DE2021819A1 - Halbleiterbauelement mit Glaspassivierung - Google Patents

Halbleiterbauelement mit Glaspassivierung

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DE2021819A1
DE2021819A1 DE19702021819 DE2021819A DE2021819A1 DE 2021819 A1 DE2021819 A1 DE 2021819A1 DE 19702021819 DE19702021819 DE 19702021819 DE 2021819 A DE2021819 A DE 2021819A DE 2021819 A1 DE2021819 A1 DE 2021819A1
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DE19702021819
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James Petruzella
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General Electric Co
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General Electric Co
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Description

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GENERAL ELECTRIC COMPANY, Schenectady, N.Y. VStA
Halbleiterbauelement mit Glaspassivierung
Die Erfindung bezieht sich auf Halbleiterbauelemente, deren Halbleiterkörper zur Verbesserung ihrer elektrischen und mechanischen Eigenschaften mit einer Glaspassivierung für die Übergänge versehen sind.
Es lassen sich heute Halbleiterbauelemente mit außerordentlich hohen Sperrspannungen herstellen. Auf Grund ihrer konstruktiven Ausgestaltung, die zur Herstellung der erwünschten elektrischen Eigenschaften notwendig ist, können sie jedoch nur durch Fabrikationsprozesse hergestellt werden, bei denen jeder Halbleiterkörper einzeln bearbeitet wird.
Wegen des strengen Preiswettbewerbs auf dem Halbleitergebiet sind zwar bereits Fabrikationsverfahren bekannt geworden, mittels denen, ausgehend von einer einzigen großen Halbleiterscheibe, gleichzeitig die Halbleiterkörper für eine Vielzahl von Halbleiterbauelementen hergestellt werden können. Hierdurch lassen sich die Kosten pro Halbleiterkörper und daher die Kosten pro Halbleiterbauelement stark erniedrigen. Der Vorteil der
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Massenproduktion geht jedoch auf Kosten der elektrischen Eigenschaften und führt dazu, daß eine große Anzahl von fertigen Halbleiterbauelementen verworfen werden muß, weil ihre Halbleiterkristalle während der Fabrikation beschädigt werden. Einzeln hergestellte Halbleiterkörper mit vier Schichten und drei Übergängen führen beispielsweise zu betriebssicheren Halbleiterbauelementen mit Sperrspannungen von mehr als 1000 Volt, wohingegen solche Thyristoren, wenn sie durch Massenproduktion hergestellt werden, Sperrspannungen von nur 400 Volt aufweisen. Dies ist zwar, wenn nur geringe Anforderungen an die Sperrfähigkeit gestellt sind, kein Nachteil, begrenzt aber die Anwendbarkeit der Thyristoren. Auf Grund mechanischer Beschädigungen bei der Fabrikation und beim Zusammenbau müssen außerdem, wie schon erwähnt wurde, viele Halbleiterbauelemente als Ausschuß behandelt werden, weil sie noch nicht einmal den Minimalanforderungen genügen. :
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, Halbleiterbauelemente zu schaffen, deren Halbleiterkörper konstruktiv so gestaltet sind, daß sie sich bei geringen Kosten durch ein Massenprpduktionsverfahren herstellen lassen und trotzdem bessere elektrische Eigenschaften als bisher haben sowie beim Fabrikationsprozess weniger leicht beschädigt werden. Insbesondere sollen geeignet herstellbare Halbleiterbauelemente mit hohen Sperrspannungen hergestellt werden.
Das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement ist dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper in einen den PN-Übergang aufweisenden Mittelabschnitt und einen peripheren Randabschnitt unterteilt ist, wobei der Mittelabschnitt eine glatte, abgeschrägte Randfläche aufweist, die von der .einen Breitseite zum Randabschnitt hin derart abgeschrägt ist, daß sie mit dem sie schneidenden PN-Übergang einen
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positiven Winkel bildet, und wobei der Randabschnitt eine glatte abgeschrägte Randfläche aufweist, die von derselben Breitseite zum Mittelabschnitt hin abgeschrägt ist, und daß der Randabschnitt und der Mittelabschnitt längs ' ihrer abgeschrägten Randflächen durch eine dicke Glaspassivierungsschicht fest miteinander verbunden sind, die einen dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Halbleiterkörpers im wesentlichen entsprechenden thermischen Ausdehnungskoeffizienten besitzt.
Die Erfindung wird im folgenden in Verbindung mit der beiliegenden Zeichnung an Hand von Ausfiihrungsbeispielen beschrieben.
Die Flg. 1 zeigt einen Schnitt durch übliche Halbleiterbauelemente unmittelbar nach ihrer Trennung von einer gemeinsamen Halbleiterscheibe.
Die Fig. 2 zeigt eine der Fig. 1 ähnliche Darstellung für erfindungsgemäße Halbleiterbauelemente.
Die Fig. 3 zeigt in auseinandergezogener und teilweise geschnittener Darstellung ein Halbleiterbauelement nach der Erfindung.
