DE1046198B - Legierungs-Verfahren zur Herstellung von elektrischen Halbleitergeraeten unter Pulvereinbettung - Google Patents

Description

DEUTSCHES

ti· ι \t u- j -m ^. j TTT j - Zusatz zum Patent 1015152

metallischen Verbindung von !elementen der IiI. und

V. Gruppe des Periodischen Systems, mit einer oder mehreren metallischen Elektroden versehen wird, die mit dem Halbleiter aufeinandergelegt und unter Anwendung von mechanischem Druck durch Erhitzung zusammenlegiert werden, wobei das aus Halbleiter und Elektradenmetall bestehende Einsatzaggregat zur Vorbereitung des Legierungsprozesses in Pulver einer mit den Bestandteilen des Einsatzes nicht reagierenden Substanz (Graphit, Magnesiumoxyd, Aluminiumoxyd od. dgl.) eingebettet und in diesem Zustand der Erhitzung bis zur Legierungsbildung ausgesetzt wird. Das Pulver bildet beim Zusammenpressen eine sich dem eingeschlossenen Einsatzaggregat von selbst genau anpassende Form, wobei von dem Pulver ein allseitiger Druck wie von einer Flüssigkeit auf den Einsatz ausgeübt wird.

Eine Vereinfachung des im Hauptpatent beschriebenen Verfahrens und der dazu verwendeten Vorrichtung ist möglich für den Fall, daß die unter der Halbleiterscheibe befindlichen Teile des Halbleiter-

aggregates eine gleichgroße oder größere Fläche haben —

als die Halbleiterscheibe selbst. Diese Voraussetzung „

läßt sich in der Regel ohne weiteres erfüllen, indem

man der unteren Elektrode eine genügende Größe gibt. das zur Aufnahme des Pulvers für die Einbettung Erfindungsgemäß wird das Einsatzaggregat nur ein- 30 geeignet ist, unmittelbar die Unterlage für das Einseitig in das Einbettungspulver eingebettet. Der Ar- satzaggregat. Eine solche Metallunterlage kann allbeitsvorgang zur Herstellung dieser einseitigen Ein- gemein verwendet werden, wenn das Einsatzaggregat bettung ist noch einfacher und leichter als bei der auf seiner Unterseite ein Metall aufweist, das mit dem allseitigen Einbettung. Bei einseitiger Einbettung wer- Metall der Unterlage nicht legiert oder verschweißt den ferner senkrechte Versetzungen vermieden, die bei 35 oder verlötet, wenigstens nicht bei der zum Zusam-

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Siemens-Schuckertwerke

Aktiengesellschaft,

Berlin und Erlangen,

Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Beanspruchte Priorität:
V. St v. Amerika vom 29. Januar 1957

Dipl.-Phys. Reimer Emeis, Pretzfeld,
ist als Erfinder genannt worden

allseitiger Einbettung vorkommen können, wenn die untere Bettung vor dem Drauflegen des Einsatzaggregates nicht über den ganzen Horizontalquerschnitt gleichmäßig dicht gepackt ist. Solche Versetzungen können bei sehr dünnen Halbleiterscheiben zum Bruch derselben führen, wenn die Einbettung zusammengepreßt wird. Die einseitige Einbettung ist also für sehr dünne Halbleiterscheiben, die bevorzugt für Transistoren benötigt werden, besonders gut geeignet.

menlegieren des Halbleiteraggregates erforderlichen Behandlungstemperatur von etwa 800° C bei Silizium und etwas niedriger, etwa 500 bis 600° C, bei Germanium.

