DE2606885A1 - Halbleiterbauteil - Google Patents

Halbleiterbauteil

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DE2606885A1 DE19762606885 DE2606885A DE2606885A1 DE 2606885 A1 DE2606885 A1 DE 2606885A1 DE 19762606885 DE19762606885 DE 19762606885 DE 2606885 A DE2606885 A DE 2606885A DE 2606885 A1 DE2606885 A1 DE 2606885A1
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Description

Dipl.-lng. H. Sauerland · Dn.-lng. R. König · Dipl.-lng. K. Bergen Patentanwälte · 4oaa Düsseldorf ao · Cecilienallee 76 ■ Telefon 43273s
19. Februar 1976 30 447 B
RCA Corporation, 30 Rockefeiler Plaza, New York, N.Y. 10020 (V.St.A.)
"Halbleiterbauteil"
Die Erfindung betrifft Halbleiterbauteile, insbesondere solche mit Metall-Leiterbahnen auf der Oberfläche eines Halbleiterkörpers mit angelötetem Anschlußleiter.
Bei verschiedenen Halbleiterbauteilen, wie beispielsweise Leistungstransistoren mit fingerartig ineinandergreifenden Emitter- und Basisbereichen innerhalb eines Körpers aus Halbleitermaterial, ist ein Metallmuster auf der Körperoberfläche vorgesehen, das grundsätzlich in seiner Ausdehnung mit den Basis- und Emitterbereichen übereinstimmt, wobei das Metallmuster Strompfade niedrigen Widerstandes für jeden dieser Bereiche zu Teilen des Bauteils darstellt bzw. bildet, an denen Anschlußleitungen befestigt sind. Bei einem solchen Bauteil umfassen die Metallbahnen eine Lotschicht,und die Anschlußleitungen sind an den Metallbahnen durch Lötverbindungen befestigt.
Die Dicke des Lots bzw. des Lötmaterials auf den Metallbahnen wird so gewählt, daß die Bahnen hohe elektrische Leitfähigkeit besitzen. Bei der Herstellung der Bauteile besteht jedoch häufig ein Problem darin, daß die gewünschte Lotdicke nicht erzielt wird. Diese reduzierte Lotdicke, und damit die entsprechend reduzierte Leiterbahn-Leitfähigkeit beeinträchtigt die Betriebseigenschaften der Bauteile negativ.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Bauteile der eingangs genannten Art vorzuschlagen, bei denen die gewünschte Lotdicke auf den Metallbahnen von Bauteil zu Bauteil übereinstimmend, gleichmäßig erreicht wird. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Länge der zweiten Schicht im Vergleich zu der Länge der ersten Schicht, gemessen in den Richtungen des Stroms zwischen der Anschlußleitung und dem ersten Bereich, gering ist, wobei nach Anlöten der Anschlußleitung an die zweite Schicht der Anstieg des Widerstandes hinsichtlich des zum ersten Bereich fließenden Stroms, hervorgerufen durch ein Fließen von Lot von der zweiten Schicht auf die Anschlußleitung, gering ist.
Anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Draufsicht auf ein Halbleiterbauteil gemäß der Erfindung;
Fig. 2 einen Schnitt entlang der Linie 2-2 in Fig. 1; und Fig. 5 einen Schnitt entlang der Linie 3-3 in Fig. 1.
Bei der Herstellung von Bauteilen, bei denen das zuvor erwähnte Problem auftritt, wird eine Lotschicht der gewünschten Dicke im allgemeinen zunächst auf auf der Halbleiterkörperoberfläche vorgesehenen Metallbahnen aufgebracht und das gesamte Werkstück dann erhitzt, um die Anschlußleiter mit den Lotschichten zu verlöten. Während dieses Erhitzens schmelzen die Lotschichten und neigen dazu, in stärkerem oder weniger starkem Maße, in Richtung auf die und in Kontakt mit den Anschlußleitungen zu fließen. In dem Maße, wie solch ein Fließen auftritt, bei dem das Lot die Metallbahnen verläßt und sich auf den
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Anschlußleitungen sammelt, -wird die Dicke der Lotschichten reduziert und ihr Widerstand entsprechend erhöht.
