CN1035024A

CN1035024A - 可关断半导体器件

Info

Publication number: CN1035024A
Application number: CN89100473A
Authority: CN
Inventors: 安德烈·杰克林; 沃尔夫冈·齐默曼
Original assignee: Asea Brown Boveri AG Switzerland
Current assignee: ABB Schweiz Holding AG; ABB AB
Priority date: 1988-01-27
Filing date: 1989-01-27
Publication date: 1989-08-23
Also published as: EP0325774B1; JP2809419B2; JPH01217974A; EP0325774A1; DE3869382D1

Abstract

在带有一个GTO一可控硅的复合式可关断的半导体器件中(例如反向导通GTO一可控硅)，能够实现直接压力接触。这是通过不仅对半导体芯片(2) 而且对压力接触片(1、3)的压力面的平整度以及压力接触片(1，3)的同心度提出了明确的要求而实现的。

Description

本发明涉及大功率半导体，主要涉及一种可关断的半导体元件，包括：

-一个半导体芯片;

-在半导体芯片的第一区中是第一组不同的掺杂层，它们位于阴极层和阳极层之间，并通过一个控制门构成一个可关断的可控硅（GTO）;

-在第一区中，至少在阴极侧有一阶梯形的控制极-阴极结构，它有许多阴极定位突起，这些定位突起周围是位置稍低的控制极区;

-在第一区中，各阴极定位突起上都有一金属阴极层，而在半导体芯片的阳极侧则是一金属阳极层;

-在半导体芯片的第二区中是第二组位于阴极和阳极之间的，不同的掺杂层，它们组成一个与GTO可控硅并联的元件;

-在第二区中，半导体芯片的阳极侧和阴极侧覆上相应的金属层，以利于电极接触;

-阴极一侧的压力接触园片紧压在阴极层上及第二区中各相应层上，以利于接触。

可由EP-A1 0200863了解这种元件。

大功率电子学在动力输送、动力控制或电力传动中的日渐推广，导致大功率半导体，特别是二极管和可控硅的日益发展。随着半导体芯片的直径越来越大，其电流承载能力及反向电压都有所提高。制造这种高承载力大功率半导体的问题不仅仅在于制造半导体芯片本身，而主要还在于把芯片装入一个合适的外壳中。

在装入时不仅要注意到半导体芯片与外界之间良好的电接触和热接触，而且要注意足够的负载交变稳定性，即，要注意使被装入的元件在交变负载时足以抵抗疲劳。此时外壳内半导体芯片的接触制作具有特别的意义。

众所周知，使用所谓“合金化压力接触”法制作大功率半导体（参见J.Knobloch，S.Prough的“大直径硅电力装置的无焊结构”，1977年IAS会议会刊）。这种方法是使用特殊的焊料（如铝合金）把半导体芯片的一侧焊在一个金属（如钼或锡）衬底上，并在另一侧使用一个加压的金属片以保证压力接触。

焊接产生了一个半导体-金属间的层结构。由于热膨胀系数的差别不可忽略，当半导体片的直径越来越大时，机械弯曲应力也随之变大，它使元件的负载交变稳定性持续下降。尤其是半导体片的变形导致在焊接工序后必行的光刻工序中，产生光解过程不佳。此外，在直径大的情形下增加了边缘区空隙的危险。

因此，人们转向用所谓“直接压力接触”法代替传统制造可控硅和二极管所使用的合金化压力接触法。即把金属片从半导体芯片的两面分别压紧，以实现接触。（参见J.Knoblauch等著的上述文章或Brown Boveri Mitt.1979年1.第5-10页）。

在传统的、其半导体芯片两面都具有平整表面的可控硅中已证明这种接触工艺是可靠。因为这种平整度保证了在半导体芯片上的压力分布足够均匀。

然而现在的情况不同，在具有呈阶梯形控制极-阴极结构的可关断的GTO（Gate Turn Off）一可控硅中（参见US-PS 4127863）其阴极一边为了实现压力接触有许多阴极定位突起供使用，它们以较小的总面积承担一个较高的压力，并把压力尽可能均匀地传递到整个半导体芯片的体内。

