DE2064281C3

DE2064281C3 - Semiconductor component with metal contacts made of gold or a gold alloy and process for its production

Info

Publication number: DE2064281C3
Application number: DE19702064281
Authority: DE
Inventors: Aloys Dipl.-Phys. 4771 Mülheim Sonntag
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Filing date: 1970-12-29
Publication date: 1977-05-18

Description

4545

Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement mit einem oder mehreren pn-Übergängen, einem Halbleiterkörper aus Silizium und Metallkontakten aus Gold oder einer Goldlegierung zur Zu- oder Ableitung des elektrischen Stroms.The invention relates to a semiconductor component with one or more pn junctions, one Semiconductor body made of silicon and metal contacts made of gold or a gold alloy for supply or discharge of electric current.

Halbleiterbauelemente mit einem Halbleiterkörper aus Silizium haben weite Verbreitung gefunden, was u. a. auf ihre hohe Zuverlässigkeit auch bei Dauerbetrieb zurückzuführen ist.Semiconductor components with a semiconductor body made of silicon have found widespread use i.a. can be attributed to their high reliability even in continuous operation.

Bei diesen Halbleiterbauelementen werden zur Herstellung der Kontakte für die Zu- oder Ableitung des Stroms Metallschichten auf den Halbleiterkörper aufgebracht, z. B. aufgedampft oder durch chemische Reaktion erzeugt, und durch einen Legierungsprozeß mit dein Halbleiterkörper verbunden. Hierzu werden Schichten aus Aluminium oder Gold mit geringen Anteilen an Dotierstoffen, z. B. Antimon, oder auch andere Metalle und DotieriSoffe zusammen mit dem Halbleiterkörper auf eine Temperatur zwischen der eutektischen Temperatur und denn Schmelzpunkt des Es kann vermuiei wcuui, daß das Ablosen der GoldschTcht vom Silizium darauf zurückzuführen ist, Sß das Silizium auf seiner Oberfläche, die vom Me^daßda bedeckt ist, eine Oxidschicht bildet die η Rande entsteht, dann unter das Metall wandert und sich nach und nach über die ganze Flache Tusdehnt Auf solcher Siliziumoxiüschicht haftet das ah Kontaktmaterial benutzte Gold nicht mehr, sondern blättert ab, was eine Kontaktunterbrechung und den Ausfall des Halbleiterbauelementes zur FolgeIn these semiconductor components, metal layers are applied to the semiconductor body to produce the contacts for the supply or discharge of the current, e.g. B. vapor-deposited or generated by chemical reaction, and connected by an alloy process with your semiconductor body. For this purpose, layers of aluminum or gold with small amounts of dopants, e.g. B. antimony, or other metals and dopants together with the semiconductor body to a temperature between the eutectic temperature and the melting point of the Me ^{that it is} covered, an oxide layer forms the edge, then migrates under the metal and gradually extends over the entire surface of the semiconductor component result

^hatDiese Oxydation, die auf eine Reaktion des Siliziums mit Luftsauerstoff, Feuchtigkeit oder mil Sub-Ξζ™ zurückzuführen ist, die von den zur Abdek- S verwendeten Materialien abgegeben werden, setz? in merklichem Umfang erst bei Temperaturen im Bereich von etwa 150° C ein. Muß mit höheren Betriebstemperaturen, etwa bis 200° C, gerechnet werden, wie dies bei hochtemperatur!esten Leistungshalbleiterbauelementen der Fall sein kann, sind daher die Silizium-Metallkontakt-Verbindungen besondersThis ^is oxidation, which is attributable to a reaction of the silicon with atmospheric oxygen, moisture, or mil sub-Ξζ ™, which are submitted by those used to Abdek- S materials translated? to a noticeable extent only at temperatures in the range of about 150 ° C. If higher operating temperatures, up to about 200 ° C, have to be expected, as can be the case with high-temperature power semiconductor components, the silicon-metal contact connections are therefore special

6o bs sind Verfahren bekanntgeworden, die diesen Nachteil dadurch zu verhindern suchen, daß die Halbleiterbauelemente nach dem Einbau in ein Gehäuse, aber vor dessen Verschließen evakuiert und ausgeheizt und im Vakuum oder einem trockenen Schutzgas abgekühlt werden, bevor die Gehäuse unmittelbar danach vakuumdicht verschlossen werden. 6o bs methods have become known that seek to prevent this disadvantage by evacuating and baked out the semiconductor components after they have been installed in a housing, but before closing it, and then cooling them in a vacuum or a dry protective gas before the housing is immediately closed vacuum-tight.