Geeignete Trägermetalle für Silizium sind beispielsweise Molybdän und Wolfram, die bei den genannten Temperaturen und bei ausreichendem Preßdruck, durch den eine gleichmäßige Benetzung erzwungen mit Aluminium gut legieren,

wird, mit Aluminium gut legieren, ohne daß die

Weitere Einzelheiten sollen an Hand der Fig. 1 45 gleichzeitige Legierungsbildung des Aluminiums mit bis 3 erläutert werden. Silizium beeinträchtigt wird. Demgemäß besteht bei

Fig. 1 zeigt ein Einsatzaggregat, das zu einem Gleichrichterelement zusammenlegiert werden soll, in Magnesiumoxydpulver halb eingebettet,

Fig. 2 ein Transistorelement, das nach der Erfin- 50 18 vorteilhaft mit einer dünnen Schicht Fernico (Vadung hergestellt ist, und kon, Kovar) plattiert, welche bei der nachfolgenden

Fig. 3 mehrere Einsatzeinheiten in einem Quarz- Wärmebehandlung mit dem Metall der Unterlage, rohr unter Gewichtsbelastung. d. h. des Bodens des eisernen Behälters 17, weder ver-

Nach Fig. i bildet der Boden eines Eisengefäßes 17, schweißt noch verlötet, jedoch es später ermöglicht,

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dem Einsatzaggregat nach Fig. 1 die Trägerplatte 18 aus Molybdän. Sie ist auf ihrer Oberseite eben geläppt. Auf ihrer Unterseite wird die Molybdänscheibe

Anschlußleitungen, Kühlplatten und andere metallene Bauteile mittels eines üblichen Weichlotes an der Trägerplatte 18 anzulöten. Die Molybdänscheibe 18 hat beispielsweise eine Dicke von 0,5 mm und einen Durchmesser von 11 mm. Die Fernico-CVakon-, Kovar-) Plattierung auf der Unterseite möge 0,02 mm stark sain. Über der Trägerplatte befindet sich eine etwa 0,4 mm starke Halbleiterscheibe 8 α aus p-Silizium mit einem Durchmesser von etwa 10 mm und mit einer Aluminiumfolie 8 b, deren Stärke etwa 0,05 mm betragen kann, auf der Unter- und einer Goldfolie von etwa 1 % Antimongehalt, deren Stärke etwa 0,05 mm beträgt, auf der Oberseite, wobei allerdings der Durchmesser der Aluminiumfolie 8 b nicht kleiner sein soll als der Durchmesser der Siliziumscheibe Ba, aber auch nicht größer als der Durchmesser der Trägerplatte 18.

Besteht die Halbleiterscheibe jedoch beispielsweise aus η-leitendem Germanium, so wird man dieses vorteilhaft auf der Oberseite mit Indium legieren, damit auch hier sich der p-n-Übergang nicht etwa in der Nähe der von der Trägerplatte bedeckten Unterseite bildet, sondern «in der Nähe der freien Oberseite der Germaniumscheibe, wo er später leichter zugänglich ist, beispielsweise zur nachträglichen Ätzung der äußeren p-n-Grenze, an welcher die p-n-Übergangsfläche an die-Oberfläche der Halbleiterscheibe heraustritt. Auf der Unterseite der Germaniumscheibe kann eine antimonhaltige Goldfolie zur sperrfreien Kontaktierung verwendet werden. Die Wahl eines geeigneten Materials für eine Trägerplatte bietet bei Germanium wesentlich geringere Schwierigkeiten, weil Germanium bei weitem nicht so spröde ist wie Silizium. Obwohl dem Fachmann viele Materialien bekannt sind, sei als Beispiel Eisen genannt, welches auf der Oberseite vernickelt und vergoldet ist, was beispielsweise durch Bedampfen oder auf galvanischem Wege erfolgen kann. Auch die Unterseite der Eisenscheibe kann mit einem geeigneten Metall überzogen sein, welches das Anlöten von Anschlußleitungen oder metallischen Bauteilen mittels eines üblichen Weichlotes ermöglicht.

