一種硅基高溫高電流密度整流管芯制備方法

初宜亭

青島航天半導體研究所有限公司 山東 青島 266000

0 引言

現有管芯加工制成的整流二極管功率密度低,結溫只能滿足最高175℃,體積較大,在追求體積小,重量輕,高溫等高可靠裝備領域,其應用已明顯受限。因此在查找原因的同時,創新設計思路,從材料的選用、工藝參數的調整、新工藝的采用等方面,經幾十次攻關試驗,終于研制成符合要求的高溫高電流密度整流管芯。

經分析造成最高結溫和功率密度低的主要原因有:

●硅單晶材料位錯及“星”形缺陷多；

●基區寬度設計計算不合理；

●燒結空洞率僅能控制在10%；功率密度太小。

●管芯高溫下(200℃)漏電流大于3m A。而且隨著時間的推移,漏電逐漸增大,呈漂移狀態。

1 高溫高電流密度管芯參數要求

高溫高電流密度管芯的參數要求:

①直徑Φ12mm；最高結溫TjM≧200℃

②電流密度大于0.60A/mm2(即額定平均電流IAV=70A)

③反向重復峰值電壓VRRM＞800V

④正向平均電壓VF＜0.60V(IF=70A 時)

⑤高溫下反向漏電流小于0.8m A,且200℃下,漏電流不漂移。

2 研究內容

針對找出的現有管芯不耐高溫及電流密度低的原因,課題組歷經多年時間,從基礎材料著手,編輯思維導圖,針對TjM≧200℃,功率密度大于0.60A/mm2,高溫下漏電不漂移的目標要求,制定攻關路線圖,項目取得成功。

2.1 高質量硅單晶的選取 針對硅單晶材料缺陷多的問題,課題組利用聲掃探測等方法,對日本Shin-Etsu Handotai、丹麥TOPSIL、德國Siltronic、天津中環股份等幾家硅單晶企業生產的硅單晶進行檢測,尋找位錯等缺陷少的硅單晶。經比對,最終選擇德國Siltronic的一批硅單晶,其位錯密度小于3×103/cm2,而且分布均勻。

2.2 關鍵參數的研究 影響結溫和功率密度的參數主要有:材料的電阻率、擴散結深和基區寬度、漏電流、燒結方法等:

2.2.1 硅材料電阻率和硅片厚度的選取 整流管芯的反向重復峰值電壓,受到p-n結雪崩電壓VB和穿通電壓VP的限制。見圖1:

圖1 p-n結雪崩電壓和穿通電壓隨電阻率的變化圖

從圖1中可以看出,原材料的電阻率決定著p-n結的雪崩電壓,要提高管芯的耐壓能力,必須采用較高電阻率的材料。如果原材料電阻率提高了,而硅片厚度和長基區保持不變,反向重復峰值電壓就要由穿通電壓決定,此時,電阻率越高,穿通電壓反而越低。圖1的兩條穿通曲線對應的長基區寬度分別為100微米(曲線2)和150微米(曲線1)。采用更長的基區寬度,可以提高穿通電壓。所以當采用更高電阻率材料來提高管芯耐壓時,必須同時相應地增加硅片厚度(或基區寬度)。

根據以上發現的規律,結合本課題的指標要求,設計出十幾個方案,在此列舉有特點的5個試驗數據,說明電阻率及硅片厚度的選擇方案,試驗對比數據如表1所示:

表1 硅單晶電阻率及厚度試驗數據

從表1可以看出,第3方案即N 型區熔硅單晶,單晶電阻率為35歐姆·厘米,硅片厚度選擇270微米符合反向重復工作電壓大于800V 及正向平均電壓小于0.6V 的要求。

2.2.2 基區寬度的設計 對基區寬度進行了重新設計,由于基區寬度直接關系到最高結溫、反向重復峰值電壓及正向平均壓降的合理性。課題組在已確定使用電阻率為35歐姆·厘米,厚度為270微米硅單晶的情況下,對管芯的基區寬度進行了再設計。

根據如下公式:

其中VP是穿通電壓；ε是介電常數；ND是

長基區施主雜質濃度；q為電子電荷量；Wn是長基區寬度。

由于管芯的反向工作電壓要求大于800V,現假設穿通電壓為1000V,ND取7×108cm-3,硅的介電常數ε為11.7,q為1.6×10-19C。根據式(2)計算Wn大約為131微米。

課題組進行了比對試驗,試驗數據見表2。

表2 長基區寬度與穿通電壓試驗比對表

從以上數據可以看出,擴散結深選擇為140 微米,基區寬度選擇為130微米比較理想。這樣既可以確保反向重復峰值電壓大于800V,又可以保證正向平均電壓VF＜0.60V(IF=70A 時)。達到最佳設計狀態。