Die Fig. 4 zeigt Schnitte durch Halbleiterbauelemente gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung. -
Die Vorteile der erfindungsgemäßen Halbleiterbauelemente lassen sich am leichtesten durch Vergleich mit einem kommerziellen Halbleiterbauelement zeigen. In Fig. 1 sind mehrere konventionelle Halbleiterbauelemente 1 so dargestellt, wie sie sich kurz-nach dem Abtrennen von einer einzigen großen Halbleiterscheibe ergeben. Jedes Halbleiterbauelement weist einen Halbleiterkörper 2 mit im wesentlichen parallelen Breitseiten 3 und 5 auf. Der HaIb-
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leiterkörper weist eine beispielsweise N-leitende Mittelzone 7 auf. Zwischen der Mittelzone 7 und den beiden Breitseiten sind P-leitende Zonen 9 und 11 angeordnet, die mit der Mittelzone Übergänge 13 und 15 bilden. Zwischen einein Teil der Zone 9 und der daran angrenzenden Breitseite ist schließlich eine weitere Zone 17 vorgesehen, die beispielsweise N+- leitend ist. Der Rand jedes Halbleiterkörpers ist mit einem oberen, gekrümmten Randabschnitt 19 versehen, der den Rand des Übergangs 13 schneidet, wohingegen ein unterer, ebenfalls gekrümmter Randabschnitt 21 den Rand des Übergangs 15 schneidet. Dem oberen und dem unteren Randabschnitt sind dünne Glaspassivierungsschichten 23 und 25 zugeordnet, die die an die Ränder tretenden Übergänge 13 und 15 schützen. Auf der unteren Breitseite des Halbleiterkörpers und der Passivierungsschicht 25 befindet sich ein Metallkontakt 27, der aus einer oder mehreren Metallschichten besteht, die mit der Zone 11 einen ohmschen Kontakt bilden. Die Zone 17 ist mit einem ohmschen Kontakt 29 belegt. Der längs der Breitseite 3 liegende Abschnitt der Zone 9 ist mit einem ohmschen Steuerkontakt 31 versehen. Der nicht mit einem Kontakt oder der Passivierungsschicht bedeckte Abschnitt der oberen Breitseite des Halbleiterkörpers ist durch eine dünne Metalloxidschicht 33f die beispielsweise aus Siliciumdioxid besteht, geschützt.
Die Halbleiterbauelemente 1 bilden, wenn sie mit Anschlüssen und Gehäusen versehen worden sind, die aktiven Teile von steuerbaren Halbleitergleichrichtern. Der Kontakt 27 ist beispielsweise mit einem Anodenanschluß, der Kontakt 29 mit einem Katodenanschluß und der Kontakt 31 mit einem Steueranschluß verbunden. Bei Verwendung des Halbleiterkörpers als steuerbarer Gleichrichter muß sein übergang 13 vor dem durch ein Steuersignal bewirkten Umschalten in den leitenden Zustand die Vorwärtsspannung sperren, wohingegen sein Übergang 15 Spitzenspannungen in Rückwärtsrich-
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tung sperren muß.
Die Halbleiterkörper 2 der flalbleiterbauelemente 1, nach Fig. 1 sind zunächst in Form einer einkristallinen Scheibe miteinander verbunden, wobei die Scheibe ursprünglich die Leitfähigkeit der Mittelzone 7 aufweist. Die Übergänge und 15 sowie die Zonen 9 und 11 werden durch Diffusionsprozesse von den beiden Breitseiten her ausgebildet. Die Zone 17 kann durch Diffusions- oder Legierungsverfahren hergestellt werden. Zur Passivierung der Übergänge an ihren an die Oberfläche tretenden Rändern können von den Breitseiten her Rillen in den Halbleiterkörper geätzt werden, durch die die gekrümmten Randabschnitte 19 und entstehen, welche die Übergänge 13 und 15 schneiden. In den Rillen werden dann die Glaspassivierungsschichten 23 und 25 abgeschieden, deren Dicke auf etwa 0,025 mm (1 mil) beschränkt wird, weil die normalerweise verwendeten Gläser einen größeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten als die Siliciumkristalle aufweisen. Die Kontakte werden aufgebracht, nachdem die Glaspassivierungsschichten vollständig ausgebildet sind. Wenn der Kontakt 27 aufgedampft wird, dann kann er die dünne Glasschicht 25 bedecken. Die Metallkontakte können aus irgendeinem bekannten Material oder auch aus mehreren Schichten aus unterschiedlichen Metallen bestehen. Die gesamte Halbleiterscheibe wird dann in einzelne Halbleiterbauelemente 1 unterteilt, und zwar nachdem alle oben genannten Verfahrensschritte abgeschlossen sind. Da alle Verfahrensschritte gleichzeitig an allen Halbleiterkörpern 2 durchgeführt werden können, während sie noch zu einer einzigen Scheibe verbunden sind, und weil außerdem in der Regel eine Vielzahl von derartigen Scheiben gleichzeitig bearbeitet werden kann, ist das beschriebene Herstellungsverfahren sehr billig. _
Die beschriebenen Halbleiterbauelemente 1 genügen zwar den kommerziellen Anforderungen, weisen jedoch einige
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Nachteile auf. Zunächst werden die großen Halbleiterscheiben dadurch, daß in ihnen aufeinander ausgerichtete Rillen ausgebildet werden, an diesen Stellen nur noch durch die darunterliegenden dünnen Halbleiterteile zusammengehalten, so daß sie sorgfältig weiterbearteitet werden müssen, damit sie nicht längs der Rillen in unerwünschter Weise brechen. Die dünnen Glasschichten von 0,025 mm (1 mil) oder weniger erhöhen die Festigkeit der Halbleiterscheiben nur unmerklich. Wenn versucht würde, die Glasdicke in den Rillen bei Verwendung von Passivierungsgläsern mit einem gegenüber Silicium größeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten zu erhöhen dann würde das Glas während der Fabrikation Risse oder Sprünge erhalten, was seine Passivierungseigenschaften verschlechtern würde.
Ein weiterer Nachteil, der sich auch bei Verwendung dünner Glasschichten ergeben kann, besteht darin, daß die Halbleiterscheibe auf Grund der nicht angepaßten Ausdehnungskoeffizienten des Glases und des Siliciums zu einer nicht mehr planaren Gestalt verbogen werden kann. Hierdurch entstehen Schwierigkeiten beim genauen Maskieren während der sich anschließenden Verfahrensstufen und möglicherweise auch Risse in der Halbleiterscheibe. Ein weiterer Nachteil besteht schließlich darin, daß das Glaspassivierungsmittel von beiden Breitseiten her in die Rillen eingebracht werden muß. Viele Verfahren zum Aufbringen der Gläser eignen sich nämlich nicht zum gleichzeitigen Aufbringen der Gläser von beiden Breitseiten her, so daß das Glas aus diesem Grunde nacheinander in den an verschiedene Breitseiten grenzenden Rillen niedergeschlagen werden muß. Dies ist ein wesentlicher Nachteil, weil für das Anbringen der Glasschichten häufig mehrere aufeinanderfolgende Verfahrensstufen benötigt werden.
