DE3637513A1 - Verfahren zum herstellen feinstrukturierter kontaktelektroden von leistungs-halbleiterbauelementen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen feinstrukturierter Kontaktelektroden von Leistungs- Halbleiterbauelementen mit den Merkmalen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei über das Gate abschaltbaren Leistungs- Halbleiterbauelementen wird ein Teil des zuvor fließenden Durchlaßstromes mit Hilfe einer negativen Gate-Spannung über das Gate abgezogen. Um dies in möglichst kurzer Zeit zu erreichen, werden Emitterzone und Basiszone jeweils in eine Vielzahl von Abschnitten unterteilt ausgebildet und die Abschnitte in einer entsprechenden Struktur z. B. fingerförmig ineinander­ greifend oder inselförmig umschlossen angeordnet. Die beiden derart unterteilten Funktionsbereiche werden dann mit entsprechend strukturierten Kontaktelektroden versehen. Die Ausbildung solcher sogenannten Elektroden­ strukturen und die Kontaktierung derselben ist z. B. außer bei den oben genannten Bauformen von Halbleiter­ bauelementen auch bei bipolaren Leistungstransistoren sowie bei Frequenzthyristoren mit verzweigter Steuerelektrode erforderlich.

Zur Kontaktierung derartiger Leistungs-Halbleiterbauelemente werden verschiedene Wege beschritten:

Für eine Druckkontaktierung kann der Halbleiterkörper eine sogenannte Mesa-Form aufweisen. Beim Andrücken des Stromanschlußteils werden nur die erhaben ausgebildeten Emitterbereiche kontaktiert. Der Anschluß des Basisbereichs erfolgt an einer zentralen Stelle mittels eines Kontaktstiftes. Ein solcher Halbleiterkörper ist auf Grund der sehr geringen zulässigen vertikalen Toleranzen sehr aufwendig herzustellen.

Auch planare Halbleiterkörper können druckkontaktiert werden. Hierzu müssen jedoch speziell geformte, jeweils nur Emitter- oder Basisbereiche kontaktierende Stromanschlußteile verwendet werden. Dies erfordert einen beträchtlichen Aufwand zur Herstellung der Stromanschlußteile und zu deren Justierung beim Aufbau eines solchen Halbleiterbauelements.

Für eine Kontaktierung der Bauelemente mittels Weichlöten wird zuerst eine lötfähige Metallisierung ganzflächig aufgebracht und so ausgebildet, daß Emitter­ und Basisbereiche voneinander getrennt angeordnet sind. Anschließend wird die Metallisierung mit einer Isolierschicht ganzflächig abgedeckt, die so strukturiert wird, daß die Metallisierung der Emitterbereiche und eines zentralen Basisbereiches freigelegt bleiben.

Nachteile dieses Verfahrens sind die nur sehr schwer zu beherrschende Feinstrukturierung einer lötfähigen Metallisierung sowie der sehr geringe Flächenanteil des Bauelements, der zur Ausbildung der Lötverbindung zur Verfügung steht.

Die Kontaktierung der Emitter- und Basisbereiche mittels Bonden macht spezielle Kontaktelektrodenstrukturen erforderlich, welche die Leistungsfähigkeit solcher Bauelemente erheblich beeinträchtigen. So müssen z. B. Emitter- und Basisbereiche immer als jeweils zusammenhängende Gebiete ausgebildet werden. Auf jedem dieser Gebiete kann an zentraler Stelle ein Bonddraht befestigt werden. Die Herstellung einzelner Emitter­ finger, wie sie z. B. für abschaltbare Thyristoren erforderlich sind, ist nur bei relativ großer Fläche solcher Emitterfinger und damit bei grober Struktur der Kontaktelektroden möglich.

Die Ausbildung von Kontaktflächen zum Anschluß der Bonddrähte ist mit erheblichem Verlust an nutzbarer Bauelementfläche verbunden, und außerdem führt die Anordnung der Bonddrähte zur Verschlechterung der dynamischen Eigenschaften solcher Bauelemente im Vergleich zu Bauformen mit Löt- oder Druckkontaktierung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, feinstrukturierte Kontaktelektroden von Leistungs-Halbleiterbauelementen so auszubilden, daß sie für gewünschte Kontaktarten anwendbar und bezüglich Strukturverfeinerung den bekannten Ausführungsformen überlegen sind.

Die Lösung der Aufgabe besteht bei einem Verfahren der eingangs erwähnten Art in den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen 2 bis 18 gekennzeichnet.

Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens bestehen darin, daß die äußere Kontaktmetallschicht nicht auf der gesamten Höckerfläche der Emitterabschnitte erforderlich ist und dadurch sowohl erhebliche technolo­ gische Erleichterungen bei der Ausbildung der zweiten Metallisierung ermöglicht werden als auch die Herstellung der Randzonenabschrägung des Halbleiter­ körpers begünstigt wird.

Anhand der Darstellungen in den Fig. 1 bis 7 wird das Verfahren nach der Erfindung erläutert. Die Figuren zeigen Querschnitte durch den Schichtenaufbau im Verfahrensablauf bei der Herstellung der Kontaktelektroden. In Fig. 1 ist noch der Schichtenaufbau der verwendeten Halbleiterausgangsscheibe im Querschnitt dargestellt. Die übrigen Figuren zeigen lediglich schematisiert die Anordnung der einzelnen Schichten auf der 0berfläche des Halbleiterkörpers. Für gleiche Teile sind in allen Figuren gleiche Bezeichnungen gewählt.

Für die vorgesehene Kontaktstruktur kann eine Halbleiterausgangsscheibe verwendet werden aus einer hochohmigen, n-leitenden Schicht (2), aus daran angrenzenden, höher dotierten, p-leitenden Zonen (3, 4), womit eine pnp-Schichtenfolge gegeben ist. In die eine Außenzone (4) sind hochdotierte Emitterbereiche (5) z. B. in Streifenform eingelassen angeordnet und bilden mit zwischenliegenden Basisabschnitten (3 a) die gemeinsame Oberfläche (6) als die eine Hauptfläche des Halbleiterkörpers (1). Auf diese vorher gereinigte Oberfläche wird nun eine durchgehende erste Metallisierung (7) z. B. durch Aufdampfen (Elektronenstrahl­ verdampfen) oder Sputtern aufgebracht. Diese Verfahren zum Aufbringen der Metallisierung sind an sich bekannter Stand der Technik. Als Material für die erste Metallisierung dienen bevorzugt Aluminium, Kupfer oder Silber oder Legierungen aus diesen Metallen. Um Reaktionen der genannten Materialien mit dem darunter liegenden Halbleitermaterial zu vermeiden und die Haftung zu verbessern und um geringere Übergangs­ widerstände zwischen Metall und Halbleitermaterial zu erzielen, können auch eine oder mehrere dünne Schichten aus Titan, Chrom, Molybdän, Wolfram, Platin, Paladium, Silber, Nickel oder Verbindungen dieser Metalle mit Silizium, Stickstoff oder Kohlenstoff unmittelbar auf der Halbleiterausgangsscheibe angeordnet sein. Derartige dünne Schichten können jedoch auch als Haftvermittlungs­ schicht und Diffusiunsbarriere zwischen erster Metallisierung und darüberliegender Isolierschicht zwischen dieser und der ersten Metallisierung ausgebildet werden. Die Schichtdicke der ersten Metallisierung liegt im Bereich bis 20 µm . Eine aus Silber vorgesehene Teilschicht im Verlauf einer Teilschichtenfolge kann auch galvanisch aufgebracht werden.

Anschließend wird die erste Metallisierung (7) in der Weise strukturiert, daß gemäß der Darstellung in Fig. 2 in einem üblichen Photoprozeß mit anschließendem Ätzen Kontaktbahnen erzeugt werden, welche sowohl für die Emitterabschnitte (17) als auch für die Basis­ abschnitte (27) gleiche Bauhöhe aufweisen. Das Abtragen der zwischen den Kontaktbahnen (17, 27) liegenden Stege kann naßchemisch oder durch Trockenätzen erfolgen. Die Verfeinerung der Struktur ist abhängig von der vorgesehenen Größe der aus der Ausgangsscheibe zu erzielenden Halbleitertabletten, sowie von vorgegebenen Schaltungseigenschaften der herzustellenden Halbleiter- Bauelemente und von technologischen Parametern. Bei einem typischen Ausführungsbeispiel kann die lichte Weite zwischen den Emitterabschnitten 300 µm , die Breite der Kontaktbahnen (17, 27) 260 µm und die Breite der Emitterabschnitte (5) 300 µm betragen.

