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DE3781861T2 - Herstellung einer mehrschichtigen leistungshalbleiterschaltung mit mehrfachen parallelen kontaktfingern. - Google Patents

Herstellung einer mehrschichtigen leistungshalbleiterschaltung mit mehrfachen parallelen kontaktfingern.

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DE3781861T2 DE8787309075T DE3781861T DE3781861T2 DE 3781861 T2 DE3781861 T2 DE 3781861T2 DE 8787309075 T DE8787309075 T DE 8787309075T DE 3781861 T DE3781861 T DE 3781861T DE 3781861 T2 DE3781861 T2 DE 3781861T2
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Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Herstellung einer mehrschichtigen Halbleiter-Schaltvorrichtung hoher Leistung mit mehreren elektrisch parallelen Kontakten.
  • Hableiter-Schaltvorrichtungen hoher Leistung müssen aufgrund der inhärenten Notwendigkeit der Aufnahme hoher Stromstärken eine verhältnismäßig große Fläche aufweisen. Typischerweise werden hunderte von einzelnen Vorrichtungen, z.B. GTO-Thyristoren, zur Bildung einer solchen Vorrichtung auf einem einzigen Wafer in paralleler Beziehung integriert.
  • Aufgrund der großen Fläche und der bei thermischem Wechsel auftretenden Spannung ist die Herstellung eines elektrischen Kontakts mit einem einzigen, beispielsweise Kathoden-Polschuh mit den Mehrfachkontakten ein schwieriges Problem. Die verschiedenen Kontakte, in der Technik besser bekannt als Finger, können zum Beispiel aufgrund des erforderlichen Trockenkontakts sowohl einen übermäßigen Spannungsabfall in Durchlaßrichtung als auch unterschiedliche Spannungsabfälle oder Widerstände aufweisen. Verteilt sich der Strom nicht gleichmäßig auf die verschiedenen Finger, erfolgt kein Abschalten zur gleichen Zeit und somit werden ungleiche Stromstärken geführt. Damit ist die Gesamtkapazität der Vorrichtung begrenzt.
  • Figur 5 veranschaulicht die Eigenschaften einer typischen bekannten Vorrichtung, wobei der von verschiedenen Mehrfachkontaktfingern geführte Strom einer GTO- Thyristorvorrichtung von Finger zu Finger erheblich variiert. Dieser Unterschied wird durch die Hinzufügung eines weit variierbaren Spannungsabfalls an weit variierbaren Trockenkontaktwiderständen erhöht.
  • In der EP-A-0 224 141, die hier ausschließlich in Zusammenhang mit Paragraph 54(3) EPÜ erwähnt wird, wird eine mehrschichtige Halbleiter-Schaltvorrichtung hoher Leistung beschrieben, bei der elektrischer Kontakt mit einer Vielzahl von auf der Oberfläche eines im wesentlichen flachen, scheibenförmigen Silizium-Leistungsthyristors mit einer Gate-Elektrode von involuter Struktur vorhandenen Kathodenelektroden mittels einer flachen, scheibenförmigen Silizium-Wärmesenkungselektrode hergestellt wird. Bis zur Entartung dotiertes, elektrisch hoch leitfähiges Silizium, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient im wesentlichen gleich dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Substrats der Vorrichtung ist, bildet die Wärmesenkungselektrode. Die Wärmesenkungselektrode ist permanent über eine Hartmetall- Legierung oder eutektische Verbindung mit den Oberflächen der Kathodenelektroden der Vorrichtung verbunden. Der Einsatz einer eutektischen Verbindung aus Aluminium und Silizium soll Schlupf oder Kriechen zwischen der Elektrode und dem Substrat der Vorrichtung verhindern. Mittels Unterdruckbeschichtung oder Aufstäuben lassen sich Aluminiumschichten auf die Halbleiteroberflächen der Wärmesenkungselektrode und der Vorrichtung auftragen. Zur Bildung einer eutektischen Verbindung wird das Elektroden- Vorrichtungs-"Sandwich" für eine halbe Stunde bei einer Temperatur zwischen 500 ºC und 700 ºC in einer Wasserstoffatmosphäre erhitzt.