Diese Verfahren sichern zwar die Betriebssicherheit und die Erhaltung der elektrischen Kennwerte auch über längere Betriebszeiten hinweg, erfordern auf der anderen Seite aber einen erheblichen fertigungsmäßigen Aufwand, weil die Silizium-Halbleiterbauelemente in einem hermetisch abgeschlossenen Gehäuse untergebracht werden müssen.These procedures ensure operational safety and the maintenance of the electrical parameters even over longer operating times, on the other hand, require a considerable amount of manufacturing Effort because the silicon semiconductor components in a hermetically sealed Housing must be accommodated.

Es ist hierbei erforderlich, daß das Gehäuse vorIt is necessary here that the housing is in front

dem Verschließen evakuiert und dann im Vakuum bei etwa 300° C einige Stunden ausgeheizt wird, um restlos auch Spuren von Feuchtigkeit oder anderer flüchtiger Stoffe von den Gehäuseinnenv^änden oder den im Gehäuse befindlichen Bauteilen zu entfernen. Dieser Verfahrensschritt erfordert ebensolche Sorgfalt wie die anschließende Füllung des Gehäuses mit einem völlig trockenen inerten Gas. Die Füllung muß in einem abgeschlossenen Raum vorgenommen werden, wobei der Raum seinerseits ebenfalls mit dem trockenen inerten Gas gefüllt ist. Für die gesamte Lebensdauer des Bauelementes muß aas Gehäuse hermetisch verschlossen bleiben. Es können daher für die Gehäuseteile nur solche Materialien benutzt werden, die auch bei langen Betriebs- oder Lagerzeiten im gesamten zulässigen Lagertemperaturbereich etwa von — 50 bis + 200° C ein Eindiffundieren von Feuchtigkeit mit Sicherheit verhindern. Aus diesem Grunde ist eine Verwendung von Kunststoffen, die an und für sich erwünscht wäre, nicht möglich, weil in diesem Fall immer mit einer Diffusion von Feuchtigkeit gerechnet werden muß.after closing it is evacuated and then baked out in vacuo at about 300 ° C. for a few hours in order to ensure that it is completely also traces of moisture or other volatile substances from the interior walls or the to remove components located in the housing. This process step requires just as much care like the subsequent filling of the housing with a completely dry inert gas. The filling must be made in a closed room, the room itself also with the dry inert gas is filled. The housing must be hermetically sealed for the entire service life of the component remain closed. Therefore, only such materials can be used for the housing parts which even with long operating or storage times in the entire permissible storage temperature range of about - 50 to + 200 ° C a diffusion of moisture prevent with certainty. Because of this, a use of plastics that is on and for would be desirable, not possible, because in this case a diffusion of moisture is always expected must become.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Halbleiterbauelement der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß es auch bei hohen Betriebstemperaturen in einem Bereich von etwa 150° C bis 200° C sicher und ohne Gefahr des Ablösens der Kontakte von der Silizium-Oberfläche arbeitet, zu seiner Herstellung jedoch einen geringeren fertigungstechnischen Aufwand als bisher bekannte Verfahren erfordert und bei dem auch billigere Materialien, beispielsweise Kunststoffe, als Gehäusematerial benutzt werden können.The invention is based on the object of providing a semiconductor component of the type mentioned at the beginning to further develop that it is even at high operating temperatures in a range from about 150 ° C to 200 ° C works safely and without the risk of the contacts becoming detached from the silicon surface However, its manufacture requires less manufacturing effort than previously known methods requires and in which cheaper materials, such as plastics, as the housing material can be used.

