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DE69321966T2 - Leistungs-Halbleiterbauelement - Google Patents

Leistungs-Halbleiterbauelement

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DE69321966T2
DE69321966T2 DE69321966T DE69321966T DE69321966T2 DE 69321966 T2 DE69321966 T2 DE 69321966T2 DE 69321966 T DE69321966 T DE 69321966T DE 69321966 T DE69321966 T DE 69321966T DE 69321966 T2 DE69321966 T2 DE 69321966T2
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Ferruccio I-95030 S. Agata Li Battiati Frisina (Catania)
Marcantonio I-95024 Acireale Mangiagli (Catania)
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CORIMME Consorzio per Ricerca Sulla Microelettronica nel Mezzogiorno
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Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich, auf eine eine integrierte Struktur aufweisende Kontaktstellenanordnung zum Drahtbonden auf einem aktiven Bereich bei Leistungs-Halbleitervorrichtungen, insbesondere mit zellenförmiger Struktur, wie zum Beispiel Leistungs- MOSFETs und Bipolartransistoren mit isoliertem Gate, sowie auf ein Herstellungsverfahren dafür.
  • Bei Leistungs-Halbleitervorrichtungen, wie zum Beispiel solchen, die in MOS-Technologie hergestellt sind, kann die für die Bondverbindungsbereiche reservierte Chipfläche einen beträchtlichen Bruchteil der gesamten Chipfläche ausmachen. Im Fall eines Leistungs-MOSFET mit niedriger Spannung zum Beispiel, der eine spezifizierte Nennspannung von 100 V aufweist, kann der MOSFET-Strom im Bereich von mehreren Zehn Ampere liegen; um einem solchen Strom standzuhalten, muß der Source-Draht einen recht großen Durchmesser von typischerweise 0,4 bis 0,5 mm aufweisen, und die für die Bondverbindung des Drahts mit dem Chip aufzuwendende Fläche muß in der Größenordnung von 1,3 · 1,3 mm² liegen. Die Situation verschlechtert sich sogar noch, wenn mehr als ein Source-Draht erforderlich ist.
  • Zur Überwindung dieses Problems ist die Technik bekannt, die Bondverbindungsbereiche direkt über dem aktiven Bereich der Vorrichtung zu realisieren, und zwar ohne Notwendigkeit zur Ausbildung von speziellen Kontaktstellen; eine derartige Technik ist unter der Bezeichnung "Bondverbindung auf aktivem Bereich" bekannt und erlaubt eine Reduzierung der Chipgröße, da keine Flächen für die Verwirklichung der Bondverbindungsbereiche verschwendet werden.
  • Eine derartige Technik beinhaltet jedoch einige Probleme, insbesondere was den Lötprozeß zwischen dem Draht und der Chip-Metallisierungsschicht anbelangt. Im allgemeinen werden Aluminiumdrähte mit großem Durchmesser mit der Chip-Metallisierungsschicht unter Verwendung einer Technik verlötet, die als "Ultraschall-Drahtbonden" (USWB) bekannt ist, die darin besteht, daß der auf der Aluminiumschicht zu verlötende Draht auf dem Chip positioniert wird, eine bestimmte vertikale Kraft auf den Draht aufgebracht wird und der Draht gleichzeitig einer "Ultraschall-Entladung" ausgesetzt wird; die Ultraschall-Entladung zusammen mit dem auf den Draht ausgeübten Druck bringt die beiden Oberflächen in engen Kontakt, wodurch ihre Oberflächenoxide aufgebrochen werden und dadurch ein Lötvorgang erzielt wird.
