventuelle gleich-Legierungselektrode in Kontakt gebracht, sondern zeitige Kühlung befestigt. Bei der Herstellung dieser vorher mindestens an seiner zu verlötenden Flächen- Anordnung wird also in der Weise vorgegangen, daß zone mit einem Überzug aus Tantal versehen wird. 20 der Kupferkörper 11, die Hartlötschicht 9, der WoIf-Das Aufbringen dieses Tantalüberzuges kann auf ramzwischenkörper 5 mit der darauf aufgebrachten galvanischem "Wege, durch Plattieren, z. B. mittels Tantalschicht 1, das Elektrodenmaterial 3, der Halbeines Walzprozesses, durch Aufschmelzen, Auf- leiterkörper 1, das Elektrodenmaterial 2, der ebendampfen, Aufspritzen oder Aufschweißen erfolgen. falls mit einer Tantalschicht 6 versehene Wolfram-Weiterhin könnte auch eine pulvermetallurgische 25 zwischenkörper 4, die Hartlotschicht 8 und der Verbindung zwischen einem Wolframkörper und einer Kupferkörper 10 übereinandergeschichtet und dann Tantalschicht- erzeugt werden. Hierfür kann von in einen geeigneten Ofen gebracht werden, der derart pulverförmigen Werkstoffen für beide Körper — erhitzt wird, daß die geschichtete Anordnung einem Wolfram und Tantal — ausgegangen werden. Diese solchen thermischen Behandlungsprozeß bei etwa werden zunächst in entsprechender Dicke in Pulver- 30 800° C unterworfen wird, daß die genannten Elekform übereinandergeschichtet. Anschließend wird ein trodenlegierungen und Lote schmelzflüssig werden, so Sinterungsprozeß an der geschichteten Anordnung daß die entsprechenden. Lötverbindungen und Dotieunterhalb der Schmelztemperatur der beiden Einzel- rungsvorgänge in dem Halbleiterkörper vor sich werkstoffe durchgeführt, so daß dann ein entsprechen- gehen.~ Die Beheizung der geschichteten Anordnung der kompakter Körper als mechanische Einheit ent- 35 für die Durchführung der Lot- und Legierungs steht, der in seinem Aufbau einen Wolframkörper prozesse kann auch auf andere Weise als in einem darstellt, der mit einer entsprechenden Schicht bzw. beheizten Ofen, z. B. im Wege einer Hochfrequenzeinem entsprechenden Überzug aus Tantal ver- erhitzung durchgeführt werden,
sehen ist. In dem Ausführungsbeispiel ist eine solche Dar-
Wird ein solcher mit einem Tantalüberzug versehe- 40 stellung für den Aufbau einer 'Halbleiteranordnung ner Wolframkörper durch flüssiges Gold benetzt, so gezeigt, bei welcher jede der Legierungselektroden ist die Benetzungswirkung derart stark,,daß das Gold aus einer Legierung von Gold, insbesondere mit dem sich nach dem Aufbringen an einer Stelle von dieser Dotierungsstoff besteht. Damit ergibt sich im Sinne Stelle des Tantalüberzugs aus selbsttätig auf der der Aufgabenstellung, von welcher bei der Entwickübrigen Tantaloberfläche weiter ausbreitet. Diese 45 lung der Erfindung ausgegangen worden ist, sinnvorteilhafte Wirkung kann auch dazu ausgenutzt gemäß auch die Notwendigkeit jeden der beiden werden, daß durch das Gold als Lot nicht nur die- Wolframkörper, die als Anschlußelektroden bzw. jenigen Oberflächenzonen benetzt werden, welche für Zwischenkörper den einlegierten Elektroden benachdie gegenseitige Verlötung unter rein elektrischen bart liegen, mit dem genannten Tantalüberzug an der bzw. mechanischen Gesichtspunkten miteinander ver- 50 mit der Legierungselektrode zu verlötenden Flächenbunden werdet^ sollen, sondern daß diese Benetzungs- zone zu versehen. Wird jedoch beispielsweise an wirkung des Goldes gleichzeitig noch ausgenutzt Stelle einer Legierungselektrode aus Gold—Bor eine wird, um an der an die Lötverbindungsstelle angren- Legierungselektrode aus Aluminium benutzt, so ist zenden Oberflächenzone des mit Tantal überzogenen es nicht erforderlich, den dem Aluminium benach-Wolframkörpers eine korrosionsfeste Schutzschicht 55 bart liegenden Wolframkörper, wie z. B. 5, mit einem aus Gold zu erzeugen. Diese Schicht kann sich ins- solchen Tantalüberzug zu versehen, da Aluminium besondere dann als sehr günstig erweisen, wenn der als Lot Wolfram bereits an sich in ausreichender Ätzbehandlungsprozeß für die Reinigung des pn-Über- Weise benetzt.
