Способ формирования металлизации обратной стороны кремниевой пластины

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ МЕТАЛЛИЗАЦИИ ОБРАТНОЙ СТОРОНЫ КРЕМНИЕВОЙ ПЛАСТИНЫ(71) Заявитель Производственное республиканское унитарное предприятие Завод Транзистор(72) Авторы Турцевич Аркадий Степанович Глухманчук Владимир Владимирович Ануфриев Дмитрий Леонидович Соловьев Ярослав Александрович(73) Патентообладатель Производственное республиканское унитарное предприятие Завод Транзистор(57) Способ формирования металлизации обратной стороны кремниевой пластины со сформированными кристаллами полупроводникового прибора, включающий нанесение на обратную сторону кремниевой пластины адгезионного слоя металла, слоев никеля или никеля с ванадием и серебра, отличающийся тем, что перед нанесением на обратную сторону кремниевой пластины адгезионного слоя металла кремниевую пластину утоняют до требуемой толщины, наносят буферный слой алюминия или его сплавов толщиной 0,5-4,5 мкм и производят отжиг в среде азота при температуре 400-475 в течение 5-60 мин, а в качестве адгезионного слоя металла используют слой титана толщиной 0,07-0,15 мкм. Изобретение относится к электронной технике, а более конкретно к технологии формирования металлизации обратной стороны силовых полупроводниковых приборов, и может быть использовано в изделиях силовой микроэлектроники (ИСМЭ). Известен способ формирования металлизации обратной стороны кремниевой пластины со сформированными кристаллами полупроводникового прибора 1, включающий нанесение на обратную сторону кремниевой пластины слоя способного к пайке металла. Однако данный способ обусловливает плохое качество металлизации из-за отсутствия буферного и адгезионного слоев. Кроме того, плохая адгезия металлизации к обратной стороне кремниевой пластины и окисление наружной поверхности слоя, способного к пайке металла, обусловливает плохое качество присоединения, приводящее к низкому выходу годных ИСМЭ с данной металлизацией. Известен способ формирования металлизации обратной стороны кремниевой пластины со сформированными кристаллами полупроводникового прибора 2, включающий нанесение на обратную сторону кремниевой пластины адгезионного слоя металла, слоев никеля и серебра. 9677 1 2007.08.30 Нанесение защитного слоя серебра позволяет избежать окисления поверхности никеля. Однако данный способ тоже обусловливает плохое качество металлизации, как из-за использования чистого никеля, так и из-за отсутствия буферного слоя, что приводит к низкому выходу годных ИСМЭ. Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является способ формирования металлизации обратной стороны кремниевой пластины со сформированными кристаллами полупроводникового прибора 3, включающий нанесение на обратную сторону кремниевой пластины адгезионного слоя металла, слоев никеля или никеля с ванадием и серебра. Нанесение сплава никель-ванадий позволяет несколько улучшить качество металлизации благодаря высокой скорости магнетронного распыления при низком парциальном давлении кислорода и паров воды, обеспечиваемом за счет применения совершенных откачных средств. Однако и данный способ обусловливает плохое качество металлизации из-за отсутствия буферного слоя, что приводит к плохому качеству металлизации и низкому выходу годных ИСМЭ с данной металлизацией. Предложенное изобретение решает задачу улучшения качества металлизации обратной стороны кремниевой пластины, а также повышения выхода годных ИСМЭ с данной металлизацией. Поставленная задача решается тем, что в способе формирования металлизации обратной стороны кремниевой пластины со сформированными кристаллами полупроводникового прибора, включающем нанесение на обратную сторону кремниевой пластины адгезионного слоя металла, слоев никеля или никеля с ванадием и серебра, перед нанесением на обратную сторону кремниевой пластины адгезионного слоя металла кремниевую пластину утоняют до требуемой толщины, наносят буферный слой алюминия или его сплавов толщиной 0,5-4,5 мкм и производят отжиг в среде азота при температуре 400475 С в течение 5-60 мин, а в качестве адгезионного слоя металла используют слой титана толщиной 0,07-0,15 мкм. Сопоставительный анализ предполагаемого изобретения с прототипом показал, что заявляемый способ отличается от известного тем, что перед нанесением на обратную сторону кремниевой пластины адгезионного слоя металла кремниевую пластину утоняют до требуемой толщины, наносят буферный слой алюминия или его сплавов толщиной 0,54,5 мкм и производят отжиг в среде