Силовая электроника №3'2006

Использование термомиграции в технологии структур силовых полупроводниковых приборов

Алексей Полухин
Татьяна Зуева
Анатолий Солодовник


Одна из основных тенденций развития силовой полупроводниковой техники — замена дискретных приборов в герметичных металлостеклянных корпусах на силовые модули, в которых структуры силовых полупроводниковых приборов (СПП) — силовых тиристоров, триаков, силовых транзисторов, силовых диодов и т. д. — монтируются на изолирующем керамическом основании и герметизируются в пластмассовом корпусе. Структуры силовых полупроводниковых приборов ведущих мировых фирм имеют одностороннюю пассивацию, анодный выпрямляющий р-n-переход выводится на верхнюю плоскость структуры при помощи периферийной разделительной области (РО). Такие структуры [1] допускают монтаж непосредственно на металлизированную керамическую подложку без термокомпенсатора, благодаря чему обозначилась тенденция увеличения токономинала модулей и роста обратного напряжения.


Создание сквозных РО является самостоятельной технологической задачей, и большинство фирм использует для этой цели диффузию как наиболее освоенный процесс. Квадратичная зависимость времени и глубины диффузии существенно удлиняет процесс получения диффузией РО на толстых пластинах высокоомного кремния, используемых при создании высоковольтных приборов, а это ухудшает электрофизические параметры исходного кремния.

Создать локальные сквозные р-области в кремнии позволяет термомиграция, или зонная перекристаллизация градиентом температуры [2-4]. Жидкая зона раствора-расплава мигрирует сквозь кремний в плоскооднородном поле градиента температуры, оставляя за собой перекристаллизованный "след", легированный атомами металла-растворителя (в данном случае алюминия) до предела растворимости при температуре процесса. Термомиграция позволяет до десятков минут сократить время создания РО, так как в практических случаях скорость миграции зоны достигает единиц или даже десятков микрон в минуту при температуре процесса 1200-1260 °С. Перекристаллизованные слои по глубине пластины имеют примерно одинаковый уровень легирования акцепторной примесью и совершенную кристаллическую структуру [2]. Термомиграция органично сочетается с традиционными технологическими операциями полупроводникового производства: диффузией, фотолитографией, эпитаксией.

Характерными особенностями технологии термомиграции, общими для западных фирм, были: использование полированных пластин, как правило, с ориентацией (111); формирование сетки линейных зон на поверхности пластин напылением алюминия с последующей фотолитографией; проведение термомиграции в газонаполненных установках с односторонним нагревом горизонтально расположенных пластин системой ИК-ламп; обязательная механическая обработка пластин после термомиграции [3, 4]. Сообщалось [4] об изготовлении чипов тиристоров размером 1 x 1 мм с рабочим напряжением менее 600 В с использованием термомиграции.

В отечественной силовой полупроводниковой технологии используются пластины со шлифованной поверхностью. Зоны, полученные напылением, не погружаются с поверхности в шлифованную поверхность, как в полированную, что обусловлено еще и неадекватностью низкотемпературного процесса напыления высокотемпературному процессу термомиграции. Для формирования дискретных зон используется технология высокотемпературного избирательного смачивания [5, 6], основанная на растворении кремния расплавом металла-растворителя в окнах, созданных фотолитографией в окисной или нитридной маске. Этот способ позволяет получить на поверхности пластины заглубленные зоны требуемой топологии, изначально насыщенные кремнием.

Для термомиграции в вакууме используется односторонний резистивный нагрев вертикально расположенных пластин [2]. Пластины располагаются в кассетах, установленных у внешних граней призматического нагревательного блока. В качестве нагревателей используются плоские меандры из углеродного композитного материала, дающие плоскооднородное тепловое поле. Такая технология [6, 7], разработанная с помощью специалистов Новочеркасского политехнического института, на оборудовании, созданном сотрудниками запорожского ВНИИ "Преобразователь", позволяла обрабатывать пластины диаметром до 76 мм и толщиной от 0,25 мкм с выходом годных на операции термомиграции свыше 94% для структур (диодов, тиристоров, триаков, фототиристоров и т. д.) со стороной квадрата до 5,2 мм и напряжением до 1200 В. В сравнительной таблице приведены основные характеристики способов нагрева, применяемых при термомиграции.

