DE10349908B4 - Zweifach passiviertes Leistungshalbleiterbauelement mit einer MESA Randstruktur und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents
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Abstract
Leistungshalbleiterbauelement
mit mindestens einer MESA Randstruktur bestehend aus einem Halbleiterkörper mit
einer parallel zu den Haupfflächen verlaufenden
und an der ersten Haupffläche
(12) angeordneten ersten Zone (10) vom ersten Leitungstyps sowie
einer daran anschließenden
ebenfalls parallel zu den Hauptflächen verlaufenden zweiten Zone
(20) vom zweiten Leitungstyp, wobei beide Haupfflächen durch
jeweils eine Metallisierung (14) bedeckt sind, im Randbereich die
MESA Struktur gebildet wird durch eine an die erste Haupffläche anschließende erste
Randfläche
(40), eine daran anschließende
annähernd
parallel zur ersten Haupffläche
(12) angeordnete erste Hilfsfläche
(50), eine daran angeordnete zweite Randfläche (42) sowie eine daran anschließende zweite
Hilfsfläche
(52), wobei der Abstand (X1) der ersten Hilfsfläche (50)
zur ersten Haupffläche
(12) kleiner ist als der Abstand (Xpn) des Übergangs
der Zonen (10, 20) vom ersten zum zweiten Leitungstyp zur ersten
Haupffläche (12)
und weiterhin die Rand- (40, 42) und Hilfsflächen (50, 52) mit einer zweischichtigen
Passivierungsschicht überdeckt
sind, wobei die...
Description
- Die Erfindung beschreibt ein Leistungshalbleiterbauelement mit einer MESA Randstruktur, vorzugsweise eine Diode mit einer Sperrspannung von mehreren hundert bis über 2000 V, und ein zugeordnetes Verfahren zur Herstellung eines derartigen Leistungshalbleiterbauelements. Diese Leistungshalbleiterbauelemente finden beispielhaft Anwendung in Wechselrichterschaltungsanordnungen als Dioden für den Eingangsgleichrichter zur Spannungsversorgung eines Zwischenkreises.
- Derartige Leistungshalbleiterbauelemente sind vielfach in der Literatur beschrieben. Die Ausgangspunkte dieser Erfindung bilden beispielhaft die Druckschriften
DE 40 13 435 A1 ,DE 27 27 487 C2 ,DE 198 51 461 A1 sowie dieDE 100 47 152 A1 . - Die
DE 40 13 435 A1 beschreibt Leistungshalbleiterbauelemente mit einer MESA Randstruktur sowie ein Passivierungsverfahren hierfür. Die hier vorgestellten Leistungshalbleiterbauelemente weisen eine MESA Randstruktur mit einem definierten von der gewünschten Sperrspannung abhängigen Winkel des Randbereiches auf. Es handelt sich bei der Passivierung um eine zweischichtige Ausgestaltung mit einem ersten dünneren Bereich bestehend aus amorphem Silizium und einem zweiten Bereich bestehend aus Silikonkautschuk. Aus derDE 27 27 487 C2 ist ebenfalls ein Leistungshalbleiterbauelement in MESA Struktur bekannt. Diese Randstruktur dieses Leistungshalbleiterbauelements ist als Doppelstufenprofil ausgebildet. Hierbei schließt sich in Richtung des Randes an einer ersten Hauptfläche eine erste Randfläche daran eine erste Hilfsfläche und hieran noch eine zweite Rand- und Hilfsfläche an. - Die
DE 198 51 461 A1 sowie dieDE 100 47 152 A1 offenbaren planare Leistungshalbleiterbauelemente mit einer a:C-H Passivierung (amorphe hydrierte Kohlenstoffschicht in sp2 und sp3 Hybridisierung) sowie zugehörige Herstellungsverfahren dieser Schichten. Diese Passivierungen sowie ihre hervorragenden Eigenschaften speziell für Leistungshalbleiterbauelemente mit Sperrspannungen im Bereich einiger hundert bis über 2000 V wurden hier umfassend und hinreichend beschrieben. Auch zeigen die vorgestellten Verfahren einfache Wege zur Herstellung der planaren Leistungshalbleiterbauelemente auf. - Nachteilig an den Leistungshalbleiterbauelementen nach der
DE 40 13 435 ist, dass diese auf Grund ihrer MESA Randstruktur, die eine geringe Ausdehnung des Randbereiches erlaubt, bisher einer automatisierten Fertigung nicht zugänglich waren. Vielmehr war hier ein erheblicher Aufwand zur Herstellung notwendig. - Die Nachteil der planaren Leistungshalbleiterbauelemente nach den
DE 198 51 461 A1 undDE 100 47 152 A1 ist ihre komplexe, wenn auch automatisierbare, Herstellung und ihr auf Grund der planaren Struktur größerer und nicht zur Stromtragfähigkeit beitragender Randbereich, der die Ausbeute an Leistungshalbleiterbauelementen pro Wafer reduziert. - Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde ein Leistungshalbleiterbauelement, das für hohe Sperrspannungen bis über 2000 V geeignet sowie einem einfachen Herstellungsverfahren zugänglich ist, sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung vorzustellen, wobei der Randbereich des Leistungshalbleiterbauelements eine geringe Ausdehnung aufweisen soll.
- Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Leistungshalbleiterbauelement nach dem Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren nach Anspruch 2, spezielle Ausgestaltungen finden sich in den Unteransprüchen.
- Das erfindungsgemäße Leistungshalbleiterbauelement weist eine MESA Randstruktur auf. Grundsätzlich besteht dieses Leistungshalbleiterbauelement aus einem Halbleiterkörper mit einer parallel zu den Hauptflächen verlaufenden ersten Zone vom ersten Leitungstyps sowie einer daran anschließenden ebenfalls parallel zu den Hauptflächen verlaufenden zweiten Zone vom zweiten Leitungstyp. Somit ergibt sich ein Leistungshalbleiterbauelement der einfachsten Form, eine Diode, wobei die hier beschriebene MESA Randstruktur für jegliche Leistungshalbleiterbauelemente geeignet ist. Beide Haupfflächen des Leistungshalbleiterbauelements sind durch jeweils eine Metallisierung zur Löt- und/oder Drahtbondverbindung bedeckt. Im Randbereich wird die MESA Struktur gebildet durch eine an die erste Haupffläche anschließende erste Randfläche. An diese schießt sich eine annähernd parallel zur ersten Haupffläche angeordnete erste Hilfsfläche an. Hieran ist eine zweite Randfläche und wiederum eine zweite Hilfsfläche angeordnet. Von besonderer Bedeutung ist hierbei, dass der Abstand der ersten Hilfsfläche zur ersten Haupffläche kleiner ist als der Abstand des Übergangs der Zonen vom ersten zum zweiten Leitungstyp zur ersten Haupffläche. Die Rand- und Hilfsflächen sind mit einer zweischichtigen Passivierungsschicht überdeckt, wobei die erste Passivierungsschicht aus einer a:C-H Schicht einer Dicke zwischen 150 nm und 300 nm nach dem Stand der Technik besteht, die wiederum durch eine weitere dielektrische Schicht, vorzugsweise aus einem Silikonkautschuk, überdeckt ist. Die Dicke der zweischichtigen Passivierungsschicht entspricht erfindungsgemäß dem Abstand der zweiten Hilfsfläche von der ersten Hauptfläche.
- Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines o.g. Leistungshalbleiterbauelements in MESA Struktur besteht aus den folgenden wesentlichen Teilprozessen, wobei Prozessschritte nach dem Stand der Technik stark vereinfacht angegeben werden. Unwesentliche, weil vollständig bekannte Prozessschritte sind aus Gründen der Übersichtlichkeit weggelassen:
- • Ausbilden eines Leistungshalbleiterbauelements mit zwei Zonen von unterschiedlichem Leitungstyp auf einem Wafer.
- • Ausbilden der MESA Randstruktur der Leistungshalbleiterbauelemente durch Erzeugen von Stufengräben mittels Säge- und/oder Ätzverfahren.
