DE1614668A1 - Halbleiter-Anordnung mit gut loetbaren Kontaktelektroden - Google Patents
Halbleiter-Anordnung mit gut loetbaren KontaktelektrodenInfo
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Description
1614S68
S E MI EEOW Ges. f. Gleichrichterbau Uo Elektronik mbHo
8500 N ü τ η b e r g , Wiesentalstraße 40
Telefon 0911/30141, 31813 - Telex 06/22155
Datum: 29. November 1967 Unser Zeichens I 11/126710
mit g u
%
1 ö t b a r e η
Für den gewünschten Einsatz halbleitender Materialien in der Technik kommt ihrer flächenhaften, festen Verbindung mit angrenzenden,
metallischen, überwiegend gleichzeitig zur stromleitung dienenden
Bauteilen besondere Bedeutung zu*
Zur Erzielung einer solchen Verbindung weisen im allgemeinen die
bei solchen Bauteilen dafür vorgesehenen Stellen oder Flächen mindestens
einen metallischen Überzug auf, der - weiterhin als Kon- "
taktelektrode bezeichnet -■ in der Weise ausgewählt ist, daß er so=
wohl einen guten mechanischen Kontakt mit dem Trägermaterial bildet als auch die Kontaktierung mit weiteren Bauteilen begünstigt» Das
Material dieser Kontaktelektroden ist bezüglich seiner Struktur und seiner Eigenschaften ausschlaggebend für die Herstellung guter flachenhafter
Verbindungen zwischen aneinandergrenzenden Bauteilen von Halbleiter-Bauelementen sowie für deren Wirkungsweisee>
Bei der gegenseitigen Verbindung von Bauteilen für Halbleiter-Bau«=·
elemente durch lötung ergeben sich vielfach dadurch erhebliche
Schwierigkeiten, daß die Kontaktelektroden der einander zugeordneten
Bauteilflächen durch das Halbleiterlot nur teilweise benetzt werdenö Die daraus resultierende Verringerung des vorgegebenen
Stromleitungsquerschnittes des zu kpntaktierenden Schichtenaufbaues
führt beim Einsatz der. Halbleiter=Bauelemente zu.thermischer Überlastung
'der "gut benetztes Ilächenteile und damit zum Ausfall der
ÖÖS844/0442 ~ 2 "
SBHIKRON
Gesellschaft für .Gleichrichterbau und Elektronik mbH. Blatt .2
Halbleiter-Anordnung» D±3 Ursache für die mangelhafte Benetzung
liegt sehr häufig darin, daß die Oberflächen der für die Kontaktelektroden verwendeten Hstalle infolge Oxydation passiviert sind.
Mithilfe geeigneter Plußmittsl können diese BenetzungsSchwierigkeiten zwar beseitigt warden, jedoch haben Flußmittel und ihre Rückstände
einen unerwünschton Einfluß auf die physikalischen Eigenschaften der Halbleiterbauelemente» Zur Vermeidung dieser nachteiligen Erscheinungen ist as bekannt, solche zur Oxydation neigenden
Kontaktelektroden mit. einein nicht oxydierenden Überzug aus einem
Edelmetall,'vorzugsweise aus Silber oder Gold abzudecken,
Halbleiter-Gleichrichter höherer Strombelasfbarkeit werden in vielen
Fällen unter extremen Betriebsbedingungen eingesetzt· Insbesondere
beim Einsatz mit häufigem Lastwschsel zwischen Leerlauf und
Nennlast sind die Kontaktschichten zwischen den unterschiedliche
Materialeigenschaften aufweisenden Kontaktbauteilen außerordentlich
hohen mechanischen Beanspruchungen unterworfen. Um eine entsprechende Lebensdauer solcher Halbleiter-Bauelemente zu gewährleisten?
