DE1283968B

DE1283968B - Verfahren zur Stabilisierung von Halbleiterbauelementen

Info

Publication number: DE1283968B
Application number: DEN24762A
Authority: DE
Inventors: Heinle Preston Joseph; Flaschen Steward Samuel
Original assignee: Motorola Inc
Current assignee: Motorola Solutions Inc
Priority date: 1963-04-10
Filing date: 1964-04-09
Publication date: 1968-11-28
Also published as: CH422999A; NL6402955A; US3216084A; GB1060541A

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Stabilisie- stungsverstärkung der Feuchtigkeitsgehalt der Mirung von Halbleiterbauelementen, bei dem zur Ein- schung höher, für maximalen Sättigungsstrom und stellung eines gewünschten Feuchtigkeitspegels inner- minimale Speicherzeit dagegen niedriger ist. halb der Einkapselung ein Feuchtigkeit reversibel Besonders vorteilhaft ist bei dem erfindungsge-

adsorbierendes Material mit einem feuchtigkeitsbe- 5 mäßen Verfahren, daß sich aus einem einzigen stimmenden Stoff verwendet wird. Grundtyp fertig bearbeiteter Halbleiterbauelemente

Bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen ist verschiedene endgültige Bauelementtypen mit unteres oft erwünscht, daß sich die Charakteristika ab- schiedlichen Charakteristiken herstellen lassen. Dagleichen lassen, damit die Bauelemente bestimmten durch wird die Herstellung von beispielsweise Tran-Kundenwünschen angepaßt werden können, oder die io sistoren mit unterschiedlichen Charakteristiken, wie Streuung bestimmter Typen in engen Kennwertgren- Stromverstärkung, Sättigungsstrom oder Speicherzeit, zen gehalten werden. Das Abgleichen bzw. die Be- wesentlich vereinfacht und verbilligt, da für sämtstimmung der Charakteristika erfolgt üblicherweise liehe verschiedene endgültige Typen das gleiche Kridurch die Verwendung von Halbleitermaterialien stallelement benutzt wird, dessen endgültige elekverschiedener Eigenschaften, durch Variation geo- 15 irische Eigenschaften erst durch den gewählten metrischer Einfiußgrößen, wie etwa der Basisbreite, Feuchtigkeitsgrad innerhalb seiner Einkapselung fest- oder durch Variationen einzelner Arbeitsschritte, bei- gelegt werden.

spielsweise der Ätzschritte. Diese Methoden sind je- Dieser Feuchtigkeitsgrad wird durch das Mi-

doch umständlich, kostspielig und meist sehr zeit- schungsverhältnis des adsorbierenden Materials mit raubend, da die Auswertung und Rückführung der ao dem feuchtigkeitsbestimmenden Stoff so eingestellt, Informationen zur Optimierung der Einstellungen im daß der jeweils bevorzugte Parameter den angestreb-Herstellungsprozeß einige Stunden bis mehrere Tage ten maximalen bzw. minimalen Wert bekommt, dauern können. Als besonders zweckmäßig hat sich als adsorbie-

Es ist weiterhin bekannt, daß verschiedene Cha- rendes Material ein Molekularsiebmaterial erwiesen, rakteristiken von Halbleiterbauelementen von der an 25 Hierunter versteht man zeolitische Materialien, deder Oberfläche des Kristallelementes adsorbierten ren Atome in einem Kristallgitter angeordnet sind, Feuchtigkeitsmenge beeinflußt werden. Um Verände- welches eine große Anzahl kleiner Hohlräume aufrungen der Parameter während des Betriebes auf weist, in welche Fremdmoleküle, im vorliegenden Grund von Verdampfen und Wiederablagern der Falle Feuchtigkeitsmoleküle, aufgenommen werden Feuchtigkeit an der Kristalloberfläche zu vermeiden, 30 können. Diese Fremdmoleküle können jedoch auch hat man hygroskopische Materialien zusammen mit wieder abgegeben werden, ohne daß das Kristalldem Kristall in eine Umhüllung eingekapselt. Diese gitter seine Struktur verändert. Materialien binden die Feuchtigkeit und sorgen für Je nachdem, ob die Atmosphäre innerhalb der

eine trockene Atmosphäre im Inneren der Ein- Einkapselung feuchter oder trockener sein soll, wird kapselung. 35 als feuchtigkeitsbestimmender Stoff ein Feuchtigkeit

