一种硅基高温高电流密度整流管芯制备方法

初宜亭

青岛航天半导体研究所有限公司 山东 青岛 266000

0 引言

现有管芯加工制成的整流二极管功率密度低,结温只能满足最高175℃,体积较大,在追求体积小,重量轻,高温等高可靠装备领域,其应用已明显受限。因此在查找原因的同时,创新设计思路,从材料的选用、工艺参数的调整、新工艺的采用等方面,经几十次攻关试验,终于研制成符合要求的高温高电流密度整流管芯。

经分析造成最高结温和功率密度低的主要原因有:

●硅单晶材料位错及“星”形缺陷多；

●基区宽度设计计算不合理；

●烧结空洞率仅能控制在10%；功率密度太小。

●管芯高温下(200℃)漏电流大于3m A。而且随着时间的推移,漏电逐渐增大,呈漂移状态。

1 高温高电流密度管芯参数要求

高温高电流密度管芯的参数要求:

①直径Φ12mm；最高结温TjM≧200℃

②电流密度大于0.60A/mm2(即额定平均电流IAV=70A)

③反向重复峰值电压VRRM＞800V

④正向平均电压VF＜0.60V(IF=70A 时)

⑤高温下反向漏电流小于0.8m A,且200℃下,漏电流不漂移。

2 研究内容

针对找出的现有管芯不耐高温及电流密度低的原因,课题组历经多年时间,从基础材料着手,编辑思维导图,针对TjM≧200℃,功率密度大于0.60A/mm2,高温下漏电不漂移的目标要求,制定攻关路线图,项目取得成功。

2.1 高质量硅单晶的选取 针对硅单晶材料缺陷多的问题,课题组利用声扫探测等方法,对日本Shin-Etsu Handotai、丹麦TOPSIL、德国Siltronic、天津中环股份等几家硅单晶企业生产的硅单晶进行检测,寻找位错等缺陷少的硅单晶。经比对,最终选择德国Siltronic的一批硅单晶,其位错密度小于3×103/cm2,而且分布均匀。

2.2 关键参数的研究 影响结温和功率密度的参数主要有:材料的电阻率、扩散结深和基区宽度、漏电流、烧结方法等:

2.2.1 硅材料电阻率和硅片厚度的选取 整流管芯的反向重复峰值电压,受到p-n结雪崩电压VB和穿通电压VP的限制。见图1:

图1 p-n结雪崩电压和穿通电压随电阻率的变化图

从图1中可以看出,原材料的电阻率决定着p-n结的雪崩电压,要提高管芯的耐压能力,必须采用较高电阻率的材料。如果原材料电阻率提高了,而硅片厚度和长基区保持不变,反向重复峰值电压就要由穿通电压决定,此时,电阻率越高,穿通电压反而越低。图1的两条穿通曲线对应的长基区宽度分别为100微米(曲线2)和150微米(曲线1)。采用更长的基区宽度,可以提高穿通电压。所以当采用更高电阻率材料来提高管芯耐压时,必须同时相应地增加硅片厚度(或基区宽度)。

根据以上发现的规律,结合本课题的指标要求,设计出十几个方案,在此列举有特点的5个试验数据,说明电阻率及硅片厚度的选择方案,试验对比数据如表1所示:

表1 硅单晶电阻率及厚度试验数据

从表1可以看出,第3方案即N 型区熔硅单晶,单晶电阻率为35欧姆·厘米,硅片厚度选择270微米符合反向重复工作电压大于800V 及正向平均电压小于0.6V 的要求。

2.2.2 基区宽度的设计 对基区宽度进行了重新设计,由于基区宽度直接关系到最高结温、反向重复峰值电压及正向平均压降的合理性。课题组在已确定使用电阻率为35欧姆·厘米,厚度为270微米硅单晶的情况下,对管芯的基区宽度进行了再设计。

根据如下公式:

其中VP是穿通电压；ε是介电常数；ND是

长基区施主杂质浓度；q为电子电荷量；Wn是长基区宽度。

由于管芯的反向工作电压要求大于800V,现假设穿通电压为1000V,ND取7×108cm-3,硅的介电常数ε为11.7,q为1.6×10-19C。根据式(2)计算Wn大约为131微米。

课题组进行了比对试验,试验数据见表2。

表2 长基区宽度与穿通电压试验比对表

从以上数据可以看出,扩散结深选择为140 微米,基区宽度选择为130微米比较理想。这样既可以确保反向重复峰值电压大于800V,又可以保证正向平均电压VF＜0.60V(IF=70A 时)。达到最佳设计状态。

