DE3823347A1 - Power semiconductor element - Google Patents

Power semiconductor element

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DE3823347A1 DE19883823347 DE3823347A DE3823347A1 DE 3823347 A1 DE3823347 A1 DE 3823347A1 DE 19883823347 DE19883823347 DE 19883823347 DE 3823347 A DE3823347 A DE 3823347A DE 3823347 A1 DE3823347 A1 DE 3823347A1
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Edmund Dr Rer Nat Burte
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Semikron GmbH and Co KG
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Abstract

Known power semiconductor elements for high current carrying capacity (permissible current loading, ampacity) have a contact layer structure of the semiconductor body which does not meet the requirement of solderable and/or pressure-bondable, mechanically stable and satisfactorily adhering contact electrodes. The metallisation, consisting of at least four sublayers, for a semiconductor body having a large active area according to the invention ensures the bonding quality required, especially for large contact areas. The metallisation consists of a first layer made of aluminium, a second layer made of chromium or titanium as an adhesive layer and as a diffusion barrier for the aluminium, a solderable third layer made of nickel, and a final protective layer made of gold or palladium or alternatively of a solderable layer containing one sublayer each made of nickel and copper, copper at the same time being the outermost layer or possibly further being covered with gold or palladium. Use in components and assemblies of high current carrying capacity in power electronics.

Description

Die Erfindung betrifft ein Leistungs-Halbleiterelement mit den Merkmalen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. The invention relates to a power semiconductor element having the features according to the preamble of claim 1.

Zur Kontaktierung des Halbleiterkörpers von Leistungs- Halbleiterbauelementen auf Siliziumbasis, nach-stehend als Halbleiterelemente bezeichnet, ist bevorzugt Aluminium geeignet. For contacting of the semiconductor body of power semiconductor devices based on silicon, referred to as the semiconductor elements after-standing, aluminum is preferably suitable. Wegen der Oxidationsneigung beider Materialien ist jedoch zur Erzielung des gewünschten elektrischen Kontakts zwischen beiden eine als Kontaktformierung bekannte Erwärmung des Systems Silizium-Aluminium notwendig. Because of the tendency to oxidation of both materials, however, a technique known as contact heating of the system forming silicon-aluminum is necessary to achieve the desired electrical contact between the two. Außerdem macht die Eigenschaft des Aluminiums, in sauerstoffhaltiger Atmosphäre spontan zu oxidieren, bei Verwendung als Kontaktelektrode seine Abdeckung mit einem als Korrosionsschutz wirkenden Metall erforderlich. Furthermore, in use makes the quality of the aluminum to be oxidized spontaneously in an atmosphere containing oxygen, as a contact electrode of its cover with a metal acting as a corrosion protection required. Dazu wurde bei bekannten Bauformen von Halbleiteranordnungen eine abschließende Schicht aus Silber vorgesehen. By a final layer of silver was provided in known types of semiconductor devices. Jedoch kann Silber wegen seiner hohen Permeabilität für Sauerstoff die Korrosion von Aluminium nicht verhindern, und dies kann zur Ablösung der Silber schicht von der Aluminium-Basisschicht führen. However, silver is due to its high permeability to oxygen corrosion of aluminum does not prevent and this can layer to replace the silver lead from the aluminum base layer.

Es sind Mehrschicht-Kontaktelektroden für Halbleiter elemente bekannt, die aus einer Basisschicht aus Aluminium, einer darüberliegenden Schicht aus hoch schmelzendem Metall und einer abschließenden Schicht aus Aluminium bestehen (DE-AS 16 14 760, DE-AS 17 64 282). There are multi-contact electrodes for semiconductor elements is known, which consist of a base layer of aluminum, an overlying layer of refractory metal and a final layer of aluminum (DE-AS 16 14 760, DE-AS 17 64 282). Dieser Aufbau ist bezüglich Oberflächenzustand im wesentlichen wie eine aus Aluminium bestehende Elektrode zu betrachten. This construction is to be regarded in terms of surface condition substantially as an existing aluminum electrode.

