DE1160549B

DE1160549B - Process for the production of a connection by soldering or alloying on semiconductor arrangements

Info

Publication number: DE1160549B
Application number: DES67017A
Authority: DE
Inventors: Dr Rer Nat Kurt Raithel
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1960-02-10
Filing date: 1960-02-10
Publication date: 1964-01-02

Description

Verfahren zur Herstellung einer Verbindung durch Lötung bzw. Legierung an Halbleiteranordnungen Die Erfindung bezieht sich auf die Verbesserung eines Verfahrens zur Herstellung einer Verbindung durch Lötung bzw. Legierung an Halbleiteranordnungen, vorzugsweise auf der Basis eines Halbleiters aus oder nach Art von Germanium oder Silizium, zwischen einem Körper zum elektrischen Anschluß und einer Elektrode des durch Diffusion oder durch Legierung, gegebenenfalls mit einer zusätzlichen Trägerplatte hergestellten Halbleitersystemaufbaus.Process for producing a connection by soldering or alloying on semiconductor devices The invention relates to improving a method for the production of a connection by soldering or alloying to semiconductor arrangements, preferably based on a semiconductor made of or in the manner of germanium or Silicon, between a body for electrical connection and an electrode of the by diffusion or by alloy, if necessary with an additional carrier plate manufactured semiconductor system structure.

Die Halbleiteranordnung kann dabei eine Diode, ein Triode bzw. ein Transistor oder ein Halbleiterelement sein, welches einen pnpn-Schichtenaufbau hat, so daß es nach Art eines gittergesteuerten Gasentladungsgefäßes mit Glühkathode zu einem beliebigen Zeitpunkt einer Spannungshalbwelle eines Wechselstromes nach Art eines Schalters in den Zustand der Durchlässigkeit zwischen seinen Hauptelektroden übergeführt werden kann. Solche steuerbaren Gasentladungsanordnungen sind unter der Handelsbezeichnung Stromtore bekanntgeworden. Eine in dieser Weise betriebene Halbleiteranordnung könnte daher sinngemäß auch als ein Halbleiterstromtor bezeichnet werden.The semiconductor arrangement can be a diode, a triode or a Be a transistor or a semiconductor element which has a pnpn layer structure, so that it is like a grid-controlled gas discharge vessel with a hot cathode at any point in time of a voltage half-wave of an alternating current Kind of a switch in the state of permeability between its main electrodes can be transferred. Such controllable gas discharge arrangements are under the trade name Stromtore became known. One operated in this way Semiconductor arrangement could therefore also be referred to as a semiconductor current gate will.

Die Erfindung hat bei diesem Verfahren eine Lösung der Aufgabe zum Ziel, das Anbringen einer elektrischen Anschlußelektrode an einem bereits nach dem Legierungs- bzw. Diffusionsprozeß fertiggestellten Halbleitersystem an einer bei diesem Prozeß erzeugten Elektrode unter Vermeidung von nachteiligen Erscheinungen in der Erhaltung der Form dieser letztgenannten Elektrode vornehmen zu können.The invention has a solution to the problem in this method Aim, the attachment of an electrical connection electrode to one already after Alloy or diffusion process completed semiconductor system at a this process produced electrode while avoiding disadvantageous phenomena in maintaining the shape of this last-mentioned electrode.

