DE1125555B - Method for producing a pn semiconductor device - Google Patents

Method for producing a pn semiconductor device

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DE1125555B DES68740A DES0068740A DE1125555B DE 1125555 B DE1125555 B DE 1125555B DE S68740 A DES68740 A DE S68740A DE S0068740 A DES0068740 A DE S0068740A DE 1125555 B DE1125555 B DE 1125555B
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Description

DEUTSCHESGERMAN

PATENTAMTPATENT OFFICE

S 68740 ΥΠ! c/21gS 68740 ΥΠ! c / 21g

ANMELDETAGs 30. MAI 1960REGISTRATION DAYS 30 MAY 1960

BEKANNTMACHUNG
DER ANMELDUNG UNDAUSGABEDER AUSLEGESCHRIFT: 15. MÄRZ 1962 NOTICE
THE APPLICATION AND ISSUE OF THE EXPLAINING PAPER: MARCH 15, 1962

Halbleiterelemente mit pn-Übergangsschichten in einkristallinen Halbleiterkörpern, ζ. Β. aus Germanium oder Silizium, müssen wegen ihrer Empfindlichkeit gegen Verunreinigungen in ein evakuiertes oder mit einem Schutzgas gefülltes Gehäuse eingeschlossen werden. Es ist üblich, das einschließlich seiner Elektroden fertiggestellte Halbleiterelement durch Lötung flächenhaft mit einer Wand des Gehäuses, z. B. dessen Boden, zu verbinden. Da das Gehäuse die Verlustwärme des Halbleiterelementes ableiten muß, wird es in der Regel aus Kupfer gefertigt, das einen relativ hohen thermischen Ausdehnungskoeffizienten hat, während die aufgelötete Elektrodenplatte des Halbleiterelementes im allgemeinen aus einem Material, wie beispielsweise Molybdän oder Wolfram, besteht, das etwa den gleichen niedrigen Ausdehnungskoeffizienten hat wie der Halbleiterkörper.Semiconductor elements with pn junction layers in monocrystalline semiconductor bodies, ζ. Β. from germanium or silicon, have to be evacuated or in an evacuated state because of their sensitivity to contamination Enclosed with a protective gas-filled housing. It is common to do that including its electrodes finished semiconductor element by soldering flat with a wall of the housing, for. B. its Ground, connect. Since the housing must dissipate the heat loss of the semiconductor element, it will usually made of copper, which has a relatively high coefficient of thermal expansion, while the soldered-on electrode plate of the semiconductor element is generally made of a material such as molybdenum or tungsten, which has about the same low coefficient of expansion like the semiconductor body.

Es ist bekannt, die aus Molybdän oder Wolfram bestehende Elektrodenplatte des Gleichrichterelementes durch Hartlötung mit einem aus Kupfer bestehenden wärmeableitenden Bauteil zu verbinden. Hierbei ergibt sich die Schwierigkeit, daß für die Herstellung der Hartlotverbindung eine Temperatur von etwa 700° C erforderlich ist, die das Halbleiterelement, insbesondere den bereits dotierten Halbleiterkörper, gefährden kann. Stellt man andererseits die Verbindung zwischen der Elektrodenplatte und dem kupfernen Bauteil durch Weichlötung her, so kann es vorkommen, daß die Weichlotschicht den bei Temperaturänderungen auftretenden mechanischen Spannungen auf die Dauer nicht gewachsen ist. Dieser Mangel kann insbesondere bei solchen Halbleiteranordnungen auftreten, die durch häufiges Ein- und Ausschalten der Belastung thermisch besonders stark beansprucht werden, beispielsweise bei Fahrzeug- oder Schweißgleichrichtern. It is known that the electrode plate of the rectifier element made of molybdenum or tungsten to be connected by brazing to a heat-dissipating component made of copper. This results in the difficulty that a temperature of about 700 ° C for the production of the brazed joint is required that endanger the semiconductor element, in particular the already doped semiconductor body can. If, on the other hand, the connection between the electrode plate and the copper component is established by soft soldering, it can happen that the soft solder layer breaks down when the temperature changes mechanical stresses that occur is not able to cope with the long term. This deficiency can in particular occur in such semiconductor arrangements, which are caused by frequent switching on and off of the Load are particularly high thermal stress, for example in vehicle or welding rectifiers.

