DE3346833C2

DE3346833C2 - Halbleiterelement

Info

Publication number: DE3346833C2
Application number: DE3346833A
Authority: DE
Inventors: Hideo Yokohama Matsuda
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1982-12-28
Filing date: 1983-12-23
Publication date: 1986-12-18
Also published as: US4724475A; DE3346833A1; JPS59121871A

Abstract

Ein Halbleiterelement weist folgende Bauteile auf: ein Halbleitersubstrat (8), einen ersten Bereich (N) einer ersten Leitfähigkeitstype, der in der Oberfläche des Halbleitersubstrats (8) ausgebildet ist; einen zweiten Bereich einer zweiten Leitfähigkeitstype, der dem ersten Bereich benachbart ist und in der Oberfläche des Halbleitersubstrats (8) ausgebildet ist, eine erste Elektrode (12) auf dem ersten Bereich; eine zweite Elektrode (9) auf dem zweiten Bereich, wobei die erste Elektrode (12) so angeordnet ist, daß sie über einen Preßkontakt nach außen geführt ist. Die erste Elektrode (12) besteht aus einer unteren Schicht (13), die auf dem ersten Bereich (N) formiert ist und aus einem Metall besteht, das mit dem Halbleitersubstrat eine gute leitende Verbindung eingeht, einer Zwischenschicht (14) aus einem harten, leitfähigen Material, die auf der unteren Schicht (13) ausgebildet und dicker als diese ist, und einer oberen Schicht (15) aus einem weichen Material, die auf der Zwischenschicht (14) ausgebildet und dünner als die Zwischenschicht ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Halbleiterelement mit einem Halbleitersubstrat einem ersten Bereich einer ersten Leitfähigkeitstype, der in der Oberfläche des Halbleitersubstrats ausgebildet ist, einem zweiten Bereich einer zweiten Leitfähigkeitstype, der angrenzend an den ersten Bereich in der Oberfläche des Halbleitersubstrats ausgebildet ist, einer auf dem ersten Bereich formierten, aus mehreren Schichten bestehenden ersten Elektrode und einer auf dem zweiten Bereich formierten zweiten Elektrode, wobei die erste Elektrode so angeordnet ist, daß sie über einen Preßkontakt nach außen geführt ist, und wobei eine untere Schicht der ersten Elektrode aus einem Metall besteht, das mit dem Halbleitersubstrat eine leitende Verbindung eingeht.

Ein solches aus der US-PS 41 55 155 bekanntes Halbleiterelement weist den Nachteil auf, daß die erste Elektrode, welche doppelschichtig ausgebildet ist, im Laufe der Zeit eine Wärmeermüdung aufgrund dauernder Wärmeschwankungen des Halbleiterelements bei den unterschiedlichen Belastungszuständen erleiden kann. Hieraus ergibt sich die Gefahr, daß aufgrund von seitlichen Neigungstendenzen dieser ersten Elektrode eine Kontaktberührung mit einer jeweils benachbarten Elektrode erfolgt was zu einem Kurzschluß führen kann.

F i g. 1 zeigt in Schnittdarstellung den Aufbau eines herkömmlichen Planarleistungs-Transistors als weiteres mögliebes Beispiel eines Leistungshalbleiterelementes.

ίο Darin bedeuten: 1 ein Keramikgehäuse, 2 einen npn-Transistor, 3 und 4 Wärmepufferplatten aus Mo oder W und 5 und 6 äußere Kupferelektroden. Die äußere Elektrode 5 wird mit Druck gegen die einzelnen Emitterelektroden 7 gepreßt und zwar unter Zwischenschaltung der Wärmepufferplatte 4. Die äußere Elektrode 6 ist mit einem Substrat 8 des Transistors 2 über die Wärmepufferplatte 3 verbunden. Das Substrat 8 ist mit der Wärmepufferplatte 3 über eine Verbindungsmetallschicht 11, etwa einem Lot fest verbunden. Eine der zahlreichen Basiselektroden 9 des Transistors 2 ist mit einer Zuleitung 10 verbunden, die aus dem Keramikgehäuse 1 nach außen ragt

Bei dem in F i g. 1 beschriebenen Leistungstransistor sind die Emitterelektroden 7 aus einem Aluminiumfilm von ΙΟμίη Stärke hergestellt Diese Emitterelektroden 7 sind auf zahlreichen Emitterbereichen ausgebildet die vom Transistor 2 nach oben abstehen und einen Durchmesser von etwa 40 mm haben. Zwischen den Emitterelektroden 7 und der Wärmepufferplatte 4 herrscht eine Preßkraft von etwa 1 · 10⁴ bis 1,5 ■ 10* N. Die Emitterelektroden 7 ragen über die Basiselektroden 9 um etwa 20 μπι hervor. Die Emitterelektroden 7 und die Basiselektroden 9 sind so abwechselnd ausgebildet, daß die Emitterelektroden 7 voneinander einen Abstand in Richtung der Breite von etwa 200 bis 300 μπι haben. Obgleich zwischen den Emitterelektroden 7 und der äußere Elektrode 5 bei dem beschriebenen Leistungshalbleiterelement die Wärmepufferplatte 4 eingeklemmt ist, erleiden die Emitterelektroden dennoch eine Wärmeermüdung aufgrund der dauernden Wärmeschwankungen des Transistors bei den unterschiedlichen Belastungszuständen. Das kann dazu führen, daß die Emitterelektroden 7 sich in Querrichtung neigen, durch einen Passivierungsfilm (nicht gezeigt), der auf den Basiselektroden 9 formiert ist, hindurchtreten und die entsprechende Basiselektrode 9 erreichen können. Diese Emitterelektrode 7 verschweißt oder verschmilzt dann mit der Basiselektrode 9, so daß Emitter- und Basisbereich in diesem Fall kurzgeschlossen sind.

