EP0275261A1 - Semi-conductor component - Google Patents

Semi-conductor component

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Publication number
EP0275261A1
EP0275261A1 EP87902438A EP87902438A EP0275261A1 EP 0275261 A1 EP0275261 A1 EP 0275261A1 EP 87902438 A EP87902438 A EP 87902438A EP 87902438 A EP87902438 A EP 87902438A EP 0275261 A1 EP0275261 A1 EP 0275261A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
metallization
insulating layer
layer
semiconductor
emitter
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP87902438A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Werner Tursky
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Semikron GmbH and Co KG
Original Assignee
Semikron GmbH and Co KG
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Filing date
Publication date
Application filed by Semikron GmbH and Co KG filed Critical Semikron GmbH and Co KG
Publication of EP0275261A1 publication Critical patent/EP0275261A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Definitions

  • the invention relates to a semiconductor component with a semiconductor body, which has undergone a sequence of layer-shaped zones with at least two intermediate pn-u and in at least one of the two outer zones forming the emitter zone has a structure in which sections of the emitter zone and intermediate parts of the adjacent base zone form a common surface, and on the base zone parts with a first metallization and on the emitter zone sections with a second metallization, over which a continuous contact plate is attached.
  • Electrode structures with interlocking sections of electrodes with different poles are known. These require special measures to avoid short circuits. As the dimensions of the electrode sections become smaller, ie with increasing subdivision, the fine structuring becomes denser and the demands on the process technology and on the devices for producing such arrangements increase.
  • Each strip-shaped section of the emitter metallization is covered over the entire area with a region of the contact piece, e.g. a Mo lybdenum blank, directly connected.
  • a region of the contact piece e.g. a Mo lybdenum blank
  • the object of the invention is to achieve a cohesive connection of the structured electrode with a contact plate in the case of switchable semiconductor components with a structured electrode in a simpler manner than known designs, and to improve the switch-off behavior by creating a metallization of the emitter zone sections of the electrode, in which these sections are connected to current conductor parts via defined resistors.
  • the object is achieved in a semiconductor device of the type mentioned in the characterizing features of the main claim.
  • the figure shows in cross section a disk-shaped semiconductor body of a GTO thyristor and the substance-wrong arrangement of a contact plate on the semiconductor body.
  • the semiconductor body (I) consisting of a high-resistance, n-conducting central zone (1), an adjoining p-conducting zone (2, 3) and the emitter zone sections (4) embedded in the control base zone (2), shows this usual structure for a switchable semiconductor rectifier element.
  • the two functional areas namely the control current area and the load current area, are each divided into strips, alternately arranged in succession and together form the one of the two main surfaces of the semiconductor body (I).
  • Each strip-shaped part of the control current range, i.e. the base zone part (2a) lying between two adjacent emitter zone sections (4) is provided with a metallization (6).
  • This base zone metallization (6) is covered with a first insulating layer (7), which is designed for a perfect covering of the base zone metallization (6) which is subjected to the contact pressure when the structure is contacted with pressure.
  • the first insulating layer (7) overlaps that between the base zone part (2a) and
  • Emitter zone section (4) pn transition emerging on the surface 4.
  • the free surfaces of the emitter zone sections (4), except for the locations for connection conductor parts, and the first insulating layer (7) are covered together with a continuous second metal layer, referred to as the emitter metallization (8).
  • the coating of the semiconductor surface made of contact metal and insulating material is in each case stepped.
  • the tabular attachments (8c) of the emitter metallization (8) lying above the base zone parts (2a) form the contact surface for the integral connection of the metallization (8) to a flat contact plate (12), for example made of molybdenum.
  • any structuring of an electrode of the semiconductor body can be achieved in a particularly simple manner in the case of components of the type mentioned at the outset, regardless of the dimensioning of the functional areas.
  • the emitter metallization (8) is provided between the line of symmetry of each attachment (8c) and the line of symmetry of an adjacent emitter zone section (4) as a defined current path. For this purpose, it is covered against a metallic intermediate layer (11) arranged above it by a coherent second insulating layer (9). When the component is switched off, a voltage drop occurs at this defined current path, which is also determined by the material and the dimensioning of the emitter metallization (8). When using the Ha Ib conductor component under nominal load, it is at least 10 mV.
  • This second insulating layer (9) has an opening (10) on each attachment (8c) as a contact window for connecting the emitter metallization (8) to a contact plate (12).
  • the transverse resistance formed by the electrically insulated arrangement of the emitter metallization (8) therein between a contact point for the contact plate (12) and the line of symmetry of one of the adjacent emitter zones sections (4) is composed of the partial resistors R 1 and R 2 .
  • the partial resistance R 1 arises when the semiconductor component is used in the section of the emitter metallization (8) between the edge of the second insulating layer (9) on the attachment (8c) and the edge of the first insulating layer (7) on the emitter zone section (4).
  • the partial resistance R 2 results from the further section of the emitter metallization (8) in the subsequent current path up to the line of symmetry of this emitter zone section.
  • the metallic contact layer (11) is applied to the second insulating layer (9) and is only galvanically connected to the emitter metallization (8) in the openings (10).
  • the cohesive contacting of the emitter metallization (8) with the contact plate (12) is produced by connecting the latter over the entire area to the contact layer (11).
  • the inorganic compounds of the material of the semiconductor body such as SiO, SiO 2 , Si 3 N 4 and glasses based on silicate, for example zinc borosilicate glass, are suitable as the material of the first insulating layer (7).