Таблица

При разработке приборов на токи свыше 100 А и напряжения свыше 1600 В обозначился ряд проблем, не возникавших ранее на приборах малых то-кономиналов. Необходимо было исключить разрывы зон при формировании их и во время термомиграции. Кроме того, на кристаллах с большим периметром РО особое значение имеет однородность электрофизических свойств РО по всему периметру, в частности, блокирующие свойства вертикальных ^-"-переходов. Это, в свою очередь, напрямую связано со стабильной миграцией протяженных линейных зон, отсутствием в них локальных искривлений и утолщений.

С увеличением размера кристалла и уменьшением количества кристаллов на пластине каждый разрыв зоны при формировании или во время термомиграции переводит в брак больший процент площади пластины. Разрыв линейной зоны при формировании может быть вызван не только браком фотолитографии, но и локальным затенением окна в окисной маске присутствующими в расплаве посторонними частицами (предположительно, чешуйками окисла алюминия размером менее 100 мкм). Поскольку основная часть разрывов, связанных с затенением, приурочена к области первоначального смачивания, изменена топология фотошаблона. Это позволило практически исключить разрывы рабочих зон.

Однородность электрофизических параметров зон по всему периметру каждой приборной структуры, отсутствие по периметру вертикального ^-"-перехода РО мест с повышенными токами утечки определяет степень развития технологии и ограничивает, в конечном счете, размеры приборных структур, которые могут быть изготовлены при данной степени совершенства технологии. Такая однородность определяется, помимо разрывов зон при формировании, еще и отсутствием искажений траектории миграции зон. Причины отклонения траектории миграции зон от нормали к плоскости пластины можно условно разделить на несколько групп:

  • Вызванные наличием тангенциальной составляющей градиента температуры GT, сравнимой по порядку величины с нормальной его составляющей Gn.
  • Связанные с нестабильностью зон на стадии их погружения.
  • Обусловленные анизотропией кристаллографических свойств кремния. Тангенциальная составляющая градиента

температуры на краях пластины, обусловленная некомпенсированным излучением от краев пластины, может подавляться широкой (500 мкм) кольцевой зоной у края пластины [8] или встречным излучением от торца кассеты [4]. В нашем случае помимо компенсации излучения от графитовой кассеты используется эффект тепловой компенсации от мигрирующих параллельно основным вспомогательных зон. Эти зоны выполняют во время термомиграции функцию уменьшения GT в периферийных областях пластины. Геометрические параметры этих зон точно такие же, как и у основных зон, поэтому они движутся с той же скоростью, выполняя свою роль по всей толщине пластины.

Погружение дискретных зон в кремний - наиболее критичная стадия процесса термомиграции [2, 9], поскольку величина Gn на поверхности пластины по сравнению с объемом снижена, особенно при сравнительно невысоких температурах [9, 10]. Зарастание следа зоны на стартовой поверхности пластины происходит для разных фрагментов зон не одновременно. Временной разброс даже в пределах одной пластины может достигать 500 с.

Это зависит от ориентации пластины, геометрических характеристик зон на старте, особенно в местах пересечения зон. Снижение временного разброса процесса погружения достигнуто соединением зон, формирующих РО, в единый ансамбль, даже если эти зоны не расположены смежно друг с другом. Особые требования предъявляются к фотошаблонам в местах пересечений линейных зон. В этих местах линейный размер зон увеличен и погружение затруднено. На рис. 1 показан след погрузившихся пересекающихся зон на кремнии с ориентацией (111) (а) и (100) (б). Заметно, что для кремния с ориентацией (111) погружение в месте пересечения затруднено, о чем свидетельствует размер впадины с характерной огранкой плоскостями (111). В пластину с ориентацией (100) зоны погружаются быстрее, и задержка их на старте в местах пересечений меньше, что объяснимо огранкой "горячей" (растворяющейся) границы зоны [2]. На рис. 2 показана финишная сторона тех же пластин после выхода зон на поверхность. Искажение формы зоны в пересечении для кремния с ориентацией (111) заметнее, и определяется оно, как уже было сказано, задержкой зоны на старте в месте ее локального расширения, в данном случае, в пересечении зон.

