Способ изготовления кристаллов силовых полупроводниковых приборов
METHOD FOR MANUFACTURING CRYSTALS FOR POWER SEMICONDUCTOR DEVICES

Изобретение относится к области конструирования и производства силовых полупроводниковых приборов и, преимущественно, кремниевых ограничителей напряжения.
На фиг. 1 представлен кристалл полупроводникового диода и краткий маршрут его изготовления по классической планарной технологии, в соответствии с которой на полупроводниковую (кремниевую) пластину 1, легированную примесью одного типа проводимости (п- или р-типа проводимости) наносят диэлектрическую защиту 2 (Фиг. 1а); в защите 2 методом фотолитографии создают круговые окна 3 (Фиг. 1б); в окна 3 проводят диффузию легирующей примеси противоположного типа проводимости (р- или п-типа) и тем самым формируют пленарные р-п-переходы 4 классической конфигурации с закругленной краевой областью 5 (Фиг. 1в); на области кремниевой пластины 1 над р-п-переходами 4 наносят локальные омические контакты 6; сплошной омический контакт 7 наносят также на всю площадь непланарной стороны кремниевой пластины 1 (Фиг. 1г); кремниевую пластину 1 с сформированными в ней р-п-структурами разделяют (скрайбирование лазерное, алмазной иглой, дисковая резка и т.п.) на кристаллы 8; далее кристаллы 8 (Фиг. 1д) передают на сборку.
Недостаток кристаллов 8 с "классическими" планарными р-п-переходами 4 (Фиг. 1д) при использовании их в конструкции силовых полупроводниковых приборов (СППП), рассчитываемых на значительные по величине рабочие токи и напряжения, - повышенная вероятность теплового пробоя по краевой области 5 р-п-перехода 4 по причине повышенной в этой области напряженности электрического поля [1]. То есть - снижение эксплуатационной надежности СППП.
Также существенный недостаток классических р-п-структур в случае СППП то, что площадь планарного р-п-перехода 4 меньше площади кристалла 8, величина которой определяется габаритами корпуса силового полупроводникового прибора, в который кристалл 8 должен быть помещен. И, как следствие этого, - снижение мощностных электрических характеристик СППП, прямо зависящих от величины площади р-п-перехода.
Соответственно, в конструкциях силовых полупроводниковых приборов применяются, как правило, кристаллы с плоской конфигурацией рабочей части р-п-перехода, причем желательно сформированного по всей площади кристалла.
На фиг. 2 представлен кристалл СППП с плоским рабочим р-п-переходом и краткий маршрут его изготовления, по которому по всей площади пластины 1 наносят диэлектрическую защиту 2 (Фиг. 2а); в защите 2 создают окна 9, через которые диффузией легирующей примеси формируют охранные р-п-переходы 10 (Фиг. 2б); удаляют диэлектрическую защиту 2; наносят по всей площади пластины 1 новую диэлектрическую защиту 2, в которой создают окна 3, через которые диффузией легирующей примеси формируют классические планарные р-п-переходы 4, при этом краевые закругленные области 5 р-п-переходов 4 оказываются "срезанными" охранными р-п-переходами 10 и тем самым формируется плоская центральная рабочая часть р-п-переходов 4 (Фиг. 2в); на области кремниевой пластины 1 в окнах 3 наносят локальные омические контакты 6; на непланарную сторону кремниевой пластины 1 наносят сплошной омический контакт 7 (Фиг. 2г); далее кремниевую пластину 1 с сформированными в ней р-п-структурами (Фиг. 2г) разделяют механическим способом на кристаллы 8 (Фиг. 2д) и передают их на сборку.
Недостаток планарной технологии изготовления кристаллов силовых ППП с применением охранных р-п-переходов 10 (Фиг. 2в) - еще более значительное уменьшение рабочей части р-п-перехода 4 относительно варианта конструкции кристалла 8, изготовленного по классической планарной технологии (см. Фиг. 1д) при заданных предельных габаритах кристаллов 8, определяемых габаритами корпуса силового полупроводникового прибора, в который помещаются эти кристаллы.
