DE1237400B

DE1237400B - Verfahren zum Vakuumaufdampfen eines feuchtigkeitsfesten isolierenden UEberzuges aufHalbleiterbauelemente, insbesondere auf Halbleiterbauelemente mit pn-UEbergang

Info

Publication number: DE1237400B
Application number: DE1961S0073509
Authority: DE
Inventors: Dr Theodor Rummel
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1961-04-17
Filing date: 1961-04-17
Publication date: 1967-03-23
Also published as: DE1237400C2; FR1321102A

Description

Verfahren zum Vakuumaufdampfen eines feuchtigkeitsfesten isolierenden Überzuges auf Halbleiterbauelemente, insbesondere auf Halbleiterbauelemente mit pn-Übergang Es ist bekannt, Halbleiterbauelemente, wie Transistoren, Richtleiter, fotoelektrische Halbleitervorrichtungen usw., insbesondere Halbleitervorrichtungen mit pn-Übergängen mit feuchtigkeitsdichten, isolierenden Schutzüberzügen zu versehen, selbst wenn das Halbleiterbauelement anschließend in ein Gehäuse eingebaut wird. Dabei sind sowohl organische als auch anorganische Schutzschichten bekannt. Als Schutzschichtmaterial wird vor allem Quarz verwendet, welches durch Bedampfen aufgebracht wird. Um jedoch eine rissefreie Quarzschicht auf der Halbleiteroberfläche zu erzeugen, muß der Halbleiterkörper während des Aufbringens auf hohe Temperatur erhitzt werden, die jedoch die elektrischen Eigenschaften des Halbleiterbauelementes ungünstig beeinflußt. Um die hohen Temperaturen zu vermeiden, könnte eine Si02 Schicht durch Aufdampfen von SiO hergestellt werden, wenn dieses SiO nachträglich in Sauerstoffatmosphäre durch eine niedrigtemperierte Gasentladung oxydiert wird. In diesem Fall hat sich jedoch als nachteilig erwiesen, daß in der Schutzschicht Reste von SiO verbleiben, welche zu einer erheblichen Verschlechterung des Verlustfaktors der Schutzschicht beitragen.
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Vakuumaufdampfen eines feuchtigkeitsfesten isolierenden Überzuges auf Halbleiterbauelemente, insbesondere auf Halbleiterbauelemente. mit pn-Übergang, bei dem der zu überziehende Gegenstand einem Dampfgemisch aus solchen oxydischen Komponenten ausgesetzt wird, daß beim Niederschlagen ein glasartiger, wasserundurchlässiger Überzug ent= steht, und ist dadurch gekennzeichnet, daß die höchstens auf 150° C erwärmte Halbleiteroberfläche einem an sich bekannten dampfförmigen Gemisch aus SiO und/oder B203 und/oder einem Bleioxyd und gleichzeitig der Wirkung einer rasch intermittierenden Licht- oder UV-Bestrahlung ausgesetzt wird.
Glasbildende Dampfgemische sind an sich bereits aus der britischen Patentschrift 709 503 vorbekannt. Für Halbleiterzwecke ist es jedoch zweckmäßig, wenn die Glasbildung bei möglichst niedrigen Temperaturen, insbesondere unterhalb von 150° C auf der Halbleiteroberfläche stattfindet. Dies geschieht, wenn entsprechend der Lehre der Erfindung die mit dem Glas zu bedeckende Halbleiteroberfläche in der im neuen Anspruch gelehrten Weise gleichzeitig mit einer intermittierenden Bestrahlung durch Licht oder UV-Licht unterworfen wird.
Glasartige Substanzen entstehen bekanntlich aus dem Schmelzfluß gewisser Oxyde, wobei in den meisten Fällen SiO2 ein wesentlicher Bestandteil ist. Daneben können sich auch glasartige Substanzen z. B. auf der Basis von Phosphorpentoxyd, Bortrioxyd und Aluminiumoxyd bilden. Die Erfindung beruht nun auf der Erkenntnis, daß Gemische gewisser Oxyde, die leicht verdampft werden können, unmittelbar aus der Gasphase unter Bildung eines glasartigen Niederschlages abgeschieden werden können, selbst dann, wenn die Temperatur des Körpers, auf den der Niederschlag erfolgt, mehrere hundert Grad unterhalb des Schmelzpunktes des herzustellenden Glases liegt. Anwendung ein- er die chemische Aktivität erhöhenden Strahlung kann außerdem den Zusammentritt dieser aus der Dampfphase abgeschiedenen Oxyde zu einer glasartigen Masse wesentlich fördern.