  • Aluminum oxide Al 2 O 3 is also suitable.
  • this first insulating layer (7) should be at least 0.1 ⁇ m and is preferably 0.5 to 30 ⁇ m.
  • Aluminum or a layer sequence of the metals aluminum, chromium, nickel, silver can be provided as the material for the base zone metallization (6). This fulfills the requirement that this metallic coating of the base zone parts (2a) must have a high electrical conductivity in order to keep the lateral voltage drops occurring therein as small as possible.
  • Chromium-nickel alloys with a proportion of nickel in the range from 35 to 60 percent by weight are preferably provided.
  • Favorable results were achieved with a chromium-nickel alloy with 40 percent by weight nickel, the rest chromium.
  • the material of the emitter metallization (8) can also contain silicon oxide.
  • the metallizations (6, 8) can e.g. generated by vapor deposition or sputtering and then firmly connected to the underlying material in a subsequent temperature step.
  • the distance between the base zone metallization ( ⁇ ) and the emitter zone section (4) is at least 5 ⁇ m and can be up to 500 ⁇ m.
  • the width of the emitter zone sections (4) is 200 ⁇ m
  • the distance between the planes of symmetry of these sections is 200 ⁇ m
  • the thickness of the base zone metallization is 8 ⁇ m
  • the base zone metallization consists of aluminum, the emitter metallization of a nickel / chrome alloy with, for example, 45 weight percent nickel.
  • the insulating layers (7, 9) consist of silicon nitride Si 3 N 4 .
  • a lead solder is provided as the material for the contact layer (11).
  • the thickness of the contact layer (11) between the respective attachment (8c) and the contact plate (12) is 3 to 5 ⁇ m.
  • the switchable anode current of a GTO thyristor with the above-mentioned typical construction is approx. 50% higher than that of known designs.
  • a pnp layer sequence (1, 2, 3) is produced in a pretreated large-area, preferably n-type semiconductor output wafer by doping on both sides.
  • the pattern of the emitter zone sections (4) is then produced using a masking process.
  • the base zone parts (2a) are then provided with a metallization (6) with the aid of a further masking.
  • the entire surface is then covered with a first insulating layer (7) e.g. covered with silicon nitride.
  • all emitter zone sections are exposed to such an extent that the remaining first insulating layer (7) still covers the gate transition between a base zone part (2a) and the adjacent emitter zone section (4).
  • the emitter metallization (8) is covered with a second insulating layer (9) made of the same material as the first insulating layer (7).
  • a second insulating layer (9) made of the same material as the first insulating layer (7).
  • an opening (10) is formed in the second insulating layer (9) in the region of each free surface (8c), in which the metallization (8) appears on the surface.
  • the surface formed from the second insulating layer (9) and from the emitter metallization (8) exposed in the openings (10) provided therein is coated with a solder metal.
  • the depressions existing between the surfaces (8c) and produced by the step-like structure of the individual layers are also compensated.
  • the contact plate (12) is firmly arranged on this solder metal coating by soldering. For this purpose the surface is soft-solderable.

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Abstract

Dans des composants à semiconducteurs commutables comportant une électrode de contact subdivisée dans un corps de semiconducteur de faible superficie, on réalise la connexion par liaison de matière de l'électrode structurée avec une plaque de contact (12) en disposant une couche de métallisation de base (6) sur chaque région de base située entre deux régions d'émission, en disposant sur cette couche une première couche isolante (7), puis sur cette dernière une couche de métallisation d'émission (8) du type traversant et sur celle-ci une seconde couche isolante (9) du type traversant. La seconde couche isolante présente, dans chaque région au-dessus de chaque couche de métallisation de base une fenêtre (10), et on applique sur la seconde couche isolante une couche intermédiaire (11) traversante d'un métal de contact, par exemple un métal d'apport de brasage, laquelle couche est en contact avec la couche de métallisation d'émission dans les fenêtres de la seconde couche isolante, ladite couche intermédiaire servant à assurer une surface d'appui plane pour une plaque de contact (12) plane et permettant la connexion de celle-ci par liaison de matière. D'autre part, afin d'améliorer le comportement en commutation à l'aide de résistances spécifiques dans la connexion des régions d'émission avec la plaque de contact, la couche de métallisation d'émission, composée par exemple de chrome et de nickel, est conformée de telle sorte que toute chute de tension latérale entre la plaque de contact et le plan de symétrie d'une région d'émission adjacente est supérieure à 10 mV lors du fonctionnement à la charge nominale.In switchable semiconductor components comprising a contact electrode subdivided into a semiconductor body of small area, the connection is made by material bonding of the structured electrode with a contact plate (12) by providing a base metallization layer (6) on each base region located between two emission regions, by placing on this layer a first insulating layer (7), then on this layer an emission metallization layer (8) of the through type and on this ci a second insulating layer (9) of the through type. The second insulating layer has, in each region above each base metallization layer, a window (10), and an intermediate layer (11) passing through a contact metal, for example a brazing filler metal, which layer is in contact with the emission metallization layer in the windows of the second insulating layer, said intermediate layer serving to provide a planar bearing surface for a planar contact plate (12) and allowing the connection thereof by bonding material. On the other hand, in order to improve the switching behavior using specific resistances in the connection of the emission regions with the contact plate, the emission metallization layer, composed for example of chromium and nickel , is shaped so that any lateral voltage drop between the contact plate and the plane of symmetry of an adjacent emission region is greater than 10 mV during operation at nominal load.