ganges an der Halbleiteranordnung durchgeführt Wenn die Erfindung in dem Ausführungsbeispiel wird. Bei der Durchführung dieses Ätzprozesses ist 60 an Hand einer Diodenanordnung erläutert worden ist, es bekanntermaßen wichtig, daß im Verlauf desselben so ist sie naturgemäß nicht auf eine solche Annicht von Teilen des Aufbaues der Halbleiteranord- Wendung beschränkt, sondern in gleich vorteilhafter nungen Werkstoffteile gelöst werden, die dann in un- Weise auch dann anwendbar, wenn die Halbleitererwünschter Weise zu Verunreinigungen der Ätz- anordnung mehr als zwei verschiedene Schichten aufmittellösung führen würden, die bei ihrer Ablagerung 65 weist und mehr als zwei Anschlüsse vorzunehmen an dem pn-übergang der Halbleiteranordnung ent- sind, bei denen es notwendig bzw. zweckmäßig ist, gegen der angestrebten Reinigungswirkung diesen Zwischenanschlußelektroden aus Wolfram vorzu-Reinigungsprozeß nachteilig beeinflussen würden. sehen, um dem Auftreten nachteiliger Erscheinungen
zufolge stark voneinander abweichender thermischer Ausdehnungskoeffizienten aneinanderliegender Schichten verschiedenen Werkstoffes auszuschließen.
In dem Ausführungsbeispiel ist gleichzeitig auch durch gestrichelte Linien an dem Wolframkörper 4 veranschaulicht, daß der Tantalüberzug gegebenenfalls nicht nur an der unteren Fläche des Körpers vorgesehen wird, an welcher die Verlötung mit dem Legierungselektrodenkörper 2 vorgenommen wird, sondern daß ein Tantalüberzug 6 a auch noch an den seitlichen Oberflächenteilen des Körpers 4 bis zu einer gewissen Höhe vorgesehen ist. Bei einer solchen Vorbereitung des Körpers 4 wird sich dann, wie bereits in der vorausgehenden Beschreibung der Erfindung dargelegt worden ist, während der Durchführung des thermischen Prozesses ein Goldüberzug 2 a an diesem mit dem Tantalüberzug 6 α versehenen Seitenflächen hochziehen, so daß auf diese Weise dann die Halbleiteranordnung unmittelbar bei der Durchführung des genannten Prozesses auch an diesen frei liegenden Seitenflächen mit einem Schutzüberzug aus Gold versehen wird.

Claims (5)

PATENTANSPRÜCHE:
1. Verfahren zur Herstellung von Halbleiteranordnungen unter Benutzung von Legierungselektroden mit Gold als wesentlichen Legierungsbestandteil und eines den jeweiligen Legierungselektroden benachbart liegenden Körpers aus Wolfram, dadurch gekennzeichnet, daß der Wolframkörper vor der Durchführung seines Verlötungsprozesses mit dem goldhaltigen Elektrodenmaterialkörper mindestens an seiner zu verlötenden Flächenzone mit einem Überzug aus Tantal versehen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Tantalüberzug galvanisch, durch Plattieren, Aufdampfen, Aufschmelzen oder Aufschweißen aufgebracht wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wolframkörper mit dem Tantalüberzug im Verlaufe eines pulvermetallurgischen Prozesses zur Herstellung eines kombinierten Körpers aus Wolfram und Tantal erzeugt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß in dem gleichen thermischen Prozeß, in welchem die Legierung des Halbleiterkörpers für die Erzeugung der mit bestimmtem elektrischem Leitungstyp dotierten Zonen und die mechanische Verbindung der Wolframkörper mit den Legierungselektroden vorgenommen wird, unmittelbar durch einen Hartlötprozeß elektrische Anschlußleiter, z. B. aus Kupfer, an der Halbleitervorrichtung angebracht werden.
5. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der jeweilige Wolframkörper nicht nur an den unmittelbar zur Verlötung kommenden Flächenzonen, sondern auch an weiteren, im Aufbau frei liegenden Flächenteilen mit einem Tantalüberzug versehen wird, so daß bei der Durchführung des thermischen Prozesses sich durch die starke Benetzungswirkung von Tantal durch Gold selbsttätig ein entsprechender Goldüberzug auf diesen weiteren frei liegenden, mit einem Tantalüberzug versehenen Flächen des Wolframkörpers bildet.
In Betracht gezogene Druckschriften:
Espe, »Werkstoffkunde der Hochvakuumtechnik«, Berlin, 1959, Bd. I, S. 767, Tab. 9, 3 bis 7.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
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