DE3224248A1 - Glaspassivierte halbleiteranordnung und verfahren zu deren herstellung - Google Patents

Glaspassivierte halbleiteranordnung und verfahren zu deren herstellung

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Description

Glaspassivierte Halbleiteranordnung und Verfahren zu deren Herstellung
Die Erfindung betrifft eine Halbleiteranordnung, bei welcher in einem Halbleiterkörper ein zentrisch gelegener Teil gegen einen peripheren Teil durch einen ersten ringförmig verlaufenden Einschnitt getrennt ist, wobei dieser Einschnitt von der Oberfläche des Halbleiterkörpers bis zu einer ersten geringeren Tiefe als der Dicke des Halbleiterkörpers entspricht, verläuft, und wobei im zumindest einen Teil des Halbleiterkörpers "zumindest zwei Bereiche entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps mit einem dazwischenliegenden pn-übergang ausgebildet sind. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Vielzahl solcher Halbleiteranordnungen auf einem einzigen großflächigen Halbleiterkörper.
Es ist bakannt, Thyristoren, Transistoren oder Dioden mit Glasschichten zu belegen, um Kanten des Halbleitermaterials oder freiliegende pn-Übergänge bzw. Grenzschich-; ten zu passivieren und zu schützen. Eine derartige Glaspassivierung geht aus der US-Patentanmeldung 897 323 vom 18. April 1978 mit dem Titel "Glass Encapsulated Diode", dem belgischen Patent Nr. 875 606, der US-Patentanmeldung 891 090 vom 28. März 1978 mit dem Titel "Glass Sealed Diode" und dem belgischen Patent Nr. 875 082 hervor. Die hierin beschriebenen Halbleiteranordnungen verwenden einen Halbleiterkörper mit schräg verlaufenden Kanten. Dies führt zu nicht-symmetrischen Anordnungen, wobei durch die Abweichung von der Symmetrie vergrößerte
WS328P-2if99 Spannungen durch
Spannungen durch die wechselnden Temperaturzyklen ausgelöst werden können.
Ein weiteres Beispiel einer Glaskapselung ist in der US-Patentanmeldung 970 04-5 vom 15. Dezember 1978 mit dem Titel "Glass-Sealed Multichip Process" und in der europäischen Patentanmeldung Nr. 79302905.9 beschrieben. Bei dieser bekannten Ausführungsform werden vorgeformte Glasringe benutzt. Diese vorgeformten Glasringe erfordern sehr aufwendige Oustiereinrichtungen, um eine richtige Positionierung des Form^lings und die Aufrechterhaltung der Positionierung während dem Schmelzvorgang und dem Verfestigen des Glases sicherzustellen.
Ein anderes Beispiel einer Glaskapselung ist in der US-Patentanmeldung 168 818 vom 10. CJuIi 1980 mit dem Titel "Glass Passivated High Power Semiconductor Devices" und in der europäischen Patentanmeldung 81105364.4 beschrieben. Diese Patentanmeldung lehrt ein Verfahren zur Herstellung einer Vielzahl von Halbleiteranordnungen auf einem großflächigen Halbleiterkörper und ist auch auf die durch das Verfahren hergestellte Halbleiteranordnung gerichtet. In dem Halbleiterkörper werden vertikal ausgerichtete ringförmige Einschnitte vorgesehen, welche von der Oberfläche bis zur Bodenfläche verlaufen. In die Einschnitte wird eine Glaspaste eingebracht und an Ort und Stelle verfestigt. Der auf diese Weise isolierte Bereich innerhalb des ringförmigen Einschnittes wird dann vom großflächigen Halbleiterkörper abgetrennt, indem ein Trennschnitt außerhalb des ringförmigen Einschnittes gelegt wird. Eine als Hochleistungsthn ristor ausgebildete Halbleiteranordnung dieser Art ist in der europäischen Patentanmeldung Nr. 81105364.4 beschrieben. Der Aufbau dieses Thyristors wird nachfolgend unter
WS32SP-2499 Be/mmahme auf
Bezugnahme auf Fig. 1 erläutert. Das aus dieser europäischen Patentanmeldung bekannte Herstellungsverfahren hat einige gravierende Nachteile. Zunächst müssen die Einschnitte sowohl von der Oberseite als auch von der Bodenseite in den Halbleiterkörper eingeätzt werden. Anschließend wird die Glaspaste in die Einschnitte eingebracht und das Glas ausgehärtet, wobei eine Vielzahl von Verfahrensschritten notwendig ist Diese größere Anzahl von Verfahrensschritten ist mit einer potentionellen Verringerung der Ausbeute verbunden. Ferner wird durch die Anbringung der Einschnitte zur Glaspassivierung an der Bodenfläche bzw. der Rückseite des Halbleiterkörpers die für die Ausbildung der Kontakte und die Anbringung einer Elektrode zur Verfügung stehende Fläche verringert, so daß sich eine Vergrößerung der thermischen Impedanz für die Halbleiteranordnung ergibt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleiteranordnung zu schaffen, das weniger Verfahrensschritte benötigt und'zu einer Halbleiteranordnung führt, die eine wesentlich geringere thermische Impedanz hat.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein zweiter ringförmiger Einschnitt von der Oberfläche des Halbleiterkörpers bis zu einer zweiten geringeren Tiefe als der ersten Tiefe in den Halbleiterkörper verläuft, daß der zweite ringförmige Einschnitt innerhalb des ersten ringförmigen Einschnittes liegt, daß ein verfestigtes Glas in dem zweiten Einschnitt angebracht und mit den Wänden des Einschnittes verbunden ist, daß der zweite Einschnitt zumindest einen Teil dos Halbleiterkörpers mit zumindest den zwei Bereichen entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps umfaßt, und daß die /weite Tiefe
WS328P-2499
größer als der Abstand zwischen der Oberfläche und dem pn-Übergang ist.
