CS276637B6

CS276637B6 - Power semiconductor device

Info

Publication number: CS276637B6
Application number: CS893002A
Authority: CS
Inventors: Bohumil Ing Pina; Jaroslav Rndr Csc Homola; Jiri Ing Brabec; Jaroslav Rndr Zamastil; Daniela Ing Ricarova
Original assignee: Ckd Polovodice
Priority date: 1989-05-18
Filing date: 1989-05-18
Publication date: 1992-07-15
Also published as: CS300289A3

Abstract

Výkonová polovodičová součástka sestává z desky (1) polovodičového materiálu s„ alespoň jedním PN přechodem a z alespoň jedné elektrody ve tvaru desky (5) z vyeokodotovanóho polovodičového materiálu P nsbo N typu elektrické vodivosti. Obě desky (1; 5) jeou spojeny pevným spojem sestávajícím nejméně z pěti vrstev. Krajní dvě vrstvy (6, 10) jsou vytvořeny z materiálu na bázi sllumínu, prostředni vrstva (8) js vytvořena za silicidotvorného kovu a zbývající dvě vrstvy (7, 9) umístěné každá mezi jednou krajní vrstvou a prostředni vrstvou (8) zs silicidotvornóho kovu jsou tvořeny silicidem tohoto kovu. Řečeni je především určeno pro velkoplošné výkonové polovodičové součástky typu dioda, tyristor, tranzistor, vytvořené na křemíkových deskách s průměrem do 5", na které jsou kladeny vysoké nároky ňa mechanická a elektrické vlastnosti.The power semiconductor component consists of a plate (1) of semiconductor material with at least one PN junction and at least one plate-shaped electrode (5) of highly doped semiconductor material of P or N type of electrical conductivity. Both plates (1; 5) are connected by a fixed connection consisting of at least five layers. The outer two layers (6, 10) are made of aluminum-based material, the middle layer (8) is made of silicide-forming metal and the remaining two layers (7, 9) each located between one outer layer and the middle layer (8) of silicide-forming metal are made of silicide of this metal. The solution is primarily intended for large-area power semiconductor components of the diode, thyristor, transistor type, made on silicon plates with a diameter of up to 5", on which high demands are placed on mechanical and electrical properties.

Description

Vynález se týká výkonové polovodičové součástky, sestávající z desky polovodičového materiálu s alespoň jedním přechodem PN a z alespoň jedné elektrody ve tvoru desky z vysokodotovaného polovodičového materiálu P nebo N typu elektrické vodivosti, vzájemně spojených pevným spojem. .The invention relates to a power semiconductor device consisting of a plate of semiconductor material with at least one PN junction and of at least one electrode in the form of a plate of highly dotted semiconductor material P or N of the electrical conductivity type, interconnected by a fixed connection. .

Známým stavem řešení výkonových polovodičových součástek je spojeni desky polovodičového materiálu, obsahující alespoň jeden přechod PN s dilatační molybdenovou nebo wolframovou elektrodou pevným spojem na bázi siluminu nebo spojem na bázi olova nebo cínu. V případě spoje na bázi siluminu se vytvoří na straně spoje v polovodičové desce rekrystalizovaná vrstva polovodičového materiálu, jejíž vlastnosti, jako například tlouštku, lze řídit technologií výroby spoje. Tato vrstva ovlivňuje vlaetnosti emitoru na straně spoje například injekčni účinnost. Dalším známým způsobem řešení je výkonová polovodičová součástka, ve které je polovodičová deska obsahující alespoň jeden přechod PN spojená s polovodičovou dilatační vysokodotovanou elektrodou vrstvou spoje na bázi siluminu.A known state of the art of power semiconductor devices is the connection of a board of semiconductor material comprising at least one PN junction with a dilatation molybdenum or tungsten electrode with a fixed connection based on silumin or a connection based on lead or tin. In the case of a silumin-based joint, a recrystallized layer of semiconductor material is formed on the joint side in the semiconductor board, the properties of which, such as thickness, can be controlled by the joint manufacturing technology. This layer affects the properties of the emitter on the connection side, for example the injection efficiency. Another known solution is a power semiconductor device, in which a semiconductor board comprising at least one PN junction is connected to a semiconductor expansion high-doped electrode by a silumin-based junction layer.