Description

Halbleiterbauelement Semiconductor device
Die Erfindung betrifft ein HaIbleiterbauelement mit einem Halblei terkörper, welcher eine Folge von schichtförmigen Zonen mit wenigstens zwei zwischenliegenden pn-üb ergangen und in wenigstens einer der beiden, die Emitterzone bildenden, äußeren Zonen eine Struktur aufweist, bei welcher Abschnitte der Emitterzone und zwischenliegende Teile der angrenzenden Basiszone eine gemeinsame Oberfläche bilden, und auf den Basiszonenteilen mit einer ersten Metallisierung sowie auf den Emitterzonenabschnitten mit einer zweiten Metallisierung, über welcher eine durchgehende Kontaktplatte angebracht ist, versehen ist.The invention relates to a semiconductor component with a semiconductor body, which has undergone a sequence of layer-shaped zones with at least two intermediate pn-u and in at least one of the two outer zones forming the emitter zone has a structure in which sections of the emitter zone and intermediate parts of the adjacent base zone form a common surface, and on the base zone parts with a first metallization and on the emitter zone sections with a second metallization, over which a continuous contact plate is attached.
Bei Halbleiterbauelementen mit einem HaIbleiterkörper mit mehreren Funktionsbereichen ist dessen Kontaktelektrode zur Kontaktierung mit Stromleiterteilen entsprechend unterteilt. Die Ausbildung solcher sogenannten Elektrodenstrukturen und die Kontaktierung derselben ist z.B . bei bipolaren Leistungstransistoren, bei Frequenzthyristoren mit verzweigter Steuerelektrode und bei über das Gate abschaltbaren Thyristoren (GTO-Thyristören) erforderlich.In the case of semiconductor components with a semiconductor body with a plurality of functional areas, its contact electrode for contacting current conductor parts is subdivided accordingly. The formation of such so-called electrode structures and the contacting thereof is e.g. required for bipolar power transistors, for frequency thyristors with branched control electrodes and for thyristors that can be switched off via the gate (GTO thyristors).
Es sind Elektrodenstrukturen mit ineinandergreifenden Abschnitten unterschiedlich gepolter Elektroden bekannt. Diese erfordern besondere Maßnahmen zur Vermeidung von Kurzschlüssen. Mit kleiner werdenden Abmessungen der Elektrodenabschnitte, d.h. mit zunehmender Unterteilung, wird die Feinstrukturierung dichter und wachsen die Andorderungen an die Verfahrenstechnik und an die Einrichtungen zur Herstellung solcher Anordnungen.Electrode structures with interlocking sections of electrodes with different poles are known. These require special measures to avoid short circuits. As the dimensions of the electrode sections become smaller, ie with increasing subdivision, the fine structuring becomes denser and the demands on the process technology and on the devices for producing such arrangements increase.
Es ist bekannt, derartige Strukturen durch Bonden oder durch Druck mittels Federkraft mit Kontakt stücken oder mit Stromleiterteilen zu verbinden. Als Kontaktstueke werden auch scheibenförmige Teile aus Molybdän verwendet.It is known to piece such structures by bonding or by pressure by means of spring force with contact or to connect with conductor parts. Disc-shaped parts made of molybdenum are also used as contact pieces.
Bei abschaltbaren Leistungshalbleiterbauelementen mit geringerer Flächenausdehnung der Elektrodenstruktur ist die Kontaktierung des Halbleiterkörpers durch Druck mittels Federkraft mit einem unangemessen hohen Aufwand an Material und an Verfahrensschritten verbunden.In the case of power semiconductor components which can be switched off and which have a smaller surface area of the electrode structure, the contacting of the semiconductor body by pressure by means of spring force is associated with an inappropriately high outlay in terms of material and process steps.
Aber auch eine Kontaktierung des Halbleiterkörpers solcher HaIbleiterbauelemente mittels Bonden ist mit Nachteilen behaftet.However, contacting the semiconductor body of such semiconductor components by means of bonding also has disadvantages.
Es besteht daher gerade bei abschaltbaren LeistungshaIbleiterbauelementen mit geringerer Flächenausdehnung der strukturierten Elektrode das Bedürfnis nach einer in einfacherer Weise erzielbaren stoffsehlüssigen Verbindung der Elektrodenstruktur mit einer Kontaktplatte.There is therefore a need, particularly in the case of power semiconductor components which can be switched off and with a smaller surface area of the structured electrode, for a substance-to-substance connection of the electrode structure to a contact plate which can be achieved in a simpler manner.