- • Beschichten der gesamten ersten Hauptfläche des Wafers mit einer a:C-H Schicht in einer PECVD Anlage.
- • Verfüllung der Gräben mit einer dielektrischen Substanz.
- • Entfernen der Passivierungsschichten von den späteren Kontaktflächen der ersten Haupffläche.
- • Metallisierung der Kontaktflächen der ersten Haupffläche sowie der gesamten zweiten Hauptfläche des Wafers.
- • Zerteilen des Waferverbundes in einzelne Leistungshalbleiterbauelemente.
- Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den
1 bis2 näher erläutert. -
1 zeigt die wesentlichen Teilprozesse des Herstellungsverfahrens eines erfinderischen Leistungshalbleiterbauelements. -
2 zeigt eine Simulation des Verlaufs von Äquipotentiallinien an einem erfinderischen Leistungshalbleiterbauelement. -
1 zeigt die wesentlichen Teilprozesse des Herstellungsverfahrens eines erfinderischen Leistungshalbleiterbauelements, hier einer Silizium-Leistungsdiode mit einer Sperrspannung von 1700 V.1a zeigt bereits die Diodenstruktur innerhalb eines Wafers mit einem pn-Übergang (30 ). Ausgehend von einem n- dotierten Siliziumwafer wurde hierzu auf der Vorderseite, der ersten Hauptfläche (12 ), eine p+ Zone (10 ) eindiffundiert. -
1a zeigt weiterhin den Wafer nach dem ersten Schritt zur Erzeugung des benötigten Stufengrabens. Dieser erste Graben (40 ,50 ) wurde mittels eines Sägeschnittes erzeugt. -
1b zeigt den Wafer nach einem zweiten Sägeschritt zur Erzeugung eines gegenüber dem ersten tiefer und schmäler ausgestalteten zweiten Grabens (42 ,52 ). Da Sägeschnitte in der Regel keine Halbleiteroberfläche erzeugen, die für einen an den Rand des Leistungshalbleiterbauelements tretenden pn-Übergang (30 ) geeignet sind, schließt sich an die beiden Sägeschnitte vorzugsweise eine nasschemische Ätzung zur Reduktion der Oberflächenrauigkeit an. Es ergeben sich somit Stufengräben (40 ,42 ,50 ,52 ) in einem Wafer mit folgenden Dimensionen, vgl. hierzu auch Beschreibung zu2 zur Bestimmung der Dimensionen, für eine Diode mit einer Sperrspannung von 1700 V:
- Hiermit ist die MESA Randstruktur vollständig ausgebildet. Der Stufengraben (
40 ,42 ,50 ,52 ) kann außer in der hier beschriebenen Weise noch auf zwei weitere ausgezeichnete Weisen hergestellt werden. In einem ersten alternativen Verfahren werden die beiden Sägeschnitte durch einen einzigen ersetzt, wobei ein geeignet ausgestaltetes Sägeblatt Verwendung findet. Dies ist vorteilhaft, da hier nur ein Sägeschritt notwendig ist und somit der Herstellungsaufwand des Stufengrabens halbiert wird. Dem gegenüber steht der Nachteil eines schwierig herzustellenden und sich ungleichmäßig abnutzenden Sägeblattes. - In einem zweiten alternativen Verfahren wird der Stufengraben durch zwei Nassätzprozesse nach dem Stand der Technik hergestellt. Hierzu sind dann allerdings zusätzliche Maskenschritte zum Schutz der nicht zu strukturierenden Oberfläche notwendig.
