Металлизация полупроводникового прибора

(71) Заявитель Производственное республиканское унитарное предприятие Завод Транзистор (ВУ)(72) Авторы Ануфриев Леонид Петрович Турцевич Аркадий Степанович Глухманчук Владимир Владимирович Соловьев Ярослав Александрович Кавунов Андрей Петрович (ВУ)(73) Патентообладатель Производственное республиканское унитарное предприятие Завод Транзистор (ВУ)Металлизация полупроводникового прибора, содержащая адгезионный слой металла,слой никеля или сплава никеля с ванадием и слой серебра, последовательно нанесенные на обратную сторону кремниевого кристалла, отличающаяся тем, что перед адгезионным слоем нанесен буферный слой алюминия или его сплавов толщиной (0,5-4,5) мкм, а в качестве адгезионного слоя нанесен слой титана толщиной (0,07-0,15) мкм.Изобретение относится к электронной технике, а более конкретно - к металлизации обратной стороны силовых полупроводниковых приборов, и может быть использовано в изделиях силовой микроэлектроники (ИСМЭ).Известна металлизация полупроводникового прибора 1, содержащая слой способного к пайке металла, нанесенный на обратную сторону кремниевого кристалла.Однако данная металлизация характеризуется низким качеством и надежностью из-за отсутствия адгезионного слоя. Кроме того, плохая адгезия металлизации к обратной стороне кремниевого кристалла и окисление верхней поверхности слоя способного к пайке металла обусловливает плохое качество присоединения и низкий выход годных ИСМЭ.Известна металлизация полупроводникового прибора 2, содержащая адгезионный слой металла, слой никеля и слой серебра, последовательно нанесенные на обратную сторону кремниевого кристалла.Наличие защитного слоя серебра позволяет избежать окисления поверхности никеля. Однако данная Металлизация характеризуется низким качеством и надежностью из-за использования чистого никеля, а также из-за отсутствия буферного слоя, что приводит к низкому качеству присоединения и выходу годных ИСМЭ.Наиболее близким к предлагаемому техническим решением является металлизация полупроводникового прибора 3, содержащая адгезионный слой металла, слой никеля или сплава никеля с ванадием и слой серебра, последовательно нанесенные на обратную сторону кремниевого кристалла.Использование сплава никель-ванадий позволяет несколько улучшить качество металлизации. Однако данная металлизация также характеризуется низким качеством и надежностью из-за отсутствия буферного слоя, что приводит к низкому качеству присоединения и выходу годных ИСМЭ.Предложенное изобретение решает задачу повышения качества металлизации полупроводникового прибора, а также повышения качества присоединения кристалла с данной металлизацией к кристаллодержателю и повышения выхода годных ИСМЭ.Поставленная задача решается тем, что в металлизации полупроводникового прибора,содержащей адгезионный слой металла, слой никеля или сплава никеля с ванадием и слой серебра, последовательно нанесенные на обратную сторону кремниевого кристалла, перед адгезионным слоем нанесен буферный слой алюминия или его сплавов толщиной(О,5-4,5) мкм, а в качестве адгезионного слоя нанесен слой титана толщиной (О,О 7-О,15) мкм.Сопоставительный анализ предполагаемого изобретения с прототипом показал, что заявляемое устройство отличается от известного тем, что перед адгезионным слоем нанесен буферный слой алюминия или его сплавов толщиной (О,5-4,5) мкм, а в качестве адгезионного слоя нанесен слой титана толщиной (О,О 7-О,15) мкм.Решение поставленной задачи объясняется следующим образом. Одной из тенденций развития силовой микроэлектроники на современном этапе является уменьшение толщины кремниевого кристалла с целью улучшения выходных характеристик ИСМЭ и снижения потерь мощности на последовательном сопротивлении кремниевой подложки. Данный подход в технологии ИСМЭ, как правило, реализуется двумя способами утонением кремниевой пластины до требуемой толщины с последующим химическим удалением нарушенного слоя, формирование активной структуры на кремниевых пластинах требуемой толщины. В обоих случаях нанесение металлизации производится на шлифованотравленую поверхность обратной стороны пластинь 1. Полученная гладкая поверхность с минимальной площадью обусловливает низкую (по сравнению со шлифованной) адгезию из-за увеличения механических напряжений на границе раздела с кремниевой подложкой. Основным недостатком аналогов и прототипа является использование 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 и снижению надежности. Использование относительно толстого буферного слоя алюминия или его сплавов толщиной (О,5-4,5) мкм позволяет повысить качество металлизации полупроводникового прибора за счет улучшения адгезии металлизации к обратной стороне пластины и согласования механических напряжений, которые сосредотачиваются на границе раздела с кремниевой подложкой в слое высокопластичного материала, каковым является алюминий и его сплавы. При толщине слоя алюминия или его сплавов 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 диффузия кремния и алюминия на границе раздела кремний - алюминий при температуре пайки кристалла (400-450) С наружная граница поверх 2ности буферного слоя обогащается кремнием, что приводит К ухудшению электрического контакта и адгезии к нему последующих металлических слоев. При толщине алюминия или его сплава более 4,5 мкм дальнейшего улучшения качества металлизации полупроводникового прибора.