DE3346833A1 - Halbleiterelement - Google Patents

Halbleiterelement

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Description

• β ·
TOKYO SHIBAURA DENKI KABUSHIKI KAISHA KAWASAKI-SHI / JAPAN
Halbleiterelement
Die Erfindung betrifft ei» Halbleiterelement mit Druckkontaktaufbau, insbesondere eine Verbesserung an einem Halbleiterelement wie einem Transistor, einem Vollsteuer™ gatter-Thyristor oder einem Hochgeschwindigkeitsthyristor mit einem Aufbau, bei dem Hauptelektroden und Steuerelektroden in einem Halbleiterelement in abwechselnder Folge ausgebildet sind.
Allgemein besteht die Schaltverbindungs- oder Elektrodenschicht eines Halbleiterelementes aus Aluminium von hoher Leitfähigkeit. Da jedoch das Aluminium weich ist und einen niedrigen Schmelzpunkt hat, kann es nicht in jedem Fall als das bestgeeignete Elektrodenmaterial beim Preßkontaktaufbau eines Hochleistungshalbleiterelementes eingesetzt werden, wie noch beschrieben wird. Es müssen deshalb das Material und der bei der Herstellung eines Preßkontaktaufbaus angewendete Vorgang eines Hochleistungshalbleiterelements richtig ausgewählt werden, wozu andere BezugsStandpunkte als im Falle von Halbleiterelementen geringer Leistung berücksichtigt werden müssen.
Fig. 1 zeigt in Schnittdarstellung den Aufbau eines PIa-
narleistungstransistors als ein mögliches Beispiel eines Leistungshalbleiterelementes. Darin ist ein Keramikgehäuse mit.--' 1, ein npn-Transistor mit 2, Wärmepufferplatten .35 aus Mo oder W mit 3 und 4 und äußere Kupferelektroden mit 5 und 6 bezeichnet. Die äußere Elektrode 5 wird mit Druck gegen die einzelnen Emitterelektroden 7 gepreßt,
und zwar unter Zwischenschaltung der Wärmepufferplatte Die äußere Elektrode 6 ist mit einem Substrat 8 des Transistors 2 über die Wärmepufferplatte 3 verbunden. Das Substrat 8 ist mit der Wärmepufferplatte 3 über eine Verbindungsmetallschicht 11, etwa einem Lot, fest verbunden. Eine der zahlreichen Basiselektroden 9 des Transistors 2 ist mit einer Zuleitung 11 verbunden, die aus dem Keramikgehäuse 10 nach außen ragt.
Bei dem vorstehend beschriebenen Leistungstransistor sind die Emitterelektroden 7 aus einem Aluminiumfilm von 10 μ Stärke hergestellt. Diese Emitterelektroden 7 sind auf zahlreichen Emitterbereichen ausgebildet, die vom Transistor 2 nach oben abstehen und einen Durchmesser von etwa 40 mm haben. Zwischen den Emitterelektroden 7 und der Wärmepufferplatte 4 herrscht ein Preßkontakt von etwa 1,0 bis 1,5 t. Die Emitterelektroden 7 ragen über die Basiselektroden 9 um etwa 20 μ hervor. Die Emitterelektroden 7 und die Basiselektroden 9 sind so abwechselnd ausgebildet, daß die Emitterelektroden 7 voneinander einen Abstand in Richtung der Breite von etwa 200 bis 300 μ haben. Obgleich zwischen die Emitterelektroden 7 und die äußere Elektrode 5 bei dem beschriebenen Leistungshalbleiterelement die Wärmepufferplatte 4 eingeklemmt ist, erleiden die Emitterelektroden dennoch eine Wärmeermüdung aufgrund der dauernden Wärmeschwankungen des Transistors bei den unterschiedlichen Belastungszuständen. Das kann dazu führen, daß die Emitterelektroden 7 sich in Querrichtung neigen, durch einen Passivierungsfilm (nicht gezeigt), der auf den Basiselektroden formiert ist, hindurchtreten und die entsprechende Basiselektrode 9 erreichen können. Diese Emitterelektrode 7 verschweißt oder verschmilzt dann mit der Basiselektrode 9, so daß Emitter-und Basisbereich in diesem Fall kurzgeschlossen sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Halbleiterelement so auszubilden, daß durch verbesserten Preßkontaktaufbau Kurzschlüsse der Aktivzonen aufgrund von Wärmeermüdung einer Elektrode verhindert werden.
Um dieses Ziel zu erreichen, wird ein Halbleiterelement mit folgender Merkmalskombination geschaffen: ein HaIbleitersubstrat; ein erster Bereich einer ersten Leitfähigkeitstype, der in der Oberfläche des Halbleitersubstrats ausgebildet ist; ein zweiter Bereich einer zweiten Leitfähigkeitstype, der benachbart dem ersten Bereich in der Oberfläche des Halbleitersubstrats ausgebildet ist; eine auf dem ersten Bereich formierte erste Elektrode; eine auf dem zweiten Bereich formierte zweite Elektrode, wobei die erste Elektrode so angeordnet ist, daß sie mit einem Preßkontakt außerhalb des Elementes angeschlossen werden kann. Die erste Elektrode weist eine untere Schicht, die auf dem ersten Bereich formiert ist und aus einem Metall besteht, das mit dem Halbleitersubstrat in leitenden Kontakt kommen kann, eine Zwischenschicht aus einem harten leitfähigen Material, die auf der unteren Schicht formiert und dicker als die untere Schicht ist, und eine obere Schicht aus einem weichen Material, die auf der Zwischenschicht formiert und dünner als die Zwischenschicht ist, auf.