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Die üblichen Halbleiterbauelemente 1 besitzen auch gewisse Nachteile-, die sich sowohl in ihren elektrischen Eigenschaften als auch in der Art ihrer Herstellung ausdrücken. Wenn nämlich die Halbleiterkörper längs der mit Glas gefüllten Rillen durch Anreißen oder Sägen unterteilt werden, dann muß sowohl das Glas in den unteren Rillen als auch das Glas in den oberen Rillen gebrochen werden. Da Glas ziemlich brüchig ist, können sich hferbei im Glas Risse bilden, durch die Verunreinigungen in die Sperrübergänge eindringen können, wodurch sich die Sperrspannungen nachteilig ändern. Weitere Nachteile ergeben sich daraus, daß sich die Mittelzone nach außen bis zum abgebrochenen oder abgesägten Rand erstreckt. Wenn nämlich beispielsweise die Glasschicht 25 zerbricht oder wenn das zum Anbringen des Kontaktes 27 an einer Wärmesenke oder einem Anschluß verwendete Lötmittel unpassend mit dem abgesägten Rand des Halbleiterkörpers in Berührung kommt, dann kann die Mittelzone über diesen Weg mit dem Anodenanschluß kurzgeschlossen werden. Selbst wenn keine dieser beiden Kurzschlußmöglichkeiten auftritt, kann die Betriebsweise verschlechtert werden. Da nämlich die Mittelzone meistens einen viel geringeren Verunreinigungsgrad als die beiden angrenzenden Zonen aufweist, kann sich die Raumladungszone, die sich im Sperrzustand an den Übergängen ausbildet, sehr weit vom Übergang der Mittelzone wegspreizen. Wenn sich daher die Verarmungszone ausreichend spreizt und schließlich den abgesägten Rand der Mittelzone erreicht, dann ergibt sich eine gewisse Verminderung der Sperrfähigkeit des Halbleiterkörpers, was möglicherweise auf Oberflächenladungen oder Verunreinigungen am abgebrochenen Rand zurückzuführen ist.
Ein weiterer Nachteil der Halbleiterbauelemente 1 besteht darin, daß diejenigen Abschnitte jedes Halbleiterkörpers, die sich bis über die Breitseiten hinaus erstrecken, Überstehen, wenn der Halbleiterkörper in das fertige Halblei-
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terbauelement eingebaut ist. Da die Halbleiterkörper meistens sehr dünn sind, sind die überstehenden Ränder sehr empfindlich, so daß sie bei der weiteren Behandlung und beim Einbau leicht zerbrechen. Schließlich ist es auch nachteilig, daß die gekrümmten Randabschnitte 19 und 21 negative Winkel mit den Übergängen 13 und 15 bilden, da die Halbleiterkörper durch solche negativen Neigungswinkel, wenn diese nicht innerhalb enger Grenzen genau eingestellt werden, für Oberflächendurchbrüche anstelle von Lawinendurchbrüchen im Inneren empfänglich werden, wenn an ihre Anschlußklemmen Spannungen in Sperrichtung gelegt werden.
In Fig. 2 sind erfindungsgemäße Halbleiterbauelemente dargestellt. Sie enthalten Je einen Siliciumkörper 102 mit zwei im wesentlichen parallelen Breitseiten 104 und 106, die in der kristallografischen <100>-Ebene des Halbleiterkristalls angeordnet sind. Jeder Halbleiterkörper weist eine Mittelzone 108 auf, die beispielsweise N-leitend ist. Zwischen der Mittelzone und den beiden Breitseiten liegen Zonen 110 und 112, so daß die Zone 110 und die Mittelzone einen Übergang 114 und die Zone 112 und die Mittelzone einen Übergang 116 bilden. Die beiden Zonen 110 und 112 besitzen eine im Vergleich zur Mittelzone entgegengesetzte Leitfähigkeit, d.h. beispielsweise P-Leitfähigkeit. Eine weitere Zone 118 ist zwischen einem Abschnitt der Zone 110 und der daran angrenzenden Breitseite angeordnet und bildet mit der Zone 110 einen Übergang 120. Wenn die Mittelzone N-leitend und die Zone P-leitend ist, dann ist die Zone 118 beispielsweise N+- leitend.
Der Siliciumkörper ist außerdem mit einer peripheren Rille 122 versehen, die von seinem äußeren Rand beabstandet ist und den Halbleiterkörper in einen Mittelabschnitt 124 und einen Randabschnitt 126 teilt. In der aus Fig. 2 ersieht-
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lichen Form sind die Mittel- und Randabschnitte durch einen Abschnitt der Zone 112 miteinander fest verbunden. Die Rille wird durch eine schräg verlaufende Außenfläche 128 des Mittelabschnitts, die von der Breitseite 104 nach unten und nach außen zum peripheren Randabschnitt hin abgeschrägt ist, und eine innenfläche 130 des peripheren Randabschnitts gebildet, die in ähnlicher Weise nach unten, jedoch zum inneren Mittelabschnitt hin abgeschrägt ist und die schräg verlaufende Außenfläche des Mittelabschnitts schneidet. Die beiden schräg verlaufenden Oberflächen sind beide glatt und im wesentlichen linear, so daß sie eine V-förmige Rille bilden, die die Übergänge 114 und 116 schneidet* Außerdem schneidet die schräg verlaufende Außenfläche des Mittelabschnitts den Übergang 116 unter einem positiven Winkel von etwa 50° bis 60°.
