DE3044514C2

DE3044514C2 -

Info

Publication number: DE3044514C2
Application number: DE19803044514
Authority: DE
Inventors: Jin Onuki; Ko Soeno; Keiichi Morita; Hisakithi Hitachi Jp Onodera
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1979-11-30
Filing date: 1980-11-26
Publication date: 1989-06-22
Also published as: DE3044514A1; JPS5678130A; JPS6141135B2; US4500904A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren der im Oberbegriff des Patentanspruchs vorausgesetzten Art.

Aluminiumlot (das nur Aluminium oder Aluminium als seinen Hauptbestandteil enthält) wird häufig zur Verbindung eines Halb leitersubstrats mit einer Elektrode zum Tragen des Halbleiter substrats und zu dessen Versorgung mit elektrischem Strom ver wendet. Außerdem werden manchmal Siliziumsubstrate untereinander mit dem Aluminiumlot verbunden. Der Grund, weshalb Aluminium als Hartlot in den vorstehend erwähnten Fällen verwendet wird, ist der, daß Aluminium jedem anderen Hartlot im elektrischen Lei tungs- und Haftungsverhalten überlegen ist und daß das Alu miniumlot zum Hartlot gehört und verhältnismäßig billig ist.

Jedoch ergeben sich in einem Fall, wo diejenige Ober fläche des Halbleitersubstrats, die zu verlöten ist, an einem Teil davon eine n-Leitung aufweist, Schwierigkeiten, daß Aluminium durch Erhitzen beim Verbindungsvorgang mit Silizium legiert wird, daß dadurch eine Schicht mit p-Leitung im n-Teil der Oberfläche gebildet wird und daß der Durchlaßspannungsabfall (im folgenden mit FVD abgekürzt) des Siliziumsubstrats so erhöht wird.

Um die Bildung der p-Schicht in der n-Schicht zu unter drücken, wurden solche Verfahren, wie Dünnmachen des Aluminiumlots, Zwischenfügung einer aus Antimon, das ein fünfwertiges Element ist, bestehenden Folie zwischen dem Siliziumsubstrat und dem Aluminiumlot oder Eindiffundieren einer großen Phosphormenge in den n-Teil der Oberfläche, angewendet. Jedoch wurden solche Verfahren ohne einen ausgeprägten Effekt durchgeführt.

Außerdem müssen das Siliziumsubstrat und die Elektrode zum Verlöten auf hohe Temperatur erhitzt werden, nachdem Dotierstoffe zur Bestimmung des Leitungstyps in das Siliziumsubstrat eindiffundiert wurden. Demgemäß ändert sich die Verteilung der Dotierstoffe im Siliziumsubstrat, ein Schwermetall, das als Lebensdauer-"Killer" im Siliziumsubstrat wirkt, wird darin eindiffundiert, und so wird das Siliziumsubstrat durch den Verbindungs vorgang nachteilig beeinflußt.

Aus der DE-OS 15 14 643 ist es bekannt, ein Siliziumsubstrat mit einem Molybdänträgerkörper mittels eines Aluminiumlots zu verbinden und den Molybdänträgerkörper mit einem Kupfergehäuseplattenteil mittels eines Hartlots aus 65% Ag, 27% Cu, 4% Mo und 4% Ni zu verbinden.

Aus der DE-PS 14 14 540 ist es bekannt, ein Siliziumsubstrat mit einer Molybdänelektrode mittels eines AlSi-Lots oder mittels eines Hartlots aus 72% Ag, 27% Cu und 1% Sb zu verbinden und die Molybdänelektrode mit einem Kupferträger mittels eines Lots aus 72% Ag, 27,5% Cu und 0,5% P zu verbinden.

Aus der US-PS 38 30 657 ist es bekannt, auf ein Silizium substrat eine Aluminium- oder Kupferschicht und auf diese eine Kupfer- oder Aluminiumschicht aufzubringen und die beiden Schichten zur Bildung einer Al₂Cu-Schicht reagieren zu lassen, worauf eine leitende Aluminiumschicht aufgebracht wird, die nach Umbildung der Al₂Cu-Schicht zu getrennten Kügelchen das Siliziumsubstrat kon taktiert. Hierdurch soll ein spitzenförmiges Eindringen des Alu miniums in das Siliziumsubstrat verhindert werden.

