DE1614668B2 - Halbleiter-Anordnung mit Großflächigen, gut lötbaren Kontaktelektroden und Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents

Halbleiter-Anordnung mit Großflächigen, gut lötbaren Kontaktelektroden und Verfahren zu ihrer Herstellung

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Description

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Die Erfindung betrifft eine Halbleitergleichrichteranordnung mit großflächigen, gut lötbaren Kontaktelektroden aus einer Schicht aus Aluminium als erstem Kontaktmetall und aus einer weiteren Schicht aus Silber als zweitem Kontaktmetall. Eine solche Halbleitergleichrichteranordnung ist aus der BE-PS 436 bekannt.
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 Kontaktelektrode bezeichnet — in der Weise ausgewählt ist, daß er sowohl 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 flächenhafter Verbindungen zwischen aneinandergrenzenden Bauteilen von Halbleiter-Bauelementen sowie für deren Wirkungsweise.
Bei der gegenseitigen Verbindung von Bauteilen für Halbleiter-Bauelemente durch Lötung ergeben sich vielfach dadurch erhebliche Schwierigkeiten, daß die Kontaktelektroden der einander zugeordneten Bauteilflächen durch das Halbleiterlot nur teilweise benetzt werden. Die daraus resultierende Verringerung des vorgegebenen Stromleitungsquerschnitts des zu kontaktierenden Schichtenaufbaues führt beim Einsatz der Halbleiter-Bauelemente zu thermischer Überlastung der gut benetzten Flächenteile und damit zum Ausfall der Halbleiter-Anordnung. Die Ursache für die mangelhafte Benetzung liegt sehr häufig darin, daß die Oberflächen der für die Kontaktelektroden verwendeten Metalle infolge Oxydation passiviert sind.
Mit Hilfe geeigneter Flußmittel können diese Benetzungsschwierigkeiten zwar beseitigt werden, jedoch haben Flußmittel und ihre Rückstände einen unerwünschten Einfluß auf die physikalischen Eigenschaften der Halbleiter-Bauelemente. Zur Vermeidung dieser nachteiligen Erscheinungen ist es bekannt, solche zur Oxydation neigenden Kontaktelektroden mit einem nicht oxydierenden Überzug aus einem Edelmetall, vorzugsweise aus Gold abzudekken, vergleiche GB-PS 1 053 069 Fig. 9.
Halbleiter-Gleichrichter höherer Strombelastbarkeit werden in vielen Fällen unter extremen Betriebsbedingungen eingesetzt. Insbesondere beim Einsatz mit häufigem Lastwechsel 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 Kontaktelektroden und Kontaktlot bestehenden Kontaktschichten eine ausreichende Festigkeit und eine genügende Elastizität gefordert, um die in den aneinandergrenzenden Bauteilen entstehenden Wärmedehnungen auszugleichen.
Zur Lösung dieses Problems und somit zur Erzielung geeigneter Lötkontakte bei großflächigen Halbleiter-Bauelementen wurden Ausführungsformen vorgeschlagen, bei denen die zu kontaktierenden, einander zugeordneten Flächen der einen vorgegebenen Schichtenaufbau bildenden Bauteile eine Kontaktelektrode darstellen, die aus einem unmittelbar auf dem Trägermaterial aufgebrachten ersten Kontaktmetall und einer darauf angeordneten duktilen Edelmetallschicht als zweitem Kontaktmetall besteht. Nach dem Lösungsvorschlag ist beispielsweise auf dem Halbleiterkörper ein unedles duktiles Metall, vorzugsweise Aluminium, als erstes Kontaktmetall aufgebracht, das die gewünschte gute mechanische Verbindung der Kontaktelektrode mit dem Träger-
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körper herstellt, und die duktile Edelmetallschicht, zwischen Schutzschicht und Kontaktmetall zu vervorzugsweise Silber, als zweites Kontaktmetall. Diese meiden. Weiterhin ist noch je eine Schicht aus Kup-Silberschicht soll in vorteilhafter Weise die gefor- fer und aus einem Edelmetall zur Gewährleistung der derte Benetzung durch geeignete Halbleiterlote er- Lötbarkeit des Schichtenaufbaus aufgebracht,
