DE19840239A1 - Leistungshalbleiter-Bauelement mit einer Anordnung zum Schutz vor Schäden durch elektrostatische Entladungen - Google Patents

Abstract

In einem Leistungshalbleiter-Bauelement wird eine Anordnung zum Schutz vor Schäden durch elektrostatische Entladungen vorgeschlagen. Das Bauelement weist zwei dotierte Halbleiterbereiche auf, die einen pn-Übergang bilden. Zur Kontaktierung wenigstens eines der Halbleiterbereiche wird eine Metallisierung verwendet, die durch ein Kontaktmetall mit hohem Schmelzpunkt gebildet wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Leistungshalbleiter- Bauelement mit einer Anordnung zum Schutz vor Schäden durch elektrostatische Entladungen, insbesondere vor solchen Entla­ dungen, die durch Höhenstrahlung in den Bauelementen hervor­ gerufen werden.

Es ist bereits aus dem Stand der Technik bekannt, daß bei Leistungshalbleiter-Bauelementen, die einen pn-Übergang auf­ weisen, die Gefahr einer Beschädigung durch elektrostatische Entladungen besteht. So offenbart beispielsweise US 4,692,781, daß es durch elektrostatische Entladungen in einem MOSFET zu einer großen Wärmeentwicklung und damit zu einer Aufschmelzung der Metallisierung kommen kann.

Eine solche elektrostatische Entladung kann insbesondere aus­ gelöst werden durch Höhenstrahlung, die mit dem Leistungs­ halbleiter-Bauelement in Wechselwirkung tritt. Dabei erzeugt das Höhenstrahlungsteilchen freie Ladungsträger im Halblei­ ter, die im elektrischen Feld des pn-Übergangs beschleunigt werden und eine Ladungsträgermultiplikation auslösen. Die Stärke dieser Multiplikation ist abhängig von der angelegten Spannung. Somit sind gerade Leistungshalbleiter-Bauelemente besonders sensibel gegenüber Schäden durch elektrostatische Entladungen. Die durch die Ladungsträgermultiplikation er­ folgte Ladungsträgerlawine führt zu einem starken Stromfluß und somit zu einer lokalen Erwärmung des Halbleiters. Dabei kann die Schmelztemperatur an der Grenzfläche Metallisierung- Halbleiter für die bei Leistungshalbleitern übliche Alumini­ ummetallisierung überschritten werden. Folge ist ein Auf­ schmelzen der Aluminiummetallisierung und ein Durchlegieren des Aluminiums bis zum pn-Übergang. Die Sperrfähigkeit des pn-Übergangs wird dadurch drastisch reduziert.

Als Lösung der vorgenannten Probleme offenbart US 4,692,781 lediglich, daß zwischen der Metallisierung und dem pn- Übergang des Leistungshalbleiter-Bauelements ein relativ gro­ ßer Abstand eingehalten werden soll. Dies ist jedoch nachtei­ lig angesichts einer ständig fortschreitenden Verkleinerung der Strukturen solcher Bauelemente. In US 5,406,513 wird da­ gegen eine Möglichkeit vorgeschlagen, eine elektrostatische Entladung, die durch Höhenstrahlung ausgelöst ist, einzudäm­ men, indem eine ringförmige Zusatzdotierung um das Bauelement herum im Halbleiterkörper vorgesehen und geerdet wird. Dieses Dokument offenbart jedoch keine Möglichkeit, ein Aufschmelzen der Metallisierung, ausgelöst durch eine solche elektrostati­ sche Entladung, effektiv zu verhindern.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Auf­ schmelzen der Metallisierung von Leistungshalbleiter- Bauelementen, ausgelöst durch elektrostatische Entladungen, zu verhindern.

Diese Aufgabe wird in folgender weise gelöst: Bei einem Lei­ stungshalbleiter-Bauelement mit mindestens einem ersten Halb­ leiterbereich und einem zweiten Halbleiterbereich, wobei der zweite Halbleiterbereich eine Grenzfläche zum ersten Halblei­ terbereich aufweist, die einen pn-Übergang bildet, wird für die Metallisierung zur ohmschen Kontaktierung wenigstens ei­ nes der Halbleiterbereiche durch ein Kontaktmetall mit hohem Schmelzpunkt vorgesehen.

