DE2643147A1 - Halbleiterdiode - Google Patents

Halbleiterdiode

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DE2643147A1
DE2643147A1 DE19762643147 DE2643147A DE2643147A1 DE 2643147 A1 DE2643147 A1 DE 2643147A1 DE 19762643147 DE19762643147 DE 19762643147 DE 2643147 A DE2643147 A DE 2643147A DE 2643147 A1 DE2643147 A1 DE 2643147A1
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alloy
nickel
semiconductor
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DE19762643147
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Richard A Edwards
John Thomas Robinson
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Texas Instruments Inc
Original Assignee
Texas Instruments Inc
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Publication date
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Description

Patentanwälte
Dipl.-Ing. Dipl.-Chem. Dipl.-Ing. 2. O 4 J 14/
E. Prinz - Dr. G. Hauser - G. Leiser
Ernsbergerstrasse 19
8 München 60
TEXAS INSTRUMENTS INCORPORATED 24. September 1976 I35OO North Central Expressway
Dallas, Texas / V.St.A.
Unser Zeichen; T 2072
Halbleiterdiode
Die Erfindung betrifft Halbleitervorrichtungen und insbesondere den Zusammenbau oder die Verpackung einer Halbleiterdiode in einer mit zwei koaxialen Stöpseln versehenen Glaseinschmelzung, wobei sowohl die Anode als auch die Katode der Diode mit den koaxialen Zuführungen mittels einer Gold-Germaniumlegierung verbunden sind.
Eine allgemein als "Glasdiode" bezeichnete, in Glas eingeschmolzene Halbleiterdiode mit koaxialen Zuführungen ist seit vielen Jahren üblich. In typischer Weise
Dr.Ha/Ma .
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erforderten solche Vorrichtungen keine metallurgische Verbindung zwischen den Metallanschlüssen des Halbleiterchips und den Oberflächen der damit in Kontakt befindlichen, die Zuführungen bildenden Metallstöpsel, da die bei Bildung der dichten Glas-Metallverbindung auftretenden Spannungen als ausreichend betrachtet wurden, um unter den während der normalen Verwendung auftretenden Bedingungen eine zuverlässige elektrische Kontinuität zu ergeben.
Unter bestimmten Umgebungsbedingungen traten jedoch infolge intermittierender elektrischer Diskontinuitäten, d.h. bei zeitweiliger Abtrennung der Chipanschlüsse von den metallischen Zuführungsstöpseln, Zuverlässigkeitsprobleme auf. Es wurden verschiedene Versuche unternommen, dieses Problem mittels zuverlässiger Legierungsverbindungen zu lösen. Beispielsweise wurde eine Diffusionsbindung zwischen den Stöpseln und der Halbleitermetallisierung versucht, hat sich jedoch als ungenügend erwiesen. Frühere Versuche ergaben auch häufig eine zu starke Viechselwirkung zwischen der Metallisierung der Vorrichtung und dem Siliciumchip, wodurch die Leistung der Vorrichtung verändert wurde und sogar so starke Spannungskonzentrationen auftraten, daß der Siliciumchip brach.
Aufgabe der Erfindung ist somit die Schaffung einer Glasdiode mit verbesserter Zuverlässigkeit. Eine spezifische Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Glasdiode, in welcher eine verbesserte metallurgische Verbindung zur Beseitigung intermittierender elektrischer Diskontinuitäten erzielt wird.
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In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 eine vergrößerte Querschnittsansicht des erfindungsgemäß bevorzugten Halbleiterdiodenchips ,
Fig. 2 eine vergrößerte Querschnittsansicht der zusammengebauten Diode gemäß der Erfindung, einschließlich des Halbleiterchips von Fig. 1.
Eine Ausführungsform der Erfindung umfaßt eine Halbleitervorrichtung mit einem Halbleiterkörper oder -chip mit mindestens zwei ohmschen Kontakten, wobei jeder dieser Kontakte aus zwei Schichten besteht, einschließlich einer Leiterschicht, die sich mit dem Halbleiter in ohmschem Kontakt befindet, und einer äußersten Schicht aus Gold-Germaniumlegierung. Der Halbleiterchip ist vorzugsweise eine Silicium-p-n-Flächendiode mit einem planareindiffundierten Anodenbereich mit einem erhabenen ohmschen Kontakt daran, der aus einem mit Gold-Germaniumlegierung überzogenen Silberanschluß besteht.