Адгезионный слой титана толщиной (0,07-0,15) мкм служит для улучшения адгезии слоя никеля или никеля с ванадием к буферному слою алюминия или его сплава, вовторь 1 х, структура А 1/Т 1 устойчива к электромиграции и шипообразованию из-за образования интерметаллического соединения А 1 Т 13. Интерметаллическое соединение А 1 Т 13 образуется на границе раздела алюминий - титан во время присоединения кремниевого кристалла пайкой при температуре (400-450) С. Адгезионный слой в заявляемом устройстве в отличие от прототипа выполняет функцию улучшения адгезии не к кремнию, а к буферному слою алюминия или его сплавов. Поэтому также важно, чтобы соблюдалось соотношение толщин буферного и адгезионного слоя. При толщине слоя титана менее 0,07 мкм не происходит значительного улучшения качества металлизации из-за недостаточной адгезии к буферному слою. При толщине слоя титана 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 использования в качестве буферного слоя алюминия или его сплавов является улучшение адгезии и электрического контакта металлизации с кремниевой подложкой (особенно к кремнию р-типа) вследствие взаимной диффузии кремния и алюминия. При этом, как и в случае адгезионного слоя из тугоплавких металлов, сохраняется реакционная способность к тонким слоям естественного окисла кремния.Использование 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, использование сплавов алюминия в качестве материала буферного слоя позволяет ограничить взаимную диффузию кремния и алюминия, повысить стойкость металлизации к воздействию повышенной температуры.Сущность изобретения поясняется фиг. 1, 2, где на фиг. 1 изображена металлизация полупроводникового прибора - прототипа, на фиг. 2 - металлизация полупроводникового прибора в соответствии с предлагаемым техническим решением, включающая сформированный непосредственно на обратной стороне кремниевого кристалла (1) буферный слой алюминия или его сплава (2), адгезионный слой титана (3), слой никеля или никеля с ванадием (4) и серебра (5).Данная структура может быть изготовлена следующим образом после формирования активной структуры полупроводникового прибора на его обратную сторону наносится буферный слой алюминия или его сплава, затем последовательно наносятся адгезионный слой титана, слой никеля или никеля с ванадием и серебра.Работает предлагаемая металлизация полупроводникового прибора следующим образом. Буферный слой алюминия или его сплава (2) обеспечивает механический и электрический контакт металлизации полупроводникового прибора непосредственно к обратной стороне кремниевой пластины (1). Адгезионный слой титана (3) служит для обеспечения адгезии слоя никеля или никеля с ванадием (4) к буферному слою алюминия или его сплава (2). Слой никеля или никеля с ванадием (4) служит для смачивания припоем обратной стороны полупроводникового прибора при его сборке в корпус. Слой серебра (5) служит для защиты от окисления во время межоперационного хранения слоя никеля или никеля с ванадием (4), а также для улучшения смачивания припоем слоя никеля или никеля с ванадием (4).В табл. 1 представлены сравнительные данные по качеству заявляемой металлизации и качеству присоединения кристаллов с данной металлизацией и выходу годных ИСМЭ в сравнении с прототипом в зависимости от толщины слоев алюминия и титана.Таблица 1 Сравнительные данные по качеству металлизации и качеству присоединения кристаллов диодов с различной толщиной слоев алюминия и титанаТолщина Толщина Усилие вь 1 Не слоя 1 П/П ШПОМРЪ слоя ти- отрыва , Характер разлома хода тана, мкм Н годных 4 ния, мкм 1 0,1 0,03 33,9 5-15 площади отслоение металлизации от кремния 2 0,5 0,07 42,4 разрыв по припою 3 2,0 0,1 49,2 разрыв по припою 4 4,5 0,15 47,8 разрыв по припою 5 6,0 0,2 46,9 разрыв по припою 6 Нет хром 28 7 10-50 площади отслоение 0,07 мкм МЕТЭШШЗЗЪШШ от кремния- УСИЛИЕ отрыва ОПрЕДЕЛЯЛОСЬ ПО СЛЕДУЪОЩЕИ МЕТОДИКЕ 2 металлизация наносилась на ОбЕ полированные ПОВЕРХНОСТИ КРЕМНИЕВОЙ пластины. ПОСЛЕ рЕЗКИ пластины на квадратыразмером 1,8 1,8 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 таблице представлены усредненные данные по 10 кристаллам.2 - Тепловое сопротивление переход - корпус Кт Н определялось методом измерения температуры перегрева р-п-перехода после воздействия одиночного импульса греющей мощности в следующих режимах мощность греющего импульса Щи 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 Ипр 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 диапазоном толщин буферного слоя алюминия является (0,5-4,5) мкм, а адгезионного слоя титана - (0,07-0,15) мкм. При толщине буферного слоя алюминия менее 0,5 мкм и адгезионного слоя титана менее 0,07 мкм наблюдается ухудшение качества металлизации полупроводникового прибора, а также качества присоединения кристалла с данной металлизацией к кристаллодержателю и снижение выхода годных ИСМЭ. При толщине буферного слоя алюминия более 4,5 мкм и адгезионного слоя титана более 0,15 мкм не наблюдается дальнейшего улучшения качества металлизации и присоединения кристалла с данной металлизацией к кристаллодержателю, т.е. использование данных значений толщин буферного и адгезионного слоя является нецелесообразным с экономической точки зрения.В табл. 2 представлены сравнительные данные по качеству металлизации и качеству присоединения кристаллов диодов с данной металлизацией для различных материалов буферного слоя.