DE2828044A1 - HIGH PERFORMANCE SEMI-CONDUCTOR ARRANGEMENT - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft Hochleistungs-Halbleitervorrichtungen bzw. Bauelemente, wie z.B. Thyristoren und Gleichrichter, die in der Lage sind, hohe Ströme weiterzuleiten. Es müssen spezielle Vorsichtsmaßnahmen bei der Montage der stromführenden Elektroden an dem aktiven Halbl eitert eil der "Vorrichtung getroffen werden, um einen elektrisch gut leitenden Weg sicherzustellen. Da es üblich ist, die stromführenden Elektroden auch zur Unterstützung der Kühlung der Vorrichtung zu verwenden, müssen diese Elektroden zusätzlich sehr gute Wärmeleitpfade bilden, und es ist üblich, den aktiven Halbleiter zwischen zwei relativ massiven Metallelektrodenblöcken sandwichartig einzuschließen, die aus einem Material mit guter elektrischer und wärmemäßiger Leitfähigkeit, beispielsweise aus Kupfer bestehen. Die Erfindung betrifft insbesondere Hochleistungs-Halbleitervorrichtungen bzw. -Bauelemente, bei denen der aktive Halbleiterteil aus einer dünnen Silicium-Scheibe (wafer of silicon) besteht. Da die Vorrichtung einen hohen Strom weiterleiten muß, ist die Fläche der Scheibe groß im Vergleich zu ihrer Dicke und es ist üblich, die ziehmlich zerbrechliche und spröde Silicium-Scheibe auf einem stützenden bzw. tragenden Substrat aus Molybdän oder in selteneren Fällen aus Wolfram zu montieren; solche Vorrichtungen leiden jedoch unter einer Reihe von Nachteilen, die sowohl technischer als auch wirtschaftlicher Art sind und die im folgenden noch genauer unter Bezugnahme auf Figur 1 der Zeichnung erläutert werden. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Hochleistungs-Halbleitervorrichtung zu schaffen.The invention relates to high performance semiconductor devices or components such as thyristors and rectifiers that are able to pass high currents. To have to Take special precautions when mounting the current-carrying electrodes on the active half-part of the device be taken to ensure an electrically conductive path. As it is common to have the live If electrodes are also used to support the cooling of the device, these electrodes must also be used Form very good thermal conduction paths, and it is common to place the active semiconductor between two relatively massive metal electrode blocks to include sandwiches made of a material with good electrical and thermal conductivity, for example consist of copper. The invention relates in particular to high-performance semiconductor devices or components, where the active semiconductor part consists of a thin silicon wafer (wafer of silicon). As the device must pass a high current, the area of the disc is large compared to its thickness and it is common the rather fragile and brittle silicon wafer on a supporting substrate made of molybdenum or in less common cases made of tungsten; however, such devices suffer from a number of disadvantages are both technical and economic in nature and are described in more detail below with reference to Figure 1 of the Drawing will be explained. It is an object of the invention to provide an improved high performance semiconductor device to accomplish.
Gemäß der Erfindung umfaßt eine Hochleistungs-Halbleitervorrichtung einen aktiven Halbleiterteil, der aus einer Silicium-Scheibe besteht, die auf einem hochdotierten Silicium-Substrat mit gleichförmiger Dicke befestigt bzw. montiert ist.According to the invention comprises a high performance semiconductor device an active semiconductor part, which consists of a silicon wafer resting on a highly doped silicon substrate is attached or mounted with a uniform thickness.
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Das Silicium-Substrat kann entweder eine ρ- oder eine n-Dotierung aufweisen und ist außerordentlich stark dotiert um einen relativ niedrigen elektrischen Widerstandswert aufzuweisen. Für Hochspannungsvorrichtungen ti zw.-Bauelemente weist das Silicium-Substrat vorzugsweise eine gleichförmige Dicke auf, die im wesentlichen gleich der Dicke der Scheibe des aktiven Halbleiterteils ist; doch kann für Niederspannungs-Bauelemente die Scheibe beträchtlich dünner sein als das Substrat. Das Silicium, das den aktiven Halbleiterteil bildet, besitzt notwendigerweise die Form eines Einkristalls und auch das Silicium-Substrat kann die Form eines Einkristalls ebenso aber auch eine polykristalline Form besitzen.The silicon substrate can be either ρ- or n-doping have and is extremely heavily doped around a relatively low electrical resistance value to have. For high voltage devices and components, the silicon substrate is preferably uniform Thickness substantially equal to the thickness of the wafer of the active semiconductor part; but can for low-voltage components the wafer can be considerably thinner than the substrate. The silicon that forms the active semiconductor part, necessarily has the shape of a single crystal, and the silicon substrate may also be in the shape of a single crystal as well but also have a polycrystalline form.
