DE2828608B2 - Halbleitervorrichtung - Google Patents

Halbleitervorrichtung

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Description

Die Erfindung betrifft eine Halbleitervorrichtung, bestehend aus einem Siliziumsubstrat mit mindestens einer langgestreckten dotierten Widerstandsschicht vom p-Leitfähigkeitstyp in einer seiner Hauptflächen, aus Elektroden an den Schmalseiten der Widerstandsschicht und aus einer das Siliziumsubstrat einkapselnden Kunstharzgießmasse.
Aus der DE-OS 19 54 445 ist eine derartige Halbleitervorrichtung mit einem Halbleitersubstrat bekannt, in dem ein Widerstandselement angebracht ist, das ein Halbleitergebiet enthält, in dem elektrisch aktive Verunreinigungen zur Bestimmung des Leitfähigkeitstyps und zum Erhalten freier Ladungsträger und elektrisch inaktive Verunreinigungen zur Herabsetzung des Temperaturkoeffizienten des Widerstandselementes vorhanden sind.
Um den Temperaturkoeffizienten des Widerstandes einstellen zu können, jedoch dabei trotzdem einen bestimmten spezifischen Widerstand zu erreichen, bestehen die elektrisch inaktiven Verunreinigungen wenigstens zu einem wesentlichen Teil aus neutralen Verunreinigungen. Das Problem einer Widerstandsveränderung aufgrund von Spannungen im Halbleiterkörper wird bei dieser bekannten Halbleitervorrichtung nicht gelöst.
Aus der DE-OS 14 65 112 ist ein formänderungsabhängiges Widerstandselement auf Halbleiterbasis bekannt, dessen wesentliche Merkmale darin bestehen, daß eine Isolierschicht als Träger einer im Vakuum niedergeschlagenen Halbleiterschicht und zur Isolierung dieser Schicht von dem Werkstoff, auf dem das Element angeordnet ist, dient, daß das Element aus einer im Vakuum niedergeschlagenen Schicht besteht, deren Widerstand formänderungsabhängig ist, wie z. B. der Widerstand der Halbleiter der kubischen Gruppe und der der Metalle, daß Elektroden an der Halbleiterschicht anfieschlossen sind, um dieser einen elektrischen
Strom zuzuleiten und um ein der Formänderung
entsprechendes elasto- oder piezoelektrisches Zeichen aufzunehmen, das longitudinaier, transversaler oder hydrostatischer Art oder eine Kombination davon sein kann und der Zug- oder Druckbelastung am Element entspricht Hier wird also das Ziel verfolgt, ein Widerstandselement auf Halbleiterbasis zu schaffen, welches möglichst auf Formänderungen anspricht.
Aus der Zeitschrift »Einführung in die Mikroelektronik«, von A. Lewicki, R. Oldenbourng, Verlag München/ Wien 1966, Seite 280 ist es ferner bekannt, integrierte Halbleiterschaltungen in Kunstharze zu vergießen und mit Kunststoffkapseln auszustatten.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, sine Halbleitervorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die ihre Eigenschaften auch nach der Einbettung in eim Kunstharz-Gießmasse beibehält und die sich nach einem einfachen Verfahren ohne die Notwendigkeit zusätzlicher zeitraubender Arbeitsgänge ge herstellen läßt.
Ausgehend von der Halbleitervorrichtung der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe gemäß einem ersten Lösungsvorschlag erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die die Widerstandsschicht aufweisende Hauptfläche des Siliziumsubstrats durch die Kristallebene {110} gebildet ist und daß die Längeachse der WiderstandFschicht in Richtung einer Kristallachse (001) verläuft.
Gemäß einem zweiten Lösungsvorschlag wird die genannte Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die die Widerstandsschicht aufweisende Hauptfläche des Siliziumsubstrats durch die Kristallebene {100} gebildet ist und daß die Längsachse der Widerstandsschicht in Richtung einer Kristallachse (010) oder einer Kristallachse (001) verläuft.