Der erfindungsgemäßen Lösung dieses Problems liegt der Gedanke zugrunde, eine Lücke oder Barriere zwischen den Lot schichten und den daran angeschlosseiaibzw. anzuschließenden Anschlußleitungen zu schaffen, wobei die körperlich bzw. räumlich getrennten Lotschichten und Anschlußleitungen elektrisch durch Teile oder Bereiche des Halbleiterkörpers miteinander verbunden sind, an welchen beide, nämlich die Anschlußleitungen und die zugehörigen Lotschichten angeschlossen sind. Gemäß Fig. 1 und 2 besteht ein Halbleiterbauteil 10 aus einem Körper 12 aus Halbleitermaterial, z.B„ Silizium mit einem Kollektorbereich 14, im vorliegenden Ausführungsbeispiel n-leitend, einem Basisbereich 16 mit p-Leitfähigkeit und einem n-leitenden Emitterbereich 18, der in Fig. 1 zur besseren Deutlichkeit punktiert ist. Wie aus Fig. 2 hervorgeht, erstrecken sich sowohl der Emitterbereich 18 als auch der Basisbereich 16 bis zu einer Oberfläche 20 des Halbleiterkörpers und, wie aus Figo 1 hervorgeht," umfassen der Emitterbereich 18 und der Basisbereich 16 "Finger"-Abschnitte 22 bzw«, 24, die ineinandergreifen. Die Fingerabschnitte 22 des Emitterbereichs 18 vereinigen sich in einem gemeinsamen Bereich 23, während sich die Fingerabschnitte 24 des Basisbereichs in einem gemeinsamen · Bereich 25 vereinigen.
Auf Oberflächen des Halbleiterkörpers 12 sind verschiedene Metallschichten vorgesehen, die als Elektroden des Bauteils dienen. So befindet sich auf der unteren Oberfläche 28 (Fig. 2 und 3) eine Metallschicht 26, die direkt mit dem Kollektorbereich 14 verbunden ist und die Kollektorelektrode enthält bzw. bildet. Eine Emitter-
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elektrode besteht aus einer Metallschicht 30 (Fig. 1 und 2), die auf dem ineinandergreifenden Fingerabschnitt 22 und dem gemeinsamen Bereich 23 des Emitterbereichs 18 liegt und mit diesen in direktem Kontakt steht, während eine aus einer Metallschicht 32 bestehende Basiselektrode auf dem Fingerabschnitt 24 und dem gemeinsamen Bereich 25 des Basisbereichs 16 liegt und mit diesen in direktem Kontakt steht.
An den Stellen, an denen die Oberfläche 20 des Körpers 12 nicht direkt von einer Metallschicht kontaktiert wird, wird sie mit einer Schutzschicht 34, z.B. Siliziumdioxid bedeckt.
Bis zu diesem Punkt ist der beschriebene Aufbau des Bauteils 10 bekannt.
Um eine Basisanschlußleitung 36 (Fig. 3) und eine Emitteranschlußleitung 38 am Siliziumkörper 12 anzubringen, werden zwei weitere Metallschichten 40 und 42 vorgesehen, die auf und in direktem Kontakt mit Teilen 44 bzw. 46 des Basisbereichs 16 bzw. des Emitterbereichs 18 liegen. Der .Anschluß 36 wird mit der Schicht 40 und der Anschluß 38 mit der Schicht 42 durch Lötverbindungen verbunden.
Alle Metallschichten enthalten ein bzw. bestehen aus einem Lot, z.B. 5 Gew.-% Zinn - 95 Gew.-% Blei. Die Wahl des Lots ist nicht kritisch.
Um das Fließen des Lots zwischen den Schichten 32 und 40 und zwischen den Schichten 30 und 42 während des Lötens der Anschlußleitungen 36 und 38 an die Schichten 40 bzw. 42 zu verhindern, wird ein Spalt bzw. eine Trennung 50 (Fig. 3) an der Körperoberfläche 20 zwischen den Schichten
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32 und 40 sowie ein ähnlicher Spalt 52 zwischen den Schichten 30 und 42 vorgesehen. Wenngleich nichtfunbedingt erforderlich, so wird doch in bevorzugter Ausführungsform die räumliche Trennung zwischen jedem Paar von Schichten 32 und 40 und 30 und 42 noch dadurch verstärkt, daß in den Spalten sich ein Teil der Schutzschicht 34 befindet.
