СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ Российский патент 1997 года по МПК H01L21/283 

Изобретение относится к микроэлектронике, в частности к производству полупроводниковых приборов, и может быть использовано при подготовке кристаллов к монтажу в корпус.

Известен способ монтажа кристаллов в металлический корпус, по которому прокладку из эвтектического сплава, например золото-германий, помещают между кристаллом и нагретым до температуры эвтектики сплава корпусом [1]
Недостатком известного способа являются низкие электрофизические параметры полупроводниковых приборов, вызванные тем, что при монтаже не обеспечивается полный по площади контакт кристалла к основанию корпуса.

Из известных наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ изготовления полупроводниковых приборов, включающий последовательное нанесение на коллекторную сторону пластин со сформированным структурами полупроводниковых приборов слоев алюминия и германия, разделение пластин на кристаллы, напайку кристаллов на кристаллодержатель, покрытый алюминием [2]
Недостатками известного способа являются невоспроизводимость и низкие электрофизические параметры полупроводниковых приборов, которые вызваны неполнотой (по площади) контакта кристалла к основанию корпуса вследствие частичного окисления германия, а также его растрескивания и отшелушивания на отдельных участках.

Уменьшение площади соединения кристалла с кристаллодержателем ведет к росту теплового сопротивления (R_tn-k), уменьшению рассеиваемой мощности.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является улучшение электрофизических характеристик полупроводниковых приборов и повышение воспроизводимости технологического процесса за счет увеличения площади смачиваемости контактирующих поверхностей, уменьшения вероятности окисления спаиваемой поверхности и предварительного (на пластине) получения твердого раствора (сплава) Al-Ge.

Сущность изобретения заключается в том, что в способе изготовления полупроводниковых приборов, включающем последовательное нанесение на коллекторную сторону пластины со сформированными структурами полупроводниковых приборов слоев алюминия и германия, разделение пластин на кристаллы, напайку кристаллов на кристаллодержатель, согласно изобретению после нанесения слоя германия наносят дополнительный слой алюминия толщиной в пределах 0,05 0,15 толщины слоя германия, после чего проводят термообработку в газовой среде с содержанием окисляющих компонентов кислорода и/или паров воды не более 3 об. в диапазоне температур 424 510^oC.

В процессе тремообработки пластин в диапазоне температур 424 510^oC на границе раздела первого лежащего к кремнию слоя алюминия и германия имеет место взаимное растворение алюминия и германия. Образующийся при этом на границе раздела слоев алюминия и германия переходной слой создает достаточное сцепление слоя германия с лежащим под ним слоем алюминия, что обеспечивает целостность коллекторного покрытия при любых сопутствующих резке и ломке пластин механических напряжениях.

Проведение термообработки пластин в любых газовых средах с умеренным, не более 3% содержанием окисляющих компонентов, например в азоте или техническом аргоне, становится возможным благодаря защитной роли дополнительного слоя алюминия. Слой алюминия защищает германий от окисления как в процессе термообработки пластин, так и при напайке кристаллов, которую при наличии дополнительного слоя алюминия разрешается проводить непосредственно на воздухе, что существенно упрощает технологический процесс напайки, обеспечивая в то же время полный на 100% контакт кристалла и кристаллодержателя.

Термообработка пластин со сформированным коллекторным покрытием Al Ge - Al в газовых средах с повышением содержанием (более 3%) окисляющих компонентов, например на воздухе, может приводит к окислению коллекторного покрытия и невоспроизводимости процесса напайки кристаллов.

Интервал допустимых толщин дополнительного защитного слоя алюминия выбран исходя из необходимости выполнения условия полного растворения слоя алюминия и германия. Нарушение этого условия при толщинах 0,15 толщина слоя германия приводит к сохранению после термообработки либо чисто алюминиевой поверхности либо слоя, обогащенного алюминием, что отрицательно сказывается на качестве напайки.

Уменьшение же толщины дополнительного слоя алюминия менее 0,05 толщины слоя германия приводит к образованию на поверхности коллекторного покрытия слоя, обогащенного германием, который имеет достаточной защиты от окисления.

