DE102022113629A1 - Power semiconductor component and method for producing a power semiconductor component - Google Patents
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Abstract
Leistungshalbleiterbauelement (100) mit einem Halbleitersubstrat (101), das insbesondere einen breiten Bandabstand aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Halbleitersubstrat (101) ein Bereich (104) angeordnet ist, wobei der Bereich (104) eine Kupferlegierung umfasst.Power semiconductor component (100) with a semiconductor substrate (101), which in particular has a wide bandgap, characterized in that a region (104) is arranged on the semiconductor substrate (101), the region (104) comprising a copper alloy.
Description
Die Erfindung betrifft ein Leistungshalbleiterbauelement und ein Verfahren zum Herstellen eines Leistungshalbleiterbauelements.The invention relates to a power semiconductor component and a method for producing a power semiconductor component.
Stand der TechnikState of the art
Metallisierungen auf Halbleiterbauelementen sind aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten des Halbleitermaterials und der Aufbau- und Verbindungstechnik während der Produktlebensdauer großen Belastungen ausgesetzt. Nachteilig ist hierbei, dass bei hoher thermomechanischer Beanspruchung Ermüdungserscheinungen wie Risse in den Metallisierungen auftreten.Metallizations on semiconductor components are exposed to great stress during the product's service life due to the different thermal expansion coefficients of the semiconductor material and the construction and connection technology. The disadvantage here is that signs of fatigue such as cracks in the metallization occur under high thermomechanical stress.
Um Leistungshalbleiterbauelemente zu kontaktieren sind Bondverbindungen mit großen Drahtdurchmessern üblich. Nachteilig ist hierbei, dass sehr hohe Schichtdicken der Kontaktflächen benötigt werden, die zu einer Waferverformung führen.In order to contact power semiconductor components, bond connections with large wire diameters are common. The disadvantage here is that very high layer thicknesses of the contact surfaces are required, which leads to wafer deformation.
Die Aufgabe der Erfindung ist es diese Nachteile zu überwinden.The object of the invention is to overcome these disadvantages.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Das Leistungshalbleiterbauelement weist ein Halbleitersubstrat insbesondere mit einem breiten Bandabstand auf. Erfindungsgemäß ist auf dem Halbleitersubstrat ein Bereich angeordnet, wobei der Bereich eine Kupferlegierung umfasst.The power semiconductor component has a semiconductor substrate, in particular with a wide bandgap. According to the invention, a region is arranged on the semiconductor substrate, the region comprising a copper alloy.
Der Vorteil ist hierbei, dass Kupferlegierungen eine große Härte aufweisen, sodass die darunterliegende Chipstruktur mechanisch sehr gut geschützt ist, beispielsweise beim Ankontaktieren von Drähten. Des Weiteren weist das Leistungshalbleiterbauelement eine hohe Zuverlässigkeit auf.The advantage here is that copper alloys are very hard, so that the underlying chip structure is very well protected mechanically, for example when contacting wires. Furthermore, the power semiconductor component has high reliability.
In einer weiteren Ausgestaltung weist die Kupferlegierung einen Kupferanteil zwischen 88% und 99,9% auf.In a further embodiment, the copper alloy has a copper content between 88% and 99.9%.
Vorteilhaft ist hierbei, dass die Veränderung der elektrischen Eigenschaften gegenüber einer reinen Kupfermetallisierung gering ist, da die elektrische Leitfähigkeit und die Kristallstruktur des Kupfers weitestgehend erhalten bleiben.The advantage here is that the change in the electrical properties compared to pure copper metallization is small, since the electrical conductivity and the crystal structure of the copper are largely preserved.
In einer Weiterbildung weist der Bereich eine Dicke bis zu 40 µm auf, insbesondere eine Dicke zwischen 1 µm und 6 µm.In a further development, the area has a thickness of up to 40 µm, in particular a thickness between 1 µm and 6 µm.
Der Vorteil ist hierbei, dass wenig Metall benötigt wird, sodass der Waferbow gering ist.The advantage here is that little metal is required, so the wafer bow is small.
In einer weiteren Ausgestaltung weist die Kupferlegierung Zirkonium auf.In a further embodiment, the copper alloy has zirconium.
Vorteilhaft ist hierbei, dass die Verbindung temperaturstabil und diffusionsträge ist.The advantage here is that the connection is temperature-stable and diffusion-inert.
In einer Weiterbildung weist die Kupferlegierung einen Zirkoniumanteil zwischen 0,1% und 10% auf, insbesondere einen Zirkoniumanteil zwischen 0,2% und 2%.In a further development, the copper alloy has a zirconium content between 0.1% and 10%, in particular a zirconium content between 0.2% and 2%.
Der Vorteil ist hierbei, dass eine Segregation von Zirkonium an den Korngrenzen die mechanischen Eigenschaften der Legierung gegenüber einer reinen Kupferschicht verbessern, wobei derEinfluss auf die elektrischen Eigenschaften gering ist.The advantage here is that segregation of zirconium at the grain boundaries improves the mechanical properties of the alloy compared to a pure copper layer, although the influence on the electrical properties is small.
In einer weiteren Ausgestaltung weist die Kupferlegierung Silber auf.In a further embodiment, the copper alloy has silver.
Vorteilhaft ist hierbei, dass die mechanischen Eigenschaften der Kupferlegierung gegenüber einer reinen Kupferschicht verbessert werden.The advantage here is that the mechanical properties of the copper alloy are improved compared to a pure copper layer.
