DE1178148B - Process for the preparation of electrical semiconductor arrangements with alloyed electrodes for the attachment of electrical connection conductors to these electrodes - Google Patents
Process for the preparation of electrical semiconductor arrangements with alloyed electrodes for the attachment of electrical connection conductors to these electrodesInfo
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Description
Verfahren zur Vorbereitung.von elektrischen Halbleiteranordnungen mit .einlegierten Elektroden für das Anbringen von elektrischen Anschlußleitern an diesen Elektroden Die Erfindung bezieht sich auf eine Verbesserung des Verfahrens zum Anbringen von elektrischen Anschlußleitern an elektrischen Halbleiteranordnungen mit einlegierten Elektroden, indem diese einlegierten Elektroden in bestimmter Weise für die Anbringung des Anschlußleiters vorbereitet werden.Method for the preparation of electrical semiconductor devices With .einalloyed electrodes for attaching electrical connection conductors on these electrodes. The invention relates to an improvement in the method for attaching electrical connection conductors to electrical semiconductor arrangements with alloyed electrodes by placing these alloyed electrodes in a certain way be prepared for the attachment of the connecting conductor.
Solche Halbleiteranordnungen bzw. Halbleiterbauelemente können auf der Basis eines einkristallinen Halbleiterkörpers aus einem Elementhalbleiter, wie Germanium oder Silizium, oder einem solchen aus einer intermetallischen Verbindung, wie z. B. einer Ar,IB@.-Verbindung hergestellt sein.Such semiconductor arrangements or semiconductor components can be on the base of a monocrystalline semiconductor body made of an element semiconductor, such as Germanium or silicon, or one made of an intermetallic compound, such as B. an Ar, IB @ .- compound.
Es ist in manchen Fällen erwünscht, den elektrischen Anschlußleiter mittels einer Verlötung an der. einlegierten Elektrode anzubringen und in anderen Fällen wiederum zweckmäßig, diesen mit der Elektrode zu verschweißen, z. B. mit Hilfe einer elektrischen Widerstandsverschweißung.In some cases it is desirable to use the electrical connection conductor by means of soldering to the. Inlaid electrode to be attached and in others Cases in turn useful to weld this to the electrode, for. B. with With the help of electrical resistance welding.
Der Erfindung liegt nun die Erkenntnis zugrunde, daß zum Herstellen einer einwandfreien Verbindung zwischen einem elektrischen Anschlußleiter und der einlegierten Elektrode das Gefüge in der, nach dem Legierungsprozeß wieder auskristallisierten, aus Elektrodenmaterial und Halbleitermaterial bestehenden Zone eine beachtliche Rolle spielt und daher in seinem Zustand beachtet werden muß.The invention is based on the knowledge that to manufacture a proper connection between an electrical connection conductor and the alloyed electrode the structure in which, after the alloying process, crystallized out again, consisting of electrode material and semiconductor material a considerable zone Plays a role and must therefore be taken into account in its condition.