wird von den aus Kontaktelektrode!! und Eontaktlot bestehenden Kontaktschichten eine ausreichende Pestigkeit und eine genügende Elastizität
gefordert,. um cLJLe in den aneinan&ergrenzenden Bauteilen
entstehenden Wärmedehnungen.auszugleichen»
Zur Lösung dieses -Problems und somit zur Erzielung geeigneter Lötkontalrte
bei großflächigan Halbleiterbauelementen wurden Ausführungsformen
vorgeschlagen, bei denen die su kontaktierenden, einander zugeordneten !Pläelion der einen vorgegebenen Sehiciitenaufbau.
bildenden Bauteils eins Ivontakt elektrode darstellen, die aus einem
unmittelbar auf dem Srägormaterial aufgebrachtan ersten Kontaktmetall
und einer darauf angeordneten duktilen Edelmetallschieht ala
zweitem Kontaktmetall bsrjtolit. Nach- dem Lösungov or schlag ist beispielsweise
auf dom Hallleiterkörper ein unedloo duktiles Metall?
vorzugsweise Aluminium, als erstes Kontalctmetall aufgebracht, das
die gewünschte gute mecheiilBohe Verbindung der Kontaktelektrode mit
dein Trägerkörper iisrstel.lt, und die duktile Edelm
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* BAD ORIGINAL
SEH XKR OS °
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vorzugsweise Silber, als zweites Kontaktmetall« Diese Silberschicht
soll in vorteilhafter Weise die geforderte Benetzung durch geeignete Halbleiterlote ermöglicheno
Es hat sich Jedoch gezeigt, daß bei diesem speziell für den Halb- ·
leiterkörper vorgesehenen Kontaktelektroden-Aufbau bei nachfolgen«
der fiußmittelfreier Weiterbehanalung trotz der Edelmetallachicht
BenetzungsSchwierigkeiten auftreten» Als Erklärung für dieae Erscheinung liegt die Vergütung nahe, daß des leicht oxydierende erste Kontaktmetall Aluminium während einer nach, dem Lösungsvorschlag
jeweils zur Regierungsbildung zwischen Kontaktmetallen und Halbleitermaterial·
vorgesehenen Wärmebehandlung, aufgrund der Iiohön Diffueionsgeschwindiglceit
im zweiten Kcnitaktraetall r dieses infolge Diffusion durchsetzt und an der freien Kontaktoberfläche durch Oxydation passivierte Fläehehabschnitte bildetr die eine Benetzung durch
das Halbleiterlot verhindern*
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher die Beseitigung dieser Nachteile und die Anordnung einer insbesondere.für: die Herstellung von lötkontakt en geeigneten und auch unter extremen Betriebsbedingungen- hoch beanspruckbaren Kontaktelektrode aufBauteilan von
Halbleiterbauelementen«
Die Erfindung betrifft Halblei:ter-Arior&mmgent insbesondere großflächige Halfeleiter-Gleichrichter, die zur iötkontaktierxrag geeignete, durch aneinandergr ens ende·■ S-ßhicht-en- unteracliiedliclien Hate- ,
rials, vorzugsweise durch^ eine S'chloht aus einen line dl en ersten
Kontaktmetall und durch eine Schicht aus einem eälea zweiten Sontaktmetal!
gebildete Kojitaktelektroden aufweisen und besteht darin*
daß in der Schichtenfolge nach dsm era ten Koiitaktmetall an geeignoter
Stelle wenigstens eins als Biffusioiisbarriere wirkende metallische
Sehielit vorbestimmtsr 35ieke und geeigneten Katerials angeordnet
istt daß das erste Eontaktiaetall in &.em Material der Diffusionsbarriere eine geringere Mffüsionsges-chwiiidigkeit". als im zweiten
Kontäktmetall aufweist, und/oder SaS durch Bildung einer intermetallischen Verbindung zwischen--dem- bei-Warmebehandlung r^2' Diffusion
BAD ^;
3!,iuo. , . 4 , 16U668
durch das zweite Eontaktmetall und zur Oberflächenoxydation neigenden, ersten Kontaktmetall und dem Material der Diffusionsbarriere
über eine abschließende Edelmetall-Deokelektrole eine optimale
flußmittelfreie Benetzbarkeit der Kontaktelektrode gegeben -ist.