Diese Aufgabe wird bei einem Halbleiterbauelement der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß eine Chromschicht die freie Oberfläche des Metallkontakts und den angrenzenden Bereich der Halbleiteroberfläche im Randbereich des Übergangs von dem Metallkontakt zu der Oberfläche des Halbleiterkörpers allseitig überdeckt.In the case of a semiconductor component of the type mentioned at the outset, this object is achieved in that a chrome layer the free surface of the metal contact and the adjacent area of the semiconductor surface in the edge region of the transition from the metal contact to the surface of the semiconductor body covered on all sides.

Aus der britischen Patentschrift 1053 069 ist es bekannt, die Halbleiteroberfläche in einem Oxidfenster mit Aluminium oder Nickel zu kontaktieren und diese Kontaktschicht einschließlich der Wandung des Fensters mit einer Chromschicht zu versehen, um das Eindringen von Verunreinigungen zwischen die Oxidschicht und der Kontaktschicht zu verhindern. Hierbei befindet sich jedoch die Chromschicht nicht in unmittelbarem Kontakt mit der Halbleiteroberfläche. Es wird auch nicht das Problem berührt, Kontaktschwierigkeiten bei hohen Betriebstemperaturen zu vermeiden. From British patent specification 1053 069 it is known to contact the semiconductor surface in an oxide window with aluminum or nickel and this Contact layer including the wall of the window to be provided with a chrome layer to prevent penetration to prevent contamination between the oxide layer and the contact layer. Here however, the chromium layer is not in direct contact with the semiconductor surface. It the problem of avoiding contact difficulties at high operating temperatures is also not touched upon.

Die Erfindung läßt sich besonders vorteilhaft bei Leistungsdioden und Thyristoren anwenden. Man erreicht mit der Erfindung, daß bei dem Halbleiterbauelement durch die zusätzlich aufgebrachte Chromschicht der auf der Halbleiteroberfläche befindliche Metallkontakt vor einem Ablösen von der Halbleiteroberfläche mit Sicherheit geschützt wird.The invention can be used particularly advantageously in power diodes and thyristors. One achieves with the invention that in the semiconductor component by the additionally applied chromium layer the metal contact located on the semiconductor surface prior to detachment from the semiconductor surface is guaranteed to be protected.

Dabei kann angenommen werden, daß bei Vorhandensein von Sauerxioff oder Sauerstoff abgebenden Verbindungen-z. R etwa bei Anwesenheit von Wasser - eine Oxydation des Chromv eintritt. Ebenfalls wird die Oberfläche des Halbleiterkörper am Rande der Schutzschicht oxydiert, so daß die Halbleiteroberfläche und die Oberfläche der Chromschutzschicht von Oxidschichten oder gegebenenfalls auch von Oxidhvdratschichti η bedeckt sind.It can be assumed that if it is present von Sauerxioff or delivering oxygen Connections-z. R for example in the presence of water - an oxidation of the chromium occurs. Likewise the surface of the semiconductor body becomes at the edge the protective layer is oxidized, so that the semiconductor surface and the surface of the protective chromium layer are covered by oxide layers or optionally also by Oxidhvdratschichti η.

Es kann weiter angenommen werden, daß die Oxide des Halbleiterkörpers mit den Oxiden des Chroms eine innige Verbindung miteinander eingehen und diese Verbindung als eine Diffusionssperre eine weitere Heranführung von Sauerstoff oder sauerstoff haltigen Verbindungen an den Halbleiterkörper und insbesondere unter die Metallkontaktschicht verhindert. Die Oxydation hört daher bei dem erfindungsgemäßen Halbleiterbauelement schon nach kurzer TiefeIt can further be assumed that the oxides of the semiconductor body with the oxides of the Chromium enter into an intimate connection with each other and this connection acts as a diffusion barrier further introduction of oxygen or oxygen-containing Prevents connections to the semiconductor body and in particular under the metal contact layer. In the case of the semiconductor component according to the invention, the oxidation ceases after a short depth

ίο auf, während bei bisher bekannten Metallkontaktschichten aus Gold oder Goldverbindungen ohne die zusätzlich aufgebrachte Chromschicht der Sauerstoff ungehindert mit dem Silizium auch unter der Metallkontaktschicht reagieren kann, wobei sich die Me-ίο on, while with previously known metal contact layers from gold or gold compounds without the additionally applied chrome layer the oxygen can react unhindered with the silicon even under the metal contact layer, whereby the

¹S tallkontaktschicht von dem gebildeten Siliziumoxid abhebt und auf diese Weise eine immer weiter fortschreitende Oxidschicht- oder auch gegebenenfalls Oxidhydratschichtbildung über die gesamte, zunächst vom Metallkontakt bedeckte, Halbleiteroberfläche ¹ metal contact layer lifts off from the silicon oxide formed and in this way an ever-advancing oxide layer or also optionally oxide hydrate layer formation over the entire semiconductor surface initially covered by the metal contact

so ermöglicht.so made possible.