Das aus den Teilen 8 a, 85, 8 c und 18 bestehende Einsatzaggregat wird nach Fig. 1 innerhalb des Behältersl7 von oben her mit einer Schicht 20, z. B. aus Magnesiumoxydpulver, bedeckt, die ihrerseits mittels einer festen Scheibe 19, z. B. aus Graphit, gleichmäßig festgepreßt wird. Dann kann durch eine nachfolgende Wärmebehandlung, deren Art und Verlauf bereits oben beschrieben ist, das ganze Gleichrichteraggregat nach Fig. 1 in einem einzigen Arbeitsgang zusammenlegiert werden. Damit etwa entstehende Gase entweichen können, ist der Boden des Gefäßes 17 vorteilhaft an verschiedenen Stellen mit engen Bohrungen 22 versehen.

Natürlich kann das ganze Gefäß 17 auch aus anderem geeignetem Material bestehen. Es kann beispielsweise ein keramisches Gefäß sein, dessen Boden nach dem Brennen völlig eben geschliffen ist. Es kann auch aus einem festen Graphitstab von entsprechend großem Durchmesser auf einer Drehbank herausgearbeitet sein. An Stelle des Bodens des Gefäßes 17 kann auch eine besondere Unterlage verwendet werden. Eine solche kann aus neutralem Pulver, z. B. Magnesiumoxyd- oder Graphitpulver, mit sehr hohem Druck vorgepreßt und dadurch hinreichend verfestigt sein. Es kann auch eine gebrannte und eben geschliffene Keramikscheibe als Unterlage verwendet werden. Ferner können von einem festen Graphitstab Scheiben geeigneter Dicke von einige Millimetern, z.B. 5 bis 10mm, abgeschnitten und zwecks Verwendung als Unterlagen sauber plangedreht werden.

Zur Herstellung eines Transistorelementes nach Fig. 2 mit einem scheibenförmigen Halbleitergrundkörper 21 aus p-leitendem Silizium und mit einer antimonhaltigen Goldelektrode 23 als Kollektor auf der Unterseite der Siliziumscheibe wird vorteilhaft von einer gleichzeitigen Vereinigung mit einer Trägerplatte aus Molybdän oder Wolfram abgesehen, weil hier die Gefahr besteht, daß bei der Behandlung mit der genannten Temperatur von etwa 800° C die BiI-dung des p-n-Überganges durch Molybdän oder — in geringerem Grade — auch durch Wolfram, das durch Lösung in die Gold-Antimon-Silizium-Legierung mit hineingelangt, beeinträchtigt wird.

