CC BY
46
УДК 621.039.544.55
ИССЛЕДОВАНИЕ КОРРОЗИОННОЙ УСТОЙЧИВОСТИ ДВУХСЛОЙНОЙ АЛЮМИНИЕВОЙ МЕТАЛЛИЗАЦИИ КОНТАКТНЫХ ПЛОЩАДОК КРИСТАЛЛОВ СИЛОВЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ В.В. Зенин, И.А. Каданцев, Б.А. Спиридонов
Рассмотрена необходимость формирования толстопленочной двухслойной алюминиевой металлизации на контактных площадках кристаллов СПП. Установлено, что коррозионная устойчивость алюминиевой металлизации с подслоем А1 + 1% Т1 ниже, чем с подслоем А1 + 1% N1
Ключевые слова: алюминий, металлизация, коррозионная устойчивость
В силовых полупроводниковых приборах (СПП) широкое применение получил алюминий, который используется в качестве пленочной металлизации, токопроводящего элемента при монтаже микросоединений ультразвуковой сваркой. Пленочную металлизацию получают различными методами: термическим испарением в вакууме, электронно-лучевым и ионно-плазменным напылением [1].
После напыления пленок проводят их термическую обработку, назначение которой состоит в дополнительном воздействии, приводящем к упорядочению структуры пленки, повышению стабильности и улучшению свойств. Пленочная металлизация должна иметь хорошую адгезию к кремниевой или 8Ю2 - основе, обладать устойчивостью к образованию интерметаллических соединений в местах контактов с проволочными выводами и характеризоваться высокой коррозионной стойкостью [2].
Широкое применение алюминий в СПП нашел благодаря его уникальным свойствам, обусловленными высоким сродством к кислороду и образованием на поверхности оксидной защитной пленки, обеспечивающей коррозионную устойчивость в нейтральных средах. По устойчивости пассивного состояния в аэрированных растворах алюминий может быть поставлен на второе место после титана (рядом с хромом). Установлено, что поверхность алюминия в пассивном состоянии покрыта защитной пленкой, состоящей из А1203 или А1203-И20, имеющей в зависимости от условий различную толщину (от 50 до 1000 А).
В сравнении с чистым алюминием сплавы имеют более высокие коррозионные свойства, особенно это относится к сплавам алюминия с медью. Легирование алюминия 1-2 % марганца (АМЦ) или 1-3 % магния также позволяет увеличить его коррозионную стойкость [3].
Зенин Виктор Васильевич - ВГТУ, д-р техн. наук, профессор, тел. 89050511979 Каданцев Игорь Александрович - ВГТУ, аспирант, тел. 89081484362
Спиридонов Борис Анатольевич - ВГТУ, канд. техн. наук, доцент, тел. 89601106979
Изучению коррозионной устойчивости алюминия и его сплавов посвящено достаточно много работ, однако алюминиевая металлизация изучена недостаточно. Перспективным является сплав алюминия с кремнием, с которым алюминий образует простую эвтектическую систему. Предел растворимости кремния в алюминии при эвтектической температуре понижается до 0,1 %. Алюминий, легированный кремнием до 1 % характеризуется более высокой коррозионной устойчивостью, чем чистый алюминий [3]. Например, установлено [1, 4], что легирование алюминия 1 % кремния существенно повышает коррозионную устойчивость алюминиевой металлизации в разбавленной азотной кислоте. В настоящей работе продолжено изучение анодного растворения алюминиевой металлизации, напыленной на кремниевую и 8Ю2 - основу, с использованием подслоя А1 + 1% N1. Для исследований использовались кристаллы кремния с двухслойной алюминиевой металлизацией различной толщины: 1 - алюминий общей толщиной 4,5 и 6 мкм с подслоем А1 + 1% N1 толщиной 0,2 мкм, нанесенным непосредственно на кремний и Б1-8Ю2 - основу; 2 - алюминий общей толщиной 6,7 мкм с подслоем А1 + 1% Т1 толщиной 1,1 мкм, нанесенным непосредственно на кремний и 81-БЮ2 - основу.
Нижний слой алюминиевой металлизации, легированный никелем или титаном имеет повышенную твердость и играет роль демпфера, предохраняющий пленку 8Ю2 от растрескивания в процессе УЗС внутренних выводов (проволоки или ленты) больших сечений к контактным площадкам кристаллов СПП.
