DE1286642B

DE1286642B - Verfahren zur Herstellung einer Halbleiteranordnung

Info

Publication number: DE1286642B
Application number: DEG43212A
Authority: DE
Inventors: Stott Ronald Alton; Frank John Nicholas
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1964-03-30
Filing date: 1965-03-30
Publication date: 1969-01-09
Also published as: US3268309A

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstel- Diese Mängel können dadurch vermieden werden,

lung einer Halbleiteranordnung mit wenigstens einem indem die Kontaktschichten aus dem jeweils benöpn-Übergang und mit äußeren elektrischen An- tigten Material nicht wie beim bekannten Kontaktierschlüssen, bestehend aus einem Körper aus Halb- verfahren durch Plattieren und Löten oder Legieren, leitermaterial und an diesem angebrachten Kon- 5 sondern in einer vorgesehenen Reihenfolge unmitteltakten, die aus einer direkt mit dem Körper aus bar nacheinander aufgedampft werden, so daß eine Halbleitermaterial verbundenen Schicht Nickel, einer Schichtfolge beispielsweise aus einer direkt mit dem mit der Nickelschicht verbundenen Schicht Kupfer Körper aus Halbleitermaterial verbundenen Schicht und einer mit der Kupferschicht verbundenen Schicht Nickel, einer direkt mit der Nickelschicht verbun-GoId aufgebaut sind und deren Schichten beim Her- io denen Schicht Kupfer und einer direkt mit der stellen unmittelbar nacheinander aufgedampft werden. Kupferschicht verbundenen Schicht Gold entsteht.

Bekanntlich ist es außerordentlich wichtig, bei Die Anwendung von Auf dampf verfahren zum Kon-

manchen Halbleiteranordnungen aber auch schwie- taktieren von Halbleiterkörpern ist bereits bekannt, rig, einen elektrischen Kontakt herzustellen, der ein so beispielsweise beim Herstellen der Emitter- und gutes elektrisches Leitvermögen und gutes Wärme- 15 Kollektorzone eines npn-Leistungstransistors. Diese leitvermögen sowie eine gute mechanische Festigkeit Zonen werden durch Eindiffusion von Aluminium hat. Besonders akut ist das Problem, wenn ein Kon- bis in eine Tiefe von 25 μ hergestellt. Darüber liegt takt mit dünnen, diffundierten, wärmeempfindlichen eine Schicht aus Aluminium mit einer Gesamtstärke Schichten aus Halbleitermaterial (ζ. B. dünnen von ebenfalls bis zu 25 μ Stärke, die von einer Schicht Schichten mit eindiffundierten Verunreinigungen) so aus Silber von etwa der gleichen Stärke bedeckt ist. herzustellen ist und wenn die Anordnung des Kon- Gemäß diesem Beispiel haben also die aufgedampften taktes auf der Halbleiteroberfläche kritisch ist. Schichten eine beträchtliche Stärke.

Bisher bekannte Verfahren zur Herstellung von Bei einer Halbleiteranordnung gemäß vorliegender

Kontakten an Halbleiterkörpern umfassen zunächst Erfindung sind aber Kontaktierungsschichten von dieübliche Legierungs- oder Löttechniken, Druckkon- 25 ser Stärke weder notwendig noch brauchbar, denn es takte mit all ihren Nachteilen, Plattieren zum Metalli- handelt sich um einen Kontakt, bei dessen Herstelsieren des Halbleiters und Dünnlöten oder Plattieren lung an der einen Halbleiteroberfläche auf einer des Halbleiters und nachfolgendes Erhitzen, so daß p-dotierten und zugleich auf einer η-dotierten Zone das Plattiermaterial eine Weich- oder Hartlotlegie- zunächst eine Metallschicht aus Nickel sperrschichtrung bildet. 30 frei aufgedampft werden soll. Hierbei stellt sich das