Solche glasartigen Überzüge können auch auf Halbleiteroberflächen erzeugt werden, was bereits bei Temperaturen von etwa 100 bis 150° C, also bei Temperaturen, bei denen noch keine Verschlechterung der Eigenschaften von Halbleiterbauelementen aus Silicium und Germanium zu erwarten ist, möglich ist. So führen z. B. Dampfgemische aus SiO und 1320, oder SiO und PbO oder Pb304 bzw. SiO und PbO bzw. Pb304, wenn sie auf der Oberfläche eines Halbleiterkristalls, der mindestens auf 100° C erhitzt wird, aufgedampft werden, zu einem glasartigen Überzug, der wasserunlöslich ist und auch nicht von Feuchtigkeit durchdrungen wird. Da die Schutzschichten im allgemeinen auf den bereits mit Elektroden und pn-Übergängen versehenen Halbleiterkristallen erzeugt werden, ist der Behandlungstemperatur während des Aufbringens der Schutzschicht eine obere Grenze gesetzt. Diese darf mit wenigen Ausnahmen nicht über 150° C liegen, da sonst Legierungs- und Diffusionsvorgänge im Innern des Halbleiterkristalls merklich werden und die bereits auf ihre endgültigen Werte eingestellten elektrischen Eigenschaften des Halbleiterbauelements eine unliebsame Veränderung erfahren.
Die gemäß der Erfindung gebildeten glasartigen Schutzüberzüge brauchen keinesfalls die übliche chemische Konstitution eines Glases zu besitzen, d. h. auf Grundlage eines Silikates aufgebaut zu sein. Wird z. B. ein Überzug auf der Basis PbO und B,03 hergestellt, so bildet Bleiborat einen wesentlichen Bestandteil des überzuges. Die Widerstandsfähigkeit und Undurchdringlichkeit der Schutzschicht im Hinblick auf Feuchtigkeit ist bei allen der genannten Beispiele gegeben, sofern die Mengenverhältnisse der Komponenten, d. h. die Anteile der Komponenten in dem auf der Halbleiteroberfläche auftreffenden Dampf so gewählt sind, daß sich die Komponenten zu einer glasartigen Phase zusammenschließen. Widerstandsfähigkeit gegen Säuren, z. B. HCl (mit denen ein Halbleiterbauelement normalerweise während des Betriebes auch nicht in Berührung kommt), kann dagegen nicht in allen Fällen in vollkommenem Maße erreicht werden.
Wesentlich ist, daß die Glasbildung an der Halbleiteroberfläche einsetzt, da nur auf diese Weise, wie die der Erfindung zugrunde liegenden Versuche klar zu erkennen geben, eine wirkliche feuchtigkeitsdichte, fest auf der Unterlaufe haftende Schutzschicht gebildet wird. Aus diesem Grund werden die Komponenten in getrennten Verdampfern zum Verdampfen gebracht. Dieses Vorgehen ermöglicht auch auf einfache Weise das Mengenverhältnis der aufgedampften Komponenten über die Temperatur in den einzelnen Verdampfern zu regeln.
Wird SiO als Komponente verwendet, so werden in der Regel silikathaltige Gläser gebildet. Diesen ist z. B. bei der Verwendung von PbO als zweitem Partner elementares Silicium beigemischt. Durch Verwendung entsprechender Mengen Pb 304 zum oder an Stelle von PbO kann das im übrigen nicht störende, in die Schutzschicht eingebaute Element Silicium ausgeschaltet werden. Bei den Systemen PbO/B,03, Pb304/B,03, Si0/B,03, Si0/Pb,03, Pb304/B,03, Si0/B,O3, Si0/PbO bzw. Si0/Pb304 führt ein Molekülverhältnis von 1: 1 bis 1: 5 in den auf die Halbleiteroberfläche auftreffenden Dämpfen erfahrungsgemäß zu einem guthaftenden glasartigen überzug. Die Schichtdicke der Schutzüberzüge soll mindestens 0,5 R, und maximal 50 [, betragen. Eine Schichtdicke von 50 [, wird bei einem Gesamtdruck von 10-5 Torr im Bedampfungsgefäß bei etwa 1 bis 2 Stunden Bedampfungsdauer erreicht.
Um die Bildung eines glasartigen überzuges zu erleichtern, insbesondere auch abzuleiten, empfiehlt es sich, intensive rasch aufeinanderfolgende Lichtblitze oder eine rasch intermittierende Ultraviolettbestrahlung auf die Halbleiteroberfläche während des Bedampfens anzuwenden. Die Glasbildung wird um so mehr gefördert, je intensiver die Bestrahlungsstärke der Lichtblitze und je höher ihre Frequenz ist. Die Bestrahlung ist so zu wählen, daß sie die Temperatur der Halbleiterkristalle möglichst nicht über 150° C bzw. die dem betreffenden Halbleiterbauelement zumutbare Maximaltemperatur erhöht.
