DE102004012819B4 - Leistungshalbleiterbauelement mit erhöhter Robustheit - Google Patents

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Abstract

Leistungshalbleiterbauelement mit erhöhter Robustheit, umfassend:
– einen Halbleiterkörper (1) mit einer ersten Hauptoberfläche (7) auf einer Vorderseite des Halbleiterkörpers (1) und einer zweiten, entgegengesetzt zur ersten Hauptoberfläche (7) gelegenen Hauptoberfläche (11) auf einer Rückseite des Halbleiterkörpers (1),
– einer auf der ersten Hauptoberfläche (7) angeordneten ersten Metallisierung (10), und
– einer auf der zweiten Hauptoberfläche (11) angeordneten zweiten Metallisierung (12),
– wobei der Halbleiterkörper (1) mit der ersten Metallisierung (10) an der ersten Hauptoberfläche (7) und mit der zweiten Metallisierung (12) an der zweiten Hauptoberfläche (11) elektrisch Kontaktiert wird,
dadurch gekennzeichnet, dass
– beide Metallisierungen (10, 12) als direkt auf der entsprechenden Hauptoberfläche (7, 11) des Halbleiterkörpers (1) aufgebrachte Schicht eine Kontaktschicht (14) aufweisen, die aus Aluminium besteht und eine Schichtdicke zwischen 1 und 5 nm hat.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Leistungshalbleiterbauelement mit erhöhter Robustheit, umfassend einen Halbleiterkörper mit einer ersten Hauptoberfläche auf einer Vorderseite des Halbleiterkörpers und einer zweiten, entgegengesetzt zur ersten Hauptoberfläche gelegenen Hauptoberfläche auf einer Rückseite des Halbleiterkörpers, einer auf der ersten Hauptoberfläche angeordneten ersten Metallisierung und einer auf der zweiten Hauptoberfläche angeordneten zweiten Metallisierung.
  • Es ist schon seit langem das Bestreben, die elektrische und thermische Belastbarkeit von Leistungshalbleiterbauelementen, wie insbesondere vertikalen Leistungshalbleiterbauelementen, zu steigern. Dies gilt vorzugsweise bei dynamischen Belastungen, wie diese beispielsweise bei Abschaltvorgängen, Auswirkungen von Höhenstrahlung, Kurzschlüssen, Einschaltvorgängen oder Stoßströmen auftreten. Bei solchen dynamischen Belastungen können nämlich in Leistungshalbleiterbauelementen sehr hohe Stromdichten auftreten. Dies gilt insbesondere dann, wenn sich so genannte Stromfilamente ausbilden, die sich bei vertikalen Leistungshalbleiterbauelementen in lateraler Richtung der Bauelemente verlagern können und an hinsichtlich Dotierung oder Lebensdauer der Ladungsträger inhomogenen Stellen im Halbleiterkörper des Leistungshalbleiterbauelementes, also an bestimmten Stellen des Leistungshalbleiterbauelementes verweilen können.
  • Derartige Phänomene, die insbesondere durch Stromfilamente hervorgerufen sind, können zu einer starken lokalen Aufheizung des Leistungshalbleiterbauelementes führen und dieses sogar bis zu seiner vollständigen Zerstörung schädigen. Weniger kritische Schädigungen, die aber auch äußerst unerwünscht sind, sind in einem permanenten Anstieg von Leckströmen zu sehen.
  • Um die Belastbarkeit von Leistungshalbleiterbauelementen zu steigern, wurden bereits zahlreiche verschiedene Maßnahmen ins Auge gefasst: Optimierung des Randabschlusses, Minimierung der bei Belastung im Innenbereich bzw. Zellenfeld des Leistungshalbleiterbauelementes auftretenden elektrischen Feldstärken durch geeignete Dotierungsprofile, Verbesserung der Wärmeableitung oder Einführung des so genannten HDR-Prinzips (HDR = High Dynamic Robustness; vgl. US 6 351 024 ) mit im Randbereich erhöhter Rekombinationszentrendichte.
  • Aus der DE 198 40 239 A1 ist ein Leistungshalbleiterbauelement bekannt, bei dem zur Verhinderung eines Aufschmelzens einer Metallisierung infolge von durch Höhenstrahlung bedingter elektrostatischer Entladungen speziell für die Metallisierung auf der Vorderseite ein Kontaktmetall mit hohem Schmelzpunkt, wie beispielsweise Titan (Ti), Vanadium (V), Niob (Nb), Tantal (Ta), Molybdän (Mo) oder Wolfram (W) vorgesehen ist. Die Metallisierung kann dabei eine Mehrschichtstruktur haben, bei der beispielsweise auf einer direkt auf der Vorderseite des Halbleiterkörpers vorgesehenen Schicht aus Ti oder W noch eine weitere Metallschicht aus beispielsweise Aluminium (Al) angeordnet ist. Die Schicht aus dem Kontaktmetall mit hohem Schmelzpunkt hat dabei eine Schichtdicke zwischen etwa 100 nm und 3 μm.