Die bekannten Bauformen weisen einen weiteren Nachteil auf. Jeder streifenförmige Abschnitt der Emitter-Metallisierung ist ganzflächig mit einem Bereich des Kontakt Stücks, z.B. einer Mo lybdän ronde, unmittelbar verbunden. Beim Ausschaltverhalten z.B. eines GTO-Thyristors wird ein Teil des zuvor fließendenThe known designs have a further disadvantage. Each strip-shaped section of the emitter metallization is covered over the entire area with a region of the contact piece, e.g. a Mo lybdenum blank, directly connected. When switching off e.g. of a GTO thyristor becomes part of the previously flowing
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 bestimmende 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 Kontaktstückbereich und dem zugehörigen Emitter- Metallisierungsabschnitt 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 HaIbleiterbauelementen ein Ausgleich der oben genannten, unerwünschten Toleranzen erzielt.Forward current using a negative gate voltage subtracted over the gate. Because of the very low-resistance connection between the emitter metallization and the contact piece, the time in which the emitter zone sections react after the negative voltage is applied is different due to tolerances of the parameters determining the switch-off behavior. This results in an undesirable limitation of the anode current that can be switched off. Studies have shown that this disadvantage can be largely eliminated with a defined electrical resistance between each contact piece region and the associated emitter metallization section. The resistance from the contact piece to the center of the metallization section should be greater than to the edge of the latter. In a manner analogous to the use of so-called ballast resistors in the parallel connection of semiconductor components, a compensation of the undesired tolerances mentioned above is achieved.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei abschaltbaren Halbleiterbauelementen mit strukturierter Elektrode in einer gegenüber bekannten Bauformen einfacheren Weise eine stoffschlüssige Verbindung der strukturierten Elektrode mit einer Kontaktp latte zu erzielen und zur Verbesserung des Abschaltverhaltens eine Metallisierung der Emitterzonenabschnitte der Elektrode zu schaffen, bei welcher diese Abschnitte über definierte Widerstände mit Stromleiterteilen verbunden sind.The object of the invention is to achieve a cohesive connection of the structured electrode with a contact plate in the case of switchable semiconductor components with a structured electrode in a simpler manner than known designs, and to improve the switch-off behavior by creating a metallization of the emitter zone sections of the electrode, in which these sections are connected to current conductor parts via defined resistors.
Die Lösung der Aufgabe besteht bei einem Halbleiterbauelement der eingangs erwähnten Art in den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs.The object is achieved in a semiconductor device of the type mentioned in the characterizing features of the main claim.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Ansprüchen 2 bis 11 angegeben.Advantageous embodiments are given in claims 2 to 11.
Anhand des in der Figur dargestellten Ausführungs beispiels wird die Erfindung erläutert. Die Figur zeigt im Querschnitt einen scheibenförmigen Halbleiterkörper eines GTO-Thyristors und die Stoffsehlüssige Anordnung einer Kontaktplatte auf dem Halbleiterkörper.Based on the embodiment shown in the figure for example, the invention is explained. The figure shows in cross section a disk-shaped semiconductor body of a GTO thyristor and the substance-wrong arrangement of a contact plate on the semiconductor body.
Der HaIbleiterkörper (I) aus einer hochohmigen, n-leitenden Mittelzone (1), je einer daran angrenzenden, p-leitenden Zone (2, 3) und den in die als Steuerbasiszone dienende Zone (2) eingelassen angeordneten Emitterzonenabschnitte (4) zeigt den üblichen Aufbau für ein schaltbares HaIbleitergleichrichterelement. Die beiden Funktionsbereiche, nämlich der Steuerstrombereich und der Laststrombereich, sind jeweils streifenförmig unterteilt ausgebildet, abwechselnd aufeinanderfolgend angeordnet und bilden gemeinsam die eine der beiden Hauptflächen des HaIbleiterkörpers (I). Jeder streifenförmige Teil des Steuerstrombereichs, d.h. der zwischen zwei benachbarten Emitterzonenabschnitten (4) liegende Basiszonenteil (2a), ist mit einer Metallisierung (6) versehen. Diese Basiszonen-Metallisierung (6) ist mit einer ersten Isolierschicht (7) überzogen, die für eine einwandfreie Abdeckung der bei der Druckkontaktierung des Aufbaus dem Kontaktdruck unterworfenen Basiszonen-Metallisierung (6) geeignet ausgebildet ist. Die erste Isolierschicht (7) überlappt jeweils den zwischen Basiszonenteil (2a) undThe semiconductor body (I), consisting of a high-resistance, n-conducting central zone (1), an adjoining p-conducting zone (2, 3) and the emitter zone sections (4) embedded in the control base zone (2), shows this usual structure for a switchable semiconductor rectifier element. The two functional areas, namely the control current area and the load current area, are each divided into strips, alternately arranged in succession and together form the one of the two main surfaces of the semiconductor body (I). Each strip-shaped part of the control current range, i.e. the base zone part (2a) lying between two adjacent emitter zone sections (4) is provided with a metallization (6). This base zone metallization (6) is covered with a first insulating layer (7), which is designed for a perfect covering of the base zone metallization (6) which is subjected to the contact pressure when the structure is contacted with pressure. The first insulating layer (7) overlaps that between the base zone part (2a) and
Emitterzonenabschnitt (4) an die Oberfläche tretenden pn-übergang.Emitter zone section (4) pn transition emerging on the surface.
Die freien Oberflächen der Emitterzonenabschnitte (4), bis auf die Stellen für Anschlußleiterteile, und die erste Isolierschicht (7) sind gemeinsam mit einer durchgehenden zweiten, als Emitter-Metallisierung (8) bezeichneten Metallschicht abgedeckt.The free surfaces of the emitter zone sections (4), except for the locations for connection conductor parts, and the first insulating layer (7) are covered together with a continuous second metal layer, referred to as the emitter metallization (8).
Durch die streifenförmigen Erhebungen der ersten Metallisierung (6) zwischen benachbarten Emitterzonenabschnitten (4) ist die Beschichtung der Halbleiteroberfläche aus Kontaktmetall und Isoliermaterial jeweils stufenförmig abgesetzt ausgebildet. Dabei bilden die über den Basiszonenteilen (2a) liegenden, tafelförmigen Aufsätze (8c) der Emitter-Metallisierung (8) die Kontaktfläche für die stoffschlüssige Verbindung der Metallisierung (8) mit einer ebenen Kontaktplatte (12), z.B. aus Molybdän.Through the strip-like elevations of the first Metallization (6) between adjacent emitter zone sections (4), the coating of the semiconductor surface made of contact metal and insulating material is in each case stepped. The tabular attachments (8c) of the emitter metallization (8) lying above the base zone parts (2a) form the contact surface for the integral connection of the metallization (8) to a flat contact plate (12), for example made of molybdenum.