Vorteilhaft gegenüber bekannten Lösungen ist die Einfachheit, mit der durch die Erfindung die sichere Erhaltung des elektrischen Kontaktes erreicht wird. Man kann auf ein hermetisch verschlossenes Gehäuse verzichten und erspart außerdem die kostspieligen und zeitraubenden Ausheizprozesse der Vorrichtung vor dem Verschließen, die wegen der hohen dabei benötigten Temperatur noch die Gefahr einer Beschädigung des Halbleiterkörpers mit sich bringen.The advantage over known solutions is the simplicity with which the invention provides the safe Maintaining electrical contact is achieved. A hermetically sealed housing can be used dispense and also save the costly and time-consuming bake-out processes of the device before closing, there is still a risk of damage because of the high temperature required of the semiconductor body with it.

An einem möglichen Ausführungsbeispiel und an Hand der teilweise schematischen Zeichnung sei das Halbleiterbauelement gemäß der Erfindung noch einmal beschrieben. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.This is based on a possible exemplary embodiment and on the basis of the partially schematic drawing Semiconductor component according to the invention described again. Further advantageous refinements can be found in the subclaims.

Auf der Oberfläche 1 einer Halbleiterscheibe 2 aus Silizium befindet sich als Kontakt 3, z. B. ein Kathodenkontakt, eine Metallschicht aus Gold, einer Goldlegierung oder insbesondere einer Gold-Antimonlegierung, die durch einen Auf dampf prozeß oder durch Auflegen einer Metallfolie aufgebracht und einlegiert ist. Die Dicke des Metallkontakts beträgt nach dem Einlegieren etwa 1 bis 100 μηι. Auf der gegenüberliegenden Oberfläche der Halbleiterscheibe ist eine Molybdänscheibe 5 über eine Aluminiumschicht 4, z. B.On the surface 1 of a semiconductor wafer 2 made of silicon is located as a contact 3, z. B. a cathode contact, a metal layer made of gold, a gold alloy or, in particular, a gold-antimony alloy, which is applied and alloyed by a steam process or by placing a metal foil is. The thickness of the metal contact is about 1 to 100 μm after alloying. On the opposite The surface of the semiconductor wafer is a molybdenum wafer 5 over an aluminum layer 4, e.g. B.

als Anodenkontakt, angebracht.as anode contact attached.

Wenn beim Aufbringen und Einlegieren des Metallkontakts in den Halbleiterkörper gleichzeitig noch ein bestimmter Leitfähigkeitstyp des Halbleiters erzeugt werden soll, enthält der Metallkontakt auch die Dotierstoffe - etwa als eine Legierung. Um beispielsweise auf Silizium einen Goldkontakt und eine Dotierung des Siliziums mit Antimon zu erhalten, wird eine Gold-Antimon-Legierung verwendet.If during the application and alloying of the metal contact in the semiconductor body at the same time If a certain conductivity type of the semiconductor is to be generated, the metal contact also contains the Dopants - for example as an alloy. For example, a gold contact and doping on silicon To obtain the silicon with antimony, a gold-antimony alloy is used.

