DE3616233A1 - Halbleiterbauelement - Google Patents

Halbleiterbauelement

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DE3616233A1 DE19863616233 DE3616233A DE3616233A1 DE 3616233 A1 DE3616233 A1 DE 3616233A1 DE 19863616233 DE19863616233 DE 19863616233 DE 3616233 A DE3616233 A DE 3616233A DE 3616233 A1 DE3616233 A1 DE 3616233A1
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Description

Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement mit einem Halbleiterkörper, welcher eine Folge von schichtförmigen Zonen mit wenigstens zwei zwischenliegenden pn-Übergängen und in wenigstens einer der beiden, die Emitterzone bil­ denden, äußeren Zonen eine Struktur aufweist, bei welcher Abschnitte der Emitterzone und zwischenliegende Teile der angrenzenden Basiszone eine gemeinsame Oberfläche bilden, und auf den Basiszonenteilen mit einer ersten Metallisie­ rung sowie auf den Emitterzonenabschnitten mit einer zwei­ ten Metallisierung, über welcher eine durchgehende Kontakt­ platte angebracht ist, versehen ist.
Bei Halbleiterbauelementen mit einem Halbleiterkörper mit mehreren Funktionsbereichen ist dessen Kontaktelektro­ de zur Kontaktierung mit Stromleiterteilen entsprechend unterteilt. Die Ausbildung solcher sogenannten Elektro­ denstrukturen und die Kontaktierung derselben ist z.B. bei bipolaren Leistungstransistoren, bei Frequenzthyri­ storen mit verzweigter Steuerelektrode und bei über das Gate abschaltbaren Thyristoren (GTO-Thyristoren) erfor­ derlich.
Es sind Elektrodenstrukturen mit ineinandergreifenden Abschnitten unterschiedlich gepolter Elektroden bekannt. Diese erfordern besondere Maßnahmen zur Vermeidung von Kurzschlüssen. Mit kleiner werdenden Abmessungen der Elektrodenabschnitte, d.h. mit Zunehmen der Unterteilung, wird die Feinstrukturierung dichter und wachsen die An­ forderungen an die Verfahrenstechnik und an die Einrich­ tung zur Herstellung solcher Anordnungen.
Es ist bekannt, derartige Strukturen durch Bonden oder durch Druck mittels Federkraft mit Kontaktstücken oder mit Stromleiterteilen zu verbinden. Als Kontaktstücke werden auch scheibenförmige Teile aus Molybdän verwendet.
Bei bekannten druckkontaktierten, abschaltbaren Leistungs­ halbleiterbauelementen (GTO-Thyristoren,-Transistoren) sind Emitterzonen-Metallisierung und Basiszonen-Metalli­ sierung, als Teile der Elektrodenstruktur, in einer Ebene und mit gleicher Materialdicke angeordnet. Dabei sind alle Abschnitte der Emitterzone mit einem durchgehenden Kon­ taktstück aus Molybdän verbunden. Dieses weist an der Ver­ bindungsfläche ein entsprechendes Muster aus Kontakt­ höckern auf, sodaß die Basiszonen-Metallisierung freiliegt. Ein solcher Aufbau ist wegen der beschränkten Strukturier­ barkeit des Kontaktstücks sowie wegen seiner begrenzten Justiergenauigkeit zur Emittergeometrie nicht beliebig an­ wendbar.
Bei anderen bekannten, druckkontaktierten, abschaltbaren Bauelementen liegt die Basiszonen-Metallisierung tiefer als die Emitterzonen-Metallisierung, und zur Kontaktierung der letzteren ist ein planes Kontaktstück vorgesehen. Diese Struktur macht einen erheblichen Verfahrensaufwand zur Ausbildung der Basiszonen-Metallisierung erforderlich.
Beide bekannten Bauformen weisen noch einen gemeinsamen Nachteil auf. Jeder streifenförmige Abschnitt der Emitter- Metallisierung ist ganzflächig mit einem Bereich des Kon­ taktstücks, z.B. einer Molybdänronde, unmittelbar verbunden. Beim Ausschaltverhalten z.B. eines GTO-Thyristors wird ein Teil des zuvor fließenden Durchlaßstromes mit Hilfe einer negativen Gate- Spannung über das Gate abgezogen. Wegen der sehr niederohmigen Verbindung zwischen Emitter-Metallisierung und Kontaktstück ist die Zeit, in welcher die Emitterzonenabschnitte nach Anlegen der negativen Spannung reagieren, aufgrund von Toleranzen der das Ausschaltverhalten bestimmenden Parameter unterschiedlich. Dies hat eine unerwünschte Begrenzung des abschaltbaren Anodenstromes zur Folge.