Mit einer solchen Beschichtung der HaIbleiteroberfläche ist in besonders einfacher Weise eine beliebige Strukturierung einer Elektrode des HaIbleiterkörpers bei Bauelementen der eingangs genannten Art unabhängig von der Bemessung der Funktionsbereiche erzielbar.With such a coating of the semiconductor surface, any structuring of an electrode of the semiconductor body can be achieved in a particularly simple manner in the case of components of the type mentioned at the outset, regardless of the dimensioning of the functional areas.
Die Emitter-Metallisierung (8) ist jeweils zwischen der Symmetrielinie jedes Aufsatzes (8c) und der Symmetrielinie eines benachbarten Emitterzonenabschnittes (4) als definierter Strompfad vorgesehen. Sie ist zu diesem Zweck gegen eine darüber angeordnete metallische Zwischenschicht (11) durch eine zusammenhängende zweite Isolierschicht (9) abgedeckt. An diesem definierten Strompfad entsteht beim Abschalten des Bauelements ein Spannungsabfall, der mit durch Material und Bemessung der Emitter-Metallisierung (8) bestimmt ist. Er beträgt beim Einsatz des Ha Ib lei terbaue lements unter Nennbelastung wenigstens 10 mV. Diese zweite Isolierschicht (9) weist an jedem Aufsatz (8c) eine Öffnung (10) als Kontaktfenster zur Verbindung der Emitter-Metallisierung (8) mit einer Kontaktplatte (12) auf. Der durch die elektrisch isolierte Anordnung der Emitter-Metallisierung (8) gebildete Querwiderstand in derselben zwischen einer Kontaktstelle für die Kontaktp Latte (12) und der Symmetrielinie eines der benachbarten Emitterzonenab schnitte (4) setzt sich aus den Teilwiderständen R1 und R2 zusammen. Der Teilwiderstand R1 entsteht beim Einsatz des HaIbleiterbauelements in dem Abschnitt der Emitter-Metallisierung (8) zwischen dem Rand der zweiten Isolierschicht (9) auf dem Aufsatz (8c) und dem Rand der ersten Isolierschicht (7) auf dem Emitterzonenabschnitt (4). Der Teilwiderstand R2 ergibt sich aus dem weiteren Abschnitt der Emitter-Metallisierung (8) in dem daran anschließenden Strompfad bis zur Symmetrielinie dieses Emitterzonenabschnittes. Der Rand der ÖffnungThe emitter metallization (8) is provided between the line of symmetry of each attachment (8c) and the line of symmetry of an adjacent emitter zone section (4) as a defined current path. For this purpose, it is covered against a metallic intermediate layer (11) arranged above it by a coherent second insulating layer (9). When the component is switched off, a voltage drop occurs at this defined current path, which is also determined by the material and the dimensioning of the emitter metallization (8). When using the Ha Ib conductor component under nominal load, it is at least 10 mV. This second insulating layer (9) has an opening (10) on each attachment (8c) as a contact window for connecting the emitter metallization (8) to a contact plate (12). The transverse resistance formed by the electrically insulated arrangement of the emitter metallization (8) therein between a contact point for the contact plate (12) and the line of symmetry of one of the adjacent emitter zones sections (4) is composed of the partial resistors R 1 and R 2 . The partial resistance R 1 arises when the semiconductor component is used in the section of the emitter metallization (8) between the edge of the second insulating layer (9) on the attachment (8c) and the edge of the first insulating layer (7) on the emitter zone section (4). The partial resistance R 2 results from the further section of the emitter metallization (8) in the subsequent current path up to the line of symmetry of this emitter zone section. The edge of the opening
(10) in der zweiten Isolierschicht (9) weist eine konstante Entfernung zum Rand des zugeordneten Emitterzonenabschnittes (4) auf. Diese Entfernung ist im wesentlichen durch die Bemessung des jeweiligen Bas i szoneπbe re i chs und seiner Metallisierung (6) bestimmt. Der Querwiderstand R1 + R2 ist dann durch diese Entfernung sowie durch Dicke und Material der Emitter-Metallisierung (8) in dem betreffenden Bereich festgelegt. Auf diese Weise sind überraschend einfach definierte Widerstände in den Strompfaden der Emitterzonenabschnitte gebildet, welche die gewünschte Verbesserung des Abschaltverhaltens des eingangs genannten HaIbleiterbauelements ergeben. Die Größe sämtlicher Öffnungen (10) ist jedoch für die Strombelastbarkeit des HaIbleiterbauelements bestimmend. Die annähernd durch die Emitterzonenabschnitte (4) vorgegebene aktive Fläche ist daher im wesentlichen durch angepaßte Ausdehnung der Öffnungen (10) gewährleistet.(10) in the second insulating layer (9) is at a constant distance from the edge of the assigned emitter zone section (4). This distance is essentially determined by the dimensioning of the respective base zone area and its metallization (6). The transverse resistance R 1 + R 2 is then determined by this distance and by the thickness and material of the emitter metallization (8) in the area in question. In this way, surprisingly simply defined resistors are formed in the current paths of the emitter zone sections, which result in the desired improvement in the switch-off behavior of the semiconductor component mentioned at the beginning. However, the size of all openings (10) is decisive for the current carrying capacity of the semiconductor component. The active area, which is approximately predetermined by the emitter zone sections (4), is therefore essentially ensured by an adapted expansion of the openings (10).