Die benutzten Ausdrücke »Kristallebene« und »Kristallachse« beziehen sich nicht zwingend auf eine ganz bestimmte Ebene bzw. Achse, sondern schließen auch die innerhalb eines Fehlerbereichs von ±5° innerhalb dieses Bereiches liegenden Ebenen bzw. Achsen ein.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Hinweis auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen
F i g. 1 und 2 schematische Darstellungen einer Halbleitervorrichtung mit Merkmalen nach der Erfindung, wobei Fig. 1 einen Querschnitt durch die Halbleitervorrichtung und Fig. 2 eine Aufsicht auf ein in dieser Halbleitervorrichtung vorgesehenes Halbleiterelement zeigen,
F i g. 3 eine schematische Darstellung der Beziehung zwischen der Richtung, in welcher sich eine Widerstandsschicht erstreckt, und der Kristallachse, längs welcher ein Strom durch die Widerstandsschicht fließt, und zwar zum einen für die erfindungsgemäße Halbleitervorrichtung und zum anderen für außerhalb des Erfindungsrahmens liegende Vorrichtungen, zur Verdeutlichung des Grundgedankens der Erfindung,
F i g. 4 eine graphische Darstellung zur theoretischen Erläuterung des Erfindungsgedankens,
bo F i g. 5 eine graphische Darstellung der Ergebnisse der theoretischen Bestimmung der längs verschiedener Kristallachsen auftretenden Änderungen der Widerstandsgröße von in der Hauptkristallebene |110| eines Silizium-Halbleitersubstrats ausgebildeten Wi>:er-
M Standsschichten,
F i g. 6 eine graphische Darstellung des Ergebnisses von Berechnungen der Beziehung zwischen den bei Ausübung: einer festen Scherspannung auf die Wider-
Standsschicht auftretenden Änderungen im Widerstandswert einer in der Kristallebene {110) des Siliziumsubstrats ausgebildeten Widerstandsschicht und der Kristallachse, in welcher sich die Widerstandsschicht erstreckt, und
Fig.7 eine graphische Darstellung der Ergebnisse von Messungen des Unterschieds in den Widerstandswerten einer Widerstandsschicht eines auf ein?r Tragplatte montierten Halbleiterelements vor dem Einkapseln djs Halbleiterelements in eine Kunstharz-Gießmasse bzw. nach einem solchen Einkapseln.
In Fig. 1 ist ein Halbleiterelement 10 dargestellt, daß in der Weise hergestellt worden ist, daß eine Widerstandsschicht 12 und ein anderes funktionelles Element 13 nach dem an sich bekannten selektiven Diffusionsverfahren in der oberen Hauptfläche eines n-Typ-Silizium-Halbleitersubstrates 11 ausgebildet wurden, das mit Phosphor in einer Konzentration von 1015 Atome/cm3 dotiert ist. Die Hauptfläche des Silizium-Halbleitersubstrats 11 besteht dabei aus einer Kristaliebene {100}. Die Widerstandsschicht 12 ist in der Hauptkristailebene {100} mit einer Oberflächenkonzentration von 1018 Atome/cm3 mit einer Tiefe von 2,7 μπι durch thermische Diffusion oder Ionenimplanation von Bor ausgebildet
Das Halbleiterelement 10 ist auf einer aus z. B. Kupfer- oder Nickellegierung bestehenden Trat nlatte 14 montiert, wobei die Bodenfläche des Elements 10 mit Hilfe eines leitfähigen Epoxyharzes mit der Tragplatte 14 verklebt ist Die Widerstandsschicht 12 und dzs funktioneile Element 13 sind im allgemeinen durch eine Elektrode 17 elektrisch verbunden, die durch selektive Erhaltung z. B. einer thermisch auf das Substrat 11 aufgetragenen bzw. aufgedampften Aluminiumschicht gebildet ist Die Widerstandsschicht 12 und das Element 13 sind weiterhin mit einer Leiterplatte 15 über einen Teil einer nicht dargestellten Metalleitung und einen Verbindungsdrahi 16 verbunden. Das Halbleiterelement 10, die Tragplatte 14 und der Verbindungsdraht 16 sind in eine Kunstharz-Gießmasse 18 eingekapselt.