Weiter sind Strukturen bekannt, bei denen zwischen der Basisschicht aus Aluminium und der äußeren Schicht aus Silber eine Zwischenschicht aus Nickel, Kobalt, Titan, Mangan oder Chrom angeordnet ist. Next structures in which an intermediate layer of nickel, cobalt, titanium, manganese or chromium is disposed between the base layer of aluminum and the outer layer of silver are known. Bei den zur Kontaktformierung angewandten Temperaturen kann nun Aluminium durch die Zwischenschicht diffundieren. When the applied to the contact forming temperatures now aluminum may diffuse through the intermediate layer. Weiterhin kann bei niedrigeren Temperaturen anderer Verfahrensschritte Sauerstoff aus der Atmosphäre das Silber durchdringen. Furthermore, at lower temperatures can penetrate the silver other process steps oxygen from the atmosphere. Ist Nickel als Zwischenschicht vorgesehen, kommt es in beiden Fällen zur Korrosion desselben, die nicht mehr beseitigt werden kann und die Herstellung eines Lötkontaktes verhindern würde. Nickel is provided as an intermediate layer, it is in both cases to corrosion thereof which can not be removed and would prevent the production of a Lötkontaktes.

Die bekannten Anordnungen sind mit abschließender Edelmetallschicht allenfalls druckkontaktierbar und teilweise lötkontaktierbar. The known arrangements with final noble metal layer at most druckkontaktierbar and partially lötkontaktierbar. Beide Kontaktarten unter scheiden sich grundsätzlich in Technologie und Anwendung. Both contact types differing fundamentally in technology and application. Die Forderung nach immer wirtschaftlicheren Aufbauten von Halbleiteranordnungen, insbesondere nach langzeitstabilen Zwischenprodukten mit der Möglichkeit universeller Anwendung in unterschiedlichen Bauein heiten und Anlagen führt zwangsläufig dazu, daß Elektrodenstrukturen gefordert werden, die für beide Kontaktarten geeignet sind. The demand for ever more economic structures of semiconductor devices, especially after long-term stable intermediates with the possibility of universal application in different Bauein units and systems inevitably means that electrode structures are required, which are suitable for both types of contacts.

Weiter ist bei Aufbau und Bemessung von Kontaktelektroden für Halbleiterelemente zu berücksichtigen, daß im Zusammenhang mit einer Erwärmung des Systems Halb leiter-Kontaktmetall mechanische Spannungen infolge unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten aneinandergrenzender Materialien entstehen. Further, in construction and design of contact electrodes for semiconductor elements, it should be noted that semiconductor-metal contact occur mechanical stresses due to different thermal coefficients of expansion of adjacent materials in conjunction with a heating of the system. Insbesondere bei Halbleiterelementen mit großer aktiver Fläche tritt eine hohe Beanspruchung des Halbleitermaterials auf. In particular, in semiconductor elements having a large active surface, a high stress of the semiconductor material occurs. Untersuchungen an Bauformen mit Kontaktschichtaufbauten aus Aluminium und an schließenden bekannten Kontaktmaterialien haben gezeigt, daß derartige Spannungen bei Werten über 10 5 N/cm 2 zum Ausfall des Bauelements führen können. Studies on designs with contact layer constructions made of aluminum and closing known contact materials have shown that such voltages at values above 10 5 N / cm 2 may lead to failure of the component.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein druck- und/oder lötkontaktierbares Halbleiterelement mit korrosionsbeständigen, auch bei großen aktiven Flächen mechanisch stabilen und einwandfrei haftenden Kontakt elektroden anzugeben, bei welchen im Verbund mit dem Halbleitermaterial keine mechanischen Spannungen höher als 10 4 N/cm 2 auftreten. The invention has the object of providing a pressure and / or lötkontaktierbares semiconductor element with corrosion-resistant, mechanically stable, even for large active areas and properly adhering contact electrodes indicate in which in combination with the semiconductor material, no mechanical stresses higher than 10 4 N / cm 2 occur.

