DE1192748B - Verfahren zur Verlegung des Knickes in der Sperrspannungskennlinie einer Halbleiteranordnung - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. α.:

HOIl

Deutsche Kl.: 21g -11/02

Nummer: 1192748

Aktenzeichen: S 71398 VIII c/21 g

Anmeldetag: 24. November 1960

Auslegetag: 13. Mai 1965

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Verlegung des Knickes in der Sperrspannungskennlinie einer Halbleiteranordnung mit einem Halbleiterkörper aus oder nach Art von Germanium oder Silizium oder einer intermetallischen Verbindung in das Gebiet hoher Sperrspannungen, bei welchem ein pn-übergang oder mehrere pn-Übergänge mit einem besonderen Schutzüberzug versehen werden.

Bei an Halbleitergleichrichterelementen, z. B. Siliziumgleichrichterelementen, bei höherer Temperatur von etwa 150° C angestellten Messungen hat sich in unerwünschter Weise gezeigt, daß die Sperrstromkennlinie bereits bei relativ niedrigen Sperrspannungen nach oben abknickt. Das bedeutet aber, daß die einzelnen Gleichrichterelemente nur bis zu relativ niedrigen Sperrspannungen betriebsmäßig eingesetzt werden könnten, während es doch erwünscht ist, ein Gleichrichterelement betriebsmäßig bis zu relativ möglichst hohen Sperrspannungen einsetzen zu können, d. h., daß der angegebene Knick in der ao Stromspannungskennlinie bei relativ hohen Sperrspannungswerten erst in Erscheinung tritt und vorher die Stromspannungskennlinie möglichst bei relativ kleinen Sperrstromwerten verläuft.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß sich diese angeführten nachteiligen Erscheinungen durch eine besondere Behandlung an durch Einlegierung ihrer Elektroden fertiggestellten Halbleiterelementen, z. B. Gleichrichterelementen, vermeiden lassen.

Erfindungsgemäß wird hierfür ein solches eingangs angeführtes, mit seinen einlegierten Elektroden fertiggestelltes Halbleiterelement einem Temperungsprozeß bei etwa 200 bis 300° C über einen längeren Zeitraum unterworfen, danach geätzt und nunmehr mit einer lackartigen Substanz als Schutzüberzug versehen.

Es kann sich in Verbindung mit der grundsätzlichen Erfindung als zweckmäßig erweisen, den Halbleiterkörper zusätzlich bereits vor dem Temperungsprozeß zu ätzen.

Die Ätzung kann mittels eines der geläufigen Ätzmittel, wie z. B. einer Mischung von Salpetersäure und Flußsäure, gegebenenfalls mit einem Zusatz von Eisessig, erfolgen.

Der aufgebrachte Schutzüberzug aus der lackartigen Substanz kann mit einem besonderen Zusatz, wie etwa Alizarin, auf den entsprechenden pn-übergang des Halbleiterkörpers aufgebracht werden.

Hiernach kann, wenn der Stoff des Schutzüberzuges das bedingt, das Halbleiter- bzw. Gleichrichterelement einem weiteren geeigneten thermischen Be-Verf ahren zur Verlegung des Knickes in der
Sperrspannungskennlinie einer
Halbleiteranordnung

Anmelder:

Siemens-Schuckertwerke Aktiengesellschaft,

Berlin und Erlangen,

Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Als Erfinder benannt:

Werner Hinke, München;

Dr. rer. nat. Ottomar Jäntsch, Erlangen;

Wolfgang Kraft, Nürnberg;

Heinz Vogel, München

handlungsprozeß unterworfen werden, damit der Stoff des Schutzüberzuges in der erwünschten Weise in einen bestimmten Zustand, z.B. in den ausgehärteten Zustand, übergeführt wird. Bei einer solchen thermischen Behandlung eines Halbleiter- bzw. Gleichrichterelementes unmittelbar nach der Ätzung oder nachdem an dem Element lediglich diese Ätzung vorgenommen worden war, hat sich z. B. eine thermische Behandlung bei der angegebenen Temperatur von 200 bis 300° C während eines Zeitraumes von etwa 72 Stunden als geeignet bzw. zweckmäßig ergeben. Nach einer solchen Fertigstellung zeigten die Messungen der Sperrstromkennlinie dieser Gleichrichterelemente einen sehr günstigen Verlauf bis zu relativ hohen Sperrspannungswerten bei nur sehr geringen Sperrströmen.