Bislang ist gerade auf dem Gebiet der Leistungshalbleiter- Bauelemente lediglich bekannt, für die Metallisierung des Bauelementes Schichten aus Aluminium zu verwenden. Dies liegt darin begründet, daß der Fachmann auf diesem Gebiet eine mög­ lichst kostengünstige Produktion der Bauelemente erzielen soll. Wie auch die Offenbarung der US 4,692,781 zeigt, wurde bislang zwar der Versuch unternommen, die vorgenannten Pro­ bleme durch eine andere Anordnungsgebung zu vermeiden, jedoch nicht, die Art der Metallisierung selbst zu ändern. Die an­ spruchsgemäße Anordnung offenbart somit in erfinderischer Weise ein Leistungshalbleiter-Bauelement, das eine besonders hohe Sicherheit gegen Zerstörung durch elektrostatische Ent­ ladungen aufweist.

Es kann dabei vorgesehen sein, daß die Metallisierung durch eine einzige Metallschicht, nämlich das Kontaktmetall, gebil­ det wird. Andererseits kann die Metallisierung auch durch mehrere Metallschichten gebildet werden, d. h. es kann auf dem Kontaktmetall noch mindestens eine weitere Metallschicht vor­ gesehen sein. Das Kontaktmetall ist dabei direkt auf dem Halbleiterbereich angeordnet, der zu kontaktieren ist. Es kann dabei vorgesehen sein, daß das Kontaktmetall mit hohem Schmelzpunkt nur gewisse kritische Bereiche des Halbleiterbe­ reiches bedeckt, insbesondere die Bereiche in der unmittelba­ ren Nähe des pn-Übergangs. Auf den übrigen Bereichen kann ei­ ne andere, übliche Metallisierung vorgesehen sein wie z. B. Aluminium. Es kann aber auch eine Bedeckung der gesamten Flä­ che des Halbleiterbereiches, die zu kontaktieren ist, durch das Kontaktmetall mit hohem Schmelzpunkt vorgesehen werden.

Das Kontaktmetall weist dabei bevorzugt einen geringen ohm­ schen Widerstand zu den Halbleiterbereichen auf, auf denen es angebracht ist, sowie auch zu den angrenzenden weiteren Me­ tallschichten, sofern diese vorgesehen sind.

Sofern über dem Kontaktmetall noch eine oder mehrere weitere Metallschichten vorgesehen sind, so bestehen diese Schichten bevorzugt aus einem oder mehreren Metallen, die einen gerin­ geren Schmelzpunkt als das Kontaktmetall besitzen. Dabei kön­ nen speziell Metalle gewählt werden, die durch übliche Tech­ nologieverfahren einfach zu bearbeiten und zu strukturieren sind. Hier ist insbesondere Aluminium als bevorzugtes Materi­ al zu erwähnen. Gerade für den Fall der Kombination eines Kontaktmetalls mit hohem Schmelzpunkt mit einem weiteren Me­ tall mit niedrigem Schmelzpunkt oder zumindest mit einer gu­ ten Strukturierbarkeit erhält man die Möglichkeit eines opti­ malen Schutzes gegen elektrostatische Entladungen durch das Kontaktmetall, verbunden mit der Möglichkeit einer leichten Strukturierung der über dem Kontaktmetall angeordneten weite­ ren Metallschichten.

Bei der Wahl des Aufbringungsverfahrens sowie der Schichtdic­ ke für das Kontaktmetall ist darauf zu achten, daß eine aus­ reichende Kontaktierung der Halbleiterbereiche gewährleistet ist. Sind über der Kontaktmetallschicht noch weitere Metall­ schichten vorgesehen, so muß die Anordnung und Schichtdicke der Kontaktmetallschicht so gewählt werden, daß ein Auf­ schmelzen und Durchlegieren der weiteren Metallschichten ef­ fektiv verhindert werden kann.

Das Kontaktmetall weist bevorzugt eine Schichtdicke zwischen 100 nm und 3 µm auf, wobei die Aufbringung des Kontaktmetalls beispielsweise durch Aufdampfen oder Sputtern erfolgen kann.