Die Lösung der Aufgabe besteht bei einem Leistungs- Halbleiterelement der eingangs genannten Art in den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen 2 bis 6 angegeben. The solution of the problem consists in a power semiconductor element of the type mentioned in the characterizing features of claim 1. Advantageous embodiments are specified in the dependent claims 2 to. 6

Aus der DE-OS 36 40 248 ist eine Halbleitervorrichtung mit einem Kontaktfeldaufbau bekannt, bei welchem auf dem Halbleitermaterial eine strukturierte Aluminium beschichtung vorgesehen ist und über derselben eine weitere Aluminiumschicht sowie je eine Schicht aus Nickel und aus Kupfer angebracht sind. From DE-OS 36 40 248 a semiconductor device with a contact pad structure is known, wherein a patterned aluminum coating provided on the semiconductor material and are mounted on the same a further aluminum layer as well as one layer of nickel and of copper. Zur Vermeidung der Oxidation des Kupfers der äußeren Schicht ist diese mit Palladium abgedeckt. To avoid oxidation of the copper of the outer layer, the latter is covered with palladium. Der beschriebene Schichtenaufbau betrifft insbesondere die Verbindung von Halbleiterchips für integrierte Schaltungen mit dazugehörigen Leiterrahmen oder anderen äußeren Schaltungen durch automatisches Bandlöten oder Bonden. The layer structure described particularly relates to the connection of semiconductor chips for integrated circuits with associated leadframe or other external circuits by automatic tape soldering or bonding. Die bekannten Anschlußstrukturen sind für Leistungs- Halbleiterelemente mit hoher Strombelastbarkeit nicht geeignet, weil sie schon vom Aufbau her nicht den geforderten Lötkontakt ermöglichen und andererseits Schichtdicken aufweisen, die eine Druckkontaktierung nicht zulassen. The known connection structures are not suitable for power semiconductor elements with high current carrying capacity due to a successful construction to not allow the required soldering contact and also have layer thicknesses that do not allow a pressure contact.

Anhand des in der Figur dargestellten Ausführungs beispiels eines im Querschnitt gezeigten Halbleiter körpers wird die Erfindung erläutert. Based on the execution example shown in the figure shown in cross-section of a semiconductor body, the invention is explained. Das zB für einen Thyristor vorgesehene Halbleiterelement besteht aus einer hochohmigen, n-leitenden Mittelzone ( 1 ), aus der an einer Seite der Zone ( 1 ) angrenzenden, p-leitenden Anodenemitterzone ( 2 ) und der an der anderen Seite der Zone ( 1 ) angrenzenden, p-leitenden Steuerbasiszone ( 3 ). The example for a thyristor provided semiconductor element consists of a high-resistance n-type central zone (1) from which on one side of the zone (1) adjacent the p-type anode emitter zone (2) and on the other side of the zone (1) adjacent P-type control base zone (3). In die Steuerbasiszone ( 3 ) eingelassen angeordnet ist die n-leitende Kathodenemitterzone ( 4 ), und die Haupt flächen der Zonenfolge sind mit den Anschlußelektroden K , A für den Laststrom und mit der Steuerelektrode ( 5 ) versehen. Arranged embedded in the control base region (3), the n-type cathode emitter region (4), and the main surfaces of the zone sequence are provided to the terminal electrodes K, A represents the load current and the control electrode (5).