Bei der Herstellung von Halbleiteranordnungen, z. B. beim Aufbau einer Diode, bei welchem eine Trägerplatte, eine Aluminiumfolie als Elektroden-und Dotierungsmaterial der einen Art, ein Halbleiterkörper aus Silizium, ein Körper aus einer Goldantimonlegierung als Elektrodenwerkstoff der zweiten Elektrode und ein Anschlußkörper, z. B. aus Kupfer, unmittelbar oder erst nach einer zwischengeschalteten Platte, z. B. aus Wolfram, übereinandergeschichtet werden, hat sich, wenn der Anschlußkörper, gegebenenfalls zusammen mit der Wolframplatte, auf das bereits durch Diffusion oder Legierung fertiggestellte Halbleitersystem aufgesetzt worden war und das System anschließend so erwärmt wurde, daß der Elektrodenwerkstoff, z. B. aus Goldantimon bzw. einschließlich der entstandenen Gold-Antimon-Silizium-Legierung, wieder in den schmelzflüssigen Zustand übergeführt wurde, unter dem Einfiuß der Gewichtsbelastung dieses Anschlußkörpers z. B. ein wulstartiges Ausweichen der Goldantimonelektrode seitlich des Anschlußkörpers ergeben. Das ist nachteilig, denn dieser wulstartig erhöhte Elektrodenteil stellt bei der anschließend an den Löt- bzw. Legierungsprozeß erfolgten Abkühlung der Anordnung einen Körper von gegenüber dem anderen Elektrodenteil erhöhter Schrumpfwirkung bzw. Schrumpfkraft dar, so daß durch die dabei entstehende verschiedene mechanische Einwirkung der Elektrodenteile auf den Halbleiterkörper dieser beschädigt oder zerstört werden kann. Anstatt oder neben der wulstartigen Erhöhung kann die Erscheinung auftreten, daß der Elektrodenwerkstoff sich seitlich an dem Anschlußkörper durch Benetzungswirkung hochzieht, womit ebenfalls eine ungleichmäßige Höhenausdehnung der schmelzflüssigen Elektrode an dem Halbleiterkörper entsteht. Welche der genannten Erscheinungen und welche bevorzugt auftritt, ist eine Frage der bei der Anbringung der Anschlußelektrode angewandten Temperatur.In the manufacture of semiconductor devices, e.g. B. when building a Diode, in which a carrier plate, an aluminum foil as electrode and doping material one type, a semiconductor body made of silicon, a body made of a gold antimony alloy as the electrode material of the second electrode and a connecting body, e.g. B. off Copper, immediately or only after an intermediate plate, e.g. B. off Tungsten, to be layered one on top of the other, if the connecting body, if necessary together with the tungsten plate, onto the one already finished by diffusion or alloying Semiconductor system had been put on and the system was then heated so that that the electrode material, e.g. B. from gold antimony or including the resulting Gold-antimony-silicon alloy, returned to the molten state was, under the influence of the weight load of this connection body z. B. a bead-like evasion of the gold antimony electrode to the side of the connecting body. This is disadvantageous because this bead-like raised electrode part is in the subsequent to the soldering or alloying process, the arrangement was cooled a body with a higher shrinkage effect than the other electrode part or Shrinkage force, so that by the resulting various mechanical effects the electrode parts on the semiconductor body are damaged or destroyed can. Instead of or in addition to the bulge-like elevation, the phenomenon can occur that the electrode material is laterally on the connection body by wetting effect pulls up, which also results in an uneven height expansion of the molten liquid Electrode is created on the semiconductor body. Which of the mentioned phenomena and which occurs preferentially is a question of the attachment of the terminal electrode applied temperature.

Diese Mangelerscheinungen lassen sich beim Anbringen eines Anschlußkörpers an einer Halbleiteranordnung der eingangs erwähnten Art vermeiden, indem bei dem Verfahren nach der Erfindung zur Vermeidung unerwünschter Schubspannungen im Halbleiterkörper der Halbleitersystemaufbau in eine Hilfsform eingesetzt, auf ihm der zu befestigende Anschlußkörper in seiner betriebsmäßigen Lage angeordnet, anschließend die Hilfsform mit einer pulverigen Masse gefüllt und derart gepreßt wird, daß sie den genannten Systemaufbau einschließlich des an diesen anschließenden Teils des Anschlußkörpers nach Art einer Hilfsform umschließt, so daß bei der Wärmebehandlung dieser Anordnung das in den Schmelzzustand übergehende, dem Anschlußkörper benachbarte Elektrodenmaterial nur eine eindeutig vorbestimmte Form annehmen kann.These deficiency symptoms can be avoided when attaching a connection body Avoid on a semiconductor device of the type mentioned by the Method according to the invention for avoiding undesirable shear stresses in the semiconductor body the semiconductor system structure inserted in an auxiliary form, on it the one to be attached Terminal body arranged in its operational position, then the auxiliary form is filled with a powdery mass and pressed in such a way that it is said System structure including the part of the connection body adjoining this encloses in the manner of an auxiliary form, so that during the heat treatment of this arrangement that in the Melting state passing over, adjacent to the connecting body Electrode material can only take a clearly predetermined shape.

Es kann somit nicht mehr zu einer solchen unerwünschten ungleichförmigen Ausbildung der Oberfläche dieses genannten Elektrodenkörpers kommen, die zu einer ungleichmäßigen Höhe über dem Halbleiterkörper mit ihren nachteiligen Folgen führen kann.It can thus no longer become such an undesirable non-uniform Formation of the surface of this mentioned electrode body come to a lead uneven height above the semiconductor body with their disadvantageous consequences can.

