低正向压降整流器的设计与工艺研究

1 抗高温低正向压降大功率整流器的设计与工艺研究 The New Generation Nano Level Integrated Circuit Virtual Manufacturing System Sentaurus Workbench 作者 作者英文 海湾电子 山东 有限公司 山东济南 250100 Gulfsemiconductor shandong Co Ltd Jinan Shandong 250100 摘 要 首先介绍了 Synopsys Inc 新近推出的新一代纳米级 TCAD 仿真平台 Sentaurus Workbench SWB 的功能和特点 重点对 SWB 的优化机制和典型纳米 NMOS 的工艺 参数在 SWB 环境下优化进行了较为详细的介绍 关键词 集成电路 纳米层次 虚拟工厂 工艺优化 可制造性设计 Abstract The article introduces the structure and characteristic of the new generation TCAD simulation platform Sentaurus Workbench and emphatically introduces optimization mechanism and optimizes the key process parameter under the SWB simulation system Key words Integrated circuit Nano level Virtual factory Process optimization TCAD for Manufacturing 引言 近几年来随技术的进步 大功率的整流器使用越来越广泛 大功率的整流器向抗高 温能力强 稳定性强 低功耗方向发展 技术成为了制约国内整流芯片生产的一个瓶颈 需要大功率整流器能够适应在不同环境温度下的正常工作 以充分满足电子产品长期工 作的可靠性 稳定性和耐高温性 如何能够减少整流芯片在工作时的自身发热量 降低 芯片工作时的功耗 并且有效提高整流芯片的抗高温能力 成为目前芯片的研究发展方 向 在当下 低碳经济 的前景下 如何能够保证大功率整流器在抗高温能力强的同时 并能够降低芯片功耗 也是国内产业正在科技攻关的一个发展方向 我公司积极响应政 策 从 低碳 出发 提出了 低正向压降芯片 项目 力争最大限度的将功耗降到最 低 实现节能 同时在国内同行业中我公司技术已经走在了前面 在节能方面我公司采 用的技术 工艺生产的产品节能性比同行业水平提高了 7 1 1 抗高温低正向压降大功率整流器的设计 1 1 提高抗高温能力方案 目前台面二极管芯片通常采用绝缘性钝化膜来钝化 PN 结 绝缘性钝化膜不能有效防 止器件表面电荷积累或离子沾污 这些电荷能在靠近硅衬底表面处感生出相反极性的电 2 荷 从而改变表面电导率 另外载流子注入到绝缘膜中能长期停留形成存储 也会使器 件表面电导率发生改变 这些都会导致 PN 结反向击穿电压降低 在高温时材料失效 为提高抗高温能力 我们首先 LPCVD 一层 SIPOS 膜 然后再采用二氧化硅钝化 SIPOS 膜除了半绝缘性 还具有其他特点 电中性 与硅接触在界面不存在高能势垒 膜 内有高密度陷阱 SIPOS 钝化层表面被离子沾污后 会在表面附近感应出相反极性的电荷 这些电荷漂移到钝化层内将和外表面电荷中和 或被钝化层内的陷阱捕获 从而形成一 个空间电荷区 这层空间电荷区对外加电场具有屏蔽作用 热载流子不能在 SIPOS 中长 时间停留 因而注入到钝化层中的载流子不会因 P N 结雪崩击穿而发生存贮效应 SIPOS 不仅可以防止外界有害杂质离子沾污 而且能缓和已经沾污在表面的离子引起的电场对 硅表面的影响 当采用 SIPOS 钝化 PN 结时 PN 结反向耐压可以做得很高 SIPOS 膜本身 不带固定电荷 因而不产生带电现象 在没有电场作用的情况下 SIPOS 呈电中性 因而 PN 结表面不会形成电场集中 避免了表面击穿 提高了抗高温能力 1 2 降低正向压降设计 高温长时间扩散 为了提高结的平整度 采用 filmtronics 特殊的纸源 在高温下长时间扩散 扩散后 测量结的平整度在 3um 之内 保证了整个耐压区宽度的同时 将耐压区的宽度做到最 小 降低了耐压区的压降 表面蒸发金属电极降低欧姆接触电阻 提高晶片表面掺杂浓度 根据公式 电阻率和掺杂浓度成反比的关系 提 1 高表面掺杂浓度则可以降低电阻率 普通的晶片是镀 Ni Au 金属作为焊接金属 其欧姆接触电阻较大 低正向压降芯片是 在晶片表面蒸发 Ti Ni Ag 三层金属来降低欧姆接触电阻 1 3 设计目标 1 反向电压 600V 2 正向压降 12 5A 0 9V 3 IR 25 10uA 4 IR 125 300uA 2 2 抗高温低正向压降大功率整流器的工艺实现 2 1图1是低正向压降整流芯片的工艺流程 选用 20 30 