  • Weiterhin ist aus der US 4 692 781 ein Leistungshalbleiterbauelement bekannt, bei dem zwischen einer Metallisierung und einem pn-Übergang ein relativ großer Abstand eingehalten wird, um eine Beschädigung durch Aufschmelzen der Metallisierung infolge elektrostatischer Entladungen zu verhindern.
  • Schließlich beschreibt die DE 41 01 274 A1 ein Leistungshalbleiterbauelement, bei dem nach Abscheidung einer Gate-Elektrodenschicht aus polykristallinem Silizium auf die damit erhaltene Struktur mittels CVD (Chemical Vapour Deposition; chemische Dampfabscheidung) stapelartig eine hitzebeständige bzw. einen hohen Schmelzpunkt aufweisende Metallschicht sowie eine Metallsilizidschicht aufgebracht werden.
  • Die Einführung der oben genannten Maßnahmen hat dazu geführt, dass entsprechend gestaltete Leistungshalbleiterbauelemente wesentlich stärker dynamisch belastbar sind als Leistungshalbleiterbauelemente, bei denen diese Maßnahmen nicht angewandt sind. Trotz dieser Maßnahmen können aber bei den eingangs erwähnten dynamischen Vorgängen in den Leistungshalbleiterbauelementen noch extreme Leistungsdichten auftreten. Diese können sogar so hoch werden, dass die eutektische Temperatur von Aluminium und Silizium bei einem aus Silizium bestehenden Halbleiterkörper zumindest kurzzeitig erheblich überschritten wird. Dieser Effekt ist für die erste Hauptoberfläche oder Vorderseite des Leistungshalbleiterbauelementes weniger kritisch, da wegen der relativ geringen Zeitdauer der Überschreitung der eutektischen Temperatur dort kaum Schaden verursacht wird. Er ist aber für die zweite Hauptoberfläche bzw. Rückseite des Leistungshalbleiterbauelementes von großer Bedeutung. Auf dieser Rückseite liegt nämlich gewöhnlich eine bessere Wärmeableitung vor, da das Leistungshalbleiterbauelement mit seiner Rückseite auf einen Träger aufgebracht ist. Auch wird die höchste Leistung im Leistungshalbleiterbauelement im Bereich eines nahe der Vorderseite gelegenen pn-Überganges dissipiert. Daher ist die Rückseite in der Regel kühler als die Vorderseite. Dies hat Konsequenzen für die so genannte Thermomigration:
    Versuche haben nämlich gezeigt, dass in einem Halbleiterkörper die Thermomigration von der kühleren Seite ausgeht und sich zur wärmeren Seite von diesem ausbreitet. Mit anderen Worten, die Thermomigration entsteht im Bereich der Rückseite, sobald dort die Temperatur die eutektische Temperatur von Aluminium und Silizium überschreitet.
  • Besteht der Halbleiterkörper anstelle von Silizium aus beispielsweise Siliziumcarbid, so ist hierfür selbstverständlich die eutektische Temperatur von einem hochschmelzenden Kontaktmetall und Siliziumcarbid anzunehmen. Gleiches gilt auch für andere Halbleitermaterialien, wie beispielsweise AIIIBV-Verbindungshalbleiter.
  • Die Thermomigration bewirkt, dass, wenn die zweite Metallisierung auf der zweiten Hauptoberfläche aus beispielsweise Aluminium besteht, dieses Aluminium relativ rasch in den Halbleiterkörper eindiffundieren kann. Diese Diffusion läuft um so schneller ab, je steiler der Temperaturgradient in vertikaler Richtung des Halbleiterkörpers ist.
  • Speziell bei Filamenten, die durch Höhenstrahlung, Kurzschluss oder extreme Schaltvorgänge bedingt sind, können sehr steile Temperaturgradienten auftreten, so dass das Aluminium relativ tief in den Halbleiterkörper eindringen bzw. migrieren kann. Bei dieser Migration bildet sich am Ende des jeweiligen Migrationskanals in der Tiefe des Halbleiterkörpers, also beispielsweise in der Tiefe der Siliziumscheibe, ein eutektisches Gemisch. Dieses eutektische Gemisch kann die Eigenschaften des Leistungshalbleiterbauelementes erheblich beeinflussen, indem speziell deutlich erhöhte Leckströme auftreten. Hierdurch und auch durch die p-Dotierung, die durch die Migration der Aluminiumatome entlang des Migrationsweges erzeugt wurde, wird die Effizienz des rückseitigen Emitters erheblich verändert, und im ungünstigsten Fall kann das Leistungshalbleiterbauelement schließlich vollständig ausfallen bzw. zerstört werden.