Die Anwendung einer Pulverpreßform war bereits für die Herstellung von Halbleiteranordnungen bekannt, um auf den Halbleiterkörper aufgelegte Dotierungswerkstoffe in den Halbleiterkörper einzulegieren und dadurch in diesem bestimmte Volumenbereiche nach Grad und/oder elektrischem Leitungstyp zu dotieren, also zur Fertigung von Halbleiterkörpern, die ihrerseits dann erst mit einem elektrischen Anschlußleiter versehen werden sollen.The use of a powder mold was already used for manufacture known from semiconductor arrangements to doping materials placed on the semiconductor body to be alloyed into the semiconductor body and thereby certain volume areas in this to be doped according to degree and / or electrical conductivity type, i.e. for the production of Semiconductor bodies, which in turn only have an electrical connection conductor should be provided.

Es war ferner bekannt, an Flächengleichrichtern mit legierten Elektroden die an einer dieser Legierungselektrode anzubringende Stromzuführung der Legierungselektrode im Querschnitt der legierten Zone anzupassen und so auszubilden, daß beim Einsetzen der Stromzuführung in das Legierungsmaterial sich dieses auf der Halbleiteroberfläche nicht ausbreitet. Zur Erfüllung dieser Wirkung wurde die Stromzuführung derart gestaltet, daß sie auf das Legierungsmaterial nach seinem Eindringen in dieses eine Saugwirkung, insbesondere durch eine Kapillarwirkung, ausübt, wobei sie offenbar während dieses Prozesses in vorbestimmter ortsfester Lage festgehalten werden muß. Durch einen solchen Prozeß können sich aber gerade entgegen der Zielsetzung nach der vorliegenden Erfindung, der Entstehung von Schubspannungen bzw. Schrumpfspannungen im Halbleiterkörper dadurch vorzubeugen, daß auf dem Halbleiterkörper Stellen mit Elektrodenmaterial verschiedener Höhe nicht entstehen können, solche Elektrodenmaterialmengen mit verschiedener Höhenausdehnung über die Oberfläche des Halbleiterkörpers und damit gerade diejenigen nachteiligen Erscheinungen ergeben, welche durch die Anwendung des vorliegenden Verfahrens vermieden werden sollen.It was also known to use surface rectifiers with alloyed electrodes the current supply of the alloy electrode to be attached to one of these alloy electrodes to adapt in cross-section of the alloyed zone and to train so that when inserting the power supply in the alloy material, this is on the semiconductor surface does not spread. To achieve this, the power supply was designed in such a way that that they have a suction effect on the alloy material after it has penetrated it, in particular through a capillary action, apparently during this Process must be held in a predetermined fixed position. Through a Such a process can, however, go against the objective of the present Invention, the emergence of shear stresses or shrinkage stresses in the semiconductor body by preventing spots with electrode material on the semiconductor body different heights cannot arise, such amounts of electrode material with different Height expansion over the surface of the semiconductor body and thus just those adverse phenomena result, which by the application of the present Procedure should be avoided.

Zur näheren Erläuterung der Erfindung an Hand eines Ausführungsbeispieles wird nunmehr auf die Zeichnung Bezug genommen.To explain the invention in more detail using an exemplary embodiment reference is now made to the drawing.