азота при температуре 400-475 С в течение 5-60 мин,а в качестве адгезионного слоя металла используют слой титана толщиной 0,07-0,15 мкм. Решение поставленной задачи объясняется следующим образом. Одним из важнейших требований, предъявляемым к современным ИСМЭ, является минимальная рассеиваемая мощность при прохождении тока. Наиболее эффективный путь удовлетворения данному требованию - уменьшение последовательного сопротивления ИСМЭ, которое складывается из сопротивления материала подложки и сопротивления омического контакта металлизации. Утонение кремниевой пластины со сформированными кристаллами перед нанесением металлизации обратной стороны позволяет уменьшить последовательное сопротивление ИСМЭ и увеличить выход годных. При этом нанесение металлизации производится на шлифовано-травленую поверхность обратной стороны пластины, так как металлизация, нанесенная на гладкую поверхность кремния, отличается плохим качеством, обусловленным низкой (по сравнению с шероховатой поверхностью) адгезией, и увеличением механических напряжений на границе раздела с кремниевой подложкой. Основным недостатком аналогов и прототипа является нанесение в качестве адгезионного слоя тонких пленок тугоплавких металлов, что приводит к слабому согласованию механических напряжений, возникающих в металлизации обратной стороны и приложенных к границе кремния с адгезионным слоем, что приводит к дополнительному ухудшению адгезии. Нанесение относительно толстого буферного слоя алюминия или его сплавов толщиной 0,5-4,5 мкм позволяет улучшить качество металлизации полупроводникового 2 9677 1 2007.08.30 прибора за счет улучшения адгезии металлизации к обратной стороне пластины и согласования механических напряжений в структуре многослойной металлизации обратной стороны, которые сосредотачиваются на границе раздела с кремниевой подложкой в слое высокопластичного материала, каковым является алюминий и его сплавы. При нанесении слоя алюминия или его сплавов толщиной менее 0,5 мкм не достигается значительного улучшения качества металлизации полупроводникового прибора, поскольку толщины буферного слоя недостаточно для согласования механических напряжений. Кроме того, при толщине буферного слоя менее 0,5 мкм в результате взаимной диффузии кремния и алюминия на границе раздела кремний-алюминий при температуре пайки кристалла 400450 С наружная граница поверхности буферного слоя обогащается кремнием, что приводит к ухудшению электрического контакта и адгезии к нему последующих металлических слоев. При нанесении алюминия или его сплава толщиной более 4,5 мкм дальнейшего улучшения качества металлизации полупроводникового прибора не происходит. Нанесение адгезионного слоя из титана толщиной 0,07-0,15 мкм служит, во-первых,для улучшения адгезии слоя никеля или никеля с ванадием к буферному слою алюминия или его сплава, а во-вторых, структура / устойчива к электромиграции и шипообразованию благодаря образованию интерметаллического соединения 3. Интерметаллическое соединение 3 образуется на границе раздела алюминий - титан во время присоединения кремниевого кристалла пайкой при температуре 400-450 С. В отличие от прототипа, нанесение адгезионного слоя в заявляемом способе служит для улучшения адгезии слоя никеля или никеля с ванадием не к кремнию, а к буферному слою алюминия или его сплавов. Поэтому также важно, чтобы соблюдалось соотношение толщин буферного и адгезионного слоя. При нанесении слоя титана толщиной менее 0,07 мкм не происходит значительного улучшения качества металлизации из-за недостаточной адгезии к буферному слою. При нанесении слоя титана толщиной более 0,15 мкм наблюдается ухудшение качества, обусловленное снижением адгезии слоя никеля или никеля с ванадием к буферному слою из-за роста механических напряжений в слое титана. Дополнительным преимуществом нанесения в качестве буферного слоя алюминия или его сплавов является улучшение адгезии и снижение контактного сопротивления металлизации с кремниевой подложкой (особенно с кремнием -типа) вследствие взаимной диффузии кремния и алюминия. При этом, как и в случае адгезионного слоя из тугоплавких металлов сохраняется реакционная способность к раскислению тонких слоев естественного окисла кремния. Нанесение в качестве материала буферного слоя не чистого алюминия, а его сплавов(особенно содержащих кремний) придает буферному слою дополнительную устойчивость к процессам электромиграции и шипообразования, которые могут происходить во время пайки кристалла, а также в процессе эксплуатации