Nevýhody uvedených řešení výkonových polovodičových součástek s dilatační molybdenovou nebo wolframovou elektrodou vyplývají z rozdílných dilatačních vlastností obou spojovaných materiálů křemíkové desky a molybdenové nebo wolframové desky. Koeficienty lineární roztažnosti jsou závislé na teplotě a u molybdenu máji vlče než dvojnásobnou hodnotu v porovnání s koeficientem lineární roztažnosti křemíku. Vede to k prohnuti soustavy, ke vzniku velkého mechanického namáháni v materiálu křemíkové desky. Nepřimoúměrná závislost průhybu soustavy na tloušřca dilatační wolframové nebo molybdenové desky vyžaduje u velkých průměrů polovodičových součástek velké tlouštky molybdenových nebo wolframových elektrod. Zvyšuje se hmotnost soustavy, náklady na výrobu součástky a zvyšuje sa obtížnost zpracování ve výrobním procesu. Při spojeni křemíkové desky obsahující alespoň jeden přechod PN s elektrodou z vysokodotovaného polovodičového materiálu se zlepší mechanické vlastnosti soustavy, ale ve srovnání ss spojem s molybdenovou nebo wolframovou dilatační elektrodou je podstatnou nevýhodou menši tlouštka a v některých případech i nespojitost rakrystalizované vrstvy v křemíkové desce obsahujíc! alespoň jeden přechod PN na strané spoje, která u některých konstrukcí polovodičových součástek snižuje injekční účinnost emitoru na strané spoje a ovlivňuje negativně propustné vlastnosti součástky.The disadvantages of the mentioned solutions of power semiconductor components with an expansion molybdenum or tungsten electrode result from the different expansion properties of the two joined materials of a silicon wafer and a molybdenum or tungsten wafer. The coefficients of linear expansion are temperature-dependent, and molybdenum is more than twice as high as the coefficient of linear expansion of silicon. This leads to the bending of the system, to the creation of a large mechanical stress in the material of the silicon wafer. The disproportionate dependence of the system deflection on the thickness of the expansion tungsten or molybdenum plate requires large thicknesses of molybdenum or tungsten electrodes for large diameters of semiconductor components. The weight of the system, the cost of manufacturing the part, and the difficulty of processing in the manufacturing process increase. When connecting a silicon wafer containing at least one PN junction to an electrode of highly dotted semiconductor material, the mechanical properties of the system are improved, but compared to a connection with a molybdenum or tungsten expansion electrode, a significant disadvantage is smaller thickness and in some cases a discontinuity of the recrystallized layer in the silicon wafer. at least one junction PN on the junction side, which in some semiconductor device designs reduces the injector efficiency of the junction side emitter and adversely affects the component's permeable properties.

Uvedené nevýhody řeší výkonová polovodičová součástka, sestávající z desky polovodičového materiálu s alespoň jedním přechodem PN a z alespoň jedné elektrody ve tvaru desky z vysokodotovaného polovodičového materiálu P nebo N typu elektrické vodivosti podle vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že obě desky jsou spojeny pevným spojem, sestávajícím z pěti vrstev, přičemž krajní první a páté vrstva jsou tvořeny z materiálu na bázi siluminu, zatímco prostředni vrstva js tvořena silicidotvorným kovem a druhá a čtvrtá vrstva, umístěná každá mezi jednou krajní vrstvou a prostředni vrstvou ze silicidotvorného kovu, jsou tvořeny silicidem silicidotvorného kovu.These disadvantages are solved by a power semiconductor device consisting of a plate of semiconductor material with at least one PN junction and at least one electrode in the form of a plate of high-subsidized semiconductor material P or N of the electrical conductivity type according to the invention, the essence of which consists in , consisting of five layers, the outer first and fifth layers being formed of a silumin-based material, while the middle layer is formed of a silicide-forming metal and the second and fourth layers, each located between one outer layer and the middle layer of a silicide-forming metal. metal.

Výhodou řešeni výkonové polovodičové součástky podle vynálezu oproti známým řešením s molybdenovými nebo wolframovými elektrodami jsou zlepšené mechanické vlaetnosti součástky spočívající zejména v odstraněni průhybu soustavy a v řádovém sníženi její hmotnosti. Další výhodou je sníženi výrobních nákladů a snadná zpracovatelnost soustavy v dalším výrobním postupu. Oproti známým řešením spojeni polovodičové destičky s alespoň jedním přechodem PN s elektrodou z vysokodotovaného polovodičového materiálu zajlětuje řešeni podle vynálezu vznik silnější a spojité rakrystalizované vrstvy v desce polovodičového matariálu s přechody PN na straně spoje. Rekrystalizovaná vrstva působí potom jako emit or s vyšší injekční účinností a zlepšuje propustné vlastnosti součástky. Řešení podle vynálezu tak umožňuje dosáhnout u výkonové polovodičové součástky soustavně nejlepších elektrických i mechanických vlastností.The advantage of the solution of the power semiconductor component according to the invention over the known solutions with molybdenum or tungsten electrodes is the improved mechanical properties of the component consisting in particular in eliminating the deflection of the system and in reducing its weight by an order of magnitude. Another advantage is the reduction of production costs and easy workability of the system in the next production process. In contrast to the known solutions for connecting a semiconductor wafer with at least one PN junction to an electrode of highly subsidized semiconductor material, the solution according to the invention provides for a thicker and continuous recrystallized layer in the semiconductor material board with PN junctions on the junction side. The recrystallized layer then acts as an emitter with higher injection efficiency and improves the permeable properties of the component. The solution according to the invention thus makes it possible to consistently achieve the best electrical and mechanical properties in a power semiconductor component.