Die Anschlußelektrode A für anodenseitigen Laststrom weist eine Basisschicht ( 6 ) aus Aluminium auf mit einer Dicke kleiner oder gleich 20µm . The A terminal electrode for anode-side load current has a base layer (6) made of aluminum having a thickness of less than or equal 20 microns. Auf der Basisschicht ( 6 ) ist erfindungsgemäß eine Schicht ( 7 ) aus Chrom oder Titan angebracht mit einer Dicke kleiner oder gleich 1µm , die als Haftschicht zur sicheren Befestigung der Kontaktschichtenfolge auf der Basis schicht ( 6 ) wirkt und außerdem als Diffusionsbarriere dient zur Vermeidung einer Diffusion von Aluminium in die lötfähige dritte Schicht. On the base layer (6) according to the invention a layer (7) of chromium or titanium applied with a thickness less than or equal to 1 micron, the layer as an adhesive layer for secure attachment of the contact layer sequence on the base (6) acts, and also as a diffusion barrier serves to avoid a diffusion of aluminum into the solderable third layer. Untersuchungen haben ergeben, daß ohne die Schicht ( 7 ) bei einer Wärme behandlung, wie sie für die Kontaktformierung vorgesehen ist, Aluminium in das Nickel und weiter an die Oberfläche der lötfähigen Schicht ( 8 ) diffundieren kann, und daß durch Korrosion derselben deren Lötfähigkeit beseitigt wird. Studies have shown that treatment without the layer (7) at a heat, as is provided for the contact formation, aluminum can further diffuse to the surface of the solderable layer (8) in the nickel and, and that removed by corrosion thereof which solderability becomes. Es entstehen dann gerade bei großflächigen Halbleiterelementen mechanische Spannungen, die Risse im Schichtenaufbau zur Folge haben. mechanical stresses that have cracks in the layer structure result are then formed especially for large-area semiconductor elements. Durch Verwendung der genannten Metalle werden in dem in Betracht zu ziehenden Temperaturbereich derartige Risse vermieden. By using the above mentioned metals such cracks are avoided in the to be drawn into consideration temperature range. Die Haftschicht aus Chrom oder Titan ist bevorzugt mit 0,05 bis 0,3µm Dicke ausgeführt. The adhesive layer of chromium or titanium is preferably carried out with 0.05 to 0.3 micron thickness. Weiter wurde aber auch festgestellt, daß Nickel ebenfalls noch als Diffusions barriere für Aluminium dienen kann, abhängig von Prozeßsteuerung und Schichtdicke. Next was also found that nickel also more accessible than diffusion can be used for aluminum, depending on process control and layer thickness.

Anschließend an die Haftschicht ( 7 ) ist eine lötfähige Schicht ( 8 ) vorgesehen. Subsequent to the adhesive layer (7) is a solderable layer (8). Diese ist als Doppelschicht aus Nickel ( 8 a ) und Kupfer ( 8 b ) ausgebildet mit jeweils einer Schichtdicke von bis zu 2µm . This is to 2 microns as a double layer of nickel (8 a) and copper (8 b) are each formed with a layer thickness of up. Es kann auch eine lötfähige Schicht nur aus Nickel vorgesehen werden. It can be provided only from nickel and a solderable layer. Diese muß dann mittels abschließender Passivierungs schicht aus einem Edelmetall, vorzugsweise aus Gold oder Palladium, vor Oxidation geschützt werden, weil im Falle einer Korrosion der Nickeloberfläche keine Reduktion mittels einer wasserstoffhaltigen Gasatmosphäre möglich ist. This must then by a final passivation layer of a noble metal, preferably, protected from gold or palladium from oxidation, because in case of corrosion of the nickel surface area no reduction using a hydrogen-containing gas atmosphere is possible. Als Alternative hierzu kann die Nickel schicht ( 8 a ) wie angegeben mit einer Kupferschicht ( 8 b ) abgedeckt sein, welche im Falle einer Oxidation durch Reduktion wieder lötfähig gemacht werden kann. Alternatively, the nickel may be (a 8) may be as indicated with a copper layer (8 b) covered layer, which in the case of oxidation by reduction can be made solderable again. Die Teilschicht aus Kupfer kann dann gleichzeitig als äußerste Schicht dienen. The sub-layer of copper can then simultaneously serve as the outermost layer. Ist ein Lötkontakt auf einer solchen Schichtenfolge vorgesehen, wird nach Wahl des Lotmetalls entweder die Kupferschicht vom Lotmetall aufgenommen und der Kontakt auf dem Nickel gebildet, oder die Kupferschicht bleibt erhalten und bildet die Basis für die vorgesehene Lötverbindung. Is a soldering contact is provided on such a layer sequence, is the choice of the filler metal, the copper layer either absorbed by the solder metal and the contact on the nickel formed, or the copper layer is maintained and forms the basis for the intended solder joint.