Анодное растворение алюминиевой металлизации изучали в 4 %-ном растворе HN03 поте-циодинамическим методом (2 мВ/с) на потенцио-стате П-5827М с автоматической записью на потенциометре КСП. Электрод сравнения использовали хлорид - серебряный, а вспомогательный - из платины.
Из рис. 1 видно, что алюминий, напыленный на 81 основу растворяется с меньшей скоростью (крив.1), чем нанесенный на 81-БЮ2 - основу. Например, при Е = 1,2 В анодная плотность тока 1а
составляет для первого случая 250 мкА/см2, а для второго ~ 300 мкА/см2.
Одной из причин снижения скорости анодного растворения является высокое сродство кремния к кислороду (ЛН°8102= - 910,2 кДж/моль), который диффундируя через поры алюминиевой металлизации, образует на поверхности Бг основы оксидную пленку и переводит систему Бг-А1 в более пассивное состояние в сравнении с системой Бг - БЮ2 -А1 в которой такой оксид (БЮ2) уже существует.
Кроме того из рис. 1 видно, что процесс выделения кислорода («кислородная волна») для системы Б1-А1 наступает при более положительном потенциале Е = +1,7 В, в то время как для системы Бг - БЮ2 - А1 этот потенциал составляет +1,6 В. Можно предположить, что смещение потенциала выделения кислорода в положительную область обусловлен участием кислорода в реакции окисления кремния и, как следствие, замедлением процесса выделения кислорода.
Для алюминиевой металлизации, легированной 1% N1, закономерности, установленные для нелегированного, сохраняются (рис. 2).
Е, В
Рис. 1. Потенциодинамические Еа = /() - кривые, снятые в 4-% растворе НМ03 системы Бі - А1 (4,5 мкм) (1), Бі - БЮ2 - А1 (4,5 мкм) (2), Бі - А1 (4,5 мкм) после 30 мин. отжига ~ 300 °С (3) и Бі - БЮ2 - А1 (4,5 мкм) после 30 мин. отжига ~ 300 °С (4), алюминиевая фольга (5)
Скорость анодного растворения алюминиевой металлизации с подслоем А1 + 1% N1, нанесенной на Бі - основу, заметно меньше (іа = 290 мкА/см2 при Е = 1,2 В), чем для той же системы, но напыленной на Бі-БЮ2 основу (іа = 580 мкА/см2). Кислород на Бі-БіЮ2 основе начинает выделяться при Е = 1,6 В, а на Бі основе при Е = 1,7 В.
Следует отметить, что легирование никелем алюминиевой металлизации повышает скорость ее анодного растворения в ~1,9 раза при напылении на Бі-Бі02 основу и в ~ 1,2 раза - на Бі основу (рис. 2) в сравнении с алюминиевой металлизацией, нелегированной никелем (рис. 1, кривая 5). Увеличение скорости анодного растворения алюминиевой металлизации, легированной никелем объясняется
тем, что никель в азотной кислоте не стоек [5], что также было установлено в работе [6].
Для подтверждения этих данных было изучено анодное поведение никелевой металлизации, нанесенной на Бг и Бг-БЮ2 основу. Из рис. 3 видно, что если никель напылен на Бг основу, то при Е = 1,2 В га = 0,045 мкА/см2 (крив. 1), а если напылен на Бг-БЮ2 основу, то га = 1,8 мкА/см2.
Следует отметить, что если в первом случае кремний через поры никеля активно реагирует с кислородом и способствует переходу системы Бг-Ш в пассивное состояние, то для основы Бг-БЮ2 влияние кремния существенно меньше (крив. 2).
Е, В
Рис. 2. Потенциодинамические Еа = /(г,) - кривые, снятые в 4-% растворе ИМЮз системы Бг - БЮ2 - А1+1% N1 (1), Бг - А1+1% N1 (2), Бг -А1 + 1% N1 после 30 мин. отжига ~ 300 °С (3) и Бг - БЮ2 - А1+1% N1 после 30 мин. отжига ~ 300 °С (4)
Из рис. 1 и 2 следует, что температурный отжиг способствует образованию на поверхности алюминиевой устойчивой оксидной пленки и не зависит от природы основы для всех значений потенциала анодные токи имеют низкие значения (га ~ 20-25 мкА/см2).