Außer der angeführten thermischen Behandlung, welche unmittelbar nach einer Ätzung der durch Legierung fertiggestellten Halbleiter- bzw. Gleichrichterelemente vorgenommen worden war, erwies sich auch eine solche als zweckmäßig, nach welcher nach der ersten Ätzung das einzelne Gleichrichterelement an und benachbart einem pn-Ubergang zunächst noch mit einer Hilfsschicht, wie einem Aufstrich aus einer wässerigen Alizarinlösung vor der Temperung oder einer ersten Lackschicht, versehen wurde. Bei in dieser Weise vorbereiteten Siliziumgleichrichterelementen konnte die Zeitdauer der thermischen Behandlung für die Erreichung des gleich günstigen Sperrstromverhaltens der Gleichrichterelemente von dem angegebenen Zeitdauerwert von 72 Stunden auf etwa 16 Stunden herabgesetzt werden. Das bedeutet, daß die günstige Wirkung, welche

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durch die Temperung an den Gleichrichterelementen hervorgerufen wird, eine Förderung erfährt, wenn auf den pn-übergang eine solche wässerige Alizarin-Iösung aufgebracht wird.

Nach der Temperung eines Gleichrichterelementes, welches mit der Hilfsschicht aus dem Lack oder dem Überzug aus der wässerigen Alizarinlösung versehen worden ist, muß naturgemäß zunächst dieser Alizarinüberzug wieder abgewaschen und durch einen anschließenden Ätzprozeß einwandfrei wieder entfernt werden, bevor der eigentliche Schutzüberzug aus einem Lack, gegebenenfalls mit einem Zusatz eines beim Aufbringen der Lackschicht auf den Halbleiterkörper elektropositiv wirkenden Stoffes, wie Alizarin, an dem Gleichrichterelement für den pn-übergang aufgebracht werden kann.