Vorzugsweise ist der aktive Halbleiterteil mit dem Substrat durch eine zwischengelegte dünne Metallfolie verbunden, die eine Legierung mit Silicium bildet. "Vorzugsweise besteht die Folie aus Aluminium-Silicium; sie kann aber auch eine reine Aluminiumfolie sein. Alternativ hierzu kann die Folie aus Gold oder Silber sein oder es kann eine dünne Schicht aus Bleilot verwendet werden, um die aktive Halbleitervorrichtung an dem Substrat zu befestigen.The active semiconductor part is preferably connected to the substrate by an interposed thin metal foil which forms an alloy with silicon. "The foil is preferably made of aluminum-silicon, but it can also be a pure Be aluminum foil. Alternatively, the foil can be made of gold or silver or it can be a thin layer of Lead solder can be used to attach the active semiconductor device to the substrate.
Wenn das Substrat eine monokristalline Form besitzt, dann ist vorzugsweise die Richtung seiner Kristallachse winkelmäßig gegen die Kristallachse des aktiven Halbleiterteils versetzt. Man nimmt an, daß diese winkelmäßige Versetzung in sehr starkem Maß die Stärke bzw. Festigkeit der so gebildeten Halbleitervorrichtung vergrößert.If the substrate has a monocrystalline shape, then preferably the direction of its crystal axis is angular offset from the crystal axis of the active semiconductor part. It is believed that this angular displacement is very greatly increases the strength of the semiconductor device thus formed.
Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigt:The invention is described below, for example, with reference to the drawing; in this shows:
Fig. 1 eine bekannte Hochleistungs-Halbleitervorrichtung undFig. 1 shows a known high performance semiconductor device and
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Pig. 2 einen Teil einer Hochleistungs-Halbleitervorrichtung gemäß der Erfindung.Pig. Fig. 2 shows part of a high performance semiconductor device according to the invention.
In Figur 1 ist ein bekannter Hochleistungs-Thyristor dargestellt, bei dem der aktive Halbleiterteil, der die Form einer Silicium-Scheibe 1 besitzt, vermittels einer zwischengelegten dünnen Folie 3 aus einer Aluminium-Silicium-Legierung mit einem aus Molybdän bestehenden Substrat 2 verbunden ist. Die Scheibe 1 ist auf dem Substrat 2 gemäß einer allgemein bekannten Verfahrensweise befestigt, bei der die Folie 3 nachdem sie fest sandwichartig zwischen der Scheibe 1 und dem Substrat 2 eingeschlossen worden ist, auf eine relativ hohe Temperatur in der Größenordnung von 700° C erhitzt wird und somit eine Legierung sowohl mit dem Molybdän als auch dem Silicium bildet. Eine Platte 4- aus Molybdän, die dünner ist als das Substrat 2, wird zwischen dünnen Silberfolien 5 und sandwichartig eingeschlossen und die Schichten werden zwischen zwei Kupferblockelektroden 7 und 8 zusammengepreßt. Eine weitere Silberfolie 9 wird zwischen die untere Oberfläche des Molybdän-Substrates 2 und die obere Oberfläche der Elektrode 8 eingelegt. Die oberen und unteren äußeren Oberflächen der Silicium-Scheibe 1 sind in herkömmlicher Weise mit (nicht dargestellten) dünnen ohmschen Goldelektroden versehen.In Figure 1, a known high-power thyristor is shown, in which the active semiconductor part, which has the shape of a Has silicon wafer 1, by means of an interposed thin film 3 made of an aluminum-silicon alloy with a substrate 2 made of molybdenum is connected. The disc 1 is on the substrate 2 according to a well known one Fixed method in which the film 3 after they firmly sandwiched between the disc 1 and the Substrate 2 has been enclosed, is heated to a relatively high temperature of the order of 700 ° C and thus forms an alloy with both molybdenum and silicon. A plate 4- made of molybdenum, which is thinner as the substrate 2, is between thin silver foils 5 and sandwiched and the layers are pressed together between two copper block electrodes 7 and 8. One another silver foil 9 is placed between the lower surface of the molybdenum substrate 2 and the upper surface of the electrode 8 inserted. The upper and lower outer surfaces of the silicon wafer 1 are in a conventional manner with (not shown) provided thin ohmic gold electrodes.
