DE1614668A1 - Halbleiter-Anordnung mit gut loetbaren Kontaktelektroden - Google Patents

Halbleiter-Anordnung mit gut loetbaren Kontaktelektroden

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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
H a 1 b le it er ° A η ο r d η u η g
mit g u % 1 ö t b a r e η
K ο η t a k t e 1 e k t r ο d en
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 °
Gesellschaft für (rleiehrichterbau und Elektronik mbH. Blatt 3
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 ^;
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Gesellschaft für Gleichrichterbau und Elektronik mbH. Blatt 4
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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SBMIKHOI
Geeelleohaft für Oleichrichterbau und Elektronik mbH* Blatt 5 Schichtdicke Ton 0,3 bis 0,6/U erzielt.
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
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SEMIKRON
Gesellschaft für Gleichrichterbau und Elektronik mbH. Blatt 6
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)

  1. SEMI KRON Gesc f, Gleichrichterta'.u u, Elektronik inliHc
    8500 Nürnberg , Wiesentalstraße 40 Telefon 0911/30141, 3ΐεΪ3 - Telex 06/22155
    Datum; 29= November 1967 Unser Zeichen: I 11/126710
    Patent - Ansprüche
    1 <, 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 istv
    4. Halbleiter-Anordnungen nach Anspruch 1 bis 3? dadurch gekennzeichnet, daß die Diffucionsbarriere eine Dicke bis zu 2/v. Tor-
    0098U/0U2 - /·
    o 16U668
    HEHIKRON ο
    ceJHZl} schaft Jür Gleichi-ichterbau und Elektronik mbH. Blatt 2
    nugsweiLse 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 iste
    8. 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>\c
    00984 4/04
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