Die Gold-Germaniumlegierungsschicht sowohl der Anodenais auch der Katodenmetallisierung besitzt vorzugsweise eine eutektische Zusammensetzung; obwohl über einen weiten Bereich von Gold-Germaniumverhältnissen zufriedenstellende Ergebnisse erzielt werden, liegt der Germaniumgehalt beispielsweise im Bereich von 50 bis 95 Gew.?Q, während der Rest vorzugsweise aus Gold besteht. Jedoch fallen auch ternäre Legierungen in den Rahmen der Erfindung.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform besteht die Halbleitervorrichtung aus einer in Glas eingeschlossenen Anordnung mit zwei koaxial angeordneten Zuführungsstöpseln, wobei sich der mit der vorstehend beschriebenen Legierungsverbindung versehene Halbleiterchip zwischen den Enden von Stöpseln aus Nickellegierung befindet. Obwohl Stöpsel aus Dumet bevorzugt sind, eignen sich doch auch andere Legierungen mit geringer Wärmeausdehnung.
Obwohl Gold-Germaniumlegierungen zum "Verlöten von Siliciumchips mit Kovar-Sockeln bekannt sind, kommen im Zusammenhang mit einer .Glashülle mit zwei Stöpseln doch wesentlich andere Erwägungen in Betracht. So muß die erfindungsgemäße Verbindung unter Umständen hergestellt werden, die kein "Schrubben" erlauben, wie es zur Montage von Chips auf Sockeln sonst üblich ist. Außerdem besitzen die in einer Standard-Glashülle verwendeten Dumet-Stöpsel keine gleichmäßigen Zusammensetzungen an den Berührungsstellen; d.h., der Dumet-Draht besteht aus einem Kern aus Nickel-Eisenlegierung (42 % Ni) in einer Kupferhülse. Beim Schneiden des Dumet-Drahts wird die Kupferhülse partiell über die Oberfläche des freigelegten Endes "geschmiert". Beim Verbinden eines Chips mit Dumet-Stöpseln kann daher die Verbindung entweder mit einer Kupferoberfläche oder mit einer Oberfläche aus Nickel-Eisenlegierung oder mit einer Kombination der beiden erfolgen, muß jedoch unabhängig davon auf jeden Fall zuverlässig sein.
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Die Halbleiterdiode von Fig. 1 besitzt ein stark dotiertes einkristallines Siliciumsubstrat 11 mit einem spezifischen Widerstand von weniger als 0,1 Ohm-cm, auf dem ein epitaktischer Siliciumfilm 12 mit einem spezifischen Widerstand von mindestens 0,3 Ohm-cm und vorzugsweise 0,5 bis 3,0 Ohm-cm aufgewachsen ist und worin ein Planardiffusionsbereich 13 unter Bildung eines p-n Übergangs 14 nach bekannten Methoden gebildet wurde. Nach bekannten Methoden wird dann an den Bereich 13 ein Silberanschluß 15 als ohmscher Kontakt gebildet. Beispielsweise wird ein dünner Trimetallfilm aus Titan-Palladium-Silber aufeinanderfolgend während eines einzigen Vakuum-Auspumpzyklus aufgedampft. Der Trimetallfilm wird dann nach bekannten fotolithografischen Methoden in ein solches Muster gebracht, daß er nur das durch die Oxidschicht 16 begrenzte Siliciumfenster ausfüllt. Der Silberanschluß wird dann vervollständigt, indem Silber in einer Dicke von 1 bis 4 mil elektrisch aufplattiert wird. Wie dem Fachmann bekannt ist, wird durch das Elektroplattieren der abgeschiedene Anschluß über einen Teil der Oxidoberfläche ausgebreitet, obwohl der Strom auf das Oxidfenster begrenzt ist.
Dann wird ein Film aus einer Gold-Germaniumlegierung aufgedampft und nach fotolithografischen Methoden in ein solches Muster gebracht, daß er nur die Fläche des Silberanschlusses bedeckt. Der Gold-Germaniumfilm wird in einer Stärke von 10 bis 50 Mikrozoll und vorzugsweise 20 bis 30 Mikrozoll abgeschieden.
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Alsdann wird das Substrat auf seiner Rückseite bis auf eine Gesamtdicke des Plättchens von etwa 5 bis 10 mil und vorzugsweise etwa 6 mil verdünnt. Anschließend wird die Nickelschicht 18 in einer Stärke von etwa 3 bis 15 Mikrozoll auf bekannte Weise chemisch, d.h. stromlos abgeschieden. Durch Reaktion des Nickelfilms mit dem Substrat während einer anschließenden Sinterung wird die Nickelsilizidschicht gebildet. Dann wird eine 30 bis 70 Mikrozoll starke Silberschicht 20 und anschließend der Gold-Germaniumfilm 21 in einer Stärke von 10 bis 15 Mikrozoll und vorzugsweise 20 bis 30 Mikrozoll aufgedampft. Schließlich wird das Plättchen einer Wärmebehandlung bei 350 bis 700 und vorzugsweise etwa 4000C während mindestens 5 Minuten unterworfen, wodurch die Metallisierungsschichten stabilisiert werden, einschließlich insbesondere die Wechselwirkung des Nickelfilms 18 mit dem Silicium unter Bildung des Nickelsilizidfilms 19.