Untersuchungen haben ergeben, daß dieser Nachteil mit einem definierten elektrischen Widerstand zwischen jedem Kontaktstück­ bereich und dem zugehörigen Emittermetallisierungsabschnitt weitgehend beseitigt werden kann. Dabei soll der Widerstand vom Kontaktstück zur Mitte des Metallisierungsabschnittes größer sein als zum Rand des letzteren. Damit wird in Analogie zur Verwendung sogenannter Ballastwiderstände bei der Parallelschaltung von Halbleiterbauelementen ein Ausgleich der oben genannten, uner­ wünschten Toleranzen erzielt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Schaltverhalten druckkontaktierter, abschaltbarer Halbleiterbauelemente mit strukturierter Elektrode dadurch zu verbessern, daß bei der Emittermetallisierung die Emitterzonenabschnitte über definierte Widerstände mit den Anschlußteilen, z.B. den Kontaktstücken, verbunden sind. Die Lösung der Aufgabe besteht bei einem Halbleiterbauelement der eingangs erwähnten Art in den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Ansprüchen 2 bis 9 angegeben.
Anhand des in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiels wird die Erfindung erläutert. Die Darstellung zeigt schematisch den scheibenförmigen Halbleiterkörper eines GTO-Thyristors und die Anordnung eines Kontakt­ stücks auf demselben.
Der Halbleiterkörper (I) aus einer hochohmigen, n-leiten­ den Mittelzone (1), je einer daran angrenzenden, p-leiten­ den Zone (2, 3) und den in die als Steuerbasiszone dienen­ de Zone (2) eingelassen angeordneten Emitterzonenabschnit­ te (4) zeigt den üblichen Aufbau für ein schaltbares Halb­ leitergleichrichterelement. Die beiden Funktionsbereiche, nämlich der Steuerstrombereich und der Laststrombereich, sind jeweils streifenförmig unterteilt ausgebildet, ab­ wechselnd aufeinanderfolgend angeordnet und bilden gemein­ sam die eine der beiden Hauptflächen des Halbleiterkörpers (I). Jeder streifenförmige Teil des Steuerstrombereichs, d.h. der zwischen zwei benachbarten Emitterzonenabschnit­ ten (4) liegende Basiszonenteil (2 a), ist mit einer Me­ tallisierung (6) versehen. Diese Basiszonen-Metallisie­ rung (6) ist mit einer Isolierschicht (7) überzogen, die für eine einwandfreie Abdeckung der bei der Druckkontak­ tierung des Aufbaus dem Kontaktdruck unterworfenen Basis­ zonen-Metallisierung (6) geeignet ausgebildet ist. Die Isolierschicht (7) überlappt jeweils den zwischen Basis­ zonenteil (2 a) und Emitterzonenabschnitt (4) an die Ober­ fläche tretenden pn-Übergang.
Die freie Oberfläche der Emitterzonenabschnitte (4) und der Isolierschichtflächen (7) ist mit einer zweiten, als Emitter-Metallisierung bezeichneten Kontaktschicht (8) bedeckt.
Die tafelförmigen Auflagebereiche (8 c) der Emitter- Metallisierung (8) bilden die Kontaktflächen für das Kontaktstück (10). Dasselbe ist beim Einsatz des Halb­ leiterbauelements mit seiner planen unteren Fläche auf die Bereiche (8 c) gepreßt. Durch die erfindungsgemäße Anordnung der Metallisierungen (6, 8), der Isolier­ schicht (7) und des Kontaktstücks (10) mit nur teil­ weiser Auflage auf der Metallisierung (8) sind in überraschend einfacher Weise zwischen Kontaktstück (10) und Emitterzonenabschnitt (4) jeweils definierte Wider­ stände für Laststrompfade gebildet. Diese Widerstände R bestehen aus einem Teilwiderstand R 1 zwischen Kontaktstück (10) und dem Ende der Isolierschicht (7) und aus einem Teilwiderstand R 2 ab diesem Ende bis zur Symmetrieebene des jeweiligen Emitterzonenabschnittes (4). Zur Fest­ legung des Widerstandes R aus den Teilwiderständen R 1 und R 2 ist die Breite der Emitterzonenabschnitte (4) wählbar, ebenso in gewissen Grenzen die Breite der Basiszonen-Metallisierung (6), wodurch die Ausdehnung der Isolierschicht (7) auf der Halbleiteroberfläche bestimmt ist. Weiter ist der Widerstand durch die Dicke und die Zusammensetzung der Emitter-Metallisierung (8) festgelegt.
