DE2930460A1 - Halbleiterbauelement - Google Patents

Halbleiterbauelement

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Description

  • Halbleiterbauelement
  • Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement aus einem Halbleiterkörper vom ersten Leitungstyp mit mindestens einer Zone vom zweiten eitungstyp, wobei der pn-Ubergang im wesentlichen eben ist und sich über den ganzen Querschnitt des Halbleiterkörpers erstreckt.
  • Bei einem derartigen Halbleiterbauelement handelt es sich beispielsweise um eine hochspannende Mesadiode. Diese Mesadiode wird zusammen mit einer Vielzahl weiterer Mesadioden aus einer Halbleiterscheibe gewonnen, in die von einer Oberflächenseite aus ein ebener pn-Ubergang eindiffundiert wurde.
  • Die Scheibe wird durch Sägen oder durch Einätzen von v-förmigen Gräben in Einzelbauelemente unterteilt. Dabei müssen die Gräben von der vom pn-Übergang am weitesten entfernten Oberflächenseite aus so in den Halbleiterkörper eingebracht werden, daß sie unter Durchdringung des pn-Übergangs möglichst tief in die eindiffundierte Halbleiterzone reichen.
  • In der Grabensohle ist der Halbleiterkörper dann extrem dünn und die mechanische Stabilität der Anordnung, die weiteren Bearbeitungsschritten unterzogen werden muß, ist nicht mehr gewährleistet. Dies bedeutet, daß die Halbleiterscheiben zerbrechen und die Scheibe nicht ro in ihrer Gesamtheit gereinigt und mit Metallkontakten versehen werden kann. Außerdem ist die exakte Einhaltung der Ätz- oder Sägetiefe bei der Herstellung der Gräben äußerst schwierig, da bereits geringe Fehler zum Durchbrechen der Scheibe oder zu schlecht passivierten pn-Ubergängen führen.
  • Zur Beseitigung dieser Nachteile wird bei einem Halbleiterbauelement der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß der Halbleiterkörper auf einem Trägerkörper aus hochdotiertem Halbleitermaterial vom Leitungstyp der an den Trägerkörper angrenzenden Zone des Halbleiterkörpers angeordnet ist und daß'sich zwischen dem Halbleiterkörper und dem Trägerkörper eine Metallverbindungsschicht befindet.
  • Dieser Trägerkörper gewährleistet die mechanische Stabilität der Anordnung. Nach dem Zerteilen der Halbleiteranordnung in Einzelelemente bleiben die Trägerkörperstücke mit dem Halbleiterkörper der einzelnen Bauelemente verbunden, da der Trägerkörper wie eine Ausdehnung des Halbleiterkörpers wirkt und aufgrund seiner hohen Dotierung keinen ins Gews a1 -ncen eitungswiderstand bildet.
  • Der T-ägerkörper besteht vorzugsweise aus monokristallinem oder polykristallinem Halbleitermaterial und insbesondere aus einem Material, das mit dem des den pn-übergang enthaltenden Halbleiterkörpers übereinstimmt. Dies hat den Vorzug, daß das Material des Trägerkörpers den gleichen Ausdehnungskoeffizienten aufweist wie das Material des Bauelementes selbst. Dadurch treten keine Verspannungen des Kristallgitters mehr auf, und die Bauelementausbeute steigt an. Bei dem Halbleitermaterial handelt es sich beispielsweise um Silizium.
  • Die Metallschicht zwischen dem das Bauelement bildenden Halbleiterkörper und dem Trägerkörper muß so gewählt werden, daß eine sperrschichtfreie und niederohmige Verbindung zwischen den beiden Körpern zustande kommt. Die Metallschicht besteht bei einem p + -leitenden Halbleiterträgerkörper vor-+ zugsweise aus Aluminium oder aus Blei-Silber. Bei einem n -leitenden Halbleiterträgerkörper wird eine Schichtenfolge aus Molybdän-Aluminium-Molybdän verwendet, wobei die Molybdänschicht jeweils eine Diffusionssperre für die Aluminiumschicht bildet.
  • Zur Herstellung eines Halbleiterbauelementes gemäß der Erfindung wird so vorgegangen, daß in den Halbleiterkörper zunächst in einem Diffusionsschritt der erforderliche pn-Übergang eingebracht wird. Dann wird der Halbleiterkörper mit Hilfe der aufgebrachten Metallverbindungsschicht durch Legieren mit dem Trägerkörper aus Halbleitermaterial verbunden.