2.2.3 增加電流密度的設計 根據公式

其中:Tjm-表示最高工作結溫；Tc—表示額定殼溫；Rjc—結殼熱阻；VFO—上限值的通態伏安特性曲線的門檻電壓；IAV—通態平均電流密度；VFM—正向峰值電壓；VAV-正向平均電壓。

我們可以通過提高最高結溫,降低殼溫、結殼熱阻和正向平均壓降來提高管芯的電流密度,即同樣的芯片面積通過較大的額定通態平均電流。

通過前道工序的工藝摸底攻關,基本確定了硅單晶的種類、電阻率及基區寬度,也就基本確定了芯片(沒燒結上下鉬片時稱芯片,燒結后稱管芯)所能達到的最高結溫、反向工作電壓。因此要進一步提高整個管芯的電流密度,必須降低正向峰值電壓VFM,來提高電流過載能力。由于管芯由上下鉬片、芯片、焊錫片等組成,各層之間的沾潤性好壞至關目前搪錫工藝總空洞率控制在15%(見圖2)。課題組在確保硅芯片、鉬片鍍鎳沾潤良好、高溫錫片無氧化的情況下,精心設計工裝(見圖4),改用燒結工藝代替搪錫工藝,依據表3試驗數據,確定燒結溫度曲線(見圖5),并據此進行燒結。

表3 燒結空洞率與電流密度試驗數據

表3中空洞率是用工業超聲掃描儀檢測出來的,電流密度根據如下公式計算得到。本方法制備的管芯IAV=70A,管芯面積πR2=3.14×62=113.04mm2。

其中J表示電流密度,單位是A/mm2；IAV表示額定平均電流,單位是安培A；S表示截面積,單位是m2或mm2；KD表示空洞率,用%表示。

從表3中可以看出,第8個試驗方案最好,空洞率等于2%時,電流密度為0.606A/mm2,其聲掃照片見圖3。

圖2 搪錫工藝管芯空洞照片

圖3 燒結工藝管芯空洞照片

圖4 管芯燒結模具示意圖

圖5 燒結溫度曲線

經試驗發現,在額定通態電流一定的情況下,空洞率越小,電流密度越大。只要總的空洞率控制在2%以內。即可滿足電流密度大于0.6A/mm2的設計要求。

2.3 高溫(200℃)下,反向漏電流攻關措施 為了實現最高結溫達到200℃,項目組從多個原因中找到二個主要原因,并依次攻關落實:

2.3.1 減小體內漏電流 對于體內漏電流,采取在1000℃左右溫度下進行一次硼的氧化物擴散,吸除硅片中的快擴散雜質,進而減少體內漏電流,實際結果表4。

表4 進行硼擴散后的漏電流實測值

試驗表明效果明顯,總漏電流下降1m A 左右,達50%以上。

2.3.2 對臺面進行雙重保護 為防止外界對管芯特性的影響,對管芯臺面進行雙層保護,即先在臺面上用濺射法生成SiO2保護膜,然后再涂覆聚酰亞胺保護膠,以減少表面漏電流。對比結果如表5所示。

表5 臺面涂覆結果比較

用此辦法,器件在200℃下,800V 電壓下的漏電流可以維持在0.8m A以內,不漂移。

3 結果驗證

3.1 投產驗證 對有關問題全部攻關完成后,試投50只,對實驗前和試驗后各抽10只進行對比測試,實際結果如表6:

表6 投產驗證結果

至此,可以證明采取的措施有效,試驗結果滿足設計要求。

3.2 固化后的工藝流程 固化后的工藝流程如下:

進口德國硅單晶片→腐蝕清洗→擴硼→磨片→再次硼氧化物擴散→擴磷→中測(測結深和基區寬度)→噴砂→硅片鍍鎳→高溫燒滲→二次鍍鎳→割圓(將4英寸的硅單晶割成Φ11.8mm 的小晶圓)→鉬片鍍鎳→高溫燒結→中測(檢測燒結空洞率)→臺面造型→臺面腐蝕并旋轉流水清洗→潔凈室烘干→濺射法形成sio2保護膜→聚酰亞胺保護→高溫固化→常溫測試→高溫測試→外觀檢查→包裝。

4 結論

經過對傳統管芯的材料、工藝進行重新設計,達到了高溫高電流密度整流管芯的參數要求,突破的關鍵技術有:①管芯基區寬度設計更加合理；②管芯制作由搪錫工藝改進為真空燒結工藝,空洞率小于2%；③增加一次硼擴散,減少體內漏電流。