На фиг. 3 представлен кристалл СППП с плоским р-п-переходом и краткий маршрут его изготовления по меза - планарной технологии, в соответствии с которой в кремниевой пластине 1 по всей площади создают сплошной плоский р-п-переход 11; по всей площади пластины 1 наносят диэлектрическую защиту 2, в которой фотолитографическим способом в определенном порядке создают окна - линии реза 12 (Фиг. 3а), через которые вытравливают канавки (мезы) 13 с глубиной, превышающей глубину р-п-перехода 11; на локальные плоские р-п-переходы 14, выходящие на боковые поверхности мез 13, наносят диэлектрическую защиту 2 (Фиг. 3б); в защите 2 над р-п-переходами 14 создают окна 3, внутри которых формируют локальные омические контакты 6; на обратную (непланарную) сторону кремниевой пластины 1 наносят сплошной омический контакт 7 (Фиг. 3в); кремниевую пластину 1 с сформированными в ней р-п-структурами разделяют по линиям реза 12 механическим способом на кристаллы 8; далее - кристаллы 8 (Фиг. 3г) передают на сборку.
Недостаток меза - планарной технологии изготовления кристаллов 8 СППП (Фиг. 3г) - значительное уменьшение рабочей площади локального р-п-перехода 14 за счет стравленной при изготовлении мез 13 площади кристалла 8 по его периметру при заданных предельных габаритах кристаллов 8, диктуемых габаритами корпуса силового полупроводникового прибора, что в случае СППП, для которых мощностные электрические характеристики прямо зависят от величины рабочей площади р-п-перехода, чрезвычайно важно. Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату, т.е. прототипом, можно считать способ изготовления кристаллов полупроводниковых приборов, представленный в описании патента РФ №2012094 [2], в соответствии с которым по первому варианту (Фиг. 4) в кремниевой пластине 1 формируют сплошной плоский р-п-переход 11; создают сплошные омические контакты 7 на планарной и непланарной поверхностях пластины 1 (Фиг. 4а), при этом в качестве металла омического контакта 7 применяют ванадий; на поверхность ванадия наносят слой золота 15 (Фиг. 4б), стойкого практически ко всем агрессивным травителям, кроме царской водки, в т.ч. - к травителям для кремния; пластину 1 механическим путем разделяют на кристаллы 8 (Фиг. 4в); стравливают нарушенный слой кремния 16 (Фиг. 4г); защищают локальный р-п-переход 14, выходящий на боковую поверхность кристалла 8, кремнийорганическим компаундом 17 марки СИЭЛ 159-167 (Фиг. 4д); далее - кристаллы 8 передают на сборку.
Недостаток данного способа - использование драгоценного металла - золота 15 (Фиг. 4б), учет и отчетность по которому - большая организационная проблема серийного производства полупроводниковых приборов.
Еще один недостаток способа изготовления кристаллов 8 ППП с защитой металла омического контакта 7 золотом 15 - возможность стравливания металла омического контакта 7, защищенного по поверхности стойким к травителям золота 15, но открытого - с боковой, хотя и тонкой, поверхности слоя 18 металла 7, в процессе травления нарушенного слоя кремния 16. Этого количества стравленного металла, попавшего в травитель для кремния и, с большой вероятностью, - на р-п-переход 11, выходящий на боковую поверхность кристалла 8 (Фиг. 4г), может быть достаточно для катастрофического увеличения паразитного тока утечки по р-п-переходу 11. Особенно опасен этот эффект в случае высоковольтных р-п-переходов, отличающихся большой шириной области пространственного заряда. Удалить адсорбированный из раствора травителя металл с поверхности кремния полностью практически невозможно [3].
По второму варианту патента [2] (Фиг. 5) в кремниевой пластине 1 формируют сплошной плоский р-п-переход 11, создают сплошные омические контакты 7 на планарной и непланарной поверхностях пластины 1 (Фиг. 5а), на поверхности омических контактов 7 наносят толстый слой свинца 19, также отличающегося стойкостью к травителям для кремния (Фиг. 5б), механическим способом разделяют пластину 1 на кристаллы 8 (Фиг. 5в), стравливают нарушенный слой кремния 16, защищают локальный р-п-переход 14, выходящий на боковую поверхность кристалла 8, компаундом 17 марки СИЭЛ 159-167 (Фиг. 5г), стравливают с поверхности омических контактов 6 слои свинца 19, далее - кристаллы 8 (Фиг. 5д) передают на сборку.
Недостаток технологии изготовления кристаллов 8 силовых ППП по второму варианту патента [2] (Фиг. 5д), т.е. с защитой металлических омических контактов к р-п-структурам силовых ППП дополнительным толстым слоем свинца 19, который в заключение, после травления нарушенного слоя кремния 16 боковой части кристалла 8 и защиты р-п-перехода 14 компаундом 17, должен быть удален (стравлен селективным травителем свинца) с поверхности омического контакта 7, - использование в технологии изготовления кристаллов 8 свинца 19, отличающегося высокой токсичностью. Именно по этой причине акцент в зарубежной и отечественной электронной промышленности делается на создание "безсвинцовых" технологий [4].
