СИЛОВОЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВОЕ УСТРОЙСТВО НА ОСНОВЕ КАРБИДА КРЕМНИЯ

Полезная модель относится к области силовых полупроводниковых устройств, а конкретнее к конструкции силовых полупроводниковых приборов на основе карбида кремния, а именно к конструкции омического контакта к сильнолегированной подложке n-типа карбида кремния, и может быть использована для создания элементной базы преобразовательных устройств.
Известно силовое полупроводниковое устройство на основе карбида кремния, состоящее из утоненной сильнолегированной подложки, слаболегированного эпитаксиального полупроводникового слоя такого же типа проводимости, как и подложка, в котором сформирован рабочий слой, системы металлизации к сильнолегированной подложке, состоящей из слоя омического контакта, который сформирован лазерным отжигом никеля, и металлизации, состоящей из адгезионного, барьерного и слоя для пайки кристалла к корпусу с закладными деталями из припоя (см. патент США US7297626B1, класс Н01L 21/3205 от 20.11.2007 г.).
Омический контакт к сильнолегированной подложке n-типа из карбида кремния обычно состоит из слоя никеля или его соединений, обработанного при высоких температурах отжига (950-1000°С). Для исключения влияния сопротивления сильнолегированной подложки на величину последовательного сопротивления, ее утоняют до необходимой толщины (обычно 200-300 мкм). Так как для формирования омического контакта необходима термообработка при высокой температуре, то утонение подложки проводят не на конечной стадии изготовления устройства, а в середине технологического процесса - перед проведением более низкотемпературных операций, например, перед формированием контакта Шоттки (обычно 450°С для молибдена и титана). Технологическая обработка утоненных пластин часто приводит к их бою и снижению выхода годных устройств.
Недостатком данного устройства является то, что утонение сильнолегированной подложки происходит в середине технологического процесса изготовления кристалла устройства, что затрудняет выполнение последующих операций и приводит к снижению выхода годных изделий за счет боя пластин.
Указанный недостаток устранен в наиболее близком к предлагаемой полезной модели силовом полупроводниковом устройстве на основе карбида кремния, состоящим из утоненной сильнолегированной подложки, слаболегированного эпитаксиального полупроводникового слоя такого же типа проводимости, как и подложка, в котором сформирован рабочий слой, системы металлизации к сильнолегированной подложке, состоящей из слоя омического контакта, который сформирован лазерным отжигом никеля, и металлизации, состоящей из адгезионного, барьерного и слоя для пайки кристалла к корпусу с закладными деталями из припоя (см., например, статью F. Mazzamuto Low thermal budget ohmic contact formation! by laser anneal в журнале Material Science Forum, ISSN: 1662-9760, Vol. 858, pp 565-568).
Так как утонение сильнолегированной подложки и формирование омического контакта происходит в конце технологического процесса изготовления кристалла устройства и основные операции проводят на неутоненной пластине, бой пластин из-за их малой толщины практически исключается.
Формирование омического контакта осуществляется лазерным отжигом с длинной волны лазерного луча 308 нм и мощностью 1 Вт/см, при этом созданная температура не оказывает влияние на параметры рабочего слоя.
Однако при создании омического контакта лазерным отжигом поверхность никеля становится шероховатой благодаря «протягиванию» расплавленной зоны в процессе сканирования лазерного луча. Адгезионный и барьерный слои, наносимые далее, повторяют рельеф шероховатой поверхности никеля. Таким образом, поверхность обратной стороны кристалла имеет микровпадины и микровыступы, в которых скапливаются загрязнения, наличие которых приводит к неравномерному пропаю кристалла к теплорастекателю корпуса.
Техническим результатом данной полезной модели является повышение надежности силовых полупроводниковых устройств на основе карбида кремния.
Указанный технический результат достигается тем, что в предлагаемом силовом полупроводниковом устройстве на основе карбида кремния, состоящим из утоненной сильнолегированной подложки, слаболегированного эпитаксиального полупроводникового слоя такого же типа проводимости, как и подложка, в котором сформирован рабочий слой, системы металлизации к сильнолегированной подложке, состоящей из слоя омического контакта, который сформирован лазерным отжигом никеля, и металлизации, состоящей из адгезионного, барьерного и слоя для пайки кристалла к корпусу с закладными деталями из припоя, омический контакт сформирован лазерным отжигом квадратными участками с размером локальных квадратных областей а, где 70 мкм ≤ а ≤ 150 мкм, и зазором b, где 5 мкм < b <10 мкм между областями.
Отличительной особенностью является то, что омический контакт сформирован лазерным отжигом квадратными участками с размером локальных квадратных областей 70 мкм ≤а≤ 150 мкм и зазором 5 мкм <b<10 мкм между областями. Благодаря наличию зазора b между локальными квадратными областями, загрязнения, имеющиеся на обратной стороне кристалла, при расплавлении закладной детали скапливаются в данных зазорах, что обеспечивает равномерный пропай кристалла к теплорастекателю корпуса.