Das Verfahren gemäß der Erfindung sieht vor, daß ein zweiter ringförmig verlaufender Einschnitt von der Oberfläche aus innerhalb des ersten ringförmig verlaufenden Einschnitts angebracht wird, wobei der zweite Einschnitt sich in eine geringere Tiefe als der erste Einschnitt erstreckt, daß eine Glaspaste aus einem in einem Trägermittel enthaltenen Glaspulver in dem zweiten Einschnitt angebracht wird, daß das Trägermittel ausgetrieben und das Glas in dem zweiten Einschnitt .verfestigt wird, und daß der Halbleiterkörper längs der Außenseite des zumindest einen ersten ringförmigen Einschnittes abgetrennt wird.
Durch die Maßnahmen der Erfindung werden die angestrebten Ziele in vorteilhafter Weise erreicht.
Die Erfindung mit ihren Vorteilen und Merkmalen wird anhand von auf die Zeichnung bezugnehmenden Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 einen Schnitt durch einen bekannten Th\ristoraufbau mit einer Glaspassivierung;
Fig. 2 einen Schnitt durch einen Halbleiterkörper, welcher gemäß der Erfindung bearbeitet wurde;
Fig. 3 eine Draufsicht auf einen Halbleiterkörper, welcher gemäß der Erfindung bearbeitet wurde;
Fig. 4-, 5 und 6 Schnittdarstellungen des Halbleiterkörpers nach verschiedenen Bearbeitungsschritten;
WS328P-2*f99 Fig. 7
Fig. 7 einen Schnitt durch einen Thyristor gemäß der Erfindung;
Fig. 8 einen Schnitt durch einen Halbleiterkörper, der gemäß der Erfindung bearbeitet wurde;
Fig. 9 einen Schnitt durch einen Thyristor gemäß der Erfindung ;
Fig. 10 einen Schnitt durch einen Halbleiterkörper, der nach einem modifizierten Verfahren der Erfindung bearbeitet wurde.
Der in Fig. 1 dargestellte bekannte Hochleistungsthyristor 10 umfaßt einen Kathoden-Emitterbereich 12^ einen Kathoden-Basisbereich 1A-, einen Anoden-Basisbereich 16 und einen Anoden-Emitterbereich 18. Ein pn-übergang 20 ist zwischen den Bereichen 12 und ΙΛ,εΐη pn-übergang 22 zwischen den Bereichen 1k und 16 und ein pn-übergang Zk zwischen den Bereichen 16 und 18 ausgebildet. In den Halbleiterkörper erstrecken sich von der Oberfläche 28 aus Einschnitte 26, und zwar bis zu einer Tiefe, die unterhalb dem pn-Übergang 22 liegt. Entsprechend verlaufen Einschnitte 30 in den Thyristor bis jenseits des pn-Übergangs Zk.
Die Einschnitte 26 und 30 sind mit gehärtetem Glas 32 und 3k ausgekleidet, womit die pn-Übergänge 22 und Zk, welche in den Einschnitten enden, passiviert werden.
Die Glasschicht in den Einschnitten hat eine Dicke von etwa 1,27 χ 10 mm, wenn ein Blei-Aluminium-Borsilicat-
_ 2 glas Verwendung findet und eine Dicke von etwa 5x10 mm, wenn ein Zink-Borsilicatglas verwendet wird. Der Unterschied in der Dicke ergibt sich aufgrund der Tatsache,
WS328P-2499 daß Zink-Borsi1icatqlas
daß Zink-Borsilicatglas mehr an den Expansionskoeffizienten von Silicium angepaßt ist. Offensichtlich kann die Glasschicht dicker sein und etwa 5 χ 10 mm erreichen, wenn der Expansionskoeffizient des Blei-Aluminium-Borsilicatglases oder eines anderen geeigneten Glases dahingehend modifiziert wird, daß er an den Expansionskoeffizient von Silicium angepaßt ist, wie dies z. B. durch das Vorhandensein von Silicaflocken erreichbar ist.
Die Kathoden-Emitterelektrode 36 dient der ohm'schen Kontaktgabe zum Kathoden-Emitterbereich 12 und Kathoden-Basisbereich 14. Mit dem Kathoden-Emitterbereich 12 und dem Kathoden-Basisbereich 14 stehen freiliegende Gateelektroden 38 in elektrischer Kontaktverbindung. Ferner sind Gateelektroden 40 vorgesehen, welche mit dem Kathoden-Basisbereich 14 in ohmischer Kontaktverbindung stehen. Die Kathoden-Emitterelektrode 36, die freiliegende Gateelektrode 38 und die Gateelektrode 40 sind auf der Oberfläche 28 angeordnet.
Eine Anoden-Emitterelektrode 42 steht mit dem Anoden-Emitterbereich 18 längs der Bodenfläche 44 in ohm'scher Kontaktverbindung. Die Teile 46 an der äußeren Peripherie außerhalb der Einschnitt 26 und 30 sowie die Glasschichten 32 und 34 dienen der Passivierung des Thyristors.
Dieser bekannte Aufbau des Thyristors hat wesentliche Nachteile, da die Einschnitte von der Oberfläche und der Bodenfläche aus eingeätzt und das Aufbringen der Glasschicht in den Einschnitten eine Vielzahl von Herstellungsschritten benötigt. Dadurch werden nicht nur die Kosten, sondern auch die Ausschußquoten erhöht. Ferner wirkt sich eine Passivierungsschicht aus Glas in den Einschnitten auf der Bodenfläche oder auf der
WS328P-2499 Rückseite des
Rückseite des Halbleiterkörpers nachteilig dadurch aus, daß der für die Kontaktgabe der Elektrode zur Verfügung stehende Kontaktbereich verkleinert wird und die thermische Impedanz der Halbleiteranordnung zunimmt.