Als Beispiel sei hier nur auf ein bekanntes Kon- Problem, diese Nickelschicht in der Weise und mit taktierverfahren hingewiesen, bei welchem auf eine solcher Stärke aufzudampfen, daß an der Halbleiternickelplattierte Halbleiteroberfläche eine flächenhafte oberfläche überwiegend eine Sinterzone aus Silicium Stromzuführung oder Schicht aus Kupfer aufgebracht und Nickel entsteht.

und auf die Kupferschicht eine Schicht aus Gold 35 Das Problem, das der Erfindung zugrunde liegt, plattiert wird. Zum Aufbringen der Kupferschicht ergibt sich daraus, daß die Stärken der einzelnen muß ein ätzbeständiges Legierungsmetall verwendet Metallschichten einer auf einen Halbleiterkörper aufwerden. Die Nickel- und die Goldschicht sind Plat- gedampften Schichtfolge je nach Verwendungszweck tierungen. und Zusammensetzung der Schichten sowie abhängig

Bei der Anwendung herkömmlicher Legierungs- 40 von der Reihenfolge, in der sie aufgedampft werden, oder Löttechniken führen die dabei erforderlichen bemessen sein müssen. Die Stärke der unmittelbar höheren Temperaturen zu Problemen, die mit Ab- auf den Halbleiterkörper aufgedampften Schicht und kühlspannungen und Zersetzung der Grenzschichten damit wenigstens auch die Stärke der nächsten darder Anordnung zusammenhängen. Die Abkühlspan- überliegenden Schicht hängen ferner davon ab, ob die nungen können dabei so stark werden, daß sie zum 45 unmittelbar aufgedampfte Metallschicht einen sperr-Bruch der Plättchen führen. schichtfreien oder einen einseitig gleichrichtenden

Außerdem sind eine gute Benetzung und die Regu- Kontakt mit der Oberflächenschicht des Halbleiterlierung der Lage des Kontaktes ein Problem. Wenn körpers bildet. In beiden Fällen ergeben sich noch der Halbleiterkörper metallisiert wird und dann ein zusätzliche Abgängigkeiten von der Stärke und vom Lot zur Herstellung von Kontakten mit der Anord- 50 Leitfähigkeitstyp der dotierten Oberflächenschicht bei nung benutzt wird, ist die genaue Lage der Kontakt- einem gleichrichtenden Kontakt bzw. von der Stärke stelle schwer zu kontrollieren, und die zur Herstel- der Sinterzone der Oberflächenschicht bei einem lung eines guten Kontaktes erforderlichen höheren sperrschichtfreien Kontakt.

Temperaturen können die Eigenschaften der Anord- Bereits in der Einleitung wurde die Problemstel-

nung ungünstig beeinflussen. 55 lung angedeutet, die beim Vorhandensein einer sehr

Wird der Halbleiterkörper plattiert und dann er- dünnen eindiffundierten Oberflächenzone gegeben ist. hitzt, so daß das Plattiermaterial als Lot wirkt, so Diese Problemstellung ergibt sich beispielsweise bei kommen schädlich wirkende erhöhte Temperaturen der Herstellung einer bekannten Halbleiteranordnung zur Anwendung, und das Plattiermaterial kann ehe- aus Silicium oder Germanium mit einer dünnen einmisch mit dem Halbleiterkörper reagieren, wenn 60 diffundierten Oberflächenzone, auf welcher zunächst nicht ein geeignetes Plattiermaterial verwendet wird. eine sehr dünne Goldschicht und auf die Goldschicht Wird für diesen Zweck Gold verwendet, so führt die eine wesentlich dickere Silberschicht von 0,5 bis 15 μ zur Bildung einer guten Bindung erforderliche Gold- Stärke aufgedampft wird, je nachdem, wie hoch die menge zu einem sehr teuren Kontakt. Bei derjenigen erwünschte Seitwärtsleitfähigkeit sein soll. Anordnung jedoch, bei der ein Kontaktelement plat- 65 Die Bemessung der Schichtdicken bei einer auf tiert und dann weich oder hart mit dem Halbleiter- einem Siliciumkörper sperrschichtfrei aufgedampften körper verlötet wird, werden wahrscheinlich samt- Schichtfolge aus Nickel, Kupfer und Gold ist eine liehe oben angeführten Mängel gleichzeitig auftreten. rein spezifische und nicht durch bekannte Bemes-

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sungsanweisungen nahegelegte, die für andere Metall- handelten Gleichrichters sind sämtlich diffundiert,

schichtfolgen, insbesondere solche für gleichrich- Die obere, p-leitende Schicht ist bei dem dargestellten

tende Kontakte gelten. Gleichrichter ein Kreisring.