Die Silicium-Scheibe 1 wird auf dem Molybdän-Substrat 2 montiert, da die Scheibe 1 relativ dünn und zerbrechlich ist. Molybdän ist ein relativ hartes Material und wird als Substrat verwendet, da es einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten besitzt, der näherungsweise gleich dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Silicium ist. Diese Ausdehnungskoeffizienten sind jedoch geringfügig unterschiedlich und in der Praxis biegen sich die Schichten aus Silicium und Molybdän wenn sie sich abkühlen in der Weise, daß sie eine konkave Vertiefung in der unteren Oberfläche des Molybdän-Substrates 2 bilden. Da der Thyristor im Betrieb einen außerordentlich hohen Strom leitenThe silicon wafer 1 is mounted on the molybdenum substrate 2 because the wafer 1 is relatively thin and fragile. Molybdenum is a relatively hard material and is used as a substrate because it has a coefficient of thermal expansion which is approximately equal to the coefficient of thermal expansion of silicon. This expansion coefficient however, are slightly different and in practice the layers of silicon and molybdenum flex as they cool in such a way that they form a concave recess in the lower surface of the molybdenum substrate 2. Since the Thyristor conduct an extraordinarily high current during operation
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und eine große Verlustleistung ableiten muß, ist es wesentlich, daß ein außerordentlich guter elektrischer und wärmemäßiger Pfad zwischen den beiden Kupferelektroden 7und 8 vorhanden ist, und um diesen Pfad herzustellen und das gekrümmte Molybdän-Substrat 2 wieder einzuebenen, werden die beiden Kupferelektroden 7 und 8 mit einer sehr großen Kraft zusammengeklemmt. Die zusätzliche Molybdän-Platte 4 wird vorgesehen, um die Silicium-Scheibe 1 von der großen Wärme-Ausdehnungsbewegung der Kupferelektroden zu isolieren. Das Molybdän ergibt eine Zwischenfläche mit geringer Reibung, die insbesondere dann erforderlich ist, wenn ein Festkleben an den Silber-Gold- und Silber-Kupfer-Zwischenflächen bei strengen thermischen Zykel-Bedingungen auftritt. Die Silberfolien nehmen in einem starken Ausmaß jegliche Ungleichmäßigkeit in den Zwischenflächen auf, da.es sich bei ihnen um ein relativ weiches Material handelt.and must dissipate a large amount of power dissipation, it is essential that there is an extremely good electrical and thermal path between the two copper electrodes 7 and 8, and to make this path and flatten the curved molybdenum substrate 2 again, the two copper electrodes become 7 and 8 clamped together with a very large force. The additional Molybdenum plate 4 is provided to protect the silicon wafer 1 from the large thermal expansion movement of the copper electrodes to isolate. The molybdenum provides an interface with low friction, which is particularly necessary is when sticking occurs at the silver-gold and silver-copper interfaces under severe thermal cycling conditions. The silver foils take up any unevenness in the intermediate surfaces to a large extent, as they become they are a relatively soft material.
