DE2600321C3 - Verfahren zur Herstellung eines Glasüberzuges auf einer Halbleiteranordnung - Google Patents
Verfahren zur Herstellung eines Glasüberzuges auf einer HalbleiteranordnungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Glasüberzugs auf einer Halbleiteranordnung, bei
dem pulverförmiges Glas in einem flüssigen Dispersionsmedium dispergiert und die Dispersion vermittels
Elektrophorese auf die Halbleiteranordnung aufgebracht wird.
Der Vollständigkeit halber wird auf die US-PS 33 03 39S1 hingewiesen, aus der ein Verfahren zur
Herstellung eines Glasüberzugs auf einer Halbleiteranordnung bekannt ist, bei dem der unpolare gesättigte
Kohlenwasserstoff Hexan als Dispersionsmedium für pulverförmiges Glas verwendet wird. Diese Glasschicht
wird jedoch nicht mit Hilfe der Elektrophorese, sondern mechanisch aufgebracht.
Derartige Glasüberzüge können dazu dienen, an die Oberfläche tretende oder an der Oberfläche liegende
wesentliche Teile von Halbleiteranordnungen, z. B. PN-Über.gänge, die beim Betrieb verhältnismäßig
hohen Sperrspannungen ausgesetzt werden müssen, oder für atmosphärische Einflüsse empfindliche Teile zu
schützen.
Beim Anbringen derartiger Überzüge können lange dauernde Erhitzungsbehandlungen bei mäßiger Temperatur
die elektrischen Eigenschaften der Halbleiteranordnungen beeinträchtigen. Mit Rücksicht auf eine
angemessene abschirmende Wirkung gegen atmosphärische Einflüsse soll der Überzug eine genügende Dicke
aufweisen. Bei großen Schichtdicken besteht jedoch die Gefahr thermisch hervorgerufener Spannungen, die
eine beschädigung der Halbleiteranordnung zur Folge haben können. Um einen GlasUberzug mit angemessener
Dicke zu erhalten und lange Erhitzungsbehandlungen zu vermeiden, wurde nach einem aus der GB-PS
12 93 807 (Seite 6, Zeilen 99 bis IOD bekannten Verfahren die Glasschicht auf elektrophoretischem
Weg aus einer Dispersion feinkörniger Glasteilchen in einem Dispersionsmedium, wie Wasser, Methanol oder
Äthylacetat, abgelagert Die Ladung der Glasteilchen stammte von an den Teilchen haftenden Ionen. Eine
derartige abgelagerte Schicht weist eine genügende Haftung auf, um z. B. Spülbehandlungen aushalten zu
können. Für eine bessere Haftung und eine bessere abschirmende Wirkung ist danach eine nur kurzzeitige
ι ο Erhitzung bei mäßiger Temperatur ausreichend.
Es hat sich jedoch herausgestellt daß die elektrophoretische
Ablagerung oft nicht gleichmäßig über die Halbleiteroberfläche verteilt und die Ablagerung
manchmal völlig auf diejenigen Teile der Halbleiter-Oberfläche beschränkt ist die in der unmittelbaren Nähe
des für die Elektrophorese angebrachten Elektrodenanschlusses liegea Weiter wurde nun gefunden, daß
ungleichmäßige Überzüge bei der Herstellung verschiedener Typen von Halbleiteranordnungen in verschiedenem
Maße auftreten.
Ein erster Gedanke, der zu der vorliegenden Erfindung geführt hat ist der, daß die obengenannten
Erscheinungen mit Widerständen in der Halbleiterscheibe selbst im Zusammenhäng stehen können. Wie
2s Versuche nachgewiesen haben, tritt die ungleichmäßige
Ablagerung insbesondere stark bei denjenigen Halbleiterscheiben auf, die wenigstens größtenteils aus
Material verhältnismäßig hohen spezifischen Widerstandes bestehen.
