DE102012102124B4 - Leistungshalbleitervorrichtung - Google Patents

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Abstract

Halbleitervorrichtung (100 ... 700), umfassend: einen vertikalen Leistungshalbleiterchip, der eine Halbleiterschicht (105) aufweist; einen ersten Anschluss (125) an einer ersten Seite (115) der Halbleiterschicht (105); einen zweiten Anschluss (130) an einer zweiten Seite (120) der Halbleiterschicht (105), die entlang einer ersten Richtung (y) gegenüber der ersten Seite (115) liegt; eine Driftzone (110) innerhalb der Halbleiterschicht (105) zwischen dem ersten Anschluss (125) und dem zweiten Anschluss (130), wobei die Driftzone (110) in einem mittleren Bereich eine kompressive Verspannung (σ) von wenigstens 100 MPa entlang einer zweiten Richtung (x) senkrecht zur ersten Richtung (y) aufweist und der mittlere Bereich von 40% bis 60% einer gesamten Erstreckung (d1) der Driftzone (105) entlang der ersten Richtung (y) verläuft als auch in eine Tiefe der Halbleiterschicht (105) von wenigstens 10 μm bezogen auf die erste Seite (115) und/oder die zweite Seite (120) der Halbleiterschicht (105); und wenigstens eine Verspannungsschicht (240), die über der ersten Seite (115) und/oder der zweiten Seite (120) der Halbleiterschicht (105) angeordnet ist, wobei die wenigstens eine Verspannungsschicht (240) geeignet ist, die kompressive Verspannung (σ) innerhalb der Driftzone (110) hervorzurufen.

Description

  • HINTERGRUND
  • Halbleiterbauelementehersteller sind stetig bestrebt, die Leistungsfähigkeit ihrer Produkte zu erhöhen und gleichzeitig die Herstellungskosten zu reduzieren. In Leistungshalbleitervorrichtungen, die etwa aus DE 10 2005 046 711 B4 bekannt sind, ist hierbei ein Kompromiss zwischen einer Spannungssperrfähigkeit und einem Einschaltwiderstand zu finden. Es ist eine Aufgabe dieser Erfindung, den Einschaltwiderstand bei Sicherstellung der Spannungssperrfähigkeit zu reduzieren.
  • Die Erfindung wird gelöst durch die Lehre des Patentanspruchs 1. Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ABBILDUNGEN
  • Die in den nachfolgenden Abbildungen gezeigten Elemente sind nicht maßstabsgetreu dargestellt. Ähnliche Bezugskennzeichen kennzeichnen sich entsprechende oder ähnelnde Teile. Die Merkmale der verschiedenen Ausführungsformen lassen sich kombinieren, sofern sie sich nicht gegenseitig ausschließen.
  • 1 zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer Ausführungsform einer vertikalen Leistungshalbleitervorrichtung mit einer kompressiven Verspannung innerhalb einer Driftzone einer Halbleiterschicht.
  • 2 zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer Ausführungsform einer vertikalen Leistungshalbleitervorrichtung mit einer Verspannungsschicht zwischen einer Driftzone einer Halbleiterschicht und einem Halbleitersubstrat.
  • 3 zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer Ausführungsform einer vertikalen Leistungshalbleitervorrichtung mit einer metallischen Verspannungsschicht, die an eine Driftzone einer Halbleiterschicht angrenzt.
  • 4 zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer Ausführungsform einer vertikalen Leistungshalbleitervorrichtung mit einer Verspannungsschicht, die an einer Vorderseite der Vorrichtung angeordnet ist.
  • 5 zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer Ausführungsform einer Leistungshalbleitervorrichtung, die auf ein DCB-(Direct Copper Bond-)Substrat montiert ist und eine kompressive Verspannung innerhalb einer Driftzone einer Halbleiterschicht aufweist.
  • 6 zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer Ausführungsform einer Halbleitervorrichtung mit einem vertikalen Leistungshalbleiterchip, der auf einem elektrisch leitenden Träger montiert ist.
  • 7 zeigt eine Querschnittsansicht mit beispielhaften Details zu der in 6 gezeigten Ausführungsform.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • In den im Folgenden beschriebenen Ausführungsformen werden übereinstimmende oder ähnliche strukturelle Elemente mit übereinstimmenden oder ähnlichen Bezugskennzeichen gekennzeichnet. Eine laterale Richtung kennzeichnet eine Richtung parallel zur lateralen Erstreckungsrichtung eines Halbleitermaterials oder Halbleiterträgers. Die laterale Richtung erstreckt sich parallel zu den Oberflächen des Halbleitermaterials oder Halbleiterträgers. Im Gegensatz hierzu erstreckt sich eine vertikale Richtung senkrecht hierzu, d. h. senkrecht zu diesen Oberflächen. Die vertikale Richtung erstreckt sich somit entlang einer Dickenrichtung des Halbleiterträgers.
  • Halbleitervorrichtungen mit Leistungshalbleiterchip(s) werden im Folgenden beschrieben. Die Leistungshalbleiterchips können von verschiedenem Typ sein, mit unterschiedlichen Technologien hergestellt sein und beispielsweise integrierte elektrische, elektro-optische oder elektro-mechanische Schaltungen oder passive Elemente umfassen. Die Leistungshalbleiterchips können, müssen aber nicht, aus einem bestimmten Halbleitermaterial wie z. B. Si, SiC, SiGe, GaAs hergestellt sein und können zudem anorganische und/oder organische Materialien aufweisen, die nicht Halbleiter sind, wie etwa diskrete passive Elemente, Antennen, Isolatoren, Plastiken oder Metalle. Zudem können die nachfolgend beschriebenen Vorrichtungen weitere integrierte Schaltungen aufweisen, um die integrierten Leistungshalbleiterschaltungen der Leistungshalbleiterchips zu steuern.
  • Die Leistungshalbleiterchips umfassen beispielsweise MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors), DMOSFETs (Double-diffused MOSFETs), IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors), JFETs (Junction Gate Field Effect Transitors), Leistungsbipolartransistoren oder Leistungsdioden. Insbesondere sind Leistungshalbleiterchips mit einer vertikalen Struktur berücksichtigt, d. h. die Leistungshalbleiterchips und insbesondere die vertikalen Leistungshalbleiterchips werden derart hergestellt, dass elektrische Ströme in einer Richtung senkrecht zu den Hauptseiten der Leistungshalbleiterchips fließen können.
  • Ein Leistungshalbleiterchip mit einer vertikalen Struktur, d. h. ein vertikaler Leistungshalbleiterchip, kann Anschlüsse wie Kontaktpads an seinen zwei Hauptseiten aufweisen, d. h. seiner Oberseite und Unterseite oder mit anderen Worten an seiner Vorder- und Rückseite. Beispielsweise können die Sourceelektrode und die Gateelektrode eines Leistungs-MOSFETs auf einer Hauptseite positioniert sein, während die Drainelektrode des Leistungs-MOSFETs an der anderen Hauptseite positioniert sein kann. Die Kontaktpads können aus Aluminium, Kupfer oder einem weiteren geeigneten Material bestehen. Eine oder mehrere Metallschichten können auf die Kontaktpads der Leistungshalbleiterchips aufgebracht sein. Die Metallschichten können beispielsweise Titan, Nickel-Vanadium, Gold, Silber, Kupfer, Palladium, Platin, Nickel, Chrom oder ein weiteres geeignetes Material aufweisen. Die Metallschichten sind nicht notwendigerweise homogen und aus einem Material gefertigt, d. h. es können verschiedenartige Zusammensetzungen und Konzentrationen der in den metallischen Schichten enthaltenen Materialien vorliegen.
  • Der Leistungshalbleiterchip kann aus einem Volumenhalbleiter wie einem Halbleitersubstrat sowie einer Halbleiterschicht wie einer auf dem Volumenhalbleiter ausgebildeten epitaktischen Schicht bestehen. Die epitaktische Schicht kann eine Dicke aufweisen, die größer oder kleiner als die Dicke des Volumenhalbleiters ist und sie kann eine Driftzone umfassen. Beispielsweise kann die epitaktische Schicht eine Dicke gleich oder größer als 20 μm, 30 μm, 40 μm oder 50 μm aufweisen. Typischerweise nimmt die epitaktische Schichtdicke mit ansteigender Betriebsspannung des Leistungshalbleiterchips zu.
  • Ein Einkapselungsmaterial kann den vertikalen Leistungshalbleiterchip wenigstens teilweise bedecken, um einen eingekapselten Körper auszubilden. Das Einkapselungsmaterial kann auf einem Polymermaterial basieren, d. h. es kann ein Grundmaterial (im Folgenden ebenso als Matrixmaterial beschrieben) bestehend aus einem geeigneten duroplastischen, thermoplastischen oder aushärtbaren Material oder Laminat (prepreg) bestehen. Insbesondere kann das Matrixmaterial aus einem Epoxidharz bestehen. Das Matrixmaterial kann ein Füllmaterial, z. B. SiO2, Al2O3 oder AlN Partikel eingebettet aufweisen, um die physikalischen Eigenschaften des eingekapselten Körpers wie etwa das Elastizitätsmodul oder den CTE (coefficient of thermal expansion, Wärmeausdehnungskoeffizienten) einzustellen.
  • Nach seiner Abscheidung kann das Einkapselungsmaterial lediglich teilweise ausgehärtet werden und dann gehärtet und/oder vollständig verfestigt werden durch Anwenden von Energie (z. B. Hitze, UV-Licht, usw.), um so den fest eingekapselten Körper auszubilden. Verschiedenartige Techniken können zum Einsatz kommen, um den eingekapselten Körper mit dem Einkapselungsmaterial auszubilden, z. B. Compression Molding, Transfer Molding, Ejection Molding, Power Molding, Liquid Molding, Auspressen (Dispensing) oder Lamination. Hitze und/oder Druck können zum Aufbringen des Einkapselungsmaterials verwendet werden.
  • 1 zeigt eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform einer vertikalen Leistungshalbleitervorrichtung 100. Die vertikale Leistungshalbleitervorrichtung 100 umfasst eine Halbleiterschicht 105, z. B. eine epitaktische Halbleiterschicht. Eine Driftzone 110 stellt einen Teil der Halbleiterschicht 105 dar. Beispielhaft erstreckt sich die in 1 gezeigte Driftzone 110 von einer ersten Oberfläche 115 an einer ersten Seite wie etwa einer Oberseite oder Vorderseite der Halbleiterschicht 105 zu einer zweiten Oberfläche 120 an einer zweiten Seite wie etwa einer Unterseite oder einer Rückseite der Halbleiterschicht 105. Die gesamte Erstreckung der Driftzone 110 von der ersten Oberfläche 115 zur zweiten Oberfläche 120 entlang einer ersten Richtung y, insbesondere einer vertikalen Richtung, ist mit d1 gekennzeichnet. Der Ausdruck ”gesamte Erstreckung der Driftzone entlang der ersten Richtung” bezeichnet die Erstreckung entlang der ersten Richtung von einem Eintrittsbereich von Ladungsträgern in die Driftzone, z. B. an einem Ende eines Kanals, bis zu dem Ort, an dem diese Ladungsträger in einen Anschluss übergehen, z. B. einen Metallkontakt wie einen Drainkontakt oder ein Halbleitergebiet mit einer höheren Dotierstoffkonzentration als die Driftzone wie ein höher dotiertes Halbleitersubstrat.
  • Ein erster Anschluss 125 ist an der ersten Seite angeordnet und ein zweiter Anschluss 130 ist an der zweiten Seite angeordnet. Ein elektrischer Strom innerhalb der vertikalen Leistungshalbleitervorrichtung 100 fließt zwischen dem ersten Anschluss 125 und dem zweiten Anschluss 130 entlang der ersten Richtung y. In einer Ausführungsform entspricht der erste Anschluss 125 einem Sourceanschluss mit einem oder einer Mehrzahl leitfähiger Elemente wie metallischer Flächen und/oder Kontaktstöpseln und der zweite Anschluss 130 entspricht einem Drainanschluss und umfasst etwa eine oder eine Mehrzahl metallischer Schichten, die an ein Halbleitermaterial wie an ein Halbleitersubstrat oder die Halbleiterschicht 105 angrenzen. Gemäß einer weiteren Ausführungsform entspricht der erste Anschluss 125 einer Kathode einer Leistungsdiode und der zweite Anschluss 130 entspricht einer Anode der Leistungsdiode.
  • Es gilt zu berücksichtigen, dass die 1 eine vereinfachte Darstellung des ersten Anschlusses 125, der Driftzone 110 und des zweiten Anschlusses 130 darstellt. Obgleich die Abfolge dieser Elemente entlang der ersten Richtung y in der Reihenfolge erster Anschluss 125, Driftzone 110 und zweiter Anschluss 130 erfolgt, kann eine Gestalt der dargestellten Elemente von der vereinfachten Darstellung der 1 abweichen und zwischenliegende Elemente können zwischen der Halbleiterschicht 105 und dem ersten Anschluss 125 als auch zwischen der Halbleiterschicht 105 und dem zweiten Anschluss 130 vorliegen.
  • Beispielsweise kann ein Halbleitersubstrat zwischen der Halbleiterschicht 105 und dem zweiten Anschluss 130 angeordnet sein. Mit anderen Worten können weitere Elemente zwischen der ersten Oberfläche 115 der Halbleiterschicht 105 und dem ersten Anschluss 125 an der ersten Seite sowie zwischen der zweiten Oberfläche 120 der Halbleiterschicht 105 und dem zweiten Anschluss 130 an der zweiten Seite angeordnet sein.
  • In einem mittleren Teil der Driftzone 110, der von 40% der gesamten Erstreckung d1 der Driftzone 110 entlang der ersten Richtung y, d. h. von y0, bis 60% der gesamten Erstreckung d1 der Driftzone 110 entlang der ersten Richtung y, d. h. bis y1, verläuft, beträgt eine kompressive Verspannung σ wenigstens 100 MPa entlang einer zweiten Richtung x, die senkrecht ist zur Richtung des Stromflusses, d. h. senkrecht zur ersten Richtung y. Die kompressive Verspannung σ im mittleren Teil der Driftzone 110 ist durch entgegengesetzte Pfeile kenntlich gemacht und führt zu einer Verbesserung der Ladungsträgerbeweglichkeit und damit zu einem verbesserten Einschaltwiderstand.
  • Der mittlere Teil erstreckt sich in eine Tiefe der Halbleiterschicht 105 von wenigstens 10 μm in Bezug auf die erste Oberfläche 115 der Halbleiterschicht 105 an der ersten Seite und/oder die zweite Oberfläche 120 an der zweiten Seite der Halbleiterschicht 105. Mit anderen Worten beträgt in der in 1 gezeigten Ausführungsform ein Abstand zwischen einem vertikalen Niveau, das mit der ersten Oberfläche 115 übereinstimmt, und y0 gleich 0,4 × d und wenigstens 10 μm. Ebenso beträgt ein Abstand zwischen dem Niveau y1 und der zweiten Oberfläche 120 an der zweiten Seite gleich 0,4 × d und wenigstens 10 μm.
  • Die kompressive Verspannung σ im mittleren Teil der Driftzone 110 wird durch eine Verspannungsschicht hervorgerufen (nicht in 1 gezeigt). In einer Ausführungsform stellt die Verspannungsschicht einen Teil des ersten Anschlusses 125 und/oder des zweiten Anschlusses 130 dar. In einer anderen Ausführungsform entspricht die Verspannungsschicht teilweise oder ganz weiteren in 1 nicht gezeigten Elementen, z. B. Elementen, die unterhalb oder oberhalb des ersten Anschlusses 125 angeordnet sind und/oder Elementen, die unterhalb oder oberhalb des zweiten Anschlusses 130 angeordnet sind.
  • In den in 2 bis 7 gezeigten Ausführungsformen werden Beispiele für die Verspannungsschicht angegeben, welche geeignet sind, die kompressive Verspannung innerhalb des mittleren Teils der Driftzone hervorzurufen.
  • 2 zeigt eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform einer vertikalen Leistungshalbleitervorrichtung 200. Ähnlich wie die vertikale Leistungshalbleitervorrichtung 100 der in 1 gezeigten Ausführungsform umfasst die vertikale Leistungshalbleitervorrichtung 200 eine Halbleiterschicht 205 sowie einen ersten Anschluss 225 an einer ersten Seite der Halbleiterschicht 205 als auch einen zweiten Anschluss 230 an einer zweiten Seite der Halbleiterschicht 205. Ein mittlerer Teil einer Driftzone 210 der Halbleiterschicht 205, der sich wie bei der in 1 gezeigten Ausführungsform beschrieben erstreckt, weist eine kompressive Verspannung σ von wenigstens 100 MPa entlang einer zweiten Richtung x senkrecht zur Richtung des Stromflusses auf, d. h. senkrecht zu einer ersten Richtung y.
  • Die kompressive Verspannung σ wird durch eine Verspannungsschicht 240 hervorgerufen, die an eine zweite Oberfläche 220 der Halbleiterschicht 205 an der zweiten Seite angrenzt. Gegenüber der zweiten Oberfläche 220 der Verspannungsschicht 240 grenzt die Verspannungsschicht 240 an ein Substrat 245 an. In einer Ausführungsform entspricht das Substrat 245 einem Halbleitersubstrat. Die Verspannungsschicht 240 kann ein oder eine Mehrzahl leitender Materialien umfassen und stellt einen elektrisch leitenden Pfad zwischen der Driftzone 210 und dem Substrat 245 entlang der ersten Richtung y bereit. Gemäß einer Ausführungsform ist die Verspannungsschicht 240 eine durchgängige Schicht. Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Verspannungsschicht 240 eine strukturierte Schicht, die getrennte Verspannungsgebiete wie etwa Verspannungsinseln aufweist.
  • In der in 2 gezeigten Ausführungsform sind das Substrat 245 und die Verspannungsschicht 240 zwischen der zweiten Oberfläche 220 der Halbleiterschicht 205 und dem zweiten Anschluss 230 an der zweiten Seite angeordnet. Der zweite Anschluss 230, das Substrat 245, die Verspannungsschicht 240, die Halbleiterschicht 205 einschließlich der Driftzone 210 sowie der erste Anschluss 225 stellen einen Teil eines vertikalen Leistungshalbleiterchips 255 dar.
  • Die vertikale Leistungshalbleitervorrichtung 200 umfasst eine Trägerplatte 250 wie etwa einen Leiterrahmen sowie den auf die Trägerplatte 250 über den zweiten Anschluss 230 montierten vertikalen Leistungshalbleiterchip 255.
  • 3 zeigt eine Querschnittsansicht einer weiteren Ausführungsform einer vertikalen Leistungshalbleitervorrichtung 300. Ähnlich wie die vertikale Leistungshalbleitervorrichtung 100 der in 1 gezeigten Ausführungsform umfasst die vertikale Leistungshalbleitervorrichtung 300 eine Halbleiterschicht 305 sowie einen ersten Anschluss 325 an einer ersten Seite der Halbleiterschicht 305 als auch einen zweiten Anschluss 330 an einer zweiten Seite der Halbleiterschicht 305. Ein mittlerer Teil einer Driftzone 310 der Halbleiterschicht 305, der sich wie in der in 1 gezeigten Ausführungsform beschrieben erstreckt, weist eine kompressive Verspannung σ von wenigstens 100 MPa auf entlang einer zweiten Richtung x senkrecht zur Richtung des Stromflusses, d. h. senkrecht zu einer ersten Richtung y.
  • Der zweite Anschluss 330 entspricht teilweise oder ganz der Verspannungsschicht 340 und grenzt an eine zweite Oberfläche 320 der Halbleiterschicht 305 an.
  • Die Verspannungsschicht 340 kann wenigstens ein Metall oder eine Metallverbindung enthalten. Gemäß einer Ausführungsform ist das wenigstens eine Metall oder die wenigstens eine Metallverbindung auf der zweiten Oberfläche 320 der Halbleiterschicht 305 durch ein geeignetes Verfahren wie Sputtern, Abscheidung, Aufdampfung, usw. aufgebracht. Gemäß einer anderen Ausführungsform umfasst die Verspannungsschicht wenigstens eine Metallfolie auf der zweiten Oberfläche 320 der Halbleiterschicht 305. Die Metallfolie kann eine Cu-Folie sein oder Cu enthalten.
  • Eine Dicke der Verspannungsschicht 340 ist geeignet gewählt, um die kompressive Verspannung σ von wenigstens 100 MPa im mittleren Teil der Driftzone 310 hervorzurufen. Die Dicke der Verspannungsschicht 340 kann beispielsweise im Bereich zwischen 50 μm bis 1 mm liegen, oder im Bereich von 100 μm bis 1 mm, oder auch im Bereich zwischen 200 μm bis 1 mm.
  • Der zweite Anschluss 330, die Halbleiterschicht 305 einschließlich der Driftzone 310 und der erste Anschluss 325 stellen Teil eines vertikalen Leistungshalbleiterchips 355 dar.
  • Die vertikale Leistungshalbleitervorrichtung 300 umfasst eine Trägerplatte 350 wie einen Leiterrahmen als auch den auf die Trägerplatte 350 über den zweiten Anschluss 330 montierten vertikalen Leistungshalbleiterchip 355.
  • 4 zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer weiteren Ausführungsform einer vertikalen Leistungshalbleitervorrichtung 400. Ähnlich wie die vertikale Leistungshalbleitervorrichtung 100 der in 1 gezeigten Ausführungsform umfasst die vertikale Leistungshalbleitervorrichtung 400 eine Halbleiterschicht 405 und einen ersten Anschluss 425 an einer ersten Seite der Halbleiterschicht 405 als auch einen zweiten Anschluss 430 an einer zweiten Seite der ersten Halbleiterschicht 405. Ein mittlerer Teil einer Driftzone 410 der Halbleiterschicht 405, der sich wie in der in 1 gezeigten Ausführungsform beschrieben erstreckt, weist eine kompressive Verspannung σ von wenigstens 100 MPa auf entlang einer zweiten Richtung x senkrecht zur Richtung des Stromflusses, d. h. senkrecht zu einer ersten Richtung y.
  • Die Halbleiterschicht 405 ist auf einer Oberfläche eines Halbleitersubstrats 445 wie einer Halbleiterscheibe beispielsweise durch epitaktisches Wachstum ausgebildet. In einer Ausführungsform ist das Halbleitersubstrat 445 ein hochdotiertes Halbleitersubstrat. Der zweite Anschluss 430 grenzt an die zweite Oberfläche des Halbleitersubstrats 445 an.
  • Eine Verspannungsschicht 440 ist über dem ersten Anschluss 425 angeordnet. Gemäß weiteren Ausführungsformen kann die Verspannungsschicht dem ersten Anschluss 425 entsprechen oder einen Teil hiervon ausbilden.
  • Ein Material und die Dicke der Verspannungsschicht 440 wird geeignet gewählt, um die kompressive Verspannung σ von wenigstens 100 MPa im mittleren Teil der Driftzone 410 hervorzurufen. Der mittlere Teil der Driftzone 410 stellt den wie mit Bezug zu 1 beschriebenen Teil dar. Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Verspannungsschicht 440 ein oder eine Mehrzahl von Metallen oder Metallverbindungen wie metallische Schichten, z. B. eine Kupferschicht, Metalllegierungsschichten, Metallfolien, z. B. eine Kupferfolie, oder eine beliebige Kombination hieraus. Eine Dicke der Verspannungsschicht 440 kann in einem Bereich von 50 μm bis 1 mm, von 100 μm bis 1 mm oder auch von 200 μm bis 1 mm liegen. In dieser Spannungsschicht 440 kann auch zusätzlich oder alternativ zu Metall oder einer Metalllegierung wenigstens ein Element aus Oxid, Silizid, Polysilizium und einer organischen Beschichtung vorhanden sein.
  • Der zweite Anschluss 430, das Halbleitersubstrat 445, die Halbleiterschicht 405 einschließlich der Driftzone 410, der erste Anschluss 425 und die Verspannungsschicht 440 stellen einen Teil eines vertikalen Leistungshalbleiterchips 455 dar.
  • Die vertikale Leistungshalbleitervorrichtung 400 umfasst eine Trägerplatte 450 wie einen Leiterrahmen und den auf die Trägerplatte 450 über den zweiten Anschluss 430 montierten vertikalen Leistungshalbleiterchip 445.
  • 5 zeigt eine Querschnittsansicht einer weiteren Ausführungsform einer vertikalen Leistungshalbleitervorrichtung 500. Ähnlich wie die in 1 gezeigte Leistungshalbleitervorrichtung 100 umfasst die vertikale Leistungshalbleitervorrichtung 500 eine Halbleiterschicht 505 und einen ersten Anschluss 525 an einer ersten Seite der Halbleiterschicht 505 als auch einen zweiten Anschluss 530 an einer zweiten Seite der Halbleiterschicht 505. Ein mittlerer Teil einer Driftzone 510 der Halbleiterschicht 505, der sich wie in der Ausführungsform von 1 beschrieben erstreckt, umfasst eine kompressive Verspannung σ von wenigstens 100 MPa entlang einer zweiten Richtung x senkrecht zur Richtung des Stromflusses, d. h. senkrecht zu einer ersten Richtung y.
  • Der zweite Anschluss 530, die Halbleiterschicht 505 einschließlich der Driftzone 510 und der erste Anschluss 525 stellen einen Teil eines vertikalen Leistungshalbleiterchips 555 dar.
  • Der vertikale Leistungshalbleiterchip 555 ist auf ein DCB-Substrat 560 montiert. Das DCB-Substrat 560 umfasst eine erste Cu-Schicht 561 und eine zweite Cu-Schicht 562, die auf gegenüberliegenden Oberflächen einer isolierenden Platte 563 wie einer Keramikplatte angeordnet sind. Das DCB-Substrat 560 ist auf einer unteren Platte 565 wie einer Cu-Platte über die zweite Cu-Schicht 562 sowie eine Haftvermittlungsschicht 566 wie eine Lotschicht angeordnet.
  • Die kompressive Verspannung im mittleren Teil der Driftzone 510 wird durch eine Verspannungsschicht hervorgerufen (nicht in 5 gezeigt). Beispiele für die Verspannungsschicht sind in den in 2 bis 4 gezeigten Aueführungsformen angegeben. Die kompressive Verspannung σ im mittleren Teil der Driftzone 510 kann ebenso durch Aufbringen und Verbinden des vertikalen Leistungshalbleiterchips 555 in einem Leistungsgehäuse, z. B. SuperSO8, über eine feste Haftvermittlungsschicht, z. B. eine Diffusionslotschicht wie AuSn, AgSn, CuSn, Sn, AuSi, AuGe, AgIn und Verbinden des Leistungsgehäuses des DCB-Substrats 560 über eine Verbindungsschicht wie eine Diffusionslotschicht hergerufen werden. Die feste Haftvermittlungsschicht zwischen dem vertikalen Leistungshalbleiterchip 555 und dem Leistungsgehäuse stellt einen Teil der Verspannungsschicht dar.
  • 6 zeigt in schematischer Darstellung eine Ausführungsform einer Leistungshalbleitervorrichtung 600 als Querschnitt. Ein Leistungshalbleiterchip 655 der Leistungshalbleitervorrichtung 600 weist ein oder mehrere Kontaktpads 611 auf, die auf einer ersten Hauptseite 612 angeordnet sind sowie ein oder mehrere zweite Kontaktpads 613, die auf einer zweiten Hauptseite 614 gegenüber der ersten Hauptseite 612 angeordnet sind. Zudem umfasst die Leistungshalbleitervorrichtung 600 eine Trägerplatte 650, auf die der Leistungshalbleiterchip 655 montiert ist.
  • Der Leistungshalbleiterchip 655 ist eine vertikale Vorrichtung, d. h. elektrische Ströme können in einer Richtung senkrecht zu den Hauptseiten 612, 614 des Leistungshalbleiterchips 655 fließen. In einer Ausführungsform entspricht der Leistungshalbleiterchip 655 einem Leistungstransistor und das erste Kontaktpad/die ersten Kontaktpads 611 können einen Sourceanschluss ausbilden und das zweite Kontaktpad/die zweiten Kontaktpads 613 können einen Drainanschluss ausbilden. In dieser Ausführungsform ist ein Gateanschluss (nicht dargestellt) typischerweise auf der ersten Hauptseite angeordnet. Gemäß anderen Ausführungsformen kann der Leistungshalbleiterchip 655 eine Leistungsdiode sein und das erste Kontaktpad/die ersten Kontaktpads 611 können beispielsweise einen Anodenanschluss ausbilden und das zweite Kontaktpad/die zweiten Kontaktpads 613 können einen Kathodenanschluss der Leistungsdiode ausbilden oder umgekehrt herum.
  • Insbesondere kann der Leistungshalbleiterchip 655 eine beispielsweise auf einem Volumenhalbleiter 645 angeordnete epitaktische Schicht aufweisen. Einem Fachmann sind mehrere Halbleiterprozessierungsverfahren zur Herstellung einer derartigen Struktur bekannt. Die epitaktische Schicht 605 kann etwa auf einer aus einem Halbleitermaterial bestehenden Scheibe (Wafer) aufgebracht sein. Die Oberseite der Scheibe kann der Oberseite des in 6 gezeigten Volumenhalbleiters 645 entsprechen. Die Scheibe, z. B. eine Siliziumscheibe, kann durch geeignete Fremdstoffe (Dotierstoffe) zur Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit des Halbleitermaterials des Volumenhalbleiters 645 dotiert sein. Beispielsweise kann die Scheibe dotiert sein, um n+ dotiertes Volumensilizium mit hoher elektrischer Leitfähigkeit bereitzustellen.
  • Während der Frontend-Scheibenfertigung kann die epitaktische Schicht 605 auf der Oberseite der Scheibe hergestellt werden. Hierfür können sämtliche dem Fachmann bekannten Epitaxietechniken verwendet werden, z. B. MBE (Molecular Beam Epitaxy, Molekularstrahlepitaxie), LPE (Liquid Phase Epitaxy, Flüssigphasenepitaxie), usw. Die epitaktische Schicht 605 kann eine Abfolge von pn-Übergängen aufweisen, um das aktive Halbleitergebiet der Leistungsvorrichtung 600 auszubilden.
  • Das erste Kontaktpad (die ersten Kontaktpads) 611 werden auf einer Oberseite der epitaktischen Schicht 605 ausgebildet. Dieser Schritt kann ebenso während der Scheibenfertigung ausgeführt werden, d. h. während der Frontend-Fertigung. In anderen Ausführungsformen kann das erste Kontaktpad/die ersten Kontaktpads 611 nach der Trennung des Wafers in mehrere Leistungshalbleiterchips 655 ausgebildet werden.
  • Ähnlich wie das erste Kontaktpad/die ersten Kontaktpads 611 werden das zweite Kontaktpad/die zweiten Kontaktpads 613 entweder während der Scheibenfertigung auf der intakten Scheibe oder auf den aus der Scheibe herausgetrennten einzelnen Leistungshalbleiterchips 655 ausgebildet.
  • Integrierte Leistungsschaltungen und mögliche weitere integrierte Schaltungen lassen sich elektrisch über die Kontaktpads 611, 613 ansteuern. Die Kontaktpads 611, 613 können aus Metall bestehen, z. B. aus Aluminium oder Kupfer und können eine beliebige Form und Größe annehmen.
  • Der Leistungshalbleiterchip 655 kann auf der Oberseite der Trägerplatte 650 montiert sein. Eine Verbindungsschicht 617 aus Lotmaterial, z. B. ein Diffusionslotmaterial umfassend, z. B. AuSn und/oder weitere metallische Materialien kann zur elektrischen Verbindung und mechanischen Sicherstellung des zweiten Kontaktpads/der zweiten Kontaktpads 613 auf der Trägerplatte 650 verwendet werden.
  • Die Trägerplatte 650 kann verschiedenartig sein. In einer Ausführungsform kann die Trägerplatte 650 eine strukturierte Metalllage oder Platte sein, z. B. ein Leiterrahmen. Die Trägerplatte 650 kann metallische Plattengebiete aufweisen, die voneinander durch Abstände getrennt sind. Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Trägerplatte 650 eine durchgängige, unstrukturierte Metalllage oder Platte sein. Die Trägerplatte 650 kann durch Stanzen und/oder einen Walzprozess hergestellt sein. Das Metall, aus dem die Trägerplatte besteht, umfasst beispielsweise ein oder mehrere Metalle aus der Gruppe bestehend aus Kupfer, Aluminium, Nickel, Gold oder eine beliebige Legierung basierend auf einem oder mehrerer dieser Metalle. Die Trägerplatte 650 (z. B. ein Leiterrahmen) kann aus einer einzelnen Volumenmetallschicht oder einer Multimetallschichtstruktur bestehen. Die Trägerplatte 650 kann als Wärmesenke zur Dissipation der im Halbleiterchip 655 generierten Wärme dienen.
  • Eine kompressive Verspannung σ von wenigstens 100 MPa in einem mittleren Teil einer Driftzone 610 innerhalb der epitaktischen Schicht 605 kann durch die Abmessungen und Materialeigenschaften einer oder mehrerer Verspannungsschichten wie der ersten und/oder zweiten Kontaktpads 611, 613 eingestellt werden. Eine Definition des mittleren Teils ist im Zusammenhang mit der mit 1 verknüpften Ausführungsform beschrieben.
  • 7 ist eine Querschnittsansicht mit beispielhaften Deteils zu der in 6 gezeigten Ausführungsform. Die in 7 gezeigte Halbleitervorrichtung 700 stellt einen Leistungs-MOSFET mit einer Betriebsspannung von 600 V dar. Eine Trägerplatte 750 ist ein aus Kupfer bestehender Leiterrahmen mit einer Dicke von beispielsweise 1,3 mm. Im Allgemeinen kann die Dicke gleich oder größer als 1,0 mm oder selbst 2,0 mm sein. Eine Verbindungsschicht 717 besteht aus einem AuSn Diffusionslot und weist eine Dicke von 1,2 μm auf. Ein zweites Kontaktpad 713 kann eine Cu-Schicht oder eine Cu-Folie mit einer Dicke von mehr als 100 μm, mehr als 200 μm, mehr als 300 μm oder selbst mehr als 400 μm sein.
  • Ein Volumenhalbleiter 745 kann aus n+ dotiertem Silizium bestehen und eine Dicke in einem Bereich von 1 μm bis 100 μm, insbesondere 10 μm bis 50 μm aufweisen. Der Volumenhalbleiter 745 kann sich beispielsweise im Wesentlichen wie ein Metall verhalten. Der degenerierte Halbleiter-Metallübergang zwischen dem Volumenhalbleiter 745 und dem zweiten Kontaktpad 713 kann ebenso eine hohe elektrische Leitfähigkeit aufweisen. Der Volumenhalbleiter 745 und das zweite Kontaktpad 713 stellen einen Drainanschluss des Leistungs-MOSFET dar.
  • Eine epitaktische Schicht 705 stellt das aktive Gebiet eines Leistungshalbleiterchips 755 dar. In dieser Ausführungsform weist die epitaktische Schicht 705 eine Dicke von 52,5 μm auf und ermöglicht eine Betriebsspannung von ungefähr 600 V. Die epitaktische Schicht 705 weist eine Serie von pn-Übergängen auf. Im allgemeinen kann die epitaktische Schicht 705 eine Dicke gleich oder größer 20 μm aufweisen, insbesondere gleich oder größer als 30 μm, gleich oder größer als 40 μm oder auch gleich oder größer als 50 μm. Als grobe Richtlinie benötigen 100 V Betriebsspannung ungefähr 9 μm epitaktische Siliziumdicke. Somit kann der Leistungshalbleiterchip 755 eine Betriebsspannung gleich oder größer als 200 V, insbesondere gleich oder größer als 300 V, insbesondere gleich oder größer als 400 V oder auch gleich oder größer als 500 V aufweisen.
  • Eine Kontaktzone 741 ist innerhalb der epitaktischen Schicht 705 angeordnet. Die Kontaktzone 741 ist mit den pn-Übergängen der epitaktischen Schicht 705 elektrisch verbunden, um einen Sourcekontakt hierfür auszubilden.
  • Die Kontaktzone 741 wird von einer ersten isolierenden Schicht 742 wie etwa einer Oxidschicht bedeckt, die auf der epitaktischen Schicht 705 angeordnet ist. Die isolierende Schicht 742 wird in 7 als EOX bezeichnet und weist Öffnungen auf, durch die die Kontaktzone 741 angesteuert werden kann.
  • Eine erste strukturierte Metallschicht 743 ist auf der isolierenden Schicht 742 angeordnet. Die erste strukturierte Metallschicht 743 kann beispielsweise der Bereitstellung einer elektrischen Funktionalität wie etwa einer elektrostatischen Abschirmung des Leistungs-MOFETs dienen. Zudem können weitere nicht in 7 gezeigte strukturierte Metallschichten in der Umgebung einer Oberseite der epitaktischen Schicht 705 angeordnet sein, z. B. strukturierte Metallschichten zur Bereitstellung weiterer Verbindungsmöglichkeiten und/oder Signalweiterleitungen wie etwa eine strukturierte Metallschicht zur Ausbildung eines Gatekontakts.
  • Eine zweite strukturierte isolierende Schicht 744 wie z. B. eine Oxidschicht kann auf der ersten strukturierten Metallschicht 743 angeordnet sein. Die zweite isolierende Schicht 744 wird in 7 als ZwOX bezeichnet und umfasst Öffnungen, durch welche die Kontaktzone 741 elektrisch durch eine zweite Metallschicht 749 kontaktiert wird. Die zweite Metallschicht 749 kann den Sourceanschluss des Leistungs-MOSFETs darstellen. Zudem kann eine Polymerschicht 746 zur Bedeckung der zweiten Metallschicht 749 dienen. Ein Polymermaterial wie Parylen, ein Fotolackmaterial, Imid, Epoxid, Duroplast oder Silikon kann hierfür eingesetzt werden.
  • Beispielsweise können die Schichten 742, 743, 744 und 746 die folgenden Dickenabmessungen aufweisen. Die erste isolierende Schicht 742 kann eine Dicke von 2,4 μm aufweisen, die zweite isolierende Schicht 744 kann eine Dicke von 1,5 μm aufweisen, die erste strukturierte Metallschicht 743 kann eine Dicke von 5,0 μm aufweisen und die Polymerschicht 746 kann eine Dicke von 6,0 μm aufweisen. Es gilt zu berücksichtigen, dass die Abmessungen, Materialien und die Bereitstellung dieser Schichten lediglich beispielhaft dargelegt wurde und beliebige Anpassungen an die Bedürfnisse des jeweiligen Halbleiterdesigns erfolgen können.
  • Begriffe mit relativem räumlichen Bezug wie ”unter”, ”unterhalb”, ”tiefer”, ”über”, ”oberhalb” und dergleichen dienen der einfacheren Beschreibung der Positionierung eines Elements relativ zu einem zweiten Element. Diese Ausdrücke sollen verschiedene Orientierungen der Vorrichtung zusätzlich zu den in den Figuren gezeigten Ausrichtungen umfassen.
  • Zudem dienen die Ausdrücke ”erste”, ”zweite” und dergleichen zur Beschreibung verschiedener Elemente, Gebiete, Abschnitte, und sind ebenso nicht beschränkend. Ähnliche Begriffe dienen der Beschreibung ähnlicher Elemente in dieser Beschreibung.
  • Begriffe wie „umfassen”, „enthalten”, „aufweisen” und ähnliche Begriffe sind offene Begriffe, d. h. neben den „umfassten” Elementen können weitere Elemente vorliegen. Mit bestimmten und unbestimmten Artikeln gekennzeichnete Elemente können sowohl im Singular oder auch im Plural vorliegen, sofern nicht ausdrücklich anders gekennzeichnet.
  • Die in den verschiedenen Ausführungsformen beschriebenen Elemente können beliebig miteinander kombiniert werden, sofern sie sich nicht gegenseitig ausschließen. Ähnliche Bezugskennzeichnen dienen der Bezeichnung ähnlicher Elemente.

Claims (24)

  1. Halbleitervorrichtung (100 ... 700), umfassend: einen vertikalen Leistungshalbleiterchip, der eine Halbleiterschicht (105) aufweist; einen ersten Anschluss (125) an einer ersten Seite (115) der Halbleiterschicht (105); einen zweiten Anschluss (130) an einer zweiten Seite (120) der Halbleiterschicht (105), die entlang einer ersten Richtung (y) gegenüber der ersten Seite (115) liegt; eine Driftzone (110) innerhalb der Halbleiterschicht (105) zwischen dem ersten Anschluss (125) und dem zweiten Anschluss (130), wobei die Driftzone (110) in einem mittleren Bereich eine kompressive Verspannung (σ) von wenigstens 100 MPa entlang einer zweiten Richtung (x) senkrecht zur ersten Richtung (y) aufweist und der mittlere Bereich von 40% bis 60% einer gesamten Erstreckung (d1) der Driftzone (105) entlang der ersten Richtung (y) verläuft als auch in eine Tiefe der Halbleiterschicht (105) von wenigstens 10 μm bezogen auf die erste Seite (115) und/oder die zweite Seite (120) der Halbleiterschicht (105); und wenigstens eine Verspannungsschicht (240), die über der ersten Seite (115) und/oder der zweiten Seite (120) der Halbleiterschicht (105) angeordnet ist, wobei die wenigstens eine Verspannungsschicht (240) geeignet ist, die kompressive Verspannung (σ) innerhalb der Driftzone (110) hervorzurufen.
  2. Halbleitervorrichtung (100 ... 700) nach Anspruch 1, wobei die Verspannungsschicht (240) an die Halbleiterschicht (205) angrenzt.
  3. Halbleitervorrichtung (100 ... 700) nach Anspruch 2, wobei die wenigstens eine Verspannungsschicht (240) wenigstens ein Element aus einem Metall, einem Metallsilizid, dotiertem Silizium, einem Oxid und einem in einen Graben gefüllten Oxid aufweist.
  4. Halbleitervorrichtung (100 ... 700) nach einem der vorangehenden Ansprüche, zusätzlich umfassend ein Halbleitersubstrat (245), das an die wenigstens Verspannungsschicht (240) angrenzt, wobei die wenigstens eine Verspannungsschicht (240) zwischen der Halbleiterschicht (205) und dem Halbleitersubstrat (245) angeordnet ist.
  5. Halbleitervorrichtung (100 ... 700) nach Anspruch 4, wobei die wenigstens eine Verspannungsschicht (240) in eine Mehrzahl getrennter Verspannungsgebiete strukturiert ist.
  6. Halbleitervorrichtung (100 ... 700) nach Anspruch 4, zusätzlich umfassend einen elektrisch leitfähigen Träger (250), der mit dem Halbleitersubstrat (245) mechanisch verbunden ist, wobei ein Abstand zwischen dem elektrisch leitfähigen Träger (250) und der Halbleiterschicht (205) größer als 50 μm ist.
  7. Halbleitervorrichtung (100 ... 700) nach Anspruch 4, wobei die wenigstens eine Verspannungsschicht (340) eine Metallschicht mit einer Dicke von wenigstens 50 μm ist und die Metallschicht zwischen der Halbleiterschicht (305) und einem elektrisch leitfähigen Träger (350) angeordnet ist.
  8. Halbleitervorrichtung (100 ... 700) nach Anspruch 7, wobei die Metallschicht eine Metallfolie ist.
  9. Halbleitervorrichtung (100 ... 700) nach Anspruch 7, wobei die Metallschicht Cu aufweist.
  10. Halbleitervorrichtung (100 ... 700) nach Anspruch 1, zusätzlich umfassend wenigstens eine Verspannungsschicht (440), die an einer Vorderseite des vertikalen Leistungshalbleiterchips gegenüber einer Rückseite angeordnet ist, und der vertikale Leistungshalbleiterchip auf einem elektrischen leitenden Träger (450) über die Rückseite angeordnet ist.
  11. Halbleitervorrichtung (100 ... 700) nach Anspruch 10, wobei die wenigstens eine Verspannungsschicht (440) wenigstens ein Element aus Oxid, Silizid, Polysilizium, einer organischen Schicht, Metall und einer Metallfolie aufweist.
  12. Halbleitervorrichtung (100 ... 700) nach Anspruch 10, wobei die wenigstens eine Verspannungsschicht (440) eine Metallschicht mit einer Dicke größer als 10 der Dicke des elektrisch leitenden Trägers (450) aufweist.
  13. Halbleitervorrichtung (100 ... 700) nach Anspruch 10, wobei die wenigstens eine Verspannungsschicht (440) eine Metallschicht aufweist mit einer Dicke größer als die gesamte Dicke von sowohl der Halbleiterschicht (405) als auch einem an die Halbleiterschicht (405) angrenzenden Halbleitersubstrat (445).
  14. Halbleitervorrichtung (100 ... 700) nach Anspruch 10, wobei die wenigstens eine Verspannungsschicht (440) eine Metallschicht aufweist mit einer Dicke, die wenigstens 20-mal größer ist als die Dicke einer Metallschicht an der Rückseite des Leistungshalbleiterchips.
  15. Halbleitervorrichtung (100 ... 700) nach Anspruch 1, wobei der Leistungshalbleiterchip auf einem Direct Copper Bonded (DCB) Substrat angeordnet ist.
  16. Halbleitervorrichtung (100 ... 700) nach Anspruch 2, wobei ein Verhältnis einer Dicke der wenigstens einen Verspannungsschicht (240) und der Dicke der Halbleiterschicht (205) zwischen 2 und 20 liegt.
  17. Halbleitervorrichtung (100 ... 700) nach Anspruch 1, wobei der Leistungshalbleiterchip einen vertikalen Leistungshalbleitertransistor mit einer Betriebsspannung gleich oder größer 200 V aufweist.
  18. Halbleitervorrichtung (100 ... 700) nach Anspruch 1, wobei die Halbleitervorrichtung ein vertikaler Leistungshalbleitertransistor (100 ... 700) ist, der geeignet ist, bei einer Spannung gleich oder größer 200 V betrieben zu werden.
  19. Halbleitervorrichtung (100 ... 700) nach Anspruch 18, wobei die wenigstens eine Verspannungsschicht (240) an die Halbleiterschicht (205) angrenzt.
  20. Halbleitervorrichtung (100 ... 700) nach Anspruch 19, wobei die wenigstens eine Verspannungsschicht (340) eine Metallschicht mit einer Dicke von wenigstens 50 μm ist und die Metallschicht zwischen der Halbleiterschicht (340) und einem elektrisch leitenden Träger (350) angeordnet ist.
  21. Halbleitervorrichtung (100 ... 700) nach Anspruch 20, wobei die Metallschicht eine Metallfolie ist.
  22. Halbleitervorrichtung (100 ... 700) nach Anspruch 18, wobei die wenigstens eine Verspannungsschicht (440) an einer Vorderseite des vertikalen Leistungshalbleitertransistors gegenüber einer Rückseite angeordnet ist und der vertikale Leitungshalbleitertransistor auf einem elektrisch leitenden Träger (450) über die Rückseite angeordnet ist.
  23. Halbleitervorrichtung (100 ... 700) nach Anspruch 18, wobei ein Verhältnis aus einer Dicke der wenigstens einen Verspannungsschicht (240) und der Dicke der Halbleiterschicht (205) zwischen 2 und 20 liegt.
  24. Halbleitervorrichtung (100 ... 700) nach Anspruch 18, wobei der vertikale Leistungshalbleitertransistor auf einem Direct Copper Bonded (DCB) Substrat angeordnet ist.
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