Allgemein besteht die Schaltverbindungs- oder Elektrodenschicht eines Halbleiterelementes aus Aluminium von hoher Leitfähigkeit. Da jedoch das Aluminium weich ist und einen niedrigen Schmelzpunkt hat, kann es nicht in jedem Fall als das bestgeeignete Elektrodenmaterial beim Preßkontaktaufbau eines Hochleistungshalbleiterelementes eingesetzt werden, wie noch beschrieben wird. Es müssen deshalb das Material und der bei der Herstellung eines Preßkontaktaufbaus angewendete Vorgang eines Hochleistungshalbleiterelements richtig ausgewählt werden, wozu andere Bezugsstandpunkte ais im Faiie von Halbieiiereieiiieiiieii geringer Leistung berücksichtigt werden müssen.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Halbleiterelement der eingangs genannten Art so auszubilden, daß durch verbesserten Preßkontaktaufbau Kurzschlüsse der Aktivzonen aufgrund von Wärmeermüdung einer Elektrode verhindert werden.
Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß die erste

Elektrode eine Zwischenschicht, die aus einem harten leitfähigen Material besteht, das auf der unteren Schicht formiert ist und dicker als die untere Schicht ist, und eine obere Schicht aus einem weichen Material, das auf der Zwischenschicht formiert und dünner als die Zwischenschicht ist, aufweist

Die untere Schicht kann aus Aluminium oder Gold bestehen oder ein Al/Poly-Si-Zweischichtaufbau sein und vorzugsweise eine Dicke von 0,5 bis 3 um haben. Die Zwischenschicht kann aus einem harten Metall mit hohem Schmelzpunkt wie Mo, Ti, Wolfram oder Co oder aus einem Silirid oder Nitrid dieser Elemente bestehea Die Stärke der Zwischenschicht beträgt vorzugsweise 4 bis 15 μπι. Die obere Schicht kann wiederum aus Al oder Au bestehen und vorzugsweise eine Dicke von 0,5 bis 3 μπι haben. Sämtliche Schichten können durch Vakuumbedampfung, im Sputter-Verfahren oder dergleichen erzeugt werden.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den Unteransprüchen 4 und 5.

Zur näheren Erläuterung der Erfindung zeigt die Zeichnung im einzelnen in

F i g. 1 einen Schnitt durch einen herkömmlichen Leistungstransistor;

F i g. 2 bis 5 Schnitte durch einzelne Ausführungsbeispiele eines Leistungstransistors mit den Merkmalen der Erfindung.

Bei dem in F i g. 2 gezeigten Leistungstransistor stehen n-Störstellenbereiche (z. B. ein Emitterbereich) von einem p-Störstellenbereich (z. B. ein Basisbereich) nach oben vor. Jede Emitterelektrode 12 ist dreischichtig iind besteht aus einer unteren Al-Schicht 13 in der Stärke von 1 μπι, einer Mo-Zwischenschicht 14 in einer Stärke von 10 μπι und einer oberen Al-Schicht 15 in einer Stärke von 1 μπι. Eine derartige Emitterelektrode besteht zum überwiegenden Teil aus einem harten Werkstoff mit hohem Schmelzpunkt Auch wenn eine äußere Elektrode mit ziemlich hoher Anpreßkraft bei einem hohen Temperaturniveau auf die Emitterelektrode gepreßt wird, tritt keine Erweichung oder Deformation auf. Auch schwierig aufzunehmende Erhitzungszyklen führen bei derartigen Elektroden nicht zur Wärmeermüdung. Es sind deshalb keine Kurzschlüsse zwischen den Emitter- und Basisbereichen zu befürchten. Die untere Schicht, die unmittelbar auf dem Emitterbereich ausgebildet ist, besteht aus einem Metall, das mit dem Substrat (hier im Emitterbereich) einen guten ohmschen Kontakt eingeht, so daß der Kontaktspannungsabfall genauso klein gehalten werden kann wie bei einer herkömmlichen, nur aus Aluminium bestehenden Elektrode. Außerdem besteht auch die obere Schicht, die mit der Außenelektrode über die Wärmepufferplatte in Preßkontakt ist, aus einem weichen Metall, so daß der Kontaktwärmewiderstand genauso niedrig wie beim herkömmlichen Fall einer einzigen Al-Schicht gehalten werden kann.