Anhand des in der Figur dargestellten Ausführungsbeisplels werden
Aufbau und Wirkungsweise einer Kontaktelektrode gemäß der Erfindung f
insbesondere der Kontaktelektrode für einen Halbleiterkörper·· aufgezeigt und erläutert.
Auf einer vorbereiteten,, gegebenenfalls mindestens einen pn-Übergang
aufweisenden Scheibe 1 aus halbleitenden Stoffen oder Verbindungen, vorzugsweise aus Silizium, 1st ein erstes Kontaktmetall 2, beispielsweise Aluminium, und darauf ein zweites Kontaktmetall 3» beispielsweise Silber, fest aufgebracht. Auf dieser Schichtenfolge,
deren äußere Schicht gemäß dem Lösungsvorschlag eine vorbestimmte ' Dicke aufweisen und genügend duktil sein muß, ist nunmehr erfindungsgemäß eine dünne Schicht eines Metalls 4 angeordnet, welches
die Diffusion des ersten Kontaktmetalle durch die Schicht des zweiten Kontaktmetalle weltgehend hemmt und weiterhin als Diffusionsbarfiere bezeichnet wird. Von dieser Diffuslonsbarrlere 4 wird gefordert, daß in ihr die Diffusionsgesohwindigkeit des ersten Kon- .
taktxetalls sehr klein und dadurch die Eindringtiefe verhältnismäßig gering 1st, und/oder daß es Bit diesem internetallisohe Verbindungen in dem Ausmaß und in der Weise eingeht, dad eine Durohdringung des zweiten Kontaktaetal^s bis zur freien Oberfläche und
damit eine Oxydation der für die weitere Kontaktierung vorgesehenen Fläche der Kontaktelektrode verhindert wird.
Aus Wirtschaftliohkeitsgründen und um die Wirkung der duktilen
Schicht des zweiten Kontaktmetalls beim Einsatz der Halbleiter-Anordnungen nicht zu beeinträchtigen, soll die Diffusionsbarriere .
80 dünn als möglich ausgebildet sein. Sine Schichtdicke bis zu 2 ai
erscheint auch unter Berücksichtigung der unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften mehrerer, für die Diffusionsbarriere in Betracht kommender Materialien zur Erzielung des gewünschten Effekt·
als hinreichend. Besonders günstige Ergebnisse wurden mit einer
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f
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SBMIKHOI
Als DIffusionsbarrieren-Material kommen die Metalle Hiekel, Kobalt,
Chrom, Titan oder Mangan in Betracht. Inabesondere Chrom eignet eich
in vorteilhafter Weise für den Sohichtenaufbau einer Kontaktelektrode gemäß der Erfindung und kann außerdem günstig aus Wolfram-Verdampfern aufgebracht werden.
Die Aufbringung der Diffusionsbarriere erfolgt vorzugsweise wie
diejenige der bereite vorgeschlagenen Kontaktmetalle 2 und 3 durch Aufdampfen im Hoohvakuum.bei ungefähr 10 Torr. Gegebenenfalls. .
kann die Aufbringung auch duroh Kathodenzerstäubung erfolgen·
Da die für die Dlffueionsbarrlere verwendeten Metalle als unedle
Metalle ebenfalls zur Oberflächenoxydation neigen, ist es erforderlich, sie duroh einen nicht oxydierenden Überzug abzudecken. Zu
diesem Zweck ist auf der Diffusionsbarriere eine dünne Schicht 5
eines geeigneten Edelmetalls, vorzugsweise aus Silber, Gold oder Palladium, als Deckelektrode angeordnet, die im Hinblick auf die
Verhinderung einer Oberflächenpassivierung im gleichen Verfahrensechritt und unter gleiohen Bedingungen wie die Diffusionsbarriere
unmittelbar anschließend auf dieselbe aufgebrächt 1st. Diese Deckelektrode 5 kann aus einem anderen Material bestehen als das Kontaktmetall 3. Sie unterliegt lediglich der Bedingung, die vollständige Benetzung der Kontaktelektrode durch ein geeignetes Halbleiterlot zu gewährleisten.