  • Als Abhilfemaßnahmen gegen die Auswirkungen der Thermomigration könnte folgendes ins Auge gefasst werden:
    Der rückseitige Emitter, also bei einem IGBT (Bipolartransistor mit isoliertem Gate) in der Regel der p-leitende Emitter und bei einer Diode im Allgemeinen der n-leitende Emit ter, ist möglichst hoch zu dotieren und tief in den Halbleiterkörper bzw. die Halbleiterscheibe einzudiffundieren. Es hat sich gezeigt, dass gerade die Festigkeit gegenüber Höhenstrahlung von Dioden, die eine extrem große Eindringtiefe des n-leitenden Emitters mit über 100 μm haben, groß ist. Ganz allgemein kann so eine höhere Abschaltrobustheit mittels eines stärkeren Rückseiten-Emitters erreicht werden. Dank dieser höheren Abschaltrobustheit treten unerwünschte stabile Erhöhungen des Leckstroms erst bei höheren Abschaltleistungen auf. Eine Leckstromerhöhung oder Zerstörungen treten erst bei höheren Sperrspannungen auf, das heißt, sie liegen dann vor, wenn die Raumladungszone, die sich beim Anlegen der Sperrspannung an die beiden Metallisierungen aufspannt, in den rückseitigen Bereich des Leistungshalbleiterbauelementes vordringt. Bei IGBTs wirkt sich eine Verstärkung des p-leitenden Emitters positiv auf das Kurzschlussverhalten aus, was auch für eine Verringerung des Temperaturgradienten im Halbleiterkörper über eine flachere Feldverteilung, wie beispielsweise bei einem PT-IGBT (PT = Punch Through), gilt.
  • Nachteilhaft an allen obigen Abhilfemaßnahmen ist aber, dass bei diesen der Emitter wesentlich stärker ausgebildet wird als dies im Allgemeinen gewünscht ist. Um die Abschaltverluste infolge dieser stärkeren Ausbildung der Emitter nicht zu hoch werden zu lassen, muss daher für eine Reduzierung dieser Abschaltverluste gesorgt werden. Dies ist durch eine gezielte, im Allgemeinen vertikal inhomogene Einstellung der Lebensdauer der Ladungsträger beispielsweise mittels Protonenbestrahlung oder Heliumbestrahlung möglich.
  • Schließlich könnte als eine weitere Abhilfemaßnahmen gegen Thermomigration daran gedacht werden, den Temperaturgradienten im Halbleiterkörper so abzuflachen, dass die Migrationsgeschwindigkeit von Aluminium verringert wird. Hierzu könnte durch Verwendung von hochreinem Silizium, das weniger Isotope enthält, für eine Anhebung der Wärmeleitfähigkeit im Silizium gesorgt werden. Der Einsatz eines solchen hochreinen Materi als ist aber sehr aufwändig, und die damit erreichbare Verbesserung kann nur als marginal angesehen werden.
  • Ein umgekehrter Weg besteht darin, den Temperaturgradienten im Halbleiterkörper bewusst anzuheben, damit die Rückseitentemperatur unterhalb von der eutektischen Temperatur bleibt. Auch dieser Weg ist als wenig erfolgreich anzusehen, da bei ihm das Temperaturniveau insgesamt angehoben wird und sich beispielsweise durch eine Erhöhung des Leckstroms weiter aufschaukelt.
  • Aus der DE 29 30 779 C2 ist ein Rückkontakt mit einer ersten Kontaktmetallschicht aus Vanadium, Aluminium, Titan, Chrom, Molybdän oder einer Nickel-Chrom-Legierung bekannt mit einer Schichtdicke von 5 bis 200nm. Einen anderen Rückkontakt zeigt die US 6,309,965 mit einer ersten 30nm dünnen Aluminiumschicht, welche bei 350°C getempert wird, bevor weitere Metallisierungen aufgebracht werden.