So ist es für das elektrische Verschweißen der beiden Teile günstig, wenn das wieder auskristallisierte Gefüge des Elektrodenmaterials möglichst feinkristallin ist, d. h., die Halbleiterkristallite, welche in das auskristallisierte Elektrodenmaterial eingeschlossen sind, haben nur eine relativ kleine Größe, sind in großer Zahl vorhanden und liegen möglichst nahe einander benachbart. Der Grund hierfür liegt offenbar darin, daß das Anlösen eines Gefüges bei einer Erwärmung vorzugsweise an den Korngrenzen der eingelagerten Halbleiterkristalle einsetzt und dann erst in das andere Elektrodenmaterial hinein fortschreitet. Würden aber nur große eingelagerte Halbleiterkristallite vorhanden sein, so würde ein solcher Halbleiterkristallit entweder von der aufgesetzten Elektrode her relativ spät erwärmt werden ,infolge eines relativ langen Weges für die Wärmeenergie, oder diese würde einen solchen Kristallit zwar relativ schnell erreichen und aufheizen, aber dann würde der nächste Halbleitermaterialkristallit erst durch das weitere Elektrodenmaterial hindurch erwärmt werden können. Sollen bei einem solchen grobkristallinen Gefüge auftretende Schwierigkeiten. beim Schweißen überwunden werden, so müßte eine relativ große Schweißleistung aufgewendet werden. Dann kann die Erwärmung aber gleichzeitig in Richtung auf den Halbleiterkörper so schnell fortschreiten, daß dadurch die beim Legierungsprozeß im Halbleiterkörper erzeugte Legierungsfront in: unerwünschter Weise beeinflußt wird.So it is favorable for the electrical welding of the two parts, if the structure of the electrode material that has crystallized out again is as finely crystalline as possible is, d. That is, the semiconductor crystallites which are present in the crystallized electrode material are included, are relatively small in size, are present in large numbers and are as close as possible to one another. The reason for this is obvious in that the loosening of a structure when heated, preferably at the grain boundaries the embedded semiconductor crystals and only then into the other electrode material progresses into it. But if only large embedded semiconductor crystallites would be present such a semiconductor crystallite would either be from the electrode placed on it are heated relatively late, due to a relatively long path for the thermal energy, or this would reach and heat up such a crystallite relatively quickly, but then the next semiconductor material crystallite would only be through the further one Electrode material can be heated through. Should with such a coarsely crystalline Structure occurring difficulties. be overcome when welding, so one would have to relatively large welding power are expended. Then the warming can take place at the same time advance so rapidly in the direction of the semiconductor body that this results in the Alloying process in the semiconductor body generated alloy front in: undesirable Way is affected.
Umgekehrt wurde für das Anlöten eines elektrischen Anschlußwiderstandes an einer in den Halbleiterkörper einlegierten Elektrode ein grobkristallines Gefüge als zweckmäßig erkannt, d. h. also .ein Gefüge, bei welchem in dem einkristallinen Gefüge des fast reinen Elektrodenmaterials relativ große Halbleiterkristallite eingelagert sind: Ein Verlöten: erfordert im allgemeinen ein vorhergehendes Ätzen der legierten Halbleiteranordnungen. So können beispielsweise Siliziumkristalle nicht verlötet werden, d. h., solche in der Oberfläche einer, Legierungselektrode erscheinenden Siliziumkörper .müssen vorher durch einen Ätzprozeß entfernt werden. Handelt es sich nun um große eingelagerte, Siliziumkristalle, die also auch in größerer Entfernung voneinander in dem Elektrodenmaterial liegen, so gelingt es auf verhältnismäßig einfache Weise, durch den Ätzpxozeß das Silizium bzw. Halbleitermaterial zu entfernen. Es entstehen dann Ätzgruben, zwische,n, denen relativ große Flächen des Elektrodenmaterials vorhanden sind, .an denen sich dann auch eine gute Verlötung durchführen läßt. Würde dagegen nur- ein feinkristallines Gefüge vorliegen, so würde es nicht in so einfacher Weise gelingen, das in der Oberfläche liegende oder in der oberflächennahen Zone vorhandene einkristalline Silizium durch Ätzen zu beseitigen, sondern man würde vielmehr nur zu einer oberflächennahen Zone gelangen, die ein relativ dünnwandiges feinporiges Gefüge von raumformmäßigem Aufbau eines Schwammes hat.The opposite was true for soldering an electrical connection resistor a coarsely crystalline structure on an electrode alloyed into the semiconductor body recognized as appropriate, d. H. So .a structure in which in the monocrystalline The structure of the almost pure electrode material contains relatively large semiconductor crystallites are: Soldering: generally requires prior etching of the alloy Semiconductor arrangements. For example, silicon crystals cannot be soldered be, d. i.e., those appearing in the surface of an alloy electrode Silicon bodies .must be removed beforehand by an etching process. Does it are now large, embedded silicon crystals, which are also at a greater distance lie from each other in the electrode material, so it succeeds on relatively easy way to remove the silicon or semiconductor material by the etching process. Etching pits then arise between, n, which relatively large areas of the electrode material are available, on which a good soldering can then also be carried out. Would on the other hand, if only a finely crystalline structure is present, it would not be as simple as that In a way, succeed in that lying in the surface or in the near-surface zone to eliminate existing monocrystalline silicon by etching, instead one would rather, only get to a near-surface zone, which is a relatively thin-walled one fine-pored The structure of the spatial structure of a sponge has.