  • Beim Ultraschall-Drahtbonden auf einem aktiven Bereich, wie zum Beispiel einem Leistungs-MOSFET-Chip, wird die beträchtliche mechanische Belastung, der die Vorrichtung während der Bondverbindungsphase ausgesetzt wird, auf die unter der Metallisierungsschicht liegenden dielektrischen Schichten übertragen, d. h. auf die Gateoxidschicht und die Polysilizium-Gateschicht, wodurch es zu Rissen in der Oxidschicht oder Mikrodefekten kommt, die die Zuverlässigkeit der Vorrichtung reduzieren. Die Gateoxidschicht, bei der es sich im allgemeinen um die dünnste dielektrische Schicht handelt, ist für solche Beschädigungen am anfälligsten. Je größer der Durchmesser der verwendeten Drähte, desto wahrscheinlicher ist dieses Phänomen: bei Verwendung von Drähten mit einem Durchmesser von mehr als 0,4 mm kann eine systematische Beschädigung auftreten. Da ferner der Technologietrend bei Leistungs-MOS-Vorrichtungen mit niedriger Spannung zu einer Reduzierung der Dicke der Oxidschicht geht, um den Ausgangswiderstand zu reduzieren und die Stromdichten zu steigern, wird die Bondverbindung auf aktiven Bereichen in der Praxis immer weniger praktikabel.
  • Die US-A-4 881 106 offenbart einen Leistungs-MOSFET im wesentlichen der Art, wie er im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegeben ist.
  • In Anbetracht des beschriebenen Standes der Technik besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung in der Schaffung einer eine integrierte Struktur aufweisenden Kontaktstellenanordnung zum Drahtbonden, die eine Bondverbindung auf aktiven Bereichen ohne die vorstehend genannten Nachteile ermöglicht.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe gelöst mittels eines Leistungs-Halbleitervorrichtung- Chip, wie er im Anspruch 1 angegeben ist.
  • Bei einem Leistungs-Halbleitervorrichtungs-Chip mit der Struktur gemäß der vorliegenden Erfindung werden die mechanischen Belastungen, die während des Bondverbindungsvorgangs von dem Draht auf den Leistungs-Vorrichtungs-Chip aufgebracht werden, von der Dummy-Zelle bzw. Blindzelle aufgenommen, die keinerlei funktionsmäßig aktives Element der Leistungsvorrichtung aufweist.
  • Da der Bondverbindungsbereich in bezug auf die Oberfläche der Metallisierungsschicht über die aktive Elemente enthaltenden Zellen erhöht ausgebildet ist, kommt es zu keinem harten körperlichen Kontakt der Bondverbindungsdrähte mit den aktive Elemente enthaltenden Zellen, sondern lediglich mit den Blindzellen, und da letztere widerstandsfähiger gegen mechanische Belastung sind als die aktiven Zellen, ist es möglich, einen Bondverbindungsbereich direkt auf dem aktiven Bereich der Leistungs-Halbleitervorrichtung zu verwirklichen, ohne Gefahr der Beschädigung der Leistungsvorrichtung.
  • Die Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung von drei praktischen Verwirklichungen ihres bevorzugten Ausführungsbeispiels noch deutlicher, die als nicht einschränkende Beispiele in den beigefügten Zeichnungen veranschaulicht sind. In den Zeichnungen zeigen:
  • Fig. 1 eine schematische, von oben gesehene Draufsicht auf eine eine integrierte Struktur aufweisende Kontaktstellenanordnung gemäß einer ersten praktischen Verwirklichung des bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung;
  • Fig. 2 eine Schnittansicht entlang der Linie II-II der Fig. 1;
  • Fig. 3 eine schematische, von oben gesehene Draufsicht auf eine eine integrierte Struktur aufweisende Kontaktstellenanordnung gemäß einer zweiten praktischen Verwirklichung des bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung;
  • Fig. 4 eine schematische, von oben gesehene Draufsicht auf eine eine integrierte Struktur aufweisende Kontaktstellenanordnung gemäß einer dritten praktischen Verwirklichung des bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung;
  • Fig. 5 bis 7 Schnittansichten ähnlich der Fig. 2, in denen zwischengeordnete Schritte während des Herstellungsvorgangs veranschaulicht sind.
