DE2739762A1

DE2739762A1 - Verfahren zur stabilisierenden oberflaechenbehandlung von halbleiterkoerpern

Info

Publication number: DE2739762A1
Application number: DE19772739762
Authority: DE
Inventors: Madan Mohan Dipl Phys Chadda
Original assignee: Semikron GmbH and Co KG
Current assignee: Semikron Elektronik GmbH and Co KG
Priority date: 1977-09-03
Filing date: 1977-09-03
Publication date: 1979-03-15
Also published as: IT1098444B; BR7805571A; IT7827273A0; GB2003662A; JPS5444476A; GB2003662B; JPS6120132B2; DE2739762C2; FR2402303B1; CH631291A5; FR2402303A1; US4202916A

Description

VERFAHREN ZUR STABILISIERENDEN OBERFLÄCHENBEHANDLUNG VON HALBLEITERKÖRPERN

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur stabilisierenden Oberflächenbehandlung von Halbleiterkörpern mit den Merkmalen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bekanntlich werden Halbleiterkörper mit einer Folge von Schichten abwechselnd unterschiedlichen Leitfähigkeitstyps an ihrer Oberfläche wenigstens im Bereich des Austritts des oder der pn-Übergänge zur Stabilisierung der Sperreigenschaften mit einem schutzenden Lacküberzug versehen. Diese Schutzlackschicht besteht vorzugsweise aus organischen Substanzen und verhindert sowohl die Anlagerung unerwünschter Fremdstoffe aus der umgebenden Atmosphäre auf der Halbleiteroberfläche als auch die schädliche Wirkung von auf dieser bereits vorhandenen Verunreinigungen.

Zur Entfaltung einer solchen Stabilisierungswirkung ist bei bekannten Schutzlacken nach ihrem Aufbringen auf die Halbleiteroberfläche eine Wärmebehandlung erforderlich.

Eine solche Oberflächenbehandlung zeigt jedoch wesentliche Nachteile. Werden aus einer vorbehandelten Halbleiterausgangsscheibe durch Zerteilen Elemente kleinerer Fläche hergestellt, so mUssen die Kontaktelektroden der Elemente auf Grund der dafUr notwendigen Verfahrenstemperaturen vor dem Abdecken der jeweiligen Flächenabschnitte der Elemente mit dem stabilisierenden Überzug, weiterhin als Passivieren bezeichnet, hergestellt werden. Dieser durch die Verwendung von Schutzlacken zum Passivieren bedingte Verfahrensablauf erfordert

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aber einen erheblichen Aufwand an zusätzlichen Maßnahmen, die eine wirtschaftliche Fertigung insbesondere von Kleinbauelementen in Frage stellen.

Weiterhin findet bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen kleiner und mittlerer Leistung mit einem Kunststoffgehäuse häufig eine unerwünschte Langzeitreaktion zwischen dem Material des Schutzlacküberzuges und der Einkapselungsmasse statt, wodurch die Stabilität der Betriebseigenschaften der Halbleiterbauelemente beeinträchtigt wird.

Es bestand daher ein dringendes Bedürfnis, eine Passivierung zu schaffen, bei welcher diese Nachteile nicht auftreten.

Zu diesem Zweck ist es bekannt, Halbleiteroberflächen mit Hilfe einer Schicht eines glasartigen Materials zu passivieren (z.B. US-PS 3 632 434 ). Dazu wird auf den entsprechenden Oberflächenbereich des Halbleiterkörpers eine Mischung aufgebracht, die aus einem vorzugsweise pulverförmigen Glas sowie aus einer flüssigen, beispielsweise organischen Komponente, als Bindemittel für das Glaspulver besteht. Nach dem Aufbringen dieser Mischung, beispielsweise durch Aufstreichen oder Aufsprühen, wird der Halbleiterkörper in sauerstoffhaltiger Atmosphäre auf eine Temperatur unterhalb der Schmelztemperatur des Glases erwärmt. Dadurch wird auf der Halbleiteroberfläche eine Oxidschicht des Halbleitermaterials erzeugt und das Ausdampfen der organischen Komponente aus der Mischung erreicht. Das Glas verbleibt dabei in Form einer kompakten Schicht auf der Halbleiteroberfläche, das auf der Halbleiteroxidschicht haftet. Anschließend wird der Halbleiterkörper in sauerstoffreier Atmosphöre weiter erhitzt, wobei die Glasschicht auf der Oberfläche zu einem gut haftenden und homogenen Überzug nieder-

