矽pnp型高頻小功率電晶體的製作方法

2023-10-17 13:31:34 4

專利名稱：矽pnp型高頻小功率電晶體的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種高頻電晶體，具體地，涉及一種矽PNP型高頻小功率電晶體， 其屬於半導體矽PNP高頻小功率管領域。
背景技術：
高頻電晶體主要指特徵頻率大於3MHZ的電晶體，其有兩大類型一類是用作小信號放大的高頻小功率管；另一類為高頻功率管，其在高頻工作時允許有較大管耗，且輸出功率較大。此外，電晶體的耗散功率也稱集電極最大允許耗散功率P,其主要是指電晶體參數變化不超過規定允許值時的最大集電極耗散功率，通常將耗散功率Pai小於IW的電晶體稱為小功率電晶體，PeM等於或大於1W、小於5W的電晶體被稱為中功率電晶體，而將P。M等於或大於5W的電晶體稱為大功率電晶體。半導體矽PNP型高頻小功率電晶體的製造基本已趨於成熟，特別是近幾年來隨著半導體製造技術的發展，工藝設備的不斷更新，矽材料片的面積愈來愈大，從4英寸、5英寸、6英寸、8英寸乃至12英寸等，生產效率和產量不斷提高，而成品率也相應地提高。由於技術的提高，單個管芯的面積在保證原性能指標的前提下也愈來愈小。一般而言，在生產矽PNP高頻小功率電晶體時，其襯底矽片採用的是摻硼的P型矽單晶片，該矽單晶片材料電阻率一般是在0. 02歐姆-釐米以下，其硼原子的摻雜濃度在 5X IO18原子每立方釐米以上，這是屬於摻雜濃度比較高的一種材料。同時，在矽PNP高頻小功率電晶體的背面一般需要蒸鍍(即真空蒸鍍工藝)有金的金屬層，因為金具有可焊性好、不易氧化、性能穩定等特點，其通常是作為半導體晶片在組裝裝配時的焊接層而設計加工的。此外，金原子在半導體矽中的另一方面特點是在矽中的能級接近禁帶中部的深能級，具有複合中心的作用，這種複合中心能減少基區的少子(即少數載流子)的壽命，使器件的開關速度加快或工作頻率提高，因此，半導體的快速開關器件和高頻器件在矽片的背面通常蒸鍍或濺鍍一層金，再用適當的高溫退火處理使金擴散到矽片的內部，達到設計和使用的目的。但是，金在半導體內的還有另一性質，即金的摻入會引起半導體矽(無論是P型矽還是N型矽)電阻率的變化，且半導體矽的初始電阻率和金的濃度愈高，則矽片的電阻率會變得愈高。換句話說，當金的濃度比半導體施主或受主的摻雜濃度小很多時，金原子對電阻率的影響可以忽略；但是當金的濃度與雜質濃度可以相比擬時，則發生載流子在金原子的深能級上的複合，這些深能級中的每個能級將從N型半導體的導帶中或從P型半導體的價帶中奪走一個多數載流子，因此半導體中的多數載流子濃度會變小，這會導致電阻率提高。 材料電阻率的變高勢必影響電晶體的電性能參數，如飽和壓降升高，這對於電晶體是非常不理想的，其已經成為高頻小功率管領域的一個比較難於解決的技術問題。有鑑於現有技術的上述缺陷，需要一種新型的矽PNP型高頻小功率電晶體。
實用新型內容本實用新型的目的是提供一種新型的矽PNP型高頻小功率電晶體，以克服現有技術的上述缺陷，該高頻小功率電晶體不但工作頻率高，而且能夠有效地降低飽和壓降。上述目的通過如下技術方案實現矽PNP型高頻小功率電晶體，包括P型襯底矽片，其中，該P型襯底矽片的外表面設有由三族元素中的任一種元素與金形成的合金複合層。優選地，所述三族元素為鎵，所述P型襯底矽片的外表面設有金鎵合金複合層。優選地，所述金鎵合金複合層通過蒸鍍或濺鍍工藝形成在所述P型襯底矽片的外表面。優選地，所述金鎵合金複合層在所述P型襯底矽片外表面的厚度為1至2微米，並且該金鎵合金複合層擴散到所述P型襯底矽片內的深度為0. 3至1微米。通過本實用新型的上述技術方案，所述矽PNP型高頻小功率電晶體按一定比例的三族元素中的任一種(例如鎵)摻入純金替代原來的背金(即背面金屬化)，使得合金複合層達到一定的厚度和金層總量的要求，並對P型襯底矽片的背面(即外表面)有一定深度的滲入。實驗證實，本實用新型的矽PNP型高頻小功率電晶體有利於成品晶片在封裝過程中提高可焊性、降低矽PNP高頻小功率電晶體的飽和壓降、降低飽和壓降的變化率，提高電晶體性能參數的穩定性。

