Verfahren zur Herstellung einer dünnen Legierungsschicht an Halbleiteranordnungen
Bekanntlich ist bei Halbleiterbauelementen, z. B. bei Transistoren, insbesondere
bei Leistungstransistoren, eine gute Wärmeableitung der Betriebswärme erwünscht.
Um dieses Ziel zu verwirklichen, ist bereits vorgeschlagen worden, bei Legierungstransistoren
großflächige Elektroden, vorzugsweise mit möglichst ebener Formgebung der Legierungsfront
der Elektroden, herzustellen, was z. B. durch Anwendung von Begrenzungskörpern,
die das Legierungsmetall an der dem Halbleiterkristall abgewandten Seite begrenzen,
erreicht werden kann. Der Begrenzungskörper, z. B. ein Metallblock, bleibt dann
zweckmäßig mit der Legierungselektrode auch nach der Fertigstellung der Anordnung
in Berührung und dient dann als Kühlkörper. Dabei besteht die Möglichkeit, das Legierungsmetall
in dünner Schicht auf die Oberfläche des Kühlkörpers, der aus einem schwer schmelzbaren,
gut wärmeleitenden Metall besteht, aufzubringen, den Kühlkörper mit dieser Legierungsmetallschicht
auf den Halbleiterkristall aufzusetzen und das Legierungsmetall zum Einlegieren
in den Halbleiterkristall zu bringen. Der aus Metall bestehende Kühlkörper übernimmt
dann gleichzeitig die Aufgabe der elektrischen Kontaktierung der betreffenden Legierungselektrode.Process for the production of a thin alloy layer on semiconductor devices
It is known that in semiconductor components such. B. with transistors, in particular
In the case of power transistors, good heat dissipation of the operating heat is desirable.
In order to achieve this goal, it has already been proposed in alloy transistors
Large-area electrodes, preferably with the alloy front being as flat as possible
the electrodes to produce what e.g. B. by using delimiting bodies,
which limit the alloy metal on the side facing away from the semiconductor crystal,
can be reached. The delimitation body, e.g. B. a metal block then remains
expediently with the alloy electrode even after the arrangement has been completed
in contact and then serves as a heat sink. There is the possibility of using the alloy metal
in a thin layer on the surface of the heat sink, which is made of a hard-to-melt,
good thermally conductive metal is to apply the heat sink with this alloy metal layer
to put on the semiconductor crystal and the alloy metal for alloying
to bring into the semiconductor crystal. The metal heat sink takes over
then at the same time the task of making electrical contact with the alloy electrode in question.
Da die im Betrieb entstehende Wärme vorwiegend an den pn-Übergängen
lokalisiert ist, empfiehlt es sich, die Kühlung an solchen Stellen wirksam zu machen.
Der pn-übergang ist aber an seiner einen Seite von dem im allgemeinen verhältnismäßig
schlecht wärmeleitenden Material des Halbleiterkristalls, an der anderen Seite durch
das Legierungsmetall begrenzt. Die meisten Legierungsmetalle besitzen von sich aus
keine gute Wärmeleitfähigkeit und werden in dieser Beziehung durch das während des
Legierungsvorganges von ihnen aufgelöste Halbleitermaterial noch weiter beeinträchtigt.
Aus diesem Grunde ist es erwünscht, die Menge des Legierungsmetalls zwischen Halbleiterkristall
und Kühlkörper möglichst gering zu halten.Since the heat generated during operation mainly occurs at the pn junctions
is localized, it is advisable to make the cooling effective in such places.
The pn junction, however, is generally proportionate on one side of it
poorly thermally conductive material of the semiconductor crystal, on the other side through
the alloy metal limits. Most alloy metals inherently own
do not have good thermal conductivity and are in this respect caused by the during the
Alloying process of them dissolved semiconductor material even further impaired.
For this reason, it is desirable to reduce the amount of alloy metal between semiconductor crystal
and to keep the heat sink as small as possible.