Gemäß Fig. 2 ist die Widerstandsschicht 12 streifenförmig so ausgebildet, daß sie auf eine Kristallachse (010) oder (011) verläuft, wenn die Hauptkristailebene (100} ist Die Elektrode 17 ist an die Widerstandsschicht angeschlossen, so daß der Strom letztere durchfließen kann. Wenn das Silizium-Halbleitersubstrat 11 eine Hauptkristailebene {110} besitzt, ist die Widerstandsschicht 12 so ausgelegt, daß der Stromfluß längs einer Kristallachse (001) erfolgt.
Eine andere Halbleitervorrichtung wurde auf dieselbe Weise wie die vorstehend beschriebene Ausführungsform hergestellt, wobei jedoch die Widerstandsschicht 12 so ausgebildet wurde, daß kein Stromfluß lungs der genannten Kristallachse stattfinden könnte. Sodann wurden die Widerstandsänderungen der Schicht 12 gemessen. F i g. 3 zeigt die Beziehung zwischen der Richtung, in welcher d e Widerstandsschicht 12 in der Hauptkristailebene eines als Vergleichsmuster hergestellten Silizium-Halbleitersubstrats Jl verläuft, nämlich der Stromflußrichtung, und der Kristallrichtung des genannten Substrats 11. In der Mitte der Darstellung ist eine senkrecht zur Zeichnungsebene von F i g. 3 verlaufende Kristallachse (100) angegeben. Eine innerhalb des Erfindungsrahmens liegende Widerstandsschicht ist eine solche, die längs der Kristallachse (010) und (001) liegt wie sie bei 21 bzw. 22 angedeutet sind. Eine außerhalb des Erfindungsrahmens liegende Widerstandsschicht ist dagegen eine Schicht 25 längs der Kristallachse (011), eine Schicht 23 mit einer Richtung, die von der Kristallachse (011) um 60° zu einer Kristallachse (011) versetzt ist, und eine längs der Kristallachse (011) liegende Widerstandsschicht 24.
In der nachstehenden Tabelle 1 sind die Daten für die Widerstandswerte von innerhalb des Erfindungsrahmens liegenden Widerstandsschichten angegeben. Tabelle 2 gibt dagegen die entsprechenden Werte für außerhalb des Erfindungsrahmens liegende Widerstandsschichten an. Beide Tabellen 1 und 2 enthalten den ursprünglichen Widerstandswert der Widerstandsschicht eines eben in einem Plättchen ausgebildeten Halbleiterelements, die Widerstandsänderungen, die nach dem Anbringen des Halbleiterelements an einer Tragplatte, jedoch vor dem Einkapseln in eine Kunstharz-Gießmasie ermittelt wurden, sowie die Widerstandsänderung·^ nach dem Einkapseln des Halbleiterelements in die Kunstharz-Gießmasse.
Tabelle 1
Plättchcnzustand
Nach Montage
Nach dem
Vergießer
-0.2(652)
+0,2(653)
-0.3(658)
-0,2(657)
-0,2(654)
0(656)
-0.2(652)
+0,2(660)
+0.2(658)
(X655)
In den Tabellen 1 und 2 beziehen sich die in Klammern stehenden Zahlen auf den Widerstandswert (in Ohm) der Widerstandsschicht, während die nicht in Klammern stehenden Zahlen die Widerstandsänderung (in %) angeben.
(010) 0(653) -0,3(651)
ω 0(652) 0(652)
0(660) -0,3(658)
(X 658) -0,2(657)
0(655) -0,2(654)
<001) 0(656) -0,2(655)
45 0(653) 0(653)
0(659) -0,2(658)
0(657) +0,2(658)
0(655) -0,2(654)
Tabelle 2 Plättchenzustand Nach Montage Nach dem
Vergießen
0(6091 + C\2(610) +2,0(621)
Orientierung um 60° 0(609) +0,3(611) +2,1(622)
von (011) auf (011} 0(613) +0,3(615) + 1,8(624)
verschoben (OU) 0(610) +0,3(612) +2,1(623)
0(612) +0,3(614) +2,1(625)
0(534) 0(534) +3.7(554)
Fortsetzung 28 28 608 6 Nach dem
5 Vergießen
+2,8(549)
Orientierung um 60° Plättclienzusland Nach Montage +4,7(562)
von (011) auf (011) +3,9(557)
verschoben (011) 0(534) +0,4(536) +4,3(558)
0(537) -0,2(536) -4,1(520)
(011) 0(536) +0,2(537) -4,0(522)
0(535) 0(535) -4,4(518)
0(542) -0,4(540) -3,7(520)
0(544) -0,4(542) -4,4(517)
0(542) -0,2(541)
0(540) -0,2(539)
0(541) -0,2(540)
Ersichtlicherweise weichen die nach dem Einkapseln der Halbleiterelementanordnung in Kunstharz-Gießmasse ermittelten Widerstandswerte der Widerstandsschichten gemäß Tabelle 1 wesentlich weniger stark von den ursprünglichen Werten ab als im Fall der in Tabelle 2 angegebenen Widerstandsschichten.