Es ist bekannt, in manchen Fällen anstelle von Molybdän Wolfram zu verwenden, doch im allgemeinen ist Molybdän das bevorzugte Material. Es handelt sich hierbei jedoch um ein relativ teueres Material und die Aluminium-Silicium-Folie 3 erzeugt eine "Verbindung aus Molybdän-Silicium an der Grenzfläche zum Substrat 2 und dieses Material ist ziemlich brüchig und kein guter elektrischer Leiter. Zusätzlich erfordert seine Ausbildung eine Temperatur, die wesentlich höher ist als die Temperatur, die erforderlich ist, um eine gute Verbindung zwischen der Folie 3 und der Silicium-Scheibe 1 auszubilden, so daß das Eindringen des Folienmaterials in das Silicium in gewissen Fällen ungleichmäßig und bis zu einer Tiefe erfolgen kann, die wesentlich größer ist, als die wünschenswerte Tiefe. Aus dem Vorhergehenden ergibt sich, daß es in vielen Fällen nicht wünschenswert ist, Molybdän zu verwenden; dennoch wird Molybdän bei Hochleistungs-Halbleitervorrichtungen in den allerhäufigsten Fällen verwendet, um den relativ brüchigen und zerbrechlichen aktiven Halbleiterteil 2 zu schützen. Das Bestreben geht dahin,It is known to use tungsten in place of molybdenum in some cases, but generally molybdenum is preferred Material. However, this is a relatively expensive material and the aluminum-silicon foil 3 creates a "connection" of molybdenum-silicon at the interface with the substrate 2 and this material is quite brittle and not a good one electrical conductor. In addition, its formation requires a temperature that is significantly higher than the temperature which is necessary to form a good connection between the film 3 and the silicon wafer 1, so that the Penetration of the film material into the silicon in certain cases can take place unevenly and to a depth that is much greater than the desirable depth. From the foregoing it turns out that in many cases it is undesirable to use molybdenum; nevertheless, molybdenum is used High performance semiconductor devices in the most common Cases are used to protect the relatively brittle and fragile active semiconductor part 2. The aim is to
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Thyristoren und Gleichrichter zu erzeugen, die Scheiben 1 mit zunehmend größerem Durchmesser besitzen, um die Stromleitungseigenschaften zu verbessern, und dies führt zu einer entsprechenden Verwendung von größeren und dickeren Molybdän-Substraten. To produce thyristors and rectifiers, the disks 1 with increasingly larger diameter to the current conduction properties and this leads to a corresponding use of larger and thicker molybdenum substrates.
In völlig überraschender Weise hat sich gezeigt, daß es möglich ist, auf die "Verwendung eines Molybdän- oder Wolfram-Substrates zu verzichten und statt dessen eine dünne Scheibe aus Silicium zu verwenden, die eine Dicke und einen Durchmesser besitzt, die in etwa gleich der Dicke und dem Durchmesser der Silicium-Scheibe 1 sind. Dies ist in Figur 2 dargestellt, in der der aktive Halbleiterteil in der Silicium-Scheibe 1 ausgeformt und, wie oben, vermittels einer Aluminium-Silicium-Folie 3 an einem Silicium-Substrat 10 befestigt ist. Das Substrat 10 besteht aus einem sehr stark dotierten Silicium, so daß es einen sehr niedrigen Widerstandswert besitzt, um die durch dieses Substrat absorbierte Leistung möglichst gering zu halten. Es kann entweder eine p- oder eine η-Dotierung verwendet werden. Obwohl das Substrat 10 prinzipiell aus polykristallinem Silicium bestehen kann, ist es in der Praxis bequemer, eine monokristalline Form des Materials zu verwenden und in einem solchen Fall sind die Kristallebenen des Materials winkelmäßig gegen die Kristallebenen der Scheibe 1 versetzt. Dies erhöht in sehr starkem Maß die mechanische Festigkeit der miteinander kombinierten Teile, da die schwachen Bruchebenen nicht zusammenfallen. Da die Scheibe 1 und das Substrat 10 aus demselben Material hergestellt werden, haben sie denselben Expansionskoeffizienten und es tritt nur eine vernachlässigbare thermische Spannung auf, wenn die Vorrichtung nach dem Arbeitsgang abgekühlt wird, in dem die Folie 3 an der Scheibe und dem Substrat befestigt worden ist. Zusätzlich kann deswegen, weil die Folie sich sowohl mit der Scheibe als auch mit dem Substrat 10 bei derselben Temperatur -ver-It has been shown in a completely surprising manner that it is possible to "dispense with the use of a molybdenum or tungsten substrate and instead use a thin disk made of silicon which has a thickness and a diameter approximately equal to that The thickness and diameter of the silicon wafer 1. This is shown in FIG The substrate 10 consists of a very heavily doped silicon, so that it has a very low resistance value in order to keep the power absorbed by this substrate as low as possible. Either p- or η-doping can be used Substrate 10 can in principle consist of polycrystalline silicon, in practice it is more convenient to use a monocrystalline form of the material and in such a case the The crystal planes of the material are angularly offset from the crystal planes of the disk 1. This increases the mechanical strength of the combined parts to a very great extent, since the weak fracture planes do not coincide. Since the disk 1 and the substrate 10 are made of the same material, they have the same coefficient of expansion and negligible thermal stress occurs when the device is cooled after the operation in which the film 3 has been attached to the disk and the substrate is. In addition, because the film is in contact with both the pane and the substrate 10 at the same temperature -
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"bindet, eine wesentlich niedrigere Temperatur verwendet werden, als dies bei der in Figur 1 dargestellten Anordnung der Fall war, wodurch die Eindringtiefe der so gebildeten Legierung in die untere Oberfläche des Teiles 1 minimalisiert wird. Dies ist in der Praxis ein äußerst wichtiger Gesichtspunkt, da bei einem Thyristor ein p-n-Übergang relativ nahe an der unteren Oberfläche des Teils 1 ausgebildet wird und durch die dichte Nähe des Folienmaterials einem erhöhten Beschädigungsrisiko ausgesetzt ist."binds, uses a much lower temperature than in the arrangement shown in FIG was the case, reducing the depth of penetration of the so formed Alloy in the lower surface of the part 1 is minimized. In practice, this is an extremely important aspect, since in a thyristor a p-n junction is formed relatively close to the lower surface of the part 1 and is exposed to an increased risk of damage due to the close proximity of the film material.
