Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

 

2008 №11

Термомиграция неориентированных линейных зон в кремниевых пластинах (100) для производства чипов силовых полупроводниковых приборов

Полухин Алексей


Чипы силовых диодов прямой полярности на токи до 250 А со сквозными разделительными р+ областями изготовлены на кремниевых пластинах n+ типа проводимости с ориентацией (100). Усовершенствованная технология термомиграции обеспечивает обратное напряжение, близкое к теоретическому. Линейные зоны имели сложную топологию, предварительная ориентация зон в направлениях стабильной миграции не проводилась. Приведены основные результаты термомиграции и рассматриваются перспективы развития этого способа.

Введение

В последнее время стеклопассивированные кремниевые чипы (тиристоры, триаки, фототиристоры, диоды и т. д.) практически полностью вытеснили традиционные круглые структуры с фаской в силовых полупроводниковых модулях. Для чипов с нижним выпрямляющим p-n-переходом предпочтительна односторонняя пассивация, когда нижний p-n-переход пассивируется на верхней стороне чипа [1]. Это обеспечивает более эффективный теплоотвод, упрощаеются процесс контроля чипов на пластине и пайка их на основание, отсутствует деградация обратной ветви ВАХ из-за механических напряжений в паяном шве и т. п.

Для вывода нижнего выпрямляющего p-n-перехода на верхнюю сторону пластины ис пользуется периферийная разделительная р-область по периметру каждого чипа. Разделительные области (РО) создают, как правило, с помощью диффузии. Основные недостатки таких РО хорошо известны: переменная концентрация акцепторной примеси по глубине пластины, потери площади из-за боковой диффузии. Квадратичная зависимость времени диффузии от требуемой глубины увеличивает время высокотемпературной обработки пластин, ухудшая электрофизические параметры кремния. Это ограничивает толщину пластин и рабочее напряжение приборов.

Термомиграция, или зонная перекристаллизация градиентом температуры [2, 3], — способ, используемый для создания РО при изготовлении чипов силовых полупроводниковых приборов. В последние годы этот способ получил широкое развитие в ряде областей: медицине, микромеханике, гелиоэнергетике, силовой электронике и технологии ИМС. Термомиграция основана на перекристаллизации полупроводникового материала жидкой зоной раствора-расплава в поле градиента температуры. Зона оставляет за собой перекристаллизованный след, однородно легированный атомами металла-растворителя (в данном случае алюминия) до предела растворимости при температуре процесса. В практических случаях скорость миграции зон составляет десятки микрон в минуту при температуре процесса 1000…1300 °С. Время создания РО при этом сокращается до десятков минут [4–6]. Термомиграция органично сочетается с традиционными операциями полупроводникового производства: диффузией, фотолитографией, эпитаксией.

По сравнению с технологией, используемой за рубежом [4–6], процесс, организованный на на предприятии ООО «Элемент-Преобразователь» [7], отличается рядом особенностей, позволяющих создавать на пластинах 76 мм высоковольтные чипы размером до 20x20 мм. В этом процессе зоны формируются методом высокотемпературного избирательного смачивания [7–9], а термомиграция проводится в вакуумных многопозиционных установках с резистивным нагревом (рис. 1). Изменены место термомиграции в общем маршруте изготовления чипов и топология дискретных зон, что особенно актуально для чипов большой площади.

Для термомиграции применяют пластины с ориентацией (111), поскольку ориентация линейных зон для них не нужна [2, 3]. При использовании пластин с ориентацией (100) стабильны только два взаимно перпендикулярных направления — ‹0I-1› и ‹011›, и именно в этих направлениях должны быть ориентированы линейные зоны [2, 3]. В противном случае в процессе миграции зоны разделяются на фрагменты, ориентированные в этих направлениях, и выглядят как ломаная линия на финишной поверхности пластины. Очевидно, что для пластин с ориентацией (100) прямоугольная топология сетки ориентированных зон представлялась единственно возможной.

Интерес к пластинам с ориентацией (100) обусловлен тем, что скорость миграции зон по сравнению с ориентацией (111) почти вдвое выше. Кроме того, при изготовлении чипов на пластинах (100) величина обратного напряжения Ur для чипов, расположенных на периферийной части и в центре пластины, одинакова. Это обстоятельство становится существенным с ростом размера чипов и уровня их обратных напряжений.