圖1為本實用新型具體實施方式
的矽PNP型高頻小功率電晶體的主視示意圖；圖2為本實用新型具體實施方式
的高頻小功率電晶體沿圖1中的A-A線的剖面圖；圖3至圖6為本實用新型具體實施方式
的高頻小功率電晶體的飽和壓降Vce (sat) 的變化率隨蒸鍍合金中鎵含量的變化而變化的數據曲線示意圖；圖7為本實用新型具體實施方式
的高頻小功率電晶體的飽和壓降Vce(Sat)的平均值隨蒸鍍合金中鎵含量的變化而變化的狀態示意圖。圖中1鈍化層；2 二氧化矽層；3發射極硼擴散區；4基極磷擴散區；5鋁層；6N型外延層；7P型襯底矽片；8金鎵合金層
具體實施方式
以下結合附圖描述本實用新型矽PNP型高頻小功率電晶體的具體實施方式
。如上所述，半導體矽PNP型高頻小功率電晶體的技術目前已經比較成熟，儘管在生產實踐中各種型號的矽PNP型高頻小功率電晶體在細節上略有區別，但其基本結構是類似的。參見圖1，矽PNP型高頻小功率電晶體主要包括鈍化層1、二氧化碳層2、發射極硼擴散區3、基極磷擴散區4、鋁層5、N型外延層6、P型襯底矽片7以及形成P型襯底矽片7外表面上的複合層，該複合層一般作為安裝用的焊接層。這種焊接層在現有技術中一般均為金複合層，但是金複合層如上所述存在固有的諸多缺點。為保持器件的飽和壓降不被升高，就得補充載流子因金引入複合中心的損失。也就是說，通過將金與相應的元素摻雜以補償多數載流子被金原子深能級俘獲所造成的損失這個思想，用到矽PNP型高頻小功率電晶體的制管工藝，實驗證實，把金同三族元素中的任一種的合金用到矽PNP型高頻小功率電晶體的製作工藝中作為P型襯底矽片7的複合層具有比較好的效果。由此得到本實用新型的基本技術方案，即矽PNP型高頻小功率電晶體，包括P型襯底矽片7，該P型襯底矽片7的外表面形成有三族元素中的任一種與金的合金複合層。三族元素主要包括硼、鋁、鎵、銦以及鉈，根據元素周期表的性質可知，三族元素具有相似的原子結構，因此其運用於矽PNP型高頻小功率電晶體所達到的效果是類似的。鎵作為一種三族元素，由於它性能穩定、無毒、熔點低、摻入金後可焊性提高且不易氧化，所以優選使用，當然，其它三族元素的性質是類似的。以下以金鎵合金為例具體說明本實用新型的矽PNP型高頻小功率電晶體的技術方案。分別選用含鎵量(質量百分比)分別為0. 3%,0. 2%,0. 的三族金鎵合金和純金0. 0%作為PNP高頻小功率電晶體襯底矽片的背金層(即外表面複合層)材料，每組合金的成品管各隨機取50隻，做高溫儲存試驗(125 140°C /148小時)，分別考察每組各50 個電晶體的飽和壓降VCE(sat)的變化率以及平均值隨合金中鎵含量的變化的結果(參見圖3、圖4、圖5、圖6和圖7)，從圖中的直觀結果可以發現含鎵量為0. 2%的金鎵合金引起的飽和壓降變化率最小(圖4)且飽和壓降的平均值也相當低，比用純金的飽和壓降低約25 毫伏左右(圖7)，從而使得得到參數相當可觀的提升。因此，對PNP高頻小功率管的背金層採用含鎵量0.2%的金鎵合金可以得到1)比用純金降低飽和壓降VCE(sat)約25毫伏的收益；幻可以得到較小的飽和壓降總體變化率，即提高了器件參數的穩定性。在P型襯底矽片7的外表面可以通過蒸鍍工藝形成含鎵量0. 2%的金鎵合金，具體可以採用如下實施步驟第一，蒸鍍前矽片的清潔處理用HF_5(即0. 5%濃度的氫氟酸)清洗液浸泡30 秒；第二，蒸鍍前金鎵合金準備取用清潔的純金絲36g加金鎵合金絲(鎵含量 10% )0. 7g—同放置在蒸鍍系統的坩堝中；第三，按蒸鍍工藝操作規程進行真空蒸鍍操作直到把坩堝中的金鎵合金蒸鍍完畢，再按蒸鍍系統的操作規程取出已蒸鍍矽片放在石英舟上，為下步退火做好準備；第四，抽檢背金層，金層厚度應大於等於1.7微米；矽片的蒸鍍金層重量應大於 0.3克；第五，金鎵合金層蒸鍍之後應立即進入高溫420°C退火爐、30分鐘的退火，這裡要注意進出爐過程的速度都應設置為30釐米/每分鐘，第六，退火後的矽片用HF-5浸泡15秒；第七，檢驗背面合金層金層厚度應為1. 