DE3917768A1

DE3917768A1 - Bonded semiconductor diode and thyristor device prodn. - by vapour coating and pressure bonding in vacuum chamber

Info

Publication number: DE3917768A1
Application number: DE19893917768
Authority: DE
Inventors: Michael Dr Stoisiek; Heinz Dr Mitlehner; Herbert Dr Schwarzbauer; Manfred Wintzer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1989-05-31
Filing date: 1989-05-31
Publication date: 1990-12-06

Abstract

Prodn. of a semiconductor device is claimed, comprising a disc-shaped asymmetrically blocking thyristor (1) and a disc-shaped semiconductor diode (2) connected in series with the same polarity to form a structural unit with the thyristor, the blocking capability of the unit being determined by the thyristor in the thyristor forward direction and by the diode in the reverse direction. The novelty comprises (a) polishing the anode-side major face (13) of the thyristor (1) and the cathode-side face (14) of the diode (2) so that interference images show relatively few Newton's rings; (b) vacuum vapour depositing bond coat layers (27,28) of 20-100 Angstroms thickness onto the polished faces (13,14); (c) vapour depositing precious metal layers (31,32) of 40-200 Angstroms thickness onto the layers (27,28) while maintaining the vacuum; and (d) contacting and bonding the coated faces in the vacuum by applying pressure at room temp. ADVANTAGE - A strong durable bond with low ohmic junction resistance is produced without deformation of the semiconductor wafers and without reverse doping of the diode in the region of the diode/thyristor interface.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines Halbleiter-Bauelements hoher Sperrfähigkeit nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a method for manufacturing of a semiconductor device with high blocking capacity after Preamble of claim 1.

Ein Verfahren dieser Art ist aus der EP-B 01 67 929 bekannt. Dort werden der Thyristor und die Diode entweder unter Zwischenfügung oder unter Anfügung einer Trägerplatte, z. B. aus Molybdän oder Wolfram, zusammenlegiert. Dabei sind die anodenseitige Hauptfläche des Thyristors und die Kathoden seite der Diode einander zugekehrt. Nachteilig ist jedoch, daß der Legierungsprozeß bei etwa 700°C stattfindet und die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Materials der Trägerplatte und des verwendeten Halbleiter materials beim Abkühlen Spannungen hervorrufen, die zu einer Verformung der Halbleiterscheiben führen. Das hat zur Folge, daß der elektrische und thermische Übergangswiderstand der Kontaktflächen des Thyristors, der Diode und der Trägerplatte nicht so klein gehalten werden kann, wie das für viele Anwen dungen wünschenswert wäre. Durch die hohe Legierungstemperatur kann es zu einer teilweisen Umdotierung der kathodenseitigen n⁺-Zone der Diode kommen, die dann eine p⁺-dotierte Teilzone an ihrer kathodenseitigen Grenzfläche aufweist. Weiterhin ist die nach dem Legierungsprozeß vorzunehmende Aufbringung von Gatestrukturen auf der kathodenseitigen Thyristorhauptfläche wegen der genannten Verformung der Halbleiterscheiben im all gemeinen nicht mehr mit hoher Genauigkeit durchführbar.A method of this type is known from EP-B 01 67 929. There the thyristor and the diode are either under Intermediate or with the addition of a carrier plate, e.g. B. made of molybdenum or tungsten, alloyed. Here are the anode-side main surface of the thyristor and the cathodes side of the diode facing each other. However, the disadvantage is that the alloying process takes place at about 700 ° C and the different coefficients of thermal expansion of the Material of the carrier plate and the semiconductor used materials cause tension when cooling, which leads to a Deformation of the semiconductor wafers. As a result, that the electrical and thermal contact resistance of the Contact surfaces of the thyristor, the diode and the carrier plate cannot be kept as small as that for many users would be desirable. Due to the high alloy temperature there may be a partial redoping of the cathode side n⁺ zone of the diode come, which then a p⁺-doped sub-zone has at their cathode-side interface. Furthermore is the application of. after the alloying process Gate structures on the cathode-side thyristor main surface because of the aforementioned deformation of the semiconductor wafers in space general no longer feasible with high accuracy.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, bei dem diese Nachteile nicht auftreten. Das wird erfindungsgemäß durch eine Aus bildung nach dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 erreicht. The invention has for its object a method of Specify the type mentioned, in which these disadvantages do not occur. This is according to the invention by an off education according to the characterizing part of claim 1 reached.