-
1c zeigt den Wafer nach einer flächigen Beschichtung in einer PECVD Anlage mit einer a:C-H Schicht (60 ), der ersten Passivierungsschicht, nach dem Stand der Technik, wobei hier auch die Randflächen (40 ,42 ) beschichtet sind. Die Dicke dieser Schicht liegt zwischen 150 μm und 300 μm. -
1d zeigt den Wafer nach Verfüllung des Stufengrabens (40 ,42 ,50 ,52 ) mit einem Silikonkautschuk (70 ), wobei hier nur die dielektrische Eigenschaft des Füllstoffes Bedeutung aufweist. Die relative Dielektrizitätskonstante muss deutlich über derjenigen von Luft liegen, um auf Grund der geringen Dicke der a:C-H Schicht (60 ) im Sperrbetrieb Überschläge durch diese Schicht in Luft zu vermeiden. Der Silikonkautschuk (70 ) wird mittels eines Dosierverfahrens nach dem Stand der Technik in die Stufengräben (40 ,42 ,50 ,52 ) verfüllt. - Weiterhin zeigt
1d den Wafer nach der Entfernung der a:C-H Schicht (60 ) von der ersten Hauptfläche (12 ). Dies erfolgt vorzugsweise mittels einer Reaktion in einem Sauerstoffplasma. - Anschließend wurde auf den späteren Kontaktflächen der Vorderseite (
12 ) des Wafers ein Aluminiumkontakt (14 ) aufgebracht. Diese Metallisierung ist für Drahtbondverbindungen besonders geeignet. Auf der Rückseite wurde eine flächige Metallisierung (24 ) vorzugsweise zur Lötkontaktierung aufgebracht - Zur Vereinzelung der Leistungshalbleiterbauelemente des Wafers wird in einem abschließenden Verfahrensschritt dieser in der Mitte (
80 ) der Stufengräben gesägt. -
2 zeigt eine Simulation des Verlaufs der Äquipotentiallinien (110 ) an einem erfinderischen Leistungshalbleiterbauelement. Derartige Simulationen dienen zum Auffinden der idealen Werte der Größe ΔX, also des Abstandes (Xpn) des pn-Übergangs (30 ) zur ersten Stufe (50 ). Dargestellt ist die MESA Randstruktur einer Diode, hergestellt nach dem unter1 beschriebenen Verfahren. Das Potential an der Rückseite wurde hier zu 2000 V, das auf der Vorderseite zu 0 V angenommen. Dies entspricht den Gegebenheiten einer in Sperrrichtung geschalteten Diode. Zur Vereinfachung der Potentialberechnungen wurde der weitere Feldverlauf ausgehend von der Oberfläche durch eine rechteckige Gestaltung eines von dieser Oberfläche ausgehenden Bonddrahtes (100 ), der selbstverständlich das Potential der Oberfläche aufweist, angenommen. Weiterhin wurde die Oberfläche der zweiten Isolierschicht (70 ) als plan angenommen, was die Ergebnisse nicht beeinflusst. - Die Linien zwischen dem Bonddraht (
100 ) und der Grundfläche auf Rückseitenpotential stellen die Äquipotentiallinien (110 ) dar, das elektrische Feld steht bekanntermaßen senkrecht auf diesen Äquipotentiallinien. Der Verlauf der Äquipotentiallinien ist dahingehend von Bedeutung, dass bei der Auslegung der Größenverhältnisse (siehe Beschreibung zu1b ) darauf geachtet werden muss, dass der geringste Abstand dieser Äquipotentiallinien und damit der größte Feldgradient innerhalb des Leistungshalbleiterbauelements und nicht an dessen Rand oder im Außenbereich liegt. Nur unter dieser Voraussetzung ist die Sperrfähigkeit für die gewünschte Spannung gegeben. Aus den gezeigten Simulationen ergeben sich die Zahlenwerte (siehe oben) für die Auslegung einer Diode mit einer gewünschten Sperrspannung von 1700 V. Die laterale Ausdehnung der Diode selbst ist maßgeblich für deren Stromtragfähigkeit, allerdings nicht für die Größenbestimmung der MESA Randstruktur.
