ЗАЩИТНОЕ ПОКРЫТИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ПРИБОРА НА ОСНОВЕ КАРБИДА КРЕМНИЯ

Полезная модель относится к области мощных высоковольтных полупроводниковых приборов, а именно - к конструкции полупроводниковых приборов на основе карбида кремния, и может быть использована для создания элементной базы преобразовательных устройств.
Известна конструкция полупроводникового кристалла на основе карбида кремния, содержащего планарный рабочий переход, на котором сформирована металлизация, являющаяся контактной площадкой, полосу скрайбирования без металлических и диэлектрических покрытий ограничивающую рабочую поверхность кристалла и пассивирующий слой оксида кремния (см., например, патент России RU 2390880, кл. H01L 29/872 от 27.05.2010).
Термически выращенный оксид кремния в качестве диэлектрического защитного покрытия имеет некоторое количество подвижных заряженных ионов, также оксид кремния может ионизироваться из вне, что снижает напряжение пробоя. Карбид кремния более стоек к термическому окислению по сравнению с кремнием, поэтому для высоковольтных приборов пленки оксида кремния получаются недостаточной толщины, не более 80 нм.
Указанный недостаток устранен в наиболее близкой к предлагаемой конструкции полупроводникового кристалла, содержащего планарный рабочий переход, на котором сформирована металлизация, являющаяся контактной площадкой, с окружающим металлизацию защитным диэлектрический слоем на основе полиимида, полосу скрайбирования без металлических и диэлектрических покрытий ограничивающую рабочую поверхность кристалла (см., например, спецификацию фирмы ABB, Doc. No. 5SYA 1696-03 12 14., стр 1-2).
В данной конструкции полиимидным покрытием защищена область от края металлизации до полосы скрайбирования, где вся металлизированная область открыта и является контактной площадкой.
Область полосы скрайбирования (полоса резки пластины на кристаллы) должна быть открыта, так как, слои оксида кремния, нитрида кремния, ФСС увеличивают износ режущих дисков, а полиимидные покрытия «засаливают» кромку режущего диска.
Покрытия на основе полиимида имеют высокие электроизоляционные характеристики и выдерживают температуру до 573 К, поэтому оптимально подходят для защиты высоковольтных приборов. Полиимидное покрытие является барьером для ионного проникновения и ионизации оксида кремния.
Также, при зондовом контроле, возможно возникновение коронного разряда. Высокое энергетическое воздействие коронных разрядов приводит к ускорению заряженных частиц, атомов и радикалов, которые с высокой скоростью пробивают материал, образуя выжженные области на кристалле.
Коронный разряд возникает в резко неоднородных полях у электродов с большой кривизной поверхности (острия, тонкие провода). Зона вблизи такого электрода характеризуется более высокими значениями напряженности поля по сравнению со средними значениями для всего промежутка. Когда напряженность поля достигает предельного значения, происходит ионизация молекул воздуха и нарастание тока, что ведет к коронному разряду, в результате чего происходит повреждение кристалла.
Защитное диэлектрическое покрытие на основе полиимида между линией скрайбирования и контактной площадкой, благодаря химическим, температурным и механическим свойствам, а также высокой диэлектрической прочности, защищает кристалл от повреждения при коронном разряде.
Критическая напряженность поля для карбида кремния имеет значение 2,2 МВ/см. Область пространственного заряда, как правило, не превышает 10-15 мкм, поэтому карбидокремниевые высоковольтные кристаллы имеют значительно меньшие размеры по сравнению с кремниевыми кристаллами.
По причине малых размеров и большого значения напряженности поля высоковольтного кристалла, часто пробой по воздуху из-за коронного разряда наступает раньше, чем лавинный пробой в структуре полупроводника.
Для устранения возможности возникновения коронного разряда для карбидокремниевых кристаллов необходимо увеличивать изолированный зазор между линией скрайбирования и краем контактной площадки.
Увеличение зазора за счет пассивной части планарного перехода путем увеличения расстояния от края металлизации до полосы скрайбирования ведет к увеличению размера полупроводникового прибора, что приводит к большим экономическим издержкам и уменьшению надежности прибора.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является защита от коронного разряда и снижение вероятности его возникновения, без увеличения размеров кристалла.