möglichen. Eine ähnliche Schichtenfolge ist auch aus 5 Das Eindringen von Schadstoffen aus der Atmoder BE-PS 671436 bekannt. Sphäre in den Schichtenaufbau bei Raumtemperatur
Es hat sich jedoch gezeigt, daß bei diesem speziell als Problemstellung und die Vermeidung dieser Er-
für den Halbleiterkörper vorgesehenen Kontaktelek- scheinung durch Anordnung einer zwischenliegenden
troden-Aufbau bei nachfolgender flußmittelfreier Abdeckschicht als Lösung des Problems lassen je-
Weiterbehandlung trotz der Edelmetallschicht Benet- io doch weder auf die der Erfindung zugrunde liegende
Zungsschwierigkeiten auftreten. Als Erklärung für Aufgabe schließen, nämlich die bei Wärmebehand-
diese Erscheinung liegt die Vermutung nahe, daß das lung eines Schichtenaufbaus aus Aluminium und SiI-
leicht oxydierende erste Kontaktmetall Aluminium ber auftretende Diffusion des Aluminium durch das
während einer nach dem Lösungsvorschlag jeweils Silber und die dadurch bewirkte Oberflächenpassi-
zur Legierungsbildung zwischen Kontaktmetallen 15 vierung des letzteren zu vermeiden, noch auf die Lö-
und Halbleitermaterial vorgesehenen Wärmebehand- sung dieser Aufgabe durch Anordnung einer Diffu-
lung, auf Grund der hohen Diffusionsgeschwindigkeit sionsbarriere.
im zweiten Kontaktmetall, dieses infolge Diffusion An Hand des in der Figur dargestellten Ausfühdurchsetzt und an der freien Kontaktoberfläche . rungsbeispiels werden Aufbau und Wirkungsweise durch Oxydation passivierte Flächenabschnitte bil- 20 einer Kontaktelektrode gemäß der Erfindung, insbedet, die eine Benetzung durch das Halbleiterlot ver- sondere der Kontaktelektrode für einen Halbleiterhindern, körper, aufgezeigt und erläutert.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher die Auf einer vorbereiteten, gegebenenfalls mindestens
Beseitigung dieser Nachteile und die Anordnung einen pn-übergang aufweisenden Scheibe 1 aus halb-
einer insbesondere für die Herstellung von Lötkon- 25 leitenden Stoffen oder Verbindungen, vorzugsweise
takten geeigneten und auch unter extremen Betriebs- aus Silizium, ist als erstes Kontaktmetall 2 Alumi-
bedingungen hoch beanspruchbaren Kontaktelek- nium und darauf als zweites Kontaktmetall 3 Silber
trode auf Bauteilen von Halbleiterbauelementen. fest aufgebracht. Auf dieser Schichtenfolge, deren
Die Lösung der Aufgabe besteht erfindungsgemäß zweite Teilschicht eine vorbestimmte Dicke aufweidarin, daß innerhalb des oder nach dem zweiten 30 sen und genügend duktil sein muß, ist nunmehr eine Kontaktmetall wenigstens eine metallische Zwischen- dünne, weiterhin als Diffusionsbarriere bezeichnete schicht angeordnet ist, die als Diffusionsbarriere für Schicht eines Metalls 4 angeordnet. Von dieser Diffudas bei Erwärmung der Schichtenfolge zur Diffusion sionsbarriere 4 wird gefordert, daß in ihr die Diffudurch das Silber neigende und dessen Oberflächen- sionsgeschwindigkeit des ersten Kontaktmetalls sehr passivierung bewirkende Aluminium dient, daß die 35 klein und dadurch die Eindringtiefe verhältnismäßig Diffusionsbarriere eine Dicke bis zu 2 um aufweist gering ist, und/oder daß es mit diesem intermetalli- und aus einem Material besteht, in welchem das Alu- sehe Verbindungen in dem Ausmaß und in der Weise minium langsamer diffundiert als in Silber und/oder eingeht, daß, im Falle der Anordnung innerhalb der welches mit dem Aluminium eine intermetallische Silberschicht, eine Durchdringung des zweiten Kon-Verbindung eingeht, und daß die Schichtenfolge bei 40 taktmetalls bis zur freien Oberfläche und damit eine Anordnung der Diffusionsbarriere nach dem Silber Oxydation der für die weitere Kontaktierung vorgemit einer dünnen Schicht eines Edelmetalls abge- sehenen Fläche der Kontaktelektrode verhindert deckt ist. wird.