Е, В
Рис. 3. Потенциодинамические Еа = /(ід) - кривые, снятые в 4-% растворе НМЮ3 систем Бі - Мі (1 мкм) (1) и Бі - БЮ2 - Мі (1 мкм) (2)
Было проведено исследование анодного растворения алюминиевой металлизации, напыленной на кремниевую и БЮ2 - основу, с использованием подслоя А1 + 1% Ті. Данный подслой алюминиевой
металлизации на контактных площадках кристаллов СПП, выполняет ту же функцию, что и подслой А1 + 1% N1.
Из рис. 4 видно, что для металлизации с подслоем А1-ТІ, напыленную на Бі-основу, при Е = 1,4 В наступает предельный ток (іи = 200 мкА/см2), обусловленный образованием пассивной пленки ТЮ2 на поверхности титана. Участок пассивации расположен в интервале потенциалов от 1,4 до 1,8 В. При дальнейшем смещении потенциала в область положительных значений до Е = 1,25 В достигается потенциал разложения воды с выделением кислорода
2Н2О - 4е- = О2 + 4Н+
Аналогичная зависимость получена для металлизации с подслоем А1-ТІ, напыленную на БіО2-основу. Однако, участок пассивации меньше, и потенциал выделения кислорода наступает раньше (Е = 1,7 В).
Е, В
Рис. 4. Потенциодинамические Еа = f(io) - кривые, снятые в 4-% растворе HNO3 системы Si - Al+1% Ti (1) и Si - SiO2 - Al+1% Ti (2)
Таким образом, можно заключить, что формирование двухслойной алюминиевой металлизации на контактных площадках СПП с подслоем, легированным і% Ni или і% Ti с целью повыше-
ния ее коррозионной стойкости нецелесообразно. Более эффективным может быть легирование нижнего слоя алюминиевой металлизации кремнием. Существенное влияние на коррозионную устойчивость двухслойной алюминиевой металлизации оказывает температурный отжиг. Следует отметить, что коррозионная устойчивость металлизации с подслоем А1+1%Т1 ниже, чем с подслоем А1+1%№.
Литература
1. Курносов А.И. Материалы для полупроводниковых приборов и интегральных схем. - М.: Высш. шк., 1980. - 327 с.
2. Зенин В.В. Физико-химические процессы в микросоединениях полупроводниковых изделий. / В.В. Зенин, Ю.Е. Сегал, Б.А. Спиридонов // Воронеж: Воронежский государственный технический университет, 2003. - 168 с.
3. Томашов Н. Д. Теория коррозии и защиты металлов. - М.: изд-во АН СССР, 1959. - 592 с.
4. Зенин В.В. Коррозионно-электрохимическое поведение алюминиевой металлизации / В.В. Зенин, Б. А. Спиридонов // Наука производства, 2006. № 5. С. 96-98.
5. Зенин В.В. Методы испытаний коррозионной устойчивости полупроводниковых изделий / В.В. Зенин, И.А. Каданцев, Б.А. Спиридонов, С.Ю. Чистяков // Вестник Воронежского государственного технического университета, 2009. Том №5, №6. С. 5-6.
6. Зенин В.В. Коррозионно-электрохимическое поведение алюминиевой металлизации, легированной никелем / В.В. Зенин, И.А. Каданцев, Б. А. Спиридонов // Системы жизнеобеспечения и управления в чрезвычайных ситуациях: межвуз. сб. научн. трудов Воронеж: ГОУВПО «ВГТУ», 2009. Ч1. С. 208 - 211.
Воронежский государственный технический университет
INVESTIGATION OF THE CORROSION STABILITY OF TWO ALUMINUM METALLIZATION PAD CRYSTAL OF POWER SEMICONDUCTOR DEVICES V.V. Zenin, I.A. Kadanstev, B.A. Spiridonov
Necessity of formation of thick-film two-layer aluminum metallization on contact platforms of crystals power semi-conductor devices is considered. It is established that corrosion stability of aluminum metallization with intermediate layer Al+1 of % Ti more low, than with intermediate layer Al+1 of % Ni
Key words: aluminum, metallization, corrosion resistance