  • Aus der DE 36 32 209 C2 ist eine Elektrodenstruktur auf einem SiC-Einkristallhalbleiter bekannt, wofür eine erste Metallschicht aus Titan, Chrom oder Molybdän mit einer Dicke von 20 bis 80nm aufgedampft wird. Zudem ist daraus bekannt, dass vor dem Aufbringen der ersten Metallschicht auf dem SiC Halbleiter eine Oberflächenunregelmäßigkeiten bzw. eine Aufrauung durch Bestrahlung mit Ionen erzeugt werden kann. GEIB, K. M. et al.: "Reaction between SiC and W, Mo, and Ta at elevated temperatures", in: J. Appl. Phys., 15. September 1990, S. 2796 bis 2800, bildet ohmsche Kontakte zu SiC durch Abscheiden eines 30nm dünnen Films aus Mo oder Ta oder eines 50nm dünnen Films aus W.
  • Die US 5,442,200 bildet niederohmige elektrische Kontakte zu einem SiC Halbleiter mittels eines nicht erläuterten Rückkontaktes und einem erfindungsgemäßen Frontkontakt, welcher aus dünnen Filmen von Metallsiliziden besteht, welche Schichtdicken im Bereich von über 20nm haben, wozu zuerst eine Silizium-Opferschicht und darauf eine Metallschicht gebildet und beides getempert wird. Aus Waldrop, J. R. et al.: „Schottky barrier height and interface chemistry of annealed metal contacts to alpha 6H-SiC Crystal face dependence", in: Appl. Phys. Lett. 62 (21), 24 May 1993, Seite 2685 bis 2687, ist es bekannt auf SiC einen Metallkontakt durch Ni, Ti oder Al zu bilden, wozu etwa 2,5 bis 5nm des Metalls aufgedampft werden. Untersucht wurden Proben mit und ohne nachfolgende Temperaturbehandlung. Der Rückkontakt wird hier durch eine mit Indium befestigte Molybdänplatte hergestellt.
  • Aus der US 2003/002174 A1 ist es bekannt für eine Metallisierung auf Front- und Rückseite eines Bauelements aus GaAs dünne Haftschichten aus Titan in einer Dicke von 100nm und weniger als 50nm herzustellen. Auch die US 5, 156,998 verwendet für Metallisierungen auf GaAs dünne Haftschichten aus Titan mit einer Dicke von 10 bis 100nm.
    •
  • Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Leistungshalbleiterbauelement anzugeben, bei dem lokale Stromüberhöhungen infolge Aluminiums, das durch elektrische Belastung des Bauelements unerwünscht tief in den Halbleiterkörper eingedrungen ist, und zwar beispielsweise durch Thermomigration, weitgehend unterbunden sind, so dass die elektrische Belastbarkeit dieses Leistungshalbleiterbauelementes erhöht ist.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Leistungshalbleiterbauelement mit den Merkmalen der Ansprüche 1, 2 und 6 gelöst. Die Merkmale des Oberbegriffs dieser Ansprüche sind aus der US 5,442,200 sowie aus o.g. Waldrop, I.R. et al bekannt.
  • Die Aufgabe wird bei einem Leistungshalbleiterbauelement der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass beide Metallisierungen als direkt auf der entsprechenden Hauptoberfläche des Halbleiterkörpers aufgebrachte Schicht eine Kontaktschicht aufweist, die aus Aluminium mit einer Schichtdicke zwischen 1,0 und 5 nm besteht. Sind in die Kontaktschicht jedoch noch Atome des Halbleitermaterials des Halbleiterkörpers, bei einem aus Silizium bestehenden Halbleiterkörper also Siliziumatome, eingebaut, so kann die Schichtdicke der Kontaktschicht zwischen 1,0 bis 10 nm betragen.
  • Die obige Aufgabe wird bei einem Leistungshalbleiterbauelement der eingangs genannten Art erfindungsgemäß auch dadurch gelöst, dass mindestens die auf der zweiten Hauptoberfläche, also der Rückseite des Halbleiterkörpers vorgesehene Metallisierung als direkt auf dieser zweiten Hauptoberfläche aufgebrachte Schicht eine Kontaktschicht aufweist, die aus einem schwer schmelzenden Metall besteht. Die Schichtdicke dieser Kontaktschicht kann Werte zwischen 1,0 und 100 nm annehmen.