Als Material der Isolierschicht (7) eignen sich die anorganischen Verbindungen SiO, Sio2, Si3N4 und Al2O3 sowie Gläser auf Silikatbasis, z.B. Zinkborsilikatgläser oder Phosphorgläser. Weiter wurden mit einer organischen Schicht aus einem Polyimid günstige Ergebnisse erzielt.
Die Dicke der Isolierschicht (7) soll wenigstens 0,1µm betragen und vorzugsweise 0,5 bis 30µm .
Als Material für die Basiszonenmetallisierung (6) ist z.B. Aluminium oder eine Schichtenfolge aus den Metallen Aluminium, Chrom, Nickel, Silber vorgesehen. Damit ist die Forderung erfüllt, daß dieser metallische Überzug der Basiszonenteile eine hohe elektrische Leitfähigkeit besitzen muß, um die darin auftretenden lateralen Spannungsabfälle möglichst klein zu halten.
Als Material für die Emittermetallisierung (8) eignen sich Legierungen aus oder mit Nickel und Chrom. Es sind bevorzugt Chrom-Nickel-Legierungen mit einem Anteil von Nickel im Bereich von 35 bis 60 Gewichtsprozent vorgesehen. Günstige Ergebnisse wurden mit einer Chrom- Nickel-Legierung mit 40 Gewichtsprozent Nickel, Rest Chrom erzielt.
Anstelle von Nickel kann das Material der Emitter- Metallisierung (8) auch Siliziumoxid enthalten.
Die Dicke der Emitter-Metallisierung (8) ist wenigstens 1µm , bevorzugt 3µm bis 30µm .
Die Metallisierungen (6, 8) können z.B. durch Aufdampfen oder Sputtern erzeugt und in einem nachfolgenden Temperaturschritt noch mit dem darunterliegenden Material fest verbunden werden. Der Abstand zwischen Basiszonen- Metallisierung (6) und Emitterzonenabschnitt (4) sollte wenigstens 5µm sein und kann bis 500µm betragen.
Typische Werte des Aufbaus eines Halbleiterkörpers gemäß der Erfindung sind für die Breite der Emitter­ zonenabschnitte (4) 200µm, den Abstand der Symmetrie­ ebenen dieser Abschnitte , die Breite der Basiszonenmetallisierung (6) 200µm , die Dicke der Basiszonenmetallisierung 8µm , die Dicke der Isolier­ schicht (7) 5µm und die Dicke der Emitter-Metallisierung (8) 6µm . Die Basis-Metallisierung besteht aus Aluminium, die Emitter-Metallisierung aus einer Nickel/Chrom- Legierung mit z.B. 40 Gewichtsprozent Nickel, Rest Chrom.
Der abschaltbare Anodenstrom eines GTo-Thyristors mit dem vorgenannten typischen Aufbau ist um ca. 50% höher als derjenige bei bekannten Bauformen.
Zur Herstellung von Halbleiterbauelementen gemäß der Erfindung wird in einer vorbehandelten, großflächigen, vorzugsweise n-leitenden Halbleiterausgangsscheibe durch beidseitiges Dotieren eine pnp-Schichtenfolge (1, 2, 3) erzeugt. Anschließend wird mit Hilfe eines Maskier­ prozesses das Muster der Emitterzonenabschnitte (4) hergestellt. Darnach werden die Basiszonenteile (2 a) mit Hilfe einer weiteren Maskierung mit einer Metallisierung (6) versehen. Im Anschluß daran wird die gesamte Oberfläche mit einer Isolierschicht (7), z.B. aus einer Verbindung des Halbleitermaterials, überzogen. In einem nachfolgenden selektiven Ätzschritt werden sämt­ liche Emitterzonenabschnitte so weit freigelegt, daß die verbleibende Isolierschicht noch den Gate-Übergang zwischen einem Basiszonenteil und dem benachbarten Emitterzonenabschnitt überdeckt.