Кроме технологических трудностей, связанных с ориентацией зон в направлениях {011}, недостатком является ограничение формы чипов: используется только прямоугольная. Как показывает опыт разработки высоковольтных чипов на токи 100 А и выше, перспективны прямоугольные чипы со скошенными углами [7, 10], многогранники. В связи с этим представляет особый интерес исследование возможности стабильной миграции произвольно ориентированных линейных зон в кремниевых пластинах с ориентацией (100). Была успешно проведена стабильная миграция произвольно ориентированных линейных зон при миграции их в пластинах с ориентацией (100) в нестационарных тепловых условиях при модулированном ИК-нагреве [11, 12]. Такой результат можно было достичь лишь при использовании зон, сформированных с помощью высокотемпературного избирательного смачивания. Зоны же, полученные напылением в вакууме, неизбежно разделялись на фрагменты, ориентированные в направлениях {011}. Это объясняется тем, что в первом случае зоны изначально насыщены кремнием, и между зоной и кремнием отсутствует слой нативного окисла на кремнии, который зона должна растворять при погружении. А эволюция формы зоны происходит наиболее заметно именно на старте из-за необходимости насыщения зоны кремнием перед погружением, когда зона наименее стабильна.



Рис. 1. Многопозиционный резистивный термический узел (30 пластин 76 мм)

При термомиграции в вакууме с использованием резистивного нагрева, с углекомпозитными меандрами, обладающими значительной тепловой инерцией (рис. 1), невозможно создать нестационарный режим миграции. Поэтому был осуществлен поиск условий стабильной миграции произвольно ориентированных линейных зон на расстояние хотя бы в несколько сотен микрометров в кремнии с ориентацией (100) в стационарном поле температурного градиента.

Сравнивая данные разных источников по толщине нанесенных линейных зон, температуре миграции и величине градиента, можно сделать вывод, что расчетная толщина стабильно мигрирующих зон практически одинакова и составляет 40–55 мкм. Поэтому можно предположить, что решающую роль при обеспечении стабильной миграции линейных зон в пластинах с ориентацией (100) могут играть именно условия погружения. Анализ траекторий зон показывает, что отклонение направления миграции от нормального к поверхности особенно заметно сразу после погружения зон. Именно в это время зоны мигрируют наименее стабильно. Это обусловлено тем, что величина нормальной составляющей градиента температуры Gn на поверхности пластин гораздо меньше, чем в объеме [13, 14]. Желательно, чтобы погружение зон в объем начиналось при как можно более высокой температуре, когда влияние анизотропии на скорость растворения минимально. Речь идет о температурах выше 1100 °С, при этом значении скорость испарения алюминия в вакууме становится заметной. Необходимо, таким образом, исследовать возможность оптимизации размеров зон и режимов погружения их в этих условиях. Надо отметить, что постановка такой задачи для газонаполненных градиентных установок не имеет смысла, так как величина Gn там в несколько раз выше, и погружение зон начинается при более низких температурах, когда сильно влияние анизотропии.

Стабильная миграция на пластинах кремния с ориентацией (100) была достигнута для единого ансамбля линейных зон [7]. Зоны на стартовой поверхности пластин формировались методом высокотемпературного избирательного смачивания. Чипы имели форму квадрата, восьмигранника или круга. В последнем случае зоны в форме окружностей объединялись друг с другом в систему соединительными линейными зонами.

Ширина линейных зон составила 80 ±2 мкм, глубина не превышала 15–18 мкм при исходном содержании кремния в зоне не менее 22%. При термомиграции температура погружения зон составила 1130 °С, а после достижения ее максимального значения (1180 °С) первые 15 минут процесс шел с постоянной температурой, после чего проводилось снижение температуры процесса до 1130 °С со скоростью 0,5 °С/мин. Стабильно мигрировали зоны всех указанных топологий на пластинах толщиною до 520 мкм. Кристаллическое совершенство проверялось травлением образцов после термомиграции в травителе Дэша. Как на стартовой, так и на финишной стороне избыточной плотности дефектов не обнаружено. В случае разрывов зон несвязанные края их в процессе миграции искривлялись в предсказанных теорией направлениях {011}, и это сопровождалось появлением дислокаций в местах искривлений. Также не удалось добиться стабильной миграции неориентированных зон, полученных с помощью напыления алюминия в канавки с последующей фотолитографией даже при толщине зон 20 мкм.