Es ist zunächst nicht ohne weiteres zu übersehen, worauf der durch die Anwendung der Erfindung an Halbleiterelementen, wie Halbleitergleichrichterelementen, erreichte, ihre Güte auch bei höheren Temperaturen verbessernder und sie gewissermaßen in ihrem betriebsmäßigen Verhalten konstant erhaltende Effekt zurückzuführen ist. Es wird jedoch vermutet, daß an der Oberfläche des pn-Überganges durch die Temperung ein Getterungseffekt auf im Halbleiterkörper enthaltene Fremdkörper ausgeübt wird, der beim Auftreten höherer Temperaturwerte zu einem solchen Verhalten der Fremdstoffe führt, daß auf diese Weise die Verschlechterung der erwünschten Spannungsstromkennlinie nicht mehr auftritt. Vielleicht sind es z. B. Kupferatome, die sich in dem Halbleiterkörper, z. B. Siliziumkörper, durch einen Behandlungsprozeß oder einen Herstellungsprozeß des Halbleiterkörpers eingelagert haben und auf die bei der besonderen erfindungsgemäßen Temperaturbehandlung der Getterungseffekt durch an der Oberfläche des Halbleiterelementes während dessen Behandlung vorhandene bzw. zur Entstehung gelangende Schichten ausgeübt wird. Zu dieser Schlußfolgerung berechtigt offenbar diejenige erfolgreiche Behandlungsart, welche in der Weise geschildert worden ist, daß auf die Oberfläche des pn-Überganges bzw. die entsprechenden Stellen des Halbleiterelementes eine Hilfsschicht, z. B. ein Lack oder wässeriges Alizarin, aufgestrichen wird. Weiterhin berechtigt zu dieser Annahme, daß jeweils nach der Temperung unbedingt ein zweiter Ätzprozeß an der Oberfläche des Halbleiterelementes vorgenommen werden muß, bevor die eigentliche Schutzschicht auf den pn-übergang aufgebracht werden kann. Diese zweite Ätzung entfernt offenbar die als Getterstoff an der Oberfläche des Halbleiterelementes während des Temperungsprozesses vorhandene und wirkende Oberflächenschicht, möglicherweise eine Oxydschicht, die sich während dieses Temperungsprozesses mit den unerwünschten Fremdstoffen angereichert hat, welche zu den Störungseffekten im Verlauf der Spannungsstromkennlinie in Sperrichtung des Halbleiterelementes bzw. Halbleitergleichrichterelementes führen und diese Stoffe ab- oder adsorbiert. Die Untersuchungen sind im wesentlichen an Halbleitergleichrichterelementen durchgeführt worden, welche auf der Basis eines Halbleiters aus Silizium hergestellt worden sind. Die Erfindung ist aber offenbar in gleicher vorteilhafter Weise auch bei anderen Halbleiterelementen anwendbar, bei denen sich entweder bei der Herstellung des Halbleiterwerkstoffes durch dessen besondere Behandlung oder durch die Behandlung bzw. den Fertigungsprozeß für die Halbleiteranordnung mit ihren einlegierten Elektroden zur Erzeugung der erwünschten dotierten Zonen im Halbleiterkörper in dem Halbleiterkörper unerwünschte Fremdstoffe einlagern bzw. in ihn hineindiffundieren können.

So ist es z.B. möglich, daß, wenn die Behandlungsapparaturen für die Halbleiterkörper Kupferkörper in dem Behandlungsraum enthalten, von diesen abgedampftes Kupfer an die Oberfläche des Halbleiterkörpers und von dieser dann durch Diffusion in den Halbleiterkörper hineingelangen könnte.

Außerdem ist es bereits üblich geworden, an Siliziumgleichrichterelementen auf der unteren Grundplatte aus Molybdän, Wolfram oder Tantal als Zwischenelement für die Befestigung eines solchen Halbleiterelementes an einem Gehäuseteil bzw. einem gut leitenden Werkstoff, wie z. B. Silber, Kupfer oder Aluminium, zunächst eine Platte aus dem gleichartigen Werkstoff wie das Gehäuse durch Lötung, Schweißung oder Legierung anzubringen, so daß auf diese Weise nur zwei Körper miteinander über eine Lötstelle verbunden werden, die den gleichen oder etwa den gleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten besitzen. Bei der betriebsmäßigen thermischen Beanspruchung einer solchen Halbleiteranordnung können sich dann an der Verbindungsstelle zwischen dem Halbleiterelement und dem Gehäuseteil, insbesondere wenn diese durch eine Lötung hergestellt worden ist, wie es sich auf Grund von Erfahrungen gezeigt hat, Schubspannungen in der Lotschicht und damit in dieser Ermüdungserscheinungen oder Rissebildungen auftreten, die zu einer Verschlechterung des in Rechnung gestellten Wärmeübergangsweges und Stromübergangsweges zwischen dem Halbleitergleichrichterelement und dem Gehäuse führen, so daß dieses durch thermische Überlastung zu Schaden kommen kann.