Das Silicium-Substrat 10 ist kostengünstiger als das Molybdän-Substrat, insbesondere bei Substraten mit großem Durchmesser, und da es von Anfang an flach ist, wird angenommen, daß mit wesentlich niedrigeren Anpreß- bzw. Klammerkräften ein wärmemäßig und elektrisch hinreichend gut leitender Pfad zwischen den beiden Kupferelektroden 7 und 8 erzeugt wird. Da die Oberflächen der Kupferelektroden nicht vollständig glatt, eben und zueinander parallel sein können, kann es wünschenswert sein, eine dünne Platte aus Molybdän oberhalb und unterhalb der von der Scheibe 1 und dem Substrat 10 gebildeten zusammengesetzten Schicht einzufügen, und in einem solchen Fall wird eine dünne Folie aus Silber auf beiden Seiten der beiden Molybdän-Platten angebracht. In diesem Fall würde jedoch die Dicke der Molybdän-Platten wesentlich geringer als die Dicke des Substrates 2 in Figur 1 sein und somit wäre es wesentlich kostengünstiger, diese Molybdän-Platten vorzusehen. Da die Molybdän-Platten in diesem Fall nicht dauerhaft mit anderen Schichten verbunden werden, könnten sie zusätzlich in den Fällen wiedergewonnen und neu verwendet warden, in denen sich zeigt, daß die Scheibe 1 nicht einwandfrei arbeitet.The silicon substrate 10 is cheaper than the molybdenum substrate, especially with large diameter substrates, and since it is initially flat, it is believed that with significantly lower contact pressure or clamping forces, a path that is sufficiently conductive in terms of heat and electricity is generated between the two copper electrodes 7 and 8. Because the surfaces of the copper electrodes are not completely Can be smooth, even and parallel to each other, it may be desirable to have a thin plate of molybdenum on top and to be inserted below the composite layer formed by the wafer 1 and the substrate 10, and in one In such a case, a thin sheet of silver is attached to both sides of the two molybdenum plates. In this case however, the thickness of the molybdenum plates would be significantly less than the thickness of the substrate 2 in FIG. 1 and thus would be it is much cheaper to provide these molybdenum plates. Because the molybdenum plates are not permanent in this case are combined with other layers, they could additionally be recovered and reused in those cases where shows that the disc 1 is not working properly.
Die abgeschrägten Teile 11 und 12, die an den Kanten des Teils 1 dargestellt sind, sind dazu vorgesehen, um die elektrischen Feldeigenschaften in Übereinstimmung mit den bekannten Grund-The chamfered parts 11 and 12, which are shown on the edges of the part 1, are intended to provide the electrical Field properties in accordance with the known basic
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sätzen zu verbessern; diese Abschrägungen können durch ein Luft-Abriebverfahren oder durch ein anderes Bearbeitungsverfahren hergestellt werden, nachdem die Scheibe 1 an dem Substrat 10 befestigt worden ist und während die Kanten des Substrats 10 von einer geeigneten Greifvorrichtung erfaßt werden.to improve sentences; these bevels can go through an air abrasion process or by another machining process can be produced after the disc 1 on the Substrate 10 has been attached and while the edges of the substrate 10 are gripped by a suitable gripping device will.
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