Aus der US-PS 34 45 301 ist es bekannt, beim Anbringen einer Aluminiumüberbrückungsschicht auf einem n-Siliziumbereich und einem p-Siliziumbereich eine Nickelschicht zwischen dem Siliziumoberflächenteil und der Aluminiumschicht einzufügen.

Aus der US-PS 33 41 753 ist es bekannt, beim Bilden von Kontakten an der Oberfläche eines Siliziumsubstrats mit einem SiO₂-Überzug mit an Kontaktbereichen geätzten Öffnungen zunächst eine Molybdänschicht auf die Oberfläche des Siliziumsubstrats aufzubringen und darauf eine Aluminiumschicht vorzusehen, mit der Zuführungsleiter verbunden werden, während das Siliziumsub strat mit einem Metallträger verlötet wird.

Schließlich ist es aus "Journal of Elektronic Materials", Vol. 3, No. 2 (1974), S. 531-552 bekannt, daß die Fehler durch Elektromigrationseffekte bei einer 2 bis 12% Kupfer enthaltenden Al- oder AlSi-Metallisierung gegenüber einer kupferfreien Al- oder AlSi-Metallisierung stark verringert sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs vorausgesetzten Art zu entwickeln, bei dem sich das Halbleitersubstrat mit der Elektrode mittels des Aluminiumhartlots bei niedrigeren Temperaturen verbinden läßt, damit der FVD des Halbleitersubstrats nicht wächst, man eine feste Verbindung des Halbleitersubstrats mit der Elektrode erhält und die Durch bruchsspannung des Halbleitersubstrats nicht verringert wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs gelöst.

Die Elektrode besteht aus einem Metall, das nahezu den gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten wie das Halbleitersubstrat aufweist, z. B. aus Molybdän, Wolfram, einer Eisen-Nickel-Legierung, einer Eisen-Nickel- Kobalt-Legierung oder einem Verbundmaterial, in dem Kohlenstoffasern in einer Kupfermatrix eingebettet sind.

Die Erfindung basiert auf dem Gedanken, daß in einem Fall, wo nur eine sehr geringe Siliziummenge in das Aluminium schmilzt, indem man die Verbindungstemperatur verringert, der Grad der Bildung einer p-Schicht in einer n-Schicht verringert wird und daher der FVD des Siliziumsubstrats allenfalls wenig steigt.

Die Erfindung bietet also eine Lötverbindung zwischen einem Halbleitersubstrat und einer Elektrode, bei der die Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats, wo eine n-Halbleiterschicht freiliegt, mit der Elektrode mittels Hartlots verbunden wird und das Hartlot Aluminiumlot, das an der Seite des Halbleitersubstrats vorgesehen ist, und Kupferlot umfaßt, das an der Seite der Elektrode vorgesehen ist. Da eine Festzustandshaftverbindung zwischen Aluminium und Kupfer sogar bei Temperaturen unter der eutektischen Temperatur von 548°C erreicht werden kann, läßt sich das Halbleitersubstrat mit der Elektrode bei den niedrigen Temperaturen verlöten.

Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung ver anschaulichten Ausführungsbeispiele näher erläutert; darin zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt zur Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer scheibenartigen Diode;

Fig. 2 ein Diagramm zur Darstellung der Beziehung zwischen den Verbindungstemperaturen und den Änderungen von FVD, wenn ein Halbleiter substrat mit einer Trägerelektrode mittels Aluminiumlots und Kupferlots verbunden wird;

Fig. 3 eine Längsschnitt- und Perspektivdarstellung eines Halbleitersubstrat-Trägerteils eines Ausführungsbeispiels eines rückwärtsleitenden Thyristors; und

Fig. 4 einen Längsschnitt zur Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Kunststoffein formungs-Scheibendiode.