In einer trockenen Umgebung haben jedoch nicht abgebender Stoff, vorzugsweise Calciumsulfat-Halbsämtliche Parameter des Bauelementes, so beispiels- hydrat, oder ein Feuchtigkeit aufnehmender Stoff, weise die Stromverstärkung eines Transistors, ihren vorzugsweise Bariumoxyd, verwendet. Im ersten Falle günstigsten Wert. Um einen möglichst günstigen nimmt das adsorbierende Material aus diesem Stoff Kompromiß zwischen den verschiedenen Kenndaten 40 Feuchtigkeit auf, im zweiten Fall gibt es Feuchtigkeit von Transistoren zu erreichen, hat man daher mit an den Stoff ab. Auf diese Weise wird der adsor-Hilfe eines Feuchtigkeitsreservoirs, welches aus bierte Feuchtigkeitsgehalt des Molekularsiebmaterials, einem Feuchtigkeit reversibel adsorbierenden Mate- welches den Feuchtigkeitsgehalt innerhalb der Einrial und einem feuchtigkeitsbestimmenden Stoff be- kapselung regelt, bestimmt. Diese Bestimmung läßt steht, einen bestimmten Feuchtigkeitsgrad in der 45 sich bei einem bekannten festen adsorbierten Feuch-Einkapselung eines Transistors eingestellt. Dieses tigkeitsgehalt des Molekularsiebmaterials über die Reservoir sorgt dafür, daß der Feuchtigkeitsgehalt Zugabemenge des feuchtigkeitsbestimmenden Stoffes, der Kristalloberfläche innerhalb des Betriebstempe- von dem ebenfalls bekannt ist, wieviel Wasser er abraturbereichs auf einem solchen Wert gehalten wird, gibt oder aufnimmt, sehr einfach und genau durchdaß der angestrebte Kompromiß der Transistorkenn- 50 führen. Hierbei kann zuerst das adsorbierende Matedaten innerhalb der zulässigen Toleranzen aufrecht- rial in heißem, getrocknetem Zustand in die das erhalten bleibt. Kristallelement enthaltende Einkapselung eingebracht

Demgegenüber besteht die Aufgabe der Erfindung werden, und anschließend wird der feuchtigkeitsbedarin, nicht einen möglichst guten Kompromiß zwi- stimmende Stoff in der gewünschten Menge in kaltem sehen sämtlichen Charakteristiken eines Halbleiter- 55 Zustand zugegeben und die Einkapselung verschlosbauelementes zu erzielen, sondern bewußt eine Opti- sen. Andererseits kann auch das adsorbierende Mamierung einzelner, für bestimmte Anwendungsfälle terial mit dem feuchtigkeitsbestimmenden Stoff beinteressanter Charakteristiken im Sinne einer mög- reits vor dem Einbringen in die Kapselung gemischt liehst weiten Steigerung gerade dieses Parameters zu werden.

erreichen. Durch die Erfindung sollen also Spezial- 60 Weitere Einzelheiten und Ausgestaltungen ergeben bauelemente an Stelle von Universalbauelementen sich aus der folgenden Detailbeschreibung des erfinhergestellt werden. dungsgemäßen Verfahrens.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch ge- Die Erfindung sieht die Einstellung beliebiger

löst, daß für die Einstellung von verschiedenen Kenn- Feuchtigkeitswerte beim Einkapseln der Halbleiterdatentypen bei einem einzigen Halbleiterbauelement- 65 bauelemente vor, so daß bestimmte Charakteristiken, typ das Mischungsverhältnis des adsorbierenden Ma- wie Stromverstärkung, Sättigung oder Speicherzeit je terials mit dem feuchtigkeitsbestimmenden Stoff so nach Wunsch innerhalb recht breiter Grenzen, welche gewählt wird, daß für die maximale Strom- und Lei- durch die geometrischen Abmessungen der einzelnen

Kristallzonen und die Dotierung bestimmt sind, eingestellt werden können. Die Einstellung des jeweils gewünschten Feuchtigkeitswertes erfolgt einfach und leicht in der beschriebenen Weise über das Mischungsverhältnis des adsorbierenden Materials mit dem feuchtigkeitsbestimmenden Stoff.