  • Eine Leistungs-MOS-Vorrichtung, wie zum Beispiel ein Leistungs-MOSFET, ist aus einer Mehrzahl von Elementarzellen 1 gebildet, die auch als "Source-Zellen" bezeichnet werden und zur Bildung einer zweidimensionalen Anordnung angeordnet sind. In Fig. 2 sind zwei Source-Zellen 1 gezeigt, die jeweils aus einem ersten Unterbereich des Halbleitervorrichtungs-Chip gebildet sind: sie besitzen einen P&spplus;-leitenden tiefen Körperbereich bzw. Wannen-Körperbereich, der in einer N&supmin;-leitenden Epitaxialschicht 3 gebildet ist, die wiederum über einem N&spplus;-leitenden Substrat 4 aufgewachsen ist. Der P&spplus;-leitende Wannen-Körperbereich 2 ist seitlich von einem P&supmin;-leitenden ringförmigen Bereich 5 umgeben und geht in diesen über; innerhalb des P-leitenden Halbleiterbereichs, der durch den P&supmin;-leitenden ringförmigen Bereich S und durch den P&spplus;-leitenden Wannen-Körperbereich 2 gebildet ist, ist ein N&spplus;-leitender ringförmiger Bereich 6 gebildet, der einen Source-Bereich der elementaren Source-Zelle 1 bildet. An der Halbleiter- Oberfläche erstreckt sich eine Oxidschicht 7 über den P&supmin;-leitenden ringförmigen Bereich 5 und zum Teil über den N&spplus;-leitenden ringförmigen Bereich 6; eine Polysiliziumschicht 8 ist über der darunterliegenden Oxidschicht 7 angeordnet und automatisch mit dieser ausgefluchtet. Eine isolierende Schicht 9 bedeckt die Polysiliziumschicht 8 und ist zur Bildung von Kontaktbereichen selektiv geätzt, um einer darüberliegenden Metallschicht 10 zu ermöglichen, sowohl mit dem N&spplus;-leitenden ringförmigen Bereich 6 als auch dem P&spplus;-leitenden Wannen-Körperbereich 2 in Kontakt zu treten; die Me tallschicht 10 kontaktiert in derselben Weise alle elementaren Source-Zellen 1 und bildet eine Source- Elektrode für den Leistungs-MOSFET.
  • Eine eine integrierte Struktur aufweisende Kontaktstellenanordnung gemäß einer ersten praktischen Verwirklichung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung, wie sie in Fig. 1 gezeigt ist, ist im wesentlichen aus einer zweidimensionalen Anordnung von elementaren Source-Zellen 1 gebildet, die mit Blindzellen 11 versetzt ist, deren horizontale Abmessungen mit denen der Source-Zellen 1 identisch sind, wobei sie jedoch eine andere Höhe aufweisen. Dies ist in Fig. 2 deutlich zu sehen, in der eine Schnittdarstellung einer solchen Blindzelle 1 als durch einen zweiten Unterbereich des Halbleiter-Chip gebildet dargestellt ist. Anders als bei einer elementaren Source-Zelle 1 sind in der Blindzelle 11 kein P&spplus;- leitender Wannen-Körperbereich 2, kein P&supmin;-leitender ringförmiger Bereich 5 und kein N&spplus;-leitender ringförmiger Bereich 6 vorhanden; ferner ist die Dicke der Oxidschicht 7 größer als die Dicke der Oxidschicht 7 in den Source-Zellen 1: dies führt dazu, daß die Oberfläche der Metallschicht 10 in bezug auf die Source- Zellen 1 höher angeordnet ist als die Blindzellen 11. Solche Blindzellen 11 sind aufgrund der höheren Dicke der Oxidschicht 7 widerstandsfähiger gegen mechanische Belastungen als die Source-Zellen, und aufgrund der Tatsache, daß über ihnen die Metallschicht 10 in bezug auf die Oberfläche der Source-Zellen weiter nach oben ragt, kommt es dann, wenn ein Draht zum Verlöten auf der Kontaktfläche bzw. Kontaktstelle angeordnet wird, zu keinem harten körperlichen Kontakt mit den elementaren Source-Zellen 1, sondern nur mit den Blindzellen 11.
  • Es sind verschiedene topographische Verteilungen von Blindzellen 11 und elementaren Source-Zellen 1 möglich, wobei dies von dem Drahtdurchmesser abhängig ist: in Fig. 1 ist eine Verteilung gezeigt, bei der etwa 90% der Kontaktstellenfläche von elementaren Source-Zellen 1 und 10% von Blindzellen 11 belegt sind: dies bedeutet, daß 90% der Kontaktstellenfläche aktive Fläche sind und nur 10% der Fläche nutzlos sind.
  • In Fig. 3 ist eine zweite praktische Verwirklichung des bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung gezeigt, die sich von der vorausgehenden im wesentlichen dadurch unterscheidet, daß eine andere topographische Verteilung der elementaren Source-Zellen 1 und der Blindzellen 11 verwendet wird; wie bei der vorausgehenden praktischen Verwirklichung sind 90% der gesamten Kontaktstellenfläche aktive Fläche und 10% sind nutzlose Fläche.
  • Fig. 4 zeigt eine dritte praktische Verwirklichung des bevorzugten Ausführungsbeispiels, in der die Blindzellen 11 unter Bildung von Reihen angeordnet sind.
  • Wie bereits erwähnt wurde, können unterschiedliche topographische Anordnungen und Dichten der Blindzellen 11 in der Anordnung der Elementarzellen 1 verwendet werden, wobei dies von dem Drahtdurchmesser und der gesamten Kontaktstellenfläche abhängig ist.
  • Zur Herstellung einer eine integrierte Struktur aufweisenden Kontaktstellenanordnung gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung läßt man zu Beginn eine schwach dotierte N&supmin;-leitende Epitaxialschicht 3 auf einem stärker dotierten N&spplus;-leitenden Substrat 4 aufwachsen; bei letzterem handelt es sich im allge meinen um einen Siliziumwafer mit der Kristall- Schnittorientierung "100" und einem spezifischen Widerstand von etwa 10 mOhm/cm; die Epitaxialschicht dagegen hat einen hohen Widerstand und besitzt eine spezifischen Widerstandswert im Bereich von 1 bis 100 Ohm/cm. Die Dicke der Epitaxialschicht 3 liegt im Bereich von 1 bis 100 um.
  • Der Siliziumwafer wird dann oxidiert, um eine Oxidschicht mit einer Dicke von etwa 1 oder 2 um (Fig. 5) zu schaffen. Eine Maskierung und selektive Ätzung schaffen Fenster in der Oxidschicht entsprechend den Bereichen der Bildung der elementaren Source-Zellen 1 der Leistungsvorrichtung. Die Oxidschicht wird von den Bereichen, in denen Blindzellen 11 gebildet werden sollen, sowie von dem Umfang des Chip nicht entfernt.
  • Dann werden Borionen durch die Fenster in der Oxidschicht in die Epitaxialschicht 3 implantiert, um die P&spplus;-leitenden Wannen-Körperbereiche 2 der Elementarzellen 1 zu bilden (Fig. 6).
  • Die Oxidschicht 7 wird dann von der Oberfläche des aktiven Bereichs der Leistungsvorrichtung, jedoch nicht von denjenigen Bereichen entfernt, in denen die Blindzellen 11 gebildet werden sollen.
  • Der aktive Bereich der Vorrichtung wird dann mit einer dünneren Oxidschicht bedeckt, um die Gateoxidschicht zu bilden, und die gesamte Halbleiteroberfläche wird mit einer Polysiliziumschicht 8 bedeckt (Fig. 7).
  • Danach werden in der Polysiliziumschicht 8 und in der dünneren Oxidschicht Fenster geöffnet, um selektiv Dotierstoffionen zur Bildung der P&supmin;-leitenden ringför migen Bereiche 5 sowie der N&spplus;-leitenden Source-Bereiche 6 der Elementarzellen 1 zu bilden.