Erfindungsgemäß gelöst ist das vorangehend dar- Bei dem dargestellten Gleichrichter hat das Hauptgestellte Problem dadurch, daß das Nickel in einer 5 leiterplättchen einen Durchmesser von etwa 7,5 mm Schichtdicke von etwa 10 bis 2,5 μ, das Kupfer in und eine Dicke von etwa 0,2 mm. Offensichtlich ist einer Dicke von etwa 10 bis 3 μ und das Gold in nun ein derartiges dünnes Scheibchen aus sehr spröetwa 10 bis 2,5 μ Dicke aufgebracht wird. dem Material außerordentlich zerbrechlich, und die

Werden die angegebenen Schichtdicken eingehal- Anordnung der Übergänge ist recht kritisch,

ten, so können bei einer Metallschichtfolge aus Nik- ίο Noch zerbrechlicher wird das Plättchen dadurch,

kel, Kupfer oder Gold die gewünschte Eindringtiefe daß es um seinen gesamten Umfang herum ab-

und andere Kontakteigenschaften kontrolliert wer- geschrägt ist, um sicherzustellen, daß ein elektrischer

den. Durchbruch im Innern (Volumendurchbruch) des

Die Erfindung wird nachstehend in einem Ausfüh- Halbleiterplättchens 16 erfolgt und nicht an seiner

rungsbeispiel an Hand der Zeichnungen näher erläu- 15 Oberfläche. Es ist schwierig, Kontakte an der An-

tert. Dabei zeigt Ordnung anzubringen, die keine zu hohe mechanische

F i g. 1 einen senkrechten Schnitt durch die Mitte Spannung in dem zerbrechlichen Plättchen verur-

eines steuerbaren Halbleitergleichrichters, der mit Sachen oder die elektrischen Eigenschaften des Plätt-

Kontakten nach der Erfindung versehen ist, und chens nicht beeinträchtigen.

F i g. 2 eine vergrößert gezeichnete Teilschnitt- ao Um der kritischen Forderung nach Kontakten mit

Seitenansicht des Gleichrichterelements (einschließ- niedrigem Widerstand am Halbleiterplättchen 16 zu

lieh der Anschlüsse) des steuerbaren Gleichrichters in genügen, wird ein System mehrerer Kontaktschichten

F i g. 1. aus mehreren Metallen ausgenutzt. Gleichzeitig eignet

In F i g. 1 ist ein Halbleiterbauelement dargestellt, sich das System für einen einzigen Behandlungsgang

das als steuerbarer Siliciumgleichrichter bekannt ist, 25 in einer Aufdampfanlage und liefert einen Kontakt,

in einem abgedichteten, in sich geschlossenen Ge- der als Puffer wirkt und die Übertragung von Span-

häuse, das allgemein durch die Ziffer 10 bezeichnet nungen von den Zuleitungen der Anordnung (die an

ist. Die Erfindung wird in dieser Form dargestellt und die Kontakte angeschlossen sind) auf das Plättchen

beschrieben, weil der Erfindungsgedanke in solchen 16 vermindert.