Claims (8)
- Leistungshalbleiterbauelement mit mindestens einer MESA Randstruktur bestehend aus einem Halbleiterkörper mit einer parallel zu den Haupfflächen verlaufenden und an der ersten Haupffläche (
12 ) angeordneten ersten Zone (10 ) vom ersten Leitungstyps sowie einer daran anschließenden ebenfalls parallel zu den Hauptflächen verlaufenden zweiten Zone (20 ) vom zweiten Leitungstyp, wobei beide Haupfflächen durch jeweils eine Metallisierung (14 ) bedeckt sind, im Randbereich die MESA Struktur gebildet wird durch eine an die erste Haupffläche anschließende erste Randfläche (40 ), eine daran anschließende annähernd parallel zur ersten Haupffläche (12 ) angeordnete erste Hilfsfläche (50 ), eine daran angeordnete zweite Randfläche (42 ) sowie eine daran anschließende zweite Hilfsfläche (52 ), wobei der Abstand (X1) der ersten Hilfsfläche (50 ) zur ersten Haupffläche (12 ) kleiner ist als der Abstand (Xpn) des Übergangs der Zonen (10 ,20 ) vom ersten zum zweiten Leitungstyp zur ersten Haupffläche (12 ) und weiterhin die Rand- (40 ,42 ) und Hilfsflächen (50 ,52 ) mit einer zweischichtigen Passivierungsschicht überdeckt sind, wobei die erste Passivierungsschicht aus einer a:C-H Schicht (60 ) mit einer Dicke zwischen 150 nm und 300 nm besteht, die wiederum durch eine weitere, dielektrische, Schicht (70 ) überdeckt ist, wobei die Dicke der zweischichtigen Passivierungsschicht dem Abstand (X2) der zweiten Hilfsfläche (52 ) von der ersten Haupffläche (12 ) entspricht. - Verfahren zur Herstellung eines Leistungshalbleiterbauelement in MESA Struktur bestehend aus den wesentlichen Teilprozessen: • Ausbilden eines Leistungshalbleiterbauelements mit zwei Zonen (
10 ,20 ) von unterschiedlichem Leitungstyp auf einem Wafer. • Ausbilden der MESA Randstruktur der Leistungshalbleiterbauelemente durch Erzeugen von Stufengräben (40 ,42 ,50 ,52 ). • Beschichten der ersten Hauptfläche (12 ) sowie der Stufengräben (40 ,42 ,50 ,52 ) mit einer a:C-H Schicht (60 ). • Vollständiges Verfüllung der Stufengräben (40 ,42 ,50 ,52 ) mit einer dielektrische Substanz (70 ), mindestens bis zur Höhe der ersten Hauptfläche. • Entfernen der Passivierungsschichten von den späteren Kontaktflächen der ersten Hauptfläche (12 ). • Metallisierung (14 ,24 ) der Kontaktflächen der ersten Hauptfläche (12 ) sowie der zweiten Hauptfläche (22 ) des Wafers. • Zerteilen des Waferverbundes in einzelne Leistungshalbleiterbauelemente. - Leistungshalbleiterbauelement nach Anspruch 1, wobei der Abstand (ΔX) der ersten Hilfsfläche (
12 ) zum Übergang (30 ) zwischen der Zone (10 ) vom ersten Leitungstyp zur Zone (20 ) vom zweiten Leitungstyp zwischen 20 μm und 50 μm liegt. - Leistungshalbleiterbauelement nach Anspruch 1, wobei die erste Zone (
10 ) vom ersten Leitungstyp aus p+ leitendem Silizium und die zweite Zone (20 ) vom zweiten Leitungstyp aus n- leitendem Silizium besteht. - Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Stufengräben (
40 ,42 ,50 ,52 ) durch einen Sägeschritt mit einem geeignet konturierten Sägeblatt erzeugt werden. - Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Stufengräben (
40 ,42 ,50 ,52 ) durch zwei aufeinander folgende Sägeschritte erzeugt werden, wobei der erste Sägenschnitt mit einem breiten, der zweite mit eine schmalen Sägeblatt erfolgt. - Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Stufengräben (
40 ,42 ,50 ,52 ) durch zwei aufeinander folgende Ätzschritte mit geeigneten Maskierungsschritten erzeugt werden. - Verfahren nach Anspruch 2, wobei die a:C-H Schicht (
60 ) von der ersten Hauptfläche (12 ) mittels einer Sauerstoffplasmareaktion entfernt wird.
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| OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
| 8127 | New person/name/address of the applicant |
Owner name: SEMIKRON ELEKTRONIK GMBH & CO. KG, 90431 NUERNBERG, |
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| 8363 | Opposition against the patent | ||
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