Минимальный размер локальных квадратных областей а обусловлен оптимальной величиной коэффициента заполнения припойного шва качественными участками припоя (не менее 0,8).
Максимальный размер локальных квадратных областей а не должен превышать толщину припоя, которая обычно составляет 150 мкм.
Минимальный размер зазора b обусловлен толщиной слоя никеля, который служит для формирования омического контакта. При обработке лазера никель расплавляется латерально примерно на 3 толщины слоя от места воздействия лазерного луча. При размере зазора менее оговоренного, зазоры с плоским дном между локальными квадратными областями не образуются.
Максимальный размер зазора b обусловлен оптимальной величиной коэффициента заполнения припойного шва качественными участками припоя (не менее 0,8).
Сущность предлагаемой полезной модели поясняется фигурами. На фиг. 1-3, 5-7 приведены этапы изготовления силового полупроводникового устройства на основе карбида кремния, на фиг. 4 изображена обратная сторона силового полупроводникового устройства на основе карбида кремния, облученная лазером.
Позициями на фиг. 1-7 обозначены:
1 - сильнолегированная подложка из карбида кремния;
2 - слабо легированный эпитаксиальный полупроводниковый слой;
3 - рабочий слой;
4 - утоненная сильнолегированная подложка;
5 - слой никеля;
6 - омический контакт, сформированный лазерным отжигом;
7 - адгезионный, барьерный слои, слой для пайки мягким припоем;
8 - мягкий припой;
9 - теплорастекатель;
а - локальная квадратная область;
b - зазор с плоским дном.
Предлагаемое силовое полупроводниковое устройство изготавливают следующим образом.
+
18
-3
-
15
-3
На сильнолегированной подложке из карбида кремния 1 n-типа проводимости диаметром 100 мм с концентрацией примеси 5⋅10 см и толщиной 380 мкм формируют слаболегированный эпитаксиальный полупроводниковый слой 2 n-типа проводимости толщиной 13 мкм сконцентрацией примеси 5⋅10 см и толщиной 13 мкм. Ионной имплантацией ионами бора энергией 450 КэВ в эпитаксиальном полупроводниковом слое 2 формируется р+ область. Слой оксида кремния сформирован сухим термических окислением поверхности карбида кремния при температуре 1100°С. Металлизация сформирована путем электроннолучевого напыления алюминия. Полиимид наносится методом центрифугирования в одну операцию одним слоем с последующей сушкой.
Далее подложку из карбида кремния 1 утоняют до общей толщины вместе эпитаксиальным слоем 2 270-300 мкм. Затем на обратную сторону утоненной сильнолегированной подложки 4 методом термического испарения формируют слой никеля 5 толщиной 0,5-0,7 мкм.
2
Далее обратную сторону утоненной сильнолегированной подложки 4 облучают лазером с длинной волны луча 308 нм, мощностью 1,3 Дж/см в инертной или восстанавливающей атмосфере на установке Минимаркер - 2 по схеме, изображенной на фиг. 4. Локальные квадратные области а подвергаются облучению, что приводит к формированию силицида никеля на этих участках, который образует омический контакт 6. Области b облучению не подвергаются и образуют зазоры с плоским дном по высоте несколько ниже, чем облученные локальные квадратные области а (см. фиг. 5).
Затем на обратную сторону утоненной сильнолегированной подложки 4 методом электронно-лучевого испарения наносят адгезионный (слой ванадия толщиной 0,01-0,05 мкм) и барьерный (слой никеля толщиной 0,5-0,7 мкм) слои и слой для пайки мягким припоем 7 из серебра (толщиной 0,5-0,7 мкм), который легко смачивается припоем (например, из золота или серебра) (см. фиг. 6).
-3
Далее на теплорастекатель 9 располагают прокладку из мягкого припоя 8 по размеру кристалла (например, свинцово-серебряного припоя ПСР-1,5 толщиной порядка 150 мкм) (см. фиг 7.). На прокладку накладывают кристаллы полупроводникового устройства и прижимают грузом в специальных кассетах. Располагают в вакуумную печь, нагревают до температуры 350°С при вакууме 10 Па. В результате нагрева припой расплавляется, груз прижимает кристалл к теплорастекателю, расплавленный припой передвигается вдоль поверхности слоев 7 и загрязнения застревают в зазорах с плоским дном b, не облученных лазером. Локальные квадратные области а, облученные лазером полностью смачиваются припоем, что обеспечивает повышение надежности силовых полупроводниковых устройств на основе карбида кремния за счет повышения качества пайки.
Для оценки качества пайки измерялось усилия сдвига кристалла размером 1,2×1,2 мм, припаянного мягким припоем на никелированный медный теплорастекатель. Объем выборки каждого варианта - 15 штук.
При качественной пайке усилие сдвига должно быть более 16 Н.
Из данных, приведенных в таблице видно, что при формировании омического контакта в предлагаемых режимах значение усилия сдвига кристалла максимально при наименьшем разбросе, что повышает надежность силовых полупроводниковых устройств на основе карбида кремния.