  • In "Patents Abstracts of Japan", Band 10, Nr. 289 (E-442) [2345] vom 2. Oktober 1986, (JP-A-61 107 753), wird eine mehrschichtige Halbleiter-Schaltvorrichtung mit einer externen, nach außen führenden Elektrodenplatte beschrieben, die aus einem Silizium-Substrat mit geringem Widerstand besteht und mit einer Vielzahl von koplanaren Elektrodenoberflächen der Vorrichtung in Kontakt gehalten wird. Es gibt keinen Vorschlag für eine Verbindung zur Fixierung der Elektrodenplatte an die Elektrodenoberflächen der Vorrichtung.
  • Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer verbesserten mehrschichtigen Halbleiter- Schaltvorrichtung hoher Leistung mit mehreren elektrisch parallelen Kontakten und im besonderen einer Vorrichtung, bei der der Kontaktspannungsabfall der Kontakte wesentlich reduziert wird und im wesentlichen für alle Kontakte gleich ist.
  • Erfindungsgemäß wird ein verfahren bereitgestellt zum Herstellen einer mehrschichtigen Halbleiter- Schaltvorrichtung hoher Leistung mit mehreren elektrisch parallelen Kontakten zur Aufnahme hoher Stromstärken, das beinhaltet: Bereitstellen einer Schaltvorrichtung aus Halbleitermaterial, die die parallelen Kontakte trägt, und einer einheitlichen Kontakteinrichtung mit großer Fläche, die im wesentlichen aus einem Material besteht, das den Wärmedehnungseigenschaften des Halbleitermaterials der Schaltvorrichtung angepaßt ist und wenigstens eine elektrische Kontaktschicht trägt und Verbinden der Kontaktschicht mit den parallelen Kontakten durch thermische Kompression. Damit ergibt sich ein Spannungsabfall an den parallelen Kontakten, der reduziert und für jeden der Kontakte im wesentlichen angeglichen wird.
    • Kurzbeschreibung der Figuren
  • Figur 1A ist eine perspektivische Ansicht in fragmentarischer Form eines Kathodenkontakts, der die vorliegende Erfindung umfaßt.
  • Figur 1B ist ein Querschnitt eines Anodenbereichs einer Halbleiter-Schaltvorrichtung, die die vorliegende Erfindung umfaßt.
  • Figur 2 ist ein vereinfachter Zusammenbau der Figuren 1A und 1B und zeigt auch das Konstruktionsverfahren der Erfindung.
  • Figur 3 ist eine skizzierte Ansicht von Figur 1B, die eine viel größere Fläche zeigt.
  • Figur 4 ist eine skizzierte Ansicht von Figur 1B, die im wesentlichen entlang der Linien 4-4 von Figur 1B abgenommen wurde.
  • Figur 5 zeigt eine Kennlinie, die den Stand der Technik veranschaulicht.
    • Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
  • Figur 1B zeigt in vereinfachter Form eine GTO- Thyristorvorrichtung mit mehreren parallelen Kontakten zur Aufnahme hoher Stromstärken. Grundsätzlich gibt es eine Anode 11, die Mehrfachkontakte 12 und die Gatekontakte 13, die auf einer P-Basis angeordnet ist. Im allgemeinen befindet sich unter jedem Kathodenkontakt 12 eine Folge von dotierten Silizium-Leiterschichten; nämlich N+, P, N-, N und P+. Figur 3 ist eine Draufsicht auf Figur 1B, umfaßt jedoch eine viel größere Fläche, die mehrere kreisförmige Flächen (besonders 14a bis 14f) der parallelen Mehrfachkontakte 12 zusammen mit den Zwischen-Gatekontakten 13 zeigt, die durch die Gatekontaktbänder 16 und 17 miteinander verbunden sind.
  • Figur 4 ist eine ausführlichere Darstellung des vorigen, wobei jeder Kathodenkontakt 12 stark vergrößert auf einem von einem Mesa P umgebenen Mesa N+ gezeigt wird, wobei, wie bei 18 gezeigt, auf der P-Basis, auf der sich der Gatekontakt 13 des aufgetragenen Metalls befindet, ein Talbereich gebildet wird. Alle Gatekontakte 13 werden dann an den in Figur 3 gezeigten Bändern 16 und 17 herausgebracht.