在DE-OS 2719219中（图6F及附属说明），只是原则地建议也在这样的GTO一可控硅中使用直接压力接触。然而这一建议仍只是滞留在原则上，尤其是丝毫未说明，在有GTO存在的困难条件下如何实现直接压力接触。

从DE-OS 3134074（见20页2-21行）得知，在具有阶梯形式的控制极-阴极结构的GTO中，条件实际上是困难的，其中，为使阴极定位突起所承受的压力减小而使用的较简单的合金化压力接触法把控制极区置于阴极定位突起的高度。

由于所述GTO一可控硅中使用直接压力接触法的工艺上的困难，使至今商品化的高功率GTO都是合金化压力接触的。（参见IEEE电子设备会刊ED-28卷，No3.1987年3月，第70-274页）。

原欧洲专利申请号87109652.5中（相应于US申请序号07/071399）提出了使用直接压力接触的GTO，解决了所述及的工艺困难。它通过受压面积的规定容差及压力接触的几何布置而达到稳定的接触状态。

以上所列举的技术状态是基于单个GTO元件的压力接触的过程，这时阴极和阳极压力的面积分布情况应基本一致。

除了单个的GTO元件外，还有复合式可关断的器件，（如开头所列举的EP-A1 0200863中的反向导通可控硅，其GTO-可控硅与二极管反向并联）在这种半导体芯片中，许多区域一个挨一个地将各个元件集成在一起，而这些元件共同与阳极和阴极接触。

这样的复合式器件中，至少含有一个具有阶梯形控制极-阴极结构的GTO-可控硅。这种结构使得在采用直接压力接触工艺时，出现与单个元件的GTO中同样的困难。

此外，还要考虑不同的压力面积分布。（在所述甚的反向导通GTO一可控硅中，阴极侧的压力接触园片一方面压在GTO一可控硅阴极定位突起细小分布的面积上，另一方面压在相对来说较大的集成二极管接触区上。）

本发明的任务是制作一个可关断的半导体元件，该元件中，一个GTO一可控硅与至少一个别的元件同在一个半导体芯片中集成，使用直接压力接触并具有足够的交变负载稳定性。

这项任务在一开始所称的那种半导体元件中通过下述方法求得了解决：

-在阳极侧备有压力接触片，它紧贴在阳极层及第二区中相应的层上，以实现接触;

-压力接触片及半导体芯片的承压接触面的不平度小于±5微米;

-压力接触片互相调整对齐，使二者中心轴偏差小于500微米。

通过这些措施的共同作用，有效地阻止了器件中出现超过相应机械应力的交变负载从而损伤元件的功能。

本发明的第一个优选的结构形式为，半导体芯片第二区的元件是一个二极管，它与第一区中的GTO一可控硅共同组成一个反向导通GTO一可控硅。

本发明的第二个优选的结构形式为，半导体芯片第二区的元件也是一个具有相应阶梯形控制极-阴极结构及阴极定位突起的GTO可控硅，两个GTO一可控硅反向并联。

本发明器件中压力接触片优先选用钼或钨。

若不平度小于±1微米，中心轴偏差小于100微米，则效果更佳。

因为直径越大则压力接触的优点也越突出（对弯曲，空洞问题）故直径最好采用大于20毫米。

本发明的其它结构形式属于从属权利要求中。下面借助实施例并结合图示对本发明作详细的阐述。如下所示：

图1：原欧洲专利申请号87109652.5中的GTO-单个元件的一种直接压力接触;

图2：按照本发明的第一个实施例，复合式可关断器件的一种直接压力接触;

图3A、B：图2所示器件中，元件区域的各种排列方式;

图4：按照本发明的第二个实施例，复合式可关断器件的一种直接压力接触。

如前所述，使用直接压力接触，至今为止导噬舷抻诖蠊β拾氲继澹乇鹗蔷哂写竺婊跫亩芎腿埽涫实弊爸玫奈倩蝾庵平鹗粞沽哟テ胍跫婊鞠嗤?