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schmilzt. Als Gläser werden solche mit Komponenten aus Bleioxid, Siliziumdioxid und Aluminiumoxid verwendet.

Bei diesem bekannten Verfahren kann das Passivieren der durch Zerteilen einer Ausgangsscheibe vorgesehenen Halbleiterkörper vor dem Aufbringen der Kontaktelektroden durchgeführt werden. Es hat jedoch den Nachteil, daß durch Unterschiede der thermischen Ausdehnungskoeffizienten der verwendeten Gläser einerseits und des Halbleitermaterials andererseits, in dem heute gewünschten Betriebstemperaturbereich der Halbleiterbauelemente von 150 C bis 200 C, sowie durch Veränderungen von Oberflächenladungen beim Einsatz Risse im Glasüberzug und dadurch eine unerwünschte Reduzierung der kritischen Oberflächenfeldstärke entstehen. Diese nachteilige Erscheinung tritt insbesondere bei Glasüberzügen auf großflächigen Halbleiterkörpern für hohe Strombelastbarkeit und bei dickeren Überzügen auf Halbleiterkörpern für hohe Sperrspannungsbelastbarkeit auf. Dadurch war es bisher nicht möglich, Glasüberzüge mit einer Dicke größer als 30 /um herzustellen, so daß die Sperrfähigkeit von glaspassivierten Halbleiterbauelementen auf Grund der bekannten Beziehung, eine Schichtdicke von 10 /um bis 15/um gewährleiste eine Spannungsbelastbarkeit von ca. 300 Volt, nicht in allen Fällen die mit einer Schutzlackpassivierung möglichen Werte erreicht. Aus dem genannten Grund sind derzeit bekannte glaspassivier te Halbleiterbauelemente auch nur bis zu Betriebstemperaturen im Halbleiterkörper von etwa 115 bis 125 C mente mittlerer und hoher Leistung.

leiterkörper von etwa 115 bis 125 C verwendbar,insbesondere Bauele-

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Glasüberzug zu schaffen, dessen thermische Eigenschaften einen Einsatz der damit versehenen Halbleiterbauelemente bei Betriebstemperaturen bis 200 C ohne

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weiteres ermöglichen, und der in einer Dicke herstellbar ist, die eine gewünschte hohe Sperrspannungsbelastung zuläßt.

Die Erfindung geht aus von dem vorerwähnten und bekannten Verfahren zur Herstellung von passivierenden GlasUberzUgen auf Halbleiteroberflächen. Die Lösung der Aufgabe besteht bei diesem Verfahren in den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1.

Anhand des in der Figur im Querschnitt dargestellten Ausschnitts aus dem Schichtenaufbau einer Halbleiterscheibe wird das Verfahren nach der Erfindung aufgezeigt und erläutert. Dabei ist zur Veranschaulichung des Verfahrensablaufs der Glasüberzug 4 mit seinen erfindungsgemäß hergestellten Teilschichten dargestellt .

Eine Halbleiterausgangsscheibe 1 weist eine Folge von Schichten 11, 12, 13 abwechselnd unterschiedlichen Leitungstyps auf und ist entsprechend einem Muster zu ihrer Zerteilung in Elemente kleinerer Flächenausdehnung mit grabenförmigen, beispielsweise keilförmigen Vertiefungen 2 versehen. Diese Vertiefungen durchsetzen die pn-Ubergangsflächen, so daß die letzteren in den Vertiefungen jeweils an die Oberfläche austreten, und dienen zur Anordnung von stabilisierenden Überzügen auf der Halbleiteroberfläche im Bereich des Austritts des oder der pn-Ubergänge.