Der mit dem Verfahren nach der Erfindung erzielbare Vorteil liegt insbesondere darin, daß eine sehr dauerhafte, hochbe lastbare und niederohmige Übergangswiderstände aufweisende Verbindung des Thyristors mit der Diode erreicht wird, ohne daß eine Deformation der Halbleiterscheiben entsteht, die die elektrischen und thermischen Eigenschaften der Verbindung ver schlechtert und ohne daß eine Umdotierung der Diode im Bereich ihrer Grenzfläche gegenüber dem Thyristor erfolgt.The advantage achievable with the method according to the invention is in particular that a very permanent, hochbe load-bearing and low-resistance contact resistances Connection of the thyristor to the diode is achieved without that there is a deformation of the semiconductor wafers, which the electrical and thermal properties of the connection ver deteriorates and without redoping the diode in the area their interface with the thyristor.

Bei einem aus der DE-A 36 33 266 bekannten Verfahren zum Ver binden eines scheibenförmigen Halbleiter-Bauelements mit einer metallischen Substratscheibe werden die miteinander zu ver bindenden Kontaktflächen poliert, anschließend in einer Vakuumanlage mit einer Schicht aus einem Haftgrund-Material versehen und ebenfalls im Vakuum mit einer Gold-Schicht be dampft. Die so behandelten Kontaktflächen werden bei Zimmer temperatur im Vakuum mit hinreichendem Druck aufeinanderge legt. Hinweise auf ein Verfahren zur besonders vorteilhaften Verbindung der anodenseitigen Hauptfläche eines Thyristors mit der Kathodenseite einer scheibenförmigen Halbleiterdiode sind hieraus jedoch nicht zu entnehmen.In a method known from DE-A 36 33 266 for Ver bind a disk-shaped semiconductor component with a metallic substrate disc are used to ver binding contact surfaces polished, then in a Vacuum system with a layer of a primer material provided and also in a vacuum with a gold layer steams. The contact surfaces treated in this way are at Zimmer temperature in vacuum with sufficient pressure sets. Indications of a method for particularly advantageous Connection of the anode-side main surface of a thyristor with the cathode side of a disk-shaped semiconductor diode however, cannot be inferred from this.

Die Ansprüche 2 bis 5 sind auf bevorzugte Ausgestaltungen des Verfahrens nach der Erfindung gerichtet.Claims 2 to 5 are based on preferred embodiments of the Method directed according to the invention.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer in der Zeichnung schematisch dargestellten Einrichtung, die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist, näher erläutert.The invention is based on one in the drawing schematically shown device to carry out of the method according to the invention is suitable explained.