Der in Fig. 2 dargestellte Halbleiterkörper, vorzugsweise aus Silicium, ist besonders vorteilhaft in Verbindung mit der Erfindung einsetzbar, wenn eine glaspassivierte Halbleiteranordnung hoher Leistung und insbesondere ein Thyristor mit verhältnismäßig großen Flächen hergestellt werden soll. Wenn in diesem Zusammenhang von großen Flächen gesprochen wird, hat man die Vorstellung von Halbleiterkörpern, die einen Durchmesser in der Größenordnung von zumindest 12 mm haben. Es wurden bereits Halbleiteranordnungen auf Siliciumscheibchen hergestellt, deren Durchmesser in der Größenordnung von zumindest 15 mm bis zumindest 23 mm liegt. Halbleiteranordnungen mit einem Durchmesser von etwa 33 mm werden angestrebt.
Wenn im Zusammenhang mit Thyristoren von einer hohen Leistung die Rede ist, so werden darunter Spannungen in der Größenordnung von zumindest 1000 bis 1200 Volt und darüber verstanden.
Der Halbleiterkörper 50, welcher als Ausgangsmaterial betrachtet werden kann, hat einen Durchmesser von etwa 76 mm und darüber, eine Dicke von etwa 3 χ 10 mm und ist η-leitend mit einem Widerstand von A-O Ohm-cm.
Dieser Halbleiterkörper hat eine Oberfläche 52 und eine Bodenfläche 54, die im wesentlichen flach und parallel zueinander verlaufend ausgebildet sind. Ein Randbereich 58 erstreckt sich zwischen den Flächen 52 und 54.
WS328P-249? In Fig. 3
In Fig. 3 ist eine Draufsicht, und zwar auf die Oberfläche 52 des Halbleiterkörpers 50 dargestellt, welche mit einem chemischen Ätzresist belegt. Es kann z. B. das unter dem Warenzeichen Waycoat SC bekannte Material Verwendung finden. In der Oberfläche 52 sind eine Vielzahl von Einschnitten 56 eingeätzt, welche längs einer Kreislinie verlaufen. Die Tiefe der eingeätzten Einschnitte beträgt normalerweise zumindest 75 yam und ist in der Regel sogar tiefer. Auf jeden Fall sollte der Abstand χ von der Bodenfläche 54 zur Bodenfläche des Einschnittes so groß sein, daß x/2 zumindest gleich oder weniger als die Tiefe der nachfolgenden p-Diffusion ist. Die
_ Breite des Einschnittes beträgt üblicherweise etwa 6,3x10 mm in der Ebene der Oberfläche 56 des Halbleiterkörpers 50 Der Abstand y benachbarter Einschnitte beträgt etwa 12 mm.
Ein geeignetes Ätzmittel zum Herstellen der Einschnitte 56 besteht aus zwei Volumenteilen Salpetersäure, einem Volumenteil Fluorwasserstoffsäure und einem Volumenteil Essigsäure.
Nach dem Ätzen der Einschnitte 56 wird der Halbleiterkörper 50 gereinigt, und zwar indem er abwechselnd in Lösungen aus Wasserstoffperoxid (H-O-) ,wässriger Salzsäure (HCL-H?O) und in einer wässrigen Lösung aus Wasserstoff peroxid- Amoniumhydroxyd (H2O2-NH^OH-H2O) behandelt wird, wobei zwischen den einzelnen Reinigungsschritten eine Spülung in Wasser stattfindet.
Die wässrige Salzsäure besteht aus zwei Volumenteilen Salzsäure und 5 Volumenteilen Wasser sowie einem Volumenteil Wasserstoffperoxyd. Die Wasserstoff peroxyd - Amoniumhydroxydlösung besteht aus einem Volumenteil Wasserstoffperoxyd , einem Volumenteil Amoniumhydroxyd und 5 Volumenteilen Wasser. Das zum Spülen benutzte Wasser hat einen
WS328P-M99 Widerstand von
Widerstand von 18 M^Ohm.
In Fig. 4 ist der Halbleiterkörper nach den Verfahrensschritten dargestellt, mit welchen die Einschnitte eingeätzt und die Reinigung nach der Ätzung sowie die Dotierung durchgeführt wurde, wobei herkömmliche Diffusions- oder Epitaxial verfahren unter Verwendung von Fotomasken eingesetzt werden können. Auch in Fig. 4 ist nur ein Ausschnitt des Halbleiterkörpers 10 mit zwei nebeneinander liegenden Einschnitten 56 dargestellt. Dieser dargestellte Ausschnitt des Halbleiterkörpers kann zur Herstellung eines Hochleistungsthyristors Verwendung finden. Das Diffusionsprofil, wie es in Fig. dargesteltl ist und nachfolgend erläutert wird, führt zu einem Thyristor, der bei einer Spannung von etwa 1000 bis etwa 1200 Volt betrieben werden kann. Dabei ist davon auszugehen, daß das Diffusionsprofil die Tiefe der Übergänge und die Dotierungskonzentration entsprechend den gewünschten Charakteristiken des Thyristors eingestellt werden.
Der Thyristor 60 umfaßt einen Kathoden-Emitterbereich 62, einen Kathoden-Basisbereich 64 und einen Anoden-Basisbereich 66 sowie einen Anoden-Emitterbereich 68. Es sind drei pn-Übergänge zwischen benachbarten Bereichen vorgesehen, und zwar ein pn-Übergang 70 zwischen den Bereichen 62 und 64, ein pn-übergang 72 zwischen den Bereichen 64 und 66 und ein pn-Übergang 74 zwischen den Bereichen 66 und 68.
Der Kathoden-Emitterbereich 62 hat eine Dicke von etwa 15 bis 20 /im und ist η-leitend. Er ist mit einer Konzentration von etwa 10 Atomen/cm3 dotiert.