Bekannt ist ein Verfahren zum Aufbringen eines Schutzüberzuges auf die Oberfläche einer Halbleiteranordnung mit mindestens einem pn-übergang zwischen Zonen unterschiedlicher Dotierung, z. B. einem Gleichrichter, einem Transistor od. dgl., nach vorangegangener chemischer oder elektrochemischer Ätz- und/oder Polierbehandlung der Oberfläche mindestens an der Ubergangszone bzw. an den Übergangszonen, nach welchem auf die chemisch und/oder elektrochemisch behandelte Oberfläche unmittelbar im Anschluß an diese Behandlung noch in Gegenwart von Behandlungsmitteln das Schutzüberzugsmaterial in so heißem Zustand aufgetragen wird, daß mindestens eine teilweise Verdampfung des chemischen Behandlungsmittels erfolgt. Als Schutzüberzugsmaterial soll dabei Lack, Harz, Kunstharz od. dgl. verwendet werden können. Es sollen sich anorganische und/oder organische Stoffe, in erster Linie als Dipole wirkende Substanzen, insbesondere Moleküle mit polaren Endgruppen, eignen, die die an den Oberflächen vorhandenen Atome oder Moleküle des Halbleiters an deren freien Valenzen elektrisch polarisieren und/oder mit ihnen ganz oder teilweise chemische Verbindungen eingehen. Es wird dabei auch in Erwägung gezogen, daß die Schutzschicht einen Zusatzstoff enthält oder zwischen der Oberfläche und der Schutzschicht eine aus dem Zusatzstoff bestehende Zwischenschicht eingebaut wird zur Verbesserung der Oberfläche bezüglich der Halbleitereigenschaften, insbesondere jene oxydiert oder

die mechanischen oder isolierenden Eigenschaften der Schutzschicht verändert und/oder konserviert sowie insbesondere polymerisierend oder mindestens teilweise auch weichmachend wirkt.

Eine Verfahrensschrittefolge wie beim Gegenstand der Erfindung und mit dessen Zielsetzung lag bei diesem bekannten Verfahren nicht vor.

Zur Stabilisierung von Siliziumoberflächen durch einen Oxydationsprozeß ist es bekannt, aus Siliziumdioxyd bestehende Überzüge aus der Siliziumoberfläche heraus anodisch in Elektrolyten als anodische Oxyde oder auf thermischem Wege, also in Form thermischer Oxyde, zum Aufwachsen zu bringen, so daß Zwischengrenzflächen aus Silizium und Siliziumdioxyd (Si-SiO₂) geschaffen werden.

Zur näheren Veranschaulichung der praktischen Anwendung der Erfindung und der durch sie erreichbaren Effekte wird nunmehr auf die Figuren Bezug genommen.

In diesen Figuren ist jeweils der Sperrstrom in Milliampere über der Sperrspannung in Volt aufgetragen. Er wurde bei 150° C Umgebungstemperatur der Gleichrichterelemente gemessen.

In F i g. 1 bezeichnet α eine Sperrstromkennlinie, welche an einem Siliziumgleichrichterelement gemessen wurde, welches am pn-übergang mit einer Lackschutzschicht mit einem Zusatz von Alizarin versehen worden war. Dieses Siliziumgleichrichterelement war jedoch keiner Temperung nach dem vorliegenden Verfahren bei seiner Fertigung unterworfen worden. Diese Kennlinie α zeigt in der angegebenen Weise ein Abknicken der Kennlinie nach oben bei etwa 1000 Volt, b bezeichnet eine Kennlinie, welche an einem gleichartigen Siliziumgleichrichterelement durch Messung erhalten wurde, welches nach der Einlegierung der Dotierungselektroden geätzt und dann einer Temperung bei etwa 240° C während einer Zeit von 72 Stunden unterworfen wurde. Dieses Gleichrichterelement wurde nach der Temperung das zweite Mal geätzt und anschließend mit einer einen Zusatz aus Alizarin enthaltenden Lackschicht versehen und bei einer Temperatur von 200° C weiterbehandelt, um die Lackschutzschicht auszuhärten. Diese Kurve b zeigt den angestrebten günstigen Effekt, da die Kennlinie unterhalb von 1500 Volt nicht nach oben abknickt.

