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    • 专利摘要:

    公开号:WO1987007081A1
    申请号:PCT/DE1987/000222
    申请日:1987-05-13
    公开日:1987-11-19
    发明作者:Werner Tursky
    申请人:Semikron Elektronik Gmbh；
    IPC主号:H01L23-00
    专利说明:
    [0001] Halbleiterbauelement
    [0002] Die Erfindung betrifft ein HaIbleiterbauelement mit einem Halblei terkörper, welcher eine Folge von schichtförmigen Zonen mit wenigstens zwei zwischenliegenden pn-üb ergangen und in wenigstens einer der beiden, die Emitterzone bildenden, äußeren Zonen eine Struktur aufweist, bei welcher Abschnitte der Emitterzone und zwischenliegende Teile der angrenzenden Basiszone eine gemeinsame Oberfläche bilden, und auf den Basiszonenteilen mit einer ersten Metallisierung sowie auf den Emitterzonenabschnitten mit einer zweiten Metallisierung, über welcher eine durchgehende Kontaktplatte angebracht ist, versehen ist.
    [0003] Bei Halbleiterbauelementen mit einem HaIbleiterkörper mit mehreren Funktionsbereichen ist dessen Kontaktelektrode zur Kontaktierung mit Stromleiterteilen entsprechend unterteilt. Die Ausbildung solcher sogenannten Elektrodenstrukturen und die Kontaktierung derselben ist z.B . bei bipolaren Leistungstransistoren, bei Frequenzthyristoren mit verzweigter Steuerelektrode und bei über das Gate abschaltbaren Thyristoren (GTO-Thyristören) erforderlich.
    [0004] Es sind Elektrodenstrukturen mit ineinandergreifenden Abschnitten unterschiedlich gepolter Elektroden bekannt. Diese erfordern besondere Maßnahmen zur Vermeidung von Kurzschlüssen. Mit kleiner werdenden Abmessungen der Elektrodenabschnitte, d.h. mit zunehmender Unterteilung, wird die Feinstrukturierung dichter und wachsen die Andorderungen an die Verfahrenstechnik und an die Einrichtungen zur Herstellung solcher Anordnungen.
    [0005] Es ist bekannt, derartige Strukturen durch Bonden oder durch Druck mittels Federkraft mit Kontakt stücken oder mit Stromleiterteilen zu verbinden. Als Kontaktstueke werden auch scheibenförmige Teile aus Molybdän verwendet.
    [0006] Bei abschaltbaren Leistungshalbleiterbauelementen mit geringerer Flächenausdehnung der Elektrodenstruktur ist die Kontaktierung des Halbleiterkörpers durch Druck mittels Federkraft mit einem unangemessen hohen Aufwand an Material und an Verfahrensschritten verbunden.
    [0007] Aber auch eine Kontaktierung des Halbleiterkörpers solcher HaIbleiterbauelemente mittels Bonden ist mit Nachteilen behaftet.
    [0008] Es besteht daher gerade bei abschaltbaren LeistungshaIbleiterbauelementen mit geringerer Flächenausdehnung der strukturierten Elektrode das Bedürfnis nach einer in einfacherer Weise erzielbaren stoffsehlüssigen Verbindung der Elektrodenstruktur mit einer Kontaktplatte.
    [0009] Die bekannten Bauformen weisen einen weiteren Nachteil auf. Jeder streifenförmige Abschnitt der Emitter-Metallisierung ist ganzflächig mit einem Bereich des Kontakt Stücks, z.B. einer Mo lybdän ronde, unmittelbar verbunden. Beim Ausschaltverhalten z.B. eines GTO-Thyristors wird ein Teil des zuvor fließenden
    [0010] Durchlaßstromes mit Hilfe einer negativen Gate-Spannung über das Gate abgezogen. Wegen der sehr niederohmigen Verbindung zwischen Emitter-Metallisierung und Kontaktstück ist die Zeit, in welcher die Emitterzonenabschnitte nach Anlegen der negativen Spannung reagieren, aufgrund von Toleranzen der das Ausschaltverhalten bestimmende Parameter unterschiedlich. Dies hat eine unerwünschte Begrenzung des abschaltbaren Anodenstromes zur Folge. Untersuchungen haben ergeben, daß dieser Nachteil mit einem definierten elektrischen Widerstand zwischen jedem Kontaktstückbereich und dem zugehörigen Emitter- Metallisierungsabschnitt weitgehend beseitigt werden kann. Dabei soll der Widerstand vom Kontaktstück zur Mitte des Metallisierungsabschnittes größer sein als zum Rand des letzteren. Damit wird in Analogie zur Verwendung sogenannter Ballastwiderstände bei der Parallelschaltung von HaIbleiterbauelementen ein Ausgleich der oben genannten, unerwünschten Toleranzen erzielt.