Auf der in bekannter Weise durch Ätzen gereinigten Halbleiteroberfläche wird zunächst durch Oxidation in einer ÄtzflUssigkeit oder durch eine Wärmebehandlung eine etwa bis 100 Angström dicke Schicht aus dem Oxid des Halbleitermaterials erzeugt, die eine fUr die nachfolgende Glasschicht gut benetzbare Oberflächenschicht darstellt und

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weiterhin bekanntlich dazu dient, die beim anschließenden Aufbringen des Glasüberzuges noch auf der Halbleiteroberfläche vorhandenen, unerwünschten Verunreinigungen zu fixieren.

Auf dieser Halbleiteroxidschicht 3, die mit unterbrochenen Linien dargestellt ist, wird zur Erzielung einer Basisschicht aus Glas in einem weiteren Verfahrensabschnitt eine erste, ebenfalls mit unterbrochenen Linien gezeigte Teilschicht 41 aus Glas erzeugt. Zu diesem Zweck wird ein an sich bekanntes Glas in pulverisierter Form mit vom Hersteller vorgeschriebener Korngröße mit einem ebenfalls vorgegebenen Bindemittel, z.B. mit einem Fotolack oder mit -2(2-Butoxyäthoxy)äthylacetat, gemischt. Diese Mischung kann durch Eintauchen und Schleudern der Halbleiterscheibe, durch Aufstreichen, Sprühen aufgebracht werden. In einer anschließenden Wärmebehandlung in sauerstoffreicher Atmosphäre wird die Halbleiterscheibe auf eine Temperatur zwischen 500 und 600 C erwärmt, wobei die Halbleiteroxidschicht 3 noch weiter verstärkt wird und außerdem das Bindemittel der Mischung vollständig beseitigt wird. Letzteres ist wesentliche Bedingung für einwandfreie Passivierung. Danach wird die Temperatur weiter erhöht auf die für die vorgesehene Glasschicht vorgegebene Passivierungstemperatur, die bei den bekannten und verwendeten Bleialumosilikatgläsern z.B. 750 bis 800 C beträgt.

Die Dicke der Glasschicht 41 ist unkritisch, und soll gemäß der Forderung, daß der Überzug zusammenhängend und rissefrei sein, und die Oberfläche dicht abdecken muß, um bei der Weiterbehandlung nach der ersten Glasschicht das Anlagern von unerwünschten Fremdstoffen zu vermeiden, nicht mehr als 15/um betragen.

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Erfindungsgemäß wird auf der ersten Teilschicht 41 in gleicher Weise und z.B. aus gleichem Material und in annähernd gleicher Dicke eine zweite Teilschicht 42 erzeugt. Bei der Materialauswahl ist darauf zu achten, daß die Materialeigenschaften denen des Materials der ersten Teilschicht entsprechen. Glassorten und Verfahrensschritte im Einzelnen zur Erzielung dieser beiden Glasschichten sind hinreichend bekannt und nicht Gegenstand der Erfindung.

Beim Herstellen der zweiten Glasschicht 42 verschmelzen beide Schichten 41 und 42 zu einer neuen dickeren Glasschicht der Basisschicht fUr die Glasschicht. FUr die Eigenschaften der Basisschicht wird im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens gefordert, daß sie in den wesentlichen Koeffizienten, d.h. bezüglich des thermischen Ausdehnungskoeffizienten und der Wärmeleitzahl, demjenigen des Halbleitermaterials entsprechen. Zur Ausbildung der beiden Schichten 41 und 42 können auch unterschiedliche Gläser mit angepaßten physikalischen Eigenschaften verwendet werden.

