CC BY
105
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
УДК 621.382.002
Т.А. Исмаилов, А.Р. Шахмаева, П. Р. Захарова
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ МАРШРУТ ИЗГОТОВЛЕНИЯ НИЗКОВОЛЬТНОГО МОЩНОГО БТИЗ - ТРАНЗИСТОРА (IGBT) 400 V
В статье рассматриваются особенности процесса изготовления биполярных транзисторов с изолированным затвором (БТИЗ или IGBT), особенности получаемого кристалла транзистора, его топология и конструкция указаны недостатки и преимущества.
Ключевые слова: биполярный транзистор с изолированным затвором, выходные характеристики, МОП - структура, кристалл, мезапланарная технология, плазмохимическая зачистка, ионное легирование
В настоящее время большое внимание уделяется развитию микроэлектроники и наноэлектроники. Основой для развития этих направлений совершенствование и модернизация технологического процесса производства микроэлектронного изделия. Снижение массы и габаритов устройства при улучшенных характеристиках является основной целью для эволюции техники. Сегодня уже невозможно представить компьютер, видеомагнитофон, телевизор без легкого и надежного импульсного источника электропитания. В последнее время микроэлектроника переживает очевидный подъем и новый этап развития. В первую очередь это связано с заметными технологическими усовершенствованиями и созданием новых типов основополагающих ее компонентов — мощных полупроводниковых приборов. [1].
В настоящее время востребованными и применяемыми приборами силовой электроники являются: традиционные биполярные мощные транзисторы, полевые мощные транзисторы с управляющей МОП-структурой, биполярные со статической индукцией транзисторы (БСИТ), биполярные транзисторы с изолированным затвором (БТИЗ или IGBT), тиристоры и симмисторы различных типов, мощные диоды, диодные мосты и выпрямители и т.д. Нельзя не выделить БТИЗ - транзистор. БТИЗ представляют собой схемотехническую комбинацию высоковольтного биполярного и низковольтного МОП МТ, реализованную методами полупроводниковой технологии в виде монолитного прибора. Эти транзисторы широко применяются как в корпусном исполнении (в гибридных микросхемах как ее навесной элемент), так и в бескорпусном исполнении (в составе БИС как активный элемент). По техническим показателям также МОП МТ и БМТ имеют малое быстродействие по сравнению с БТИЗ - транзисторами, они уступают по быстродействию (время включения, время рассасывания).
Предлагаемый транзистор является аналогом транзистора MGP20N40CL фирмы Motorola, который по своим техническим показателям является низковольтным мощным прибором. Транзистор MGP20N40CL фирмы Motorola создан по мезапланарной технологии и имеет сравнительно большие размеры (10.3*15.8 мм). Такие размеры не всегда подходят для работы в бытовой технике, где он может применяться, так как устройство получится большим, громоздким и неудобным. В условиях непрерывного прогресса техники и микроминиатюризации оборудования, производители техники могут отказаться от такого транзистора.
Произведена модернизация технологии изготовления и совершенствование конструкции прибора. Достигнута микроминиатюризация прибора, при этом получен высокий процент выхода годных кристаллов мощных низковольтных БТИЗ -
транзисторов. Предлагаемый транзистор БТИЗ 400V в отличие от зарубежного аналога меньше в три раза по размерам.
Технология изготовления БТИЗ 400 V основана на модернизированной мезапланарной технологии, таким образом, что процессы формирования областей затворов происходят на подложке с двойным слоем эпитаксиального наращивания. Такой подход к технологии создания и формированию каналов позволил на меньшей площади кристалла разместить большее число затворов - в два ряда (канавки глубиной 3.5 мкм и шириной 1 мкм) , что при производстве БТИЗ - транзисторов не применялось ранее. Наглядно структура транзистора в разрезе показана на Рис.1 - на снимке с электронного микроскопа(масштаб: 240:1).
Немаловажен тот факт, что производство БТИЗ - транзистора IGBT 400V может быть налажено на отечественном оборудовании, что положительно повлияет на снижение себестоимости продукта.