    [0011] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei abschaltbaren Halbleiterbauelementen mit strukturierter Elektrode in einer gegenüber bekannten Bauformen einfacheren Weise eine stoffschlüssige Verbindung der strukturierten Elektrode mit einer Kontaktp latte zu erzielen und zur Verbesserung des Abschaltverhaltens eine Metallisierung der Emitterzonenabschnitte der Elektrode zu schaffen, bei welcher diese Abschnitte über definierte Widerstände mit Stromleiterteilen verbunden sind.
    [0012] Die Lösung der Aufgabe besteht bei einem Halbleiterbauelement der eingangs erwähnten Art in den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs.
    [0013] Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Ansprüchen 2 bis 11 angegeben.
    [0014] Anhand des in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiels wird die Erfindung erläutert. Die Figur zeigt im Querschnitt einen scheibenförmigen Halbleiterkörper eines GTO-Thyristors und die Stoffsehlüssige Anordnung einer Kontaktplatte auf dem Halbleiterkörper.
    [0015] Der HaIbleiterkörper (I) aus einer hochohmigen, n-leitenden Mittelzone (1), je einer daran angrenzenden, p-leitenden Zone (2, 3) und den in die als Steuerbasiszone dienende Zone (2) eingelassen angeordneten Emitterzonenabschnitte (4) zeigt den üblichen Aufbau für ein schaltbares HaIbleitergleichrichterelement. Die beiden Funktionsbereiche, nämlich der Steuerstrombereich und der Laststrombereich, sind jeweils streifenförmig unterteilt ausgebildet, abwechselnd aufeinanderfolgend angeordnet und bilden gemeinsam die eine der beiden Hauptflächen des HaIbleiterkörpers (I). Jeder streifenförmige Teil des Steuerstrombereichs, d.h. der zwischen zwei benachbarten Emitterzonenabschnitten (4) liegende Basiszonenteil (2a), ist mit einer Metallisierung (6) versehen. Diese Basiszonen-Metallisierung (6) ist mit einer ersten Isolierschicht (7) überzogen, die für eine einwandfreie Abdeckung der bei der Druckkontaktierung des Aufbaus dem Kontaktdruck unterworfenen Basiszonen-Metallisierung (6) geeignet ausgebildet ist. Die erste Isolierschicht (7) überlappt jeweils den zwischen Basiszonenteil (2a) und
    [0016] Emitterzonenabschnitt (4) an die Oberfläche tretenden pn-übergang.
    [0017] Die freien Oberflächen der Emitterzonenabschnitte (4), bis auf die Stellen für Anschlußleiterteile, und die erste Isolierschicht (7) sind gemeinsam mit einer durchgehenden zweiten, als Emitter-Metallisierung (8) bezeichneten Metallschicht abgedeckt.
    [0018] Durch die streifenförmigen Erhebungen der ersten Metallisierung (6) zwischen benachbarten Emitterzonenabschnitten (4) ist die Beschichtung der Halbleiteroberfläche aus Kontaktmetall und Isoliermaterial jeweils stufenförmig abgesetzt ausgebildet. Dabei bilden die über den Basiszonenteilen (2a) liegenden, tafelförmigen Aufsätze (8c) der Emitter-Metallisierung (8) die Kontaktfläche für die stoffschlüssige Verbindung der Metallisierung (8) mit einer ebenen Kontaktplatte (12), z.B. aus Molybdän.
    [0019] Mit einer solchen Beschichtung der HaIbleiteroberfläche ist in besonders einfacher Weise eine beliebige Strukturierung einer Elektrode des HaIbleiterkörpers bei Bauelementen der eingangs genannten Art unabhängig von der Bemessung der Funktionsbereiche erzielbar.