Gemäß Fig. 1, die ein Ausführungsbeispiel einer scheiben artigen Diode zeigt, ist eine Diode 1 grob in drei Teile, nämlich eine Verpackung, ein in der Verpackung untergebrachtes Halbleitersubstrat und Hilfsbauteile, unterteilt. Die Verpackung umfaßt einen keramischen Zylinder 2, Flansche 3 und 4, die aus einer Eisen-Nickel-Legierung bestehen und mit beiden Enden des keramischen Zylinders 2 mit Lot verbunden sind, Kupfer elektroden 5 und 6, die quer zur Achse des keramischen Zylinders 2 an dessen beiden Enden vorgesehen sind, und Flansche 7 und 8, die aus einer Eisen-Nickel-Legierung bestehen und mit Umfangsteilen der Kupferelektroden 5 bzw. 6 mittels Lots verbunden sind.

Ein Halbleitersubstrat 9 ist mit einer Trägerelek trode 10 durch eine Lotschicht verbunden, die aus einem Aluminiumlot 11 an der Stelle des Halbleitersubstrats 9 und einer Kupferlotschicht 12 an der Seite der Trägerelektrode 10 besteht. Die Trägerelektrode 10 ist mit der Kupfer elektrode 5 mittels Au-Sn-Lots 13 od. dgl. verbunden.

Eine eine Elektrodenschicht bildende Aluminium schicht 14 ist durch Verdampfungstechnik auf der oberen Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats 9 abge schieden, und ein innerer Puffer 15 aus Wolfram ist zwischen der Aluminiumschicht 14 und der Kupferelektrode 6 eingefügt. Zwischen der Aluminiumschicht 14 und dem inneren Puffer 15 und zwischen dem inneren Puffer 15 und der Kupferelektrode 6 ist kein Lot verwendet, doch wird der innere Puffer 15 in direktem Kontakt mit der Aluminiumschicht 14 und der Kupferelektrode 6 gehalten.

Im einzelnen wird ein Paar von (nicht dargestellten) Strahlkörpern aus Aluminium gegen die Kupferelektroden 5 und 6 gepreßt. Aufgrund des auf die Strahlkörper ein wirkenden Drucks werden die Flanschen 7 und 8 gebogen, und so wird der innere Puffer 15 in enge Berührung mit der Aluminiumschicht 14 und der Kupferelektrode 6 gebracht. Wolfram legiert sich bei einer Temperatur von z. B. 120°C, auf die die Diode 1 durch die darin während einer Arbeitsdauer entwickelten Wärme erhitzt wird, nicht mit Kupfer und Aluminium.

Ein pn-übergang im Halbleitersubstrat 9 liegt an dessen Seitenfläche frei. Um das freiliegende Ende des pn-Übergangs in einem stabilen Zustand zu halten und die Verläßlichkeit der Eigenschaften des Halbleiter substrats 9 zu verbessern, ist die Seitenfläche des Halbleitersubstrats 9 mit einem solchen Passivierungs material 16 wie Silikongummi überzogen.

Um ein Fließen des Passiviermaterials 16 und eine Bewegung des inneren Puffers 15 in Querrichtung zu verhindern, ist auf der Aluminiumschicht 14 ein Isolierzylinder 17 vorgesehen, der im Kontakt mit einer abgeschrägten Seitenfläche der Kupferelektrode 6 ge halten wird.

Der untere Hauptoberflächenteil des Halbleiter substrats 9, auf dem das Aluminiumlot 11 vorgesehen ist, weist n-Leitung auf.

Das Halbleitersubstrat 9 und die Trägerelektrode 10 werden beispielsweise folgendermaßen verlötet.

Der untere Hauptoberflächenteil des Halbleiter substrats 9, das den pn-Übergang enthält, wird stark mit einem Donator dotiert. Das Aluminiumlot 11 wird durch Aufdampfen auf die untere Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats 9 abgeschieden, so daß es eine Dicke von etwa 20 µm hat, und dann wird das Halbleiter substrat 9 10 min in N₂-Gas bei 400°C gehalten, um die Bindefestigkeit zwischen dem Aluminiumlot 11 und dem das Halbleitersubstrat 9 bildenden Silizium zu verbessern. Andererseits wird die Kupferlotschicht 12 durch Vakuumaufdampfen auf die aus Wolfram bestehende Träger elekrode 10 abgeschieden, um eine Dicke von 10 µm zu erhalten. Eine Nickelschicht kann zwischen der Kupfer lotschicht 12 und der Trägerelektrode 10 vorgesehen werden, um die Bindefestigkeit dazwischen zu verbessern. Falls die Nickelschicht vorgesehen wird, beschichtet man z. B. galvanisch eine Oberfläche der Trägerelektrode 10 mit Nickel, so daß eine Nickelschicht mit einer Dicke von etwa 10 µm ge bildet wird, und danach wird die Trägerelektrode 10 30 min unter Vakuumbedingungen auf 750°C gehalten. Anschließend wird die Kupferlotschicht 12 auf der Nickelschicht abgeschieden, und danach hält man die Trägerelektrode 10 10 min in N₂-Gas bei 400°C, um die Bindefestigkeit zwischen der Nickelschicht und dem die Trägerelektrode 10 bildenden Wolfram und die Bindefestigkeit zwischen der Nickel schicht und der Kupferlotschicht 12 zu verbessern.