Bauelementen viel verwendet wird und bei der dar- 30 Der Kathodenkontakt 17 auf der Oberseite und gestellten Anordnung besonders günstig ist. Die Ar- der Anodenkontakt 19 auf der Unterseite des Plättbeitsweise des dargestellten steuerbaren Silicium- chens 16 stellen vorteilhafte Kontakte dar, die durch gleichrichters wird hier nicht im einzelnen beschrie- ein besonders günstiges Verfahren aufgebracht werben, weil ein vollständiges Verstehen der Arbeits- den. Da entsprechende Schichten oder Schichtungen weise der Anordnung für das Verständnis der Erfin- 35 jedes der Kontakte 17 und 19 auf einmal gebildet dung nicht wesentlich ist. Zur Erläuterung der Erfin- werden, erhalten sie entsprechende Bezugsziffern, dung dürfte es genügen zu sagen, daß der Haupt- Beim hier dargestellten Ausführungsbeispiel besteht leitungsweg durch die Gleichrichtereinheit 10 ver- die erste Schicht 20 (die Schicht auf dem Plättchen läuft zwischen einer oberen flachen Anschlußklemme 16) jedes Kontaktes aus Nickel und ist etwa 10 bis 11 an dem Haupt- oder Kathodenanschluß 12 und 40 2,5 μ dick, die zweite Schicht 21 (Mittelschichtung) einem unteren Gewindestutzen 13, der gleichzeitig ist eine etwa 10 bis 3 μ dicke Kupferschicht, und die zur Wärmeableitung dient, sowie durch den Körper äußere Schicht 22 ist eine Goldschicht mit einer der Vorrichtung. Da der Stromfluß durch die An- Dicke von etwa 10 bis 2,5 μ.

Ordnung vom unteren Zapfen 13 durch den Körper Eine besonders günstige Methode zum Aufbringen der Anordnung zu der oberen, leitenden Klemme 12 45 der Anoden- und Kathodenkontakte 17 und 19 ist erfolgt, wird die obere leitende Klemme 12 häufig als die, den Halbleiterkörper (der entweder Plättchen-Kathode des Bauelements angesehen und der untere oder Waffelform hat) nach einer bekannten Maskier-Zapfen 13 als Anode. In der entgegengesetzten Rieh- technik (z. B. mit Siliciumdioxyd) so zu maskieren, tung findet eine Leitung — in wahrnehmbarem Um- daß freie Zonen stehenbleiben, wo diese Kontakte fang — nicht statt, und die Leitung, die stattfindet, 50 gebildet werden sollen. Man bringt dann den Halbwird in Übereinstimmung mit den Kennwerten des leiterkörper in eine serienmäßige Vakuum-Bedamp-Bauelements durch einen Strom (Steuerstrom ge- fungsanlage. Chargen der Aufdampfmetalle werden nannt) gesteuert, der dem Gleichrichter durch einen ebenfalls in den Ofen gebracht. Die Chargen bestehen Steueranschluß 14 zugeführt wird, der angrenzend an aus solchen Mengen und werden in solchen Abständen Kathodenanschluß 12 oben aus dem Gehäuse 29 55 den von dem zu plattierenden Halbleiterkörper anherausragt. Auch der Steueranschluß 14 ist an seinem ' geordnet, daß jede der aufgedampften Schichten die oberen Ende mit einer flachen, leitenden Klemme 15 gewünschte Dicke hat.
versehen. Für die dargestellte Anwendung wird die Anlage

Das wirksame Steuerelement des Gleichrichters, beschickt mit einer Charge Nickel zur Bildung der d. h. derjenige Teil des Gleichrichters, der die Gleich- 60 Schicht 20 auf dem Plättchen 16 für die Kontakte 17 richtungs- und Steuerwirkung liefert, ist das scheiben- und 19, einer Charge Kupfer, die dann die Mitteiförmige Halbleiterplättchen 16, das ein Element im schicht 21 bildet, und einer Charge Gold, die die Hauptleitungsweg darstellt. Das Halbleiterplättchen äußere Schicht 22 bildet. Die Chargen werden (wie 16 ist ein einkristallines Halbleitermaterial, z. B. Si- üblich) in Wolframheizspiralen gelegt, die dann in licium mit drei Übergängen zwischen vier Schichten, 65 der richtigen Reihenfolge (erst Nickel, dann Kupfer die abwechselnd einen anderen Leitungstyp besitzen. und dann Gold) aufgeheizt werden, um die richtige Ein derartiges Bauelement wird als steuerbarer Reihenfolge von Schichten auf dem Halbleiterkörper Gleichrichter bezeichnet. Die Schichten des hier be- zu erhalten.