Das adsorbierende Material kann in irgendeiner Weise vorbereitet werden, beispielsweise können geöffnete Behälter mit Molekularsiebpulver in Öfen bei einer Temperatur von etwa 200° C gelagert werden. Nach Abkühlen in einer trockenen Atmosphäre wird das adsorbierende Material mit dem Feuchtigkeit abgebenden bzw. dem Feuchtigkeit aufnehmenden Stoff, welche als Befeuchtungs- bzw. Trocknungsmittel wirken, in dem gewünschten Verhältnis gemischt. Dieses Verhältnis bestimmt den Mittelwert der jeweils bevorzugten Parameter, die sich nach der Einkapselung einstellen. Generell läßt sich z. B. für pnp-Germaniumtransistoren sagen, daß eine trocknere Atmosphäre — Mischung des adsorbierenden Materials mit einem Feuchtigkeit aufnehmenden Stoff — einen höheren Sättigungsstrom und niedrigere Speicherzeiten (für Schalteranwendungen) ergibt, während eine feuchtere Atmosphäre — Mischung des adsorbierenden Materials mit einem Feuchtigkeit abgebenden Stoff — zu einer höheren Strom- und Leistungsverstärkung führt. Andere Charakteristiken, wie Durchbruchspannung, werden durch den Feuchtigkeitspegel nur in geringerem Maße beeinflußt.

Das Verfahren läßt sich auf einen typischen Halbleiter, etwa einen Leistungstransistor, in der folgenden Weise anwenden: Nach der normalen Herstellung werden die Transistoren elektrolytisch geätzt. Nach dem Ätzen, Spülen und Trocknen werden sie bis unmittelbar vor der Einkapselung in heiße Öfen eingebracht. Das Einkapseln selbst wird auf einer großen Schweißpresse durchgeführt. Die becherförmige Kappe für den Transistor wird in die untere Elektrode des Schweißgerätes eingesetzt, und eine bestimmte Menge der die Umgebungsatmosphäre bestimmenden Mischung wird hineingegeben. Das Kristallelement wird dann in die Kapsel eingebracht und mit ihr verschweißt.

Zwei verschiedene Methoden des Pulvereinbringens werden benutzt. Nach der ersten Methode wird eine Charge heißen — und daher trockenen — Molekularmaterials in die Kapsel eingebracht. Dann wird eine entsprechend bemessene Charge kalten CaI-ciumsulfat-Halbhydrates (CaSO₄ · |H₂O) dazugetan. Nach der bevorzugten zweiten Methode werden die Komponenten in einem geeigneten Verhältnis vorher gemischt und in die Austragsvorrichtung getan. Ein Aufheizen ist nicht erforderlich, aber die Kammer der Austragsvorrichtung, die die Mischung enthält, wird von einem langsamen Strom trockenen, gereinigten Gases wie Stickstoff oder Luft durchströmt, so daß das Pulver keine nennenswerte Feuchtigkeit aufnimmt. Das geeignete Pulvervolumen wird dann in die Kapsel ausgetragen.

Diese zweite Methode erlaubt eine bessere Kontrolle des Mischverhältnisses, eine gleichmäßigere Zusammensetzung des Pulvers und ein leichteres Wechseln von einem Mischungsverhältnis zu einem anderen.

Die Anwendung von Calciumsulfat-Halbhydrat und einem Molekularsieb bei der Herstellung industrieller Leistungstransistoren erbrachte die folgenden Ergebnisse. Die benutzten Verhältnisse waren

a) 100% Molekularsieb,

b) 0,5 Teile Calciumsulfat-Halbhydrat auf 1 Teii Molekularsieb,

c) 3,5 Teile Calciumsulfat-Halbhydrat auf 1 Teil Molekularsieb und

d) 5 Teile Calciumsulfat-Halbhydrat auf 1 Teil Molekularsieb.

Der gemessene Parameter war I_B bei 2VoIt und 10 Ampere Kollektorstrom (/_c) als Maß der Gleichstromverstärkung h_PE, das sich nach der Beziehung h_FE = I_C/I_B berechnet. Die Daten des Transistors erforderten ein h_PE innerhalb der Grenzen von 10 bis 30, was einem maximalen Basisstrom von I_B = 1000 mA und einem minimalen Basisstrom von I_B = 333 mA entspricht.