Nachdem die vorstehend erläuterte Vorbehandlung durchgeführt wurde, werden das Halbleitersubstrat 9 und die Trägerelektrode 10 in eine solche Lage gebracht, daß das Aluminiumlot 11 und die Kupferlotschicht 12 in gegen seitigen Kontakt gelangen, und dann 30 min unter Vakuum bedingungen bei 450°C zwecks ihrer gegenseitigen Verbindung gehalten.

Da die Verbindungstemperatur niedriger ist, ist die in das Aluminium hineinschmelzende Siliziummenge klein, und der Grad der Bindung einer p-Schicht in der n-Schicht ist gering.

Fig. 2 zeigt den Verlauf des Wertes Δ FVD (d. h. FVD-Änderungen) in einem Fall, wo Halbleitersubstrate, deren jedes einen p-n-n⁺-Aufbau hat und an seinen beiden Oberflächen mit aufgedampften Aluminiumschichten jeweils einer Dicke von 12 bis 15 µm versehen ist, bei ver schiedenen Temperaturen innerhalb eines Bereichs von 500 bis 720°C gehalten werden, um das Halbleiter substrat und die Aluminiumschichten zu verbinden. Im einzelnen zeigt der vorstehend erwähnte Δ FVD-Wert den Unterschied zwischen dem FVD des Halbleitersubstrats unmittel bar nach der Abscheidung der Aluminiumschichten auf dem Halbleitersubstrat und demjenigen, nachdem das Halb leitersubstrat der obenerwähnten Wärmebehandlung unter worfen wurde, d. h. den FVD-Zuwachs, der durch die Bildung einer p-Neuwachstumsschicht auf einer n-Schicht verursacht wird. Die in Fig. 2 dargestellten Ergebnisse wurden von Messungen erhalten, die bei einer Stromdichte von 3,25 MA/m² durchgeführt wurden. Wie Fig. 2 er kennen läßt, hängt Δ FVD stark von der Verbindungs temperatur ab und ist für die bei 720 bzw. 500°C gehaltenen Halbleitersubstrate gleich 1,0 bzw. etwa 0,05 V.

Aluminium und Kupfer bilden eine eutektische Legierung bei einer Temperatur von 548°C, doch läßt sich eine Festzustandhaftverbindung in vollem Ausmaß zwischen Aluminium und Kupfer auch bei Temperaturen unter der vorstehend erwähnten eutektischen Temperatur erreichen.

Im obigen Ausführungsbeispiel haften das Aluminium lot 11 und die Kupferlotschicht 12 gut aneinander, und außerdem wächst Δ FVD nur wenig, da das Halbleitersubstrat 9 und die Trägerelektrode 10 zur gegenseitigen Verbindung bei nur 450°C gehalten werden.

Übrigens wurde das Aluminiumlot 11 analysiert, nachdem es bei 450°C gehalten worden war, und man fand, daß Silizium nur mit einer Konzentration von wenigen Prozent in das Aluminiumlot 11 hineinschmolz und daß die p-Schicht kaum in der unteren Hauptoberfläche des Halb leitersubstrats 9 abgeschieden war.

Außerdem wurde der Lotbereich mit dem Aluminium lot 11 und der Kupferlotschicht 12 einer Ultraschallstromprüfung unterworfen, und man fand, daß das Lot 11 und das Lot 12 gut aneinander hafteten. Weiter hatte das Halbleiter substrat 9, bei dem die Aluminiumschichten 11 und 14 mit dem Substrat 9 durch die obenerwähnte Wärmebehandlung verbunden waren, den gleichen FVD wie ein Halbleiter substrat, das aufgedampfte Aluminiumschichten trug, jedoch keiner Wärmebehandlung unterworfen war.