In dieser bezeichnet 1 den becherförmigen Körper einer Hilfsform, die z. B. aus Graphit bestehen kann. Auf dem Boden dieser Becherform ist der Halbleitersystemaufbau eingesetzt. Dieser besteht z. B. aus einer Kupferplatte 2, einer Molydänplatte 3, einer Aluminiumfolie bzw. Aluminiumschicht 4, einem einkristallinen Halbleiterkörper 5, z. B. aus Silizium, einer Goldantimonelektrode 6, einer Wolframplatte 7 und einem becherförmigen Anschlußkörper 8 aus Kupfer. Der Aufbau des Systems 4 bis 6 ist in einem besonderen Diffusions- oder Legierungsprozeß hergestellt worden. Gegebenenfalls kann während dieses Legierungprozesses auch bereits die Molydänplatte 3 mit dem Systemaufbau 4 bis 6 vereinigt werden sein. Die Kupferplatte 2 kann entweder durch einen besonderen Hart- oder Weichlötprozeß oder ebenfalls während oder vor dem Legierungsprozeß an dem Halbleitersystem 4 bis 6 mit der Molydänplatte 3 verbunden worden sein. Das zu lösende Problem ist, daß entweder z. B. der Kupferkörper 8 allein oder zusammen mit der Wolframplatte 7 mit dem Elektrodenkörper 6 des Halbleitersystems verlötet wird, ohne dabei eine unerwünschte Verformung der Oberfläche dieser Elektrode 6 herbeizuführen. Es soll also nicht zu solchen Erscheinungen kommen, wie sie an der gestrichelten Stelle 9 in Form eines Ringwulstes der Stelle bzw. 11) in Form eines an dem Anschlußkörper hochgezogenen Ringes von etwa dreieckförmigem Querschnitt angedeutet sind. Diese würden eine ungleichmäßig hohe Erhebung der Elektrode 6 auf der Halbleiterplatte 5 darstellen. Nachdem das fertige System aus den eilen 2 bis 6 in die Becherform 1 eingesetzt worden ist und die Teile 7 und 8 an diesem System ihre spätere betriebsmäßige Lage auf dem Elektrodenkörper 6 erhalten haben, wird in diese Hilfsform 1 ein pulverförmiges Mittel 11, wie z. B. Quarzmehl, Graphit, Magnesiumoxyd oder Aluminiumoxyd, eingefüllt. Das Pulver soll eine möglichst feine Körnung aufweisen, so daß es sich nicht an die Mantelfläche des Systemaufbaus 2 bis 8 anlegen kann. Nunmehr wird dieses Mittel f einer Pressung unterworfen, daß es sich an die genannten Mantelflächen dicht anlegt und eine den Körper der Elektrode 6 und den anschließenden Teil der elektrischen Anschlußkörperteile 7 und 8 dicht umschließende Form bildet. Anschließend wird dann das gesamte System 1. bis 11 in einen geeigneten Ofen gebracht, damit die Elektrode 6 in ihren schmelzflüssigen Zustand übergeht und damit eine entsprechende mechanische und elektrische Verbindung mit den Anschlußkörpern 7 bzw. 8 eingeht. Es ist zu übersehen, daß, wie bereits in dem allgemeinen Teil der Beschreibung geschildert worden ist, durch die aus dem gepreßten Pulver 11 gebildete Hilfsform ein Ausweichen des Elektrodenwerkstoffes, welches früher zu einer solchen angedeuteten unregelmäßigen Formgebung an den Stellen 9 bzw. 10 der Elektrode 6 Anlaß geben könnte, nunmehr nicht eintreten kann.In this, 1 denotes the cup-shaped body of an auxiliary form, the z. B. can be made of graphite. The semiconductor system structure is inserted on the bottom of this cup shape. This consists z. B. from a copper plate 2, a Molydänplatte 3, an aluminum foil or aluminum layer 4, a monocrystalline semiconductor body 5, z. B. made of silicon, a gold antimony electrode 6, a tungsten plate 7 and a cup-shaped connecting body 8 made of copper. The structure of the system 4 to 6 has been produced in a special diffusion or alloying process. If necessary, the molybdenum plate 3 can already be combined with the system structure 4 to 6 during this alloying process. The copper plate 2 can have been connected to the molybdenum plate 3 either by a special hard or soft soldering process or also during or before the alloying process on the semiconductor system 4 to 6. The problem to be solved is that either z. B. the copper body 8 alone or together with the tungsten plate 7 is soldered to the electrode body 6 of the semiconductor system without causing an undesired deformation of the surface of this electrode 6. There should therefore not be such phenomena as are indicated at the dashed point 9 in the form of an annular bead at the point or 11) in the form of a ring of approximately triangular cross-section pulled up on the connecting body. These would represent an unevenly high elevation of the electrode 6 on the semiconductor plate 5. After the finished system from the parts 2 to 6 has been inserted into the cup shape 1 and the parts 7 and 8 of this system have received their later operational position on the electrode body 6, a powdery agent 11, such as. B. quartz powder, graphite, magnesium oxide or aluminum oxide filled. The powder should have as fine a grain as possible so that it cannot come into contact with the outer surface of the system structure 2 to 8. This means f is now subjected to a compression so that it lies tightly against the above-mentioned outer surfaces and forms a shape which tightly encloses the body of the electrode 6 and the adjoining part of the electrical connection body parts 7 and 8. The entire system 1 to 11 is then placed in a suitable furnace so that the electrode 6 changes to its molten state and a corresponding mechanical and electrical connection is made with the connection bodies 7 and 8, respectively. It can be overlooked that, as has already been described in the general part of the description, the auxiliary shape formed from the pressed powder 11 causes the electrode material to evade, which earlier led to such an indicated irregular shape at points 9 and 10 of the electrode 6 could give cause, now cannot occur.