Bei dem in der Hauptpatentanmeldung S 66619 VIIIc/21g angegebenen Verfahren zur Herstellung einer pn-Halbleiteranordnung mit einkristallinem Halbleiterkörper, bei dem ein einschließlich seiner ungefähr den gleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten wie der Halbleiterkörper aufweisenden Elektrodenplatten fertiggestelltes Halbleiterelement durch Lötung flächenhaft mit einem metallischen Bauteil verbunden wird, ist zur Behebung dieser Schwierigkeiten vorgeschlagen, die mit dem metallischen Bauteil zu verbindende Elektrodenplatte mit einer stoffschlüssig hart angelierten bzw. hart angelöteten Auflage zu versehen, die etwa den gleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist wie das metallische Bauteil, die betreffende Elektrodenplatte nach dem Anlegieren bzw. gleichzeitig mit dem Verfahren zur Herstellung
einer pn-HalbleiteranordnungIn the method specified in the main patent application S 66619 VIIIc / 21g for the production of a pn semiconductor arrangement with a monocrystalline semiconductor body, in which a finished semiconductor element, including its electrode plates, which have approximately the same thermal expansion coefficient as the semiconductor body, is connected to a metallic component by soldering Proposed to overcome these difficulties to provide the electrode plate to be connected to the metallic component with a cohesively hard gelled or hard soldered overlay, which has approximately the same thermal expansion coefficient as the metallic component, the electrode plate in question after alloying or simultaneously with the Method of manufacture
a pn semiconductor device

Zusatz zur Patentanmeldung S 66619 VIIIc /21g
(Auslegeschrift 1120 603)Addition to patent application S 66619 VIIIc / 21g
(Interpretation document 1120 603)

Anmelder:Applicant:

Siemens-Schuckertwerke Aktiengesellschaft,Siemens-Schuckertwerke Aktiengesellschaft,

Berlin und Erlangen,
Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50Berlin and Erlangen,
Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Hans Schering, Berlin-Haselhorst,Hans Schering, Berlin-Haselhorst,

und Dipl.-Phys. Reimer Emeis, Pretzfeld (OFr.),and Dipl.-Phys. Reimer Emeis, Pretzfeld (O.r.),

sind als Erfinder genannt wordenhave been named as inventors

Anlöten der Auflage mit dem Halbleiterkörper zu verbinden und dann das so hergestellte Halbleiterelement an das metallische Bauteil weich anzulöten. Bei den Halbleiteranordnungen, die nach dem Verfahren der Hauptpatentanmeldung hergestellt werden, grenzt die Weichlotschicht an Bauteile, die etwa den gleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten haben, so daß sie bei Temperaturänderungen im wesentlichen frei von inneren Spannungen bleibt. Dadurch wird die Dauerfestigkeit der Weichlotschicht und damit die Lebensdauer der gesamten Anordnung erheblich erhöht. Die bei Temperaturänderungen auftretenden thermischen Spannungen treten im wesentlichen in der harten Legierungsschicht zwischen der Elektrodenplatte und der Auflage auf, die ein wesentlieh festeres Gefüge hat als die Weichlotschicht und durch die Spannungen nicht merklich geschädigt wird.To solder the support to connect to the semiconductor body and then the semiconductor element produced in this way to be soldered softly to the metallic component. In the case of the semiconductor arrangements made according to the process of the main patent application are produced, the soft solder layer borders on components that are about have the same coefficient of thermal expansion, so that when the temperature changes in the remains essentially free of internal tension. This increases the fatigue strength of the soft solder layer and thus the service life of the entire arrangement is increased considerably. The ones that occur with temperature changes thermal stresses occur essentially in the hard alloy layer between the Electrode plate and the support, which has a substantially firmer structure than the soft solder layer and is not noticeably damaged by the tension.

Da das Gehäuse des Halbleiterelementes, wie obenAs the case of the semiconductor element, as above

bereits bemerkt, üblicherweise aus Kupfer besteht, kommt als Material der Auflage in erster Linie ebenfalls Kupfer in Frage. Man kann eine solche Kupferauflage nach den Vorschlägen der Hauptpatentanmeldung mit der Elektrodenplatte verbinden, bevor diese mit dem Halbleiterkörper vereinigt wird, z. B. in der Weise, daß man die Auflage (Kupfer) auf die Elektrodenplatte (Molybdän oder Wolfram) aufwalzt bzw. für die Elektrodenplatte unmittelbar ein Material mit entsprechender Plattierung verwendet. Man kannalready noted, usually made of copper, is also primarily used as the material of the support Copper in question. Such a copper plating can be made according to the proposals in the main patent application connect to the electrode plate before it is combined with the semiconductor body, e.g. B. in the Way that you roll or roll the support (copper) onto the electrode plate (molybdenum or tungsten). a material with a corresponding plating is used directly for the electrode plate. One can