Im folgenden ist der Fall betrachtet, in welchem für die Hauptfläche eines Silizium-Halbleitersubstrats die Kristallebene {110} gewählt ist. Bezüglich der Halbleitervorrichtung nach F i g. 2 sei angenommen, daß die Verlaufsrichtung der Widerstandsschicht 12 mit x,.eine in derselben Ebene wie die Richtung Af, aber senkrecht dazu liegende Richtung mit y und eine senkrecht zu den Richtungen bzw. Achsen x, y liegende Richtung, d. h. eine senkrecht zur Zeichnungsebene von F i g. 2 liegende Richtung, mit ζ bezeichnet sind. Weiterhin sollen die in den Richtungen bzw. auf den Achsen x, y und ζ liegenden Druckspannungen mit Si, S2 bzw. 53 und die einwirkenden Scher- oder Schubspannungen mit 54 (Syz), S5(Szx)bzv/. S6(Sxy) bezeichnet sein. Die Druckspannung 53 besitzt im allgemeinen eine wesentlich kleinere Größe als 51,52, weil 53 auf einer großen Fläche des Silizium-Halbleitersubstrats 11 auftritt, die eine äußere Kraft aufnimmt, während 51, 52 auf der schmalen, die äußere Kraft aufnehmenden Querebene des Substrats 11 auftreten. Aus demselben Grund sind 54, 55 kleiner als 51, 52. Die Widerstandsänderungen der Widerstandsschicht 12 rühren daher hauptsächlich von 51, 52 und 56 her, so daß eine Verringerung der Widerstandsänderungen für 51,52,56 nötig wird.
Die durch Spannungskräfte hervorgerufenen Widerstandsänderungen wurden bereits sowohl theoretisch als auch experimentell mit dem piezoelektrischen Effekt erklärt. Die Widerstandsänderungen einer in Richtung χ liegenden Widerstandsschicht, die durch eine mit Rx bezeichnete Spannungskraft hervorgerufen werden, lassen sich durch folgende Gleichung ausdrucken:
δ Rx=(A
in welcher Pij eine Größe ist, die durch den Flächenoder Ebenenkoeffizienten, der Hauptfläche des Silizium-Substrats 11, die Kristallachse, längs welcher sich die Widerstandsschicht erstreckt, und den durch die Konzentration eines in die Widerstandsschicht eindiffundierten Fremdatoms bestimmten piezoelektrischen Koeffizienten bestimmt wird. Wenn daher die Widerstandsschicht so ausgebildet wird, daß sie längs derjenigen Kristallachse vom Strom durchflossen wird, in welcher die mit Pij bezeichneten Faktoren zu Null oder auf eine äußerst kleine Größe reduziert werden, können die Widerstandsänderungen der Widerstandsschicht 12 unabhängig von äußeren Kräften auf NuI verringert werden.
In Verbindung mit einem Siliziumsubstrat 11 vorr n-Leitfähigkeitstyp, dessen Hauptfläche aus einer Kristallebene {110} besteht, sind nachstehend ir Verbindung mit Fig.4 eine in der Kristallebene (110 liegende Kristallachse a, ein aus der Kristallachse a unc einer senkrecht dazu liegenden Kristallachse b bestehendes Koordinatensystem a-b, ein durch Drehen dei Kristallebene (110} über einen Winkel C erhaltenes Koordinatensystem A-Bund eine Widerstandsschichi 12 erläutert, die längs der Kristallachse A verläuft
Die Kristallachse a des Koordinatensystems a — t wurde auf die Kristallachse (110) verlegt, während die Kristallachse b dieses Koordinatensystems auf eine Kristallachse (001) ausgerichtet wurde. Die Kristallachse A wurde von der Achse (110) auf die Kristallachse
j5 (001) verschoben. Das Koordinatensystem A-B wurde über einen Winkel C von 0-90° relativ zum Koordinatensystem a—b verdreht Berechnet wurden diejenigen Abweichungen oder Änderungen des Widerstandswertes der Widerstandsschicht 12, die im ober geschilderten Fall eintraten; die Ergebnisse sind ir F i g. 5 angegeben.