    [0020] Die Emitter-Metallisierung (8) ist jeweils zwischen der Symmetrielinie jedes Aufsatzes (8c) und der Symmetrielinie eines benachbarten Emitterzonenabschnittes (4) als definierter Strompfad vorgesehen. Sie ist zu diesem Zweck gegen eine darüber angeordnete metallische Zwischenschicht (11) durch eine zusammenhängende zweite Isolierschicht (9) abgedeckt. An diesem definierten Strompfad entsteht beim Abschalten des Bauelements ein Spannungsabfall, der mit durch Material und Bemessung der Emitter-Metallisierung (8) bestimmt ist. Er beträgt beim Einsatz des Ha Ib lei terbaue lements unter Nennbelastung wenigstens 10 mV. Diese zweite Isolierschicht (9) weist an jedem Aufsatz (8c) eine Öffnung (10) als Kontaktfenster zur Verbindung der Emitter-Metallisierung (8) mit einer Kontaktplatte (12) auf. Der durch die elektrisch isolierte Anordnung der Emitter-Metallisierung (8) gebildete Querwiderstand in derselben zwischen einer Kontaktstelle für die Kontaktp Latte (12) und der Symmetrielinie eines der benachbarten Emitterzonenab schnitte (4) setzt sich aus den Teilwiderständen R1 und R2 zusammen. Der Teilwiderstand R1 entsteht beim Einsatz des HaIbleiterbauelements in dem Abschnitt der Emitter-Metallisierung (8) zwischen dem Rand der zweiten Isolierschicht (9) auf dem Aufsatz (8c) und dem Rand der ersten Isolierschicht (7) auf dem Emitterzonenabschnitt (4). Der Teilwiderstand R2 ergibt sich aus dem weiteren Abschnitt der Emitter-Metallisierung (8) in dem daran anschließenden Strompfad bis zur Symmetrielinie dieses Emitterzonenabschnittes. Der Rand der Öffnung
    [0021] (10) in der zweiten Isolierschicht (9) weist eine konstante Entfernung zum Rand des zugeordneten Emitterzonenabschnittes (4) auf. Diese Entfernung ist im wesentlichen durch die Bemessung des jeweiligen Bas i szoneπbe re i chs und seiner Metallisierung (6) bestimmt. Der Querwiderstand R1 + R2 ist dann durch diese Entfernung sowie durch Dicke und Material der Emitter-Metallisierung (8) in dem betreffenden Bereich festgelegt. Auf diese Weise sind überraschend einfach definierte Widerstände in den Strompfaden der Emitterzonenabschnitte gebildet, welche die gewünschte Verbesserung des Abschaltverhaltens des eingangs genannten HaIbleiterbauelements ergeben. Die Größe sämtlicher Öffnungen (10) ist jedoch für die Strombelastbarkeit des HaIbleiterbauelements bestimmend. Die annähernd durch die Emitterzonenabschnitte (4) vorgegebene aktive Fläche ist daher im wesentlichen durch angepaßte Ausdehnung der Öffnungen (10) gewährleistet.
    [0022] Im weiteren ist auf die zweite Isolierschicht (9) die metallische Kontaktschicht (11) aufgebracht, die lediglich in den Öffnungen (10) mit der Emitter-Metallisierung (8) galvanisch verbunden ist. Die Schicht
    [0023] (11) besteht in vorteilhafter Weise aus einem Weichlot oder einem metallhaltigen Kleber mit hohem Anteil an einem Kontaktmetall und ist an der freien Oberseite im wesentlichen plan ausgebildet. Die stoffschlüssige Kontaktierung der Emitter-Metallisierung (8) mit der Kontaktplatte (12) ist durch ganzflächiges Verbinden der letzteren mit der Kontaktschicht (11) hergestellt.
    [0024] Als Material der ersten Isolierschicht (7) eignen sich die anorganischen Verbindungen des Materials des Halbleiterkörpers wie SiO, SiO2, Si3N4 sowie Gläser auf Silikatbasis, z.B. Zinkborsilikatglas. Weiterhin eignen sich Aluminiumoxid Al2O3.
    [0025] Es sind jedoch auch organische Schichten aus einem Polyimid verwendbar. Die Dicke dieser ersten Isolierschicht (7) soll wenigstens 0,1 μm betragen und ist vorzugsweise 0,5 bis 30μm.
    [0026] Als Material für die Basiszonen-Metallisierung (6) kann Aluminium oder eine Schichtenfolge aus den Metallen Aluminium, Chrom, Nickel, Silber vorgesehen sein. Damit ist die Forderung erfüllt, daß dieser metallische Überzug der Basiszonenteile (2a) eine hohe elektrische Leitfähigkeit besitzen muß, um die darin auftretenden lateralen Spannungsabfälle möglichst klein zu halten.