  • Auf der dünnen Aluminiumschicht ist – ebenso wie auf der Schicht aus schwer schmelzendem Metall oder Metallsilizid – ein übliches Mehrschichtmetallisierungssystem aufgebracht, um so die jeweilige Metallisierung zu vervollständigen. Dieses Mehrschichtmetallisierungssystem kann aus beispielsweise Titannitrid, Nickel, Silber usw. bestehen. Dieses Auftragen erfolgt wie auch eine anschließende Temperung in üblicher Weise.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Leistungshalbleiterbauelement wird also als direkte Kontaktschicht einer Metallisierung auf die Rückseite und Vorderseite des Halbleiterkörpers eine dünne Aluminiumschicht oder anstelle dieser Aluminiumschicht als direkte Kontaktschicht eine Schicht aus schwer schmelzendem Metall oder Metallsilizid aufgebracht. Solche schwer schmelzenden Metalle sind beispielsweise Titan, Tantal, Wolfram, Molybdän, Chrom oder Kobalt oder Silizide dieser Metalle oder Titannitrid oder Tantalnitrid. Gegebenenfalls können dabei noch Diffusionsbarrieren eingebaut sein.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Leistungshalbleiterbauelement kommt also die Oberfläche des Halbleiterkörpers auf der Vorderseite und/oder Rückseite nicht in direkte Kontakt mit einer hauptsächlich aus Aluminium bestehenden nachfolgend aufgebrachten Metallisierung.
  • Die Dicke der dünnen Aluminiumschicht sollte so gering sein, dass sich kein ausreichend großer Al/Si-Tropfen, der in die Tiefe des Halbleiterkörpers eindringen kann, bildet. Geeignete Schichtdicken liegen zwischen 1 und 5 nm. Bei Schichtdicken unterhalb von 2 nm sollte eine Kühlung des Halbleiterkörpers während der Abscheidung dieser Schicht vorgesehen werden, um die Oberflächenbeweglichkeit der Aluminiumatome auf der Oberfläche des Halbleiterkörpers zu verringern, so dass eine kritische mittlere Massenbelegung, oberhalb derer die dünne Aluminiumschicht von einer Körnerstruktur in eine zusammenhängende Schicht übergeht, reduziert wird.
  • Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, dass die auf der Oberfläche des Halbleiterkörpers abgeschiedene dünne Aluminiumschicht strukturiert wird, bevor das Mehrschichtmetallisierungssystem mit Diffusionsbarrieren aufgetragen wird. Dadurch können Migrationseffekte weiter minimiert werden, denn die Strukturierung der Aluminiumschicht begrenzt die Menge des für eine Migration zur Verfügung stehenden Aluminiums: es wird ein seitliches Nachfließen von Aluminium verhindert und somit die Gesamtmenge des für den Migrationsprozess zur Verfügung stehenden Aluminiums begrenzt. Die laterale Ausdehnung und der optimale Abstand der nach der Strukturierung verbleibenden Aluminium-Inseln hängen vor allem von der Dicke der Aluminiumschicht ab.
  • In die dünne Aluminiumschicht kann auch noch Silizium eingebaut werden, um das Eindringen des Aluminiums in den aus Silizium bestehenden Halbleiterkörper zu behindern. Diese Maßnahme erlaubt es, die Dicke der auf der Oberfläche des Halbleiterkörpers abgeschiedenen Aluminiumschicht zu erhöhen und zwar auf beispielsweise 1,0 bis 10 nm. Die Zusätze an Silizium in einer Aluminiumschicht bei einem aus Silizium bestehenden Halbleiterkörper sollten etwa im Bereich zwischen 1 Gew.-% und 4 Gew.-% des Aluminiums liegen.
  • Das erfindungsgemäße Leistungshalbleiterbauelement ist vorzugsweise eine Diode oder ein IGBT. Es kann sich dabei aber auch um einen MOS-Transistor oder einen Thyristor handeln. Speziell bei einem Thyristor mit einer "Amplifying-Gate"-Struktur ist die Anwendung der Erfindung besonders vorteilhaft, da hier die inneren "Amplifying Gates" beim Einschalten mit einem hohen Stromgradienten di/dt (i = Stromstärke, t = Zeit) mit sehr hohen Stromdichten belastet werden und im Gegensatz zur Kathodenfläche nicht über einen Druckkontakt kathodenseitig gekühlt sind. Es ist dann gegebenenfalls ausreichend, die bei der Erfindung angegebenen Maßnahmen nur in einem Innenbereich, also im Bereich der "Amplifying-Gate"-Struktur anzuwenden, da hier beim Einschalten die höchsten Temperaturen auftreten.