Die periphere Rille ist mit einer dicken Glaspassivierungs* schicht 132 gefüllt. Das Glas dient zwei Zwecken, nämlich die Ränder der Übergänge des Mittelabschnitts 124 zu schützen und die Mittelabschnitte 124 derart mit den Randabschnitten 126 zu verbinden, daß die durch die am Rand befindlichen Rillen bewirkte Schwächung des Halbleiterkörpers mindestens teilweise wieder ausgeglichen wird. Um eine merkbare Bindungsfestigkeit zu erhalten, muß die Glasschicht wesentlich dicker als die üblicherweise zur Passivierung der Übergänge verwendeten Glasschichten sein. Wenn beispielsweise normalerweise Glasschichten von weniger als 0,025 mm (1 mil) verwendet werden, die eine nur geringe oder gar keine mechanische Festigkeit bewirken, dann werden erfindungsgemäß vorzugsweise Glasschichten verwendet, die mindestens 0,075 mm.(3 mil) dick sind. Durch das Verbinden der schräg verlaufenden Oberflächen der Mittel- und Randabschnitte der Halbleiterkörper mit einer dicken Glasschicht weisen die Halbleiterkörper eine wesentlich größere Festigkeit als die vergleichbaren, mit Rillen versehenen Halbleiterkörper mit dünnen Glaspassi-
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vierungsschichten auf, so daß die schwächende Wirkung der Rillen nahezu kompensiert wird.
Damit das Glas in Form einer dicken Schicht aufgebracht werden kann, muß es einen Ausdehnungskoeffizient erhalten, der nicht größer als der des Siliciums ist. Da Silicium bekanntlich einen sehr niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten besitzt, weisen die üblichen Glaspassivierungsmittel einen etwas größeren Ausdehnungskoeffizienten auf, selbst wenn Gläser verwendet werden, deren Ausdehnungskoeffizient dem des Siliciums in etwa angepaßt ist. Wenn dagegen Gläser mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten verwendet werden, der nicht größer als der des Siliciums ist, dann werden Brüche oder Risse in den dicken Glasschichten vermieden, solange der Halbleiterkörper innerhalb der üblichen Temperaturbereiche Wärmebehandlungen unterworfen wird.
Damit sich die erwünschte Passivierung der Übergänge ergibt, sind Isolierwiderstände der dicken Glasschichten
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von mindestens 10 Ohm·cm erwünscht. Hierdurch werden Leckströme parallel zu den zu schützenden Übergängen vermieden. Um für Gleichrichter hohe Sperrspannungen zu ermöglichen, werden Glasschichten gewählt, deren Durchschlagfestigkeit mindestens 24000 Volt/mm (600 Volt/mil) und für Hochspannungs-Gleichrichter vorzugsweise mindestens 40000 Volt/mm (1000 Volt/mil) beträgt. Wenn die Mittelabschnitte der Halbleiterkörper erfindungsgemäß nach außen hin abgeschrägt und mit einer erfindungsgemä- ' ßen Glaspassivierungsschicht versehen ist, dann kann das Halbleiterbauelement äußerst hohen Sperrspannungen unterworfen werden, ohne daß es durch Oberflächendurchbrüche zerstört wird.
Bei Verwendung einer dicken anstelle der üblichen dünnen Glaspassivierungsschicht können trotz gleichbleibender
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Betriebsweise Gläser mit einer etwas kleineren Durchschlagfestigkeit verwendet werden, weil sich die für die Durchbrüche verantwortlichen Oberflächeneffekte dann weniger stark auswirken. Weiterhin hat sich ergeben, daß der Alkaliionengehalt der Gläser möglichst klein gehalten werden sollte, um Wanderungen der Alkaliionen vom Glas zur Siliciumoberflache zu vermeiden, wodurch Oberflächendurchbrüche anstelle der Durchbrüche im Inneren gefördert würden. Daher wird vorgezogen, zur Herstellung der Glaspassivierungsschichten nahezu alkalifreie Gläser zu verwenden, obwohl geringere Anteile, bis zu etwa 10 Gew.%, an Erdalkalien oder Erdmetalloxiden in den Gläsern enthalten sein können, ohne daß sich merkliche Verschlechterungen ergeben. Borsilikatgläser werden bevorzugt, weil sie einen sehr kleinen thermischen Ausdehnungskoeffizienten besitzen. Erfindungsgemäß sind alkalifreie Bleiborsilikatgläser geeignet, insbesondere solche, die 60 bis 80 Gew.% Siliciumdioxid, 15 bis 30 Gew.% Bordioxid und 5 bis 15 Gew.% Bleioxid enthalten. Praktische Beispiele geeigneter Bleiborsilikatgläser enthalten 73 Gew.% Siliciumdioxid, 16,5 Gew.% Boroxid, 10,5 Gew.% Bleioxid oder 76,5 Gew.# Siliciumdioxid, 17,3 Gew.% Boroxid und 6,3 Gew.% Bleioxid. Andere geeignete Bleiborsilikatgläser sind kommerziell
erhältlich. .
• r
Das Halbleiterbauelement 100 besitzt auf der gesamten Breitseite 106 einen ohmschen Kontakt 134 mit geringem Übergangswiderstand zur Zone 112. Die Zone 118 ist mit einem Kontakt 136 versehen, und ein Kontakt 138 bedeckt einen Teil der Zone 110, der an die Breitseite 104 angrenzt. Die Kontakte können aus Einfach- oder Mehrfachschichten sowie aus einem oder mehreren Metallen bestehen und die übliche Bauweise'haben. Eine Oxid- oder Nitridschicht 140 bedeckt die nicht durch Kontakte bedeckten Stellen der Breitseite 104.