Der Erfindung liegt nun weiter die Erkenntnis zugrunde, daß bei dem oben beschriebenen bekannten
Verfahren die verwendete Suspension eine verhältnismäßig hohe Leitfähigkeit aufweist wodurch das Glas
aus der Suspension bei Elektrophorese ungleichmäßig abgelagert wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Glasdispersionen zur elektrophoretischen Herstellung von
Glasüberzügen auf Halbleiterkörpern unterschiedlichster Art zu schaffen, mit denen über die gesamte
Halbleiteroberfläche sehr gleichmäßig verteilte Ablagerungen erreicht werden können.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die spezifische elektrische Leitfähigkeit der
Dispersion von Glasteilchen höchstens lO-'oOhm-1 cm-1 beträgt. Dabei ist die Tatsache zu
berücksichtigen, daß das Dispersionsmedium selbst eine geringere Leitfähigkeit als die mit diesem Medium
hergestellte Dispersion aufweist, so daß das flüssige Dispersionsmedium aus Flüssigkeiten mit einer spezifisehen
Leitfähigkeit von weniger als 10-10OhIn-1 cm-'
gewählt werden soll. Wasser und Methanol weisen z. B. eine spezifische Leitfähigkeit von mehr als
10-'0OhITi-1 cm-' auf; dies gilt auch für Äthylacetat.
Hydrolyse kann die Leitfähigkeit von Äthylacetat weiter erhöhen.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform wird ein unpolares Dispersionsmedium verwendet Ein solches
unpolares Dispersionsmedium weist eine Eigenleitfähigkeit von weniger als 10-'0OhIn-1 cm-' auf.
Es empfiehlt sich, das flüssige Dispersionsmedium aus den Kohlenwasserstoffen, vorzugsweise den gesättigten
Kohlenwasserstoffen, zu wählen. Diese weisen eine sehr geringe Eigenleitfähigkeit auf. Das Dispersionsmedium
braucht nicht aus einem einzelnen flüssigen Kohlenwasserstoff zu bestehen, sondern kann auch aus einem
flüssigem Gemisch von Kohlenwasserstoffen bestehen.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform enthält die Dispersion noch mindestens ein Hilfsdisper-
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform enthält die Dispersion noch mindestens ein Hilfsdisper-
giermittel in Form eines ionisierbaren Stoffes, der ein mehrwertiges Metall und mindestens ein Ion mit
mindestens einer unpolaren organischen Gruppe enthält Derartige Hilfsdispergiermittel sind an sich
bekannt Die Zersetzung eines solchen Hilfsdispergiermittels in einem unpolaren Dispersionsmedium wird
wahrscheinlich durch das Auftreten van-der-Waals'-scher-Kräfte
zwischen der unpolaren Flüssigkeit und der unpolaren Gruppe (Gruppen) des obengenannten
Ions ermöglicht, wodurch ein solches Ion in der unpolaren Flüssigkeit gelöst wird. Das mehrwertige
Metall mit daran noch gebundenen Gruppen bildet wahrscheinlich ein einwertiges komplexes Ion, das an
den Glasteilchen haftet, wodurch diese Teilchen eine gewisse Ladung erhalten, deren Vorzeichen dem der is
Ladung der in dein Dispersionsmedium gelösten Ionen entgegengesetzt ist Die an das mehrwertige Metall
gebundenen Gruppen des Ions können zu der Dispersion der Glasteilchen einen Beitrag liefern.
Van-der-Waals'sche-Kräfte sind im allgemeinen in
bezug auf elektrostatische Bindungskräfte zwischen Ionen entgegengesetzter Vorzeichen oder zwischen
einem Ion und einem Dipolmolekül gering. Um trotzdem eine Zersetzung des Hilfsdispergiermittels zu
ermöglichen, soll der unpolare Teil der in dem Dispersionsmedium gelösten Ionen verhältnismäßig
groß sein. Zum Beispiel kann der unpolare Teil aus einer
Kette einer aliphatischen Kohlenwasserstoffgruppe mit einer verhältnismäßig großen Anzahl von Kohlenstoffatomen
bestehen. Die Beweglichkeit des Ions, die einen entscheidenden Faktor für die Leitfähigkeit der
Dispersion bildet, ist durch die relative Größe des Ions sehr gering.