Es hat sich aber herausgestellt, daß bei Verwendung einer Goldfolie, deren Stärke ein Drittel der Dicke der Siliziumscheibe oder mehr beträgt, infolge des von Silizium verschiedenen Wärmedehnungskoeffizienten des Goldes mechanische Spannungen entstehen können, so daß z. B. Halbfeiterelemente mit einem Scheibendurchmesser von 10 mm und darüber und mit einer Dicke des Halbleiterkörpers von 0,1 mm nach der Abkühlung unter Umständen eine gewölbte Form haben. Diese mechanischen Spannungen können sich, selbst wenn sie nicht zur Rißbildung oder sogar zum Bruch des Siliziumkörpers führen, jedenfalls schädlich auf die Gitterstruktur und die elektrischen Eigenschaften des Halbleiterelementes auswirken. Die erwähnten mechanischen Spannungen können zwar durch Ver-Wendung dünnerer Goldfolien vermieden werden, weil sich dann die Goldlegierung beim Abkühlen reckt, aber bei solchen extrem dünnen Goldfolien von z. B. 0,025 mm und weniger wurden öfters Legierungsmangel beobachtet. Die vorerwähnten Schwierigkeiten konnten durch die Benutzung einer festen Unterlage ^un'd ^einer Erhöhung des Preß druckes während der Wärmebehandlung behoben werden, indem dadurch die Verwendung einer verhältnismäßig dicken Goldfolie ohne schädliche Folgen ermöglicht wurde. Bei einem Druck von etwa 1 kg/cm² oder mehr wird nämlich die Goldfolie in die feinen Porenöffnungen an der OberSeite der festen Unterlage aus Graphit, Magnesiutnoxyd oder Keramik mindestens teilweise hineingedrückt. Infolgedessen findet hier die goldhaltige Legierungsschicht beim Wiedererkalten auf ihrer ganzen Fläche einen gleichmäßigen Halt und wird dadurch gezwungen, sich zu recken, bzw. gehindert, in den beiden Dimensionen der Halbleiterebene zu schrumpfen, so daß das Halbleiteraggregat nach beendeter Behandlung keine schädlichen mechanischen Spannungen aufweist. Auf diese Weise wurden z.B. Halbleiterelemente aus p-leitendem Silizium von 0,1 mm Dicke und 12 mm Durchmesser mit einer Gold-Antimon-Folie von etwa 0,04 mm Stärke einwandfrei und ohne sichtbare Formänderung zusammenlegiert und mit gleichzeitig auf der Oberseite in Pulverbettung einlegierten Emitterund Basiselektroden aus Gold-Antimon-Folien bzw. Aluminiumfolien in Gestalt konzentrischer Ringe hochwertige Leistungs-Transistorelemente hergestellt. Die Anordnung der Emitter- und Basiselektroden ist ebenfalls aus Fig. 2 ersichtlich. Die ringförmige Emitterelektrode ist mit 24 bezeichnet. Von derselben befindet sich in Richtung nach dem Inneren des SiIizi.umkörpers 21 ein p-n-Übergang, der in der Schnittzeichnung durch gestrichelte Linien angedeutet ist. Ein in gleicher Weise angedeuteter p-n-Übergang befindet sich auch vor der Kollektorelektrode 23. Es wurde beobachtet, daß sich das Elektrodenmetall der letzteren beim Zusammenlegieren am Rande der dünnen SiIiziumscheibe nach oben zieht, so daß auch der p-n-Übergang der Kollektorelektrode an der freien Oberseite

der Siliziumscheibe an die Oberfläche tritt. Er bleibt infolgedessen auch dann bequem zugänglich und leicht zu beobachten, wenn das Transistorelement in an sich bekannter Weise mit seiner Unterseite auf einem weiteren Bau- und/oder Anschlußteil befestigt wird, z. B. auf einer Kühlplatte oder am Boden eines Gehäuses. Die Basiselektrode des Transistorelementes nach Fig. 2 besteht aus einem inneren kreisförmigen Teil 25 α und einem äußeren ringförmigen Teil 25 b. Zwischen diesen beiden Teilen einerseits und der ringförmigen Emitterelektrode 24 andererseits befinden sich ringförmige Zwischenräume, deren Breite 0,05 bis 0,1 mm beträgt und auf dem ganzen Umfang möglichst gleichmäßig sein soll. An die Teile 24, 25 α und 25 & können Anschlußleitungen mit Weichlot angelötet werden.

Fig. 3 zeigt im unteren Teil die Vorbereitung eines Einsatzaggregates zur Herstellung eines Transistorelementes gemäß Fig. 2. In einen Eisenbehälter 27 mit durchlöchertem Boden ist eine Einlage 26 aus Aluminiumoxydpulver mit so hohem Druck eingepreßt, daß sie eine feste Unterlage mit völlig ebener Auflagefläche bildet. Auf die letztere ist zunächst eine Gold-Antimon-Folie 23 gelegt, deren Durchmesser vorteilhaft etwas größer gemacht wird als der Durchmesser der darüber befindlichen Siliziumscheibe 21. Auf der oberen Seite der letzteren befindet sich eine kreisförmige Aluminiumfolie 25 α, eine ringförmige Gold-Antimon-Folie 24 und eine ebenfalls ringförmige Aluminiumfolie 25 b. Auf dieses Einsatzaggregat ist von oben her eine Bettung 28 aus Graphitpulver aufgebracht, die mittels einer darüber befindlichen festen Graphitscheibe 29 festgepreßt wird.