Aus der britischen Patentschrift 839 082 ist ein Aus Wirtschaftlichkeitsgründen und um die Wir-Verfahren zur Herstellung von Transistoren bekannt, 45 kung der duktilen Schicht des zweiten Kontaktmewonach in einem scheibenförmigen Halbleiterkörper tails beim Einsatz der Halbleiter-Anordnungen nicht aus Germanium durch Einlegieren von Aluminium zu beeinträchtigen, soll die Diffusionsbarriere so und Indium Zonen entsprechender Leitfähigkeit zur dünn wie möglich ausgebildet sein. Eine Schichtdicke Erzielung einer Transistorstruktur gebildet werden bis zu 2 μΐη erscheint auch unter Berücksichtigung und anschließend die mit Aluminium dotierte und 50 der unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften beschichtete Fläche mit einer Kontaktschicht aus SiI- mehrerer, für die Diffusionsbarriere in Betracht komber versehen wird. Damit ist aber ein Schichtenauf- mender Materialien zur Erzielung des gewünschten bau offenbart, wie er bei der Herstellung von groß- Effekts als hinreichend. Besonders günstige Ergebflächigen Lötkontaktelektroden für Halbleitergleich- nisse wurden mit einer Schichtdicke von 0,3 bis richteranordnungen als nachteilig und verbesserungs- 55 0,6 μπι erzielt,
bedürftig erkannt wurde. Als Diffusionsbarrieren-Material kommen die Me-
Weiter ist aus der britischen Patentschrift talle Nickel, Kobalt, Chrom, Titan oder Mangan in
1 053 069 ein Schichtenaufbau für ohmsche Kontakte Betracht. Insbesondere Chrom eignet sich in vorteil-
von Halbleiterbauelementen geringer Baugröße be- hafter Weise für den Schichtenaufbau einer Kontakt-
kanntgeworden. Dabei ist in Öffnungen einer auf 60 elektrode gemäß der Erfindung und kann außerdem
dem Halbleiterkörper befindlichen isolierenden günstig aus Wolfram-Verdampfern aufgebracht wer-
Schutzschicht zunächst Aluminium zur Kontaktie- den.
rung des Halbleitermaterials durch Legieren an- Die Aufbringung der Diffusionsbarriere erfolgt geordnet. Auf dieser ersten Kontaktschicht ist eine vorzugsweise wie diejenige der bereits vorgeschlageauch die Randzonen der Öffnungen abdeckende, 65 nen Kontaktmetalle 2 und 3 durch Aufdampfen in weitere metallische Schicht aus Chrom, Titan oder Hochvakuum bei ungefähr 10~5Torr. Gegebenen-Molybdän vorgesehen, um das Eindringen von Luft- falls kann die Aufbringung auch durch Kathodenzerfeuchtigkeit und atmosphärischen Verunreinigungen stäubung oder durch Abscheiden erfolgen.
Da die für die Diffusionsbarriere verwendeten Metalle als unedle Metalle ebenfalls zur Oberflächenoxydation neigen, ist es erforderlich, sie durch einen nicht oxydierenden Überzug abzudecken. Zu diesem Zweck ist auf der Diffusionsbarriere eine dünne Schicht 5 eines geeigneten Edelmetalls, vorzugsweise aus Gold oder Palladium, als Deckelelektrode angeordnet, die im Hinblick auf die Verhinderung einer Oberflächenpassivierung im gleichen Verfahrensschritt und unter gleichen Bedingungen wie die Dif- fusionsbarriere unmittelbar anschließend auf dieselbe aufgebracht ist. 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 bedarfsweise zusätzlich als Sperre gegenüber Halbleiterloten dient, wodurch eine unerwünschte Durchdringung des zweiten Kontaktmetalls von der zur Lötverbindung vorgesehenen Kontaktfläche her mit Lötmetallen bei der Durchführung von Lötprozessen vermieden wird, so daß eine ausreichende Duktilität der Schicht des zweiten Kontaktmetalls zum Ausgleich von beim Einsatz der Halbleiter-Anordnungen auftretenden Wärmedehnungen erhalten bleibt.