ИСМЭ. Кроме того, нанесение сплавов алюминия в качестве материала буферного слоя позволяет ограничить взаимную диффузию кремния и алюминия повысить стойкость металлизации к воздействию повышенной температуры. Утонение кремниевой пластины со сформированными кристаллами перед нанесением буферного слоя алюминия или его сплавов позволяет уменьшить последовательное сопротивление ИСМЭ и увеличить выход годных. Если данная операция не выполняется, то увеличения выхода годных ИСМЭ не происходит. Отжиг кремниевой пластины со сформированными кристаллами после нанесения буферного слоя алюминия или его сплавов в среде азота при температуре 400-475 С в течение 5-60 мин позволяет уменьшить контактное сопротивление формируемой металлизации с кремнием и увеличить выход годных ИСМЭ, а также улучшить качество металлизации благодаря улучшению адгезии вследствие взаимной диффузии кремния и алюминия. При температуре отжига менее 400 С не происходит заметного увеличения выхода годных ИСМЭ и улучшения качества металлизации. При температуре отжига 3 9677 1 2007.08.30 более 475 С наблюдается снижение выхода годных, обусловленное увеличением контактного сопротивления из-за образования преципитатов кремния на границе кремниевой подложки с буферным слоем. При времени отжига менее 5 мин не происходит значительного увеличения выхода годных ИСМЭ. При времени отжига более 60 мин не наблюдается дальнейшего увеличения выхода годных ИСМЭ. Сущность изобретения поясняется фиг. 1-5, где на фиг. 1 изображена металлизация обратной стороны кремниевой пластины со сформированными кристаллами полупроводникового прибора, сформированная согласно способу - прототипу, включающему нанесение на обратную сторону кремниевой пластины (1) адгезионного слоя металла (2), слоев никеля или никеля с ванадием (3) и серебра (4), а на фиг. 2-5 - согласно предлагаемому способу. На фиг. 2 показана кремниевая пластина со сформированными кристаллами полупроводникового прибора (1), на фиг. 3 - кремниевая пластина со сформированными кристаллами полупроводникового прибора (1) после нанесения буферного слоя алюминия или его сплавов (2), на фиг. 4 - кремниевая пластина со сформированными кристаллами полупроводникового прибора (1) и нанесенным буферным слоем алюминия или его сплавов (2) после отжига, на фиг. 5 - структура, изображенная на фиг. 4 после нанесения адгезионного слоя металла (3), слоев никеля или никеля с ванадием (4) и серебра (5). Предложенный способ формирования металлизации обратной стороны кремниевой пластины используется для изготовления таких ИСМЭ, как диоды, биполярные транзисторы, вертикальные ДМОП - транзисторы, биполярные транзисторы с изолированным затвором. В качестве примера показано его применение для изготовления ограничительного диода с номинальным прямым током 80 А и обратным напряжением 600 В. Кремниевая пластина со сформированными кристаллами полупроводникового прибора (1) подвергается утонению шлифовкой связанным абразивом от начальной толщины 460 мкм до остаточной - 300 мкм на установке-83/6 с последующим травлением напряженного слоя в травителе 33 (183,5) в течение 5-10 минут(фиг. 2), после чего на обратную сторону кремниевой пластины наносят буферный слой алюминия или его сплавов (2) толщиной на установке магнетронного распыления Оратория 29 (фиг. 3). Затем на части образцов производили отжиг полученной структуры в среде азота при заданной температуре (фиг. 4) в диффузионной системе СДОМ 3/100. После этого магнетронным распылением на установке Магна 2 М в едином вакуумном технологическом цикле наносили слои титана (3), сплава никель - ванадий (4) и серебра (5). Полученную пластину со сформированными кристаллами после проведения функционального контроля подвергали сборке в корпус ТО-220. Как показали экспериментальные исследования, качество металлизации и выход годных диодов, изготовленных согласно предложенному способу, существенно лучше по сравнению с прототипом. В табл. 1 представлены сравнительные данные по качеству металлизации и выходу годных диодов в сравнении со способом-прототипом в зависимости от проведения утонения и толщины слоев алюминия и титана. Таблица 1 Сравнительные данные по качеству металлизации и выходу годных диодов с утонением и без утонения при различной толщине слоев алюминия и титана Способ нанесения металлизации УсилиеТолщина 1 Толщина Утоне- отрыва ,п/п слоя алю слоя тита- ние пламиния,на, мкм стины мкм 1 Характер разлома 5-15 площади отслоение от кремния 9677 1 2007.08.30 Продолжение табл. Способ нанесения