Die untere Schicht kann aus Al oder Ag bestehen oder ein Al/Poly-Si-Zweischichtaufbau sein und vorzugsweise eine Dicke von 0,5 bis 3 μ haben. Die Zwischenschicht kann aus einem harten Metall mit hohem Schmelzpunkt wie Mo, Ti, W oder Co oder aus einem Silizid oder Nitrid dieser Elemente bestehen. Die Stärke der Zwischenschicht beträgt vorzugsweise 4 bis 15 μ. Die obere Schicht kann wiederum aus Al, Ag o. dgl. bestehen und vorzugsweise eine Dicke von 0,5 bis 3 μ haben. Sämtliche Schichten
können durch Vakuumbedampfung, im Spotterverfahren o. dgl. erzeugt werden.
5
Zur näheren Erläuterung der Erfindung zeigt die Zeichnung im einzelnen in:
Fig. 1 einen Schnitt durch einen herkömmlichen Leistungstransistor;
Fig. 2 bis 5 Schnitte durch einzelne Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Leistungstransistors.
Bei dem in Fig. 2 gezeigten Leistungstransistor stehen n-Störstellenbereiche (z.B. ein Emitterbereich) von einem p-StörStellenbereich (z.B. ein Basisbereich) nach oben vor. Jede Emitterelektrode 12 ist dreischichtig und besteht aus einer unteren Al-Schicht 13 in der Stärke von 1 μ, einer Mo-Zwischenschicht 14 in einer Stärke von 10 μ und einer oberen Al-Schicht 15 in einer Stärke von 1 μ. Eine derartige Emitterelektrode besteht zum überwiegenden Teil aus einem harten Werkstoff mit hohem Schmelzpunkt.
Auch wenn eine äußere Elektrode mit ziemlich hoher Anpreßkraft bei einem hohen Temperaturniveau auf die Emitterelektrode gepreßt wird, tritt keine Erweichung oder Deformation auf. Auch schwierig aufzunehmende Erhitzungszyklen führen bei derartigen Elektroden nicht zur Wärme- ermüdung. Es sind deshalb keine Kurzschlüsse zwischen den Emitter- und Basisbereichen zu befürchten. Die untere Schicht, die unmittelbar auf dem Emitterbereich ausgebildet ist, besteht aus einem Metall, das mit dem Substrat (hier dem Emitterbereich) einen guten ohmschen Kontakt eingeht, so daß der Kontakspannungsabfall genauso klein gehalten werden kann wie bei einer herkömmlichen, nur aus Aluminium bestehenden Elektrode. Außerdem besteht
auch die obere Schicht, die mit der Außenelektrode über die Wärmepufferplatte in Preßkontakt ist, aus einem weichen Metall, so daß der Kontaktwärmewiderstand genauso niedrig wie beim herkömmlichen Fall einer einzigen Al-Schicht gehalten werden kann.
Die Erfindung kann sehr wirksam in den Fällen angewendet werden, in denen der erste StörStellenbereich der einen Leitfähigkeitstype, der durch den Preßkontakt zu einem äußeren Bereich herausgeleitet wird, in eine Vielzahl von kleinen Inselbereichen unterteilt ist, zwischen denen der zweite Störstellenbereich der anderen Leitfähigkeitstype unterteilend ausgebildet ist. Die Erfindung läßt sich aber auch bei solchen Fällen anwenden, bei denen der erste Störstellenbereich nicht aus einer Vielzahl von Inselbereichen besteht, sondern ununterbrochen ist, jedoch ein komplexes Muster aufweist und bezüglich des zweiten Störstellenbereiches in einem Komplementärmuster ausgebildet ist.
Beim Leistungstransistor nach Fig. 3 ist ein n-Bereich (z.E. ein Emitterbereich) in derselben Ebene wie ein p-Bereich (der einen Kollektorbereich darstellt) formiert. Im Leistungstransistor nach Fig. 4 ist eine Basiselektrode 9 auf dem ρ -Störstellenbereich von höher Störstellenkonzentration ausgebildet. Bei beiden Leistungstransistoren nach den Fig. 3 und 4 hat die Emitterelek- trode 12 den gleichen Aufbau wie im Falle nach Fig. 2, so daß auch dieselbe Wirkung erzielt wird. Der Höhenunterschied zwischen Basiselektrode 9 und Emitterelektrode 12 ist gering, so daß die Basiselektrode 9 und die Emitterelektrcda 12 nahe beieinanderliegen und es leicht möglich ist, daß sie einander berühren. Es ist deshalb sehr schwierig, einen sehr flachen Aufbau mit Hilfe einer herkömmlichen Emitterelektrode mit einer einzigen Al-Schicht
zu erzielen* Die Erfindung erlaubt dagegen eine nahezu ebene Oberfläche, ohne daß Fehler auftreten.
Fig. 5 zeigt einen Thyristor, dessen Elektrodenaufbau erfindungsgemäß ausgebildet ist. Die Elektrode 22 ist wie die Elektrode 12 nach Fig. 2 ausgebildet, so daß dieselbe Wirkung erzielt wird.
Beim erfindungsgemäßen Halbleiterelement wird auch dann, wenn die äußere Elektrode mit erheblichem Druck und bei hoher Temperatur auf die innere Elektrode drückt, letztere nicht erweichen und sich deformieren. Sie wird auch bei häufigen Wärmezyklen keine Erwärmungsermüdung erleiden. Deswegen wird die innere Elektrode sich nicht zur Seite neigen und damit nicht mit der benachbarten Elektrode in Berührung kommen und einen Kurzschluß herstellen.
Bei den beschriebenen Ausführungsbeispielen weist das Halbleiterelement eine Elektrode mit Dreischichtaufbau auf. Sie ist jedoch auf diese drei Schichten nicht beschränkt, sondern kann auch vier oder fünf Schichten aufweisen, doch muß die Elektrode eine untere, eine mittlere und eine obere Schicht mit den dargestellten Eigenschaften haben.
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Claims (9)