Im Anschluß an die Strukturierung der ersten Metallisierung wird ganzflächig die anorganische erste Isolierschicht, in Fig. 3 mit (8) bezeichnet, aufgetragen. Die Materialauswahl ergibt sich aus der Notwendigkeit einer guten Haftung auf dem Halbleiter­ material sowie von erforderlichen dielektrischen Eigenschaften zur gegenseitigen elektrischen Isolation der Metallisierungen. Als Material werden die Verbindungen des Halbleitermaterials mit Sauerstoff und/oder Stickstoff verwendet. Weiterhin eignen sich auch Verbindungen von Aluminium mit Sauerstoff und/oder Stickstoff, beispielsweise Aluminiumoxid. Aufgrund hoher Eigenspannungen der vorgesehenen Materialien ist die Abscheidung der ersten Isolierschicht (8) nicht in beliebiger Dicke möglich. Die technologische Grenze liegt bei ca. 2 µm.

Das Aufbringen der ersten Isolierschicht (8) kann durch Verdampfen, Sputtern, durch anodische Oxidation sowie durch bekannte CVD-Verfahren erfolgen. Außerdem können einige der genannten Materialien in einer Flüssigkeit gelöst sein und dann durch Aufschleudern auf die Oberfläche aufgebracht werden.

Die Isolierschicht (8) dient auch gleichzeitig zur Passivierung der jeweils zwischen einem Emitterabschnitt (5) und den angrenzenden Basisabschnitten (3 a) an die Oberfläche tretenden pn-Übergänge.

Das Strukturieren der ersten Isolierschicht (8) erfolgt in bekannter Weise nach einem üblichen Photoprozeß, wobei gemäß der Darstellung in Fig. 4 jeweils die Kontaktbahnen sämtlicher Basisabschnitte (3 a) sowie die zwischen jedem Basisabschnitt (3 a) und den benachbarten Emitterabschnitten (5) liegenden Oberflächenbereiche des Halbleiterkörpers abgedeckt werden, während auf der oberen Seite jeder Emitterkontaktbahn (17) ein Fenster (9) zur Freilegung der Kontaktbahnoberfläche hergestellt wird. Bei einem typischen Aufbau beträgt die Breite eines solchen Fensters etwa 260 µm.

Untersuchungen haben gezeigt, daß eine einwandfreie Abdeckung der ersten Metallisierung (17, 27) gegenüber einer weiteren Metallisierung mit Hilfe dieser ersten Isolierschicht (8) nicht ausreichend ist. Dies ist insbesondere auf die Sprödigkeit des Materials und auf die damit zusammenhängende Bildung von Rissen bei den im Verfahrensablauf auftretenden Temperaturen zurückzuführen.

Fig. 5 zeigt den bisher beschriebenen Aufbau und eine auf demselben aufgebrachte weitere Isolierschicht (10). Diese zweite Isolierschicht besteht aus strukturierbarem organischem Material, welches im molekularen Endzustand eine geringe Eigenspannung aufweist. Als solches eignet sich besonders die Gruppe der Polyimide. Generell sind sämtliche Polyimide anwendbar, weil die für ihren Einsatz entscheidende Eigenschaft der geringen Eigenspannung und damit die Realisierbarkeit einer dicken Isolierschicht allen Polyimiden gemeinsam ist. Sie stehen überwiegend im flüssigen Zustand zur Verfügung und können durch Tauchen oder Sprühen oder Schleudern oder auch durch Auftropfen aufgebracht werden. Besonders vorteilhaft ist die Verwendung von photosensitiven Polyimiden, weil dadurch ein weiterer Maskierungsprozeß zur Strukturierung der vorgesehenen Kontaktelektroden entfällt.

Die zweite Isolierschicht kann im Gegensatz zur ersten Isolierschicht in erheblich größerer Dicke aufgebracht werden. Damit ist für die Ausbildung der zweiten Metallisierung die Wirkung einer Einebnung der durch die Erhebungen der ersten Metallisierung und der darauf befindlichen ersten Isolierschicht gebildeten wellen­ förmigen Oberfläche verbunden. Bevorzugt wird für die zweite Isolierschicht ein Dickenbereich bis ca. 15 µm. Typische Werte für die beiden Isolierschichten (8, 10) sind 0,8 µm für die erste und ca. 5 bis 8 µm für die zweite Isolierschicht.

Die zweite Isolierschicht (10) zeigt ferner den Vorteil einer guten Kantenbedeckung. Außerdem ist wegen der relativ hohen Gesamtdicke der beiden Isolierschichten zwischen der ersten Metallisierung und der abschließenden äußeren Kontaktmetallschicht eine für den Einsatz der Halbleiterbauelemente günstige geringe Kapazität gegeben.