Im weiteren ist auf die zweite Isolierschicht (9) die metallische Kontaktschicht (11) aufgebracht, die lediglich in den Öffnungen (10) mit der Emitter-Metallisierung (8) galvanisch verbunden ist. Die SchichtFurthermore, the metallic contact layer (11) is applied to the second insulating layer (9) and is only galvanically connected to the emitter metallization (8) in the openings (10). The layer
(11) besteht in vorteilhafter Weise aus einem Weichlot oder einem metallhaltigen Kleber mit hohem Anteil an einem Kontaktmetall und ist an der freien Oberseite im wesentlichen plan ausgebildet. Die stoffschlüssige Kontaktierung der Emitter-Metallisierung (8) mit der Kontaktplatte (12) ist durch ganzflächiges Verbinden der letzteren mit der Kontaktschicht (11) hergestellt.(11) advantageously consists of a soft solder or a metal-containing adhesive with a high proportion of a contact metal and is essentially flat on the free top. The cohesive contacting of the emitter metallization (8) with the contact plate (12) is produced by connecting the latter over the entire area to the contact layer (11).
Als Material der ersten Isolierschicht (7) eignen sich die anorganischen Verbindungen des Materials des Halbleiterkörpers wie SiO, SiO2, Si3N4 sowie Gläser auf Silikatbasis, z.B. Zinkborsilikatglas. Weiterhin eignen sich Aluminiumoxid Al2O3.The inorganic compounds of the material of the semiconductor body, such as SiO, SiO 2 , Si 3 N 4 and glasses based on silicate, for example zinc borosilicate glass, are suitable as the material of the first insulating layer (7). Aluminum oxide Al 2 O 3 is also suitable.
Es sind jedoch auch organische Schichten aus einem Polyimid verwendbar. Die Dicke dieser ersten Isolierschicht (7) soll wenigstens 0,1 μm betragen und ist vorzugsweise 0,5 bis 30μm.However, organic layers made of a polyimide can also be used. The thickness of this first insulating layer (7) should be at least 0.1 μm and is preferably 0.5 to 30 μm.
Als Material für die Basiszonen-Metallisierung (6) kann Aluminium oder eine Schichtenfolge aus den Metallen Aluminium, Chrom, Nickel, Silber vorgesehen sein. Damit ist die Forderung erfüllt, daß dieser metallische Überzug der Basiszonenteile (2a) eine hohe elektrische Leitfähigkeit besitzen muß, um die darin auftretenden lateralen Spannungsabfälle möglichst klein zu halten.Aluminum or a layer sequence of the metals aluminum, chromium, nickel, silver can be provided as the material for the base zone metallization (6). This fulfills the requirement that this metallic coating of the base zone parts (2a) must have a high electrical conductivity in order to keep the lateral voltage drops occurring therein as small as possible.
Als Material für die Emitter-Metallisierung (8) eignen sichSuitable materials for the emitter metallization (8)
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.Alloys made of or with nickel and chrome. Chromium-nickel alloys with a proportion of nickel in the range from 35 to 60 percent by weight are preferably provided. Favorable results were achieved with a chromium-nickel alloy with 40 percent by weight nickel, the rest chromium. Instead of nickel, the material of the emitter metallization (8) can also contain silicon oxide.
Die Metallisierungen (6, 8) können z.B. durch Aufdampfen oder Sputtern erzeugt und in einem nachfolgenden Temperaturschritt noch mit dem darunterliegenden Material fest verbunden werden. Der Abstand zwischen Basiszonen-Metallisierung (ό) und Emitterzonenabschnitt (4) ist wenigstens 5 μm und kann bis 500μm betragen.The metallizations (6, 8) can e.g. generated by vapor deposition or sputtering and then firmly connected to the underlying material in a subsequent temperature step. The distance between the base zone metallization (ό) and the emitter zone section (4) is at least 5 μm and can be up to 500 μm.
Typische Werte des Aufbaus des Halbleiterkörpers gemäß der Erfindung sind für die Breite der Emitterzonenabschnitte (4) 200 μm, den Abstand der Symmetrieebenen dieser Abschnitte 200 μm , die Dicke der Basiszonen-Metallisierung 8 μm, die Dicke der Isolierschichten (7, 9) je 5 μm und die Dicke der Emitter-Metallisierung (8) 6 μm. Die Basiszonen-Metallisierung besteht aus Aluminium, die Emitter-Metallisierung aus einer Nickel/Chrom-Legierung mit z.B. 45 Gewichtsprozent Nickel. Die Isolierschichten (7, 9) bestehen aus Siliziumnitrid Si3N4. Als Material für die Kontaktschicht (11) ist ein Bleilot vorgesehen. Die Dicke der Kontaktschicht (11) zwischen dem jeweiligen Aufsatz (8c) und der Kontaktplatte (12) beträgt 3 bis 5 μm.Typical values of the structure of the semiconductor body according to According to the invention, the width of the emitter zone sections (4) is 200 μm, the distance between the planes of symmetry of these sections is 200 μm, the thickness of the base zone metallization is 8 μm, the thickness of the insulating layers (7, 9) each 5 μm and the thickness of the emitter Metallization (8) 6 μm. The base zone metallization consists of aluminum, the emitter metallization of a nickel / chrome alloy with, for example, 45 weight percent nickel. The insulating layers (7, 9) consist of silicon nitride Si 3 N 4 . A lead solder is provided as the material for the contact layer (11). The thickness of the contact layer (11) between the respective attachment (8c) and the contact plate (12) is 3 to 5 μm.