同时，一个重要特征是阴极面一直向前接续。在极端的情况下，至多设有个别沟道（例如在所谓的“凸起控制极”处）。然而这只占据阴极面积的一个小的部分。这样，保证在大部分面积上有均匀一致的压强关系，以至于在所有情况下仅需考虑边缘区内微小的局部压力超高。

在GTO-可控硅中，半导体芯片的阴极侧有许多长长的岛状阴极定位突起，它们通常排列成一个花盘形结构（参见DE-OS 3134074图3）。阳极侧的接触面在最简单的情况下不再加以分割，但也可有阶梯形结构，例如以分布的阳极梯形平台的形式或使在阳极侧控制极区域较低洼。

图1表示一个具有平整的阳极平面的这种可控硅，置于排布中心的元件是一个半导体芯片2，它的各层有一系列不同的掺杂，每层的边界在图中用虚线表示。

半导体芯片的阴极侧（图1的上部）是一个阶梯形的控制极-阴极结构，它有许多阴极定位突起7，7的周围是位置稍低的控制极区。

阴极定位突起7上覆盖一层金属（如铝）阴极层6、在定位突起7之间的控制极区置放一个金属控制电极5，它的位置比阴极层6相应要低些。

半导体芯片2的阳极侧（图1的下部），在最简单的情况下几乎整个平面都覆盖一层铝制的阳极层4。通常半导体芯片2的边缘是倾斜的并带有边缘钝化体9。所阐述的例中控制电极5没有被压紧，它为防护目的盖上一层绝缘层8（如聚酰亚胺）。

直接压力接触包括阴极侧的压力接触片1及阳极侧的压力接触片3，接触片主要由钼片或钨片制成。两个压力接触片1和3从两侧用一个足够的压力P，把半导体芯片2压紧，用以保证器件内的电接触和热接触。

阳极面积A_A与阴极面积A_k（连同在花盘形结构中的阴极定位突起7）的典型关系是：

2＜A_A/A_k＜5

为了保证可接受的热传输，通常必须在这种器件的阳极平面上施加10-15兆帕斯卡的压力。在阴极一侧对应于比值A_A/A_k的压力值较高。

还必须考虑到：由于不利的面积比而导致增高的压力，某些局部的压力超高。即必须考虑：

（a）在压力接触边缘附近的明显压力超高〔所谓的冲头效应（Stempel-Ehekt）〕

（b）在半导体芯片沟槽区的压力超高。

这些机械应力对于一给定的几何尺寸可以被数值计算出来。（参见A.C.Zinkiewicz，Y.K.Cheung的著作“结构和连续介质力学中的有限元法”Mc Graw-Hill，1970）。

实际上（a）类压力超高使阴极层以及阳极层（6和4）的边缘首先达到屈服极限。然而这样一个微不足道的蠕变就自动平衡了压力超高。只要金属涂层区的面积不因此而增大很多，这种情况在压力技术上一般也就无可非议。

（b）类压力超高的某一种沟槽作用。对典型应用实例的理论计算表明，在半导体芯片2中的局部机械应力以一个大于2的因子增高。这种附加应力特别严重。这时从不同材料的热膨胀而感应的拉应力及剪切应力还会相互交叠。若受机械压力部分的片厚度比未受压区（在GTO的情况下，阴极定位突起7之间的空隙）的纵面膨胀大得多，则片内的应力就随着阴极表面间距的增加而完全平衡了。这种效应就是众所周知的圣旺诺原理（de Saint-Venant）（参见I.Szabo的著作“工作力学引论”，Springer出版社1966年第7版，第130页），它适用于合金化的压力接触，因为半导体芯片和焊上的衬底形成一个有较大厚度的园片。

在直接压力方式中，被压的半导体芯片没有合金化，所以上述要求没有满足。在整个半导体芯片中机械应力是非均匀的，局部甚至可能是正负号变换的〔即，所谓的菲伦效应（Filon-Ellekt）：在平坦的背面受压的片子的局部突出〕。基于这种原因，在所述岛形结构中采用直接压力接触会导致半导体芯片毁坏。