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jedoch auch die Auflage mit der Elektrodenplatte hart verlöten. Bei Halbleiteranordnungen, deren Halbleiterkörper nach dem Legierungsprinzip dotiert wird, kann man die Verbindung der Auflage mit der Elektrodenplatte durch Hartlötung gleichzeitig mit dem Einlegieren der Dotierungssubstanzen vornehmen. In allen genannten Fällen ist es erforderlich, beim Angliedern der Kupferauflage an das Halbleiterelement eine Temperatur anzuwenden, die etwa zwischen 700 und 800° C liegt.but also braze the support to the electrode plate. In the case of semiconductor arrangements, their semiconductor bodies is doped according to the alloy principle, you can connect the support with the electrode plate by brazing at the same time as alloying the doping substances. In In all cases mentioned, it is necessary when joining the copper plating to apply a temperature to the semiconductor element, which is approximately between 700 and 800 ° C.

Es ist bekannt, daß Kupfer bei höheren Temperaturen die Neigung hat, in die hier in Frage kommenden Halbleiterkörper einzudiffundieren und deren Eigenschaften nachteilig zu beeinflussen. Man hat daher bereits bei der Herstellung von Halbleiteranordnungen Kupferteile mit einem Überzug, insbesondere aus Nickel, versehen, der bei den angewandten Temperaturen mechanisch stabil bleibt und eine Diffusion von Kupfer zum Halbleiterkörper verhindern soll.It is known that copper has a tendency at higher temperatures to become those in question here Diffuse semiconductor bodies and adversely affect their properties. One has therefore copper parts with a coating, in particular, already in the manufacture of semiconductor arrangements made of nickel, which remains mechanically stable at the temperatures used and a To prevent diffusion of copper to the semiconductor body.

Es hat sich gezeigt, daß der störende Einfluß von Kupfer auf die Eigenschaften des Halbleiterkörpers auch bei dem Verfahren nach der Hauptpatentanmeldung eine Rolle spielen kann. Bei den hier erforderlichen Temperaturen kann das Kupfer merklich verdampfen und infolge seiner erheblichen Diffusionsneigung und Löslichkeit im Halbleiterkristall, insbesondere bei Verwendung von Silizium oder Germanium, in den Kristall einwandern. Es kann dort unerwünschte Störstellen erzeugen, durch die die Sperrfähigkeit der Anordnung nicht unbeträchtlich herabgesetzt wird.It has been shown that the disruptive influence of copper on the properties of the semiconductor body can also play a role in the process after the main patent application. With the ones required here Temperatures, the copper can evaporate noticeably and, in particular, due to its considerable diffusion tendency and solubility in the semiconductor crystal when using silicon or germanium, migrate into the crystal. It can be undesirable there Generate imperfections through which the blocking capability of the arrangement is not negligibly reduced will.

Diese unerwünschte Erscheinung bei der Verwendung von Kupfer im Rahmen des Verfahrens nach der Hauptpatentanmeldung wird gemäß der vorliegenden Erfindung dadurch behoben, daß die Kupferauflage vor ihrer Verbindung mit dem Halbleiterelement mindestens an ihren frei liegenden Oberflächenteilen mit einem überzug aus einem Material versehen wird, das einen niedrigeren Dampfdruck oder in dem Halbleiterkristall eine geringere Diffusionsgeschwindigkeit und/oder Löslichkeit besitzt als Kupfer. Als Materialien für den Überzug sind insbesondere Metalle geeignet, wie z. B. Nickel, Silber, Gold, Chrom, Kobalt, Palladium, Platin, Rhodium, Eisen oder Aluminium. Derartige Überzüge können auf galvanischem Wege oder durch thermisches Aufdampfen auf die Oberfläche der Kupferauflage aufgebracht werden.This undesirable phenomenon when using copper in the process according to the main patent application is resolved according to the present invention in that the copper plating before their connection to the semiconductor element at least on their exposed surface parts is provided with a coating of a material that has a lower vapor pressure or has a lower diffusion rate and / or solubility in the semiconductor crystal than copper. Metals are particularly suitable as materials for the coating, such as, for. B. nickel, silver, Gold, chrome, cobalt, palladium, platinum, rhodium, iron or aluminum. Such coatings can applied to the surface of the copper plating by galvanic means or by thermal vapor deposition will.