Als Kontaktmetall kann prinzipiell jedes Metall mit hohem Schmelzpunkt Verwendung finden. So können beispielsweise Ti, V, Nb, Ta, Mo oder W verwendet werden. Bevorzugt wird das Kontaktmetall durch Ti oder W gebildet. Diese beiden Materia­ lien bieten den Vorteil, daß es sich dabei um Materialien handelt, die in der Halbleitertechnologie allgemein üblich sind, so daß deren Aufbringung und Verarbeitung durch übliche Verfahren erfolgen kann.

Die vorliegende Erfindung kann bei allen Leistungshalbleiter- Bauelementen Anwendung finden, die einen pn-Übergang aufwei­ sen. Sie kann somit bei Dioden oder Transistoren, insbesonde­ re bei Insulated Gate Bipolar-Transistoren oder MOSFETs Ver­ wendung finden. Das Kontaktmetall mit hohem Schmelzpunkt kann dabei für jegliche Metallisierung verwendet werden, die sich in der Nähe des pn-Übergangs befindet. Insbesondere kann das Kontaktmetall bei den genannten Insolated Gate Bipolar- Transistoren über dem Sourcegebiet und/oder dem Anodengebiet des Bauelements angeordnet werden, bei MOSFETS über dem Sourcegebiet und/oder dem Draingebiet und bei Dioden über der Anode und/oder der Kathode.

Eine spezielle Ausführungsform der Erfindung wird anhand der nachfolgenden Beschreibung sowie der Fig. 1 und 2 ausge­ führt.

Es zeigen:

Fig. 1 schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Di- oder

Fig. 2 schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen In­ sulated Gate Bipolar-Transistors.

Die Diode in Fig. 1 weist einen ersten Halbleiterbereich 1 auf, der eine Dotierung vom Typ N besitzt. Im vorliegenden Beispiels ist der erste Halbleiterbereich 1 unterteilt in ein Gebiet geringerer N-Dotierung (N⁻) und ein zweites Gebiet hö­ herer N-Dotierung (N⁺) . Weiterhin weist die Diode einen zwei­ ten Halbleiterbereich 2 auf, der eine Dotierung vom Typ P be­ sitzt. Zwischen den beiden Halbleiterbereichen 1, 2 befindet sich eine Grenzfläche die einen pn-Übergang darstellt.

Zur Kontaktierung der Halbleiterbereiche 1, 2 ist eine Metal­ lisierung 3 auf jedem der Halbleiterbereiche 1, 2 vorgesehen. Dabei kann jede der Metallisierungen 3 durch ein Kontaktme­ tall 4 mit hohem Schmelzpunkt gebildet werden, insbesondere durch Ti oder W. Es kann nun jedoch relevant sein, wie ausge­ dehnt die Halbleiterbereiche 1, 2 ausgebildet sind, d. h. vor allem, in welcher Entfernung vom pn-Übergang sich eine Metal­ lisierung zur Kontaktierung des jeweiligen Halbleiterberei­ ches befindet. Bevorzugt wird dabei nur diejenige Metallisie­ rung 3 durch ein Kontaktmetall 4 mit hohem Schmelzpunkt ge­ bildet, die relativ nahe am pn-Übergang der beiden Halblei­ terbereiche 1, 2 angeordnet ist.

So wird im vorliegenden Beispiel nach Fig. 1 lediglich der zweite Halbleiterbereich 2 durch eine Metallisierungsschicht 4 mit hohem Schmelzpunkt, bevorzugt aus Ti oder W, kontak­ tiert, da der zweite Halbleiterbereich 2 wesentlich dünner vorgesehen ist als der erste Halbleiterbereich 1. Auf dem Kontaktmetall 4 wird eine weitere Metallschicht 7, bevorzugt aus Aluminium, vorgesehen. Wird der erste Halbleiterbereich 1 ausreichend dick gewählt, so daß dessen Kontaktierung in aus­ reichender Entfernung vom pn-Übergang angeordnet ist, so kann hier zur Kontaktierung direkt eine Metallschicht 7 aus Alumi­ nium verwendet werden.

Als weitere spezielle Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung ist in Fig. 2 ein Insulated Gate Bipolar- Transistor dargestellt. Die Metallisierung 3 dient hierbei zur Kontaktierung der Sourcegebiete 5 sowie der Bodygebiete 6, in die die Sourcegebiete 5 eingebettet sind. Im vorliegen­ den Beispiel weisen die Sourcegebiete 5 eine Dotierung vom Typ N auf, die Bodygebiete 6 eine Dotierung vom Typ P. Die Grenzfläche zwischen Sourcegebiet 5 und Bodygebiet 6 bildet somit einen pn-Übergang.