对直接压力接触的GTO一可控硅在极端压力负载和极端温度负载的条件下所进行的一系列试验惊人地表明，若采取一定措施，则对具有异型阴极表面结构的GTO也能实现直接压力接触。

在此，重要的首先是不平度，即半导体芯片及与其相接触的压力接触面的平整状况。这些平面的不平度或说平面度偏差不能大于5微米，最好应低于1微米。

此外还必须避免压力接触片1和3有尖棱，因为当半导体芯片平面内的压力接触结束时，尖棱可导致已描述过的蠕变过程。

对于平面型阳极这种最简单的情况（见图1），至少必须把阳极侧的压力接触片3在面对半导体芯片2的一面的棱角磨平，或进行倒角。

最后必须把相对的压力接触片1和3的外部边界以很小的容差对齐。在此，压力接触片1和3的中心轴相互偏差小于500微米就足够了。直径相同时，这个偏差相应于一个同样大小的半径差△γ（画于图中）。

选择阴极侧的压力接触片1的直径时，最好要使接触片1的边缘能露在阴极定位突起7的外面。选择直径较小的两个压力接触片1、3（在图中用虚线画出）也是可行的。

下面一一列出最佳规定尺寸：

压力接触片的直径大于20毫米

阴极定位突起的宽度大于0.1毫米

阴极定位突起的长度大于1毫米

阴极定位突起之间的沟槽深度 5-50微米

阴极定位突起的数量多于100个

以上结合图1所描述的措施都是针对具有一直接压力接触的GTO单元件，正如在所述及的原欧洲专利申请中所处理的情况一样。

出乎意料的是，也可以用同样的措施对复合式可关断半导体器件实现直接压力接触，这种复合式器件中GTO一可控硅与另一个元件在芯片中集成，无论在这种情况下是否形成了另一种分布的压力面，人们都可以采用这种措施来实现直接压力接触。

我们再一次用图2描述本发明的这种复合式器件的第一个实施例（与图1可对比的元件使用了同样的标号）。

图2中的半导体芯片2至少有两个区（用点划线分开）。第一区（左）包括如图1中所示的一个GTO的层序和结构。

第二区（右）包括一个与GTO一可控硅反向并联的二极管的层序和结构。这种反向并联可以这样来做到：使GTO阳极侧的P+区11在区域边界处终止，并且n+区12从边界处起始。

阴极侧上的二极管区中，内部的P区13直通向金属的二极管阳极层10，阳极层10与阴极层6高度相同，并且同时通过阴极侧的压力接触片1被接触。

在阳极侧形成贯穿两个区的阳极层4。

图2未绘出压力接触片1、3的边缘区。由于阳极层4是连贯的，图1中单GTO元件的同样考虑也适用于本实施例中阳极侧的压力接触片3。

对阴极侧的压力接触片1的要求取决于两个元件区的几何排列：例如GTO区Th在里面并被一个同心的园形二极管区D包围着（图3A）。与图1的排列中同样的考虑也适用于阴极侧压力接触片1的内侧边，因为压力是压在单个的阴极定位突起7上。