Andererseits empfiehlt es sich nicht, das Legierungsmetall bereits
während des Legierungsverfahrens in sehr dünner Schicht anzuwenden, da sich eine
derartig dünne Schicht rasch mit Halbleitermaterial absättigt, so daß die Legierungsfront
nur sehr wenig in den Halbleiterkristall eindringen kann. Da jedoch in vielen Fällen
ein tieferes Eindringen des Legierungsmetalls erwünscht ist, müßte man zur Anwendung
sehr hoher Legierungstemperaturen schreiten, was nicht nur ein Unscharfwerden der
pn-übergänge, sondern auch ein Eindringen unerwünschter Verunreinigungen aus dem
Kühlkörper in das Legierungsmetall und damit auch in den Halbleiterkristall zur
Folge haben kann.On the other hand, it is not recommended to use the alloy metal already
apply in a very thin layer during the alloying process, as a
such a thin layer quickly saturates with semiconductor material, so that the alloy front
can only penetrate very little into the semiconductor crystal. However, there in many cases
a deeper penetration of the alloy metal is desired, one would have to use
very high alloy temperatures step, which is not only a blurring of the
pn junctions, but also the ingress of unwanted contaminants from the
Heat sink in the alloy metal and thus also in the semiconductor crystal
Can have a consequence.
Ein bekanntes Verfahren trägt den genannten Gesichtspunkten Rechnung,
indem es das Legierungsmetall in einer vom legierungstechnischen Gesichtspunkt aus
gesehen günstigen Schichtstärke zur Anwendung bringt und nach Beendigung des Legierungsvorgangs
einen, gegebenenfalls auch mehrere stutzenartige Kühlkörper in das erweichte Material
der Legierungselektrode hineindrückt und auf diese Weise möglichst dicht am pn-Übergang
dieser Elektrode anordnet. Dabei kann zur Erzielung einer ausreichenden festen mechanischen
Verbindung zwischen Legierungsmetallen und Kühlkörper die Oberfläche des Kühlkörpers
mit einer dünnen Schicht eines niedrigschmelzenden Lotes, z. B. einer Legierung
von 50 0/0 Wismut, 26,711/o Blei, 13,3%. Zinn und 10%, Kadmium, bedeckt werden.
Da das Eindringen des Kühlkörpers in das erweichte Metall der Legierungselektrode
mit einem Ausweichen dieses Metalls verbunden ist, kann es dabei bei besonders großen
Legierungselektroden zweckmäßig sein, einen Teil des Legierungsmetalls wegzuschneiden,
bevor der Kühlkörper in das zum Erweichen gebrachte Legierungsmetall gedrückt wird.
Hierdurch läßt sich die Gefahr eines stärkeren überquellens des Legierungsmetalls
über den Bereich des pn-Übergangs an der Halbleiteroberfläche und damit die Gefahr
eines unbeabsichtigten Kurzschlusses des pn-übergangs durch das Legierungsmetall
reduzieren. Dieses Eindringen des Kühlkörpers in das Legierungsmetall erscheint
aus
mehreren Gründen bedenklich. Einmal erfordert es ein äußerst
vorsichtiges Arbeiten, da dieses Eindrücken, das immerhin mit einem merklichen Kraftaufwand
durchgeführt werden muß, die Gefahr mit sich bringt, daß der Kühlkörper den pn-übergang
beschädigt. Des weiteren erscheint auch beim Abschneiden überschüssigen Legierungsmetalls
die Möglichkeit gegeben, daß etwas Legierungsmetall seitlich ausweicht und dadurch
die elektrischen Eigenschaften des Halbleiterbauelements verschlechtert werden,
so daß eine nachträgliche Ätzbehandlung, die stets mit einer weiteren Abänderung
der durch den Legierungsvorgang eingestellten elektrischen Eigenschaften verbunden
ist, unvermeidlich wird. Schließlich verlangt, insbesondere aus den bereits genannten
Gründen, das Verfahren eine individuelle Behandlung jedes einzelnen der zu fertigenden
Bauelemente, da die Legierungstiefen auch bei anscheinend gleichen Herstellungsbedingungen
etwas streuen und das Eindrücken des Kühlkörpers deshalb mit besonders großer Vorsicht
durchzuführen ist. Diese Nachteile vermeidet das vorliegende Verfahren.A well-known method takes the above-mentioned aspects into account,
by using the alloy metal in an alloy-related point of view
seen favorable layer thickness brings to application and after completion of the alloying process
one, possibly also several nozzle-like heat sinks in the softened material
of the alloy electrode and in this way as close as possible to the pn junction
this electrode. It can be used to achieve a sufficiently strong mechanical
Connection between alloy metals and heat sink the surface of the heat sink
with a thin layer of a low melting point solder, e.g. B. an alloy
of 50% bismuth, 26.711% lead, 13.3%. Tin and 10%, cadmium.