  1. TOKYO SHIBAURA DENKI KABUSHIKI KAISHA KAWASAKI-SHI / JAPAN
    ■■
    Halbleiterelement
    Patentansprüche
    Halbleiterelement mit einem Halbleitersubstrat, einem ersten Bereich einer ersten Leitfähigkeitstype, der in der Oberfläche des HalbleiterSubstrats ausgebildet ist, einem zweiten Bereich einer zweiten Leitfähigkeitstype, der angrenzend an den ersten Bereich in der Oberfläche des Halbleitersubstrats ausgebildet ist, einer auf dem ersten Bereich formierten ersten Elektrode und einer auf dem zweiten Bereich formierten zweiten Elektrode, wobei die erste Elektrode so angeordnet ist, daß sie über einen Preßkontakt nach außen geführt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Elektrode (12) eine untere Schicht (13), die auf dem ersten Bereich formiert ist und aus einem Metall besteht, das mit dem Halbleitersubstrat eine leitende Verbindung eingeht, einer Zwischenschicht (14), die aus einem harten leitfähigen Material besteht, auf der unteren Schicht formiert ist und dicker als die untere Schicht ist, und einer oberen Schicht (15) aus einem weichen Material, das auf der Zwischenschicht (14) formiert und dünner als die Zwischenschicht ist, besteht.
  2. 2. Halbleiterelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Bereich aus einer Vielzahl von Inselbereichen besteht.
  3. 3. Halbleiterelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Bereich ein komplexes Flächenmuster
    darstellt.
  4. 4. Halbleiterelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die untere Schicht (13) aus Aluminium, Gold
    oder zweischichtig aus Aluminium/Polysilicium besteht,
    daß die Zwischenschicht ("^4) aus Molybdän, Titan, Wolfram, Kobalt oder einem Silizid oder Nitrid dieser Elemente besteht und daß die obere Schicht (15) aus Aluminium oder Gold besteht.
  5. 5. Halbleiterelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der unteren Schicht (13) 0,5 bis 3μ, die Dicke der Zwischenschicht (14) 4 bis 15 u und die
    Dicke der oberen Schicht (15) 0,5 bis 3 μ beträgt.
  6. 6. Halbleiterelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Bereich sich über das Niveau des
    Halbleitersubstrats (8) und höher als der zweite Bereich erhebt.
  7. 7. Halbleiterelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Bereich und der zweite Bereich sich
    bis zum selben Niveau erstrecken.
  8. 8. Halbleiterelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es ein Bipolartransistor ist.
  9. 9. Halbleiterelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es ein Thyristor ist.
DE3346833A 1982-12-28 1983-12-23 Halbleiterelement Expired DE3346833C2 (de)

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