Die gemäß der Erfindung vorgeschlagene Kontaktelektrode zeigt, wie
Untersuchungen ergeben haben; weiterhin den Vorteil, daß die Diffusionsbarriere bedarfeweise zusätzlich als Sperre gegenüber Halbleiterloten dient, wodurch eine unerwünschte Durchdringung dee
zweiten Kontaktmetalls, von der zur Lötverbindung vorgesehenen Kontaktflache her, mit Lötmetallen bei der Durchführung von Lötprozes-8en vermieden wird, so daß eine ausreichende Duktilität der Schicht
des zweiten Kontaktmetalls zum Ausgleich von beim Einsatz der Halbleiter-Anordnungen auftretenden Wärmedehnungen erhalten bleibto
00·· U/04 43 BADoaa:.v.L
— 6 —
ς 16Η668
SEMIKRON
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Eine vorteilhafte Weiterbildung einer Kontaktelektrode gemäß der
Erfindung besteht darin, daß die Diffusionsbarriere 4 unmittelbar auf dem ersten Kontaktmoball 2 angeordnet istο Mit der auf diese
Weise erzielten Schichtenfolge Halbleitermaterial ~ erstes Kontaktmetall - Diffusionsbarriere - zweites Kontaktmotall ist ein auch
bezüglich der Aufbringung der einselnen Schichten wirtschaftlicher
Aufbau einer Kontaktelektrode auf einem Halbleiterkörper gegebene Nach der legierungsbildung des er3ton Kontaktnietalls mit dem Halbleitermaterial werden zvsckmäßigerwöise sowohl die Diffusionsbarriers
als auch das sweii-3 Konta.ktinetall durch Abscheiden aufgebracht .
Der Gegenstand der Erfiulung ißt nicht auf die vorbeochrieoenen
Ausführungsbeispiels beecfcränkt. Weist ein als Stromleitungsanschluß dienendes, zur Lö {!kontaktierung mit einen woitcran Halbloi~
ter-Bauteil vorgesehenes, metallisches Kontaktbautail als Kontaktelektrode eine duktile Schicht eines Edelmetalls auf, die insbesondere für eine wechsellactbeständige Kontaktierung bestimmt und geeignet
dimensioniert is-;;, so können unter Umotändon auch hier die
vorerwähnten Benetzungscch'-rierigkeiten auf traben-, Eaotehen die Kontaktbauteile
beispielsweise aus Aluminium oder sind dieselben mit Aluminium und/oder mit £ill>er beschichtet» so ist öui'ch Aufbringung
einer erfindungsgei-iäßen Kontaktelektrode deren flußmittelfreie
Benetzung zur Erzielung von Lötkontakten gewährleistet.
Der Vorteil der Kontaktelektrode gemäß der Erfindung besteht vor allem darin, daß durch clie Anordnung einer Diffrislonobarriere im
Verlauf der vorgegebener. Kontaktmetall-Schichtenfolgo und durch
die vorbestimmten physikalischen Eigenschaften dieser Diffusions4-barriere
in Beaug auf d:Ls Schicht; eines erst on und κν/eiten Kontaktmetalls
eine imervAinsch'ju Diffusion de>3 ersten Kontaktraetalls zur
freien Kontakteloktroden.tläehe und oine durch Oxydation an der
Oberfläche hervorgerufene Passlviarung verbind er« v/irdf und daß
über eine abschließende Edelmetall-Deckclektro.le optimale Benetzbarkeit der Kontaktelektrode für die Erzielung von lütkontakten
gegeben lato
0098AA/0A42 bad ctkc^al
Claims (1)