As the penetration of the heat sink into the softened metal of the alloy electrode
is associated with evasion of this metal, it can be particularly large
Alloy electrodes may be useful to cut away part of the alloy metal,
before the heat sink is pressed into the softened alloy metal.
This avoids the risk of the alloy metal becoming more swollen
over the area of the pn junction on the semiconductor surface and thus the danger
an unintentional short circuit of the pn junction through the alloy metal
to reduce. This penetration of the heat sink into the alloy metal appears
the end
for several reasons. Once it requires an extremely
Careful work, since this impression, after all, with a noticeable expenditure of force
must be carried out, the risk of the heat sink causing the pn junction
damaged. Furthermore, excess alloy metal also appears when it is cut off
given the possibility that some alloy metal gives way to the side and thereby
the electrical properties of the semiconductor component are impaired,
so that a subsequent etching treatment, always with a further modification
the electrical properties set by the alloying process
is, becomes inevitable. Finally, demands, in particular from those already mentioned
Reasons, the procedure an individual treatment of each one of the to be manufactured
Components, because the alloy depths even with apparently the same manufacturing conditions
sprinkle a little and therefore take special care when pressing in the heat sink
is to be carried out. The present method avoids these disadvantages.
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen einer
dünnen Legierungsschicht zwecks guter Ableitung der im Betriebszustand entstehenden
Wärme von Legierungskontakten an Halbleiteranordnungen, insbesondere an Leistungstransistoren,
durch Abschneiden eines Teiles der Schicht mittels eines Werkzeuges und Verlöten
des mit dem Halbleiter in Verbindung bleibenden Teiles des Kontaktwerkstoffes mit
einem Block aus gut wärmeleitendem Material. Dabei ist gemäß der Erfindung vorgesehen,
daß diese Schicht durch flaches Abschneiden des erhärteten Kontaktwerkstoffes mit
Hilfe eines durch einen besonderen Distanzring geführten Werkzeuges, z. B. mittels
eines Messers, hergestellt und der Block ohne Verformung der Schnittfläche an diese
angelötet wird.The invention relates to a method for producing a
thin alloy layer for the purpose of good dissipation of the generated during operation
Heat from alloy contacts on semiconductor arrangements, especially on power transistors,
by cutting off part of the layer by means of a tool and soldering
the part of the contact material that remains in contact with the semiconductor
a block of material that conducts heat well. It is provided according to the invention,
that this layer by flat cutting off the hardened contact material with
With the help of a tool guided by a special spacer ring, e.g. B. by means of
a knife, and the block without deforming the cut surface to this
is soldered on.
Im Gegensatz zu dem beschriebenen bekannten Verfahren ist es somit
die Lage der Schnittfläche, die die Stärke des zwischen pn-übergang und Kühlkörper
verbleibenden, schlecht wärmeleitenden Legierungsmetalls bestimmt. Aus diesem Grunde
ist bei der Durchführung des Schnittes ein besonders großes Ebenmaß erforderlich,
was mittels eines Distanzringes in, kurzer Zeit und ohne technische Schwierigkeiten
gelingt. Der Vorteil besteht darin, daß der Distanzring sich dabei mit sehr geringer
Stärke herstellen läßt, so daß entsprechende Schichtstärken ohne Schwierigkeiten
erzielt werden können. Da diese Schicht durch das Aufbringen des Kühlkörpers im
Gegensatz zu dem bekannten Verfahren keine merkliche Verletzung erfährt, ist auch
die Gefahr einer unbeabsichtigten Beschädigung des pn-Übergangs verschwindend. Andererseits
besteht auf Grund des flachen Abschneidens mittels eines Distanzringes keine Gefahr,
daß bei diesem Verfahren der Halbleiterkristall oder der pn-übergang verletzt wird.In contrast to the known method described, it is
the location of the cut surface, which is the thickness of the between pn junction and heat sink
remaining, poorly thermally conductive alloy metal determined. For this reason
when making the cut, a particularly large symmetry is required,
what by means of a spacer ring in a short time and without technical difficulties
succeed. The advantage is that the spacer ring is very small
Can produce strength, so that appropriate layer thicknesses without difficulty
can be achieved. Since this layer is created by applying the heat sink in the
In contrast to the known method, no noticeable injury is also experienced
the risk of inadvertent damage to the pn junction disappears. on the other hand
there is no danger due to the flat cutting by means of a spacer ring,
that in this process the semiconductor crystal or the pn junction is damaged.