Auf dem Metallkontakt 3 befindet sich nun eine weitere Metallschicht 6 aus Chrom, die zweckmäßigerweise aufgedampft, galvanisch abgeschieden oder auf eine andere Weise aufgebracht ist und deren Schichtdicke etwa 1 bis 2 μπι beträgt, um ihre Porenfreiheit zu gewährleisten, und deren Durchmesser etwa 1 bis 2 mm - mindestens jedoch etwa 0,2 mm — größer als der Durchmesser des Metallkontakts ist, so daß der angrenzende Halbleiterbereich 7 wenigstens 0,1 mm seitlich überdeckt ist. Die Chromschicht 6 wird sich mit Sauerstoff verbinden, und die entstehende Chrom-Sauerstoff-Verbindung geht dann mit einer sich gegebenenfalls bildenden Sauerstoffverbindung des Siliziums eine Verbindung ein, die bis etwa 300° C beständig ist.On the metal contact 3 there is now a further metal layer 6 made of chromium, which is expediently vapor-deposited, electrodeposited or applied in any other way and their Layer thickness is about 1 to 2 μm in order to be free of pores to ensure, and their diameter about 1 to 2 mm - but at least about 0.2 mm - Is larger than the diameter of the metal contact, so that the adjoining semiconductor region 7 at least 0.1 mm is laterally covered. The chromium layer 6 will combine with oxygen, and the The resulting chromium-oxygen compound then goes with any oxygen compound that may be formed of silicon a compound that is stable up to about 300 ° C.

Durch das Aufbringen der Chromschicht wird also eine Diffusionssperre geschaffen, die verhindert, daß Feuchtigkeit oder Luftsauerstoff vom Rand her das Silizium unter Metallkontakt oxydiert.By applying the chrome layer, a diffusion barrier is created which prevents that Moisture or atmospheric oxygen from the edge oxidizes the silicon in contact with metal.

Die Gesamtschichtdicke des Metallkontakts 3 undThe total layer thickness of the metal contact 3 and

des darauf aufgebrachten Chromüberzuges 6 muß so groß gewählt werden, daß die gesamte Schicht porenfrei ist, um ein Eindiffundieren von Sauerstoff oder Sauerstoffverbindungen auch von der Oberfläche her unter den Metallkontakt zu verhindern.of the chrome coating 6 applied thereon must be chosen so large that the entire layer is free of pores is to prevent oxygen or oxygen compounds from diffusing in from the surface to prevent under the metal contact.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

Patent claims:

1. Semiconductor component with one or more pn junctions, a semiconductor body made of silicon and metal contacts made of gold or a gold alloy for supplying or removing the electric current, characterized in that a chromium layer (6) forms the free surface of the metal contact (3) and the adjoining area (7) of the semiconductor surface in the edge area the transition from the metal contact (3) to the surface of the semiconductor body (2) on all sides covered.

2. Semiconductor component according to claim 1, characterized in that the chromium layer (6) covers the entire metal contact (3) beyond the edge area.

3. Semiconductor component according to claim 1 or 2, characterized by a metal contact (3) made of a gold-antimony alloy.

4. Semiconductor component according to one of claims 1 to 3, characterized in that the Chromium layer (6) has a thickness of about 0.5 to 2 μm.

5. Semiconductor component according to one of claims 1 to 4, characterized in that the Chrome layer (6) covers the metal contact (3) on all sides by more than 0.1 mm.

6. Semiconductor component according to claim 5, da- 3 <> characterized in that the chrome layer (6) the metal contact (3) on all sides by about 1 to 2 mm covered.

7. A method for producing a semiconductor component according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the chromium layer (6) is vapor deposited.

8. A method for producing a semiconductor component according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the chromium layer (6) is electrodeposited.

Silicon o introduced. The silicon melts below it the S does not go up to a depth defined by the ί Jnpmhffund depends on the thickness of the metal layer irffiSSSISi during the subsequent cooling

"^ N'-rktallin from again, where at the same time em part 5SSSStoning, if necessary, of the dopants is built into the silicon lattice

Subsequent to the contacting process, the Siliz? Subjected to Oberflachenbehandfüng to devices to protect it from the influence of the surrounding atmosphere as much as possible to scnut-SnDanach they are installed in a vacuum-tight housing which is provided with a Schutzgasfullung ^We H ^d a ^e ibieiterbauelemente with a Semiconductor body _{made of} SnShim, which w? the, often generally operate reliably soerndTe operating temperature 150 'C not ubeTSchrei-S At temperatures above about 150 C "on the other hand limits the reliability Snd failures of semiconductor devices t 1" Te lh This is back feeds in particular that Se Ie bSdung Shen said Semiconductor body and dm Kolktmetall dissolved and JrSj-gj between the supply line and the semiconductor body between!