  • Da, wie in Figur 3 gezeigt, die gesamte Vorrichtung eine verhältnismäßig große Fläche einnimmt, sind die thermischen Belastungsprobleme erheblich. Zur Bereitstellung eines einzigen einheitlichen Kontaktes mit großer Fläche zu den verschiedenen Fingern 12 und zur Vermeidung der Spannungsabfallschwankungen, wie in Figur 5 gezeigt, die durch eine frühere flache Metallscheibe entstanden sind, die nur mit Druck auf den Kontakten 12 gehalten wurde, gibt es deshalb die einheitliche Kontakteinrichtung 21 mit großer Fläche der Figur 1A, die das Kathodenpolstück der GTO-Thyristorstruktur bildet. Zum zentralen Kernbereich 22 dieser Kathode gehört Halbleitermaterial aus dotiertem Silizium, wie beispielsweise N+ mit Arsen, einem Material mit ähnlicher thermischer Ausdehnung wie das Silizium- Material des aktiven Thyristorbereichs aus Figur 1B. Damit wird jegliche thermische Ausdehnung oder Belastung zwischen den beiden Bereichen aus Figur 1A und 1B identisch angepaßt. Dadurch kann der Kathodenbereich 21 zusammen mit seinen metallisierten äußeren Schichten und besonders seiner äußeren Kupferschicht 23, durch thermische Kompression permanent mit den Fingern 12 aus Figur 1B verbunden werden. Darüberhinaus wird durch hohe Dotierung mit einer Konzentration von typischerweise 5x10¹&sup8; zur Verbesserung der Abfalleigenschaften in Durchlaßrichtung die Leitfähigkeit erhöht.
  • Besonders der Siliziumkern 22 hat in sich eine hochdotierte Oberflächenschicht N++ diffundiert, um die Bildung einer Schottky-Potentialschwelle zu verhindern und um einen verbesserten ohmschen Kontakt zu liefern. Die Oberflächenschicht hat eine Konzentration von typischerweise 10²&sup0;, was natürlich zwei Größenordnungen höher ist als der N+ Kern 22. Danach befindet sich eine Titanzwischenschicht (Ti) 26 zwischen der Kupferschicht 23 und dem Halbleiter-Material, um eine Migration des Kupfers in das Halbleiter-Material zu verhindern, was dieses "vergiften" oder seine Betriebsdauer verkürzen könnte. Diese Ti-Schicht dient auch (zusätzlich zu ihrer Funktion als Sperrschicht) zur Erhöhung der Haftung, da Kupfer auf Titan auf Silizium eine bessere Haftung hat als Kupfer auf Silizium. Titan hat auch eine gute Haftung auf Aluminium. Gold und Silber sowie jedes Material, das eine thermische Kompressionsverbindung bei mäßigen Temperaturen bildet, können das Kupfer ersetzen. Entsprechend läßt sich beispielsweise die Titan-Sperrschicht/Haftschicht durch Chrom ersetzen. Der Siliziumkontakt 21 kann auch eine ziemlich dicke Metallschicht (relativ zu der Sperrschicht/Haftung und den thermischen Kompressionsverbindungsmetallen) umfassen, die nachgiebiger ist als Silizium, und so Druck gleichmäßiger verteilen kann, falls die passenden Oberflächen nicht perfekt flach sind; zum Beispiel 5 Mikrometer Aluminium. Dies ist in Figur 1A bei 25 zwischen der N++ Diffusion 24 und der Ti- Schicht 26 dargestellt.
  • Die andere Seite des Siliziumkerns 22 hat ähnliche Schichten 23, 24 und 26. Die Kernschicht des N+ Siliziums 22 ist mit Arsen dotiert, um eine Leitfähigkeit von etwa 0,0015 Ohm-Zentimetern bereitzustellen. Die Kontaktschicht 23 ist vorzugsweise aus Kupfer, kann jedoch auch aus jedem anderen passenden Metall mit hoher Leitfähigkeit sein, wie beispielsweise Gold oder Silber. Das Ziel ist, sie mit den parallelen Kontakten 12 aus Figur 1B bei einer verhältnismäßig niedrigen Temperatur und Druck, wie beispielsweise 6895 Kilopascal (1.000 psi) bei 300 ºC, verbinden zu lassen.