Ausgegangen wird von einem scheibenförmigen, asymmetrisch sperrenden Thyristor 1 und einer scheibenförmigen Halbleiter diode 2, die miteinander zu einer baulichen Einheit zu ver binden sind. Der Thyristor 1 weist einen mit einer kathoden seitigen Elektrode 3 versehenen n-Emitter 4, eine p-Basis 5, eine n-Basis 6, einen p-Emitter 7 und eine zwischen den Teilen 6 und 7 angeordnete, n⁺-dotierte Stoppzone 8 auf. Letztere bewirkt, daß der Thyristor in Vorwärtsrichtung eine sehr hohe Sperrfähigkeit von z. B. 5 bis 10 kV besitzt, jedoch nur eine relativ niedrige Rückwärtssperrfähigkeit gegenüber Spannungen, die den n-Emitter 4 auf ein höheres Potential legen als den p-Emitter 7. Um einen solchen asymmetrisch sperrenden Thyristor zu einem insbesondere symmetrisch sperrenden Halb leiter-Bauelement zu ergänzen, wird diesem die Halbleiter diode 2 gleichpolig in Serie zugeschaltet, wobei diese eine n⁺-dotierte Schicht 9, eine n-dotierte Schicht 10 und eine p⁺-dotierte Schicht 11 aufweist. Die Schicht 11 wird von einer anodenseitigen Elektrode 12 kontaktiert. Zur gleichpoligen Zuschaltung der Diode 2 ist es erforderlich, die anodenseitige Hauptfläche 13 von 1 mit der Kathodenseite 14 von 2 elektrisch leitend zu verbinden, wobei eine dauerhafte und hochbelastbare Verbindung mit niedrigen elektrischen und thermischen Über gangswiderständen angestrebt wird. Dies geschieht in einer Vakuumanlage, bestehend aus einem Gehäuse 15, das mit einem Deckel 16 verschließbar ist und über ein Absaugrohr 17 mit einer Vakuumpumpe 18 in Verbindung steht. Der Thyristor 1 und die Diode 2 haben vorzugsweise die Form von sehr flachen kreisförmigen Scheiben, deren in vertikaler Richtung gemessene Dicke wesentlich kleiner ist als der jeweilige in lateraler Richtung gemessene Scheibendurchmesser. In der Zeichnung sind die lateralen Abmessungen der Teile 1 und 2 aus Gründen einer einfachen Darstellung stark verkürzt dargestellt.The starting point is a disk-shaped, asymmetrically blocking thyristor 1 and a disk-shaped semiconductor diode 2 , which are to be connected to one another to form a structural unit. The thyristor 1 has an n-emitter 4 provided with a cathode-side electrode 3 , a p-base 5 , an n-base 6 , a p-emitter 7 and an n + -doped stop zone 8 arranged between the parts 6 and 7 on. The latter causes the thyristor in the forward direction a very high blocking ability of z. B. 5 to 10 kV, but only a relatively low reverse blocking capability against voltages that place the n-emitter 4 at a higher potential than the p-emitter 7th In order to supplement such an asymmetrically blocking thyristor to form a particularly symmetrically blocking semiconductor component, the semiconductor diode 2 is connected in series with the same poles, with an n⁺-doped layer 9 , an n-doped layer 10 and a p⁺- has doped layer 11 . The layer 11 is contacted by an anode-side electrode 12 . For unipolar connection of the diode 2, it is necessary to connect the anode-side main surface 13 of Figure 1 with the cathode side 14 of 2 electrically conductive, wherein a permanent and high-strength combined with low electrical and thermal contact resistance is sought. This takes place in a vacuum system, consisting of a housing 15 , which can be closed with a cover 16 and is connected to a vacuum pump 18 via a suction pipe 17 . The thyristor 1 and the diode 2 are preferably in the form of very flat circular disks whose thickness measured in the vertical direction is significantly smaller than the respective disk diameter measured in the lateral direction. In the drawing, the lateral dimensions of parts 1 and 2 are shown in a greatly shortened form for the sake of a simple illustration.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren werden zunächst die anodenseitige Hauptfläche 13 von 1 und die Kathodenseite 14 von 2 außerhalb der Vakuumanlage in herkömmlicher Weise so weit poliert, daß sehr glatte Oberflächen entstehen, die im Interferenzbild jeweils nur wenige Newton-Ringe aufweisen. Anschließend werden die Teile 1 und 2 in das Gehäuse 15 ein gebracht, in dem sich ein Tiegel 19 befindet, der ein Haft grundmaterial, z. B. Titan, enthält. Dabei wird der Thyristor 1 von einer federnden Klammer 20 gehalten, die an einem Arm 21 befestigt ist, der mittels einer Hülse 22 auf einer durch 15 nach außen geführten Achse 23 drehbar gelagert ist. Eine weitere entsprechend gelagerte Hülse ist mit einem Arm 24 verbunden. Dieser weist eine endseitige, federnde Klammer 25 auf, die die Halbleiterdiode 2 hält. Durch Verdrehen der bei den Hülsen können die Teile 1 und 2 gegeneinander verschwenkt werden, wobei sich ihre Flächen 13 und 14 einander weitgehend annähern.According to the method according to the invention, the anode-side main surface 13 of FIG. 1 and the cathode side 14 of FIG. 2 outside the vacuum system are polished in a conventional manner to such an extent that very smooth surfaces are produced, each of which has only a few Newton rings in the interference pattern. Then the parts 1 and 2 are brought into the housing 15 , in which there is a crucible 19 which is an adhesive base material, for. B. Titan contains. In this case, the thyristor 1 is held by a resilient bracket 20 which is fastened to an arm 21 which is rotatably mounted by means of a sleeve 22 on an axis 23 guided through 15 to the outside. Another correspondingly mounted sleeve is connected to an arm 24 . This has an elastic spring 25 on the end, which holds the semiconductor diode 2 . The parts 1 and 2 can be pivoted against one another by rotating the sleeves, their surfaces 13 and 14 largely approaching one another.