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Die Halbleiterkörper 102 der Halbleiterbauelemente 100 nach Fig. 2 können in geeigneter Weise bearbeitet werden, während sie zu einer einzigen Halbleiterscheibe verbunden sind. Die Halbleiterscheibe kann anfangs beispielsweise die Leitfähigkeit der Mittelzone 108 aufweisen. Anschließend werden durch Diffusionsprozesse von beiden Breitseiten her die Übergänge 114 und 116 ausgebildet, wogegen die Zone 118 durch Diffusions- oder Legierungsprozesse ausgebildet werden kann. Zur Passivierung der Ränder der sperrenden Übergänge 114 und 116 der Mittelabschnitte werden dann von der Breitseite 104 her beabstandete Rillen 122 in die Halbleiterscheibe geätzt. Dadurch, daß die Halbleiterscheibe mit ihrer Breitseite 104 parallel zur *100> -Ebene angeordnet ist, kann den Rillen die erwünschte V-Form gegeben werden, wobei die schräg verlaufenden Oberflächen 128 und 130 einen positiven Neigungswinkel bezüglich des Übergangs 116 von etwa 50° bis 60° aufweisen. Die Rillen können in 100-Silicium unter Verwendung einer alkoholischen Kaliumhydroxydlösung als Ätzmittel ausgebildet werden. Diese Technik ermöglicht den wesentlichen Vorteil, die Tiefe der Rillen sehr genau dadurch zu steuern, daß man ihre Breite steuert.
Beispielsweise wird hierzu die gesamte Oberfläche der Halbleiterscheibe mit einer gegenüber dem Ätzmittel beständigen Maske aus Siliciumdioxid oder Siliciumnitrid belegt. Die Maske wird dann zur Abgenzung der von den Rillen einzunehmenden Bereiche selektiv entfernt. Dadurch, daß die Oberfläche der Halbleiterscheibe dann mit der alkoholischen Kaliumhydroxylösung in Berührung gebracht wird, können die Rillen automatisch bis zur erwünschten Tiefe und mit dem erwünschten Neigungswinkel hergestellt werden. Der Neigungswinkel beträgt etwa 55°» doch kann er etwas dadurch verändert werden, daß beispielsweise die obere Breitseite nicht genau der kristallografischen <100>-Achse angepaßt wird. Das Herstellen der Rillen durch
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die beschriebene Ätztechnik bringt auch den besonderen Vorteil mit sich, daß die schräg verlaufenden Rillenwände wesentlich glatter werden, als wenn sie durch mechanische Abschrägung erhalten würden. Dadurch werden auch in unerwarteter Weise die Sperrspannungen noch großer, als sie sich unter Zugrundelegung der entsprechenden Neigungswinkel berechnen. Der Grund hierfür besteht darin, daß beim Ätzprozess geringere Beschädigungen als bei einer mechanischen Abschrägung hervorgerufen werden. Aus diesem Grunde sind weniger Oberflächenbindungen vorhanden, die sich an einem Oberflächendurchbruch beteiligen könnten*
Die Kontaktschichten können auf bekannte Weise angebracht werden. Das Glas kann durch selektive Abscheidung eines wäßrigen Breis einer fein zerteilten Glasfritte, Trocknen des Breis unter Zurücklassung der Fritte und anschließende Sinterung zum Verschmelzen des Glases zu einem einheitlichen, nicht porösen Körpers in die Rillen gebracht werden.
Die in Fig. 3 dargestellte Halbleitervorrichtung 150 enthält ein Halbleiterbauelement 100, das auf einer elektrisch und thermisch leitenden Wärmesenke 152 befestigt ist. Der Kontakt 134, der die untere Breitseite des Halbleiterkörpers bedeckt, ist elektrisch und thermisch gut leitend mit der Wärmesenke verbunden, die längs eines Randes mit einem mit ihr aus einem Stück bestehenden Anschluß 154 versehen ist. An einer entfernten Stelle ist an der Wärmesenke ein Anschlußstück 156 mit einer Öffnung 158 vorgesehen, die die Montage der Halbleitervorrichtung und den Wärmeabzug von der Wärmesenke erleichtert. Der auf der Zone 118 befindliche Kontakt 136 ist mittels eines Drahtstücks 162 mit einem Anschluß 160 verbunden. Mittels eines weiteren Drahtstücks 164 ist der Kontakt 138 der Zone 110 mit einem Anschluß 166 verbunden. Die Wärmesenke und die innen befindlichen Teile der Anschlüsse sind mit einem Kunststoffgehäuse 168 umhüllt, das in Fig· 2 teil-
weise geschnitten dargestellt ist und vorzugsweise aus Kunstharz mit hoher Durchschlagsfestigkeit wie beispielsweise einem SiHcon-, Phenol-, Epoxyd- oder Polyesterharz besteht. Das Kunststoffgehäuse dient nicht nur zum Schutz der Plalbleitervorrichtung, sondern auch zur Halterung der Anschlüsse 16O und 166 mit der erwünschten Orientierung relativ zur Wärmesenke. Bei Verwendung einer dicken Glaspassivierungsschicht ist jedoch nur ein relativ geringer Schutz durch das Kunststoffgehäuse in Vergleich zur Verwendung der üblichen dünnen Glasschichten erforderlich. Die erfindungsgemäßen Halbleiterbauelemente brauchen sogar überhaupt nicht in eine Kunststoffkapsel eingehüllt werden.