In einer Weiterbildung weist die Kupferlegierung einen Silberanteil zwischen 0,1% und 10% auf, insbesondere einen Silberanteil von 0,5% und 3%.In a further development, the copper alloy has a silver content between 0.1% and 10%, in particular a silver content of 0.5% and 3%.
Der Vorteil ist hierbei, dass die Kristallstruktur durch mehrere Mechanismen, wie beispielsweise Ausscheidungshärtung und Zwillingskorngrenzenbildung, gestärkt wird.The advantage here is that the crystal structure is strengthened through several mechanisms, such as precipitation hardening and twin grain boundary formation.
In einer weiteren Ausgestaltung umfasst das Halbleitersubstrat Silizium, Siliziumkarbid, Galliumnitrid oder Galliumarsenid.In a further embodiment, the semiconductor substrate comprises silicon, silicon carbide, gallium nitride or gallium arsenide.
In einer Weiterbildung umfasst das Leistungshalbleiterbauelement einen Mosfet, einen IGBT, eine Diode oder einen ASIC.In a further development, the power semiconductor component includes a Mosfet, an IGBT, a diode or an ASIC.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen eines Leistungshalbleiterbauelements mit einem Halbleitersubstrat, das insbesondere einen breiten Bandabstand aufweist, umfasst das Aufbringen einer Kupferlegierung auf einen Bereich des Halbleitersubstrats.The method according to the invention for producing a power semiconductor component with a semiconductor substrate, which in particular has a wide bandgap, includes applying a copper alloy to a region of the semiconductor substrate.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen bzw. den abhängigen Patentansprüchen.Further advantages result from the following description of exemplary embodiments and the dependent patent claims.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsformen und beigefügter Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
-
1 ein Leistungshalbleiterbauelement mit einem Halbleitersubstrat, und -
2 Verfahren zum Herstellen eines Leistungshalbleiterbauelements mit einem Halbleitersubstrat.
-
1 a power semiconductor component with a semiconductor substrate, and -
2 Method for producing a power semiconductor component with a semiconductor substrate.
In einem Ausführungsbeispiel weist das Halbleitersubstrat 101 einen breiten Bandabstand auf. Das Halbleitersubstrat umfasst dabei Siliziumkarbid oder Galliumnitrid.In one embodiment, the
In einem weiteren Ausführungsbeispiel umfasst das Halbleitersubstrat 101 Silizium oder Galliumarsenid.In a further exemplary embodiment, the
Das Leistungshalbleiterbauelement 100 ist beispielsweise ein Mosfet, ein IGBT, ein Diode, ein ASIC oder ein Logikhalbleiter.The power semiconductor component 100 is, for example, a MOSFET, an IGBT, a diode, an ASIC or a logic semiconductor.
Der optionale Haftvermittlungsbereich 102 umfasst Cr, Ti, Ta, W, Ni, TiW, Al, AICu, AlSiCu oder eine Kombination dieser Elemente. Der Diffusionsbarrierenbereich 103 umfasst Cr, Ti, TiN, TaN, W, Ni, TiZrN, TiW, Al, AlCu, AlSiCu, Ru, hochentropische Legierungen genannt HEA oder hochentropische nitrierte Legierungen genannt HEAN bzw. eine Kombination dieser Elemente. Der optionale Spannungsausgleichsbereich 104 umfasst Ni, NiV, Cu, Al, AlCu, AlSiCu oder eine Kombination dieser Elemente.The optional
Die Kupferlegierung des Bereichs 105 umfasst eine Kupfer-Zirkonium-Legierung oder eine Kupfer-Silber-Legierung. Die Kupfer-Zirkonium-Legierung umfasst einen Kupferanteil im Bereich zwischen 88% und 99,9%. Der Zirkoniumanteil liegt im Bereich zwischen 0,1% und 10%, insbesondere im Bereich zwischen 0,2% - 2%. Die Kupfer-Zirkonium-Legierung kann einen Silberanteil von kleiner 3%, sowie weitere Legierungselemente mit einem Anteil von kleiner 3% aufweisen. Die Kupfer-Silber-Legierung umfasst einen Kupferanteil im Bereich zwischen 88% und 99,9%. Der Silberanteil liegt im Bereich zwischen 0,1% und 10%, insbesondere im Bereich zwischen 0,5% - 3%. Die Kupfer-Silber-Legierung kann einen Zirkoniumanteil von kleiner 3%, sowie weitere Legierungselemente mit einem Anteil von kleiner 3% aufweisen.The copper alloy of
Die Kupferlegierung des Bereichs 105 wird zur Metallisierung von Leistungshalbleitern 100 auf Halbleitersubstraten mit einem breiten Bandabstand, sowie bei Siliziumhalbleitersubstraten oder Galliumarsenidsubstraten eingesetzt. Die Metallisierung kann mit bekannten Aufbau- und Verbindungstechniken wie Löten, Sintern, Draht- oder Bändchenbonden kontaktiert werden. Der Bereich 105 dient insbesondere zur Ankontaktierung von Bonddrähten und Bändchenbonds, wobei die Metallisierung vor allem zum Kupferdrahtbonden geeignet ist. Dabei können Kupferdrähte mit einem Durchmesser von größer 125 µm verwendet werden, sodass im Betrieb des Leistungshalbleiterbauelements 100 hohe Ströme übertragen werden können.The copper alloy of
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