Конкретные значения режимов термообработки коллекторного покрытия выбирают в зависимости от термостабильности металлизации полупроводникового прибора и возможных других реакций материалов в структуре. Минимально допустимое значение температуры термообработки 424^oC является температурой эвтектики сплава алюминий германий. Превышение границы в 510^oC ведет к заведомому росту токов утечек p-n переходов на большинстве типов кремниевых приборов из-за деградации структур.

Испытания предлагаемого способа на опытных партиях транзисторов малой и средней мощности типа КТ 3102, КТ 3107, КТ 816, КТ 817, КТ 604, КТ 602 и ИС типа КР 105НК1, 105ИНК2, 105ИНК3, показали, что за счет введения дополнительного слоя металла повышен выхода годных структур и улучшены такие характеристики транзисторных структур, как И_кэнас на 30 50% на 10 - 20% воспроизводимость процесса напайки кристаллов до 100%
Предложенный способ реализуют при изготовлении полупроводниковых приборов согласно следующему маршруту.

Пример 1.

На кремниевых пластинах создают транзисторные структуры методами фотолитографии, ионного легирования и диффузии.

Формируют алюминиевую металлизацию транзисторных структур.

После вжигания металлизации при 510±0,5^oC в течение 10 мин проводят контроль электрических параметров транзисторных структур.

Уменьшают толщину пластин методом шлифовки.

На шлифованную коллекторную сторону пластин наносят трехслойное покрытие Al Ge Al магнетронным методом на установке типа "ОРАТОРИЯ-5" (0IHИ -7-006) распылением мешенией, изготовленных из алюминия и германия.

Режим нанесения:
предварительный вакуум 5 x 10^-7 мм рт.ст.

температура подложки 250±20^oC,
ток алюминиевой мишени 10±2 А,
ток германиевой мишени 1,5-2А,
давление аргона 5±2 x 10^-3 мм рт.ст.

Толщина первого слоя алюминия, контактирующего с кремнием, составляет 0,2 0,3 мкм, второго слоя германия 1,5 2 мкм, верхнего слоя алюминия 0,1 0,2 мкм.

В печи СДО 125/5 проводят термообработку пластин при 500±0,5^oC в течение 5 мин в потоке газообразного азота с расходом 220±60 л/ч при атмосферном давлении. Объемная доля кислорода в азоте 1% паров воды 0,1%
Пластины подвергают резке и разделяют на кристаллы.

Методом контактно-реактивной пайки кристаллы припаивают к основанию корпуса, покрытому алюминием. Температура напайки 460 480^oC, время процесса 1 3 с. Пайка проводится на воздухе.

Пример 2. Отличается толщинами трехслойной коллекторной металлизации:
толщина первого слоя алюминия составляет 0,5 мкм,
толщина слоя германия 0,1 мкм,
толщина верхнего слоя алюминия 0,005 мкм.

Время термообработки 1 мин при 430±0,5^oC.

Использование: в микроэлектронике, в частности в производстве полупроводниковых приборов при подготовке кристаллов к монтажу в корпус. Сущность изобретения: на коллекторную сторону пластины со сформированными структурами полупроводниковых приборов последовательно наносят слой алюминия и германия. Пластины разделяют на кристаллы и проводят напайку кристаллов на кристаллодержатель. После нанесения слоя германия наносят дополнительный слой алюминия толщиной в пределах 0,05-0,15 толщины слоя германия и проводят термообработку в газовой среде с содержанием окисляющих компонентов кислорода и/или паров воды на более 3 об.% при 424 - 510^oC.

Способ изготовления полупроводниковых приборов, включающий последовательное нанесение на коллекторную сторону пластины со сформированными структурами полупроводниковых приборов слоев алюминия и германия, разделение пластин на кристаллы, напайку кристаллов на кристаллодержатель, отличающийся тем, что после нанесения слоя германия наносят дополнительный слой алюминия толщиной в пределах 0,05 0,15 толщины слоя германия, после чего проводят термообработку в газовой среде с содержанием окисляющих компонентов кислорода и (или) паров воды не более 3 об. в диапазоне температур 424 510^oС.