- SEMI KRON Gesc f, Gleichrichterta'.u u, Elektronik inliHc8500 Nürnberg , Wiesentalstraße 40 Telefon 0911/30141, 3ΐεΪ3 - Telex 06/22155Datum; 29= November 1967 Unser Zeichen: I 11/126710Patent - Ansprüche1 <, Halbleiter-Anordnungen, insbesondere großflächige Halbleitergleichrichter, die zur Lötkontaktierung geeignete, durch aneinandergrenzende Schichten unterschiedlichen Materials, vorzugsweise durch eine Schicht aus einem unedlen ersten Kontaktiaetall und durch eine Schicht aus einem edlen zweiten Kontaktmetall, gebildete Eontaktelektroden aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß in der Schichtenfolge nach dem ersten Kontaktmetall an geeigneter Stelle wenigstens eine als Diffusionsbarriera wirkende metallische Schicht vorbestimmter Dicke und geeigneten Materials angeordnet ist, daß das erste Kontaktmetall in dem Material der Diffusionsbarriere eine geringere Difxusionsgeschwindig-· keit als im zweiten Kontaktmetall aufweißt, und/oder daß durch Bildung einer intermetallischen Verbindung zwischen dem bei Yiäriaebe*-» handlung zur Diffusion durch das zweite Kontaktnetall und sur Oberflächenoxydation neigenden, ersten Kontaktmetall und dem Material der Diffusionsbarriere über eine abschließende Edelmetall-Deckelektrode eine optimale flußmittelfreie Benetzbarkeit der Kontaktelektrode gegeben ist»2ο Halbleiter-Anordnungen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Diffusionsbarriere in der Schichtenfolge nach und/oder zwischen dem ersten und den zweiten Kontaktmetall angeordnet ist?3* Halbleiter-Anordnungen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Diffusionsbarriere innerhalb der Schicht des zweiten Kontaktmetalle angeordnet istv4. Halbleiter-Anordnungen nach Anspruch 1 bis 3? dadurch gekennzeichnet, daß die Diffucionsbarriere eine Dicke bis zu 2/v. Tor-0098U/0U2 - /·o 16U668HEHIKRON οceJHZl} schaft Jür Gleichi-ichterbau und Elektronik mbH. Blatt 2nugsweiLse eine Dicke von 0f3 bis 0,G/U aufweist*5 ο Halbleiter-Anordnungen nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Diffusionsbarriere aus Nickel, Kobalt, Chrom, Titan oder Hangan besteht.6, Halbleiter-Anordnungen nach Anspruch 1 bis 5 t dadurch gekenn» zeichnet, daß das erste Eontaktmetall aus Aluminium, das zweite Kontaktmetall aus Silber und die Diffusionsbarriere aus Chrom besteht.7β Halbleiter-Anordnungen nach Anspruch 1 und/oder einem der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die als dritte Schicht nach der Schicht aus dem zweiten Kontaktmetall angeordnete Diffusionsbarriere mit einer dünnen Schicht eines Edelmetalle abgedeckt iste8. Halbleiter-Anordnungen nach Anspruch 7* dadurch gekennzeichnet, daß die auf der Diffusionebe.rriere angeordnete dünne Schicht eines Edelmetalls aus Gold, Silber oder Palladium besteht„9ο Verfahren r.ur Herstellung von Hai-.-loiter-Anordnungen nach den Ansprüchen 1 Lis 0, dadv.rcli gekennzeichnet, daß die Diffusionsbarriere und bedarfsvoic-3 im gleichen VerfahrensBchritt auch die abschließende dichte £cl icVt eiiioo Edelmetalls durch Aufdampfen in Hoc'iv-Uuuni ΒΛλΐ^οΙϊΧ'ΰ.ο' .'3 ν erden * ·10, ^erfahren sur Herotellung von I.:J.Meiter-Anordnungen nach den Ansprüchen 1 LiB 6, daai-.ro1* gekennnelohne",, daß die Diffusionsbarriere durch KathociGKri^rc-iäubuiig r.ui>j:;ot)x>acht wird«11. Verfahren nur Herstrllimg von Ealbloitcr-Anordnungen nach den Ansprüchen 1 tis 6, nadi.rcl.· gekennscichuc';, daß die Diffusioriobarriere durch Abscheiden aufgebracht \rlr>\c00984 4/04
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