Falls die Nickelschicht im Rahmen des vorstehend er läuterten Ausführungsbeispiels ausgelassen wird, entfällt der Schritt der Bildung der Nickelschicht im Rahmen des erläuterten Herstellungsverfahrens. Dabei ist die Verbindungsfestigkeit zwischen der Kupferlotschicht 12 und der Wolframelektrode 10 der im obigen Ausführungsbeispiel etwas unterlegen, doch die FVD-Charakteristik ist nahezu die gleiche wie die im Ausführungsbeispiel.

Bei dem in Fig. 1 veranschaulichten Ausführungsbeispiel ist das Aluminiumlot 11 an der unteren Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats 9 vorgesehen, doch kann das Aluminiumlot 11 auch durch ein aus einer Aluminium-Silizium- Legierung bestehendes Lot ersetzt werden, um die Haft eigenschaften zu verbessern. Im einzelnen schmilzt, wenn das aus einer Aluminium-Silizium-Legierung bestehende Lot anstelle des Aluminiumlots 11 verwendet wird, eine geringere Siliziummenge in das Lot beim Erhitzungsvorgang hinein, und daher läßt sich die Bildung einer p-Schicht in der n-Schicht noch mehr unterdrücken. Außerdem bildet sich an der Grenzfläche zwischen der Kupferlotschicht und dem Aluminium-Silizium-Legierungslot eine Aluminium, Silizium und Kupfer enthaltende ternäre Legierung. Die eutektische Temperatur der ternären Legierung ist 520°C und damit niedriger als die eutektische Tempe ratur (548°C) der binären Aluminium-Kupfer-Legie rung. Demgemäß lassen sich das Halbleitersubstrat 9 und die Trägerelektrode 10 bei niedrigeren Temperaturen im Vergleich mit dem Fall verbinden, wo das Aluminium lot 11 verwendet wird. So wird die Bildung einer p-Schicht in der n-Schicht noch viel mehr unter drückt, und der erwähnte Wert Δ FVD ist sehr gering.

Weiter sind, wenn eine eutektische Aluminium-Sili zium-Legierung anstelle des Aluminiumlots 11 ver wendet wird, die oben erwähnten Effekte ausgeprägter, und außerdem ist die Bindefestigkeit zwischen dem Halbleitersubstrat 9 und der Trägerelektrode 10 nahezu die gleiche wie die im Fall, wo das Aluminiumlot 11 verwendet wird.

Wie oben erläutert, ist die Erfindung in dem Fall wirksam, wo eine n-Hauptoberfläche eines Silizium substrats mit einer Elektrode aus Wolfram, Molybdän, einer Eisen-Nickel-Legierung od. dgl. verbunden wird. Außerdem ist die Erfindung auf einen Aufbau anwendbar, bei dem ein Siliziumsubstrat mit einer Elektrode bei niedrigen Temperaturen verbunden werden muß, um eine Verbiegung der Elektrode zu vermeiden, und sie ist ebenfalls bei verschiedenen Halbleiteranordnungen, wie z. B. Dioden, Transistoren und Thyristoren, anwendbar. Darüber hinaus ist die Erfindung auch auf einen Fall anwendbar, wo gleichzeitig eine p-Schicht und eine n-Schicht in einer Hauptoberfläche eines Siliziumsubstrats nebeneinander existieren, und sie ist auch bei solchen Halbleiteranordnungen anwendbar, die Germaniumsubstrate aufweisen.

Fig. 3 zeigt einen Fall, wo eine Schicht mit p-Leitung und eine Schicht mit n-Leitung in einer unteren Haupt oberfläche eines Halbleitersubstrats 29 vorliegen.