Aufbauend auf den vorstehend aufgezeigten Erkenntnissen wird ein Verfahren zur Vorbereitung von elektrischen Halbleiteranordnungen bzw. Halbleiterbauelementen mit einlegierten Elektroden für das Anbringen von Anschlußleitern an diesen Elektroden geschaffen, indem erfindungsgemäß beim Einlegieren der Elektroden in den Halbleiterkörper die Abkühlungsgeschwindigkeit der Halbleiteranordnung am Ende des Legierungsprozesses etwa vom eutektischen Punkt der aus Elektrodenmaterial und Halbleitermaterial bestehenden Legierung an für den Fall einer späteren Verlötung des Anschlußleiters mit der einlegierten Elektrode so gelenkt wird, daß im Elektrodenmaterialkörper in der Zone nahe der späteren Verbindungsfläche mit dem Anschlußleiter durch eine relativ kleine Abkühlungsgeschwindigkeit ein grobkristallines Gefüge erzeugt wird.Based on the knowledge presented above, a method for the preparation of electrical semiconductor arrangements or semiconductor components with alloyed electrodes for attaching connecting leads to these electrodes created by the invention when alloying the electrodes in the semiconductor body the cooling rate of the semiconductor device at the end of the alloying process for example from the eutectic point of the electrode material and semiconductor material Alloy on in the event of a later soldering of the connecting conductor with the inlaid one Electrode is steered so that in the electrode material body in the zone near the later connection surface with the connection conductor by a relatively low cooling rate a coarsely crystalline structure is generated.
Bei einer Abwandlung des vorstehend beschriebenen Verfahrens wird der Abkühlungsprozeß der Halbleiteranordnung am Ende des Legierungsprozesses etwa vom eutektischen Punkt der aus Elektrodenmaterial und Halbleitermaterial bestehenden Legierung an im Falle einer späteren elektrischen Widerstandsverschweißung des elektrischen Anschlußleiters mit der einlegierten Elektrode so gelenkt, daß im Elektrodenmaterialkörper in der Zone nahe der Verbindungsfläche mit dem elektrischen Anschlußleiter durch eine schnelle Abkühlung oder einen Temperatursprung im Verlauf der Abkühlung an Stelle eines grobkristallinen Gefüges ein feinkristallines Gefüge erzeugt wird.In a modification of the method described above, the cooling process of the semiconductor device at the end of the alloying process, for example from the eutectic point that consists of electrode material and semiconductor material Alloy in the case of a later electrical resistance welding of the electrical Connection conductor with the alloyed electrode steered so that in the electrode material body in the zone near the connection surface with the electrical connection conductor a rapid cooling or a temperature jump in the course of the cooling Instead of a coarsely crystalline structure, a finely crystalline structure is generated.
Es war beim Herstellen von Halbleiterkörpern mit dotierten Bereichen durch Einlegieren von Elektrodenmaterialien aus dem -Jeweiligen Dotierungsstoff oder einem diesen enthaltenden Trägerstoff zwar bekannt, ein gewisses Temperaturzeitprogramm einzuhalten. Im allgemeinen war dies ein Temperaturprofil, nach welchem ein linearer Anstieg der Temperatur bis zu einer Spitzentemperatur gewählt wurde, welche dann über eitlen gewissen Zeitraum genau aufrechterhalten wurde, um Gleichgewichtsbedingungen herzustellen, und von welchem dann die Temperatur allmählich erniedrigt wurde, um günstige Bedingungen für ein gleichmäßiges Wiederauskri@stallisieren zu schaffen. Indessen wurde nicht erkannt, daß der Verlauf des Abkühlungsprozesses beim Einlegieren eines Elektrodenmaterials zweckmäßig jeweils in bestimmter Weise gestaltet wird, je nachdem, ob später an der einlegierten Elektrode ein weiterer Anschlußleiter durch Anlöten oder Anschweißen befestigt werden soll.It was in the manufacture of semiconductor bodies with doped regions by alloying electrode materials from the respective dopant or a carrier substance containing this known, a certain temperature-time program to be observed. In general this was a temperature profile after which a linear one Rise in temperature up to a peak temperature was chosen, which then over a certain period of time it was precisely maintained to equilibrium conditions and from which the temperature was then gradually lowered to to create favorable conditions for uniform re-crystallization. However, it was not recognized that the course of the cooling process during alloying an electrode material is expediently designed in a certain way, depending on whether another connecting conductor is later connected to the alloyed electrode to be attached by soldering or welding.