  • In Figur 1B liegt unter dem Kupferkontaktfinger 12 eine Sperrschicht/Haftungszwischenschicht 31 aus Titan- oder Chrom, die wieder, wie im Fall des Kathodenkontakts 21, Diffusion des Kupfers in das Halbleitermaterial verhindert. Diese befindet sich auf einer Aluminium-Schicht 32, die direkt auf der N+ Insel 33 aufgetragen ist. Aluminium wurde gewählt, weil es eine gute Zwischenschicht zur Silizium- und zur Titanschicht 31 bildet. Weiterhin ist es bei Kompression nachgiebig, wie vorstehend mit Bezug auf den Kathodenkontakt 21 zur Verteilung von Spannung beschrieben. Mit Bezug auf die Titanschicht ließe sich ein anderes Material, wie beispielsweise Chrom oder Chrom-Silicid einsetzen. Weiterhin könnte die Alumiunium-Kontaktschicht zur Silizium-Vorrichtung ein feuerfestes Metall oder ein Silicidmetall-Feuerfesterzeugnis sein, wobei dann die Barriere-/Haftungsschicht optional wäre.
  • Um den Kathodenkontakt 21 und seine Kupferkontaktschicht 23 permanent mit den parallelen Mehrfachkontakten 12 aus Figur 1B zu verbinden, wird, wie in Figur 2 dargestellt, Druck und Wärme an den gegenüberliegenden Seiten der Kathode und Anode angelegt. Solcher Druck könnte typischerwelse 6895 Kilopascal (1.000 psi) bei einer Temperatur von 300 ºC betragen. Dies ist jedoch nicht kritisch. Die Temperatur sollte weniger als 400 ºC betragen, da ab dieser Temperatur das Aluminium eine bestimmte Menge des Siliziums aufzulösen beginnt. Der Druck ist natürlich durch die strukturellen Eigenschaften des Materials selbst begrenzt. Die verschiedenen Kontakte 12 sind nur schematisch dargestellt, sie würden jedoch im allgemeinen dem Format aus Figur 3 entsprechen. Ein Schlüsselelement der Verbindung ist, daß keine Flüssigkeit gebildet wird, die sich seitlich entlang der Oberfläche der Vorrichtung bewegen würde und beispielsweise zu kurzgeschlossenen Gates führen könnte. Werden die Gatekontakte jedoch passiviert, ließe sich der Einfluß der Flüssigkeit minimieren.
  • Die Gatekanäle 34 und 35 sind im Kathodenstück 21 angeordnet, um ein Herausführen der Leiteranschlüsse 16 und 17 zu den Gates zu ermöglichen. Alternativ läßt sich das Kathodenstück 21, wie durch die gestrichelten Linien um die Kanäle 34 und 35 dargestellt, in eine zentrale Scheibe (mit einem Loch im Zentrum) und einen äußeren Ring teilen, so daß eine direkte elektrische Verbindung zu den Kontaktpunkten des Gates ermöglicht wird. Bei Vorrichtungen mit mehreren Kontakten, bei denen die Gates auf der gleichen Stufe wie die Fingerkontakte der Kathode sein können (z.B. bei einem Leistungstransistor), kann die Paßoberfläche des Kathodenstücks 21 vorgeätzt sein, um Kontakt mit oder Verbindung zu den Gates zu verhindern.
  • Durch die Anlegung des oben genannten Drucks und der Wärme zur Bildung einer permanenten Verbindung ergibt sich mit Bezug auf Figur 5 eine Stromkennlinie, die im wesentlichen flach ist. In anderen Worten, es gibt keine Schwankung von Kontakt zu Kontakt. Damit wird der Betrieb der Vorrichtung erheblich verbessert, da es keine oder kleine Gruppe von Kontakten gibt, die übermäßig Strom führen, wie beispielsweise beim Abschalten.
  • In Figur 1B betragen die typischen Maße der Metallschichten für eine Aluminiumschicht 32 fünf Mikrometer, eine Titanschicht 31 150 nm (1500 Ångström) und eine Kupferschicht ein Mikrometer.