Das in Fig. 3 dargestellte Halbleitersubstrat 29 dient als rückwärtsleitender Thyristor und umfaßt eine p-Emitter schicht 29 a, eine stark dotierte n-Basisschicht 29 b, eine schwach dotierte n-Basisschicht 29 c, eine p-Basis schicht 29 d und eine n-Emitterschicht 29 e. Das Halb leitersubstrat 29 hat die Form eines Kegelstumpfs. Die p-Emitterschicht 29 a ist in der Form eines Ringes in einer unteren Hauptoberfläche des Substrats 29 vor gesehen, und die n-Emitterschicht 29 e ist in der oberen Hauptoberfläche des Substrats 29 in der Form eines Ringes ausgebildet, dessen Umfangsbereich an einem Teil davon weggeschnitten ist. Eine Trägerelektrode 25, die aus einem Verbundmaterial hergestellt ist, das eine Kupfermatrix und Kohlenstoffasern enthält, ist mit der unteren Hauptoberfläche des Substrats 29 erfindungsgemäß verbunden. Das Hartlot zur Verbindung der Träger elektrode 25 und des Substrats 29 enthält Aluminiumlot 31, das an der Seite der unteren Hauptoberfläche vorgesehen ist, und eine Kupferlotschicht 32, die an der Seite der Träger elektrode 25 vorgesehen ist. Eine Kathodenschicht 34 ist durch Aufdampfen auf der oberen Hauptoberfläche des Substrats 29 abgeschieden, und eine Steuerelektrodenschicht 38 ist durch Aufdampfen auf dem Teil der oberen Haupt oberfläche abgeschieden, wo die p-Basisschicht 29 d in der Form eines Kreissegments freiliegt.

Im Halbleitersubstrat 29 sind ein Thyristorbereich und ein Diodenbereich gebildet. Den Thyristorbereich bilden die p-Emitterschicht 29 a, die n-Basisschichten 29 b und 29 c, die p-Basisschicht 29 d und die n-Emitterschicht 29 e, und die Durchlaßrichtung des Thyristors wird durch die Richtung von der unteren Hauptoberfläche zur oberen Hauptoberfläche des Substrats 29 gegeben. Der Diodenbereich umfaßt die p-Basisschicht 29 d und die n-Basisschichten 29 d und 29 c, und die Durchlaßrichtung der Diode ist durch die Richtung von der oberen Hauptoberfläche zur unteren Hauptoberfläche des Substrats 29 gegeben. Mit anderen Worten liegen der Thyristorbereich und der Diodenbereich nebeneinander bei mechanischer Vereinigung im Halb leitersubstrat 29, wobei ihre Durchlaßrichtungen umgekehrt sind.

Die Trägerelektrode 25 nutzt die ausgezeichnete elek trische und thermische Leitung der Kupfermatrix und die niedrige Wärmeausdehnung der Kohlenstoffasern aus, und der Wärmeausdehungskoeffizient der Trägerelektrode 25 läßt sich gleich dem des Halbleitersubstrats 29 machen, indem man das Mischverhältnis zwischen der Kupfermatrix und den Kohlenstoffasern entsprechend einstellt. Die Kohlenstoffasern sind in der Kupfermatrix in einer netzartigen, spiralförmigen, zufälligen oder anderen Anordnung verteilt, und eine dieser Anordnungen wird je nach den verschiedenen Anwendungsfällen gewählt.

Fett wird von der Oberfläche der Trägerelektrode 25 entfernt, und die Elektrode 25 wird in Wasser gewaschen. Dann taucht man die Elektrode 25 in eine 50%ige Sal petersäurelösung und schneidet anschließend eine Kupferlotschicht 32 mit einer Dicke von 10 µm galvanisch auf der Träger elektrode 25 ab. Die Kupferlotschicht 32 kann auch durch Aufdampfen abgeschieden werden.

Anschließend wird die Trägerelektrode 25 in H₂-Gas auf eine Temperatur von 200 bis 300°C erhitzt, um eine feste Haftung der Kupferlotschicht 32 an der Trägerelektrode 25 zu erzielen. Andererseits wird Aluminiumlot 31 mit einer Dicke von 15 bis 20 µm durch Aufdampfen auf der unteren Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats 29 abgeschieden, und dann wird das Substrat 29 10 min in N₂-Gas bei 400°C gehalten, um eine feste Haftung des Aluminiumlots 31 an der unteren Hauptoberfläche zu erreichen. Nachfolgend werden das Halbleitersubstrat 29 und die Trägerelektrode 25 in einer Einspannvorrichtung festgelegt und 20 min bei 520°C gehalten, um das Substrat 29 mit der Trägerelektrode 25 zu verbinden.