Als Metallisierung 3 kann wiederum eine Mehrschichtstruktur vorgesehen werden, die aus einer ersten Metallschicht 4 eines Kontaktmetalls mit hohem Schmelzpunkt, insbesondere Ti oder W sowie einer weiteren Metallschicht 7 mit geringerem Schmelz­ punkt, insbesondere aus Aluminium gebildet wird. Die Aufbrin­ gung der Metallschichten 4, 7 kann durch übliche Technologie­ verfahren erfolgen. Bevorzugt werden die Schichten durch Auf­ dampfen oder Sputtern erzeugt. Die Dicke der Kontaktmetall­ schicht 4 ist so zu wählen, das ein Aufschmelzen und Durchle­ gieren einer darüber angeordneten Schicht 7 mit niedrigerem Schmelzpunkt erfolgreich verhindert werden kann. Bevorzugt wird dafür eine Schichtdicke zwischen 100 nm und 3 µm ge­ wählt.

Es kann gerade hier vorgesehen sein, daß das Kontaktmetall nur einen gewissen Bereich der Sourcegebiete 5 und eventuell auch der Bodygebiete 6 bedeckt, speziell derjenigen Bereiche, die relativ nahe am pn-Übergang zwischen Sourcegebiet 5 und Bodygebiet 6 angesiedelt sind, speziell in denjenigen Berei­ chen, in denen der pn-Übergang direkt an der zu kontaktieren­ den Oberfläche liegt.

Claims (10)

1. Leistungshalbleiter-Bauelement mit einer Anordnung zum Schutz vor Schäden durch elektrostatische Entladungen, das folgendes aufweist:

• - Einen ersten Halbleiterbereich (1), der eine Dotierung er­ sten Leitfähigkeitstyps aufweist,
• - einen zweiten Halbleiterbereich (2), der eine Dotierung zweiten Leitfähigkeitstyps aufweist, die komplementär zum Do­ tierungstyp des ersten Halbleiterbereichs (1) ist, wobei der zweite Halbleiterbereich (2) eine Grenzfläche zum ersten Halbleiterbereich (1) aufweist, die einen pn-Übergang bildet,
• - eine Metallisierung (3) zur ohmschen Kontaktierung wenig­ stens eines der Halbleiterbereiche (1, 2), dadurch gekennzeichnet, daß als Metallisierung (3) ein Kontaktmetall (4) mit hohem Schmelzpunkt vorgesehen ist.

2. Leistungshalbleiter-Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Kontaktmetall (4) mindestens eine weitere Metall­ schicht (7) vorgesehen ist.

3. Leistungshalbleiter-Bauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Kontaktmetall (4) einen geringen ohmschen Widerstand zu den darunter befindlichen Halbleiterbereichen (1, 2) sowie zu der angrenzenden mindestens einen weiteren Metallschicht (7) aufweist.

4. Leistungshalbleiter-Bauelement nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine weitere Metallschicht (7) einen ge­ ringen Schmelzpunkt als das Kontaktmetall (4) aufweist.

5. Leistungshalbleiter-Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Kontaktmetall (4) eine Schichtdicke zwischen 100 nm und 3 µm aufweist.

6. Leistungshalbleiter-Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Kontaktmetall (4) aus Ti, V, Nb, Ta, Mo oder W be­ steht.

7. Leistungshalbleiter-Bauelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Kontaktmetall (4) aus Ti oder W besteht.

8. Leistungshalbleiter-Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Leistungshalbleiter-Bauelement als Insulated Gate Bi­ polar-Transistor ausgebildet ist, wobei das Kontaktmetall (4) über dem Source- und/oder Anodengebiet des Bauelements ange­ ordnet ist.

9. Leistungshalbleiter-Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Leistungshalbleiter-Bauelement als MOSFET ausgebildet ist, wobei das Kontaktmetall (4) über dem Source- und/oder Draingebiet des Bauelements angeordnet ist.

10. Leistungshalbleiter-Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Leistungshalbleiter-Bauelement als Diode ausgebildet ist, wobei das Kontaktmetall (4) über dem Anoden- und/oder Kathodengebiet des Bauelements angeordnet ist.