  • Ganz generell kann auch bei anderen Leistungshalbleiterbauelementen es ausreichend sein, wenn die erfindungsgemäßen Maßnahmen nur in den Bereichen zur Anwendung gelangen, in denen im Betrieb des Leistungshalbleiterbauelementes besonders hohe Temperaturen auftreten, wie beispielsweise bei Dioden, bei denen das HDR-Prinzip nicht vorgesehen ist, im Randbereich, wo beim Abschaltvorgang die höchste dynamische Belastung auftritt.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Leistungshalbleiterbauelement wird so insbesondere auf die bisher übliche Rückseitenmetallisierung aus dickem Aluminium verzichtet, um das Eindringen von Aluminium in den Halbleiterkörper und zwar insbesondere den Effekt der Thermomigration zu vermeiden; besonders empfiehlt sich die Anwendung dieser Maßnahme, wenn der Bereich unter der Oberfläche, auf die die Metallisierung abgeschieden wird, amorphisiert ist, da dieses Amorphisieren das Eindringen von Aluminium erleichtert. Anstelle von dickem Aluminium wird eine Schicht aus einem schwer schmelzenden Metall oder eine dünne Aluminiumschicht mit einer Dicke zwischen vorzugsweise 1 und 5 nm aufgetragen, und anschließend wird sodann die Schicht aus dem schwer schmelzenden Metall oder die dünne Aluminiumschicht mit dem üblichen Mehrschichtmetallisierungssystem verstärkt. Eine dünne Aluminiumschicht kann zusätzlich strukturiert sein, so dass die Menge der in die Oberfläche des Halbleiterkörpers eindringenden Aluminiumatome reduziert wird. Auch kann in die Aluminiumschicht noch Halbleitermaterial – insbesondere Silizium – mit bis zu 4 Gew.-% eingebaut sein.
    •
  • Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 ein Schnittbild eines IGBTs, wobei links und rechts von einer in Strichpunkten angegebenen Mittellinie zwei verschiedene Varianten des Leistungshalbleiterbauelementes gezeigt sind, und
  • 2 eine Draufsicht auf eine strukturierte dünne Aluminiumschicht.
  • 1 zeigt einen Schnitt durch einen IGBT mit einem Halbleiterkörper oder -chip 1 aus vorzugsweise Silizium oder einem anderen geeigneten Halbleitermaterial, wie beispielsweise Siliziumcarbid (SiC) oder AIIIBV-Verbindungshalbleiter, wie insbesondere Galliumarsenid. In diesem Halbleiterkörper 1 ist in eine n–-leitende Basiszone 2 eine p-leitende Basiszone 3 eingebracht, in der sich eine n- oder n+-leitende Source- bzw. Emitterzone 4 befindet. Weiterhin weist der Halbleiterkörper 1 eine n- oder n+-leitende Feldstoppzone 5 sowie eine p-leitende Kollektorzone 6 auf. Die angegebenen Leitungstypen können selbstverständlich jeweils auch umgekehrt sein.
  • Werden nur die Zonen 3 (p-leitend), 2 (n–-leitend) und gegebenenfalls 5 (n-leitend) vorgesehen, so liegt eine Diode vor. Es werden hier also die Emitterzone 4 und die Kollektorzone 6 weggelassen. Die folgenden Überlegungen für einen IGBT gelten in gleicher Weise für eine Diode mit einem derartigen oder ähnlichen Aufbau.
  • Auf einer ersten Hauptoberfläche 7 des Halbleiterkörpers 1 befindet sich eine Isolierschicht 8 aus beispielsweise Siliziumdioxid und/oder Siliziumnitrid. In diese Isolierschicht 8 ist eine Gateelektrode 9 aus insbesondere polykristallinem Silizium eingebracht. Eine Diode verfügt selbstverständlich nicht über eine solche Gateelektrode.
  • In der ersten Hauptoberfläche 7 sind die Emitterzone 4 und die p-Basiszone 3 über einen ersten Kontakt (Emitterkontakt) in der Form einer ersten Metallisierung 10 kontaktiert.
  • Eine zur ersten Hauptoberfläche 7 gegenüberliegende zweite Hauptoberfläche 11 des Halbleiterkörpers 1 ist mit einem zweiten Kontakt (Kollektorkontakt) in der Form einer zweiten Metallisierung 12 versehen.
  • Ganz allgemein können bei einem Leistungshalbleiterbauelement mit n Kontakten alle n-Kontakte, n-1 Kontakte usw. und nur ein Kontakt in der erfindungsgemäßen Weise gebildet sein.
  • Die 1 zeigt nun zwei verschiedene Varianten für die Strukturierung der erfindungsgemäßen Metallisierung 12.