Zusätzlich kann auch die als Teilschicht ( 8 b ) vorgesehene Kupferschicht noch mit einem Edelmetall überzug aus Gold oder Palladium abgedeckt sein. In addition, as part of the layer (8 b) provided copper layer can also be covered with a noble metal coating of gold or palladium. Die Dicke der Edelmetallschicht beträgt jeweils bis zu 0,05µm . The thickness of the noble metal layer is in each case up to 0,05μm. Mit einem solchen Überzug wird die Oxidation von Kupfer vermieden und seine Lötfähigkeit begünstigt. With such a coating, the oxidation of copper is prevented and favors its solderability.

Mit der vorgeschlagenen Schichtenfolge und Material auswahl ist sichergestellt, daß das erste Kontaktmetall Aluminium keine unerwünschte Reaktion mit weiteren Kontaktmetallen eingeht, daß die Lötfähigkeit der dritten Schicht die gewünschte Kontaktqualität liefert, und daß schließlich auch für große Kontaktflächen bei Hochstromanordnungen der vorgegebene Bereich der mechanischen Spannungen im Kontaktaufbau eingehalten und dadurch die mechanische Stabilität der Kontakt schichtenfolge gewährleistet ist. The proposed sequence of layers and material selection, it is ensured that the first contact metal aluminum does not undergo undesirable reaction with other contact metals that solderability of the third layer provides the desired contact quality, and that, finally, also for large contact surfaces at high current arrangements, the predetermined area of ​​the mechanical stresses in the adhered contact structure and thereby the mechanical stability of the contact layer sequence is guaranteed.

Bei einem typischen Ausführungsbeispiel einer druck- und/oder lötfähigen Kontaktelektrode ist eine Aluminium schicht ( 6 ) von 13µm , eine Chromschicht ( 7 ) von 0,1µm , eine Mittelschicht ( 8 a ) von 0,5µm , eine Kupferschicht ( 8 b ) von ebenfalls ungefähr 0,5µm und eine abschließende Edelmetallschicht ( 10 ) von 0,02µm Schichtdicke vorge sehen. In a typical embodiment of a pressure and / or solderable contact electrode, an aluminum layer (6) of 13 microns, a chromium layer (7) of 0.1 micron, a middle layer (8 a) of 0.5 .mu.m, a copper layer (8 b) of see also about 0.5 micron and a final precious metal layer (10) of pre-0,02μm layer thickness.

Die Herstellung von Halbleiterleistungselementen nach der Erfindung erfolgt in an sich bekannter Weise in einer Hochvakuumanlage mittels Elektronenstrahl verdampfung. The manufacture of semiconductor power elements according to the invention takes place in known manner in a high vacuum system by means of electron beam evaporation. Die Formierung des Kontakts erfolgt nach dem Aufbringen der Metalle mittels einer Wärmebehandlung im Bereich bei etwa 400°C bis 500°C. The formation of the contact takes place after the application of the metals by means of heat treatment in the range from about 400 ° C to 500 ° C.

