DE1191044B - Verfahren zur Herstellung von Halbleiteranordnungen, wie Silizium-Flaechengleichrichter, -Transistoren oder Halbleiterstromtore - Google Patents

Verfahren zur Herstellung von Halbleiteranordnungen, wie Silizium-Flaechengleichrichter, -Transistoren oder Halbleiterstromtore

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Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND
DEUTSCHES
PATENTAMT
AUSLEGESCHRIFT
Int. Cl.:
HOIl
Deutsche Kl.: 21g-11/02
Nummer: 1191044
Aktenzeichen: S 71523 VIII c/21 g
Anmeldetag: 3. Dezember 1960
Auslegetag: 15. April 1965
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Herstellung von Halbleiteranordnungen, wie Flächengleichrichter, Transistoren oder Halbleiterstromtore. Solche Anordnungen werden gewöhnlich in ein besonderes Gehäuse eingeschlossen, damit sie auf diese Weise gegen die umgebende Atmosphäre geschützt sind, wobei das die Halbleiteranordnung umschließende Gehäuse gegebenenfalls zusätzlich noch mit einem besonderen Schutzgas, wie Stickstoff od. dgl., gefüllt sein kann.
Bei solchen Halbleiteranordnungen ist es zum Vermeiden von mechanischen Spannungen üblich geworden, das eigentliche Halbleitersystem zunächst auf einer Trägerplatte z.B. aus Molybdän, Tantal oder Wolfram anzuordnen, die in ihrem thermischen Ausdehnungskoeffizienten demjenigen des Halbleitermaterials, wie Silizium oder Germanium, weitgehend benachbart liegen. Nun muß diese Grundplatte aber ihrerseits wieder an einem Gehäuseteil befestigt werden. Ein solcher Gehäuseteil wird aber vorzugsweise aus einem Werkstoff hergestellt, der eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweist, um auf diese Weise die an der Halbleiteranordnung betriebsmäßig anfallende elektrische Verlustwärme möglichst wirksam abführen zu können.
Daher muß eine entsprechende mechanische Verbindung zwischen der Trägerplatte des Halbleiterelementes und dem Gehäuse vorgenommen werden, wobei aber dann wieder zwei Werkstoffe aneinander zur Anlage kommen, die sich in ihrem thermischen Ausdehnungskoeffizienten weitgehend unterscheiden. Wird demnach, wie bekannt, eine unmittelbare gegenseitige Verbindung einer solchen Trägerplatte aus Molybdän, Tantal oder Wolfram, z.B. mit einem Gehäuseteil aus Kupfer vorgenommen, so ergeben sich an der gegenseitigen Verbindungsstelle der beiden Körper verschiedener Werkstoffe betriebsmäßig als auch gegbenenfalls bereits bei der Herstellung der gegenseitigen mechanischen Verbindung durch eine Lötung mechanische Spannungen, die sich nachteilig auf das übrige Halbleitersystem auswirken können.
Um solche Mangelerscheinungen zu vermeiden, ist daher bereits vorgeschlagen worden, mit der Trägerplatte des Halbleitersystems, die aus Molybdän, Tantal oder Wolfram besteht, zunächst eine Hilfsträgerplatte zu verbinden, deren Werkstoff in seinem thermischen Ausdehnungskoeffizienten demjenigen des Teiles benachbart liegt, mit welchem die Trägerplatte verbunden wird. Es wird also z.B. an dieser Molybdän-, Tantal- oder Wolframplatte zunächst eine Kupferplatte befestigt, wenn das Gehäuse aus Kupfer besteht, und dann wird zwischen diesen Verfahren zur Herstellung von Halbleiteranordnungen, wie Silizium-Flächengleichrichter, -Transistoren oder Halbleiterstromtore
Anmelder:
Siemens-Schuckertwerke Aktiengesellschaft,
Berlin und Erlangen,
Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50
Als Erfinder benannt:
Dr. Kurt Raithel, Uttenreuth (Bay.)
beiden Kupferplatten eine entsprechende mechanische Verbindung mittels eines Weichlotes oder Hartlotes in einem Lötprozeß hergestellt.
Bei der Herstellung solcher Anordnungen, in denen Trägerplatten oder Zwischenplatten aus Kupfer benutzt sind oder auch gegebenenfalls der Gehäuseteil aus Kupfer besteht, welcher zugleich mit dem übrigen Halbleitersystembau in einem einzigen Legierungsprozeß fertiggestellt wird, hat sich auf Grund einer unerwünschten Verschlechterung der Eigenschaften der Halbleiteranordnungen die Vermutung ergeben, daß Kupfer der genannten Kupferplatten oder Gehäuseteile durch Verdampfung an die Oberfläche der Halbleiteranordnung gelangt und dann in unerwünschter Weise während des Legierens in den Halbleiterkörper eindiffundiert und dann vermutlich zunächst auf Zwischen-Gitterplätzen liegt.