    [0027] Als Material für die Emitter-Metallisierung (8) eignen sich
    [0028] Legierungen aus oder mit Nickel und Chrom. Es sind bevorzugt Chrom-Nickel-Legierungen mit einem Anteil von Nickel im Bereich von 35 bis 60 Gewichtsprozent vorgesehen. Günstige Ergebnisse wurden mit einer Chrom-Nickel-Legierung mit 40 Gewichtsprozent Nickel, Rest Chrom erzielt. Anstelle von Nickel kann das Material der Emitter-Metallisierung (8) auch Siliziumoxid enthalten.
    [0029] Die Metallisierungen (6, 8) können z.B. durch Aufdampfen oder Sputtern erzeugt und in einem nachfolgenden Temperaturschritt noch mit dem darunterliegenden Material fest verbunden werden. Der Abstand zwischen Basiszonen-Metallisierung (ό) und Emitterzonenabschnitt (4) ist wenigstens 5 μm und kann bis 500μm betragen.
    [0030] Typische Werte des Aufbaus des Halbleiterkörpers gemäß der Erfindung sind für die Breite der Emitterzonenabschnitte (4) 200 μm, den Abstand der Symmetrieebenen dieser Abschnitte 200 μm , die Dicke der Basiszonen-Metallisierung 8 μm, die Dicke der Isolierschichten (7, 9) je 5 μm und die Dicke der Emitter-Metallisierung (8) 6 μm. Die Basiszonen-Metallisierung besteht aus Aluminium, die Emitter-Metallisierung aus einer Nickel/Chrom-Legierung mit z.B. 45 Gewichtsprozent Nickel. Die Isolierschichten (7, 9) bestehen aus Siliziumnitrid Si3N4. Als Material für die Kontaktschicht (11) ist ein Bleilot vorgesehen. Die Dicke der Kontaktschicht (11) zwischen dem jeweiligen Aufsatz (8c) und der Kontaktplatte (12) beträgt 3 bis 5 μm.
    [0031] Der abschaltbare Anodenstrom eines GTO-Thyristors mit dem vorgenannten typischen Aufbau ist um ca. 50% höher als derjenige bei bekannten Bauformen.
    [0032] Zur Herstellung des beschriebenen HaIbleiterbauelements wird in einer vorbehandelten großflächigen, vorzugsweise n-leitenden Halbleiterausgangsscheibe durch beidseitiges Dotieren eine pnp-Schichtenfolge (1, 2, 3) erzeugt.
    [0033] Anschließend wird mit Hilfe eines Maskierprozesses das Muster der Emitterzonenabschnitte (4) hergestellt. Darnach werden die Basiszonenteile (2a) mit Hilfe einer weiteren Maskierung mit einer Metallisierung (6) versehen. Im Anschluß daran wird die gesamte Oberfläche mit einer ersten Isolierschicht (7) z.B. aus Siliziumnitrid abgedeckt. In einem nachfolgenden selektiven Ätzschritt werden sämtliche Emitterzonenabschnitte soweit freigelegt, daß die verbleibende erste Isolierschicht (7) noch den Gate-übergang zwischen einem Basiszonenteil (2a) und dem benachbarten Emitterzonenabschnitt (4) überdeckt.
    [0034] Auf die in dieser Weise erzielte, strukturierte Schutzabdeckung des HaIbleiterkörpers mit z.B. streifenförmigen Fenstern über den Emitterzonenabschnitten (4) wird nunmehr die durchgehende, sämtliche Emitterzonenabschnitte verbindende, zweite Metallisierung, die Emitter-Metallisierung (8), aufgebracht, beispielsweise aufgedampft. Diese hat dann über den Emitterzonenabschnitten die Form einer stufenförmigen Vertiefung und jeweils über den Basiszonen-Metallisierungen (6) dieForm eines tafelförmigen Aufsatzes mit der freien Auflagefläche (8c).
    [0035] In einem weiteren Verfahrensschritt wird die Emitter-Metallisierung (8) mit einer zweiten Isolierschicht (9) aus demselben Material wie die erste Isolierschicht (7) abgedeckt. Durch anschließendes, selektives Abtragen mit Hilfe eines Maskierschrittes wird in der zweiten Isolierschicht (9) im Bereich jeder freien Fläche (8c) eine öffnung (10) gebildet, in welcher die Metallisierung (8) an die Oberfläche tritt. Die aus der zweiten Isolierschicht (9) und aus der in den darin angebrachten Öffnungen (10) freiliegenden Emitter-Metallisierung (8) gebildete Oberfläche wird mit einem Lotmetall überzogen. Dabei werden auch die zwischen den Flächen (8c) bestehenden, durch den stufenförmigen Aufbau der einzelnen Schichten erzeugten Vertiefungen ausgeglichen. Auf diesem Lotmetallüberzug wird die Kontaktplatte (12) durch Löten fest angeordnet. Zu diesem Zweck ist dieselbe weichlötfähig oberflächenbehandelt.