  • Sodann werden in den Halbleiterkörper v-förmige, bis in den Trägerkörper reichende Gräben eingebracht. Zur Zerteilung der Gesamthalbleiteranordnung in Einzelbauelemente werden abschließend auch in den Trägerkörper Gräben eingebracht, die in ihrer geomatrischen Lage mit denen im Halbleiterkörper übereinstimmen und die bis in diese v-förmigen Gräben in dem die Halbleiterbauelemente enthaltenden Halbleiterkörper reichen Das erfindungsgemäße Verfahren kann vorzugsweise zur Herstellung von hochspannungsfesten Mesadioden oder von Thyristoren verwendet werden. Es ist jedoch immer dann von Vorteil, wenn eine Halbleiterscheibe in Einzelelemente zerteilt wird, wobei die Trennflächen zum Schutze der dort aus tretenden pn-Übergänge passiviert werden müssen.
  • Die Erfindung und ihre weitere vorteilhafte Ausgestaltung soll im folgenden noch anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden.
  • In der Figur 1 ist eine ursprünglich n-leitende Silizium-Halbleiterscheibe (1) dargestellt, die beispielsweise 160 bis 240 ßm dick ist. Diese Halbleiterscheibe wird mit einer 3 bis 4 am dicken thermisch erzeugten Oxydschicht (5) bedeckt, die auf einer Oberflächenseite wieder entfernt wird. Danach wird in einer geschlossenen Ampulle in einer Gallium-Phosphid-Atmosphäre der erforderliche Diffusionsschritt durchgeführt. Die Phosphoratome (6) dringen von der unmaskierten Oberflächenseite aus in den Halbleiterkörper ein und bilden dort eine n+-dotierte Oberflächenschicht (4), die beispielsweise eine 20 von 5x 10 20 - 1021 Atome je cm3 Störstellenkonzentration von 5 x 10 - 10 21 Atome je cm aufweist. Die mit Silizium-Dioxyd (5) maskierte Oberfläche wird nur von den Gallium-Atomen der Diffusionsatmosphäre durchdrungen, während die Phosphor-Atome durch die Maskierungsschicht abgeblockt werden. Die Gallium-Atome erzeugen im Halbleiterkörper eine ca. 50 ßm dicke p -leitende Halbleiterzone (2) mit einer Störstellenkonzentration von beispielsweise 5 x 1019 Atomen Je cm3. Die zwischen den beiden Diffusionszonen verbleibende n-leitende Halbleiterschicht (3) weist eine Dicke von 60 bis 140 am auf und hat eine Leitfähigkeit von 20 bis 80 Ssm. Der durch die Diffusion erzeugte pn-Übergang (9) ist mit Ausnahme des Bereichs am Scheibenrand, der jedoch später wieder entfernt wird, eben und verläuft somit paralell zur Halbleiteroberfläche.
  • ##se Diese #ordr;#g ist in der Figur 2 dargestellt. Der Halbleiterkörper mit dem pn-Übergang (9) wird mit Hilfe einer dünnen Metallschicht (7) mit dem Trägerkörper (8) verbunden. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Trägerkörper (8) + p -leitend, da an ihn die p+-leitende Zone (2) des den pnübergang enthaltenden Halbleiterkörpers angrenzt. Die Verbindungsmetallschicht (7) kann entweder auf den Trägerkörper (8) oder auf den Halbleiterkörper (1) aufgebracht werden.
  • Diese Metallschicht besteht beispielsweise aus Aluminium oder einer Blei-Silberlegierung und ist ca. 10 µm dick. Der Trägerkörper (8) weist beispielsweise eine Dicke von ca. 250 ßm auf und enthält als Störstellenmaterial Bor mit einer Störstellenkonzentration von ca. 10 Atomen je cm . Die Befestigung des Halbleiterkörpers (1) am Trägerkörper (8) wird in einem Temperschritt bei ca. 720 °C während einer Zeit von 15 Minuten bewirkt. Da Aluminium p-dotierend wirkt, ist der Übergang zwischen dem Halbleiterkörper (1) und dem Trägerkörper sperrschichtfrei und niederohmig.
  • Geß der Figur 3 müssen nunmehr in den Halbleiterkörper (1) Gräben eingebracht werden, die den pn-Übergang an der Grabenwandung freilegen. Um Spannungsdurchbrüche an der Grabenfläche zu vermeiden, muß die Grabenwandung eine gewisse Abschrägung gegenüber der Scheibenoberfläche aufweisen und mit einer Passivierungsschicht versehen werden.
  • Zur Herstellung der Gräben (19) werden beispielsweise Diamantsägeblätter mit einem Winkel von 60o an der Sägekante verwendet. Mit Hilfe dieser Sägeblätter werden v-förmige Gräben erzeugt, die vorzugsweise bis in den Trägerkörper (8) reichen.