Die in Fig. 3 dargestellte Halbleitervorrichtung besitzt nicht nur überlegene elektrische Eigenschaften, sondern außerdem eine Gestalt, die die Anwendung der üblichen Fabrikationsmethoden ermöglicht. Beim Vergleich mit einem Halbleiterbauelement 1 ergeben sich für das Halbleiterbauelement 100 viele Vorteile, Zunächst sind die Halbleiterbauelemente 1 nur durch einen dünnen, unterhalb der Rillen liegenden Abschnitt miteinander verbunden, solange sie noch eine große Scheibe bilden, wohingegen die Halbleiter-; bauelemente 100 durch ihre Randabschnitte 126 miteinander verbunden sind, die nicht durch Ätzprozesse verdünnt sind und daher ein festes, die Mittelabschnitte 124 umgebendes Netzwerk bilden, das eine wesentlich festere Struktur der Scheibe gewährleistet. Die Scheiben, aus denen die Halbleiterbauelemente. 100 gebildet werden, sind daher wesentlich starrer und weniger bruch- oder verformungsempfindlich als die Scheiben, aus denen die Halbleiterbauelemente 1 hergestellt werden.
Ein weiterer Vorteil der Halbleiterbauelemente 100 gegenüber den Halbleiterbauelementen 1 besteht darin, daß ihre ölaspassivierungssehicht besser gegen Beschädigungen ge-
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schützt ist. Zur Herstellung eines Halbleiterbauelementes 1 müssen beispielsweise zwei Glasschichten längs des gesamten Umfangs des Halbleiterkörpers gesägt oder angerissen werden, wodurch sich eine relativ hohe Wahrscheinlichkeit für Beschädigungen ergibt. Das Abtrennen der Halbleiterbauelemente 100 durch Sägen oder Anreißen ist dagegen auf die peripheren Randabschnitte begrenzt, wobei Berührungen mit den dicken Glaspassivierungsschichten vollkommen vermieden werden, was zu einer geringen Wahrscheinlichkeit bezüglich Beschädigungen der Glaspassivierungsschichten führt. Weiterhin ist die Wahrscheinlichkeit von Beschädigungen durch mechanische Stöße bei der Handhabung sehr klein, weil die Glaspassivierungsschichten vom Rand des Halbleiterkörpers 102 beabstandet sind. Bei den Halbleiterbauelementen 1 dagegen sind zwei Glaspassivierungsschichten direkt am Rand gelegen und nur durch einen zerbrechlichen überstehenden Randabschnitt des Kristalls gestützt. Die dicke Passivierungsschicht, die beim Halbleiterkörper 102 den Mittelabschnitt mit dem Randabschnitt verbindet, trägt außerdem beträchtlich zur Festigkeit des Halbleiterkörpers bei. Schließlich bedeutet es auch einen Vorteil, daß beim Halbleiterbauelement 100 im Gegensatz zum Halbleiterbauelement 1 die Glaspassivierung nur von einer Breitseite her aufgebracht werden braucht.
Zusätzlich zu einigen mechanischen Vorteilen und Vorteilen beim Fabrkatipnsprozess besitzt das Halbleiterbauelement 100 auch in elektrischer Hinsicht Vorteile gegenüber dem Halbleiterbauelement 1. Beim Halbleiterkörper 2 liegt beispielsweise der Mittelabschnitt der Mittelzone, der der stromführende Abschnitt dieser Zone ist, an keiner Stelle wirklich frei, wohingegen die Mittelzone des Halbleiterkörpers 2 am äußeren Rand freiliegt. Da die Mittelzone jedes..Halbleiterkörpers den höchsten spezifischen Widerstand aufweist, spreizt sich die Verarmungszone in dieser Zone am weitesten. Beim Halbleiterkörper 2 kann sich die
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Verarmungszone bis zum freiliegenden Rand der Mittelzone spreizen, wohingegen dies beim Halbleiterkörper 102 nicht möglich ist, weil sie keinen freiliegenden Rand besitzt. Wenn sich die Verarmungszone beim Halbleiterkörper 2 dem gesägten und gebrochenen Rand der Mittelzone nähert, dann verschlechtert sich die Sperrkennlinie des Halbleiterkörpers, wohingegen dies beim Halbleiterkörper 102 nicht der Fall ist. Weiterhin .kann beim Halbleiterbauelement 100 für den Fall, daß der gesägte oder gebrochene Rand irgendwie metallisiert worden ist, kein Kurzschluß des elektrisch aktiven Teils des Übergangs 116 auftreten, da derjenige Abschnitt der Mittelzone, der im peripheren Randabschnitt liegt, durch die Rille und die Glaspassivierungsschicht vom Mittelabschnitt der zugehörigen Mittelzone elektrisch isoliert ist. Dadurch bildet der periphere Randabschnitt des Halbleiterkörpers 102 gewissermaßen eine Verlängerung der Glaspassivierungsschicht und hilft mit, einen Kurzschluß der Übergänge bei unbeabsichtigter Metallisierung des Randes bei der Montage oder beim Zusammenbau zu vermeiden.
Ein weiterer Vorteil des Halbleiterbauelementes 100 besteht darin, daß der übergang 116 durch eine glatte Oberfläche der Mittelzone unter einem positiven Neigungswinkel geschnitten wird, was in direktem Gegensatz zum Halbleiterbauelement nach Fig. 1 steht, bei welchem der Neigungswinkel am Übergang 15 negativ ist. Die außerordentliche Glätte der Außenfläche des Mittelabschnitts erhöht die Wirkung der Abschrägung bezüglich einer Verbesserung der Sperreigenschaften des Übergangs 116. Die Struktur, die den Zusammenhalt der dicken Glaspassivierungsschicht 132 sicherstellt und aufrechterhält, trägt daher also auch zur Verbesserung der Sperreigenschaften des Halbleiterbauelementes 100 bei.