cm 厚度为280um的硅片 使用filmtronics的纸源进行长时间高温扩散 形成表面平整的PN结 采用先进的四次光 刻技术 切割沟道中留出切割道 经过玻璃熔融和金属化后形成低正向压降芯片 3 图 1 低正向压降整流芯片的工艺流程 2 2 测试 将产出的低正向压降芯片封装为GSIB 5S本体 采用冠魁科技生产的TK268测试仪对 产品进行电参数测试 采用ESPEC生产的HTR 802N评估高温反偏能力 这样 正常压降的 测试电流为12 5A 击穿电压的测试电流10uA 3 结果与讨论 3 1 推进时间 t 与 Xj 和 VF 的影响 图2是推进时间t对Xj的影响 晶片在1260度下分别扩散30h 40h 50h 60h和70H 由图 可见 随着时间的增加 xj逐渐增大 根据扩散理论可知 与成正比 两步法扩 散之后 杂质剖面呈高斯分布 高斯分布 下的结深 2 ln 图3是不同扩散时间下VF分布 针对不同扩散时间对VF的影响 尽量找多 的数据 3 2 表面蒸发金属对Vf的影响 硅片准备杂质预沉积杂质再分布 杂质二次扩散 电参数测试四次光刻 蒸发钛镍银 三次光刻 LPCVD SIPOS RCA 清洗台面腐蚀 一次光刻 上光阻玻璃二次光刻 玻璃熔融 LPCVD SIO2 划片 封装测试 4 图 3 为常规镀镍金和蒸发钛镍银的 VF 分布 多层金属电极结构一般 由三层金属组成 也有使用四种甚 至五种金属材料的工艺 但使用极 少 对大规模生产的生产效率和成 本控制而言 不是合理的选择 这三层结构分别被称为上黏附层 过渡层和下黏附层 表 硅及常用金属性能比较 参照表 1 的各种金属性能 并综合考虑导电性和热膨胀等物理性能 我们可以知道 单一的金属材料都不可能成为理想的背面电极材料 只有采用多层金属材料 才能发挥 各 种金属的不同性能 得到理想的背面金属电极 1 由于 Ti 和 Cr 都与 Si 具有良好的接触性 所以上黏附层以此两种材料为宜 由于 蒸发 Ti 时对真空度要求较低 高纯 Ti 比较容易得到 所以一般选用 Ti 作为上黏附层 考虑到 Ti 的电阻率高 所以 Ti 莫不宜太厚 在三层金属中 钛膜最薄 2 下黏附层时硅片的最外层 在封装时要通过焊料与底座焊接 因此需要选用性能稳 定 不易氧化 易于焊接 导电导热性能都很好的金属 Ag 和 Au 都具有这样的性能 但出于成本的考虑 Ag 是最为普遍的选择 Ag 易熔于铅锡焊料 一般取得厚度为 1 2 1 6 m 3 过渡层有三个作用 一是阻挡 Ag 向 Ti 中扩散 二是防止融解于焊料的 Ag 直接与 Ti 接触 三是实现热匹配 Ni 的膨胀系数介于 Ag 和 Ti 之间 其导电性和导热性适中 是理想的过渡层材料层 以防止器件工作时的热效应导致背面电极失效 它的厚度也选 择在三者之间 起到良好的匹配和阻挡作用 三层材料的厚度一般为 Ag Ni Ti 因为 Ag 需要和焊料相熔融 Ni 作为过渡层不易太薄 或太厚 Ti 电阻较高而应采用尽量小的厚度 Ti 与 Si 具有良好的接触性 作为上黏附层 但它的电阻率高 所以不宜太厚 下黏附 层时硅片的最外层 在封装时要通过焊料与底座焊接 因此需要选用性能稳定 不易氧 化 易于焊接 导电导热性能都很好的金属 Ag 是最为普遍的选择 Ni 的膨胀系数介 于 Ag 和 Ti 之间 其导电性和导热性适中 是理想的过渡层材料层 三层材料的厚度一 般为 Ag Ni Ti 因为 Ag 需要和焊料相熔融 Ni 作为过渡层不易太薄或太厚 Ti 电阻 较高而应采用尽量小的厚度 多层金属的制造是 制造金属层成蒸气流 入射到固体 称为衬底或基片 表面凝结成固 态薄膜的方法 一般可以采用真空蒸发和溅射工艺 由于溅射设备比较复杂 成本较高 故采用多源双枪电子束蒸发台制备背面电极 该设备一次投资性大 但性能稳定 质量 可靠 使用方便 并适用于大批量自动化生产 背金蒸镀工艺即采用真空蒸发镀膜法在 硅片背面形成金属电极的工艺 背金蒸镀可以选择多种金属的组合作为硅片背面电极的 材料 5 3 3 成品测试结果 1 低正向压降整流器和常规整流气的Vf比较 结束语 Synopsys新一代TCAD设计工具Sentaurus Workbench为当前纳米层次下的IC工艺流程 设计和参数优化提供了便捷而有效的途径 SWB系统是集成电路虚拟化工厂技术的典型 应用 随着微电子技术和计算机技术的不断发展 采用集成电路虚拟工厂技术的系统会 不断涌现 将有力地推动集成电路设计与制造产业的发展 参考文献 1 王阳元 张兴 面向21世纪的微电子技术 世界科技研究与发展 1999 4 6 11 2 D C Montgomery Design and Analysis of Experiments New York John Wiley Dover Publications 1986 354 356 5 Preston White K Jr Trybula W J Athay R N Design for semiconductor manu