Sowohl beim Abkühlen der Halbleiteranordnung am Ende des Legierungsprozesses als auch bei späteren, aus anderen Gründen erforderlichen thermischen Nachbehandlungen des Halbleiterelementes können diese eindiffundierten Kupferatome sich dann bevorzugt an Versetzungen der Kristallgitterstruktur ausscheiden und auf diese Weise z.B. zu unerwünschten Nebenschlüssen des pn-Übergangs führen, wenn Versetzungen in dessen Nähe vorhanden sind.
Solche Gitterversetzungen können, wie auf Grund angestellter Untersuchungen zu vermuten ist, in ihrer Entstehung insbesondere begünstigt werden, wenn die Schicht des Elektrodenmaterials, welches in den Halbleiterkörper einlegiert wird, einen, was allgemein zutrifft, stark vom Halbleitermaterial abweichenden Temperaturkoeffizienten besitzt und relativ dick ist. Der erkaltende Elektrodenmaterialkörper erzeugt dann in dem Halbleiterkörper mechanische
509 539/275
Spannungen, die bis zur Legierungsfront und damit bis an den pn-übergang wirksam werden können und die Entstehung der Versetzungen zur Folge haben.
Diese Mangel in der bisherigen Fertigung von Halbleiteranordnungen können mit der Erfindung weitgehend behoben werden. Demzufolge betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Halb leiteranordnung mit in einen scheibenförmigen Halb leiterkörper einlegierten Elektroden, bei dem der Halbleiterkörper auf der einen Seite einer Trägerplatte befestigt wird, deren Werkstoff mit seinem thermischen Ausdehnungskoeffizienten demjenigen des Halbleiterkörpers angepaßt ist. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung einer zusätzlichen Hilfsträgerplatte aus Kupfer, die mit der anderen Seite der Trägerplatte durch Hart löten verbunden wird oder ist, diese zusammen mit der Trägerplatte, dem Halbleiterkörper und den Dotierungsmaterialscheiben in den Legierungsformbehälter eingesetzt wird und dann durch Umpressen der zu legierenden Teile mit einer Pulvermasse zu gleich durch diese Preßmasse eine Sperre gegen Ab dampfungsprodukte des Kupferkörpers im Wege von der Oberfläche des Kupferkörpers zu derjenigen des Halbleiterkörpers erzeugt wird.
Eine solche Form, die mehrere Teile einer Halb leiteranordnung einschließt, welche miteinander durch einen Legierungsvorgang verbunden werden sollen, kann nach einem an sich bekannten Pulververfahren hergestellt werden. Nach diesem werden die ein zelnen Teile der zu legierenden Halbleiteranordnung in eine Pulverfüllung eingeschlossen bzw. eingebettet, und diese wird dann gepreßt, so daß sie eine die Teile in der gewünschten Weise dicht einschließende Form bildet. Ist die Porosität dieser Preßform ge nügend gering, so ist auf diese Weise erreicht, daß im Wege des von den Kupferteilen abdampfenden Kupfers zu der Halbleiterplatte eine entsprechende Sperre bzw. ein wirksames Labyrinth eingeschaltet ist. Um diese Sperre bzw. dieses Labyrinth möglichst wirksam zu gestalten, ist es zweckmäßig, die Kör nung des Pulvers, aus welcher die Pulverpreßform hergestellt ist, möglichst klein zu wählen. So kann sich z.B. eine Körnung in,der Größenordnung von etwa 20 bis 50 μ bei Graphit als vorteilhaft ergeben.
Da eine Porenfreiheit in einer solchen Pulverform naturgemäß nicht ideal zu erreichen ist, kann es in Verbindung mit der vorstehenden geschilderten Er findung zweckmäßig sein, an dem Halbleiterelementeaufbau besondere Maßnahmen zu treffen, damit beispielsweise Reihenversetzungen in der kristallinen Struktur des Halbleitermaterials vermieden werden. Solche Reihenversetzungen können nämlich die Ein diffusion von Kupfer, welches wider Erwarten doch an die Oberfläche des Halbleiterkörpers gelangt, stark begünstigen, da an solchen Reihenversetzungen die Diffusionskonstante des Kupfers um einige Zehnerpotenzen größer ist als in einem Halbleitermaterial, welches keine solche Reihenversetzungen aufweist.
Deshalb wird der Halbleiterkörper, welcher bei dem erfindungsgemäßen Verfahren mit einlegierten Elektroden versehen wird, vorzugsweise nur mit Elektrodenmaterialkörper zusammengebracht, die nur eine relativ geringe Dicke, bezogen auf die Dicke des Halbleiterkörpers, besitzen. So kann es beispielsweise zweckmäßig sein, die Dicke des aufgebrachten Elektrodenmaterials nicht wesentlich über etwa 70 μ zu bemessen. Bei der Wahl eines solchen Elektrodenmaterialkörpers ist dann weitgehend dafür gesorgt, daß sich keine solche unerwünschten Gitterversetzungen im Halbleitermaterial in unmittelbarer Nähe des pn-Überganges ergeben, welche als Stellen für die Einlagerung der eindiffundierten Kupferatome wirken.