Die angegebenen Metalle können bei der Hartlötung bzw. der Legierungsbehandlung, durch die die Kupferauflage mit der Elektrodenplatte bzw. gemeinsam mit dieser mit dem Halbleiterkristall verbunden wird, zwar ebenfalls verdampfen und sich auf den freien Flächen des Halbleiterkristalls niederschlagen. Sie haben jedoch eine wesentlich geringere Diffusionsneigung und Löslichkeit im Kristall, so daß sie im Gegensatz zu Kupfer keine merkliche Störung des Kristallaufbaues verursachen.The specified metals can be used in the brazing or alloy treatment, through which the Copper plating connected to the electrode plate or, together with this, to the semiconductor crystal will also evaporate and be deposited on the free surfaces of the semiconductor crystal. However, they have a much lower diffusion tendency and solubility in the crystal, so that In contrast to copper, they do not cause any noticeable disruption of the crystal structure.

Man kann jedoch auch für den Überzug einen geeigneten Isolierstoff verwenden. Es kommen z. B. Oxyde in Frage, die bei Temperaturen bis 800° C noch nicht merklich verdampfen. Insbesondere kann die Kupferauflage mit Silizium-Monoxyd bedampft werden, das sich an der Luft in einen Quarzüberzug verwandelt. Bei Verwendung von Isolierstoffen ist es jedoch erforderlich, die für die Lötungen vorgesehenen Flächen der Kupferauflage entweder vom Überzug frei zu halten oder nachträglich von dem Überzug zu befreien.However, a suitable insulating material can also be used for the coating. There come z. B. Oxides in question, which do not yet noticeably evaporate at temperatures up to 800 ° C. In particular, can the copper plating is vaporized with silicon monoxide, which turns into a quartz coating in the air transformed. When using insulating materials, however, it is necessary to use the ones intended for the soldering To keep areas of the copper plating either free from the coating or subsequently from the Free coating.

Claims (2)

PATENTANSPRÜCHE:PATENT CLAIMS: 1. Verfahren zur Herstellung einer pn-Halbleiteranordnung mit einkristallinem Halbleiterkörper, bei dem ein einschließlich seiner ungefähr den gleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten wie der Halbleiterkörper aufweisenden Elektrodenplatten fertiggestelltes Halbleiterelement durch Löten flächenhaft mit einem metallischen Bauteil verbunden wird, das einen anderen thermischen Ausdehnungskoeffizienten hat wie der Halbleiterkörper, derart, daß die mit dem metallischen Bauteil zu verbindende Elektrodenplatte mit einer stoffschlüssig hart anlegierten bzw. hart angelöteten Auflage aus Kupfer versehen wird, die etwa den gleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist wie das metallische Bauteil, und daß die betreffende Elektrodenplatte nach dem Anlegieren bzw. gleichzeitig mit dem Anlöten der Auflage mit dem Halbleiterkörper verbunden wird und dann das so hergestellte Halbleiterelement an das metallische Bauteil weich angelötet wird, nach Patentanmeldung S 66619 VIII c/21 g, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupferauflage vor ihrer Verbindung mit dem Halbleiterelement mindestens an ihrem frei liegenden Oberflächenteil mit einem Überzug aus einem Material versehen wird, das einen niedrigeren Dampfdruck oder in dem Halbleiterkristall eine geringere Diffusionsgeschwindigkeit und/oder Löslichkeit aufweist als Kupfer.1. A method for the production of a pn-semiconductor arrangement with a monocrystalline semiconductor body, in which a finished semiconductor element including its electrode plates having approximately the same thermal expansion coefficient as the semiconductor body is connected by soldering to a metallic component which has a different thermal expansion coefficient than the semiconductor body, in such a way that the electrode plate to be connected to the metallic component is provided with a cohesively hard-alloyed or hard-soldered support made of copper, which has approximately the same coefficient of thermal expansion as the metallic component, and that the electrode plate in question after the alloying or simultaneously with after soldering the support is connected to the semiconductor body and then the semiconductor element produced in this way is soft soldered to the metallic component, according to patent application S 66619 VIII c / 21 g, thereby characterized in that the copper layer is provided before its connection to the semiconductor element at least on its exposed surface part with a coating of a material which has a lower vapor pressure or a lower diffusion rate and / or solubility in the semiconductor crystal than copper. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupferauflage mit einem Überzug aus Nickel, Silber, Gold, Chrom, Kobalt, Palladium, Platin, Rhodium, Eisen oder Aluminium versehen wird.2. The method according to claim 1, characterized in that the copper plating with a Plating made of nickel, silver, gold, chromium, cobalt, palladium, platinum, rhodium, iron or aluminum is provided. In Betracht gezogene Druckschriften:
Französische Patentschrift Nr. 1192 082.Considered publications:
French patent specification No. 1192 082. ©209 519/366 3.62© 209 519/366 3.62
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