Указанный технический результат достигается тем, что полупроводниковый кристалл на основе карбида кремния, содержит планарный рабочий переход, на котором сформирована металлизация, являющаяся контактной площадкой, с окружающим металлизацию защитным диэлектрический слоем на основе полиимида, полосу скрайбирования без металлических и диэлектрических покрытий, ограничивающую рабочую поверхность кристалла, защитный диэлектрический слой на основе полиимида покрывает часть металлизации, при этом контактная площадка выполнена на расстоянии d от полосы скрайбирования,
,где
U - значение прикладываемого напряжения;
Е - значение критической напряженности поля для воздуха;
0,0008U
К - коэффициент для приборов на основе карбида кремния, К=0,24е.
Защитный диэлектрический слой на основе полиимида, окружающий контактную площадку по всей площади кристалла до полосы скрайбирования, защищает поверхность от повреждения за счет диэлектрической и температурной прочности.
Помимо пассивной части планарного перехода защитный диэлектрический слой на основе полиимида покрывает часть металлизации, что увеличивает изолированное расстояние между электродами, которыми являются контактная площадка с установленным зондом и область полосы скрайбирования, между которыми и может возникнуть коронный разряд. Таким образом, за счет изоляции полиимидом части металлизации увеличивается расстояние от края контактной площадки до полосы скрайбирования без увеличения размера кристалла, при этом значительно снижает возможность возникновения коронного разряда.
0,0008U
Расстояние d зависит от значения прикладываемого напряжение U, значения критической напряженности поля для воздуха Е. Коэффициент К=0,24е для карбид кремниевых приборов получен экспериментально, с учетом критического значение напряженности поля карбида кремния.
Приведенный в полезной модели расчет расстояния от края контактной площадки до полосы скрайбирования, которое необходимо изолировать полиимидом является оптимальным, так как дальнейшее увеличении площади покрытия металлизации защитным слоем качественно не влияет на снижение вероятности возникновения коронного разряда.
Если рассматривать вариант конструктивного исполнения, при котором  увеличится изолированное расстояние между электродами, но при увеличении значения d, уменьшается размер контактной площадки, что может вызывать проблемы с разваркой кристалла на корпус. Кроме того, при измерении больших токов на контактную площадку ставят несколько зондов одновременно и при малом размере площадки такой замер будет затруднен или невозможен.
В случае, если  при нарастании напряжения до определенного значения, из-за недостаточного расстояния между линией скрайбирования и контактной площадкой возможно повреждение незащищенного области кристалла коронным разрядом.
Сущность предлагаемой полезной модели на примере схематической конструкции карбидокремниевого кристалла диода Шоттки с рабочим напряжением 1200 В поясняется на фиг. 1 (разрез) и на фиг. 2 (вид сверху).
Позициями на фиг. 1, 2 обозначены:
1 - сильнолегированная n+подложка;
2 - рабочий эпитаксиальный слой n-типа;
3 - планарный рабочий переход;
4 - металлизация;
4' - металлизация, покрытая полиимидом;
5 - слой оксида кремния;
5' - слой оксида кремния, покрытый полиимидом;
6 - полиимидный слой;
7 - контактная площадка;
8 - полоса скрайбирования;
а - расстояние защищенное полиимидом от края металлизации до полосы скрайбирования;
с - расстояние защищенное полиимидом от края контактной площадки до края металлизации;
d - расстояние защищенное полиимидом от края контактной площадки до полосы скрайбирования.
Слой оксида кремния 5 сформирован сухим термических окислением поверхности карбида кремния при температуре 1100°С. Металлизация 4 толщиной 4,1-4,3 мкм сформирована путем электронно-лучевого напыления алюминия. Полиимидный слой 6 толщиной 5 мкм наносится методом цетрофугирования с последующей сушкой.
Расчетное расстояние d для диода Шоттки с рабочим напряжением 1200 В, равно 300 мкм. Расстояние а, покрытое полиимидом от края металлизации 4 до полосы скрайбирования 8, равно 100 мкм. Расстояние с от края защищенной полиимидом части металлизации 4' до контактной площадки равно 200 мкм. Таким образом, за счет защиты полиимидным слоем 6 части металлизации 4' удалось увеличить изолированную область с 100 мкм до 300 мкм без увеличения размера кристалла. При этом контактная площадка 7 имеет размер 500×500 мкм, что позволяет проводить измерения несколькими зондами одновременно.