Рис. 1. След пересекающихся зон на кремнии с ориентацией (111) (а)
Рис. 1. След пересекающихся зон на кремнии с ориентацией (111) (а)
Рис. 2. Финишная поверхность пластины с ориентацией (111) (а) и (100) (б) после выхода зон на поверхность, 100x и (100) (б). Стартовая поверхность, 100x
Рис. 2. Финишная поверхность пластины с ориентацией (111) (а) и (100) (б) после выхода зон на поверхность, 100x и (100) (б). Стартовая поверхность, 100x

Использование в технологии СПП пластин с ориентацией (111) общепринято, так как они не требуют ориентации линейных зон [2]. Для кремния с ориентацией (100) направлениями стабильной миграции считались только взаимно перпендикулярные направления {011}, что требовало изначальной ориентации зон строго в этих направлениях. Однако использование кремния с ориентацией (100) позволяет получать структуры с более высокими блокирующими свойствами, чем в случае использования в качестве исходного кремния с ориентацией (111) и тем же удельным сопротивлением. Это во многом объясняется более легким погружением зон в кремний (100) и миграцией зон без искажений.

Из трех составляющих термомиграции - растворения кремния на "горячей" границе зоны, диффузии атомов кремния сквозь раствор-расплав и кристаллизации их на "холодной" границе - наиболее критична первая [2]. Взаимное влияние друг на друга кристаллизующейся и растворяющейся границ зоны снижает скорость миграции, особенно при малой их толщине, в так называемом кинетическом режиме [2], что сильнее всего проявляется при погружении, когда градиент температуры мал и сказывается анизотропия кристаллографических свойств кремния. Зона недостаточной толщины может отклоняться от нормали к поверхности пластины сразу же после погружения. Это явление более характерно для кремния с ориентацией (111). Для газонаполненных установок с близкорасположенным теплоотводом этот эффект менее заметен, так как величина градиента температуры в них изначально больше, чем в вакуумных установках. Однако вакуумные установки имеют ряд преимуществ по сравнению с газонаполненными: они более экономичны, условия миграции в них ближе к равновесным, что обеспечивает более высокое качество миграции и кристаллографическое совершенство перекристаллизованных областей и ^-"-переходов РО. На них даже без диффузионной разгонки достигаются значения обратных напряжений, близкие к теоретическим.

При термомиграции в вакууме 10-4 мм рт. ст. алюминиевая зона, пройдя сквозь пластину, испаряется. Исчезает необходимость стравливания продуктов миграции после завершения процесса [11, 12]. Во время термомиграции в вакууме осуществляется легирование пластин алюминием из паров, в том числе локальное. Для локального легирования используется окисная маска достаточной стойкости [11]. Остающийся на стартовой поверхности после погружения зоны поликристаллический "клин" является геттером для прилегающей периферийной области кристалла на последующих термических операциях.

Предложена новая топология разделительных областей. Структуры разделяются двумя параллельными зонами [13]. Вблизи мест пересечения ширина зон плавно уменьшается на 10%, чем достигается снижение линейного размера зон по диагонали в пересечениях. Это, в свою очередь, облегчает погружение зон в таких местах. Все зоны - и основные, и вспомогательные - соединяются в единую систему и мигрируют единым "ансамблем", будучи связанными на всем пути своего движения. Параметры зон - ширина и расстояние между параллельными зонами, а также режим миграции - выбраны таким образом, чтобы в промежутке между структурами формировалась область с нарушенной кристаллической структурой, выполняющая при последующих термических операциях функции геттера. На рис. 3 показана область пересечения линейных параллельных зон, ширина которых плавно уменьшалась к пересечениям.

Рис. 3. Пересечение сдвоенных зон. Финишная поверхность. 100x
Рис. 3. Пересечение сдвоенных зон. Финишная поверхность. 100x

Параллельные близкорасположенные зоны мигрируют стабильнее, чем одиночная зона. Кроме того, даже в случае разрыва одной из зон выходит из строя только одна из двух соседних структур. Уменьшение локальных расширений в местах пересечения зон позволило облегчить погружение ансамбля линейных зон. Разброс временной задержки погружения [9] на пластине диаметром 76 мм снижен более чем вдвое. Уменьшается отклонение от нормали к плоскости пластины следа миграции параллельно мигрирующих близкорасположенных зон.