Nach dem Evakuieren des Gehäuses 15 wird die elektrische Heizung 26 des Tiegels 19 eingeschaltet, so daß sich das Haft grundmaterial auf eine Temperatur von etwa 1700°C erhitzt. Dabei verdampft das Haftgrundmaterial, so daß in der gezeich neten Stellung der Arme 21 und 24 eine Haftgrundschicht 27 von etwa 20 bis 100 A Dicke auf der anodenseitigen Hauptfläche 13 des Thyristors 1 und eine entsprechende Schicht 28 auf der Kathodenseite 14 der Diode 2 aufgedampft werden. Anschließend wird ein weiterer Tiegel 29, der im Gehäuse 15 angeordnet ist und Gold enthält, unter Aufrechterhaltung des Vakuums mittels einer elektrischen Heizung 30 auf eine Temperatur von etwa 1100°C erhitzt. Dabei werden auf den Schichten 27 und 28 jeweils Goldschichten 31 und 32 von z. B. 40 bis 200 A Dicke aufgedampft. Die so beschichteten Flächen werden bei Zimmer temperatur durch Verschwenken der Arme 21 und 24 mit geringem Druck aufeinandergelegt. Dabei gehen die Goldschichten 31 und 32 eine so innige Verbindung miteinander ein, daß eine hoch belastbare Verbindung des Thyristors 1 und der Halbleiter diode 2 erfolgt. Der zuletzt genannte Schritt des Aufeinan derlegens der Schichten 31 und 32 erfolgt im Inneren des eva kuierten Gehäuses 5.After evacuating the housing 15 , the electric heater 26 of the crucible 19 is turned on, so that the adhesive base material is heated to a temperature of about 1700 ° C. The adhesive base material evaporates, so that in the drawn position of the arms 21 and 24 an adhesive base layer 27 of approximately 20 to 100 A thickness is deposited on the anode-side main surface 13 of the thyristor 1 and a corresponding layer 28 on the cathode side 14 of the diode 2 . A further crucible 29 , which is arranged in the housing 15 and contains gold, is then heated to a temperature of approximately 1100 ° C. while maintaining the vacuum by means of an electrical heater 30 . In this case, the layers 27 and 28 are gold layers 31 and 32 of z. B. evaporated 40 to 200 A thickness. The surfaces coated in this way are placed at room temperature on one another by pivoting the arms 21 and 24 with little pressure. The gold layers 31 and 32 enter into such an intimate connection that a highly resilient connection of the thyristor 1 and the semiconductor diode 2 takes place. The last-mentioned step of layering the layers 31 and 32 takes place inside the evacuated housing 5 .