WS328P-2499 Der Kathoden-Basisbereich
- 15 Der Kathoden-Basisbereich 64 hat eine Dicke von etwa
65 bis Tb/xm und ist p-leitend, wobei seine Dotierung
1 7 eine Oberflächenkonzentration von etwa 5 χ 10 Atome/cm3
Der Anoden-Basisbereich 66 hat eine Dicke von etwa
1,6 χ 10 mm bis etwa 1,9 χ 10 mm und ist n-leitend, wobei sein Widerstand zwischen etwa 4-0 bis etwa 50 Ohm-cm liegt. Dieser Bereich 66 ist der nichtumgewandelte Teil des ursprünglichen Halbleiterkörpers 50 aus Silicium.
Der Anoden-Emitterbereich 68 hat eine Dicke von etwa 65 bis etwa 75/tm und ist p-leitend, wobei er mit einer
19 Oberflächenkonzentration bis zumindest 5 χ 10 Atome/cm3 dotiert ist. Wenn der Anoden-Emitterbereich 68 bis zu
19 einer Oberflächenkonzentration von weniger als 5 χ 10 Atome/cm3 dotiert ist, hat der Thyristor einen nicht annehmbar hohen Spannungsabfall im Durchlaßbereich.
Unter Bezugnahme auf Fig. 5 kann man erkennen, daß der in der Mähe des Einschnittes 56 liegende Bereich auch dazu benutzt werden kann, um einen dynamischen Gate-Thyristor 80 zu schaffen. In Fig. 5 sind alle Komponenten, die mit der Halbleiteranordnung gemäß Fig. 4 übereinstimmen, mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Der Unterschied im Aufbau zwischen diesen beiden Halbleiteranordnungen gemäß Fig. 4 und 5 besteht darin, daß 1. der dynamische Gate-Thyristor 80 einen Hauptkathoden-Emitterbereich 162 und einen Hilfkathoden-Emitterbereich 262 hat, wobei beide Bereiche kreisförmig sind. 2. ist zwischen dem Bereich 162 und dem Bereich 64 ein pn-Übergang 170 und zwischen dem Bereich 262 und dem Bereich ein pn-Übergang 270 ausgebildet. 3. erstrecken sich
WS328P-2499 die Teile
die Teile 82 des Kathoden-Basisbereiches 6k bis zur Oberfläche 52 des Gate-Thyristors 80.
In beiden dargestellten Anordnungen sind der Anoden-Basisbereich 66 und der Anoden-Emitterbereich 68 identisch
Ein bevorzugtes Verfahren zur Herstellung eines großflächigen Hochleistungsthyristors nach den Fig. k oder 5 werden die Bereiche 6A- und 68 im Halbleiterkörper 50 gemäß Fig. 2 durch Diffusion ausgebildet. Der Bereich besteht aus dem nichtdiffundierten η-leitenden Teil des Halbleiterkörpers 50. Anschließend wird die Oberfläche 52 in herkömmlicher Weise maskiert und für die Herstellung des Thyristors 60 gemäß Fig. 4- der Bereich durch Diffusion in dem gewünschten Teil der Oberfläche ausgebildet. Für den Fall des Gate-Thyristors 80 gemäß Fig. 5 wird die Oberfläche 52 maskiert und Emittersegmente 162 und 262 in den gewünschten Teilen der Oberfläche ausgebildet.
Bei einem alternativen Verfahren wird für den Gate-Thyristor 80 gemäß Fig. 5 die gesamte Oberfläche 52 diffundiert und ein kontinuierlicher η-leitender Kathoden-Emitterbereich geschaffen, der sich über die Oberfläche des Halbleiterkörpers 10 erstreckt sowie anschließend ein Fotomaskierverfahren benutzt. Die Abschnitte 82 des Bereiches 6h werden mit einer Diffusion durch den Kathoden-Emitter bereich an bestimmten Stellen ausgebildet.
Nach der Diffusion des Thyristors 60 gemäß Fig. A wird gemäß Fig. 6 ein zweiter Einschnitt 82 in den Halbleiteraufbau des Thyristors 60 eingeätzt. Dieser zweite Einschnitt 82 liegt innerhalb des ersten Einschnitts 56, d. h. der erste Einschnitt 56 umgibt den zweiten Einschnitt 82 vollständig. Für das Einätzen des zweiten
WS328P-24-99 Einschnittes
Einschnittes 82 werden dieselben Ätz- und Reinigungsschritte benutzt, wie sie vorausstehend für den Einschnitt 56 erläutert wurden. Der zweite Einschnitt 82 erstreckt sich in das Silicium des Halbleiterkörpers bis in den Bereich 66, d. h. durch den pn-übergang 72 hindurch. Dadurch werden sowohl der in Durchlaßrichtung vorgespannte pn-Übergang 70 und der in Sperrichtung vorgespannte pn-übergang 72 isoliert.
Die Breite des Einschnittes 82 ist in der Ebene der Oberfläche 52 etwa so groß wie die Breite des Einschnittes
_ 1 56, d. h., der Einschnitt ist etwa 6,3 χ 10 mm breit und hat eine Breite an der Bodenfläche 83 von etwa 3,8x10"1mm.
Der Abstand zwischen den Einschnitten 56 und 82 ist nicht kritisch. Um jedoch sicherzustellen, daß der Einschnitt 82 aufgrund der durch das Ätzen entstehenden Hinterschneidung nicht in den Einschnitt 56 vordringt und ferner, um sicherzustellen, daß der Einschnitt 82 sich über den horizontalen Teil 85 des pn-Übergangs 72 erstreckt und nicht über den vertikal verlaufenden Teil ist ein Abstand Z gemäß Fig. 6 vorgesehen, der bei einer
_ 1
Breite von etwa 7,6 χ 10 mm diese Voraussetzungen in der Regel erfüllt.