Anstelle der beiden die Basisschicht bildenden Schichten 41 und 42 kann auch nur eine Schicht entsprechender Dicke aufgebracht werden. Dies betrifft insbesondere Halbleiterkörper mit zu beschichtenden Flächenbereichen geringerer Ausdehnung. Bei Halbleiterkörpern fUr hohe Strombelastbarkeit , d.h. mit großflächiger Randzone im Bereich des pn-Übergangs, empfiehlt sich dagegen das Aufbringen von zwei Schichten geringerer Dicke. Eine anstelle der Schichten 41 und 42 vorgesehene dickere Schicht soll nicht mehr als 25/um Dicke aufweisen.

Gemäß der Erfindung wird auf die aus den Glasschichten 41, 42 bestehende Basisschicht eine abschließende dritte Glasschicht 43 aufgebracht,

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die eine vergleichsweise größere Dicke und einen gegenüber dem der Schichten 41, 42 bis zu 30/2 geringeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist. Die Dicke dieser dritten Schicht ist beliebig und soll wenigstens 30/um betragen. Dadurch sind gemäß der vorerwähnten bekannten Beziehung zwischen Glas-Schichtdicke und Sperrspannungsbelastbarkeit wesentlich höhere Werte der letzteren als bisher möglich gewährleistet.Durch die Eigenschaft des niedrigeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten wird ferner eine Betriebstemperatur im Halbleitermaterial in dem gewünschten Bereich sichergestellt.

Um einen Glasüberzug für die genannten Betriebsbedingungen zu erzielen, wird zur Herstellung der dritten Schicht dem bisher verwendeten Glas erfindungsgemäß Quarz hoher Reinheit, in Pulverform und in einem Anteil von 0,5 bis 10 Gewichtsteilen beigemengt und dieses Gemenge wie vorbeschrieben mit einem Bindemittel gemischt.

Es kann auch Quarz in anderer Form verwendet werden.

Die abschließende Schicht 43 wird entsprechend den vorhergehenden Teilschichten auf die Basisschicht aufgebracht und in einem Verfahrenstemperaturbereich niedergeschmolzen, der sich an denjenigen zur Herstellung der Schichten 41 und 42 anschließt, vorzugsweise bei einer Temperatur von 790 bis 830 C.

Mit einem nach dem Verfahren gemäß der Erfindung hergestellten passivierenden Glasüberzug wurden beispielsweise Halbleiterbauelemente hoher Strombelastbarkeit erzielt, die bei 170 C Betriebstemperatur im Halbleitermaterial und bei einer Sperrspannungsbelastbarkeit von 2500V stabile Kenngrößen aufweisen.

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Das Verfahren nach der Erfindung kann auch angewendet werden, wenn die zum Zerteilen in Halbleiterkörper vorgesehene Halbleiterausgangsscheibe auf beiden Seiten Vertiefungen 2 aufweist, welche jeweils wenigstens eine pn-Übergangsfläche durchsetzen. Das Passivieren erfolgt dann in der Weise, daß die Behandlung der Oberflächenbereiche der einen Seite der Scheibe mit einem Glasüberzug mit vorgegebener hoher Schmelztemperatur und anschließend die Behandlung der Oberflächenbereiche der anderen Seite mit einem Glasüberzug mit vergleichsweise entsprechend niedrigerer Schmelztemperatur durchgeführt wird, um ein nochmaliges Aufschmelzen des Überzuges der ersten Seite zu verhindern.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist aber nicht auf die Bearbeitung von Oberflächenbereichen einer zur Zerteilung in eine Anzahl von Halbleiterkörpern vorgesehenen Halbleiterausgangsscheibe beschränkt. Es kann vielmehr auch bei Halbleiterscheiben mit wenigstens einem pn-Übergang angewendet werden, die unzerteilt als Halbleiterkörper mit großer aktiver Fläche für hohe Strombelastbarkeit vorgesehen sind und entweder durch eine Vertiefung/längs ihrer Randzone oder durch Abschrägen der /2 Randzone einen für die Oberflächenbehandlung vorgesehenen Flächenbereich aufweisen. Um ein Wegfließen der flüssigenGlasmasse beim Aufschmelzen auf die abgeschrägte Randzone einer Halbleiterscheibe zu verhindern, können geeignet ausgebildete Formkörper aus hochschmelzendem Material verwendet werden, welche mit der Halbleiterscheibe an deren Randprofil einen Hohlraum zum Anbringen des Glasüberzuges bilden.