In F i g. 2 bezeichnet α wieder die an einem nicht nach dem vorliegenden Verfahren behandelten Gleichrichter gemessene Sperrstromkennlinie. Sie knickt bei etwa 1100 Volt nach oben ab. Die Kennlinie b dieser Figur wurde an einem Siliziumgleichrichterelement gemessen, welches nach der Einlegierung in den Halbleiterkörper geätzt und an seinem pn-übergang mit einem Aufstrich aus einer wässerigen Alizarinlösung bzw. -mischung versehen wurde. Dieses Gleichrichterelement wurde dann einer Temperaturbehandlung bei etwa 200° C in 16 Stunden unterworfen. Bei der weiteren Behandlung wurde die Alizarinschicht entfernt, das Gleichrichterelement etwa 5 bis 10 Sekunden das zweite Mal geätzt, nunmehr die Lackschutzschicht mit einem Zusatz von Alizarin auf die Halbleiteroberfläche aufgebracht und bei etwa 200° C während 16 Stunden ausgehärtet.

Diese Kurve b zeigt wieder den durch die Anwendung der Erfindung günstigen technischen Effekt in der Verbesserung des Sperrvermögens des Gleichrichterelementes.

In F i g. 3 bezeichnet α wieder die an einem Siliziumgleichrichterelement gemessene Sperrstromkennlinie. Sie knickt bei etwa 700 V nach oben ab.

Die Kennlinie b wurde an einem gleichartigen Siliziumgleichrichterelement gemessen. Dieses wurde nach der Einlegierung der Elektroden geätzt und auf seine Oberfläche am pn-übergang eine Lackschutzschicht aus einem Silikonharz aufgestrichen. Das Siliziumgleichrichterelement wurde nunmehr während einer Zeitdauer von 16 Stunden einer Temperatur von 200° C ausgesetzt. Alsdann wurde die Lackschicht mittels Tetrahydrofuran abgelöst und die noch verbliebenen Lackreste durch Abbürsten von dem Gleichrichterelement entfernt. Das Gleichrichterelement wurde dann einer zweiten Ätzung unterworfen und schließlich mit der Lackschutzschicht mit dem Alizarinzusatz an seinem pn-übergang versehen, die in der bereits bei den anderen Beispielen angegebenen Weise ausgehärtet wurde.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Verlegung des Knickes in der Sperrspannungskennlinie einer Halbleiteranordnung mit einem Halbleiterkörper aus oder nach Art von Germanium oder Silizium oder einer intermetallischen Verbindung in das Gebiet hoher Sperrspannungen, bei welchem ein oder mehrere pn-Übergänge mit einem besonderen Schutzüberzu versehen werden, dadurch gekennzeichnet, daß das mit seinen anlegierten Elektroden fertiggestellte Halbleiterelement einem Temperungsprozeß bei etwa 200 bis 300° C über einen längeren Zeitraum unterworfen, danach geätzt und nunmehr mit einer lackartigen Substanz als Schutzüberzug versehen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper zusätzlich bereits vor dem Temperungsprozeß geätzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Halbleiterkörper aus Silizium die Temperung über einen Zeitraum von etwa 72 Stunden durchgeführt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf den Halbleiterkörper an oder benachbart dem oder den pn-Übergängen eine Hilfsschicht, die aus einer wässerigen Alizarinlösung oder aus einer Lackschicht erzeugt sein kann, aufgebracht wird, alsdann die Temperung durchgeführt und nach Abwaschen bzw. Ablösen der Hilfsschicht sowie nach einer zweiten Ätzung des Halbleiterkörpers der Schutzüberzug auf den oder die pn-Übergänge aufgebracht wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Halbleiterkörper aus Silizium die Temperung über eine Zeitdauer von etwa 16 Stunden durchgeführt wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschrift Nr. 1 043 517;
»Bell System Technical Journal«, Bd. 38 (1959), H. 3, S. 749 bis 783.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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