Das Aluminiumlot 31 wirkt als Hartlot für die p-Emitter schicht 29 a und nicht nur als Hartlot, sondern auch als Akzeptor für die n-Basisschicht 29 b. Jedoch ist, da das Halbleitersubstrat 29 und die Trägerelektrode 25 bei einer niedrigen Temperatur verbunden werden, die Bildung einer p-Schicht in der Oberfläche der n-Basis schicht 29 b gering, und daher steigt der FVD des Substrats 29 kaum.

Um die Bindefestigkeit des Aluminiumlots 31 und der Kupferlotschicht 32 mit der anderen Lots zu vergleichen, wurde eine Probe gebildet, in der Blei, Silber und Zinn ent haltendes Lot anstelle des Aluminiumlots 31 und der Kupferlotschicht 32 verwendet wurde. Die erwähnte Probe und eine Aluniniumlot und Kupferlotschicht verwendende Probe gemäß der Erfindung wurden einer Wärmedauerfestigkeitsprüfung unterworfen. Bei der Prüfung wurde ein Wärmezyklus, der eine Periode zum Aufheizen der Proben von 0 bis 150°C und eine andere Periode zum Abkühlen der Proben von 150°C auf 0°C umfaßte, wiederholt. Der Wärmewiderstand der Probe gemäß der Erfindung war auch nach einer 20 000fachen Wiederholung des Wärmezyklus gleich dem Anfangswert. Dagegen war der Wärmewiderstand der das Pb-Ag-Sn-Lot verwendenden Probe erheblich vermindert auch wenn der Wärmezyklus nur 10 000mal wiederholt worden war. Außerdem konnte bei einem Druckversuch die Probe gemäß der Erfindung Drücke bis zu 400 bar aus halten, während die das Pb-Ag-Sn-Lot verwendende Probe nur einen Druck von 100 bar aushalten konnte.

Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Kunststoff einbettungsdiode, bei der die obere und die untere Hauptoberfläche eines Halbleitersubstrats 49 mit Trägerelektroden verbunden sind.

Gemäß Fig. 4 enthält das Halbleitersubstrat 49 eine stark dotierte n-Schicht 49 a, eine schwach dotierte n-Schicht 49 b eine p-Schicht 49 c, und eine Nut 49 d ist in einem Umfangsteil der oberen Hauptoberfläche des Substrats 49 ausgebildet. Ein pn-Übergang liegt an einer Innenwand der Nut 49 d frei, und eine als Passivierschicht dienende Glasschicht 56 ist innerhalb der Nut 49 ausgebacken oder gesintert. Die untere und die obere Hauptoberfläche des Substrats 49 sind mit einer Trägerelektrode 45 bzw. einer Trägerelektrode 54 verbunden, die aus einem eine Kupfermatrix und Kohlen stoffasern enthaltenden Verbundmaterial, wie es im Zusammenhang mit dem in Fig. 3 veranschaulichten Aus führungsbeispiel erläutert wurde, hergestellt wurden.

Die untere Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats 49 ist mit einer Nickelschicht 58 versehen, auf der das Aluminiumlot 51 und die Kupferlotschicht 52 in dieser Reihenfolge vorgesehen sind.

Auf der oberen Hauptoberfläche des Substrats 49 sind Aluminiumlot 59 und eine Kupferlotschicht 60 in dieser Reihen folge vorgesehen.

Ein Kupferharzformteil 61 aus Epoxyharz od. dgl. ist rings um das Halbleitersubstrat 49 und die Trägerelek troden 45 und 54 vorgesehen. Weiter ist, um die Ein wirkung einer Beanspruchung, die durch die Wärme schrumpfung des Kunstharzformteils 61 infolge der Aushärtung des Kunstharzes entsteht, auf die Glasschicht 56 zu verhindern, ein Puffermaterial 62, wie z. B. Silikon kautschuk, auf der Glasschicht 56 vorgesehen.