    权利要求:
    Claims Patentansprüche
    1. HaIbleiterbauelement mit einem HaIbleiterkörper (I), der
    - eine Folge von sehichtförmigen Zonen (1, 2, 3, 4) mit wenigstens zwei zwischenliegenden pn-übergängen und
    - in wenigstens einer der beiden, die Emitterzone bildenden, äußeren Zonen eine Struktur aufweist, bei welcher Abschnitte der Emitterzone (4) und zwisehenliegende Teile (2a) der angrenzenden Basiszone (2) eine gemeinsame Ob erfläche bilden, und
    - auf den Basiszonenteilen (2a) mit einer ersten Metallisierung (6) sowie
    - auf den Emitterzonenabschnitten (4) mit einer zweiten Metallisierung (8), über welcher eine durchgehende Kontaktplatte (10) angebracht ist, versehen ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß
    - auf jeder ersten Metallisierung (6) eine sich bis über den jeweiligen pn-übergang zwischen Basiszonenteil (2a) und einem benachbarten Emitterzonenabschnitt (4) erstreckende, erste Isolierschicht (7) angebracht ist,
    - die zweite Metallisierung (8) als durchgehende, die erste Isolierschicht (7) und die Emitterzonenabschnitte (4) bedeckende Elektrode angeordnet und so bemessen ist, daß der laterale Spannungsabfall in der zweiten Metallisierung zwischen der Verbindung derselben zur Kontaktplatte (12) und der Symmetrieebene eines benachbarten Emitterzonenabschnittes (4) beim Einsatz unter Nennbelastung jeweils wenigstens 10 mV beträgt, - auf der durchgehenden zweiten Metallisierung (8) eine zweite Isolierschicht (9) aufgebracht ist, die sämtliche zu kontaktierenden Stellen der bei- den Metallisierungen freiläßt und über jedem Basiszonenteil (2a) eine Öffnung (10) aufweist,
    - auf der zweiten Isolierschicht (9) eine durchgehende Kontaktschicht (11) angeordnet ist, die jeweils durch die Öffnungen (10) mit der zweiten Metallisierung verbunden ist, und
    - auf der durchgehenden Kontaktschicht (11) stoffschlüssig eine ebene Kontaktplatte (12) fest aufgebracht ist.
    2. HaIbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als erste Isolierschicht (7) eine anorganische Verbindung des HaIbleitermaterials vorgesehen ist
    3. HaIbleiterbauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als anorganische Verbindung des Halbleitermaterials Siliziumoxid, Siliziumdioxid, Siliziumnitrid oder ein Glas auf Silikatbasis vorgesehen ist.
    4. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als erste Isolierschicht (7) eine Schicht aus Aluminiumoxid vorgesehen ist.
    5. HaIbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als erste Isolierschicht (7) eine organisehe Schicht aus einem Polyimid vorgesehen ist.
    6. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Isolierschicht (9) aus dem gleichen Material wie die erste Isolierschicht (7) besteht.
    7. HaIbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Isolierschichten (7, 9) wenigstens 0,1 um, vorzugsweise 0,5 bis 30 um beträgt.
    8. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Material der zweiten Metallisierung (8) eine Legierung aus oder mit Nickel und Chrom vorgesehen ist.
    9. HaIbleiterbauelement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Material der zweiten Metallisierung (8) eine Legierung aus Nickel und Chrom mit einem Anteil an Nickel von 35 bis 60 Gewichtsprozent vorgesehen ist.
    10. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Material der zweiten Metallisierung (8) eine Legierung aus Siliziumoxid und Chrom vorgesehen ist.
    11. HaIbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der zweiten Metallisierung (8) wenigstens 1 um, vorzugsweise 3 bis 30 um beträgt.
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    1988-07-27| WWP| Wipo information: published in national office|Ref document number: 1987902438 Country of ref document: EP |
    1991-12-03| WWW| Wipo information: withdrawn in national office|Ref document number: 1987902438 Country of ref document: EP |
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
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