Zur näheren Erläuterung der Erfindung an Hand eines Ausführungsbeispieles wird auf die Zeichnung
ίο Bezug genommen.
In dem eisernen Behälter 1 sind eingeschichtet eine Kupferplatte 2, eine Hartlotzwischenlage 3, eine Molybdänplatte 4. Auf dieser sind übereinandergeschichtet für die Bildung des eigentlichen HaIbleiterelementes eine Aluminiumfolie 5, eine einkristalline Silizium-Halbleiterplatte 6 und eine in ihrem Durchmesser etwas kleiner bemessene Folie 7 aus einer Gold-Antimon-Legierung. Auf dieses System ist eine pulverige Masse 10 einem feinkörnigen
ao Graphit aufgebracht und dann derart zusammengepreßt worden, daß die auf der Molybdänscheibe vorhandenen Teile von einer dichten Form umschlossen sind und gut in ihrer gegenseitigen Lage aneinandergehalten werden. Diese pulverige Masse ist durch eine zusätzliche Preßplatte 8 belastet, z. B.
aus Graphit oder aus Aluminiumoxyd. Die gesamte Anordnung kann zusätzlich noch durch ein Gewicht 9 auf der Platte 8 belastet werden.
Wenn zwischen der inneren Mantelfläche der eisernen Form 1 und der Molydän- sowie der Kupferplatte ein geringer gegenseitiger Abstand eingehalten wird, so daß also nur ein sehr enger Spalt besteht, so wird sich das pulverige Material, aus welchem die Preßform hergstellt wird, auch in diesen Spalt hineinpressen und damit eine mechanische Sperre schaffen, daß bei einer Erwärmung von dem Kupferkörper etwa abdampfende Atome nicht zu dem Halbleiterkörper 6 gelangen können. Es wurde bereits angedeutet, daß dieser Effekt um so besser erreicht wird, je geringer die Porosität des aus der Pulverpreßmasse hergestellten Formkörpers ist.
Die in dieser Weise fertiggestellte Hilfsform mit dem Halbleitersystem wird dann in den Legierungsofen gebracht, entsprechend geheizt und dann mit einem vorbestimmten zeitlichen Temperaturgradienten abgekühlt.
Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Molybdän-Trägerplatte bereits vorher mit der Kupferplatte 2 durch einen selbsständigen Hartlötprozeß verbunden worden sein. Dieser kann somit bei einer höheren Temperatur ausgeführt werden, da diese von derjenigen unabhängig ist, bei welcher das Einlegieren der Dotierungselektroden in den Halbleiterkörper vorgenommen wird. Es wird also dann ein fertiges mechanisches Aggregat 2 bis 4 in die Form eingesetzt.

Claims (4)

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Herstellung einer Halbleiter-So anordnung mit in einen scheibenförmigen Halbleiterkörper einlegierten Elektroden, bei dem der Halbleiterkörper auf der einen Seite einer Trägerplatte befestigt wird, deren Werkstoff mit seinem thermischen Ausdehnungskoeffizienten demjenigen des Halbleiterkörpers angepaßt ist, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung einer zusätzlichen Hilfsträgerplatte aus Kupfer, die mit der anderen Seite der Trägerplatte durch Hart-
löten verbunden wird oder ist, diese zusammen mit der Trägerplatte, dem Halbleiterkörper und den Dotierungsmaterialscheiben in den Legierungsformbehälter eingesetzt wird und dann durch Umpressen der zu legierenden Teile mit einer Pulvermasse zugleich durch diese Preßmasse eine Sperre gegen Abdampfungsprodukte des Kupferkörpers im Wege von der Oberfläche des Kupferkörpers zu derjenigen des Halbleiterkörpers erzeugt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das für die Herstellung der Preßform benutzte pulverige Material, welches z.B. aus Graphit oder Magnesiumoxyd besteht, in seiner Körnung etwa in der Größenordnung von 20 bis 50 μ gewählt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß an der zu legierenden Halbleiteranordnung die Dicke der einzulegierenden Elektrodenmaterialkörper so klein gewählt wird, daß beim Abkühlen am Ende des Legierungsvorganges der Gitterversetzungen im Halbleiterkörper weitgehend vermieden werden.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der benutzten Elektrodenmaterialkörper nur bis zu etwa 70 μ bemessen wird.
In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 1015152;
deutsche Auslegeschriften Nr. 1018 557, 1046198, 632;
britische Patentschrift Nr. 777 985;
USA.-Patentschrift Nr. 2 801375;
»Nachrichten techn. Fachber.«, Nr. 1, 1955, S. 33 bis 36.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
509 539/275 4.65 © Bundesdruckerei Berlin
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