Weiter kann die niedrige Leitfähigkeit auch der verhältnismäßig niedrigen Konzentration an gelösten
Ionen, u.a. infolge eines niedrigen Zersetzungsgrades des Hilfsdispergiermittels, zugeschrieben werden. Die
dispergierten Glasteilchen sind von kompensierender Ladung aus einer Wolke gelöster Ionen umgeben, wobei
die Wolke in dem unpolaren Dispersionsmedium sehr dünn ist
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird der Dispersion außerdem ein Polymer als
Bindemittel für die Glasteilchen zugesetzt. Dadurch werden die Adhäsionskräfte zwischen den abgelagerten
Glasteilchen gefördert Ein derartiges polymeres Bindemittel fördert als verstärkendes und stabilisierendes
Agens die Dispersion fester Teilchen in einem unpolaren Dispersionsmedium. Insbesondere im vorliegenden
Fall der Suspension von Glasteilchen, die selber so einen polaren Aufbau besitzen, sind Polymere, die als
verstärkendes und stabilisierendes Agens wirken können, von besonderem Nutzen. Weiter besteht die
Möglichkeit, daß sie an den Teilchen haften und mit ihrem unpolaren Teil eine van-der-Waals'sche-Bindung
an die Moleküle des unpolaren Mediums fördern. Das Polymer kann Seitenketten von mindestens vier,
vorzugsweise zehn bis zwanzig Kohlenstoffatomen enthalten. Polymetacrylsäureverbindungen können besonders
geeignet sein. Bei einer etwaigen, nach der Ablagerung des Glasüberzugs durchgeführten kurzzeitigen
Erhitzungsbehandlung können derartige Verbindungen, u. a. durch Depolymerisation, schnell verchwinden.
Es stellt sich nun heraus, daß mittels des beanspruchten Verfahrens auf zweckmäßige Weise Glasüberzüge
gleichmäßiger Dicke auf Halbleiterscheiben mit verhältnismäßig hohen Widerstandswerten in lateralen Richtungen,
sogar auf Scheiben mit einem mittleren Flächenwiderstand in lateralen Richtungen von mindestens
500 Ω angebracht werden können.
Glasüberzüge sind für Halbleiteranordnungen mit PN-Obergängen, für die eine hohe Durchschlagspannung
erforderlich ist, von besonderer Bedeutung. Im allgemeinen wird bei der Herstellung derartiger
Halbleiteranordnungen von einer Halbleiterscheibe mit hohem spezifischem Widerstand ausgegangen, in der,
z. B. durch Diffusion, eine oder mehrere Zonen entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps angebracht werden.
Eine auf diese Weise behandelte Scheibe besteht fiber den größten Teil ihrer Dicke aus dem ursprünglichen
hochohmigen Material. Durch das bekannte Verfahren gemäß der GB-PS 12 93 807 werden gerade
in diesem Fall ungleichmäßige Glasablagerungen erhalten. Durch das beanspruchte Verfahren
können nun mit Erfolg Scheiben überzogen werden, die über den größten Teil ihrer Dicke aus Halbleitermaterial
mit einem spezifischen Widerstand von mindestens 20 Ohm cm bestehen.