Auf die in dieser Weise erzielte, strukturierte Schutzabdeckung des Halbleiterkörpers mit z.B. streifenförmigen Fenstern über den Emitterzonen­ abschnitten (4) wird nunmehr eine durchgehende, sämtliche Emitterzonenabschnitte verbindende, zweite Metallisierung, die Emitter-Metallisierung (8), aufgebracht, beispielsweise aufgedampft. Die letztere hat dann über den Emitterzonenabschnitten die Form einer stufenförmigen Vertiefung und jeweils über den Metallisierungen (6) die Form eines tafelförmigen Aufsatzes mit freier Auflagefläche (8 c).
Auf diese äußere Kontaktschicht des Halbleiterkörpers wird eine Kontaktplatte (10) aufgebracht, die mit ihrer planen Auflagefläche auf sämtlichen tafelförmigen Bereichen (8 c) der Emitter-Metallisierung (8) in leitender Verbindung aufliegt und beim Einsatz des Halbleiterbauelements auf die Elektrodenstruktur gepreßt wird. Damit ist unabhängig von dem darunt erliegenden Unterteilungsgrad eine einwandfreie druckkontaktierfähige Emitterelektrodenstruktur gegeben, bei welcher durch die beschriebene Ausbildung der Emitter-Metallisierungs­ abschnitte die Anordnung definierter Widerstände zum Ausgleich von Toleranzen in der Abschaltzeit der Emitter­ zonenabschnitte in besonders einfacher Weise erreicht und damit die gewünschte Verbesserung des Abschalt­ verhaltens von gattungsgemäßen Halbleiterbauelementen gegeben ist.

Claims (9)

1. Halbleiterbauelement mit einem Halbleiterkörper (I), der
  • - eine Folge von schichtförmigen Zonen (1, 2, 3, 4) mit wenigstens zwei zwischenliegenden pn-Über­ gängen und
  • - in wenigstens einer der beiden, die Emitterzone bildenden, äußeren Zonen eine Struktur aufweist, bei welcher Abschnitte der Emitterzone (4) und zwischenliegende Teile (2 a) der angrenzenden Basiszone (2) eine gemeinsame Oberfläche bilden, und
  • - auf den Basiszonenteilen (2 a) mit einer ersten Metallisierung (6) sowie
  • - auf den Emitterzonenabschnitten (4) mit einer zweiten Metallisierung (8), über welcher eine durchgehende Kontaktplatte (10) angebracht ist, versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß
  • - auf jeder ersten Metallisierung (6) eine sich bis über den jeweiligen pn-Übergang zwischen Basis­ zonenteil (2 a) und benachbartem Emitterzonenab­ schnitt (4) erstreckende, isolierende Schutz­ schicht (7) angebracht ist,
  • - die zweite Metallisierung (8) als durchgehende, die Schutzschicht (7) und die Emitterzonenab­ schnitte (4) bedeckende Elektrode angeordnet ist,
  • - die durchgehende Kontaktplatte (10) mit ebener Auflagefläche auf den tafelförmigen Flächen (8 c) der zweiten Metallisierung (8) über den Basis­ zonenteilen (2 a) aufliegt, und
  • - die zweite Metallisierung (8) so bemessen ist, daß jeweils der laterale Spannungsabfall in der­ selben zwischen der Auflagefläche der Kontakt­ platte (10) und der Symmetrieebene des benachbar­ ten Emitterzonenabschnittes (4) beim Einsatz unter Nennbelastung wenigstens 10 mV beträgt.
2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als isolierende Schutzschicht (7) eine an­ organische Verbindung des Halbleitermaterials vorgesehen ist.
3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als anorganische Verbindung des Halbleiter­ materials Siliziumoxid, Siliziumdioxid, Siliziumnitrid oder ein Glas auf Silikatbasis vorgesehen ist.
4. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als isolierende Schutzschicht (7) eine Schicht aus Aluminiumoxid vorgesehen ist.
5. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als isolierende Schutzschicht (7) eine organische Schicht aus einem Polyimid vorgesehen ist.
6. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als Material der zweiten Metallisierung (8) eine Legierung aus oder mit Nickel und Chrom vorge­ sehen ist.
7. Halbleiterbauelement nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als Material der zweiten Metallisierung (8) eine Legierung aus Nickel und Chrom mit einem Anteil an Nickel von 35 bis 60 Gewichtsprozent vorgesehen ist.
8. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als Material der zweiten Metallisierung (8) eine Legierung aus Siliziumoxid und Chrom vorgesehen ist.
9. Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der zweiten Metallisierung (8) wenigstens 1 µm, vorzugsweise 3 bis 30 µm beträgt.
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