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden an Hand der Fig. 1 und 2
beschrieben. Es sei 1 der Halbleiterkristall, z. B. Germanium, auf welchen eine
Kollektorkontaktperle 2 aufgeschmolzen ist, welcher gegebenenfalls nach dem eingangs
erwähnten Verfahren während des Schmelzprozesses mit Hilfe eines flachen Metalltellers
die Gestalt einer Scheibe von vorerst noch beträchtlicher Dicke gegeben wurde. Nach
dem Aufschmelzen bzw. nach dem Legierungsvorgang wird eine dünne, ringförmige Schablone
3 auf das Germanium aufgelegt, welche als Distanzring und als Führung für den nachfolgenden
Prozeß dient, der darin besteht, daß man die gegebenenfalls zur dicken Scheibe geformte
Schmelzperle längs des Distanzringes z. B. mit einem Messer oder einer Rasierklinge
auf die Dicke des Distanzringes abschneidet. Diese Dicke entspricht den jeweiligen
physikalischen Forderungen nach einer optimalen Schichtdicke entsprechend den Dimensionen
des vorliegenden Transistors. Der Distanzring kann entweder entfernt oder auf dem
Transistor belassen werden, wobei er unter Isolierung gegenüber dem Träger, z. B.
dem Germanium, als stützendes Bauelement benutzt werden kann. Die gestrichelte Linie
4 stellt die Schnittebene dar. Auf dieser ebenen Schnittfläche wird ein die Wärme
gut leitender Block 5, z. B. aus Kupfer, angelötet. Als stützendes Bauelement kann
der (natürlich isolierende) Distanzring 3 benutzt werden. In dieser Art wurde in
der Praxis die kontaktmachende Perle durch Abschneiden auf ein dünnes Scheibchen
reduziert, wodurch bei gegebener Transistorgröße und gegebener Belastung des Halbleitermaterials
während des Betriebes die Wärmeableitung um den Faktor 2 verbessert wurde.Further details of the invention are given with reference to FIGS. 1 and 2
described. Let 1 be the semiconductor crystal, e.g. B. germanium, on which one
Collector contact bead 2 is melted, which may be after the initially
mentioned procedure during the melting process with the help of a flat metal plate
the shape of a disc of considerable thickness for the time being was given. To
after melting or after the alloying process, a thin, ring-shaped template is created
3 placed on the germanium, which as a spacer ring and as a guide for the following
Process is used, which consists in the fact that you may have formed into a thick disk
Melt bead along the spacer ring z. B. with a knife or a razor blade
cuts to the thickness of the spacer ring. This thickness corresponds to the respective
physical requirements for an optimal layer thickness according to the dimensions
of the present transistor. The spacer ring can either be removed or placed on the
Transistor are left, with it under isolation from the carrier, for. B.
the germanium, can be used as a supporting component. The dashed line
4 shows the cutting plane. The heat is generated on this plane cutting surface
highly conductive block 5, e.g. B. made of copper, soldered. Can be used as a supporting component
the (naturally insulating) spacer ring 3 can be used. In this way, in
practice the contact-making bead by cutting it onto a thin slice
reduced, whereby for a given transistor size and a given load on the semiconductor material
During operation the heat dissipation has been improved by a factor of 2.