Ein geeignetes Glaspulver mit vorzugsweise einer Partikelgröße von etwa 10/tm wird anschließend mit einer geeigneten Substanz vermischt, damit eine Paste entsteht, welche mit Hilfe eines Siebdruckers in die Einschnitte eingebracht wird. Das gemäß der Erfindung verwendete Glas soll in erster Linie einen Expansionskoeffizient haben, der sehr nah bei dem von Silicium liegt, z. B. in einem Bereich von etwa 4 bis 6 χ 10" cm/cm/°C. Das
WS328P-2499 Material soll
Material soll im wesentlichen frei von Alkaliionen sein.
Im übrigen werden an das Glasmaterial noch folgende Forderungen gestellt:
1. Das Glas soll eine strukturelle Stabilität haben,
d. h. es darf nicht entglasen oder während des Fusionsvorgangs eine Phasenseparation auftreten.
2. Das Glas muß einen guten chemischen Widerstand gegen Einflüsse aus der Umgebung und Feuchtigkeit haben.
3. Das Glas muß eine Adhäsion zum Halbleitermaterial haben, das im Regelfall Silicium ist.
4. Das Glas darf die Oberfläche des Halbleitermaterials, im Regelfall Silicium, nicht chemisch angreifen bzw. anderweitig nachteilig beeinflussen.
5. Die thermischen Eigenschaften des Glases müssen derart sein, daß es bei Temperaturen entspannt werden kann, welche in den für die Bearbeitung des Halbleitermaterials üblichen Temperaturbereichen liegen.
6. Das Glas muß eine Fusionstemperatur haben, die unterhalb der Abbautemperatur der Halbleiteranordnung liegt.
7. Die fertige Halbleiteranordnung muß widerstandsfähig gegen termische Schock- und Wechselbelastung sein und eine gute mechanische Festigkeit haben.
Ein Glas, das diese Eigenschaften weitgehendst erfüllt, ist ein Blei-Aluminiumborsilioatglas und insbesondere
WS328P-2499 Gläser, welche
Gläser, welche eine grundsätzliche chemische Zusammensetzung der nachfolgenden Art haben.
Bestandteil Gewichts%
SiO2 30-4-0
B2O3 12-23
PbO 40- 48
Al2O3 •2-6
Ein geeignetes, kommerziell erhältliches Glas wird von der Firma Innotech unter der Typenbezeichnung IP745 angeboten und hat folgende Zusammensetzung:
Bestandteil Gewichts%
SiO2 36%±4%
B2O3 15**3*
Al2O3 3%±1%
PbO 45%+3%
Ein weiteres sehr geeignetes Glas wird von derselben Firma unter der Typenbezeichnung IP740 angeboten und hat normalerweise folgende Zusammensetzung:
Bestandteil Gewichts%
SiO2 40%
B2O3 8,2%
PbO2 49,3%
Al2O3 2,5%
WS328P-2499 Blei-Borsilicatgläser
Blei-Borsilicatgläser sind ebenfalls sehr gut geeignet und haben normalerweise folgende Zusammensetzung:
Bestandteil Gewichts%
SiO2 30-40
B2O3 12-23
PbO 40-48
Bestandteil °3
ZnO 2
Al2
SiO
Zink-Aluminiumsllicatgiäser sind ebenfalls geeignet, derartige Gläser haben normalerweise folgende Zusammensetzung :
Gewichts%
40-50
2-6 50-60
Ein anderes besonders geeignetes Glas ist ein Zink-Borsilicatglas und insbesondere das von den Danaer Glaswerken Schott & Gen. unter der Typenbezeichnung G027-002 angebotene Glas, welches normalerweise folgende Zusammensetzung hat:
Bestandteil Gewichts%
ZnO 40-50
B2O3 1-5
SiO2 50-60
WS328P-2499 Dieses Glas
Dieses Glas kann etwa 15 Gewichts% des SiO- in Form von Silicatteilchen enthalten. Die Substanz, mit welcher das Glas vermischt wird, um eine Paste zu schaffen, kann sowohl eine Flüssigkeit als auch eine Zusammensetzung von Flüssigkeiten sein, in welchen die Teilchen des Glaspulvers suspendiert gehalten werden und welche keinen nachteiligen Einfluß auf die Glasteilchen hat. Diese Substanz muß durch Erhitzen wieder austreibbar sein.
Geeignete Substanzen bestehen aus einem Gemisch aus Äthylzellulose und Butylcarbitol· Eine weitere sehr geeignete Substanz ist unter der Bezeichnung Nr. 400 von der Firma Electro-Science Laboratory erhältlich.
Eine bevorzugte Substanz bei der Verwendung von Zink-Borsilicatglas enthält 5 g Äthylzellulose und 150 ecm Butylcarbitol.
Eine Paste, die bei der Verwirklichung der Erfindung besonders vorteilhaft ist, besteht aus 40 g G027-002 Glaspulver mit einer Teilchengröße von 10 um und 35 cm3 Äthylzellulose-Butylcarbitol.
Die Paste wird in die Einschnitte 82 mit Hilfe eines Drucksiebes eingebracht, welches aus einem 165 flaschensieb besteht. Dabei werden mit der Paste die Einschnitte 82 voll ausgefüllt. Anschließend läßt man die Paste etwa 5 bis 15 Minuten sitzen, wobei sich eine Absetzzeit von 10 Minuten als besonders vorteilhaft gezeigt hat, damit sie in alle Teile der Oberfläche des Einschnittes eindringen kann.
Im Anschluß daran wird der Halbleiteraufbau für eine Zeit von etwa 8 bis 12 Minuten auf eine Temperatur von
WS328P-2499 etwa 100°C
etwa 10O0C bis 15O0C erhitzt, um die Trägermasse aus der Paste zu verdampfen. Dies kann normalerweise unter Einwirkung eines Heizstrahlers erfolgen.