  • In der linken Hälfte ist eine dünne Aluminiumschicht 14 dargestellt, die eine Schichtdicke von 1 bis 5 nm hat. In diese Aluminiumschicht 14 können Siliziumzusätze mit einem Anteil von etwa 1 Gew.-% bis 4 Gew.-% eingebaut sein. Bei eingebauten Siliziumzusätze kann die Schichtdicke dann bis zu 10 nm betragen.
  • Die Aluminiumschicht 14 kann sich durchgehend über die gesamte Hauptoberfläche 11 des Halbleiterkörpers 1 erstrecken. Es ist aber auch möglich, diese Aluminiumschicht 14 – wie dargestellt – lediglich in einen Bereich mit besonders hohen Temperaturen, beispielsweise im Innenbereich, des Leistungshalbleiterbauelementes vorzusehen.
  • In der rechten Hälfte der 1 ist anstelle der Aluminiumschicht 14 eine Schicht 13 aus einem schwer schmelzenden Metall oder Metallsilizid vorgesehen. Geeignete Materialien für das schwer schmelzende Metall sind beispielsweise Titan, Tantal, Wolfram, Molybdän, Chrom oder Kobalt. Eine solche Schicht 13 wird vorzugsweise auf eine amorphisierte oder zumindest teilweise amorphisierte Oberfläche des Halbleiterkörpers 1 abgeschieden.
  • Im Gegensatz zu der Aluminiumschicht 14 kann die Schicht 13 aus schwer schmelzendem Metall eine größere Schichtdicke von beispielsweise 1,0 bis 100 nm aufweisen.
  • Die Schicht 13 aus schwer schmelzendem Metall kann sich – wie die Aluminiumschicht 14 – über die gesamte Hauptoberfläche 11 erstrecken. Sie kann aber auch lediglich in solchen Bereichen vorgesehen werden, in denen besonders hohe Temperaturen zu erwarten sind, zum Beispiel am Rand des Leistungshalbleiterbauelementes.
  • In beiden Varianten der linken und der rechten Hälfte der 1 sind auf die Aluminiumschicht 14 bzw. auf die Schicht 13 aus schwer schmelzendem Metall noch jeweils ein Mehrschichtmetallisierungssystem 15 aufgetragen. Dieses Mehrschichtmetallisierungssystem 15 kann in herkömmlicher Weise beispielsweise aus einer Titannitridschicht 16, einer Nickelschicht 17 und einer Silberschicht 18 bestehen. Auch andere Materialien sind für dieses Mehrschichtmetallisierungssystem 15 möglich.
  • 2 zeigt noch eine Variationsmöglichkeit für die Gestaltung der Aluminiumschicht 14 in einer Draufsicht: diese Aluminiumschicht 14 kann aus einzelnen Bereichen 14' bestehen, welche inselförmig auf die Oberfläche 11 des Halbleiterkörpers 1 aufgetragen sind. Durch eine derartige Strukturierung wird erreicht, dass ein seitliches Nachfließen von Aluminium verhindert wird. Die Größe der so gebildeten Aluminiuminseln und der Abstand zwischen den einzelnen Aluminiuminseln 14' hängen von der Dicke der Aluminiumschicht 14 ab.
    • 1
    Halbleiterkörper
    2
    n–-leitende Basiszone
    3
    p-leitende Basiszone
    4
    Emitterzone
    5
    Feldstoppzone
    6
    Kollektorzone
    7
    erste Hauptoberfläche
    8
    Isolierschicht
    9
    Gateelektrode
    10
    erste Metallisierung
    11
    zweite Hauptoberfläche
    12
    zweite Metallisierung
    13
    Schicht aus schwer schmelzendem Metall
    14
    Aluminiumschicht
    14'
    strukturierte Aluminiumschicht
    15
    Mehrschichtmetallisierungssystem
    16
    Titannitridschicht
    17
    Nickelschicht
    18
    Silberschicht

Claims (12)

  1. Leistungshalbleiterbauelement mit erhöhter Robustheit, umfassend: – einen Halbleiterkörper (1) mit einer ersten Hauptoberfläche (7) auf einer Vorderseite des Halbleiterkörpers (1) und einer zweiten, entgegengesetzt zur ersten Hauptoberfläche (7) gelegenen Hauptoberfläche (11) auf einer Rückseite des Halbleiterkörpers (1), – einer auf der ersten Hauptoberfläche (7) angeordneten ersten Metallisierung (10), und – einer auf der zweiten Hauptoberfläche (11) angeordneten zweiten Metallisierung (12), – wobei der Halbleiterkörper (1) mit der ersten Metallisierung (10) an der ersten Hauptoberfläche (7) und mit der zweiten Metallisierung (12) an der zweiten Hauptoberfläche (11) elektrisch Kontaktiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass – beide Metallisierungen (10, 12) als direkt auf der entsprechenden Hauptoberfläche (7, 11) des Halbleiterkörpers (1) aufgebrachte Schicht eine Kontaktschicht (14) aufweisen, die aus Aluminium besteht und eine Schichtdicke zwischen 1 und 5 nm hat.