Das in Fig. 4 veranschaulichte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von den in den Fig. 1 bis 3 veran schaulichten Ausführungsbeispielen dadurch, daß die Nickelschicht 58 auf der unteren Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats 49 vorgesehen ist. Wenn das Halb leitersubstrat 49 mit der Trägerelektrode 45 verlötet wird, diffundieren einige Kupferatome der Kupferlotschicht 52 durch das Aluminiumlot 51 in das Substrat 49. Die Kupferatome im Halbleitersubstrat 49 wirken als eine Art von Verunreinigung, die sich von einem Donator und einem Akzeptor, die den Leitungstyp des Substrats 49 bestimmen, unterscheidet. Mit anderen Worten wirken die Kupferatome als Lebensdauer-"Killer". Wenn eine hohe Sperrspannung über den pn-Übergang im Substrat 49 anliegt, erzeugt der Lebensdauer-"Killer" einen Leckstrom. Wenn der Leckstrom stark ist, kann das Substrat 49 die angelegte Sperrspannung nicht aushalten, und daher entsteht der Durchbruch. Wenn die Kupferatome in das Substrat 49 diffundieren, wächst also der Leckstrom, und die Durchbruchsspannung sinkt.

Die Nickelschicht 58 dient als Schirmschicht, die eine Diffusion der Kupferatome in das Substrat 49 ver hindert, wenn das Substrat 49 mit der Trägerelektrode 45 verlötet wird. Daher sinkt die Durchbruchsspannung des Substrats 49 nicht.

Das Aluminiumlot 51 haftet gut an der Nickelschicht 58, und die Nickelschicht 58 wird in ohmschem Kontakt mit dem Halbleitersubstrat 49 gehalten. Dementsprechend gibt es hinsichtlich der Verbindung zwischen dem Alu miniumlot und dem Halbleitersubstrat 49 kein Problem. Weiter wird, da die Nickelschicht 58 einen unmittelbaren Kontakt des Aluminiumlots 51 mit der n-Schicht 49 a verhindert, keine p-Schicht in der n-Schicht 49 a gebildet.

Die Verbindung zwischen dem Aluminiumlot 51 und der Kupferlotschicht 52 und die Verbindung zwischen dem Aluminiumlot 59 und der Kupferlotschicht 60 lassen sich bei einer niedrigen Temperatur erreichen. Daher wird das Halbleitersubstrat durch diesen Verbindungsvorgang kaum beeinträchtigt.

Die Nickelschicht 58 kann auch durch Titan, Chrom, Molybdän, Wolfram od. dgl. ersetzt werden.

Strahlkörper aus Aluminium werden gegen die Träger elektroden 45 und 54 gepreßt, wie im Zusammenhang mit dem in Fig. 1 veranschaulichten Ausführungsbeispiel erläutert wurde.

Wie die vorstehenden Ausführungen zeigen, kann er findungsgemäß ein Halbleitersubstrat fest mit einer Elektrode bei einer niedrigen Temperatur verbunden werden, ohne daß der Durchlaßspannungsabfall des Halbleiter substrats wächst.

Außerdem ist, obwohl die scheibenartigen Halbleiter anordnungen in den Ausführungsbeispielen gezeigt wurden, die Verpackung für Halbleiteranordnungen nicht auf diejenige des Scheibentyps beschränkt, sondern auch andere Verpackungen, wie z. B. eine Sockelmontagepackung, eine Glaseinformungspackung und eine hermetische Dosen typpackung, können verwendet werden.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Halbleiteranordnung mit wenigstens einem pn-Übergang in einem Silizium- oder Germanium-Halbleiter substrat, einer an wenigstens einem Teil einer Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats freiliegenden n-Halbleiterschicht und einer mit der Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats mittels Hartlots verbundenen Elektrode, wobei auf der Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats ein Aluminium als Hauptbestandteil enthaltendes Hartlot vorgesehen wird und die Verbindung der Elektrode mit dem Halbleitersubstrat unter Erhitzung erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Elektrode (10; 25; 45, 54) eine Kupferlotschicht (12; 32; 52, 60) abgeschieden wird und daß die Verbindung der Elektrode (10; 25; 45, 54) mit dem Halbleitersubstrat (9; 29; 49) unter gegenseitigem Kontakt des Hartlots (11; 31; 51, 59) und der Kupferlotschicht (12; 32; 52, 60) im Temperaturbereich von 450 bis unterhalb von 548°C vorgenommen wird.