Также недостаток технологии изготовления кристаллов 8 силовых ППП по второму варианту патента [2] (Фиг. 5д - возможность осаждения на р-п-переход 14 металла, стравленного с торцевой части 18 локального омического контакта 7, что приводит к паразитным утечкам тока через р-п-переход 14.
Цель настоящего изобретения - создание способа изготовления кристаллов силовых полупроводниковых приборов, исключающего необходимость использования золота или свинца и предотвращающего попадание металла омического контакта в травитель для кремния при травлениии нарушенного слоя кремния, образовавшегося после разделения механическим способом кремниевых пластин с р-п-структурами на кристаллы, и его адсорбции в месте выхода р-п-перехода на боковую поверхность кремниевого кристалла, что приводит к увеличению паразитных токов утечки через р-п-переход.
Указанная цель обеспечивается способом изготовления кристалла 8 силового полупроводникового прибора (Фиг. 6), по которому в полупроводниковой (кремниевой) пластине 1 формируют сплошной плоский р-п-переход 11, наносят сплошные омические контакты 7 на планарную и непланарную поверхности пластины 1 (Фиг. 6а), создают методом совмещенной двухсторонней фотолитографии на планарной и непланарной поверхностях пластины 1 локальные омические контакты 6 (Фиг. 6б), защищают пленарную и непланарную стороны пластин 1 с локальными омическими контактами 6 слоем стойкого к травителям кремния фоторезиста 20 например, типа ФП-25, ФП-50 (Фиг. 6в), фотолитографией по фоторезисту 20 вскрывают линии реза 12 (Фиг. г), механическим способом разделяют пластину 1 по линиям реза 12 на кристаллы 8 (Фиг. 6д), стравливают нарушенный слой кремния 16 до границ защиты фоторезистом 20 локальных омических контактов 6 (Фиг. 6е), защищают р-п-переход 14, выходящий на боковую поверхность кристалла 8, кремнийорганическим компаундом 17 (Фиг. 6ж), удаляют фоторезист 20, отмывают кристаллы 8 (Фиг. 6и) в деионизованной воде, сушат и передают на сборку.
Перечень фигур графических изображений
Фиг. 1. Краткий маршрут изготовления кристалла полупроводникового прибора по планарной технологии
Фиг. 2. Краткий маршрут изготовления кристалла полупроводникового прибора по планарной технологии с охранным р-п-переходом
Фиг. 3. Краткий маршрут изготовления кристалла полупроводникового прибора по меза - планарной технологии
Фиг. 4. Краткий маршрут изготовления кристалла полупроводникового прибора по технологии прототипа, первый вариант
Фиг. 5. Краткий маршрут изготовления кристалла полупроводникового прибора по технологии прототипа, второй вариант
Фиг. 6. Краткий маршрут изготовления кристалла полупроводникового прибора по предлагаемому способу
Пример осуществления предлагаемого изобретения
На основе кремния п-типа проводимости с удельным сопротивлением 40 Ом⋅см (КЭФ40) по предлагаемому способу (Фиг. 6) и по способу - прототипу [2] (Фиг. 4) изготовлены кристаллы высоковольтных диодов с напряжением пробоя (Uпроб) ~1400 В. В качестве омического контакта применена двухслойная металлизация Ti-Ni с покрытием золотом (Au). За критерий качества кристаллов принят параметр, определяющий паразитный ток утечки, - обратный ток, Iобр, при обратном смещении Uобр = 400 В на данном р-п-переходе с Uпроб = 1400 В. В таблице представлены результаты измерения токов утечки (Iобр) кристаллов, изготовленных по предлагаемому и известному [2] способам, демонстрирующие эффективность предлагаемого способа по сравнению с известным способом: паразитные токи утечки по предлагаемому способу существенно меньше, чем по способу - прототипу.
Литература
1. S. Grove, О. Leistiko, W.W. Hooper. Effect of Surface Fields on the Breakdown Voltage of Planar Silicon p-n Junctions // IEEE Trans. Electron. Dev. (14) 1967 г.
2. Патент на изобретение №2012094. Способ изготовления полупроводниковых кристаллов. Коломицкий Н.Г., Астапов Б.А. 10.05.1995 г.
3. П.С. Агаларзаде, А.И. Петрин, С.О. Изидинов. Основы конструирования и технологии обработки поверхности р-п-переходов. М. «Советское радио», 1978 г.
4. Новые европейские директивы для изделий электроники. Лев Шапиро. Component Master Ltd., Израиль, 2006 г.