Gemäß der Darstellung in Fig. 6 ist für die Ausdehnung der zweiten Isolierschicht (10) eine angepaßte Strukturierung erforderlich. Das heißt, ebenso wie bei der ersten Isolierschicht (8) wird über jeder Emitter­ kontaktbahn (17) ein Fenster (11) hergestellt. Im übrigen gilt die Maßgabe, daß die zweite Isolierschicht (10) die erste Isolierschicht (8) weitestgehend bedeckt.

Bei Verwendung von nicht photosensitiven Polyimiden erfolgt die Strukturierung mittels eines üblichen Photoprozesses, wie er für einen Schichtenaufbau z. B. gemäß Fig. 2 erforderlich wird. Nach der Strukturierung wird das Material der zweiten Isolierschicht (10) noch einer Wärmebehandlung zur Erzielung des polymeren Endzustandes unterworfen. Der besondere Vorteil der Verwendung von Polyimiden besteht gerade darin, daß dieselben auch nach Herstellung des polymeren Endzustandes noch eine sehr geringe Eigenspannung aufweisen, wodurch eine einwandfreie Abdeckung der ersten Metallisierung und der darauf befindlichen ersten Isolierschicht gewährleistet ist.

In Fig. 7 ist der vollständige Schichtenaufbau einer Kontaktelektrodenstruktur nach dem Verfahren gemäß der Erfindung dargestellt. Auf der zweiten Isolierschicht (10) ist eine zweite Metallisierung (12) aufgebracht, die gleichzeitig als äußere Kontaktmetallschicht für weitere Kontaktierungsmaßnahmen am Halbleiterkörper dient. Die zweite Metallisierung (12) wird nach einem der Verfahren, wie sie für die erste Matallisierung angegeben sind, als durchgehende Kontaktmetallschicht mittels einer abnehmbaren Metallmaske mit Öffnungen für die vorgesehenen Kantaktabschnitte oder mittels eines Strukturierungsprozesses mit Maskieren und Ätzen oder mittels üblicher sogenannter Lift-off- Technik so aufgebracht ist, daß an vorgegebenen Stellen eine Trennung der jeweils mit Anschlußleitern zu verbindenden Flächen erfolgt.

Der dargestellte Aufbau von Schichten auf der Halbleiteroberfläche ermöglicht überraschend einfach mit nur zwei Metallisierungen die gleichzeitige Ausbildung einer Abschlußschicht mit dem besonderen Vorteil der Materialauswahl für eine gewünschte Art der Anschlußkontaktierung. Soll der Halbleiterkörper mit Stromanschlußteilen durch Löten verbunden werden, so wird für die zweite Metallisierung vorzugsweise eine Schichtenfolge aus einem als Haftvermittler und Diffusionsbarriere wirkenden, hoch-schmelzenden Metall wie Chrom, Titan, Platin, Molybdän, Wolfram und aus einem darauf folgenden, weichlötbaren Metall wie Kupfer oder Nickel oder aus Legierungen aus Kupfer oder Nickel verwendet. Zur Sicherstellung einer einwandfreien Lötverbindung kann noch eine Abdeckschicht aus Silber oder Gold oder Paladium aufgebracht werden. Die Schichtdicke für eine solche äußere, zur Lötkontaktierung vorgesehene Metallisierung kann 1 bis 10 µm betragen.

Soll die Anschlußkontaktierung des Halbleiterkörpers mittels Druckkontakt erfolgen, so kann als Material der zweiten Metallisierung vorzugsweise entweder eine Schichtenfolge aus einem der vorgenannten, als Haft­ vermittler und Diffusionsbarriere wirkenden, hoch­ schmelzenden Metalle und aus einem darauf folgenden, duktilen Metall wie Aluminium, Kupfer, Silber oder aus Legierungen dieser Metalle oder aber lediglich eine Schicht aus einem der genannten duktilen Metalle verwendet werden. Die Schichtdicke der als äußere Kontaktmetallschicht dienenden zweiten Metallisierung (12) liegt im Bereich bis 30 µm.

Weitere Vorteile des Verfahrens gemäß der Erfindung bestehen darin, daß die durchgehende, weitgehend ebene, zweite Metallisierung eine ganzflächige, kraftschlüssige Kontaktierung ermöglicht, wozu auch die großflächige und entsprechend dicke, zweite Isolierschicht (10) in erheblichem Maße beiträgt, außerdem in der Verwendung von zwei Isolierschichten aus Materialien unterschied­ licher physikalischen Eigenschaften zur einwandfreien gegenseitigen elektrischen Isolation der beiden Metallisierungen (8, 10) sowie in der Einsparung einer gegenüber bekannten Anordnungen weiteren Metallschicht mit den dafür notwendigen entsprechenden Verfahrens­ schritten.