2微米左右。至此，矽PNP型高頻小功率管的襯底矽片的背面(即外表面)形成金鎵合金複合層的工藝的工序已經完成。這裡驗證一下工藝中金鎵合金中的含鎵百分比r r{Ga/Au)=——°·7χ10%——^ML = 0.00191 0.2% L J 0.7χ(1-10%) + 36 36.63這個結果正是高溫試驗最佳條件的結果金鎵合金鎵含量0. 2%。[0037]該技術已在我公司的矽PNP高頻小功率電晶體生產中廣泛進行了實驗，取得了非常良好的技術效果。也就是說，本實用新型的使用金鎵合金替代純金做背金材料的矽PNP 形高頻小功率電晶體，控制鎵的含量為0. 2%，能獲得飽和壓降平均值下降25毫伏，並且得到飽和壓降變化率最低的統計結果。當然，上述0.2%的鎵含量並不是固定的，根據實際應用情形，其可以變化以取得理想的技術效果。從本質而言，上述優選實施例是按一定比例的鎵摻入純金替代原來背金(背面金屬化)使用純金的工藝，金鎵合金的蒸鍍層應有一定的厚度和金層總量的要求，並對矽片的背面有一定深度的滲入，且有蒸鍍後退火工藝以及相應的清潔處理要求，該工藝有利於成品晶片在封裝過程中提高可焊性、降低矽PNP高頻小功率電晶體的飽和壓降、降低飽和壓降的變化率，提高參數的穩定性。作為一種例舉性的實施例，作為金鎵合金的鎵含量的重量比為0. 2% ；並且，複合合金層的總量控制為每5英寸矽片為0. 3克複合合金層；此外，金鎵合金複合層在P型襯底矽片7的外表面的厚度控制為1-2微米(例如優選1. 2微米)，該金鎵合金複合層擴散入P型襯底矽片7內部的深度為0. 3-1微米(例如上述實施例中的0.5微米)。以上僅以金鎵合金為例進行了說明，但是，本領域技術人員根據實際應用情形以及三族元素的公知性質，可以通過有限的實驗能夠很容易地將上述實施例的含量以及工藝要求擴展到其它三族元素的應用上。也就是說，凡是將金同三族元素中的任一種形成合金取代純金作為P型襯底矽片7的背面(外表面)材料，並以這個方法降低電晶體的飽和壓降以及降低電晶體飽和壓降變化率以的，都屬於本實用新型的保護範圍。
權利要求1.矽PNP型高頻小功率電晶體，包括P型襯底矽片(7)，其特徵是，該P型襯底矽片(7) 的外表面設有由三族元素中的任一種元素與金形成的合金複合層。
2.根據權利要求1所述的矽PNP型高頻小功率電晶體，其特徵是，所述三族元素為鎵， 所述P型襯底矽片(7)的外表面設有金鎵合金複合層。
3.根據權利要求2所述的矽PNP型高頻小功率電晶體，其特徵是，所述金鎵合金複合層通過蒸鍍或濺鍍工藝形成在所述P型襯底矽片(7)的外表面。
4.根據權利要求2所述的矽PNP型高頻小功率電晶體，其特徵是，所述金鎵合金複合層在所述P型襯底矽片(7)外表面的厚度為1至2微米，並且該金鎵合金複合層擴散到所述 P型襯底矽片(7)內的深度為0. 3至1微米。
專利摘要矽PNP型高頻小功率電晶體，包括P型襯底矽片(7)，其中，該P型襯底矽片(7)的外表面形成有由三族元素中的任一種元素與金形成的合金複合層。本實用新型的矽PNP型高頻小功率電晶體按一定比例將三族元素中的任一種，例如鎵摻入純金替代原來電晶體的背金(即背面金屬化)，使得合金複合層達到一定的厚度和金層總量的要求，並對襯底矽片的背面，即外表面形成一定深度的滲入。實驗證實，本實用新型的矽PNP型高頻小功率電晶體有利於成品晶片在封裝過程中提高可焊性、降低所述矽PNP高頻小功率電晶體的飽和壓降、降低飽和壓降的變化率，提高電晶體性能參數的穩定性。
文檔編號H01L29/26GK201985100SQ20102067622
公開日2011年9月21日 申請日期2010年12月14日 優先權日2010年12月14日
發明者張俊, 張順英 申請人:揚州晶新微電子有限公司