Auch war es beim Einlegieren von Elektrodenmaterialien in zwei einander,gegenüberliegende Oberflächenteile eines Halbleiterkörpers bekannt, die Anordnung in einer trockenen Wasserstoffatmosphäre mit einer Geschwindigkeit in der Größenordnung von 100° C/sec zu erhitzen und danach zur Abkühlung auf die Umgebungstemperatur mit einer Geschwindigkeit von etwa 40° C/sec sich selbst zu überlassen. Diese Anordnung wurde dann nach einer Flüssigkeitsbehandlung erneut in einer trockenen Wasserstoffatmosphäre auf 800° C erhitzt, um aus den einlegierten Bereichen einen Aktivator in das benachbarte Germanium eindiffundieren zu lassen. Nach dem Eindiflrundieren bei 800° C über einen Zeitraum zur Bildung der eindiffundierten n-leitenden Schicht vorbestimmter Dicke wurde der Halbleiterkörper zunächst langsam bis aus 500° C, z. B. mit 1 ° Cimin, und alsdann schneller bis auf die Umgebungstemperatur abgekühlt.It was also the case when alloying electrode materials in two opposite one another Surface parts of a semiconductor body known, the arrangement in a dry Hydrogen atmosphere at a rate of the order of 100 ° C / sec to heat and then to cool to ambient temperature at one rate of about 40 ° C / sec to be left to itself. This arrangement was then after a Liquid treatment again in a dry hydrogen atmosphere at 800 ° C heated to convert an activator from the alloyed areas into the neighboring To diffuse germanium. After diffusing in at 800 ° C over a Time for the formation of the diffused n-type layer of a predetermined thickness the semiconductor body was initially slowly up to 500 ° C, z. B. with 1 ° Cimin, and then cooled more quickly to ambient temperature.
Dieses Abkühlungsprogramm erfolgte also am Ende des Diffusionsvorganges, bei dem die legierten Elektrodenmaterialien sich bereits wieder in festem Zustand befanden. Es wurde im wesentlichen dabei nur der langsamen Abkühlung -bis auf 500° C Bedeutung beigemessen, mit der Zielsetzung, solche thermischen Mängel in dem Halbleiterkörper zu vermeiden, welche als Akzeptoren wirken, und welche in nachteiliger Weise die Eigenschaften eines Teiles des Germaniums beeinflussen können.This cooling program took place at the end of the diffusion process, in which the alloyed electrode materials are already in a solid state again found. It was essentially only the slow cooling down to 500 ° C importance attached with the aim of eliminating such thermal defects in the semiconductor body to avoid which act as acceptors, and which adversely affect the Can influence properties of a part of the germanium.