Das Koordinatensystem A B ist dem in Verbindung mit der Halbleitervorrichtung gemäß F i g. 2 beschriebenen System *—/ äquivalent In F i g. 5 gibt die Ordinate
"45 Änderungen δ Rx im Widerstandswert der Widerstandsschicht 12 an. Auf der Abszisse ist ein Rotationswinkel C aufgetragen. Unter der Voraussetzung /7=1/2 (S 1+52)=-1000 kg/ein^ (Druckspannung), W=56/51 + 52=0(56=0), und bei Festlegung der durch die Gleichung V=(Sl -S2)/(Si+ 52) bestimmten Werte oder Größen mit 1,0, 0,2, 0,1,0, -0,1, -OA —1,0 und -03 bei 31-39 Kurven wiedergegeben, welche die Größe der Widerstandsänderungen δ Rx in Abhängigkeit vom Rotationswinkel C angeben.
Die Kurven 32,39 geben Änderungen von P11, P12 an. Auch wenn 56=0 vorausgesetzt wird, ist es unmöglich, stets die durch eine vorgegebene Spannungskraft verursachten Änderungen des Widerstandswerts der Widerstandsschicht 12 zu verringern, welche sich in einer wahlfreien Richtung in der Kristallebene {110} des Silizium-Halbleitersubstrats erstreckt. Im Fall von V= 0,2—03 können solche Widerstandsänderungen praktisch auf Null reduziert werden, wenn der Rotationswinkel C zwischen 45° und 90° liegt Insbesondere im Fall von C= 90°, d.h. wenn die Widerstandsschicht 12 in der Hauptkristallebene {110} des Siliziumsubstrats 11 auf der Kristallachse (001) verlaufend ausgebildet ist, können die Widerstandsän-
derungen δ Rx relativ zu jeder Größe von Köder Sl, S 2 praktisch auf Null verringert werden.
F i g. 6 gibt für die Bedingung W= 1 und U= 1000 kg/cm2 das Ausmaß an, in welchem sich der Widerstandswert der Widerstandsschicht 12 in Abhängigkeit von einer ausgeübten Scherspannung ändert, wenn der Rotationswinkel Czwischen einer Kristallachse (110) und einer Kristallachse (001) liegt. In F i g. 6 sind auf der Ordinate die Widerstandsänderungen aufgrund einer Scherspannung und auf der Abszisse der Rotationswinkel C aufgetragen. Die Kurve von F i g. 6 veranschaulicht die Abhängigkeit der Widerstandsänderung δ Rx vom Rotationswinkel C. Dieses Abhängigkeitsschema ist im Fall von P16 umgekehrt. Aus F i g. 5 bzw. 6 geht auch folgendes hervor: Wenn der Strom durch die in der Kristallebene (110} ausgebildete Widerstandsschicht bei einem Rotationswinkel C von 90°, nämlich längs der Kristallachse (001), hindurchgeleitet wird, wird die Wirkung einer Scherspannung bei P16 unterdrückt. Wenn die Verlaufsrichtung der Widerstandsschicht 12 mit der Kristallachse (001) übereinstimmt, wird die oben erwähnte Wirkung gemäß der Erfindung erreicht, unabhängig davon, ob Koinzidenz zwischen der Verlaufsrichtung der Widerstandsschicht 12 und der Richtungsachse oder der x—y-Achse bei der Halbleitervorrichtung gemäß F i g. 2 besteht oder nicht.