  • Die Verwendung des Trägerkörpers (8) hat den Vorteil, daß die Sägetiefe nicht mehr kritisch ist, da sie in jedem Fall bis in den Trägerkörper (8) reichen kann, so daß der empfindliche Bereich um den pn-#ergang mit Sicherheit vom Graben durchdrungen wird. Der Sägeschritt wird vorzugsweise so durchgeführt, daß die Eindringtiefe der Gräben (19) im Trägerkörper (8) 50 bis 80 ßm beträgt.
  • Die Oberfläche der v-förmigen Gräben muß nun noch mit Hilfe eines Ätzschrittes geglättet werden. Hierbei wird eine dünne Oberflächenschicht (10) im Bereich der Gräben (19) abgetragen. Um die Anätzung der anderen Oberflächenbereiche der Halbleiteranordnung zu verhindern, werden diese beispielsweise mit einer Fotolackschicht (11) oder mit einer Silizium-Dioxydschicht abgedeckt. Als Ätzmittel kann ein Gemisch aus Fluß säure und Salpetersäure im Verhältnis HF : HN03 = 1 : 5 bis 1 : 9 verwendet werden. Während einer Einwirkzeit von 1 bis 3 Minuten wird eine Schicht (10) mit einer Dicke von 25 bis 50 Am im Bereich der Grabenwandung abgetragen, wobei eine sehr glatte Oberfläche zurückbleibt.
  • Die Gräben werden nun noch mit einer passivierenden Glasschicht (12) gemäß der Figur 4 versehen. Diese Glasschicht wird vorzugsweise durch Elektrophorese hergestellt, bei der an das Halbleiterbauelement eine Spannung in Sperrichtung angelegt wird. Die Glasschicht aus einem Zink-Bor-Silikatglas scheidet sich dann im wesentlichen nur im Bereich der Gräben (19) ab. Die Glasschicht (12) ist beispielsweise 5 ßm dick und wird bei einer Temperatur von ca. 7500 8 Minuten lang gesintert.
  • Die möglicherweise auf den anderen Oberflächenbereichen abgeschiedenen Glaspartikel werden in einem weiteren Ätzschritt entfernt. Hierzu wird beispielsweise Flußsäure verwendet, die 15 bis 30 Sekunden auf die Halbleiteroberflächen einwirkt.
  • Gemäß der Figur 5 werden nun noch die Metallkontakte auf die f-eiliegeneen Teile der Halbielteroberfläche aufgebracht.
  • Hierzu werden die Gräben mit einer Fotolackmaske (15) abgedeckt. Auf die nschicht (4) wird zunächst eine Metallschicht (13) aus Molybdän mit einer Dicke von ca. 2 000 bis 2 500 nnd danach ein Aluminiumkontakt (14) mit einer Schichtdicke uon õ bis 10 m aufgebracht. Auch auf diX freiliegende Oberflächenseite des p -leitenden Trägerkörpers (8) wird eine rltiv dicke AluminiumKontaktschicht (17) mit einer Dicke von ca. 12 ßm niedergeschlagen.
  • Zur Aufteilung der Halbleiteranordnungen in einzelne Bauelemente wird schließlich eine Glasplatte (16) auf die mit den Metallkontakten (13) und (14) versehene Oberflächenseite des Halbleiterkörpers (1) aufgeklebt. Dies ist in der Figur 6 dargestellt. Als Kleber wird beispielsweise Wachs verwendet. In den Trägerkörper (8) müssen nun bis zu den Gräben (19) reihende Gräben (18) eingebracht werden, wobei darauf zu achten ist, daß die Gräben übereinander liegen. Daher muß eine auf die Metallschicht (17) aufzubringende Fotolackmaske, sofern die Gräben (18) durch ätzen hergestellt werden, durch die Glasplatte hindurchjustiert werden. Bei einem Sägeprozeß muß das Sägewerkzeug entsprechend auf die Gräben (19) einjustiert werden. Die Gräben (18) werden sodann durch Ätzen oder Sägen so tief in den Trägerkörper (8) eingebracht, daß die Gräben (18) und (19) unter gleichzeitiger Einteilung der Halbleiteranordung in Einzelelemente ineinander übergehen. Die Einzelelemente müssen schließlich von der Glasplatte (16) abgelöst und in geeignete Gehäuse eingebaut werden.
  • Ein derartiges Einzelelement ist in der Figur. 7 dargestellt.