Im Anschluß daran wird die Halbleiteranordnung in ein Quarzschiffchen eingelegt und in einem Glühofen auf eine Temperatur von etwa 4-50 C bis etwa 550 C für eine Zeitdauer von etwa 20 Minuten bis etwa 4-5 Minuten erhitzt Besonders vorteilhafte Ergebnisse haben sich bei 500 C und 30 Minuten Glühzeit eingestellt. Dieser Verfahrensschritt dient dem Zweck, alle Restteile des Trägermaterials aus der Glaspaste herauszutrennen. Aus diesem Grund kann die Zeitdauer der Einwirkung und die Höhe der Temperatur sehr unterschiedlich sein, je nachdem, welche Tragermaterialien verwendet werden.
Im Anschluß an diesen Verfahrensschritt wird, ohne daß der Halbleiter aufbau abkühlt, dieser auf eine Temperatur von etwa 65O0C bis 750 C und vorzugsweise 72O0C für eine Zeitdauer von etwa 45 Minuten bis 5 Minuten erhitzt, wobei etwa 10 Minuten als besonders vorteilhaft anzusehen sind. Durch diesen Schritt wird das Glas verfestigt und mit dem Silicium fest verbunden.
Wenn das Austreiben des Trägermaterials und das Härten bzw. Anschmelzen des Glases an seine Unterlage in ein und demselben Ofen ausgeführt wird, kann die Temperatur von etwa 5000C auf etwa 72O0C angehoben werden, wobei dies über eine Zeitdauer von etwa 10 bis 20 Minuten erfolgt. Nach dem Glühen bei vorzugsweise 72O0C für vorzugsweise 10 Minuten wird der Ofen abgekühlt, wobei ausgehend von etwa 720 C in 15 Minuten eine Temperatur von etwa 520 C bis 500 C erreicht wird. In diesem Temperaturbereich wird der Ofen für etwa 10 Minuten gehalten
WS328P-24-99 und anschließend
und anschließend die Temperatur weiter auf etwa 480 C in etwa 15 Minuten abgesenkt. Anschließend wird für etwa 20 Minuten die Temperatur bei etwa 48O0C gehalten, um dann auf etwa 410 C in weiteren 15 Minuten reduziert zu werden. Diese Temperatur wird für etwa 30 Minuten aufrechterhalten und anschließend wird der Ofen auf etwa Zimmertemperatur mit einer Rate von etwa 10 C pro Minute abgekühlt. Mit Hilfe dieses Kühl- und Temperzyklus werden aus dem Glas alle schädlichen Spannungen entfernt.
In Fig. 6 ist der Aufbau mit der verfestigten Glasschicht 84 dargestellt. Über dieser Glasschicht 84 wird eine weitere Schicht 86 aus einem geeigneten Fotoresist angebracht, wobei sowohl ein Fotoresist vom negativen als auch vom positiven Typ Verwendung finden kann, jedoch ein Fotoresist vom negativen Typ bevorzugt wird. Ein geeignetes Fotoresist vom negativen Typ ist unter der Bezeichnung KTFR und KMER von der Firma Hunts Waycoat SC und Eastman Kodak erhältlich.
Ein Fotoresist vom positiven Typ wird von der Firma Shipley unter der Bezeichnung 1350 und 1350H angeboten.
Nachdem Aufbringen der Fotoresistschicht 86 auf die Glasschicht 84 werden die durch den Thyristor 60 repräsentierten Thyristoren durch Zerschneiden des Halbleiterkörpers 50 gewonnen, wobei ein Laser Verwendung findet. Der Fotoresist dient dabei dem Schutz des Glases vor geschmolzenen Siliconteilchen, die während des Schneidens mit dem Laser entstehen können. Für diesen Zweck geeignete Laser sind kommerziell z. B. bei der Firma Quantronix Corp. unter der Bezeichnung Modell 604 erhältlich.
Die Thyristoren 60 werden durch Schneiden des Halbleiterkörpers 50 entlang den Linien 88 gewonnen, welche etwa
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in einem Abstand von 0,5 bis etwa 1 mm von der Außenkante 90 des ersten ringförmig verlaufenden Einschnittes 56 verlaufen. In der Praxis wurden die Schnitte normalerweise in einem Abstand von 1,5 mm von der Innenkante 92 des Einschnittes 56 gelegt. Der Abstand von der Innenkante 92 oder der Außenkante 90 des Einschnittes 56, entlang welchem die Schnittlinie 88 verläuft, ist nicht kritisch .
Bei dem in Fig. 7 dargestellten Verfahrensschritt werden die elektrischen Kontakte bzw. Elektroden 90, 94 und 96 als Anodenelektrode, als Gateelektrode und als Kathodenelektrode angebracht, um den Thyristor fertigzustellen.
In Fig. 8 ist ein dynamischer Gate-Thyristor 80 gemäß Fig. 5 dargestellt, in welchem entsprechend der Lehre der Erfindung ein zweiter Einschnitt 82 ausgebildet und mit einer Glasschicht 84 ausgefüllt ist. Diese Glasschicht 84 ist ebenfalls mit einer Fotoresistschicht belegt.
Die vorausstehend erwähnten Schritte der Ausbildung des Einschnittes 82, des Ausfüllens dieses Einschnittes mit Glas 84, das Verfestigen und Aushärten des Glases sowie das Belegen de,s Glases mit einer Fotoresistschicht werden alle nach der Lehre der Erfindung ausgeführt.
Der Thyristor wird dann von dem großen Halbleiterkörper durch Schnitte entlang den Linien 88 abgetrennt, wobei wie bereits erwähnt ein Laserstrahl Verwendung findet. Nach dem Abtrennen mit dem Laserstrahl werden die Elektroden an der Kathode, Anode und am Gate befestigt, wobei vorzugsweise Bimetallelektroden Verwendung finden, die aus einer ersten Schicht mit einer Dicke von etwa
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1500 Angstrom Titan (Ti) und einer zweiten Schicht mit einer Dicke von etwa 20000 Angstrom Silber (Ag) bestehen. Die Metallelektroden können durch Aufdampfen oder Aufsprühen angebracht werden.