металлизации УсилиеТолщина 1 Толщина Утоне- отрыва ,п/п слоя алю слоя тита- ние пламиния,на, мкм стины мкм 2 Характер разлома разрыв по припою разрыв по припою разрыв по припою разрыв по припою разрыв по припою 10-50 площади отслоение от кремния- усилие отрыва определялось по следующей методике металлизация наносилась на обе полированные поверхности кремниевой пластины. После резки пластины на квадраты размером 1,81,8 мм производилась пайка выводов к обеим сторонам с нанесенной металлизацией. Затем на разрывной машине производился отрыв выводов с фиксацией усилия и последующей оценкой характера разлома под микроскопом. В табл. 1 представлены усредненные данные по 10 кристаллам. 2- Тепловое сопротивление переход - корпус т п-к определялось методом измерения температуры перегрева перехода после воздействия одиночного импульса греющей мощности в следующих режимах мощность греющего импульса и 125 Вт, коэффициент Кт 1,7 мВ/ С, длительность греющего импульса и 100 мс, время задержки измерительного импульса зд 300 мкс. 3- прямое напряжение на диоде пр определялось при токе 80 А. 4- процент выхода годных определялся по 100 приборам каждого варианта на операции присоединения кристалла. Как видно из табл. 1, оптимальным является диапазон толщины буферного слоя алюминия от 0,5 до 4,5 мкм, а адгезионного слоя титана - от 0,07 до 0,15 мкм. При нанесении буферного слоя алюминия толщиной менее 0,5 мкм и адгезионного слоя титана толщиной менее 0,07 мкм наблюдается ухудшение качества металлизации обратной стороны кремниевой пластины, а также снижение выхода годных ИСМЭ. При нанесении буферного слоя алюминия толщиной более 4,5 мкм и адгезионного слоя титана толщиной более 0,15 мкм не наблюдается дальнейшего улучшения качества металлизации обратной стороны кремниевой пластины и повышения выхода годных ИСМЭ с данной металлизацией,т.е. нанесение буферного и адгезионного слоев с данными значениями толщин нецелесообразно с экономической точки зрения. Из табл. 1 также видно, что утонение кремниевой пластины перед нанесением буферного слоя алюминия приводит к улучшению качества металлизации, снижению прямого напряжения и увеличению выхода годных. В табл. 2 представлены сравнительные данные по качеству металлизации и выходу годных диодов для различных материалов буферного слоя. Таблица 2 Сравнительные данные по качеству металлизации и качеству присоединения кристаллов диодов для различных материалов буферного слоя Усилие т п-к, пр,выхода Материал буферного слоя отрыва,Примечание С/Вт В годных Н А 1 48,8 0,83 1,26 98 при оптимальных толщинах буферного Как видно из табл. 2, использование сплавов алюминия в качестве материала буферного слоя также приводит к улучшению качества металлизации обратной стороны кремниевой пластины и повышению выхода годных ИС-МЭ. В табл. 3 представлены сравнительные данные по качеству металлизации и выходу годных диодов для различных температурно-временных режимов отжига кремниевой пластины с нанесенным буферным слоем алюминия. Таблица 3 Сравнительные данные по качеству металлизации и выходу годных диодов при различных режимах отжига Режим отжига Усилиевы т п-к,отрыва,пр, В хода Примечание Темпера- Время,п/п С/Вт Н годных тура, С мин. 1 380 3 50,1 0,83 1,25 98 при оптимальных тол 2 400 5 52,6 0,82 1,17 98 щинах буферного и адгезионного слоев,3 450 30 56,7 0,79 1,15 99 нанесенных на пластину 4 475 60 54,3 0,81 1,14 98 после утонения 5 500 80 48,4 0,97 1,33 93 Как видно из табл. 3, оптимальным является интервал температуры отжига от 400 до 475 С, а времени отжига от 5 до 60 минут. При меньшей температуре и длительности отжига не наблюдается улучшений, а при превышении наблюдается снижение выхода годных. Сравнение данных, представленных в табл. 1-3, показывает, что заявляемый способ формирования металлизации обратной стороны кремниевой пластины позволяет увеличить усилие отрыва от кремния более чем на 80 , снизить в ИСМЭ тепловое сопротивление переход - корпус более чем на 20 , а также увеличить выход годных ИСМЭ на 20 . Таким образом, заявляемый способ формирования металлизации обратной стороны кремниевой пластины в сравнении с прототипом позволяет решить задачу повышения качества металлизации, а также повышения выхода годных ИСМЭ. Источники информации 1. Онегин Е.Е., Зенькович В.А., Битно Л.Г. Автоматическая сборка ИС. - Мн. Вышэйшая школа, 1990. - С. 383. 2. Патент США 463185, П 01 23/48, 1986. 3. Патент Германии 4139908, МПК 01 23/532, 1993. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 7