2.2.3 增加电流密度的设计 根据公式

其中:Tjm-表示最高工作结温；Tc—表示额定壳温；Rjc—结壳热阻；VFO—上限值的通态伏安特性曲线的门槛电压；IAV—通态平均电流密度；VFM—正向峰值电压；VAV-正向平均电压。

我们可以通过提高最高结温,降低壳温、结壳热阻和正向平均压降来提高管芯的电流密度,即同样的芯片面积通过较大的额定通态平均电流。

通过前道工序的工艺摸底攻关,基本确定了硅单晶的种类、电阻率及基区宽度,也就基本确定了芯片(没烧结上下钼片时称芯片,烧结后称管芯)所能达到的最高结温、反向工作电压。因此要进一步提高整个管芯的电流密度,必须降低正向峰值电压VFM,来提高电流过载能力。由于管芯由上下钼片、芯片、焊锡片等组成,各层之间的沾润性好坏至关目前搪锡工艺总空洞率控制在15%(见图2)。课题组在确保硅芯片、钼片镀镍沾润良好、高温锡片无氧化的情况下,精心设计工装(见图4),改用烧结工艺代替搪锡工艺,依据表3试验数据,确定烧结温度曲线(见图5),并据此进行烧结。

表3 烧结空洞率与电流密度试验数据

表3中空洞率是用工业超声扫描仪检测出来的,电流密度根据如下公式计算得到。本方法制备的管芯IAV=70A,管芯面积πR2=3.14×62=113.04mm2。

其中J表示电流密度,单位是A/mm2；IAV表示额定平均电流,单位是安培A；S表示截面积,单位是m2或mm2；KD表示空洞率,用%表示。

从表3中可以看出,第8个试验方案最好,空洞率等于2%时,电流密度为0.606A/mm2,其声扫照片见图3。

图2 搪锡工艺管芯空洞照片

图3 烧结工艺管芯空洞照片

图4 管芯烧结模具示意图

图5 烧结温度曲线

经试验发现,在额定通态电流一定的情况下,空洞率越小,电流密度越大。只要总的空洞率控制在2%以内。即可满足电流密度大于0.6A/mm2的设计要求。

2.3 高温(200℃)下,反向漏电流攻关措施 为了实现最高结温达到200℃,项目组从多个原因中找到二个主要原因,并依次攻关落实:

2.3.1 减小体内漏电流 对于体内漏电流,采取在1000℃左右温度下进行一次硼的氧化物扩散,吸除硅片中的快扩散杂质,进而减少体内漏电流,实际结果表4。

表4 进行硼扩散后的漏电流实测值

试验表明效果明显,总漏电流下降1m A 左右,达50%以上。

2.3.2 对台面进行双重保护 为防止外界对管芯特性的影响,对管芯台面进行双层保护,即先在台面上用溅射法生成SiO2保护膜,然后再涂覆聚酰亚胺保护胶,以减少表面漏电流。对比结果如表5所示。

表5 台面涂覆结果比较

用此办法,器件在200℃下,800V 电压下的漏电流可以维持在0.8m A以内,不漂移。

3 结果验证

3.1 投产验证 对有关问题全部攻关完成后,试投50只,对实验前和试验后各抽10只进行对比测试,实际结果如表6:

表6 投产验证结果

至此,可以证明采取的措施有效,试验结果满足设计要求。

3.2 固化后的工艺流程 固化后的工艺流程如下:

进口德国硅单晶片→腐蚀清洗→扩硼→磨片→再次硼氧化物扩散→扩磷→中测(测结深和基区宽度)→喷砂→硅片镀镍→高温烧渗→二次镀镍→割圆(将4英寸的硅单晶割成Φ11.8mm 的小晶圆)→钼片镀镍→高温烧结→中测(检测烧结空洞率)→台面造型→台面腐蚀并旋转流水清洗→洁净室烘干→溅射法形成sio2保护膜→聚酰亚胺保护→高温固化→常温测试→高温测试→外观检查→包装。

4 结论

经过对传统管芯的材料、工艺进行重新设计,达到了高温高电流密度整流管芯的参数要求,突破的关键技术有:①管芯基区宽度设计更加合理；②管芯制作由搪锡工艺改进为真空烧结工艺,空洞率小于2%；③增加一次硼扩散,减少体内漏电流。