Изготовление чипов диодов прямой полярности

Для изготовления диодов прямой полярности на ток 20 А и напряжение 1600 В использовался кремний БЗП с удельным сопротивлением 37–39 Ом·см и ориентацией (100). Пластины имели шлифованную поверхность, и толщина их составляла 290–20 мкм.

Плоские выпрямляющие p-n-переходы создавались в два этапа. До термомиграции проводилась одновременная диффузия алюминия и бора с одной и фосфора — с другой стороны пластины на определенную глубину, а после термомиграции — дополнительная диффузия, с доведением глубины p-n-перехода до расчетной (в нашем случае — 80 мкм). После термомиграции и второй стадии диффузии пластины окислялись, на них проводилась фотолитография и травление меза-канавки. Пассивировали p-n-переход с помощью свинцово-алюмосиликатного стекла. Затем после вскрытия контактов и металлизации поэлементно контролировалось значение обратного напряжения Ur при токе утечки не более 20 мкА. Для каждой пластины и для всей партии в целом значение Ur замеряли отдельно для чипов, находящихся в центре пластины, и для чипов, расположенных на периферии. Среднее значение r для чипов, находящихся в центральной части, составило 1685,6 В, для периферийных чипов r было равно 1746,9 В. Распределение Ur для чипов партии приведено на гистограмме (рис. 2) отдельно для периферийной и центральной части пластин.



Рис. 2. Гистограмма распределения Ur для чипов диодов прямой полярности в центральной части пластин и на их периферии. Ориентация кремния (100)

Выход годных чипов от запуска составил 87,9%, при этом количество чипов низких классов, как видно на рис. 2, мало. Полученный результат показывает высокие возможности процесса термомиграции для создания РО с высокой запирающей способностью и воспроизводимостью на кремнии с ориентацией (100).

Следует отметить возможность получения высоковольтных чипов на периферии пластин. Результат неожиданный и, в принципе, недостижимый для пластин с ориентацией (111), что неоднократно подтверждала практика производства чипов разных размеров. Еще более интересен тот факт, что не обнаружено связи между ухудшением Ur и отклонением траектории зон от нормали к поверхности пластин. Эти два явления в случае использования пластин (100) оказались не связаны между собой, хотя хорошо известно, что отклонение траектории мигрирующей зоны от нормальной к поверхности пластины ведет к снижению запирающих свойств p-n-перехода РО [2]. Возможно, на величину Ur большее влияние оказала глубина меза-канавки, которая вскрывает p-n-переход РО. Разброс глубины мезы по партии действительно имеет место, кроме того, на периферии пластины, как правило, меза глубже, чем в ее центре. Это отчасти позволяет объяснить полученный результат. Но все сказанное справедливо и для пластин с ориентацией (111). А для них такой результат не получался никогда при разных глубинах меза-канавки и разном профилировании вертикального p-n-перехода РО.

Изготовление диодов на ток 100–200 А

Для модулей на токи 80–100 А и 160–200 А созданы диодные чипы размером 14x14 мм и 20x20 мм соответственно. Для изготовления этих чипов использовались пластины кремния КЭФ-20/7,5 диаметром 76 мм, толщиной 0,3–0,02 мм со шлифованной поверхностью и ориентацией (100). Чипы имели форму квадрата со скошенными углами, топология РО на пластине представляла собой единый ансамбль сдвоенных зон [10]. Ориентация зон относительно кристаллографических направлений не проводилась, пластины не имели базовых срезов. Маршрут изготовления диодных чипов аналогичен описанному ранее [15]. Перед термомиграцией проводилась диффузия акцепторной и донорной примеси с разных сторон пластин, и глубина плоского p-n-перехода на этой стадии составляла 70 мкм. Финишная сторона пластин после термомиграции показана на рис. 3.