Glasüberzüge werden bei Halbleiteranordnungen mit hochohmigen Substraten, wie Dioden mit hoher
Durchschlagspannung und vielen Thyristoren, dazu benutzt, niedrige Durchschlagspannungen infolge von
Randstörungen an den Stellen, an denen PN-Übergänge an die Halbleiteroberfläche treten, zu vermeiden. So
kann eine Halbleiterscheibe verwendet werden, die ein hochohmiges Substrat enthält auf dem auf mindestens
einer Seite mindestens eine Halbleiterzone anderer Leitfähigkeit und/oder anderen Leitfähigkeitstyps angebracht
ist Auf der anderen Seite der angebrachten Halbleiterzone(n) kann ein Netzwerk von Nuten bis in
das hochohmige Substrat angebracht werden, wonach der Glasüberzug aus der Dispersion in dem unpolaren
Dispersionsmedium ebenfalls in den Nuten abgelagert wird. Auf diese Weise können in den Nuten endende
PN-Übergänge mit einer stabilisierenden Glasschicht überzogen werden. Dadurch, daß sich die Nuten bis in
das hochohmige Material erstrecken, sind die verschiedenen, von den Nuten eingeschlossenen Halbleiterteile
miteinander nur noch durch hochohmiges Substratmaterial verbunden, wodurch nichtvernachlässigbare laterale
Widerstände in der Scheibe auftreten. Dies führt bei Anwendung der bekannten Dispersionen von Glasteilchen
in polaren Dispersionsmedien dazu, daß ein ungleichmäßiger oder sogar nur örtlicher Glasüberzug
entsteht, während durch das beanspruchte Verfahren ein Glasüberzug auf der gesamten Halbleiteroberfläche
in praktisch gleichmäßiger Dicke erhalten wird.
Ein weiterer wichtiger Aspekt des beanspruchten Verfahrens ist folgender. Bei der bekannten Ablagerung
gemäß der GB-PS werden nur halbleitende und gegebenenfalls metallisch leitende Oberflächenteile
überzogen, wohingegen vorhandene Isolierschichten, auch wenn sie verhältnismäßig dünn sind, unbedeckt
bleiben. Durch das beanspruchte Verfahren werden auch Oberflächenteile aus Isoliermaterial mit den
Glasteilchen überzogen. Dadurch kann eine bessere Abschirmung wesentlicher Teile der herzustellenden
Halbleiteranordnung erhalten werden.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. In diesem Ausführungsbeispiel
wird ein Glasüberzug auf einer scheibenförmigen Siliciumscheibe angebracht, die z. B. auf
folgende Weise erhalten ist:
L· wird von einer runden Scheibe aus einkristallinem
Silicium mit einem spezifischen Widerstand von etwa
50 Ω cm ausgegangen. Die Scheibe weist einen Durchmesser
von etwa 50 mm und eine Dicke von 200 μΐπ auf.
Sie wurde aus einem stabförmigen Einkristall in einer
(100)-Ebene geschnitten und anschließend durch Schleifen, Polieren und Ätzen auf die angegebene Dicke
gebracht
Durch an sich bekannte Techniken, z. B. Diffusionsvorgänge und gegebenenfalls epitaktische Ablagerung,
werden auf einer Seite eine oder mehrere für herzustellende Halbleiteranordnungen bestimmte Zonen
angebracht, welche einen anderen Leitfähigkeitstyp und/oder eine andere Leitfähigkeit als der übrige Teil
aus dem ursprünglichen Material der Scheibe aufweist (aufweisen). Dieser übrige Teil, der den größten Teil der
Scheibe beansprucht, wird hier nachstehend als das hochohmige Substrat bezeichnet Auf der Halbleiteroberfläche
auf der Seite der angebrachten Zone(n) kann noch eine Schicht aus Isoliermaterial, z. B. aus
Siliciumoxid, gemäß einem gewünschten Muster angebracht sein.
Auf der Seite der Scheibe, auf der die Ζοηφ)
angebracht ist (sind), werden nun Nuten, z. B. gemäß
einem Netzwerk von Ritzbahnen gebildet, entlang welchen die Scheibe in eine Anzahl von Halbleiteranordnungen
unterteilt werden kann. Diese Nuten können auf an sich bekannte Weise angebracht werden, wobei
zunächst eine etwaige Isoliermaterialschicht gemäß dem Nutenmuster entfernt wird. Nach dem gewünschten
Nutenmuster wird unter Verwendung einer ätzbeständigen Maskierung das Silicium anisotrop
geätzt und zwar bis zu einer Tiefe, die größer als die Dicke der angebrachten Zone(n) auf der betreffenden
Seite ist. Übergänge im Halbleitermaterial, z. B. zwischen einer solchen Zone und dem Substratmaterial,
können an den Nutenwänden an die Oberfläche treten.