První přiklad řešeni výkonové polovodičové součástky podle vynálezu je znázorněn na připojeném výkresu. Polovodičová křemíková deska 1 s průměrem 3 pro výkonovou diodu se fA first example of a power semiconductor device according to the invention is shown in the accompanying drawing. Semiconductor silicon wafer 1 with diameter 3 for power diode with f

CS 276 637 B6 2CS 276 637 B6 2

X středním propustným proudem 2 500 A a opakovatelným špičkovým závěrným napětím 4,5 kV obsahuje vrstvu 2 p⁺ typu elektrické vodivosti tvořící přechod PN s vrstvou 3 N typu elektrické vodivosti základního materiálu a emitorovou vrstvu 4 N⁺ typu elektrické vodivosti. Polovodičová křemíková deska JL je spojena s deskou 5 vysokodotovaného polovodičového materiálu, například monokrystalického křemíku, a měrném odporu 10~⁴/lcm a tlouštkou přibližně stejnou jako má deska 1 s diodovou strukturou, tj. 0,6 mm. Soustava je opatřena kovovými kontaktními vrstvami 11 a 12.X with a medium pass current of 2,500 A and a repeatable peak closing voltage of 4.5 kV comprises a layer 2 p ⁺ of the electrical conductivity type forming a PN junction with a layer 3 N of the electrical conductivity of the base material and an emitter layer 4 N ⁺ of the electrical conductivity type. The semiconductor silicon plate JL is connected to a plate 5 of a highly subsidized semiconductor material, for example monocrystalline silicon, and a resistivity of 10 ^-4 / 1 cm and a thickness approximately the same as that of the plate 1 with a diode structure, i.e. 0.6 mm. The system is provided with metal contact layers 11 and 12.

Pevný spoj mezi křemíkovou deskou 1 diodové struktury s deskou 5 vysokodotovaného polovodičového materiálu je tvořen první vrstvou £ a pátou vrstvou 10 siluminu s tlouštkou 4 /um, druhou a čtvrtou vrstvou 7 a 9 silicidu molybdenu s tlouštkou 2 ^um a prostřední vrstvou 8 molybdenu s tlouštkou 2 /Um. Celková tlouštka spoje je 14 yum.The solid bond between the silicon plate 1 of the diode structure and the plate 5 of highly subsidized semiconductor material is formed by a first layer 6 and a fifth layer 10 of silumin with a thickness of 4 .mu.m, second and fourth layers 7 and 9 of molybdenum silicide with a thickness of 2 .mu.m and a middle layer 8 of molybdenum with thickness 2 / Um. The total joint thickness is 14 yum.

Druhým příkladem je spoj mezi křemíkovou deskou obsahující tyristořovou strukturu se třemi přechody PN, a mezi vysokodotovanou křemíkovou elektrodu, eložený z první a páté vrstvy 6, 10 siluminu tloušťky 6/um, mezi nimiž jsou druhá a Čtvrtá vrstva 7, 9 eilicidu titanu tlouštky 3yum a mezi oběma vrstvami 7, 9 silicidu titanu je prostřední vrstva 8 kovového titanu tlouštky 2/Um.A second example is a connection between a silicon wafer containing a thyristor structure with three PN junctions, and a highly dotted silicon electrode composed of first and fifth layers 6, 10 of 6 .mu.m thick silumin, between which the second and fourth layers 7, 9 of 3 .mu.m thick titanium eilicide are and between the two layers 7, 9 of titanium silicide there is a middle layer 8 of titanium metal of thickness 2 / μm.

Řešeni výkonových polovodičových součástek podle vynálezu je určeno pro součástky jako jsou výkonové polovodičové diody, tyristory, tranzistory a další typy součástek na průměrech křemíku do 5.The solution of power semiconductor components according to the invention is intended for components such as power semiconductor diodes, thyristors, transistors and other types of components on silicon diameters up to 5.

Claims

PATENT CLAIMS

Power semiconductor device, consisting of a plate of semiconductor material with at least one PN junction and at least one electrode in the form of a plate of highly subsidized semiconductor material P or N of the electrical conductivity type, characterized in that the two plates (1, 5) are connected by a fixed connection consisting of five layers, the outermost first and fifth layers (6, 10) being formed of an eilumin-based material, while the middle layer (8) is formed of a silicide-forming metal and the second and fourth layers (7, 9), each located between one outermost layer. layer (6, 10) and an intermediate layer (8) of silicide-forming metal, are formed by a silicide-forming metal eilicide.