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Leerseite

Claims

SLM1KKÜN

Gesellschaft für GJ e.' chrich+erbau und F.lektronik m.b.H. 8500 N ü r H b e ι g, WJesenta]straße 40 Telefon 09Π / 3778^ - Telax C6 - 22155
2. September 1977 PA - Bu/wl I 1477054

PATENTANSPRÜCHE

(1./Verfahren zur stabilisierenden Oberflächenbehandlung von Halbleiterkörpern, bei dem auf die Halbleiteroberfläche wenigstens im Bereich des Austritts des oder der pn-Übergänge ein Glasüberzug aufgebracht wird, dadurch gekennzeichnet,

daß unmittelbar auf der Halbleiteroberfläche eine dünne Schicht (3) aus dem Oxid des Halbleitermaterials erzeugt wird,

daß auf diese Halbleiteroxidschicht (3) eine aus einem an sich , bekannten Glas bestehende Basisschicht (40) mit einem dem des Halbleitermaterials angepaßten thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufgebracht wird, und

daß auf die Basisschicht (40) eine abschließende Schicht (43) aus einem Glas aufgebracht wird, das einen niedrigeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten als das Halbleitermaterial aufweist und bei einer Temperatur aufgeschmolzen wird, die in einem an den für die Basisschicht erforderlichen Temperaturbereich angrenzenden höheren Temperaturbereich liegt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Halbleiteroxidschicht (3) mit einer Dicke bis 100 Angström erzeugt wird.

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3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiteroxidschicht (3) durch Behandeln der gereinigten Halbleiterkörper mit einer Ätzflüssigkeit erzeugt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiteroxidschicht (3) durch eine Wärmebehandlung erzeugt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung der Basisschicht (4ΰ) zwei Glasschichten (41, 42) jeweils mit einer Dicke von maximal 15/um auf die Halbleiteroxidschicht (3) aufgebracht werden.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zum Herstellen der Basisschicht (40) Bleialumosilikatgläser verwendet werden.
7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zum Herstellen der die Basisschicht (40) bildenden Glasschichten (41,42) unterschiedliche Gläser mit im wesentlichen gleichen physikalischen Eigenschaften verwendet werden.
8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die abschließende Schicht (43) eine Mischung aus einer der für die Basisschicht (40) verwendeten Gläser und aus einem Zusatz von Quarz mit einem Anteil von 0,5 bis 10 Gewichtsteilen verwendet wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß Quarz in hochreiner Form verwendet wird.

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10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die abschließende Schicht (43) in einer Dicke von wenigstens 30/um aufgebracht wird.
11. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Gläser und der Quarzzusatz jeweils in Pulverform verwendet und mit einem Bindemittel gemischt werden, das durch die Wärmebehandlung zum Herstellen der Schichten vollständig beseitigt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die zum Herstellen der Schichten vorgesehenen Mischungen durch Streichen, Sprühen oder Schleudern auf die Halbleiteroberfläche aufgebracht werden.
13. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Basisschicht (40) bzw. die diese bildenden Glasschichten (41,42) in einem Temperaturbereich von 750 bis 800 C und die abschließende Schicht(43) in einem Temperaturbereich von 790 bis 830 C aufgeschmolzen werden.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der GlasUberzug jeweils auf die Flächen von Vertiefungen (2) aufgebracht wird, die wenigstens in einer Seite einer wenigstens einen pn-Übergang aufweisenden Halbleiterausgangsscheibe entsprechend einem Muster zur Zerteilung der Scheibe in Halbleiterkörper angeordnet sind und die pn-Übergangsfläche durchsetzen.

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