至于外侧边则相反，负载情况可与阳极侧的压力接触片3比较，因为在此使用大面积的、连贯的二极管阳极层10作为承压面。

相反的考虑适用于把二极管区D放在里面并被GTO区Th包围着的情况。

还可设想D区及Th区的其它几何排列：比如可如图3B所示，GTO区Th及二极管区D各组成扇形。

此外，还可把每个D区及Th区划分为一段段的部分，并被其交替排列，以使器件中取得均匀的热状况。

在刚才所提及的情况里，如图3B所示，GTO区Th象在图1中单GTO元件一样有相同的径向膨胀，两种排列存在基本相同的热状况。

还有一个实施例是另一种配置，其第二区的元件也是一个（反向并联的）GTO一可控硅（图4），其相应的符号为：阴极定位突起7′，阴极层6′，控制电极5′，阳极层4′。

若两个GTO一可控硅同心安排（参见图3A：GTO1在内，GTO2在外），则按图2对压力接触片1所进行的考虑也同样适用于两个压力接触片1、3。

在组成扇形的情况（可参见图3B），则对两个压力接触片1、3的考虑是符合实际的，同样对图1或图3B的压力接触1也有效。

此外，可设想根据本发明配置的每个GTO一可控硅阳极侧也有一个控制极和一个相应的阶梯形控制极-阳极结构。在这样的结构形式中，不但要考虑到阴极定位突起7、7′，而且要考虑到相应的阳极定位突起对压力分布的影响。

在每种情形下都要按照所述对压力面平面度的要求（偏差小于±5微米，最好小于±1微米）及对压力接触片1、3同心度的要求（中心轴偏差小于500微米，最好小于100微米）去制作器件，使在良好的电接触及热接触时具有高的负载交变稳定性。

Claims

1、一种可关断的半导体器件，归结起来包括：

(a)一个半导体芯片(2)；

(b)半导体芯片(2)的第一区中，在阴极和阳极之间排布第一组不同的掺杂层并制作一个通过控制极关断的可控硅(GTO)；

(c)第一区中，至少阴极侧有一个阶梯形的控制极-阴极结构，它有许多阴极定位突起(7)，定位突起7的周围是位置稍低的控制极区；

(d)第一区中，阴极定位突起(7)上各有一个金属的阴极层(6)，阳极侧在半导体芯片(2)上则是一个金属的阳极层；

(e)半导体芯片(2)的第二区中，在阴极与阳极之间是第二组不同的掺杂层，组成与GTO可控硅并联的元件；

(f)第二区中，为实现接触，在半导体片(2)的阳极侧及阴极侧覆上相应的金属层(10、4或4′、6′)；

(g)阴极侧的压力接触片(1)紧压在阴极层(6)上及第二区中相应的层(10或4′)上；其特征在于：

(h)阳极侧装有一压力接触片(3)，它紧贴在阳极层(4)上及第二区中相应的层(4或6′)上以实现接触。

(i)压力接触片(1、3)及半导体芯片(2)的受压接触面的平面度偏差小于±5微米；

(j)压力接触片(1、3)彼此对准，使其中心轴的相互偏差小于500微米。

2、根据权利要求1的半导体器件，其特征在于：

（a）半导体芯片（2）第二区中元件是一个二极管;

（b）该二极管与第一区中的GTO-可控硅一起组成一个反向导通GTO一可控硅。

3、根据权利要求1的半导体器件，其特征在于：

（a）半导体芯片（2）第二区中的元件也是一个GTO一可控硅，它具有相应的阶梯形控制极-阴极结构及相应的阴极定位突起（7′）;

（b）两个GTO一可控硅反向并联。

4、根据权利要求1-3中的任一项的半导体器件，其特征在于：半导体芯片的第一区与第二区同心排列。

5、根据权利要求1-3中的任一项的半导体器件，其特征在于：半导体片（2）的第一区和第二区组成扇形。

6、根据权利要求1的半导体器件，其特征在于，要把压力接触片（1、3）面对半导体芯片（2）的一个面的棱角磨平或倒角。

7、根据权利要求1的半导体器件，其特征在于：压力接触片（1、3）是由钼或钨制成的。

8、根据权利要求1的半导体器件，其特征在于：

（a）压力接触片（1、3）及半导体芯片（2）的平面度偏差小于±1微米;

（b）压力接触片（1、3）的中心轴偏差小于100微米。

9、根据权利要求1的半导体器件，其特征在于：压力接触片（1、3）的直径大于20毫米。

10、根据权利要求1或3的半导体器件，其特征在于：

（a）阴极定位突起（7、7′）的宽度大于0.1毫米;

（b）阴极定位突起（7、7′）的长度大于1毫米;

（c）阴极定位突起（7、7′之间的沟槽深度在5微米至50微米之间。

（d）每个GTO一可控硅的阴极定位突起总数多于或约等于100个。