Die vorstehenden Ausführungen stützen sich auf verschiedene Voraussetzungen. Zur experimentellen Bestätigung der Gültigkeit dieser Voraussetzungen oder Annahmen wurden daher vier Proben von Halbleitervorrichtungen bereitgestellt, bei denen eine Widerstandsschicht vom p-Leittyp in der Hauptkristallebene {110} eines Siliziumsubstrats vom n-Leitfähigkeitstyp ausgebildet war, und zwar einmal in der Kristallachse (110), dann in einer von dieser Richtung um 45° versetzten Richtung, zum anderen in einer Kristallachse (001) bzw. in einer von dieser Richtung um 45° versetzten Kristallachse verlaufend. Die Änderungen der Widerstandswerte der betreffenden Widerstandsschichlen wurden anhand von Messungen ermittelt, mit denen der ursprüngliche Widerstand der Widerstandsschicht eines eben in einem Plättchen hergestellten Halbleiterelements, der betreffende Widerstand nach der Montage des Halbleiterelementes an einer Tragplatte, jedoch vor dem Einkapseln in eine Kunstharz-Gießmasse, und der betreffende Widerstand nach dem Einkapseln des Halbleiterelementes mit der Tragplatte in die genannte Gießmasse bestimmt
ίο wurden; die Ergebnisse sind in Fig. 7 angegeben. Die Ordinate von F i g. 7 gibt die prozentuale Widerstandsänderung an, während die Abszisse den Widerstandswert der Widerstandsschicht eines Halbleiterelements in seinem an der Tragplatte montierten, aber noch nicht in die Gießmasse eingekapselten Zustand bzw. nach dem Einkapseln in die Kunstharz-Gießmasse veranschaulicht. In Fig. 7 beziehen sich die Ziffern 50-53 jeweils auf eine Widerstandsschicht, die längs der Kristallachse (110) verläuft, eine Widerstandsschicht, die sich längs einer gegenüber der Kristallachse (110) um 45° versetzten Kristallachse erstreckt, eine Widerstandsschicht auf der Kristallachse (001) bzw. eine Widerstandsschicht auf einer von der Kristallachse (001) um 45° versetzten Kristallachse. Der in der Beschreibung benutzte Ausdruck »nach dem Einkapseln des Halbleiterelements in eine Kunstharz-Gießmasse« bedeutet »nach dem Aushärten der das Halbleiterelement einkapselnden Gießmasse«. Aus F i g. 7 geht hervor, daß nur die sich längs der Kristallachse (001)
erstreckende Widerstandsschicht auch nach dem Einkapseln des Halbleiterelements eine minimale Widerstandsänderung zeigt
Bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform ist eine p-Typ-Widerstandsschicht unmittelbar auf bzw. in der Hauptfläche eines p-Typ-Silizium-Halbleitersubstrats ausgebildet. Erfindungsgemäß ist es jedoch auch möglich, eine n-Typ-Schicht in einem p-Typ-Silizium-Halbleitersubstrat auszubilden und (in dieser Schicht) die p-Typ-Widerstandsschicht herzustellen.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:
1. Halbleitervorrichtung, bestehend aus einem Siliziumsubstrat mit mindestens einer langgestreckten dotierten Widerstandsschicht vom p-Leitfähigkeitstyp in einer seiner Hauptflächen, aus Elektroden an den Schmalseiten der Widerstandsschicht und aus einer das Siliziumsubstrat einkapselnden Kunstharzgießmasse, dadurch gekennzeichnet, daß die die Widerstandsschicht (12) aufweisende Hauptfläche des Siliziumsubstrats (11) durch die Kristallebene {110} gebildet ist und daß die Längsachse der Widerstandsschicht (12) in Richtung einer Kristallachse (001) verläuft
2. Halbleitervorrichtung, bestehend aus einem Siliziumsubstrat mit mindestens einer langgestreckten dotierten Widerstandsschicht vom p-Leitfähigkeitstyp in einer seiner Hauptflächen, aus Elektroden an den Schmalseiten der Widerstandsschicht und aus einer das Siliziumsubstrat einkapselnden Kunstharzgießmasse, dadurch gekennzeichnet, daß die die Widerstandsschicht (12) aufweisende Hauptfläche des Siliziumsubstrats (11) durch die Kristallebene {100} gebildet ist und daß die Längsachse der Widerstandsschicht (12) in Richtung einer Kristallachse (010) oder einer Kristallachse (001) verläuft
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