  2. Leistungshalbleiterbauelement mit erhöhter Robustheit, umfassend: – einen Halbleiterkörper (1) mit einer ersten Hauptoberfläche (7) auf einer Vorderseite des Halbleiterkörpers (1) und einer zweiten, entgegengesetzt zur ersten Hauptoberfläche (7) gelegenen Hauptoberfläche (11) auf einer Rückseite des Halbleiterkörpers (1), – einer auf der ersten Hauptoberfläche (7) angeordneten ersten Metallisierung (10), und – einer auf der zweiten Hauptoberfläche (11) angeordneten zweiten Metallisierung (12), – wobei der Halbleiterkörper (1) mit der ersten Metallisierung (10) an der ersten Hauptoberfläche (7) und mit der zweiten Metallisierung (12) an der zweiten Hauptoberfläche (11) elektrisch Kontaktiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass – mindestens eine der beiden Metallisierungen (10, 12) als direkt auf der entsprechenden Hauptoberfläche (7, 11) des Halbleiterkörpers (1) aufgebrachte Schicht eine Kontaktschicht (14) aufweist, die aus Aluminium besteht, in das Atome des Halbleitermaterials des Halbleiterkörpers (1) eingebaut sind und die eine Schichtdicke zwischen 1,0 und 10 nm hat.
  3. Leistungshalbleiterbauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktschicht (14) auf der Rückseite des Halbleiterkörpers (1) vorgesehen ist.
  4. Leistungshalbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktschicht (14) strukturiert ist.
  5. Leistungshalbleiterbauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem aus Silizium bestehenden Halbleiterkörper (1) in die aus Aluminium bestehende Kontaktschicht (14) bis zu 4 Gew.-% Siliziumatome eingebaut sind.
  6. Leistungshableiterbauelement mit erhöhter Robustheit, umfassend: – einen Halbleiterkörper (1) mit einer ersten Hauptoberfläche (7) auf einer Vorderseite des Halbleiterkörpers (1) und einer zweiten, entgegengesetzt zur ersten Hauptoberfläche (7) gelegenen Hauptoberfläche (11) auf einer Rückseite des Halbleiterkörpers (1), – einer auf der ersten Hauptoberfläche (7) angeordneten ersten Metallisierung (10), und – einer auf der zweiten Hauptoberfläche (11) angeordneten zweiten Metallisierung (12), – wobei der Halbleiterkörper (1) mit der ersten Metallisierung (10) an der ersten Hauptoberfläche (7) und mit der zweiten Metallisierung (12) an der zweiten Hauptoberfläche (11) elektrisch Kontaktiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass die auf der ersten und der zweiten Hauptoberfläche (7, 11), also der Vorderseite und der Rückseite des Halbleiterkörpers (1) vorgesehenen Metallisierungen (12) jeweils als direkt auf dieser ersten bzw. zweiten Hauptoberfläche (7, 11) aufgebrachte Schicht eine Kontaktschicht (13) aufweisen, die aus einem schwer schmelzenden Metall besteht und eine Schichtdicke von 1,0 bis 100 nm hat.
  7. Leistungshalbleiterbauelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das schwer schmelzende Metall Titan, Tantal, Wolfram, Molybdän, Chrom oder Kobalt oder ein Silizid dieser Metalle oder Titannitrid oder Tantalnitrid ist.
  8. Leistungshalbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass auf die Kontaktschicht (14, 13) ein an sich bekanntes Mehrschichtmetallisierungssystem (15) aufgetragen ist.
  9. Leistungshalbleiterbauelement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Mehrschichtmetallisierungssystem Titannitrid (TiN), Nickel (Ni) und Silber (Ag) enthält.
  10. Leistungshalbleiterbauelement nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass in das Mehrschichtmetallisierungssystem (15) Aluminium eingebaut ist.
  11. Leistungshalbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktschicht (14, 13) lediglich in einem Randbereich oder in einem Innenbereich der entsprechenden Hauptoberfläche (11) des Halbleiterkörpers (1) vorgesehen ist.
  12. Leistungshalbleiterbauelement nach einem Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich unter der Hauptoberfläche auf der die Kontaktschicht (13) abgeschieden wird, amorphisiert oder zumindest teilweise amorphisiert ist.
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