Der abschaltbare Anodenstrom eines GTO-Thyristors mit dem vorgenannten typischen Aufbau ist um ca. 50% höher als derjenige bei bekannten Bauformen.The switchable anode current of a GTO thyristor with the above-mentioned typical construction is approx. 50% higher than that of known designs.
Zur Herstellung des beschriebenen HaIbleiterbauelements wird in einer vorbehandelten großflächigen, vorzugsweise n-leitenden Halbleiterausgangsscheibe durch beidseitiges Dotieren eine pnp-Schichtenfolge (1, 2, 3) erzeugt.To produce the semiconductor component described, a pnp layer sequence (1, 2, 3) is produced in a pretreated large-area, preferably n-type semiconductor output wafer by doping on both sides.
Anschließend wird mit Hilfe eines Maskierprozesses das Muster der Emitterzonenabschnitte (4) hergestellt. Darnach werden die Basiszonenteile (2a) mit Hilfe einer weiteren Maskierung mit einer Metallisierung (6) versehen. Im Anschluß daran wird die gesamte Oberfläche mit einer ersten Isolierschicht (7) z.B. aus Siliziumnitrid abgedeckt. In einem nachfolgenden selektiven Ätzschritt werden sämtliche Emitterzonenabschnitte soweit freigelegt, daß die verbleibende erste Isolierschicht (7) noch den Gate-übergang zwischen einem Basiszonenteil (2a) und dem benachbarten Emitterzonenabschnitt (4) überdeckt.The pattern of the emitter zone sections (4) is then produced using a masking process. The base zone parts (2a) are then provided with a metallization (6) with the aid of a further masking. The entire surface is then covered with a first insulating layer (7) e.g. covered with silicon nitride. In a subsequent selective etching step, all emitter zone sections are exposed to such an extent that the remaining first insulating layer (7) still covers the gate transition between a base zone part (2a) and the adjacent emitter zone section (4).
Auf die in dieser Weise erzielte, strukturierte Schutzabdeckung des HaIbleiterkörpers mit z.B. streifenförmigen Fenstern über den Emitterzonenabschnitten (4) wird nunmehr die durchgehende, sämtliche Emitterzonenabschnitte verbindende, zweite Metallisierung, die Emitter-Metallisierung (8), aufgebracht, beispielsweise aufgedampft. Diese hat dann über den Emitterzonenabschnitten die Form einer stufenförmigen Vertiefung und jeweils über den Basiszonen-Metallisierungen (6) dieForm eines tafelförmigen Aufsatzes mit der freien Auflagefläche (8c).On the structured, achieved in this way Protective covering of the semiconductor body with, for example, strip-shaped windows above the emitter zone sections (4), the continuous, all metallization connecting all emitter zone sections, the emitter metallization (8), is now applied, for example vapor-deposited. This then has the shape of a step-shaped depression above the emitter zone sections and the shape of a tabular attachment with the free contact surface (8c) in each case above the base zone metallizations (6).
In einem weiteren Verfahrensschritt wird die Emitter-Metallisierung (8) mit einer zweiten Isolierschicht (9) aus demselben Material wie die erste Isolierschicht (7) abgedeckt. Durch anschließendes, selektives Abtragen mit Hilfe eines Maskierschrittes wird in der zweiten Isolierschicht (9) im Bereich jeder freien Fläche (8c) eine öffnung (10) gebildet, in welcher die Metallisierung (8) an die Oberfläche tritt. Die aus der zweiten Isolierschicht (9) und aus der in den darin angebrachten Öffnungen (10) freiliegenden Emitter-Metallisierung (8) gebildete Oberfläche wird mit einem Lotmetall überzogen. Dabei werden auch die zwischen den Flächen (8c) bestehenden, durch den stufenförmigen Aufbau der einzelnen Schichten erzeugten Vertiefungen ausgeglichen. Auf diesem Lotmetallüberzug wird die Kontaktplatte (12) durch Löten fest angeordnet. Zu diesem Zweck ist dieselbe weichlötfähig oberflächenbehandelt. In a further process step, the emitter metallization (8) is covered with a second insulating layer (9) made of the same material as the first insulating layer (7). Subsequent, selective removal with the aid of a masking step, an opening (10) is formed in the second insulating layer (9) in the region of each free surface (8c), in which the metallization (8) appears on the surface. The surface formed from the second insulating layer (9) and from the emitter metallization (8) exposed in the openings (10) provided therein is coated with a solder metal. The depressions existing between the surfaces (8c) and produced by the step-like structure of the individual layers are also compensated. The contact plate (12) is firmly arranged on this solder metal coating by soldering. For this purpose the surface is soft-solderable.