Wie aus Fig. 3 hervorgeht, befindet sich jede Schicht und 42 in direktem Kontakt mit dem Emitterbereich 18, woraus folgt, daß die beiden Schichten 30 und 42 elektrisch miteinander verbunden sind durch einen Bereich oder Teil 54 des Emitterbereichs direkt unter dem Spalt 52 zwischen diesen Schichten. Im dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiel ist der Teil 54 ein einheitliches Ganzes mit und identisch dotiert wie die anderen Teile des Emitterbereichs 18 und als "Teil" oder "Bereich" 54 von dem Rest des Bereichs 18 durch seine Funktion unterschieden,,
Wenngleich für die Erfindung nicht wesentlich, so wird manchmal vorgezogen, den Teil 54 auf eine höhere Leitfähigkeit zu dotieren als sie die anderen Teile des Emitterbereichs 18 besitzen, um den Widerstand, der durch den zwischen den beiden Schichten 30 und 42 in Reihe befindlichen Halbleiterteil 54 hervorgerufen wird, auf ein Minimum zu reduzieren. Bei einem solchen Ausführungsbeispiel unterscheidet sich der "Teil" oder »Bereich" 54 in seinem Aufbau, d.h. in seiner Dotierung, vom Emitterbereich 18.
Die beiden Schichten 32 und 40 befinden sich beide in direktem Kontakt mit der Basisschicht 16, sind somit also elektrisch miteinander durch ein Teil 56 des Halbleitermaterials im Basisbereich 16, das unterhalb des
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Spaltes 50 zwischen diesen Schichten liegt, verbunden. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Teil 56, wie dargestellt, der die beiden Schichten 32 und 40 verbindet, η-leitend, d.h. von einem Leitfähigkeitstyp, der dem des p-leitenden Basisbereichs 16 entgegengesetzt ist„
Der Grund dafür, daß ein η-leitender Teil 56 verwendet wird, liegt darin, daß die Basisbereiche von Transistoren im typischen Fall aus niedriger leitendem Material bestehen als es das Material der Emitterbereiche ist, z.B. in Größenordnungen von 10 bis 1ΌΟΟ mal niedriger. Dies ist grundsätzlich bekannt. Um den Widerstand des die beiden Schichten 32 und 40 verbindenden Teils 56 auf ein Minimum zu reduzieren, kann als eine Möglichkeit der Teil 56 auf eine höhere p-Leitfähigkeit dotiert werden als der Rest des p-leitenden Basisbereichs 16. Dies erfordert jedoch die Durchführung zweier p-Fremdstoff-Dotierungsschritte bei der Herstellung des Bauteils, nämlich einen für den p-Basisbereich 1.6 und den anderen für den höher dotierten Verbindungsteil 56.
Da jedoch die Leitfähigkeit des Emitterbereichs 18, wie erwähnt, höher als die des Basisbereichs 16 ist, besteht eine alternative, vorzugsweise durchgeführte Möglichkeit, wie sie auch beim beschriebenen Ausführungsbeispiel angewandt wird, darin, den verbindenden Teil 56 gleichzeitig mit der Bildung des η-leitenden Emitterbereichs n-leitend zu machen. Damit wird ein gesonderter Fremdstoff-Dotierungsschritt eingespart. Alternativ und besonders dann, wenn der Verbindungsteil 54" im Emitterbereich 18 auf eine höhere Leitfähigkeit dotiert wird als der Rest des Bereichs 18, kann der Verbindungsteil 56 ähnlich auf solch höhere Leitfähigkeit dotiert werden. Daraus wird deutlich, daß je nach Wunsch verschiedene Dotier-
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Kombinationen angewandt werden können.
Die Herstellung des Bauteils 10 kann mit bekannten und konventionellen Mitteln geschehen. So können, wie zuvor angedeutet, die verschiedenen Emitter- und Basisbereiche und die Schicht-verbindenden Teile 54 und 56 durch bekannte Fremdstoffeinlagertechniken hergestellt werden, z.B. durch bekannte Diffusionsverfahren. Dann wird die kontinuierliche Siliziumdioxidschicht 34 hergestellt, die die Oberfläche 20 des Körpers bedeckt, und die Schicht wird teilweise entfernt,. um solche Teile der Oberfläche 20 freizulegen, die mit verschiedenen Metallschichten kontaktiert werden sollen.