С учетом этого предложен новый технологический маршрут, исключающий операцию шлифования пластин после термомиграции [12]. Для приборов ключевого типа (тиристоров, триаков и т. п.) диффузия проводится в два этапа - до и после термомиграции. Дополнительное легирование быстро диффундирующей примесью - алюминием - проводится во время термомиграции. Для диодов прямой полярности также в два этапа проводится диффузия разноименной примеси [14]. Эти изменения, а также изменение порядка операций технологического маршрута, когда термомиграция выполняется между диффузионными операциями, позволили повысить общий выход годных и процент высоковольтных структур. На рис. 4 приведены гистограммы распределения по классам стеклопассиви-рованных диодов прямой полярности (сплошная линия) с термомиграцией на ток 100 А. Для сравнения приведено распределение по классам стеклопассивированных диодов прямой полярности с классической фаской. Обе партии изготовлены на кремнии из одного слитка. Диффузия на обеих партиях проводилась одновременно. Замеры были проведены на автомате, позволяющем подавать на приборы обратное напряжение не более 2000 В (что соответствует 16 классу по напряжению).

Рис. 4. Распределение по классам структур диодов Д140#100: мезапланарной конструкции и с "классической" фаской, пассивированных стеклом
Рис. 4. Распределение по классам структур диодов Д140#100: мезапланарной конструкции и с "классической" фаской, пассивированных стеклом

Помимо экономии кремния за счет обработки изначально тонких пластин (без припуска по толщине на обработку после термомиграции) и увеличения выхода годных удалось достичь высокой воспроизводимости параметров приборных структур на пластине и в партии обрабатываемых пластин. Для приборов ключевого типа оказалось возможным модулировать концентрационный профиль горизонтальных диффузионных слоев в зависимости от назначения прибора, а также необходимого заказчику сочетания чувствительности к управляющему сигналу и динамических свойств прибора.

Применение локального маскирования позволило органично сочетать в едином технологическом маршруте создание РО термомиграцией с формированием системы делительных колец, увеличивающих запирающую способность высоковольтных p-n-переходов.

Усовершенствование технологического маршрута изготовления стеклопассивированных приборных структур и процесса термомиграции, модернизация топологии ансамбля линейных зон позволяют применить это решение при разработке серии СПП на токи свыше 100 А: тиристоров, фототиристоров, диодов и т. д. - для комплектации высоковольтных силовых полупроводниковых модулей.

Литература

  • Blunt P. Electronic Components and Applications. 1979, V. 2, No 1.
  • Лозовский В. Н., Лунин Л. С, Попов В. П. Зонная перекристаллизация градиентом температуры полупроводниковых материалов. М.: Металлургия. 1987.
  • Chang M., Kennedy R. J. Electrochem. Soc. V. 128, No 12. (1981). 2193-2198.
  • Lischner D. G., Basseches H, DAltroy F. A. - J. Electrochem. Soc, v. 132, No 12, (1985), 2997-3001.
  • Майстренко В. Г. // В межвуз. сб. "Кристаллизация и свойства кристаллов". 1985.
  • Полухин А. С, Жукова Л. В., Балюк А. В. // В межвуз. сб. "Кристаллизация и свойства кристаллов". 1989.
  • Полухин А. С. и др. в межвуз. сб. "Кристаллизация и свойства кристаллов". 2003
  • Патент США № 4190467.
  • Малибашева Л. Я., Малибашев В. А. // В межвуз. сб. "Кристаллизация и свойства кристаллов". 1989.
  • Aaron D.B., Thomas R.E. and Wiley J.D. - J. Appl. Phys.., v. 54, No 6 (1983), 3632-3635.
  • Патент Украины № 45 871 А.
  • Патент Украины № 53903 А.
  • Патент Украины № 2748.
  • Патент Украины № 67122 А.
*  *  *

Другие статьи по этой теме


Скачать статью в формате PDF

Скачать статью в формате PDF 2006_03_110.pdf  

 
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

Оцените, пожалуйста, удобство и практичность (usability) сайта:
Хорошо
Нормально
Плохо