Claims (18)

1. Verfahren zum Herstellen von feinstrukturierten Kontaktelektroden von Leistungs-Halbleiterbauelementen mit wenigstens zwei pn-übergängen, bei dem die als Emitter-und Basisabschnitte (5, 3 a) vorgesehenen Oberflächenbereiche des Halbleiterkörpers (1) mit durch eine Isolierung getrennten Metallisierungen, welche Öffnungen zum Befestigen von Stromanschlußteilen aufweisen, beschichtet werden, dadurch gekennzeichnet,

• - daß eine erste durchgehende Metallisierung (7) aufgebracht und als Struktur aus getrennten Kontakt­ bereichen (17, 27) für die Basis-(3 a) und Emitter­ abschnitte (5) ausgebildet wird,
• - daß zur elektrisch isolierenden Trennung der ersten (7) von einer weiteren Metallisierung eine anorganische, erste Isolierschicht (8) mit Öffnungen (9) für die Emitterabschnitte (5) und für wenigstens einen Basisanschluß und
• - darüber eine zweite Isolierschicht (10) aus einem, im molekularen Endzustand geringe Eigenspannung aufweisenden, organischen Material und mit an die Struktur der ersten Isolierschicht (8) angepaßter Struktur angeordnet wird, und
• - daß auf der organischen, zweiten Isolierschicht (10) eine zweite durchgehende Metallisierung (12) als äußerste Kontaktschicht aus einem, durch die vorgesehene Verbindung mit Stromanschlußteilen bestimmten Material aufgebracht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Metallisierung (7) aus einer oder mehreren Schichten gebildet wird, und daß mindestens eine Schicht aus einem hochleitfähigen Metall oder aus Legierungen dieses Metalls aufgebracht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Material der ersten Metallisierung (7) Aluminium oder Legierungen aus Aluminium verwendet werden.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Metallisierung (7) aus Teil-schichten der Metalle Aluminium, Chrom, Silber, Chrom, Aluminium oder Aluminium, Titan, Silber, Titan, Aluminium oder Titan, Silber, Titan gebildet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Metallisierung (7) durch Aufdampfen oder durch Sputtern hergestellt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Struktur der ersten Metallisierung (7) mittels eines Maskierprozesses hergestellt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die anorganische erste Isolierschicht (8) aus einer Verbindung des Halbleitermaterials gebildet wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Material für die anorganische erste Isolierschicht (8) Verbindungen des Halbleitermaterials mit Sauerstoff und/oder Stickstoff verwendet werden.

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die anorganische erste Isolierschicht (8) aus Verbindungen von Aluminium mit Sauerstoff oder/und Stickstoff, beispielsweise aus Aluminiumoxid, gebildet wird.

10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die anorganische erste Isolierschicht (8) durch Verdampfen oder durch Sputtern gebildet wird.

11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die anorganische erste Isolierschicht (8) durch chemische Dampfphasenabscheidung gebildet wird.

12. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die aus Aluminiumoxid bestehende erste Isolierschicht (8) durch anodische Oxidation von Aluminium hergestellt wird.

13. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Material der organischen zweiten Isolierschicht (10) ein Polyimid verwendet wird.

14. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichent, daß als Material für die äußere Kontaktmetallschicht (12) ein mit Stromanschlußteilen durch Weichlöten kontaktier­ bares Metall verwendet wird.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Kontaktmetallschicht (12) aus mehreren Teilschichten gebildet wird, und daß als Material für die Basisteilschicht Chrom oder Titan und als Material für die weichlötfähige Teilschicht Nickel und/oder Kupfer oder Legierungen aus Nickel und Kupfer verwendet werden.

16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Kontaktmetallschicht (12) mit einer Oberflächenschutzschicht aus Silber, Gold oder Paladium abgedeckt wird.

17. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Material für die äußere Kontaktmetallschicht (12) ein mit Stromanschlußteilen durch Druck kontaktierbares Metall verwendet wird.

18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Kontaktmetallschicht aus wenigstens zwei Teilschichten gebildet wird, und daß als Material für die Basisteilschicht Chrom oder Titan und als Material für die druckkontaktfähige Teilschicht Silber oder Aluminium oder Kupfer oder Legierungen aus diesen Metallen verwendet werden.