Die Metallisation oder Befestigung der Elektrode wird vorzugsweise unter Verwendung einer Schattenmaske vorgenommen, welche den Kathoden-Emitter und das Gate auf der einen Oberfläche und den Anoden-Emitter auf der entgegengesetzten Oberfläche definiert.
Nach dem Anbringen der Elektroden wird die Fotoresistschicht 52 vom Glas bei einer Umgebungstemperatur von etwa 4-000C abgebrannt.
In Fig. 9 ist der fertiggestellte Hochleistungs-Gate-Thyristor 80 dargestellt. Dieser dynamische Gate-Thyristor 80 umfaßt einen Kathoden-Emitterbereich 162, einen Hilfsemitterbereich 262, einen Kathoden-Basisbereich 6k, einen Anoden-Basisbereich 66 und einen Anoden-Emitterbereich 68. Zwischen den Bereichen 162 und 6k ist ein pn-übergang 170, zwischen den Bereichen 262 und 64 ein pn-Übergang 270, zwischen den Bereichen 6k und 66 ein pn-übergang 72 und zwischen den Bereichen 66 und 68 ein pn-Übergang 7k ausgebildet. Der erste Einschnitt erstreckt sich von der Oberfläche 52 in den Thyristor bis zu einer Tiefe, welche einen vorgegebenen Abstand χ zur Bodenfläche ergibt. Ein zweiter Einschnitt 82, der von dem ersten Einschnitt 56 umgeben ist, erstreckt sich von der Oberfläche des Thyristors in eine zweite vorgegebene Tiefe. Diese zweite vorgegebene Tiefe ist größer als der Abstand zwischen der Oberfläche 52 und dem pn-Übergang 72.
WS328P-2499 In dem
In dem zweiten Einschnitt 82 ist ausgehärtetes Glas 8k angebracht. Das verfestigte und ausgehärtete Glas in
_ 2 den Einschnitten kann eine Dicke von etwa 1,2 χ 10 mm haben, wenn Blei-Aluminiumborsilicatglas verwendet wird, jedoch ist eine Dicke von etwa 5 χ 10 mm vorgesehen, wenn Zink-Borsilicatglas Verwendung findet. Der Unterschied in der Dicke entsteht aufgrund der Tatsache, daß das Zink-Borsilicatglas besser an den Expansionskoeffizienten des Silicium angepaßt ist. Selbstverständlich können auch andere Glaskombinationen Verwendung finden, wobei durch geeignete Modifikation eine Annäherung an den Expansionskoeffizienten des Siliciums, z. B. durch Einbringen von Silicaflocken, möglich ist. In einem solchen Fall können Glasschichten bis zu einer Dicke von etwa 5 χ 10 mm Verwendung finden.
In dem Aufbau gemäß Fig. 9 ist eine Kathoden-Emitterelektrode 90, eine Hilfsemitterelektrode 92, ein Gate-Kontakt 9k und eine Anoden-Emitterelektrode 96 vorgesehen. Über die Kathoden-Emitterelektrode 90 wird ein ohm'scher Kontakt zu den Bereichen 162 und 6k hergestellt. Die Hilfsemitterelektrode 92 steht mit den Bereichen 270 und 6k elektrisch in Verbindung. Die Gateelektrode 9k ist elektrisch an den Bereich 6k angeschlossen, wogegen die Anoden-Emitterelektrode 96 mit dem Bereich 68 in ohm'scher Kontaktverbindung steht.
Die nach der Lehre der Erfindung hergestellten Thyristoren können in Kunstharz oder in·einer anderen bekannten Weise gekapselt sein. Bei einer Kapselung des Thyristors in einem kommerziell erhältlichen Siliconkunstharz vom Typ GE SR112 wurde als besonders vorteilhaft ermittelt, wobei Standzeiten von über 500 Stunden erreicht wurden. Für bestimmte Spannungsverhältnisse kann es
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unpraktisch sein, tiefe Einschnitte von nur einer einzigen Oberfläche aus einzuätzen. In einem solchen Fall wird der erste Einschnitt in den Halbleiterkörper sowohl von der Oberfläche als auch von der Bodenfläche aus eingeätzt. In Fig. 10 ist ein derartiger Aufbau gezeigt, wobei wiederum von einem Halbleiterkörper 50 ausgegangen wird, der vorzugsweise einen Durchmesser von etwa 7,5 cm hat und aus einem η-leitenden Silicium besteht. Von der Oberfläche 52 aus ist ein Einschnitt 56 und von der Bodenfläche 5k aus ein Einschnitt 156 in den Halbleiterkörper vorgetrieben. Diese Einschnitte werden in der vorausstehenden Weise durch Ätzen ausgebildet. Der Abstand χ zwischen den Einschnitten 56 und 156 ist derart, daß x/2 gleich oder kleiner als die Diffusionstiefe der nachfolgenden p-Diffusion ist.
Selbstverständlich können sowohl p- als auch n-leitende Bereiche in dem Halbleiterkörper durch Diffusion oder Epitaxial verfahren hergestellt werden. Nach diesen Diffusion- oder Epitaxialdiffusionsverfahren wird der Einschnitt 82 ausgebildet, wie bereits vorausstehend erläutert wurde. Anschließend wird die Passivation mit Glas durchgeführt. Nach dem Anbringen der Elektroden wird mit einem Laser der Halbleiterkörper zerschnitten, um die einzelnen Thyristoren zu gewinnen.