Für die elektrophoretische Ablagerung eines Glasüberzugs auf der Halbleiteroberfläche wird eine
Dispersion von Glasteilchen in einem geeigneten flüssigen Dispersionsmedium hergestellt. Die Glasteilchen
bestehen aus einem geeigneten hochohmigen, für Halbleiterzwecke an sich bekannten Glas aus Basis von
Siliciumoxid, Bleioxid und Aluminiumoxid, das bei etwa 800 bis 8500C erweicht
Der Korndurchmesser der Glasteilchen liegt zwischen etwa 0,1 und 10 μηι mit einem Mittelwert von
etwa 3 μΐη.
Als flüssiges Dispersionsmedium wird ein Gemisch von Isoparaffinen mit 9 bis 12 Kohlenstoffatomen pro
Molekül, in diesem Fall ein käuflich erhältliches Gemisch, verwendet.
Für die zuzusetzenden Hilfsdispergiermittel wird ein
Gemisch verwendet, das enthält:
1 Gewichtsteil einer Calciumseife von Didecylester von Sulfobernsteinsäure,
1 Gewichtsteil einer Chromseife von A'kylsalicylaten,
deren Alkylgruppe 8 bis 14 Kohlenstoffatome enthalt,
1 Gewichtsteil eines Copolymers von Laurylstearylmethacrylat und 2-Methyl-5-vinylpyridin
und
3 Gewichtsteile eines geeigneten Lösungsmittels wie
Xylol.
Ein derartiges Gemisch ist käuflich erhältlich. 0,75 g dieses Gemisches wird nun in 1 Liter des vorgenannten
Gemisches von Isoparaffinen gelöst. Von diesem Gemisch bilden die Calciumseife und die Chromseife die
ionisierbaren Hilfsdispergiermittel. Das Copolymer bildet ein verstärkendes und stabilisierendes Agens.
In dem vorliegenden Beispiel wird noch ein weiteres verstärkendes und stabilisierendes Agens in Form einer
Laurylstearylpolymethacrylatlösung von 20 g/l des bereits genannten Gemisches von Isoparaffinen verwendet
Die Suspension wird nun wie folgt zusammengesetzt: 1 Liter des als Dispersionsmediums verwendeten
Gemisches der Isopraffuie werden zugesetzt:
10g der zu suspendierenden GiasteUchen,
20 ml des vorher hergestellten Hilfsdispergiermittelge-
misches und
10 ml der Polymethacrylatlösung.
10 ml der Polymethacrylatlösung.
Die spezifische Leitfähigkeit der Dispersion ist 5l0"n''
Die zu überziehende Halbleiterscheibe wird über einen Randteil mittels einer Klemme mit einem
elektrischen Anschluß verbunden, der aus Platin besteht,
und in die Suspension gehängt Eine Gegenelektrode in Form einer runden Platinscheibe mit einem Durchmesser
von 5 cm wird der Seite mit den Nuten gegenüber angeordnet, so da8 der gegenseitige Abstand der zu
behandelnden Scheibe und der Plattenelektrode an allen
Anschließend wird eine Spannung von 200 V an die Elektrode angelegt wobei der Halbleiterscheibe eine
negative Vorspannung in bezug auf die Gegenelektrode gegeben wird. Nach einer Zeitdauer von etwa 1 Minute
ist eine gleichmäßig dicke Schicht auf der Halbleiteroberfläche auf der mit den Nuten versehenen Seite mit
einer Dicke von etwa 15 μΐη angebracht die sowohl die
Halbleiteroberfläche als auch, wenn sie bereits vorhanden sind, die darauf liegenden Isolierschichtteile
bedeckt.