Zur näheren Erläuterung der Erfindung an Hand eines entsprechenden beispielsweisen Schaubildes wird nunmehr auf die Figur der Zeichnung Bezug genommen. In dieser ist das Temperaturprogramm eines Legierungsprozesses einer Siliziumhalbleiteranordnung wiedergegeben. In den Halbleiterkörper wurde eine Gold-Antimon-Elektrode einlegiert aus einem Elektrodenmaterial, welches zunächst in Folienform auf den Halbleiterkörper aufgelegt und mittels einer Hilfsform an diesen angepreßt wurde. In diesem Schaubild ist über der Zeit in Stunden die Temperatur in Celsiusgraden aufgetragen. In dem Schaubild ist das Abbild der von einem Schreiber aufgezeichneten Kurve wiedergegeben. Vom Punkt 1 aus wurde die zu legierende Halbleiteranordnung zunächst bis zum Punkt 1I erhitzt. Auf der Temperatur des Punktes 1I wurde diese dann über einen gewissen Zeitraum gehalten und dann abgekühlt. Aus dieser Abkühlungszeit ist im Schaubild ein gewisses Stück herausgelassen, welches durch die strichpunktierten Begrenzungslinien angedeutet ist. Vom Punkt III an, d. h. bei einer Temperatur von etwa 370° C, die der eutektischen Temperatur der Legierung Gold-Silizium entspricht, wurde die Abkühlungsgeschwindigkeit der Halbleiteranordnung beschleunigt. Durch eine solche Temperaturbehandlung der Halbleiteranordnung bei der Abkühlung mit einem Temperatursprung in der Abkühlungskurve entsprechend einer z. B. etwa 10fach gesteigerten Abkühlungsgeschwindigkeit wurde eine Halbleiteranordnung erzeugt, die in dem wiederauskristallisierten Elektrodenmaterial in der für den Anschluß der Zuleitung vorgesehenen Zone ein feinkristallines Gefüge besitzt und somit für das Verbinden des elektrischen Anschlußleiters mit Hilfe einer elektrischen Widerstandsverschweißung mit der einlegierten Elektrode geeignet ist.For a more detailed explanation of the invention on the basis of a corresponding one exemplary diagram, reference is now made to the figure of the drawing. In this is the temperature program of an alloying process of a silicon semiconductor device reproduced. A gold-antimony electrode was alloyed into the semiconductor body made of an electrode material, which is initially applied to the semiconductor body in film form was placed and pressed against this by means of an auxiliary form. In this diagram the temperature in degrees Celsius is plotted over the time in hours. By doing The diagram shows the image of the curve recorded by a recorder. From point 1, the semiconductor arrangement to be alloyed was initially up to the point 1I heated. At the temperature of point 1I this was then above a certain Period of time held and then cooled. From this cooling time is shown in the diagram a certain piece left out, which is indicated by the dash-dotted boundary lines is indicated. From point III on, i. H. at a temperature of about 370 ° C, the the eutectic temperature of the alloy gold-silicon corresponds to the cooling rate the semiconductor device accelerated. Such a temperature treatment of the Semiconductor arrangement during cooling with a temperature jump in the cooling curve according to a z. B. about 10 times increased cooling rate a semiconductor device is created in the recrystallized electrode material a finely crystalline structure in the zone provided for the connection of the supply line possesses and thus for connecting the electrical connection conductor with the help of a electrical resistance welding with the alloyed electrode is suitable.
Soll dagegen das Gefüge der einlegierten Elektrode für eine Lötverbindung mit dem elektrischen Anschlußleiter vorbereitet werden, so wird der Abkühlungsprozeß vom eutektischen Punkt III aus verhältnismäßig flach, z. B. mit einer Geschwindigkeit von beispielsweise 0,6° C/min, weitergeführt oder sogar mit einer Geschwindigkeit, die noch kleiner, bis herab zu etwa 0,1 ° C/min, sein kann.On the other hand, the structure of the alloyed electrode should be used for a soldered connection be prepared with the electrical lead, so will the cooling process from the eutectic point III from relatively flat, z. B. at a speed of, for example, 0.6 ° C / min, continued or even at a speed which can be even smaller, down to about 0.1 ° C / min.
Für die Erzielung einer großen Abkühlungsgeschwitndigkeit kann beispielsweise die Form, in der das Legieren vorgenommen wird, mit einem besonderen Kühlmittel in Form von Luft oder einer Flüssigkeit, gegebenenfalls mit entsprechend bemessener Strömungsgeschwindigkeit bespült werden. Umgekehrt kann für eine Verringerung der Abkühlungsgeschwindigkeit die erkaltende Form in ihrer Abkühlung verzögert werden, indem sie beispielsweise mit einer Strömung eines besonders beheizter. Mittels vorbestimmter Temperatur beschickt wird oder unmittelbar entsprechend beheizt wird.To achieve a high cooling rate, for example the form in which the alloying is carried out with a special coolant in the form of air or a liquid, if necessary with appropriately sized Flow velocity are flushed. Conversely, for a reduction in Cooling speed the cooling form can be delayed in its cooling, by, for example with a flow of a particularly heated. Is charged by means of a predetermined temperature or heated immediately accordingly will.