  • Vor dem Einbauen dieser Einzelbauelemente in ein Diodengehäuse werden die Kontaktschichten (14) und (17) in einer Reinigungslösung gesäubert. Danach können die Bauelemente gemessen und sortiert werden. Es ist noch darauf hinzuweisen, daß zur Zerteilung der Halbleiteranordnung in Einzelbauelemente an Stelle eines Ätz- oder Sägeprozesses zur Erzeugung der Gräben (18) auch ein Zerteilen durch Ritzen und Brechen möglich ist. In diesem Fall müssen die Ritzlinien mit den Talsohlen der Gräben (19) fluchten. Wenn die Gräben (18) durch Ätzen hergestellt werden, müssen zuvor die Kontaktflächen (17) mit einer Fotolackschicht abgedeckt werden.

Claims (12)

  1. P a t e n t a n s p r ü c h e Halbleiterbauelement aus einem Halbleiterkörper vom ersten Leitungstyp mit mindestens einer Zone vom zweiten Leitungstyp, wobei der pn-Übergang im wesentlichen eben ist und sich über den ganzen Querschnitt des Halbleiterkörpers erstreckt, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper (1) auf einem Trägerkörper (8) aus hochdotiertem Halbleltermaterial von Leitungstyp der an den Trägerkörper (8) angrenzenden Zone (2) des Halbleiterkörpers angeordnet ist, und daß sich zwischen dem Halbleiterkörpers ange-und dem Trägerkörper (8) eine eine Metall-Verbindungsschicht (7) befindet.
  2. 2) Halbleiterbauelement nach Aspruch 1, dadurch ;ekennzeichnet, daß der Trägerkörper (8) aus monokristallinem oder polykristallinem Halbleitermaterin besteht.
  3. 3) Haibleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerkörper (8) aus einem mit dem Material des Halbleiterkörpers (1) übereinstimmenden Material besteht.
  4. 4) Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 - 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschicht (7) bei einem p -leitenden Halbleiter-Trägerkörper (8) aus Aluminium oder Blei-Silber besteht.
  5. 5) Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 - 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschicht (7) bei einem n -leitenden Halbleiter-Trägerkörper i2) aus der Schichtenfolge Molybdan-Aluminium-Molybdän besteht.
  6. 6) Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauelementes nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in den Halbleiterkörper (1) zunächst in einem Diffusionsschritt der erforderliche pn-Ubergang (9) eingebracht wird, daß der Halbleiterkörper (1) sodann mit Hilfe der aufgebrachten Metall-Verbindungsschicht durch Legieren mit dem Trägerkörper (8) aus Halbleitermaterial verbunden wird, daß sodann in den Halbleiterkörper (1) zur Trennung in einzelne Bauelemente v-förmige, bis in den Trägerkörper (8) reichende Gräben (19) eingebracht werden und daß schließlich in die freie Oberflächenseite des Trägerkörpers (3) gleichfalls Gräben (18) eingebracht werden, die bis in die von der anderen Oberflächenseite der Halbleiteranordnung ausgehenden Gräben (19) reichen, so daß die Halbleiteranordnung in eine Vielzahl von Einzelbauelemente (20) zerfällt.
  7. 7) Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Gräben (19) im den Fn-übergang (9) enthaltenden Halbleiterkörper (1) mit einer Oxyd- oder Glasschicht (12) passiviert werden.
  8. 8) Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Passivierungsschicht (12) durch Elektrophorese hergestellt wird.
  9. 9) Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Zerteilen der Halbleiteranordnung Metallkontakte (13, 14, 17) an den freiliegenden Oberflächenteilen des den pn-Übergang enthaltenden Halbleiterkörpers (1) und an der freiliegenden Oberfläche des Trägerkörpers angebracht werden.
  10. 10) Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die mit den v-förmigen Gräben (19) versehene Halbleiteranordnung zum Zerteilen mit der stirn- seitigen Oberfläche des den pn-Übergang enthaltenden Halbleiterkörpers (1) an einer Glasplatte (16) befestigt wird, daß sodann in die freie Oberfläche des Trägerkörpers (8), die die Halbleiteranordnung in Bauelemente zerteilenden Gräben (18) eingebracht werden und daß schließlich die vereinzelten Bauelemente (20) von der Glasplatte (16) abgelöst werden.
  11. 11) Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß in den Trägerkörper (8) Gräben (18) durch Sägen oder durch Ätzen nach vorangehender Maskierung eingebracht werden.
  12. 12) Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch seine Verwendung zur Herstellung hochspannungsfester Mesa-Dioden.
    ^ verSzk-et nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch seine Verwendung zur Herstellung von Thyristoren.
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