Nach Trocknung wird die Scheibe mit der aus Glasteilchen bestehenden Oberzugsschicht bei der die
Glasteilchen im wesentlichen durch Methacrylat gebunden sind, einer Erhitzungsbehandlung in Luft bei einer
Temperatur von 500°C während 10 Minuten unterworfen, wobei alle organisch-chemischen Bestandteile, wie
das Methacrylat teilweise durch Depolymerisation und Verdampfung, teilweise durch Oxidation verschwinden.
Dann werden die Glasteilchen zu einer dichten Glasschicht bei 9000C während etwa 7 Minuten
zusammengeschmolzen.
Vergleichsweise wurden ähnliche Halbleiteroberflächen
elektrophoretischen Oberzugsbehandlungen in einer Dispersion von Glasteilchen in Methanol als
Dispersionsmedium und AlCl3 als Hilfsdispergiermittel unterworfen.
Die spezifische Leitfähigkeit der Dispersion in Methanol lag zwischen 6 · 10~5 und
10 ■ ΙΟ-'Ω-'αη-'. Auch wurde eine Suspension in
Äthylacetat verwendet die eine spezifische Leitfähigkeit von 3 · lO-'Q-'cm-' aufwies. Die Scheiben
wurden nicht oder nur in der Nähe des angebrachten Elektrodenanschlusses auf elektrophoretischem Weg
mit einer Schicht aus den Glasteilchen überzogen. Wo bereits Isolierschichten vorhanden waren, wurde in
keiner dieser Dispersionen mit polaren Dispersionsmedien an irgendeiner Stelle dieser Schichten eine
Ablagerung von GiasteUchen erhalten.
Ähnliche Ergebnisse wurden bei der Behandlung von Halbleiterscheiben für Thyristoren erzielt bei denen zu beiden Seiten Zonen in eine hochohmige Siliciumscheibe eindiffundiert waren und ein Netzwerk von Nuten auf beiden Seiten bis in das Substrat angebracht waren.
Ähnliche Ergebnisse wurden bei der Behandlung von Halbleiterscheiben für Thyristoren erzielt bei denen zu beiden Seiten Zonen in eine hochohmige Siliciumscheibe eindiffundiert waren und ein Netzwerk von Nuten auf beiden Seiten bis in das Substrat angebracht waren.
Der laterale Flächenwiderstand dieser Scheiben betrug durchschnittlich 200 Ω. Zwei scheibenförmige Gegenelektroden
wurden dabei zu beiden Seiten der Halbleiterscheibe und in gleichen Abständen von dieser
Scheibe angebracht.
Es wird darauf hingewiesen, daß sich das beanspruchte Verfahren nie ι auf die obengenannten Ausführungs-
formen mit Dispersionen in unpolaren Mediei schränkt und daß auf entsprechende Weise HaIbI
scheiben aus einem anderen Halbleitermateria Silicium und/oder mit HeteroÜbergängen im Ra
des beanspruchten Verfahrens mit Glasüben versehen werden können.
Claims (6)
1. Verfahren zur Herstellung eines Glasüberzugs auf einer Halbleiteranordnung, bei dem pulverförmiges
Glas in einem flüssigen Dispersionsmedium dispergiert und die Dispersion vermittels Elektrophorese auf die Halbleiteranordnung aufgebracht
wird, dadurch gekennzeichnet, daß die spezifische elektrische Leitfähigkeit der Dispersion
höchstens 10-'° Ohm-' cm-' beträgt
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß ein unpolares Dispersionsmedium verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Dispersionsmedium aus
einem oder mehreren Kohlenwasserstoffen besteht
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß das Dispersionsmedium aus einem oder mehreren gesättigten Kohlenwasserstoffen
besteht
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Dispersion mindestens
ein Hilfsdispergiermittel in Form eines ionisierbaren Stoffes enthält, der ein mehrweniges
Metall und mindestens ein Ion mit mindestens einer unpolaren organischen Gruppe enthält
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet daß der Dispersion ein
polymeres Bindemittel beigemengt wird.
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