Claims

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Nachdem die Kontakte 17 und 19 gebildet worden er auf die obere Fläche des vergrößerten Teils 25 des sind, können an jedem die zugehörigen Anschlüsse Zapfens 13 paßt, und er wird — etwa durch Weichbefestigt werden. Bei der dargestellten Form wird der oder Hartlöten — mit diesem dicht verbunden. Ein Steueranschluß 14 am Kontakt 18 dadurch ange- Isolierdeckel — etwa aus Glas oder Keramik — ist bracht, daß man den Anschluß 14 mit dem Plättchen 5 als Verschluß für den oberen Teil des zylindrischen mit Hilfe von Ultraschall verschweißt. Der Steuer- Metallteils 27 vorgesehen und hat die Aufgabe, ein kontakt 18 ist innerhalb des oberen, ringförmigen, Kathodenröhrchen 31 und ein Steueranschlußröhrn-leitenden Emitters zentral angeordnet. Das dünne, chen 30 aufzunehmen und diese Röhrchen gegenüber spröde Halbleiterplättchen 16 wird dadurch gestützt, dem Zapfen 13 (Anodenanschluß) zu isolieren, wenn daß man es als Zentralelement in ein schützendes io der Gleichrichter zusammengebaut ist. Die Kathoden- »Sandwich-Bauteil« einbezieht (Fig.2). Der Rest bzw, Steueranschlüsse 12 bzw. 14 werden in ihren des Sandwich-Bauteils umfaßt eine untere, scheiben- zugehörigen Röhrchen 31 und 30 hochgeführt. Nachförmige Platte 23 und eine obere, aus Wolfram beste- dem das Gehäuse evakuiert worden ist, werden die hende kreisringförmige Platte 24. Diese Deckplatten Röhrchen 31 und 30 zugequetscht, damit sie mit den 23 und 24 bilden die äußeren Schichten des stützen- 15 eingepreßten Anschlüssen 12 und 14 eine gute elekden Sandwich-Bauteils und stellen einen Teil der lei- irische Verbindung ergeben und die Kathoden- bzw. tenden Anoden- bzw. Kathodenstromwege dar. Die Steuerklemmen 11 bzw. 15 der Vorrichtung bilden.
Deckplatten 23 und 24 bestehen vorzugsweise aus Der Kontakt, der zwischen dem Halbleiterplätteinem Material mit guter elektrischer Leitfähigkeit chen und den Deckplatten angeordnet ist, verhindert und gutem Wärmeleitvermögen und mit einem War- ao das Eindringen der Lötmaterialien in das Halbleitermeausdehnungskoeffizienten, der dem des Halbleiter- plättchen und den Bruch des letzteren durch die Konplättchens sehr nahekommt. Geeignet sind entweder taktierungsmaterialien, die das Fließen und Eindrin-Wolfram oder Molybdän. Sowohl die obere als auch gen des Lotes der Fertigung der Anordnung reguliedie untere Deckplatte 23 und 24 sind mit dem Platt- ren und die gegen saure Ätzmittel sehr beständig chen 16 durch ein Lot verbunden, das bei dem dar- as sind.

gestellten Ausführungsbeispiel eine eutektische Gold- Der technische Fortschritt, der durch die Erfin-

Germanium-Legierung sein kann. dung erzielt wird, besteht darin, daß, weil an der