Weist ein als Stromleitungsanschluß dienendes, zur Lötkontaktierung mit einem weiteren Halbleiter-Bauteil vorgesehenes, metallisches Kontaktbauteil als Kontaktelektrode eine duktile Schicht eines Edelmetalls auf, die insbesondere für eine wechsellastbeständige Kontaktierung bestimmt und geeignet dimensioniert ist, so können unter Umständen auch hier die vorerwähnten Benetzungsschwierigkeiten auftreten. Bestehen die Kontaktbauteile beispielsweise aus Aluminium oder sind dieselben mit Aluminium und/oder mit Silber beschichtet, so ist durch Aufbringung einer erfindungsgemäßen Kontaktelektrode deren flußmittelfreie Benetzung zur Erzielung von Lötkontakten gewährleistet.
Der Vorteil der Kontaktelektrode gemäß der Erfindung besteht vor allem darin, daß durch die Anordnung einer Diffusionsbarriere im Verlauf der vorgegebenen Kontaktmetall-Schichtenfolge und durch die vorbestimmten physikalischen Eigenschaften dieser Diffusionsbarriere in bezug auf die Schicht eines ersten und zweiten Kontaktmetalls eine unerwünschte Diffusion des ersten Kontaktmetalls zur freien Kontaktelektrodenfläche und eine durch Oxydation an der Oberfläche hervorgerufene Passivierung verhindert wird, und dadurch über eine abschließende Edelmetall-Deckelelektrode optimale Benetzbarkeit der Kontaktelektrode für die Erzielung von Lötkontakten gegeben ist.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:
1. Halbleitergleichrichteranordnung mit großflächigen, gut lötbaren Kontaktelektroden aus einer Schicht aus Aluminium als erstem Kontaktmetall und aus einer weiteren Schicht aus Silber als zweitem Kontaktmetall, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des oder nach dem zweiten Kontaktmetall wenigstens eine me- ίο tallische Zwischenschicht angeordnet ist, die als Diffusionsbarriere für das bei Erwärmung der Schichtenfolge zur Diffusion durch das Silber neigende und dessen Oberflächenpassivierung bewirkende Aluminium dient, daß die Diffusionsbarriere eine Dicke bis zu 2 ,um aufweist und aus einem Material besteht, in welchem das Aluminium langsamer diffundiert als in Silber und/oder welches mit dem Aluminium eine intermetallische Verbindung eingeht, und daß die Schichtenfolge bei Anordnung der Diffusionsbarriere nach dem Silber mit einer dünnen Schicht eines Edelmetalls abgedeckt ist.
2. Halbleitergleichrichteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Diffusionsbarriere aus Nickel, Kobalt, Chrom, Titan oder Mangan besteht.
3. Halbleitergleichrichteranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Diffusionsbarriere eine Dicke von 0,3 bis 0,6 μηι aufweist.
4. Halbleitergleichrichteranordnung nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die auf der Diffusionsbarriere angeordnete dünne Schicht eines Edelmetalls aus Gold oder Palladium besteht.
5. Verfahren zur Herstellung von Halbleiter-Anordnungen nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Diffusionsbarriere und bedarfsweise im gleichen Verfahrensschritt auch die abschließende dichte Schicht eines Edelmetalls durch Aufdampfen in Hochvakuum aufgebracht werden.
6. Verfahren zur Herstellung von Halbleiter-Anordnungen nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Diffusionsbarriere durch Kathodenzerstäubung aufgebracht wird.
7. Verfahren zur Herstellung von Halbleiter-Anordnungen nach einem der Ansprüchel bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Diffusionsbarriere durch Abscheiden aufgebracht wird.
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