Unabhängig von der vorausstehenden Erläuterung der Erfindung bei der Herstellung von Thyristoren kann diese auch bei der Herstellung von Dioden und Transistoren Verwendung finden. Für den Fachmann ist es selbstverständlich, dieselben Maßnahmen für diese Halbleitertypen anzuwenden.
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Claims (1)

  1. Patentansprüche
    /11 Halbleiteranordnung, bei welcher in einem Halbleiterkörper ein zentrisch gelegener Teil gegen einen peripheren Teil durch einen ersten ringförmig verlaufenden Einschnitt getrennt ist, wobei dieser Einschnitt von der Oberfläche des Halbleiterkörpers bis zu einer ersten geringeren Tiefe als der Dicke des Halbleiterkörpers entspricht, verläuft, und wobei in zumindest einem Teil des Halbleiterkörpers zumindest zwei Bereiche entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps mit einem dazwischenliegenden pn-übergang ausgebildet sind,
    dadurch gekennzeichnet,
    - daß ein zweiter ringförmiger Einschnitt (82) von der Oberfläche des Halbleiterkörpers bis zu einer zweiten geringeren Tiefe als der ersten Tiefe in den Halbleiterkörper verläuft,
    - daß der zweite ringförmige Einschnitt innerhalb des ersten ringförmigen Einschnittes (56) liegt,
    - daß ein verfestigtes Glas (84·) in dem zweiten Einschnitt angebracht und mit den Wänden des Einschnittes verbunden ist,
    FS/B
    - daß der zweite Einschnitt (82) zumindest einen Teil des Halbleiterkörpers mit zumindest den zwei Bereichen (14, 16; 64·, 66) entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps umfaßt,
    - und daß die zweite Tiefe größer als der Abstand zwischen der Oberfläche (28; 52) und dem pn-Übergang (22; 72)
    2. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
    - daß das Glas in den Einschnitten ein Blei-Aluminium-Borsilicatglas ist.
    3. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1,, dadurch gekennzeichnet,
    - daß das Glas in den Einschnitten ein Zink-Borsilicatglas ist.
    4. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
    - daß der zentrisch innerhalb des Einschnitts gelegene Teil des Halbleiterkörpers vier Leitfähigkeitsbereiche umfaßt, wobei benachbarte Bereiche vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp und durch einen pn-Übergang getrennt sind .
    5. Verfahren zur Herstellung einer Vielzahl von mit Glas passivierten Halbleiteranordnungen auf einem großflächigen Halbleiterkörper, wobei in dem Halbleiterkörper von der Oberfläche aus zumindest ein ringförmig verlaufender Einschnitt angebracht wird, dadurch gekennzeichnet,
    - daß ein zweiter ringförmig verlaufender Einschnitt
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    von der Oberfläche aus innerhalb des ersten ringförmig verlaufenden Einschnitts angebracht wird, wobei der zweite Einschnitt sich in eine geringere Tiefe als der erste Einschnitt erstreckt,
    - daß eine Glaspaste aus einem in einem Trägermittel enthaltenen Glaspulver in dem zweiten Einschnitt angebracht wird,
    - daß das Trägermittel ausgetrieben und das Glas in dem zweiten Einschnitt verfestigt wird,
    - und daß der Halbleiterkörper längs der Außenseite des zumindest einen ersten ringförmigen Einschnittes abgetrennt wird.
    6. Verfahren nach Anspruch 5,
    dadurch gekennzeichnet,
    - daß nach der Ausbildung des ersten Einschnittes durch Diffussion zumindest ein zweiter Leitfähigkeitsbereich im Halbleiterkörper ausgebildet wird, wobei dieser Leitfähigkeitsbereich eine gegenüber der ursprünglichen Leitfähigkeit des Halbleiterkörpers entgegengesetzte Leitfähigkeit hat.
    7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet,
    - daß die Glaspaste zu Teilen aus Blei-Aluminium-Borsilicatglas und Zink-Borsilicatglas besteht.
    8. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch ge k e nnzeichnet ,
    - daß die Glaspaste zu Teilen aus Zink-Borsilicatglas besteht.
    9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet,
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    - daß die Glaspaste als Trägermittel Äthylzellulose und Bethylcarbitol enthält.
    10. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet,
    - daß die Glaspaste für A-O Gramm Zink-Borsilicatglas, 35 cm3 Äthylzellulose und Betylcarbitol enthält.
    11.Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch, gekennzeichnet,
    - daß das Glas mittels Siebdruck in die Einschnitte eingebracht wird.
    12. Verfahren "nach einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet,
    - daß nach dem Einbringen der Glaspaste diese für bis 15 Minuten vor dem Austreiben des Trägermittels ruhengelassen wird.
    13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet,
    - daß die Glaspaste für etwa 10 Minuten vor dem Austreiben des Trägermittels ruhengelassen wird.
    1A-. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche bis13, dadurch gekennzeichnet,
    - daß das Trägermittel durch Erhitzen ausgetrieben wird, wobei Temperaturen von etwa 100 C fü von etwa 8 bis 12 Minuten einwirken.
    wobei Temperaturen von etwa 100 C für eine Zeitdauer
    15. Verfahren nach Anspruch IA-, dadurch gekennzeichnet, - daß das Glas verfestigt und gehärtet wird, indem es für eine Zeitdauer von etwa 20 Minuten bis etwa 4 5 Minuten
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    auf einer Temperatur von etwa 4-50 C bis etwa 550 C gehalten wird und anschließend für eine Zeitdauer von etwa 45 Minuten bis etwa 5 Minuten bei einer Temperatur von etwa 650 C bis etwa 750 C geglüht wird.
    16. Verfahren nach Anspruch 1A-, dadurch gekennzeichnet, - daß das Glas durch Glühen für 30 Minuten bei etwa 5000C und anschließend für 10 Minuten bei etwa 72O0C verfestigt und ausgehärtet wird.
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