Der Körper 12 wird dann in eine bekannte Lösung zum stromlosen Plattieren getaucht, um nur die freiliegenden Teile der Oberfläche 20 sowie der unteren Oberfläche 28 zu vernickeln, woraufhin der plattierte Körper dann erhitzt wird, um das Nickel festzusintern. Stromlose Beschichtungsverfahren sind bekannt. Die Nickelschicht hat eine Dicke von ungefähr 200 2.. Der teilweise vernickelte Körper wird dann in ein Bad aus geschmolzenem Lot getaucht, um die verschiedenen Lotschichten darauf vorzusehen, wobei das Lot nur an den vernickelten Teilen des Körpers 12 haftet, und die verschiedenen Nickelschichten von ungefähr 5 bis ungefähr 50 M dick sind. Die beiden Anschlußleitungen 36 und 38 (aus z.B. vernickeltem Kupfer) werden dann an die Lotschichten 40 bzw. 42 gelötet, wobei die räumliche Trennung bzw. der Spalt 50 zwischen den Schichten 32 und 40 einerseits und der Spalt 52 zwischen den Schichten 30 und 42 andererseits verhindert, daß Lot zwischen die entsprechenden Paare von Schichten während des Anlötens der Anschlußleitungen fließt.
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Die Verbindungsteile 54 und 56 sind so ausgelegt, daß während des Betriebs des Bauteils 10 der maximale Spannungsabfall zwischen entweder der Anschlußleitung 36 oder 38 und den am weitesten entfernt liegenden Teilen der Schichten 32 bzw. 30, die damit verbunden sind, nicht mehr als 100 Millivolt, vorzugsweise ungefähr oder weniger als 50 Millivolt beträgt. Im Vergleich mit bekannten Bauteilen, bei denen Strombahnen durch Reihenwiderstände zum Zwecke der Beeinflussung der elektrischen Eigenschaften des Bauteils vorgesehen sind (siehe z.B. US-PS 3 742 319) ist der Widerstand der Verbindungsteile 54 und 56, die, wie zuvor ausgeführt, vorgesehen sind, um den Spannungsabfall auf ein Minimum zu reduzieren, sehr gering und ohne Auswirkung hinsichtlich des Zwecks der mit bekannten Bauteilen verfolgt wird, bei denen solche Widerstandselemente bewußt eingebaut werden.
Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung umfaßt der Basisbereich 16 zum Beispiel eine epitaktisch aufgebrachte Schicht mit gleichförmigem spezifischen Widerstand von 10 Ohm-cm und einer Dicke (zwischen dem Kollektorbereich 14 und der Oberfläche 20 des Körpers 12) von ungefähr 20 U . Der Emitterbereich wird durch Diffusion von Phosphor bei einer Oberflächenkonzentration von ungefähr 1020/cm^ bis zu einer Tiefe von ungefähr 10 U gebildet und hat einen Flächenwiderstand von ungefähr . 0,5 Ohm pro Quadratβ Während des Betriebes des Bauteils 10 beträgt der maximale Emitterstrom 4 Ampere und der maximale Basisstrom 400 Milliampere. Um die gewünscht niedrigen Spannungsabfälle in den Teilen 54 und 56 des Bauteils 10 zu erzielen, wird der Bereich 56 so ausgelegt, daß er einen Widerstand von ungefähr 125 Milliohm besitzt, Z0B. hat er eine Länge L (Fig. 1) zwischen den sich gegenüberliegenden Kanten der beiden Schichten 32 und 40 von ungefähr 50// und eine Breite W von 200 M .
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Der Flächenwiderstand des Teils 56 ist gleich dem des η-leitenden Emitters 18, d.h. 0,5 Ohm pro Quadrat. In ähnlicher Weise ist das Teil 54 dimensioniert, so daß es einen Widerstand von ungefähr 12,5 Milliohm besitzt, z.B. eine Länge L von 50 U und eine Breite von 2000 aufweist. 7
Um das Fließen des Lots während des Anlötens der Anschiußleitungen so gering als möglich zu halten, werden die Spalten 50 und 52 vorzugsweise sehr nahe den Anschlußpunkten der Anschlußleitungen vorgesehen. So werden, wie aus Fig. 1 hervorgeht, die verschiedenen Emitter- und Basis- Fingerabschnitte 22 und 24 jeweils mit "gemeinsamen" oder "Stamm"-Bereichen 23 bzw. 25 verbunden* Durch das Anordnen der Spalten 50 und 52 zwischen den gemeinsamen Bereichen 23 bzw. 25 und den Anschlußleitungen 38 bzw. 36 anstatt zwischen den verschiedenen Fingerabschnitten und den zugehörigen gemeinsamen oder Stamm-Bereichen, wird ein Fließen des Lots von den gemeinsamen Bereichen auf die Anschlußleitungen verhindert. Anders ausgedrückt, die Längen der Lotschichten 40 und 42 in den Richtungen des Stromflusses durch sie sind sehr klein im Vergleich mit den Längen der Lotschichten 30 und 32, wodurch selbst unter Berücksichtigung der Tatsache, daß- Lot während des Anlötens der Anschlußleitungen von den Schichten 40 und 42 wegfließt, die Auswirkung dieses Lotverlustes auf den Gesamtwiderstand der Oberflächenverbindungen zwischen den Emitter- und Basisbereichen und den ihnen zugeordneten Anschlußleitungen vergleichsweise äußerst gering ist.