Es kann eventuell bei einer starken Benetzungswirkung des Elektrodenwerkstoffes von 6 in bezug auf die Anschlußkörper 7 und 8 ein Hochziehen des Elektrodenwerkstoffes in einer sehr dünnen Schicht an der Mantelfläche von 7 und 8 stattfinden. Das ist aber dann nicht nachteilig, denn eine solche Schicht ist praktisch von sehr geringer Dicke und damit praktisch nur von untergeordnetem, unbeachtlichem mechanischem Einfluß. Diese Erscheinung der Benetzung kann vielmehr sogar nützlich sein, indem auf diese Weise z. B. ein Goldüberzug über den Wolframkörper 7 und einen Teil des Kupferkörpers 8 erzeugt wird, der am fertigen System die Wirkung eines Korrosionsschutzüberzuges übernehmen kann. Bei Verwendung von Wolframkörpern z. B. als Trägerplatte oder Anschlußkörper oder Zwischenkörper zu einer solchen ist die unmittelbare Benetzung durch Gold im allgemeinen nicht ohne weiteres in einwandfreier Weise möglich. Es wurde jedoch erkannt, daß die Benetzungswirkung dann eine vollkommene wird, wenn der Wolframkörper zunächst mit einem Tantalüberzug versehen wird. Es kann daher, wenn die Korrosionsschutzwirkung angestrebt wird, der benutzte Wolframkörper 7 vorher mit einem entsprechenden Überzug aus Tantal versehen worden sein-Zur Erhöhung der mechanischen Stabilität des aus der gepreßten Pulvermasse hergestellten Hilfsformtiies während des Erwärmungs- bzw. Ofenprozesses kann die gepreßte Pulvermasse Gegebenenfalls mit einem möglichst ihre gesamte freie Oberfläche bedeckenden bzw. beanspruchenden Gewicht belastet werden.It can possibly be caused by a strong wetting effect of the electrode material FIG. 6 shows a pulling up of the electrode material with respect to the connection bodies 7 and 8 take place in a very thin layer on the outer surface of 7 and 8. That is but then not disadvantageous, because such a layer is practically very small Thickness and thus practically only of minor, insignificant mechanical influence. Rather, this phenomenon of wetting can even be useful by referring to this Way z. B. a gold plating over the tungsten body 7 and part of the copper body 8 is generated, which has the effect of an anti-corrosion coating on the finished system can take over. When using tungsten bodies z. B. as a carrier plate or connector body or intermediate body to such is the direct wetting by gold in the generally not possible without further ado in an impeccable manner. It was, however recognized that the wetting effect is perfect when the tungsten body is first provided with a tantalum coating. It can therefore if the anti-corrosion effect The aim is to previously coat the tungsten body 7 used with an appropriate coating made of tantalum - To increase the mechanical stability of the the pressed powder mass produced auxiliary molds during the heating or Oven process can, if necessary, the pressed powder mass with one of their entire free surface covering or demanding weight are loaded.

Claims

Claim: Method for producing a connection by soldering or alloying to semiconductor arrangements, preferably based on a semiconductor made of or in the manner of germanium or silicon, between a body for electrical connection and an electrode of the diffusion or alloy, optionally with an additional carrier plate manufactured semiconductor system structure, characterized in that to avoid unwanted shear stresses in the semiconductor body, the semiconductor system structure is inserted into an auxiliary form, the connecting body to be fastened is arranged on it in its operational position, then the auxiliary form is filled with a powdery mass and pressed in such a way that it is said System structure including the part of the connecting body adjoining this encloses in the manner of an auxiliary form, so that during the heat treatment of this arrangement the electrode material which is adjacent to the connecting body and which is in the melted state al can only take a clearly predetermined form. Considered publications: German Auslegeschriften No. 1015 152, 1046198; Austrian Patent No. 187 598; U.S. Patent No. 2,752,541.