Gute Ergebnisse wurden mit einer Xenon-Hochdrucklampe erreicht. Die Frequenz der Lichtblitze war bei diesen Versuchen etwa 20 pro Sekunde, ihre Dauer etwa 10 .sec und ihre Lichtstärke etwa 108 Lux. Die auftreffende Energie dieser Bestrahlung wird praktisch an der Oberfläche der sich bildenden Schutzschicht absorbiert und erhöht die zur Glasbildung erforderliche chemische Aktivität der aus der Dampfphase niedergeschlagenen Komponenten erheblich.
In der F i g. 1 ist eine Vorrichtung zur Herstellung von Schutzschichten entsprechend der Lehre der Erfindung schematisch dargestellt. Die mit ihren Zuleitungen versehenen Halbleiterbauelemente 1 sind mit ihren Zuleitungen in Bohrungen eines aus hitzebeständigem Stoff, insbesondere Metall, z. B. Tantal oder Molybdän bestehenden Brettes 2, eingelassen, so daß sie von dem Brett in der aus der Figur ersichtlichen Weise gehalten werden. Das Brett wird elektrisch beheizt, so daß sich die Temperatur der Halbleiterkristalle auf den zur Glasbildung erforderlichen Wert von mindestens auf 100° C einstellt, was durch eine nicht dargestellte, in entsprechender Weise angeordnete Thermosonde überwacht wird. Die Vorrichtung befindet sich in einer evakuierten Bedampfungsglocke 3, z. B. aus Quarz, in der außerdem zwei Verdampfer 4 und 5 so angeordnet sind, daß der aus ihnen austretende Dampf ohne vorher zu kondensieren an die Oberfläche der Halbleiterbauelemente 1 gelangt. Die Verdampfer werden ebenfalls elektrisch beheizt und enthalten je eine Komponente des zu bildenden überzuges. Durch eine Reihe von intermittierenden, chemisch aktive Bestrahlung aussendenden Bestrahlungsquellen, von denen in der Figur zwei (6 und 7) angedeutet sind, wird die Oberfläche der Halbleiterkristalle 1 an den für die Schutzschichten vorgesehenen Stellen bestrahlt.
In der F i g. 2 ist ein Flächentransistor dargestellt, dessen Halbleiterkörper 1 zwei äußere Zonen a, c vom gleichen und eine mittlere Zone b vom entgegengesetzten Leitungstypus aufweist. Die entsprechend dem von der Erfindung vorgeschlagenen Verfahren aufgebrachte Schutzschicht 2 bedeckt sowohl die freie Oberfläche des Halbleiterkörpers 1, insbesondere die Stelle der pn-übergänge, als auch die Elektroden 4, 5 und 6.
Die gemäß der Erfindung hergestellten Schutzschichten besitzen, im Gegensatz zu einer durch direktes Aufdampfen von SiO, hergestellten Schutzschicht, keine Risse und sind daher nicht hygroskopisch. Trotz der niedrigen Bildungstemperatur hat die Schutzschicht gemäß der Erfindung keinerlei Durchlässigkeit für Wasserdampf und Feuchtigkeit. Bezüglich Isolationsvermögen und mechanischer Festigkeit steht sie den Schutzschichten aus Quarz und ähnlichen an sich äußerst resistenten Stoffen nicht nach. Während SiO2 Schichten, die durch Oxydation von SiO hergestellt sind, einen ungünstigen Verlustfaktor von größenordnungsmäßig einigen Prozent bis zu 20% besitzen, wird der Verlustfaktor bei einer Schutzschicht, die entsprechend dem Verfahren gemäß der Erfindung hergestellt wurde, höchstens einige Prozent, in den meisten Fällen sogar unter 1% liegen, was offensichtlich der nichtkristallinen glasartigen Struktur der Schutzschicht gemäß der Erfindung zuzuschreiben ist.

Claims

Patentanspruch: Verfahren zum Vakuumaufdampfen eines feuchtigkeitsfesten isolierenden Überzuges auf Halbleiterbauelemente, insbesondere auf Halbleiterbauelemente mit pn-Übergang, bei dem der zu überziehende Gegenstand einem Dampfgemisch aus solchen oxydischen Komponenten ausgesetzt wird, daß beim Niederschlagen ein glasartiger, wasserundurchlässiger Überzug entsteht, dadurch gekennzeichnet, daß die höchstens auf 150° C erwärmte Halbleiteroberfläche einem an sich bekannten dampfförmigen Gemisch aus SiO und/oder B203 und/oder einem Bleioxyd und gleichzeitig der Wirkung einer rasch intermittierenden Licht- oder UV-Bestrahlung ausgesetzt wird. In Betracht gezogene Druckschriften: Britische Patentschriften Nr. 709 503, 787183.