Gemäß Fig. 3 können mehrere solche Vorrichtungen wie die oben beschriebene in einem Rohr 30 von geeigneter Länge, von dem in Fig. 3 nur ein Teil im Schnitt dargestellt ist und das vorteilhaft aus Quarz bestehen kann, übereinandergestapelt werden. In Fig. 3 sind nur zwei solche Vorrichtungen dargestellt, es können aber bis zu zehn und mehr sein, die zusammen eine Ofencharge bilden. Zur Erzeugung des erforderlichen Preß druckes dient ein in das Quarzrohr 30 passendes zylinderförmiges Metallstück 31, von dem in Fig. 3 ebenfalls nur ein Teil zu sehen ist. Zwischen dem Gewicht 31 und der Graphitscheibe 29 der obersten Vorrichtung befindet sich ein Dorn 32, der an dem Gewicht 31 befestigt sein kann und durch den eine zentrische Druckübertragung gewährleistet ist. Ferner bildet der Dorn 32 einen Wärmeleitungswiderstand, der verhindert, daß von den Einbettungsvorrichtungen über das Gewichtstück 31 zu einer kälteren Zone des Heizofens so viel Wärme abgeführt wird, daß dadurch die Gleichmäßigkeit der Behandlungstemperatur der verschiedenen Bestandteile einer Ofencharge gestört werden könnte. Vorteilhaft besteht daher der Dorn 32 aus einem Material von geringer Wärmeleitfähigkeit, es kann z. B. ein Keramikröhrchen als Dorn verwendet werden. Das in der Zeichnung nicht sichtbare obere Ende des Ouarzrohres 30 ist vorteilhaft mit einem Schliff zum gasdichten Anschluß einer Vakuumpumpe versehen, mit der es evakuiert werden kann, nachdem es in den Heizofen so eingesetzt ist, daß das obere Ende herausragt, und mit der das Vakuum im Rohr 30 während der Behandlungsdauer aufrechterhalten werden kann.

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung von Halbleitergeräten, bei dem ein im wesentlichen einkristalliner Halbleiterkörper und Elektrodenmetall aufeinandergelegt und unter Anwendung von mechanischem Druck durch Erhitzung zusammenlegiert werden, wobei das aus Halbleiter und Elektrodenmetall bestehende Einsatzaggregat zur Vorbereitung des Legierungsprozesses in Pulver einer mit den Bestandteilen des Einsatzes nicht reagierenden Substanz eingebettet und in diesem Zustande der Erhitzung bis zur Legierungsbildung ausgesetzt wird nach Patent 1 015 152, dadurch gekennzeichnet, daß das Einsatzaggregat nur einseitig in das Einbettungspulver eingebettet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Einsatzaggregat auf eine feste, ebene Unterlage gelegt und nur von oben her mit Einbettungspulver umgeben wird.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruchs, dadurch gekennzeichnet, daß die feste, ebene Unterlage für das Einsatzaggregat aus einem Metall besteht, das bei den bei dem Verfahren anzuwendenden Temperaturen mit dem Einsatzaggregat weder legiert, verschweißt noch verlötet.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die feste, ebene Unterlage für das Einsatzaggregat aus einer plangeschliffenen Keramikscheibe oder Graphitscheibe besteht.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die feste, ebene Unterlage für das Einsatzaggregat aus einem mit sehr hohem Druck vorgepreßten neutralen Pulver besteht.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß topfartige Gefäße, vorzugsweise aus Eisen, vorgesehen sind, in die je ein Einsatzaggregat eingelegt wird, worauf sie mit dem Einbettungspulver gefüllt werden.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Böden der topfartigen Gefäße mit engen Bohrungen versehen sind.

8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Aufnahme eines Stapels von topfartigen Gefäßen ein einseitig geschlossenes Quarzrohr geeigneter Länge vorgesehen ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Quarzrohr mit einem Schliff zum gasdichten Anschluß einer Vakuumpumpe versehen ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

© 809 698/387 12.