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Claims (11)

  1. RCA Corporation, 30 Rockefeller Plaza,
    New York. N.Y0 10020 (V,St.A0)
    Patentansprüche:
    (i .yHalbleiterbauteil, "bestehend aus einem Halbleiterkörper, ersten uncTzweiten dotierten Bereichen in diesem Körper, ersten und zweiten Lotschichten in gegenseitigem Abstand auf einer Oberfläche des Körpers, wobei die erste Schicht mit dem ersten und dem zweiten Bereich und die zweite Schicht mit dem zweiten Bereich in Verbindung steht und dadurch die zweite Schicht elektrisch mit der ersten Schicht verbunden ist, und einer mit der zweiten Schicht lötverbundenen Anschlußleitung, dadurch gekennzeichnet , daß die Länge der zweiten Schicht (40) im Vergleich zu der Länge der ersten Schicht (32), gemessen in den Richtungen des Stroms zwischen der Anschlußleitung (36) und dem ersten Bereich (16), gering ist, wobei nach Anlöten der Anschlußleitung (36) an die zweite Schicht (40) der Anstieg des Widerstandes hinsichtlich des zum ersten Bereich (16) fließenden Stroms, hervorgerufen durch ein Fließen von Lot von der zweiten Schicht (40) auf die Anschlußleitung (36), gering ist.
  2. 2. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die ersten (16) und zweiten (56) Bereiche dieselben Leitfähigkeitseigenschaften besitzen.
  3. 3. Bauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß der Widerstand des zweiten Bereichs (56) so gewählt ist, daß der über ihn ge-
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    messenen Spannungsabfall, während des Betriebes des Bauteils bei dessen maximalem Nennstrom für den ersten Bereich (16) unterhalb 100 Millivolt liegt.
  4. 4. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Bereich (56) eine höhere Leitfähigkeit besitzt als der erste Bereich (16).
  5. 5. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der erste und der zweite Bereich von einander entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp sind.
  6. 6. Bauteil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5» gekennzeichnet durch einen Emitterbereich (18) eines Leitfähigkeitstyps, wobei der erste Bereich einen Basisbereich (16) von entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp umfaßt.
  7. 7. Bauteil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch einen Halbleiterkörper, erste und zweite dotierte Bereiche innerhalb des Körpers mit einander entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp, einer Lotschicht auf einer Körperoberfläche im Kontakt mit sowohl dem ersten als auch dem zweiten Bereich, und einer Anschlußleitung, die am Körper mit Abstand zu der Schicht und in Kontakt mit dem zweiten Bereich angelötet ist, wobei der zweite Bereich eine höhere spezifische Leitfähigkeit besitzt als der erste Bereich und als elektrische Verbindung zwischen der Anschlußleitung und der Schicht dient.
  8. 8. Bauteil nach Anspruch 6, dadurch g e -
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    kennzeichnet , daß der Emitter und der zweite Bereich dieselben Leitfähigkeitseigenschaften besitzen.
  9. 9. Bauteil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch einen Halbleiterkörper, erste und zweite dotierte Bereiche im Körper, eine Lotschicht auf einer Oberfläche des Körpers in Kontakt mit dem ersten Bereich und einer Anschlußleitung, die mit Abstand zu der Schicht am Körper angelötet ist, wobei die Anschlußleitung und die Schicht mit dem zweiten Bereich verbunden sind und der Spannungsabfall entlang dem zweiten Bereich, während des Betriebs des Bauteils bei maximalem Nennstrom für den ersten Bereich, niedriger als 100 Millivolt ist.
  10. 10. Bauteil nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Bereiche dieselben Leitfähigkeitseigenschaften besitzen,,
  11. 11. Bauteil nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet , daß der zweite Bereich eine höhere spezifische Leitfähigkeit als der erste Bereich besitzt.
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