Es eignet sich zwar der hier beschriebene Kontakt Halbleiteroberfläche überwiegend eine Sinterzone aus

auch für andere Lote, besonders brauchbar ist er Nickel und Silicium entsteht, in dieser Zone die BiI-

aber mit diesem Lot. 30 dung einer Nickelsilicidbindung nach Möglichkeit

Die Deckplatten 23 und 24 werden mit dem Platt- vermieden wird. Nickel als Zwischenschicht zwischen chen 16 dadurch verlötet, daß man vorgefertigte dem Silicium und einer Kupferschicht hat sich für geGold-Germanium-Stückchen zwischen die Deckplat- steuerte Halbleiterventile, die große Stromstärken zuten und das Plättchen legt und das Ganze auf etwa lassen und eine hohe Belastungswechselbeständigkeit 370⁰C erwärmt. Diese Temperatur liegt unterhalb der 35 aufweisen, als sehr brauchbar erwiesen. Eine uneutektischen Temperatur von Nickel—Silicium von mittelbar auf den Halbleiterkörper aufgebrachte etwa 900° C, so daß das Nickel der ersten Schicht 20 Schichtfolge aus Kupfer und Gold würde den Kondas Silicium nicht stört, was dann wichtig ist, wenn takt ziemlich hart machen, d. h., er würde die Beman die Bindung mit einem Plättchen mit dünnen, lastungswechselbeständigkeit erheblich vermindern eindiffundierten, wärmeempfindlichen Schichten vor- 40 und das unerwünschte Hindurchdiffundieren von nimmt. Die Bestandteile des Lots benetzen die äußere Gold durch die Kupferschicht in Richtung auf die Goldschicht 22 (und verbinden sich gut mit der letz- Halbleiteroberfläche aus Silicium erleichtern,
teren), jedoch verhindert die angrenzende Kupfer- Im übrigen liefert die Erfindung einen Kontakt schicht 21, daß das Lot die Nickelschicht 20, die an für Halbleiterkörper, der ein gutes Haftvermögen und das Silicium angrenzt, beeinflußt. Diese Anordnung 45 gute elektrische Eigenschaften bei geringer Eindringergibt eine gute mechanische Verbindung und die tiefe ergibt und der eine genaue Anordnung sowie Benotwendigen elektrischen Leitungs- und Wärmeüber- handlung bei niedriger Temperatur ermöglicht und tragungseigenschaften für einen derartigen Anschluß. eine Ätzbeständigkeit besitzt.

Der Anodenkontakt 19 des Plättchens 16 ist mit „ ,
dem Kupferzapfen 13 durch die Deckplatte 23 ver- 50 ratentansprucn:
bunden. Der soeben beschriebene Aufbau ist am Verfahren zur Herstellung einer Halbleiter-Anodenanschluß (Kupferzapfen 13) dadurch befestigt, anordnung mit wenigstens einem pn-Ubergang daß man die Deckplatte 23 auf die obere Fläche eines und mit äußeren elektrischen Anschlüssen, bevergrößerten Kopfes oder Fußes 25 am Kupferzapfen stehend aus einem Körper aus Halbleitermate-13 lötet. Der Kathodenanschluß 12 ist an die obere, 55 rial und an diesem angebrachten Kontakten, die ringförmige Deckplatte 24 gelötet, um den Kathoden- aus einer direkt mit dem Körper aus Halbleiteranschluß für die Anordnung zu bilden. material verbundenen Schicht Nickel, einer mit

Um einen luftdichten Verschluß zu erhalten und der Nickelschicht verbundenen Schicht Kupfer um gleichzeitig äußere elektrische Verbindungen zu und einer mit der Kupferschicht verbundenen den Kathoden- und Steueranschlüssen 12 und 14 zu 60 Schicht Gold aufgebaut sind und deren Schichten erhalten, ist ein Kopfstück 26 vorgesehen. Das Kopf- beim Herstellen unmittelbar nacheinander aufstück 26 hat einen praktisch zylindrischen, aufrecht gedampft werden, dadurch gekennzeichstehenden Metallteil27, der innen den Aufbau der net, daß das Nickel in einer Schichtdicke von Anordnung umgibt und der mit einem nach außen etwa 10 bis 2,5 μ, das Kupfer in einer Dicke von gerichteten Flansch 28 an seinem unteren Umfang 65 etwa 10 bis 3 μ und das Gold in etwa 10 bis 2,5 μ versehen ist. Der Flansch 28 ist so konstruiert, daß Dicke aufgebracht wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen