DE3616233C2 - - Google Patents

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Description

Die Erfindung betrifft ein abschaltbares, druckkontaktiertes Halbleiterbauelement mit den Merkmalen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Halbleiterbauelemente, deren Halbleiter zur getrennten Kontaktierung mehrerer Funktionsbereiche eine entsprechend unterteilte Kontaktelektrode, eine sogenannte Elektroden­ struktur, aufweisen, sind z. B. bipolare Leistungstransistoren, Frequenz-Thyristoren mit verzweigter Steuerelektrode und über das Gate abschaltbare Thyristoren (GTOs).
Ein Halbleiterbauelement nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus "Siemens Forschungs- und Entwicklungsbericht", Band 14, Nr. 2, 1985, Seite 39-44, bekannt. Der Halbleiterkörper des bekannten Bauelements zeigt einen Aufbau für einen GTO mit vergrabenem Gate, bei welchem, unter Verzicht auf emitterseitige Wärmeableitung, durch eine Zwei-Ebenen Metallisierung auf der Oberfläche eine beliebige, sehr fein unterteilte, auch mittels Druckkontakt zu verbindende Emittertruktur erzielbar ist. Anstelle rechteckförmiger Emitter können auch runde, hexagonale oder kreisförmige Emitter vorgesehen sein.
Die bekannte Bauform weist folgenden Nachteil auf. Jeder streifenförmige Abschnitt der Emitter- Metallisierung ist ganzflächig mit einem Bereich des Kon­ taktstücks, z. B. einer Molybdänronde, unmittelbar verbunden. Beim Ausschaltverhalten z. B. eines GTO-Thyristors wird ein Teil des zuvor fließenden Durchlaßstromes mit Hilfe einer negativen Gate- Spannung über das Gate abgezogen. Wegen der sehr niederohmigen Verbindung zwischen Emitter-Metallisierung und Kontaktstück ist die Zeit, in welcher die Emitterzonenabschnitte nach Anlegen der negativen Spannung reagieren, aufgrund von Toleranzen der das Ausschaltverhalten bestimmenden Parameter unterschiedlich. Dies hat eine unerwünschte Begrenzung des abschaltbaren Anodenstromes zur Folge.
Untersuchungen haben ergeben, daß dieser Nachteil mit einem definierten elektrischen Widerstand zwischen jedem Kontaktstück­ bereich und dem zugehörigen Emittermetallisierungsabschnitt weitgehend beseitigt werden kann. Dabei soll der Widerstand vom Kontaktstück zur Mitte des Metallisierungsabschnittes größer sein als zum Rand des letzteren. Damit wird in Analogie zur Verwendung sogenannter Ballastwiderstände bei der Parallelschaltung von Halbleiterbauelementen ein Ausgleich der obengenannten, uner­ wünschten Toleranzen erzielt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei Halbleiterbauelementen der eingangs genannten Art das Schaltverhalten dadurch zu ver­ bessern, daß die Emitterzonenabschnitte über definierte Wider­ stände mit den Anschlußteilen verbunden sind. Die Lösung der Aufgabe steht bei einem Halbleiterbauelement der eingangs erwähnten Art in den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Ansprüchen 2 bis 4 angegeben.
Anhand des in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiels wird die Erfindung erläutert. Die Darstellung zeigt schematisch den scheibenförmigen Halbleiterkörper eines GTO-Thyristors und die Anordnung eines Kontakt­ stücks auf demselben.
Der Halbleiterkörper (I) aus einer hochohmigen, n-leiten­ den Mittelzone (1), je einer daran angrenzenden, p-leiten­ den Zone (2, 3) und den in die als Steuerbasiszone dienen­ de Zone (2) eingelassen angeordneten Emitterzonenabschnit­ te (4) zeigt den üblichen Aufbau für ein schaltbares Halb­ leitergleichrichterelement. Die beiden Funktionsbereiche, nämlich der Steuerstrombereich und der Laststrombereich, sind jeweils streifenförmig unterteilt ausgebildet, ab­ wechselnd aufeinanderfolgend angeordnet und bilden gemein­ sam die eine der beiden Hauptflächen des Halbleiterkörpers (I). Jeder streifenförmige Teil des Steuerstrombereichs, d. h. der zwischen zwei benachbarten Emitterzonenabschnit­ ten (4) liegende Basiszonenteil (2 a), ist mit einer Me­ tallisierung (6) versehen. Diese Basiszonen-Metallisie­ rung (6) ist mit einer Isolierschicht (7) überzogen, die für eine einwandfreie Abdeckung der bei der Druckkontak­ tierung des Aufbaus dem Kontaktdruck unterworfenen Basis­ zonen-Metallisierung (6) geeignet ausgebildet ist. Die Isolierschicht (7) überlappt jeweils den zwischen Basis­ zonenteil (2 a) und Emitterzonenabschnitt (4) an die Ober­ fläche tretenden pn-Übergang.
Die freie Oberfläche der Emitterzonenabschnitte (4) und der Isolierschichtflächen (7) ist mit einer zweiten, als Emitter-Metallisierung bezeichneten Kontaktschicht (8) bedeckt.
Die tafelförmigen Auflagebereiche (8 c) der Emitter- Metallisierung (8) bilden die Kontaktflächen für das Kontaktstück (10). Dieses ist beim Einsatz des Halb­ leiterbauelements mit seiner planen unteren Fläche auf die Bereiche (8 c) gepreßt. Durch die beschriebene Anordnung der Metallisierungen (6, 8), der Isolier­ schicht (7) und des Kontaktstücks (10) mit nur teil­ weiser Auflage auf der Metallisierung (8) sind in überraschend einfacher Weise zwischen einer Kontaktstelle des Kontaktstücks (10) und einem benachbarten Emitterzonenabschnitt (4) jeweils definierte Wider­ stände für Laststrompfade gebildet. Diese Widerstände R bestehen aus einem Teilwiderstand R 2 zwischen Kontaktstück (10) und dem Ende der Isolierschicht (7) und aus einem Teilwiderstand R 1 ab diesem Ende bis zur Symmetrieebene des jeweiligen Emitterzonenabschnittes (4). Zur Fest­ legung des Widerstandes R aus den Teilwiderständen R 1 und R 2 ist die Breite der Emitterzonenabschnitte (4) wählbar, ebenso in gewissen Grenzen die Breite der Basiszonen-Metallisierung (6), wodurch die Ausdehnung der Isolierschicht (7) auf der Halbleiteroberfläche bestimmt ist. Weiter ist der Widerstand durch Geometrie und Material der Emitter-Metallisierung (8) festgelegt.
Als Material der Isolierschicht (7) eignen sich die anorganischen Verbindungen SiO, SiO2, Si3N4 und Al2O3 sowie Gläser auf Silikatbasis, z. B. Zinkborsilikatgläser oder Phosphorgläser. Weiter wurden mit einer organischen Schicht aus einem Polyimid günstige Ergebnisse erzielt.
Die Dicke der Isolierschicht (7) soll wenigstens 0,1 µm betragen und vorzugsweise 0,5 bis 30 µm.
Als Material für die Basiszonenmetallisierung (6) ist z. B. Aluminium oder eine Schichtenfolge aus den Metallen Aluminium, Chrom, Nickel, Silber vorgesehen. Damit ist die Forderung erfüllt, daß dieser metallische Überzug der Basiszonenteile eine hohe elektrische Leitfähigkeit besitzen muß, um die darin auftretenden lateralen Spannungsabfälle möglichst klein zu halten.
Als Material für die Emittermetallisierung (8) eignen sich Legierungen aus oder mit Nickel und Chrom. Es sind bevorzugt Chrom-Nickel-Legierungen mit einem Anteil von Nickel im Bereich von 35 bis 60 Gewichtsprozent vorgesehen. Günstige Ergebnisse wurden mit einer Chrom- Nickel-Legierung mit 40 Gewichtsprozent Nickel, Rest Chrom erzielt.
Anstelle von Nickel kann das Material der Emitter- Metallisierung (8) auch Siliziumoxid enthalten.
Die Dicke der Emitter-Metallisierung (8) ist wenigstens 1 µm, bevorzugt 3 µm bis 30 µm.
Die Metallisierungen (6, 8) können z. B. durch Aufdampfen oder Sputtern erzeugt und in einem nachfolgenden Temperaturschritt noch mit dem darunterliegenden Material fest verunden werden. Der Abstand zwischen Basiszonen- Metallisierung (6) und Emitterzonenabschnitt (4) sollte wenigstens 5 µm sein und kann bis 500 µm betragen.
Typische Werte des Aufbaus des Halbleiterkörpers sind für die Breite der Emitter­ zonenabschnitte (4) 200 µm, den Abstand der Symmetrie­ ebenen dieser Abschnitte 600 µm, die Breite der Basiszonenmetallisierung (6) 200 µm, die Dicke der Basiszonenmetallisierung 8 µm, die Dicke der Isolier­ schicht (7) 5 µm und die Dicke der Emitter-Metallisierung (8) 6 µm. Die Basis-Metallisierung besteht aus Aluminium, die Emitter-Metallisierung aus einer Nickel/Chrom- Legierung mit z. B. 40 Gewichtsprozent Nickel, Rest Chrom.
Der abschaltbare Anodenstrom eines GTO-Thyristors mit dem vorgenannten typischen Aufbau ist um ca. 50% höher als derjenige bei bekannten Bauformen.
Zur Herstellung des beschriebenen Halbleiterbauelements wird in einer vorbehandelten, großflächigen, vorzugsweise n-leitenden Halbleiterausgangsscheibe durch beidseitiges Dotieren eine pnp-Schichtenfolge (1, 2, 3) erzeugt. Anschließend wird mit Hilfe eines Maskier­ prozesses das Muster der Emitterzonenabschnitte (4) hergestellt. Danach werden die Basiszonenteile (2 a) mit Hilfe einer weiteren Maskierung mit einer Metallisierung (6) versehen. Im Anschluß daran wird die gesamte Oberfläche mit einer Isolierschicht (7), z. B. aus einer Verbindung des Halbleitermaterials, überzogen. In einem nachfolgenden selektiven Ätzschritt werden sämt­ liche Emitterzonenabschnitte so weit freigelegt, daß die verbleibende Isolierschicht noch den Gate-Übergang zwischen einem Basiszonenteil und dem benachbarten Emitterzonenabschnitt überdeckt.
Auf die in dieser Weise erzielte, strukturierte Schutzabdeckung des Halbleiterkörpers mit z. B. streifenförmigen Fenstern über den Emitterzonen­ abschnitten (4) wird nunmehr eine durchgehende, sämtliche Emitterzonenabschnitte verbindende, zweite Metallisierung, die Emitter-Metallisierung (8), aufgebracht, beispielsweise aufgedampft. Die letztere hat dann über den Emitterzonenabschnitten die Form einer stufenförmigen Vertiefung und jeweils über den Metallisierungen (6) die Form eines tafelförmigen Aufsatzes mit freier Auflagefläche (8 c).
Auf diese äußere Kontaktschicht des Halbleiterkörpers wird eine Kontaktplatte (10) aufgebracht, die mit ihrer planen Auflagefläche auf sämtlichen tafelförmigen Bereichen (8 c) der Emitter-Metallisierung (8) in leitender Verbindung aufliegt und beim Einsatz des Halbleiterbauelements auf die Elektrodenstruktur gepreßt wird. Damit ist unabhängig von dem darunterliegenden Unterteilungsgrad eine einwandfreie druckkontaktierfähige Emitterelektrodenstruktur gegeben, bei welcher durch die beschriebene Ausbildung der Emitter-Metallisierungs­ abschnitte die Anordnung definierter Widerstände zum Ausgleich von Toleranzen in der Abschaltzeit der Emitter­ zonenabschnitte in besonders einfacher Weise erreicht und damit die gewünschte Verbesserung des Abschalt­ verhaltens von gattungsgemäßen Halbleiterbauelementen gegeben ist.

Claims (5)

1. Abschaltbares, druckkontaktiertes Halbleiterbauelement mit einem Halbleiterkörper (I), der
  • - eine Folge von schichtförmigen Zonen (1, 2, 3, 4) mit wenigstens zwei zwischenliegenden pn-Übergängen und
  • - in wenigstens einer der beiden, eine Emitterzone bildenden, äußeren Zonen eine Struktur aufweist, bei welcher Abschnitte der Emitterzone (4) und zwischen­ liegende Teile (2 a) einer angrenzenden Basiszone (2) eine gemeinsame Oberfläche bilden, und
  • - auf den Basiszonenteilen (2 a) eine erste Metallisierung (6), sowie
  • - auf jeder ersten Metallisierung (6) eine sich bis über den jeweiligen pn-Übergang zwischen Basiszonenteil (2 a) und benachbarten Emitterzonenabschnitt (4) erstreckende, isolierende Schutzschicht (7) aufweist, und
  • - auf den Emiterzonenabschnitten (4) mit einer zweiten Metallisierung (8) versehen ist, die als durchgehende, die Schutzschicht (7) und die Emitterzonenabschnitte (4) bedeckende Elektrode angeordnet und über welcher
  • - eine durchgehende Kontaktplatte (10) zur Druckkontaktierung angebracht ist,
dadurch gekennzeichnet, daß
  • - die durchgehende Kontaktplatte (10) mit planer Auflage­ fläche auf sämtlichen tafelförmigen Flächen (8 c) der zweiten Metallisierung (8) elektrisch leitend aufliegt, und
  • - die zweite Metallisierung (8) aus solchem Material besteht und in ihrer Geometrie so bemessen ist, daß ihr Widerstand jeweils in der kürzesten Entfernung zwischen Kontaktplatte (10) und Symmetrieebene eines benachbarten Emitterzonenabschnitts (4) beim Einsatz, bezogen auf den anteiligen Nenndurchlaß­ strom, einen Spannungsabfall von wenigstens 10 mV ergibt.
2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als Material der zweiten Metallisierung (8) eine Legierung aus oder mit Nickel und Chrom vorge­ sehen ist.
3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als Material der zweiten Metallisierung (8) eine Legierung aus Nickel und Chrom mit einem Anteil an Nickel von 35 bis 60 Gewichtsprozent vorgesehen ist.
4. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als Material der zweiten Metallisierung (8) eine Legierung aus Siliziumoxid und Chrom vorgesehen ist.
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