Claims (7)

  1. 1. Leistungs-Halbleiterelement, welches First power semiconductor element
    • - eine Folge von schichtförmigen Zonen unter schiedlichen Leitungstyps mit wenigstens einem zwischenliegenden pn-Übergang, - a series of layered zones difference union conductivity type with at least one intermediate pn junction,
    • - von den äußeren Zonen ( 2 , 4 ) gebildete Haupt flächen zur Kontaktierung der Zonenfolge und - the head of the outer zones (2, 4) formed surfaces for contacting the zone sequence and
    • - an jeder Hauptfläche eine zur elektrischen Verbindung mit Stromleiterteilen geeignete Metallisierung aufweist, und - having a suitable for electrical connection to conductor metallisation portions on each main surface, and
    • - bei dem die Metallisierung aus einer ersten Schicht aus Aluminium ( 6 ) und aus wenigstens einer weiteren, durch die vorgesehene Ver bindung mit Stromleiterteilen bestimmten Schicht besteht, - in which the metallization of a first layer of aluminum (6) and consists of at least one further binding by the intended Ver with conductor parts particular layer,
  2. dadurch gekennzeichnet, daß characterized in that
    • - die Metallisierung aus wenigstens vier Schichten gebildet ist, - the metallization of at least four layers is formed,
    • - die äußerste Schicht ( 10 ) als Korrosionsschutz für die darunterliegende Schicht ( 8 ) vorgesehen ist, - the outermost layer (10) is provided as corrosion protection for the underlying layer (8),
    • - die darunterliegende Schicht ( 8 ) aus einem weichlötfähigen Metall besteht, und - the underlying layer (8) consists of a weichlötfähigen metal, and
    • - zwischen der ersten Schicht ( 6 ) und der lötfähigen Schicht ( 8 ) eine Haftschicht ( 7 ), die gleichzeitig als Diffusionsbarriere für das Material der ersten Schicht ( 6 ) dient, zur sicheren Befestigung der Metallisierung angeordnet ist. - between the first layer (6) and the solderable layer (8) is arranged for secure attachment of the metallization, an adhesive layer (7), which simultaneously serves as a diffusion barrier for the material of the first layer (6).
  3. 2. Leistungs-Halbleiterelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die äußerste Schicht ( 10 ) aus einem Edelmetall, vorzugsweise aus Gold oder Palladium besteht und eine Dicke bis 0,05µm aufweist. 2. Power semiconductor element according to claim 1, characterized in that the outermost layer (10) made of a noble metal, preferably made of gold or palladium, and has a thickness of up to 0,05μm.
  4. 3. Leistungs-Halbleiterelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die lötfähige Schicht ( 8 ) aus Nickel besteht und eine Dicke bis 2µm aufweist. 3. Power semiconductor element according to claim 1, characterized in that the solderable layer (8) consists of nickel and has a thickness up to 2 microns.
  5. 4. Leistungs-Halbleiterelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die lötfähige Schicht ( 8 ) aus zwei Teilschichten ( 8 a , 8 b ) gebildet ist, daß die innere Teilschicht ( 8 a ) aus Nickel und die äußere Teilschicht ( 8 b ) aus Kupfer besteht und jede Teil schicht eine Dicke bis 2µm aufweist, und daß die äußere Teilschicht ( 8 b ) gleichzeitig als äußerste Schicht zum Korrosionsschutz für die innere Teilschicht ( 8 a ) vorgesehen ist. 4. Power semiconductor element according to claim 1, characterized in that the solderable layer (8) consists of two sub-layers (8 a, 8 b) is formed in that the inner part-layer (8 a) of nickel and the outer partial layer (8 b) is made of copper and each sub-layer has a thickness up to 2 microns, and that the outer partial layer (8 b) at the same time as the outermost layer for corrosion protection for the inner layer part (8 a) is provided.
  6. 5. Leistungs-Halbleiterelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Haftschicht ( 7 ) aus Chrom oder Titan besteht und eine Dicke bis 1µm aufweist. 5. The power semiconductor element according to claim 1, characterized in that the adhesive layer (7) of chromium or titanium and having a thickness up to 1 micron.
  7. 6. Leistungs-Halbleiterelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Haftschicht ( 7 ) eine Dicke von 0,05 bis 0,3µm aufweist. 6. Power semiconductor element according to claim 5, characterized in that the adhesive layer (7) has a thickness of 0.05 to 0.3 micron.
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