Die Erfindung kann sehr wirksam in den Fällen angewendet werden, in denen der erste Störstellenbereich der einen Leitfähigkeitstype, der durch den Freßkontakt zu einem äußeren Bereich herausgeleitet wird, in eine Vielzahl von kleinen Inselbereichen unterteilt ist, zwischen denen der zweite Störstellenbereich der anderen Leitfähigkeitstype unterteilend ausgebildet ist. Die Erfindung läßt sich aber auch bei solchen Fällen anwenden, bei denen der erste Störstellenbereich nicht aus einer Vielzahl von Inselbereichen besteht, sondern ununterbrochen ist, jedoch ein komplexes Muster aufweist und bezüglich des zweiten Störstellenbereiches in einem Komplementärmuster ausgebildet ist

Beim Leistungstransistor nach Fig.3 ist ein n-Bereich (z. B. ein Emitterbereich) in derselbene Ebene wie ein p-Bereich (der einen Kollektorbereich darstellt) formiert Im Leistungstransistor nach F i g. 4 ist eine Basiselektrode 9 auf dem ρ+-Störstellenbereich von hoher Störstellenkonzentration ausgebildet Bei beiden Leistiiingstransistoren nach den F i g. 3 und 4 hat die Emitterelektrode 12 den gleichen Aufbau wie im Falle nach Fi g. 2, so daß auch dieselbe Wirkung erzielt wird. Der Höhenunterschied zwischen Basiselektrode 9 und Emitterelektrode 12 ist gering, so daß die Basiselektrode 9 und die Emitterelektrode 12 nahe beieinanderliegen und es leicht möglich ist daß sie einander berührea Es ist deshalb sehr schwierig, einen sehr flachen Aufbau mit Hilfe einer herkömmlichen Emitterelektrode mit einer einzigen Al-Schicht zu erzielen. Die Erfindung erlaubt dagegen eine nahezu ebene Oberfläche, ohne daß Fehler auftreten.

F i g. 5 zeigt einen Thyristor, dessen Elektrodenaufbau erfindungsgemäß ausgebildet ist Die Elektrode 22 ist wie die Elektrode 12 nach F i g. 2 ausgebildet, so daß dieselbe Wirkung erzielt wird.

Beim Halbleiterelement mit dem erfindungsgemäßen Elektrodenaufbau wird auch dann, wenn die äußere Elektrode mit erheblichem Druck und bei hoher Temperatur auf die innere Elektrode drückt letztere nicht erweichen und sich deformieren. Sie wird auch bei häufigen Wärmezyklen keine Erwärmungsermüdung erleiden. Deswegen wird die innere Elektrode sich nicht zur Seite neigen und damit nicht mit der benachbarten Elektrode in Berührung kommen und einen Kurzschluß herstellen.

Bei den beschriebenen Ausführungsbeispielen weist das Halbleiterelement eine Elektrode mit Dreischichtaufbau auf. Sie ist jedoch auf diese drei Schichten nicht beschränkt, sondern kann auch vier oder fünf Schichten aufweisen, doch muß die Elektrode eine untere, eine mittlere und eine obere Schicht mit den dargestellten Eigenschaften haben.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patectansprüche:

1. Halbleiterelement mit einem Halbleitersubstrat, einem ersten Bereich einer ersten Leitfähigkeitstype, der in der Oberfläche des Halbleitersubstrats ausgebildet ist, einem zweiten Bereich einer zweiten Leitfähigkeitstype, der angrenzend an den ersten Bereich in der Oberfläche des Halbleitersubstrats ausgebildet ist, einer auf dem ersten Bereich formierten, aus mehreren Schichten bestehenden ersten Elektrode und einer auf dem zweiten Bereich formierten zweiten Elektrode, wobei die erste Elektrode so angeordnet ist, daß sie über einen Preßkontakt nach außen geführt ist, und wobei eine untere Schicht der ersten Elektrode aus einem Metall besteht, das mit dem Halbleitersubstrat eine leitende Verbindung eingeht dadurch gekennzeichnet, daß die erste Elektrode (12) eine Zwischenschicht (14), die aus einem harten leitfähigen Material besteht, das auf der unteren Schicht (13) formiert ist und dicker als die untere Schicht ist, und eine obere Schicht (15) aus einem weichen Material, das auf der Zwischenschicht (14) formiert und dünner als die Zwischenschicht ist, aufweist

2. Halbleiterelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die untere Schicht (13) aus Aluminium, Gold oder zweischichtig aus Aluminium/ Polysilicium besteht, daß die Zwischenschicht (14) als Molybdän, Titan, Wolfram, Kobalt oder einem Silizid oder Nitrid dieser Elemente besteht und daß die obere Schicht (15) aus Aluminium oder Gold besteht

3. Halbleiterelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß die Dicke der unteren Schicht (13) 0,5 bis 3 μπι, die Dicke der Zwischenschicht (14) 4 bis 15 μπι und die Dicke der oberen Schicht (15) 0,5 bis 3 μπι beträgt.

4. Halbleiterelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß der erste Bereich sich über das Niveau des Halbleitersubstrats (8) und höher als der zweite Bereich erhebt.

5. Halbleiterelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß der erste Bereich und der zweite Bereich sich bis zum selben Niveau erstrecken.