Es kann allerdings notwendig sein, daß den mechanischen Eigenschaften des Halbleiterkörpers bei der Anwendung eines solchen Temperatursprunges in der Abkühlungskurve eine besondere Beachtung geschenkt werden muß. Das ist z. B. dann der Fall, wenn die einlegierte Elektrode relativ dick ist. Damit durch einen zu schnallen Anstieg der in der Halbleiterscheibe .bei dem Erkalten der Anordnung entstehenden mechanischen Spannungen die Halbleiterscheibe nicht bricht, wird, wie es bei Halbleiterbauelementen schon bekannt ist, zweckmäßig gleichzeitig mit dem Einlegieren der Elektrode auf der gegenüberliegenden Oberfläche des Halbleiterkörpers eine Hilfsplatte aus einem Werkstoff anlegiert, der in seinem thermischen Ausdehnungskoeffizienten demjenigen des Halbleitermaterials möglichst benachbart liegt. -Diese Hilfsträgerplatte imuß dann auf Grund von gewonnenen Erfahrungswerten mit einer solchen Dicke bemessen werden, daß sie die Halbleiterkörperplatte entsprechend mechanisch gegen unzulässige Biegungsbeanspruchungen schützt. Das neue Verfahren hat sich z. B. beim Einlegieren von Dotierungsmaterial enthaltenden Goldfolien in Silizium bewährt. An Schliffbildern von Versuchsergebnissen mit verschiedener Führung des Abkühlungsvorganges ist erkennbar, daß bei der naturgegebenen Gleichheit der Mengenanteile an Silizium in der eutektischen Legierungsschicht die Anzahl der Siliziumkristalle in der Volumeneinheit bei einer in obigem Sinne feinkristallinen Struktur um mehrere Zehnerpotenzen größer ist als bei einer in obigem Sinne grobkristallinen Struktur. Übereinstimmend damit liegen bei der feinkristallinen Struktur die Kristallabmessungen überwiegend in der Größenordnung 1 it, während bei der grobkristallinen Struktur meist Werte in der Größenordnung von 10 w und höher meßbar sind.However, it may be necessary that the mechanical properties of the semiconductor body when using such a temperature jump in the Special attention must be paid to the cooling curve. This is e.g. B. then the case when the alloyed electrode is relatively thick. So by one too buckle the rise in the semiconductor wafer when the arrangement cools down mechanical stress does not break the semiconductor wafer, as it does with semiconductor components is already known, expediently simultaneously with the alloying of the electrode the opposite surface of the semiconductor body an auxiliary plate of a Alloyed material, the one in its thermal expansion coefficient of the semiconductor material is as adjacent as possible. -This auxiliary carrier plate is required then dimensioned with such a thickness on the basis of empirical values obtained that they mechanically protect the semiconductor body plate against impermissible ones Protects bending stresses. The new method has z. B. when alloying of gold foils containing doping material in silicon. On micrographs from test results with different guidance of the cooling process can be seen, that with the natural equality of the proportions of silicon in the eutectic Alloy layer the number of silicon crystals in the unit volume at one In the above sense, the fine crystalline structure is several powers of ten greater than with a coarsely crystalline structure in the above sense. Lying in accordance with it in the case of the fine crystalline structure, the crystal dimensions are predominantly in the order of magnitude 1 it, while the coarsely crystalline structure usually has values in the order of magnitude of 10 w and higher can be measured.
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|---|---|---|---|---|
| DE1018557B (en) * | 1954-08-26 | 1957-10-31 | Philips Nv | Process for the production of rectifying alloy contacts on a semiconductor body |
| FR1163048A (en) * | 1955-09-02 | 1958-09-22 | Gen Electric Co Ltd | Differential diffusion of impurities in semiconductors |
-
1961
- 1961-06-20 DE DES74422A patent/DE1178148B/en active Pending
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE1018557B (en) * | 1954-08-26 | 1957-10-31 | Philips Nv | Process for the production of rectifying alloy contacts on a semiconductor body |
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