Das Plättchen wird dann geritzt und gebrochen und ergibt die einzelnen in Fig. 1 dargestellten Chips.
Die Anordnung von Fig. 2 enthält den Diodenchip 10, dessen Anodenkontakt mit dem Dumet-Stöpsel 31 infolge metallurgischer Wechselwirkung des Gold-Germaniumfilms mit der Nickel-Eisenlegierung des Stöpselkerns oder dessen Kupferoberfläche, wenn eine darauf verblieben war, verbunden ist; die Katode der Diode 10 ist mit dem Dumet-Stöpsel 32 infolge metallurgischer Wechselwirkung des Gold-Germaniumfilms 21 mit der Nickel-Eisenoberfläche des Stöpsels 32 oder dem etwa darauf verbliebenen Kupferfilm verbunden. Die Stöpsel 31 und 32 sind nach bekannten
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Methoden in die Glasrohre 33 eingeschmolzen. Beispielsweise kommt die gesamte Anordnung in einen Ofen mit einer Temperatur von 65O bis 7000C, wobei der Glasteil 33 unter Bildung einer Glas-Metallverbindung mit den Dumet-Stöpseln erweicht. Gleichzeitig erweichen die Gold-Germaniumfilme 27 und 21 unter Bildung metallurgischer Verbindungen mit dem Stöpsel 31 bzw. 32.
Zuverlässigkeitstests ergaben, daß die Anordnung von Fig. 2 unter Bedingungen, bei denen in Standardvorrichtungen intermittierende elektrische Diskontinuitäten auftraten, im wesentlichen null Fehler zeigte.
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Claims (12)

Patentansprüche
1) Halbleitervorrichtung mit einem mindestens zwei ohmsche Kontakte auf v/eisenden Halbleiterkörper, dadurch gekennzeichnet, daß jeder dieser Kontakte aus mindestens zwei Schichten, einschließlich eines in ohmschem Kontakt mit dem Halbleiter befindlichen Leiters und einer äußersten Schicht aus Gold-Germaniumlegierung besteht.
2) Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper einen einen dieser Kontakte aufweisenden Anodenbereich, einen den anderen Kontakt aufweisenden Katodenbereich besitzt und der Leiter des Anodenkontakts Silber enthält.
3) Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Leiter des Katodenkontakts Nickelsilizid enthält.
4) Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Katodenkontakt eine mit dem Silizid in Kontakt befindliche Nickelschicht und eine mit der Gold-Germaniumlegierung in Kontakt befindliche Silberschicht aufweist.
5) Zusammengebaute Halbleitervorrichtung, enthaltend
die sandwichartig zwischen den Enden von zwei koaxialen Stöpseln aus Nickellegierung angeordnete Vorrichtung von Anspruch 1, umgeben von einer an die Stöpsel angeschmolzenen Glasumhüllung, mit einer Legierungsver-
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bindung des einen Stöpsels mit dem Anodenkontakt und einer Legierungsverbindung des anderen Stöpsels mit dem Katodenkontakt.
6) In Glas eingeschlossene Halbleitervorrichtung mit koaxiale Zuführungen bildenden zwei Stöpseln und mit einem legierungsverbundenen Halbleiterchip darin, der sandwichartig zwischen den Stöpselenden angeordnet ist und einen Anodenbereich und einen Katodenbereich aufweist, die jeweils einen aus mindestens zwei Schichten bestehenden ohmschen Kontakt aufweisen, wovon eine Schicht eine mit dem Halbleiter in Kontakt befindliche Leiterschicht ist und wovon eine Außenschicht aus einer Gold-Germaniumlegierung mit einem der Stöpselenden verbunden ist.
7) Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterschicht der Anode Silber enthält.
8) Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterschicht der Katode Nickelsilizid enthält.
9) Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Katodenkontakt eine mit der Silizidschicht in Kontakt befindliche Nickelschicht und eine mit der Gold-Germaniumlegierung in Kontakt befindliche Silberschicht aufweist.
10) Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Stöpsel aus einer Nickellegierung bestehen.
7098U/0740
11) Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Nickellegierung aus Nickel und Eisen besteht.
12) Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Nickellegierung der Stöpsel von einer Kupferhülse umgehen ist.
70981 4/07AO
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