Claims

Patentansprüche Claims
1. HaIbleiterbauelement mit einem HaIbleiterkörper (I), der1. semiconductor component with a semiconductor body (I) that
- eine Folge von sehichtförmigen Zonen (1, 2, 3, 4) mit wenigstens zwei zwischenliegenden pn-übergängen und- a sequence of visual zones (1, 2, 3, 4) with at least two intermediate pn junctions and
- in wenigstens einer der beiden, die Emitterzone bildenden, äußeren Zonen eine Struktur aufweist, bei welcher Abschnitte der Emitterzone (4) und zwisehenliegende Teile (2a) der angrenzenden Basiszone (2) eine gemeinsame Ob erfläche bilden, und- In at least one of the two, the emitter zone forming, outer zones has a structure in which sections of the emitter zone (4) and intermediate parts (2a) of the adjacent base zone (2) form a common surface, and
- auf den Basiszonenteilen (2a) mit einer ersten Metallisierung (6) sowie- On the base zone parts (2a) with a first metallization (6) and
- auf den Emitterzonenabschnitten (4) mit einer zweiten Metallisierung (8), über welcher eine durchgehende Kontaktplatte (10) angebracht ist, versehen ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß- On the emitter zone sections (4) is provided with a second metallization (8), over which a continuous contact plate (10) is attached, that means that
- auf jeder ersten Metallisierung (6) eine sich bis über den jeweiligen pn-übergang zwischen Basiszonenteil (2a) und einem benachbarten Emitterzonenabschnitt (4) erstreckende, erste Isolierschicht (7) angebracht ist,a first insulating layer (7) is applied to each first metallization (6) and extends over the respective pn junction between the base zone part (2a) and an adjacent emitter zone section (4),
- die zweite Metallisierung (8) als durchgehende, die erste Isolierschicht (7) und die Emitterzonenabschnitte (4) bedeckende Elektrode angeordnet und so bemessen ist, daß der laterale Spannungsabfall in der zweiten Metallisierung zwischen der Verbindung derselben zur Kontaktplatte (12) und der Symmetrieebene eines benachbarten Emitterzonenabschnittes (4) beim Einsatz unter Nennbelastung jeweils wenigstens 10 mV beträgt, - auf der durchgehenden zweiten Metallisierung (8) eine zweite Isolierschicht (9) aufgebracht ist, die sämtliche zu kontaktierenden Stellen der bei- den Metallisierungen freiläßt und über jedem Basiszonenteil (2a) eine Öffnung (10) aufweist,- The second metallization (8) arranged as a continuous, the first insulating layer (7) and the emitter zone sections (4) covering electrode and is dimensioned such that the lateral voltage drop in the second metallization between the connection thereof to the contact plate (12) and the plane of symmetry of an adjacent emitter zone section (4) when used under nominal load is at least 10 mV, - A second insulating layer (9) is applied to the continuous second metallization (8), which leaves all points of the two metallizations to be contacted and has an opening (10) above each base zone part (2a),
- auf der zweiten Isolierschicht (9) eine durchgehende Kontaktschicht (11) angeordnet ist, die jeweils durch die Öffnungen (10) mit der zweiten Metallisierung verbunden ist, und- On the second insulating layer (9) a continuous contact layer (11) is arranged, which is connected through the openings (10) with the second metallization, and
- auf der durchgehenden Kontaktschicht (11) stoffschlüssig eine ebene Kontaktplatte (12) fest aufgebracht ist.- A flat contact plate (12) is firmly attached to the continuous contact layer (11).
2. HaIbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als erste Isolierschicht (7) eine anorganische Verbindung des HaIbleitermaterials vorgesehen ist2. semiconductor component according to claim 1, characterized in that an inorganic compound of the semiconductor material is provided as the first insulating layer (7)
3. HaIbleiterbauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als anorganische Verbindung des Halbleitermaterials Siliziumoxid, Siliziumdioxid, Siliziumnitrid oder ein Glas auf Silikatbasis vorgesehen ist.3. A semiconductor component according to claim 2, characterized in that silicon oxide, silicon dioxide, silicon nitride or a silicate-based glass is provided as the inorganic compound of the semiconductor material.
4. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als erste Isolierschicht (7) eine Schicht aus Aluminiumoxid vorgesehen ist.4. A semiconductor device according to claim 1, characterized in that a layer of aluminum oxide is provided as the first insulating layer (7).
5. HaIbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als erste Isolierschicht (7) eine organisehe Schicht aus einem Polyimid vorgesehen ist.5. semiconductor component according to claim 1, characterized in that an organic layer made of a polyimide is provided as the first insulating layer (7).
6. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Isolierschicht (9) aus dem gleichen Material wie die erste Isolierschicht (7) besteht.6. A semiconductor device according to claim 1, characterized in that the second insulating layer (9) consists of the same material as the first insulating layer (7).
7. HaIbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Isolierschichten (7, 9) wenigstens 0,1 um, vorzugsweise 0,5 bis 30 um beträgt.7. semiconductor component according to one of claims 1 to 6, characterized in that the thickness of the insulating layers (7, 9) is at least 0.1 µm, preferably 0.5 to 30 µm.
8. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Material der zweiten Metallisierung (8) eine Legierung aus oder mit Nickel und Chrom vorgesehen ist.8. A semiconductor device according to claim 1, characterized in that an alloy of or with nickel and chromium is provided as the material of the second metallization (8).
9. HaIbleiterbauelement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, 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.9. semiconductor component according to claim 8, characterized in that an alloy of nickel and chromium with a nickel content of 35 to 60 percent by weight is provided as the material of the second metallization (8).
10. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Material der zweiten Metallisierung (8) eine Legierung aus Siliziumoxid und Chrom vorgesehen ist.10. A semiconductor device according to claim 1, characterized in that an alloy of silicon oxide and chromium is provided as the material of the second metallization (8).
11. HaIbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der zweiten Metallisierung (8) wenigstens 1 um, vorzugsweise 3 bis 30 um beträgt. 11. semiconductor component according to one of the preceding claims, characterized in that the thickness of the second metallization (8) is at least 1 µm, preferably 3 to 30 µm.
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