Gruppen von je zehn Transistoren wurden täglich an fünf aufeinanderfolgenden Tagen eingekapselt, wobei jede der vier angeführten Zusammensetzungen benutzt wurden, so daß insgesamt fünfzig Transistoren für jede Zusammensetzung oder Behandlung vorlagen. Die Mittelwerte von l_B für jede Gruppe waren wie folgt:

Gruppe	Verhältnis	Mittelwert	Ausschuß (außerhalb der Streugruppe)
a b C d	Molekularsieb 0,5:1 3,5:1 5,0:1	941,0 801,0 658,6 621,2	33,5% 6,1% 0,0% 0,0%

Eine Analyse der Unterschiede zeigt mit 99% Wahrscheinlichkeit, daß die Gruppen c und d sich nicht nennenswert voneinander unterscheiden und daß die Gruppen a und b untereinander und von den Gruppen c und d verschieden sind. Um eine möglichst große Anzahl von Transistoren mit hohem h_PE (niedrigem I_B) herzustellen, sollte also ein Verhältnis von 3,5: 1 oder 5:1 verwendet werden. Wenn die Behandlung a gewählt wird, ist zu erwarten, daß ein Drittel wegen niedriger Verstärkung außerhalb der Kenndaten liegt, während andererseits die Pulver nach c oder d im wesentlichen 100% gute Transistoren in bezug auf diesen Parameter erbringen.

Andere Charakteristiken werden ebenfalls beeinflußt, aber normalerweise in geringerem Ausmaß. Unterschiede in den Mittelwerten für die Durchbruchsspannung (gemessen über der Kollektor-Basis-Strecke und der Emitter-Basis-Strecke) waren nicht bedeutend. Der Kollektor- oder Emitterrückstrom ändert sich mit I_B, aber der Unterschied war im allgemeinen weniger stark als der Unterschied von I_B.

Eine Kombination von Bariumoxyd (BaO) mit Molekularsiebmaterial wurde bei der Herstellung von Germanium-Mesatransistoren verwendet. Sechzehn Einheiten wurden in jeder der fünf unten angeführten Gruppen eingekapselt, und die Mittelwerte h_FE wurden ausgerechnet.

Gruppe	Verhältnis	Mittelwert
1 2 3 4 5	100% BaO 75% BaO, 25% M. S. 50% BaO, 50% M. S. 25% BaO, 75%M.S. 100% M S.	31,3 37,7 46,3 42,7 70,3

Die Erfindung beschränkt sich nicht auf einen oder wenige Transistortypen, sondern kann mit Erfolg bei einer Vielzahl von nach vollkommen verschiedenen technologischen Verfahren hergestellten Transistoren angewendet werden. Sie stellt ein billiges und unkritisches Verfahren dar, das sich leicht anwenden läßt, zumal das gemischte Pulver als einer der letzten Verfahrensschritte bei der Herstellung eingebracht wird. Eine einfache Veränderung des Mischungsverhältnisses genügt zur Verschiebung der Betonung einzelner Parameter und damit zur Herstellung von Transistoren mit unterschiedlichen Charakteristiken. In jedem Falle werden die gleichen Materialien — nur in unterschiedlichem Verhältnis zueinander — verwendet. Die Verwendung eines Molekularsiebmaterials als adsorbierendes Material führt zu hoher Zuverlässigkeit. Außerdem sind solche Materialien in der Lage, außer Wasser auch andere Moleküle oder Ionen zu bilden, welche sich unter Umständen nachteilig auf das Verhalten des Halbleiterbauelementes auswirken könnten.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Stabilisierung von Halbleiterbauelementen, bei dem zur Einstellung eines gewünschten Feuchtigkeitspegels innerhalb der Einkapselung ein Feuchtigkeit reversibel adsorbierendes Material mit einem feuchtigkeitsbestimmenden Stoff verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, daß für die Einstellung von verschiedenen Kenndatentypen aus einem einzigen Halbleiterbauelementtyp das Mischungsverhältnis des adsorbierenden Materials mit dem feuchtigkeitsbestirnmenden Stoff so gewählt wird, daß für maximale Strom- und Leistungsverstärkung der Feuchtigkeitsgehalt der Mischung höher, für maximalen Sättigungsstrom und minimale Speicherzeit dagegen niedriger ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das adsorbierende Material ein Molekularsieb ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der feuchtigkeitsbestimmende Stoff ein Feuchtigkeit abgebender Stoff, insbesondere Calcium-Halbhydrat, ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der feuchtigkeitsbestimmende Stoff ein Feuchtigkeit aufnehmender Stoff, insbesondere Bariumoxyd, ist.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zuerst das adsorbierende Material in heißem, getrocknetem Zustand und dann der feuchtigkeitsbestimmende Stoff in kaltem Zustand in die Einkapselung eingebracht und diese dann verschlossen wird.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das adsorbierende Material und der feuchtigkeitsbestimmende Stoff vor dem Einbringen in die Einkapselung gemischt werden.