  • Aus der Sicht der Halbleiter-Herstellungsverfahren werden die verschiedenen metallischen Schichten durch typische Aufdampfungs- oder Aufstäubungs-Verfahren geformt. Die vorliegende Erfindung ist, wie in der bevorzugten Ausführungsform gezeigt, zusätzlich zum GTO-Thyristor einsetzbar mit anderen Vorrichtungen mit hoher Stromstärke und verhältnismäßig großer Fläche, wo eine Reihe von parallelen Mehrfachkontakten vorhanden ist. Im allgemeinen ist dies eine wesentliche Verbesserung gegenüber früheren Verfahren, bei denen aufgrund der inhärenten Nichtübereinstimmung zum Beispiel zwischen dem Silizium- Wafer und einem Metallkathodenpolstück, ein trockener Kontakt erforderlich war, damit eine relative seitliche Bewegung oder "Scheuern" zwischen den Kontaktfingern und dem Einheiten-Polstück stattfinden konnte. Bei der vorliegenden Erfindung findet zumindest kein Scheuern an den Kontaktfingern statt und somit wird nicht nur ein viel einheitlicherer und niedrigerer Spannungsabfall in Durchlaßrichtung an diesen kritischen Kontaktpunkten erreicht, sondern auch eine viel zuverlässigere, robuste Vorrichtung, da die mechanische Scheuerwirkung eliminiert wird.
  • Somit steht eine verbesserte mehrschichtige Halbleiter- Schaltvorrichtung hoher Leistung zur Verfügung.

Claims (11)

1. Verfahren zum Herstellen einer mehrschichtigen Halbleiter-Schaltvorrichtung hoher Leistung, mit mehreren elektrisch parallelen Kontakten (12) zur Aufnahme hoher Stromstärken, mit folgenden Schritten:
- Bereitstellen einer Schaltvorrichtung (11, 13) aus Halbleitermaterial, die die parallelen Kontakte (12) trägt,
- Bereitstellen einer einheitlichen Kontakteinrichtung (21) mit großer Fläche, die im wesentlichen aus einem Material besteht, das den Wärmedehnungseigenschaften des Halbleitermaterials der Schaltvorrichtung angepaßt ist und wenigstens eine elektrische Kontaktschicht (23) trägt, und
- Verbinden der Kontaktschicht (23) mit den parallelen Kontakten (12) durch thermische Kompression.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltvorrichtung ein mittels des Gates abschaltbarer Thyristor ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontakteinrichtung (21) in Form einer flachen Scheibe ausgebildet ist, deren äußere Oberfläche so beschichtet ist, daß die Kontaktschicht (23) gebildet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktschicht aus Kupfer ausgebildet ist und eine Titanschicht (26) unter dem Kupfer liegt, um eine Wanderung des Kupfers zum Material der einheitlichen Kontakteinrichtung (21) zu verhindern.
5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die parallelen Kontakte (12) eine äußere Kupferschicht zur Verbindung mit der Kontaktschicht (23) der einheitlichen Kontakteinrichtung (21) aufweisen.
6. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die einheitliche Kontakteinrichtung (21) aus Halbleitermaterial mit einer hochdotierten Oberflächen-Diffusionsschicht (24) zum Tragen der Kontaktschicht (23) ausgebildet ist.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die parallelen Kontakte (12) aufweisen:
- eine erste nachgiebige Kompressionsschicht (32) aus verhältnismäßig weichem Metall, die in ohmschem Kontakt mit dem Halbleitermaterial der Schaltvorrichtung steht,
- eine dritte oder äußere Schicht aus Metall, die zur thermischen Kompressionsverbindung mit der Kontaktschicht (23) der einheitlichen Kontakteinrichtung (21) ausgebildet ist, und
- eine zweite oder Zwischenschicht (31), die an der ersten und der dritten Schicht haftet und eine Wanderung von Metall zum Halbleitermaterial verhindert.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schicht (32) aus Aluminium, die zweite Schicht (31) aus Titan oder Chrom, und die dritte Schicht aus Kupfer, Gold oder Silber besteht.
9. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die einheitliche Kontakteinrichtung (21) eine Schicht (25) aus bei Kompression nachgiebigem Aluminium aufweist.
10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die einheitliche Kontakteinrichtung (21) aus einem Kern aus Halbleitermaterial mit einer Dotierkonzentration von wenigstens 10¹&sup8; Atomen/cm³ besteht.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial eine hochdotierte Oberflächen-Diffusionsschicht (24) mit einer Konzentration aufweist, die wenigstens zwei Größenordnungen größer als 10¹&sup8; Atome/cm³ ist.
DE8787309075T 1986-10-27 1987-10-14 Herstellung einer mehrschichtigen leistungshalbleiterschaltung mit mehrfachen parallelen kontaktfingern. Expired - Fee Related DE3781861T2 (de)

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