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Auch der Rest der Halbleitervorrichtung nach Fig. 3 kann mittels billiger Fabrikationsverfahren hergestellt werden. Die Wärmesenke 152. und die Anschlüsse 16O und 166 können zunächst aus einer zusammenhängenden Metallplatte bestehen, die eine Vielzahl von Wärmeseriken und Anschlüssen umfaßt. Die Befestigung der Halbleiterbauelemente 100 auf den Wärmesenken kann sehr schnell vorgenommen werden, well nur eine relativ ungenaue Positionierung erforderlich ist. Nach der Befestigung der Drähte 162 und 164 können die Gehäuse 168 für alle Halbleitervorrichtungen, die aus einer einzigen Metallplatte hergestellt werden, gleichzeitig gebildet werden. Anschließend werden die Wärmesenke und die Anschlüsse vom Rest der Metallplatte abgetrennt, wodurch die Halbleitervorrichtungen fertiggestellt sind.
Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenenHalbleitergleichrichter beschränkt, sondern kann auch bei anderen Halbleitervorrichtungen angewendet wellen. Beispielsweise können durch Weglassen des Kontaktes 130 beim Halbleiterbauelement 100 Thyristoren hergestellt werden, die durch Lawinendurchbrüche anstatt durch Steuersignale gezündet werden. Die Erfindung läßt sich ganz allgemein auf Gleichrichter wie beispielsweise Triacs bzw. bilaterale Thyristoren, sowie PN-, P+PN-, PIN- oder PNN+-Dloden anwenden.
Zur weiteren Erklärung der Erfindung ist in Fig. 4 ein Halbleiterbauelement 200 dargestellt, dessen Siliciumkörper in einen Mittelabschnitt 202 und einen konzentrisch dazu liegenden Randabschnitt 204 unterteilt ist. Durch beide Abschnitte erstreckt sich eine Kollektorzone 206, die an die eine Breitseite 208 angrenzt, sowie eine Basiszone 210, die an die zwei be Breitseite 212 angrenzt. Die Dicke der Basiszone ist im Vergleich zu der der Kollektorzone im allgemeinen relativ klein.und kann einige Mikron bis etwa 20 Mikron für Hochspanriungßbauel©mente betragen»
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Zwischen Basis- und Kollektorzone befindet sich ein Kollektorübergang 214. Eine sehr flach angeordnete Emitterzone 216, die aus mehreren kleinen Bereichen besteht, grenzt an die Breitseite 212 des Mittelabschnitts 202. Die Emitterzone, deren Tiefe nur ein oder zwei Mikron oder weniger betragen braucht, bildet mit der Basiszone einen EmitterÜbergang. Den größeren Teil der an die Breitseite 212 grenzenden Emitterzone bedeckt ein ohrascher Emitterkontakt 218, der einen niederohmigen Anschluß zur Emitterzone darstellt. Den Emitterkontakt umgibt mit Abstand ein ohmscher Basiskontakt 220.
Der Mittelabschnitt ist mit einem glatten, abgeschrägten Außenrand 222 versehen, der nach oben und zum peripheren Flandabschnitt hin geneigt ist. In ähnlicher V/eise ist der Randabschnitt mit einem glatten, abgeschrägten Rand 224 versehen, der nach oben und innen hin geneigt ist. Mit den beiden abgeschrägten Flächen ist eine dicke Glaspassivierungsschicht 226 verbunden, die mit dem Basiskontakt 220 den Randabschnitt und den Mittelabschnitt zu einem einheitlichen Gebilde zusammenhält.
Die Halbleiterbauelemente 200 werden analog zum Fabrikationsprozess der Halbleiterbauelemente 100 vorzugsweise gleichzeitig aus einer Halbleiterscheibe mit großem Durchmesser gebildet. Nach der Ausbildung der Übergänge durch bekannte Verfahren können die Basis- und Emitterkontakte gleichzeitig in Form einer zusammenhängenden Metallschicht a\if die Breitseite 212 gelegt werden, worauf sich an irgendeiner geeigneten Stelle des Fabrikationsprozesses ein selektiver Ätzschritt zum Abtrennen der Basiskontakte von den Emitterkontakteri unter Einhaltung des gewünschten Abstands anschließen kann. Die schräg verlaufenden Ränder •und 224 werden entsprechend der Herstellung dor Rillen vorzugsweise durch Ätzen mit einer alkoholischen Kalium-
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hydroxydlösung hergestellt. Beim Herstellen der Bauelemente 200 kommt jedoch der Kollektorübergang des Transistors zu dicht bei der Breitseite 212 des Halbleiterkörpers zu liegen, so daß man nur eine geringe oder überhaupt keine Festigkeit erhalten würde, wenn man versuchen würde, die Tiefe der Rillen so zu steuern, daß sie die Kollektorübergänge zwar durchdringen, jedoch kurz vor der Breitseite 212 enden. Aus diesem Grunde wird die Ätzbreite an der anderen Breitseite 208 derart gewählt, daß der gesamte Halbleiterkörper durchgeätzt wird. Dadurch wird der Neigungswinkel der abgeschrägten Oberflächen nicht beeinflußt, so daß er, wie oben erklärt wurde, etwa 55° beträgt. Damit jedoch die ursprüngliche Positionierung zwischen dem Mittelabschnitt und dem Randabschnitt auch nach dem Ätzschritt aufrechterhalten bleibt, wird der Basiskontakt vorzugsweise vor dem Atzschritt angebracht. Im Bedarfsfall kann auch anstelle des Basiskontaktes oder zusätzlich zu diesem ein stützendes Substrat vorgesehen sein, an dem die Halbleiterscheibe temporär befestigt wird. Die dicke Glaspassivierungsschicht 226 kann in gleicher Weise wie die Passivierungsschicht 132 hergestellt werden. Die Halbleiterkörper werden anschließend durch Anreißen oder Durchsägen der peripheren Randabschnitte von der Halbleiterscheibe abgetrennt.