Da die Verbindung der Schichten 31 und 32 bei Zimmertemperatur erfolgt und ein Eindringen der Schichten 27, 28, 31 und 32 in das Halbleitermaterial nicht stattfindet, ist das erfindungs gemäße Verfahren nicht mit den Nachteilen der herkömmlichen Legierungsverfahren behaftet. 3 stellt die kathodenseitige Elektrode und 12 die anodenseitige Elektrode der aus 1 und 2 gebildeten Thyristor-Dioden-Kombination dar. Eine die p-Basis 5 kontaktierende Gateelektrode des Thyristors 1 ist mit 33 bezeichnet. Since the connection of the layers 31 and 32 takes place at room temperature and the layers 27 , 28, 31 and 32 do not penetrate into the semiconductor material, the method according to the invention does not have the disadvantages of the conventional alloying methods. 3 shows the cathode-side electrode and 12 the anode-side electrode of the thyristor-diode combination formed from FIGS. 1 and 2. A gate electrode of the thyristor 1 contacting the p-base 5 is designated by 33 .

Anstelle der Titanschichten 27 und/oder 28 können im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens auch Schichten aus einer Chrom-Nickel-Legierung als Haftgrund für die Goldschichten 31 und 32 verwendet werden. Die Goldschichten können ihrerseits durch Silberschichten ersetzt werden.Instead of the titanium layers 27 and / or 28 , layers made of a chromium-nickel alloy can also be used as an adhesive base for the gold layers 31 and 32 in the process according to the invention. The gold layers can in turn be replaced by silver layers.

Zur Erhöhung der mechanischen Festigkeit des aus dem Thyristor 1 und der Diode 2 bestehenden Bauelements kann die Elektrode 12 der Diode 2 so weit vergrößert werden, daß sie die Schicht 11 ganzflächig bedeckt, wobei sie insbesondere aus Molybdän oder Wolfram hergestellt ist. Die Befestigung der Elektrode 12 auf der Schicht 11 erfolgt dabei zweckmäßigerweise nach dem aus der DE-A-36 33 266 bekannten Verfahren.To increase the mechanical strength of the component consisting of the thyristor 1 and the diode 2 , the electrode 12 of the diode 2 can be enlarged to such an extent that it covers the entire surface of the layer 11 , in particular being made of molybdenum or tungsten. The electrode 12 is expediently attached to the layer 11 by the method known from DE-A-36 33 266.

Claims

1. A method for producing a semiconductor component, consisting of a disk-shaped, asymmetrically lock the thyristor ( 1 ) and an equipotent in series, with the thyristor forming a structural unit, disk-shaped semiconductor diode ( 2 ), the blocking capability of the component in Forward direction of the thyristor ( 1 ) by this itself and in the opposite direction by the diode ( 2 ) be true, characterized in that the anode-side main surface ( 13 ) of the thyristor ( 1 ) and the cathode side ( 14 ) of the diode ( 2 ) so far are polished, that they each have only a few Newton rings in the interference pattern, that in each case layers ( 27 , 28 ) of a material serving as an adhesive base with layer thicknesses of approximately 20 to 100 A are evaporated onto the polished surfaces ( 13 , 14 ) in a vacuum system be that on these layers ( 27 , 28 ) while maintaining the vacuum each precious metal layers ( 31 , 32 ) with layer thicknesses vo n evaporated about 40 to 200 A who and that the anode-side main surface ( 13 ) of the thyristor ( 1 ) and the cathode side ( 14 ) of the diode ( 2 ) after this coating at room temperature with sufficient pressure in a vacuum and connected.

2. The method according to claim 1, characterized is characterized by the fact that it serves as a primer Titan exists.

3. The method according to claim 1, characterized is characterized by the fact that it serves as a primer a chrome-nickel alloy.

4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized characterized in that the precious metal layers are made of gold.

5. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized characterized in that the precious metal layers are made of silver.