  • Auf die Halbleiteroberfläche wird dann eine Isolierschicht 9 aufgebracht, und in dieser werden Fenster geöffnet, damit eine Metallschicht 10 mit den Sourcebereichen 6 und mit dem P&spplus;-leitenden Wannen-Körperbereich 2 von allen Elementarzellen 1 (Fig. 2) in Kontakt treten kann. Ferner wird auf die Bodenfläche der Vorrichtung eine Metallisierungsschicht aufgebracht, um eine Drain-Elektrode des Leistungs-MOSFET zu bilden.

Claims (7)

1. Leistungs-Halbleitervorrichtungs-Chip, der folgendes aufweist:
erste und zweite identische Zellen (1), die in einer ersten Hauptfläche des Chip vorgesehen sind, wobei jede der Zellen aktive Elemente und einen Hauptkontaktbereich einer Leistungsvorrichtung aufweist;
eine erste Isolierschicht (7), die eine erste Dicke besitzt und auf der Hauptfläche über den ersten und den zweiten Zellen angeordnet ist, wobei die erste Isolierschicht erste und zweite Öffnungen über den jeweiligen Hauptkontaktbereichen der ersten und zweiten Zellen aufweist;
eine Blindzelle (11), die die ersten und zweiten Zellen trennt und im wesentlichen dieselben Abmessungen wie diese besitzt und auf der keine aktiven Vorrichtungsbereiche ausgebildet sind;
eine zweite Isolierschicht (7), die eine zweite Dicke besitzt, die größer ist als die auf der Oberfläche der Blindzelle ausgebildete erste Dicke;
eine Kontaktmetallisierungsschicht (10), die auf der ersten Isolierschicht über den ersten und zweiten Zellen gebildet ist und mit jedem der Hauptkontaktbereiche in Kontakt steht;
dadurch gekennzeichnet,
daß die Kontaktmetallisierungsschicht sich ferner über der zweiten Isolierschicht über der Blindzelle erstreckt, so daß ein Bondverbindungsbereich für einen Bondverbindungsdraht gebildet ist, der in bezug auf die Oberfläche der Metallisierungs schicht über den ersten und zweiten Zellen erhöht ausgebildet ist.
2. Leistungs-Halbleitervorrichtungs-Chip nach Anspruch 1, mit einer Mehrzahl der identischen Zellen, die in einer bidirektionalen Anordnung angeordnet sind.
3. Leistungs-Halbleitervorrichtungs-Chip nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß er eine Mehrzahl von Blindzellen aufweist, die zwischen den aktiven Zellen eingefügt sind.
4. Leistungs-Halbleitervorrichtungs-Chip nach Anspruch 2 oder 3, wobei der Halbleiterchip ein Substrat (4) aufweist, das von einer schwach dotierten Schicht (3) eines ersten Leitfähigkeitstyps bedeckt ist, wobei jede der aktiven Zellen durch einen jeweiligen ersten Bereich der schwach dotierten Schicht (3) gebildet ist, in dem ein stark dotierter Bereich (2) eines zweiten Leitfähigkeitstyps vorgesehen ist, in dem wiederum ein stark dotierter Bereich (6) des ersten Leitfähigkeitstyps vorgesehen ist, wobei der erste Bereich der schwach dotierten Schicht (3) zum Teil von einer ersten Dreifachschicht (7, 8, 9) bedeckt ist, die die erste Isolierschicht (7), eine leitfähige Schicht (8) und eine dritte Isolierschicht (9) aufweist,
wobei jede der Blindzellen durch einen jeweiligen zweiten Bereich der schwach dotierten Schicht (3) gebildet ist, der von einer zweiten Dreifachschicht (7, 8, 9) vollständig bedeckt ist, die die zweite Isolierschicht, die leitfähige Schicht und die dritte Isolierschicht aufweist.
5. Leistungs-Halbleitervorrichtungs-Chip nach Ansprüch 4,
dadurch gekennzeichnet, daß die schwach dotierte Schicht (3) einer Epitaxialschicht ist.
6. Leistungs-Halbleitervorrichtungs-Chip nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (4) vom ersten Leitfähigkeitstyp ist.
7. Leistungs-Halbleitervorrichtungs-Chip nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (4) vom zweiten Leitfähigkeitstyp ist.
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