Die Vorteile der Halbleiterbauelemente 200 sind ähnlich denen der Halbleiterbauelemente 100. Der Kollektorübergang 214, der der Hauptsperrübergang eines Transistors ist, schneidet den mit Glas passivierten, glatt abgeschrägten Rand 222 des elektrisch aktiven Mittelabschnitts des Siliciumkörpers. Der Kollektorübergang ist außerdem beispielsweise positiv abgeschrägt, wenn die Basiszone beispielsweise in einem Halbleiterkörper eindiffundiert wird, der die Leitfähigkeit der Kollektorzone aufweist.
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Anstatt den Siliciumkörper ganz durchzuätzen, könnte man bei der Herstellung der Mittelabschnitte und der Randabschnitte die Rille 226 auch so anbringen, daß diese Abschnitte zusammenhängend bleiben. Entsprechend könnte man die Halbleiterkörper der Halbleiterbauelemente 100 unter Trennung der Mittel- und Randabschnitte auch ganz durchätzen, anstatt nur eine Rille 132 vorzusehen. Gemäß einer nicht dargestellten Ausführungsform ist es auch möglich^ der Rille ein trapezförmiges Aussehen zu geben, weil das Ätzmittel anfangs eine trapezoide Rille bildet und dann
durch Wechselwirkung mit den kristallografischen Ebenen
schrittweise eine mittlere Öffnung im Halbleiterkörper
bildet,bzw. in Form einer Spitze den Halbleiterkörper
durchdringt. Man kann daher eine trapezförmige Rille dadurch ausbilden, daß man das Ätzmittel zu irgendeinem Zeitpunkt vor Verarmung des in der für das Ätzen richtigen
kristallografischen Orientierung liegenden Siliciums entfernt.
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Claims (8)

  1. • 20218T9·
    Pat ent ans prüche
    .Halbleiterbauelement, dessen Halbleiterkörper mindestens einen PN-Übergang aufweist, der zwischen zwei zu einer kristallografisehen <£1OC£> -Achse parallelen Breitseiten des Halbleiterkörpers angeordnet ist und an eine abgeschrägte Oberfläche des Halbleiterkörpers tritt,
    dad u r c h g e k e ίί η ζ .e 1 c h η e t , daß der Halbleiterkörper (102, 202) in einen den ΡΪΓ-Übergang aufweisenden Mittelabschnitt (124, 206) und einen peripheren Handabschnitt (126, 204) unter·» teilt ist, wobei der Mittelabschnitt eine glatte, abgeschrägte Randfläche (128, 222) aufweist, die von der einen Breitseite zum Handabschnitt hin derart abgeschrägt ist, daß sie mit dem sie schneidender|PN-tibergang einen positiven ¥ink.el bildet, und wobei der Randabschnitt eine glatte abgeschrägte Randfläche (130, 224) aufweist, die von derselben Breitseite zum Mittelabscnhnitt hin. abgeschrägt ist, und daß der Randabschnitt und der Mittelabschnitt längs ihrer abgeschrägten Randflächen durch eine dicke G-laspassivierungssehicht (136» 226) fest miteinander verbunden sind, die einen dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Halbleiterkörpers im wesentlichen entsprechenden thermischen Ausdehnungskoeffizienten besitzt.
  2. 2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, da d u rc h g e k e η η ze i c h n. e t , daß die beiden abgeschrägten Randflächen des Mitt@lbaw. Randabsohnittee eine V-förmig© Rille bilden, die -vom äußeren Rand aee HalbleiterbauelementeB beabstan-
    det iat. ' '
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  3. 3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Randfläche (128, 222) des Mittelabsohnitts den PN-Übergang unter einem positiven Neigungswinkel von 50° bis 60° schneidet.
  4. 4. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
    daß die Glaspassivierungsschicht einen Isolierwlder-
    stand.von mindestens 10 Ohm ·-- cm und eine Durchschlagsfestigkeit von mindestens 24000 Volt/mm (600 Volt/mil) aufweist.
  5. 5. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
    daß der Randabschmitt (204) durch die ö-laspassivierungs~ · schicht (226) vom Mittelabsehnitt (206) getrennt ist.
  6. 6«, Halbleiterbauelenrant nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß die eine Breitseite (212) mit einem den Mittelabschnitt und den pheripheren Randabssimitt überdeckenden Metallkontakt versehen ist«
  7. 7. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche
    1 bis 6, dadurch gekennzeichnet daß die GlaspasBiirierungsschieht aus Bleiborsilikatglas besteht.
  8. 8. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet»
    daß dia GlaspassivieruBgsBöhicM iia wesentlichen alkalifrei ist. '
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    9» Halbleiterbauelement nach Anspruch 7 oder 8 dad u r c h g e k e η η ζ e i c Ii net, daß die Glaspassivierungsachicht aus 60 Ms 80 Gew.$ Siliciumdioxid, 15 bis 30 Gew.^S Boroxid und 5 Ms 15 Bleioxid "bestellt..;.
    10v Halbleitervorrichtung,enthaltend ein Halbleiterbauelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9 sowie mit den Breitseiten des Halbleiterkör- , pers verbundene Kontakte, mit den Kontakten, verbundene Anschlußklemmen, eine mit dem Halbleiterkörper verbundene Wärmesenke (152) und eine isolierende, mit den elektrischen Anschlußklemmen und der Wärmesenke verbundene Kapsel (168) für den Halbleiterkörper. ■
    RevS/Gu
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    Leerseite
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2359507A1 (fr) * 1976-07-24 1978-02-17 Semikron Gleichrichterbau Fabrication de composants semi-conducteurs a grande capacite de blocage
EP0075103A2 (de) * 1981-09-22 1983-03-30 Siemens Aktiengesellschaft Thyristor mit einem Mehrschichten-Halbleiterkörper und Verfahren zu seiner Herstellung

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BE749970A (fr) 1970-10-16
GB1312702A (en) 1973-04-04
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IE34162L (en) 1970-11-05

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