Рис. 3. Финишная сторона пластин (100) после термомиграции. Сколы на краях пластин позволяют судить об ориентации зон относительно направлений {011}

После термомиграции и второй диффузии глубина плоского p-n-перехода составила 95 мкм, а ширина РО после миграции и разгонки сдвоенных зон составила 460–470 мкм. Меза-канавка, на внешней стороне которой вскрывался вертикальный p-n-переход РО, имела глубину 100–110 мкм и пассивировалась стеклом. Вольт-амперные характеристики чипов в центральной части пластин и на периферии имели значения Ur от 950 до 1130 В, что соответствует удельному сопротивлению исходного кремния. Следует отметить, что величина r у чипов, находящихся в центральной части пластины, на 6–6,5% меньше, чем у чипов, расположенных на периферии пластины.

Чипы были использованы для модулей МДД8/3. Из-за невысокого времени жизни не основных носителей заряда τ i в исходном кремнии в полученных диодах величина τ i не превышала 10 мкс. При токе 200 А падение напряжения в открытом состоянии на диодах модуля составляло 1,29 ±0,03 В, что соответствует ТУ. Принимая во внимание невысокое значение τ i исходного кремния, это вполне удовлетворительный результат.

На пластинах кремния с ориентацией (100) и удельным сопротивлением 70 Ом·см были изготовлены диоды прямой полярности круглой формы 24 мм. Топология ансамбля линейных зон (рис. 4) соответствовала рекомендациям, изложенным в [7]. Значение Ur превышало 2,2 кВ.



Рис. 4. Финишная поверхность пластин кремния (100) на фоне: после миграции (дальняя) и после окрашивания (ближняя) на фоне статьи [3]

Заключение

Таким образом, показано, что стабильная термомиграция линейных зон сложной формы на пластинах кремния ограниченной толщины с ориентацией (100) в стационарном режиме возможна. Необходимые условия — топология ансамбля линейных зон, способ формирования зон, изначально насыщенных кремнием, а также температурно-временной регламент погружения и миграции. Процесс позволяет изготавливать чипы с высоким значением Ur, которое сохраняется и на периферии пластин. Пластины этой ориентации перспективны при производстве чипов приборов высоких токономиналов, которые имеют больший периметр и сложную форму РО и для которых необходима высокая однородность свойств вертикальных р+-областей независимо от их ориентации.

Литература

  1. Blunt P. Electronic Components and Applications. 1979. V. 2, No 1.
  2. Лозовский В. Н., Лунин Л. С., Попов В. П. Зонная перекристаллизация градиентом температуры полупроводниковых материалов. М.: Металлургия, 1987.
  3. Cline H. E., Anthony T. R. Thermomigration of aluminium-rich liquid wires through silicon // J. Appl. Phys. 1976. V. 47, No 6.
  4. Chang M., Kennedy R. The application of temperature gradient zone melting to silicon wafer processing // J. Electrochem. Soc. 1981. V. 128. No 10.
  5. Lischner D.G. et al. Observation of the TGZM process for isolating small devises // J. Electrochem. Soc. 1985. V. 132. No 12.
  6. Morillon B. et al. ESSDERC 2002.
  7. Полухин А. С., Зуева Т. К., Солодовник А. И. Использование термомиграции в технологии структур силовых полупроводниковых приборов // Силовая электроника. 2006. № 3.
  8. Майстренко В.Г. Исследование кристаллизационных процессов при погружении жидких включений в условиях интенсивного испарения // Межвуз. сб. «Кристаллизация и свойства кристаллов», 1985.
  9. Полухин А. С., Жукова Л. В., Балюк А. В. Кремниевые структуры для СПП со сквозными разделительными р+-областями // Межвуз. сб. «Кристаллизация и свойства кристаллов», 1989.
  10. Патент Украины № 2748.
  11. Полухин А. С. и др. Применение некогерентного излучения для термомиграции дискретных зон // Тез. докл. «Силовая полупроводниковая техника и ее применение в народном хозяйстве». Миасс, 1989.
  12. Авт. свид. СССР № 1665833.
  13. Малибашева Л. Я., Малибашев В. А. Влияние теплообмена на стабильность роста эпитаксиальных слоев из дискретных зон расплава // Межвуз. сб. «Кристаллизация и свойства кристаллов», 1989.
  14. Аaron D. B., Thomas R. E. Calculation of temperature profiles in radiantly heated and cooled silicon wafers // J. Appl. Phys. 1983. V. 54, No 6.
  15. Патент Украины № 67122 А.

Скачать статью в формате PDF  Скачать статью Компоненты и технологии PDF

 


Другие статьи по данной теме:

Сообщить об ошибке