БТИЗ - транзистор IGBT 400V может быть применен в составе гибридных схем в качестве переключательного элемента в приборах бытовой техники, работающих в диапазоне токов от 20 mA до 20 A постоянного тока (например, светофоры, маяки, пульты дистанционного управления телевизора, телевизор, стиральные машины, пылесосы). Технологический маршрут производства БТИЗ- транзистора IGBT 400V:
1. Формирование партии исходных пластин
50КЭФ - 25/20КЭФ - 0.1 60КЭФ - 10/20КЭФ - 0.1 ч
(типы пластин: - , -);
460ЭКДБ - 0.01(100) 460ЭКДБ - 0.01(100)
2. HCl - окисление 1000 °С, толщина окисла Dox=530 A (схема процесса окисления приведена на Фиг. 1);
ер| 1щусг
Рис.2. Исходная пластина с эпитаксиальным слоем и слоем HCl - окисла
3. Стравливание SiO2 (до скатывания +15 сек.);
4. Химическая отмывка;
5. Окисление в парах воды при 950°С, толщина окисла Dox=0.85 мкм ;
6. Формирование карманов р+ - типа (толщиной 4,0 мкм);
7. Плазмохимическая зачистка (время = 1 мин);
8. Дубление;
9. Травление SiO2 (время = 20 сек);
10. Снятие фоторезиста (смесь «КАРО»);
11. Химическая обработка;
12. HCl - окисление 1000 °С, толщина окисла Dox=360 A°;
о
13. Ионное легирование В (бора) Е=40 кэВ, D=200 мкКл/см ;
14. Плазмохимическая зачистка (1 мин);
15. Стравливание SiO2, 360 А° (4 мин);
16. Химическая обработка;
17. Окисление в парах воды при 1000°С, Dox=0.29 мкм;
18. Формирование карманов канала (область ПЗД);
SiO 2 V_y \_/
Le±J Le±j Ш
epi layer
Рис. 3. Результат процесса формирования р+ - карманов
19. Травление SiO2, Dox=0.85 мкм (20 cек);
20. Снятие фоторезиста (смесь «КАРО»);
21. Химическая обработка;
22. HCl окисление 1000°С, Dox=700 А°;
23. Нанесение поликремния Si*, Dx=0.9 мкм;
24. Контроль толщины слоев Si*;
25. Формирование истоковых областей (Область Si* - затвора);
Рис.4. Нанесение слоя поликремния для формирования области истока
26. Травление слоя Si*;
27. Плазмохимическое снятие фоторезиста с перфоцилиндром (12 мин);
28. Снятие ф/р (смесь «КАРО»);
29. Измерение остаточного слоя SiO2;
30. Утонение слоя SiO2 до толщины Doxост=300 А°;
о
31. Ионное легирование В (бор) Е=40 кэВ, D=15 мкКл/см ;
32. Плазмохимическая зачистка (1 мин);
33. Стравливание остаточного слоя SiO2 , 300 A° (40 cек);
34. Химическая обработка;
35. Разгонка В (бора) при t=1200 °С и времени 1 ч.;
SiO 2-V_7 [.......
! . l - p+ J
epl layer
Рис.5. Сформированные области затворов в разрезе
36. Утонение слоя SiO2 до Doxост=250Аo^300 А°;
37. ПХ зачистка (1 мин);
38. Ионное легирование Р (фосфор) Е=90 кэВ, 0=500 мкКл/см2 ;
«pil*y.
Рис. 6. Ионная бомбардировка фосфора (вторичное формирование истоковой области)
39. ПХ снятие ф/р с перфоцилиндром (12 мин);
40. Снятие ф/р («КАРО»);
41. Стравливание остаточного SiO2, 300 A (30 cек);
42. Хим.обработка;
43. Окисление в парах воды при 950°С, Dox=0.26 мкм;
44. Нанесение пиролитического SiO2, Dx= 0.5 мкм;
45. Хим.обработка;
46. Отжиг 850 °С +20 мин в сухом О2;
47. Нанесение фосфоросиликатного стекла (ФСС), Dx=0.6 мкм;
48. Контроль толщины слоя ФСС;
49. Хим.обработка;
50. Оплавление ФСС, 1000 °С+15 мин N2 ;
51. Химическое травление ФСС (45 сек);
52. Травление ФСС (фосфоросиликатного стекла) + SiO2;
53. ПХ снятие фоторезиста с перфоцилиндром;
54. Хим.обработка (смесь «КАРО»);
-\-
55. Освежение контактов (15 сек);
56. Напыление чистого Л!, Dx=5.0 мк;
57. ПХ зачистка с перфоцилиндром;
58. Дубление;
59. Хим. травление А1;
60. Снятие фоторезиста;
61. Очищенный монокрений;
62. Горячая вода (1 мин);
63. Вжигание А1, 425 °С+30 мин;
64. Контроль электрических параметров;
65. Нанесение ПХ Б13К4, Dx=0.6 мкм;
66. Пассивация;
Ыер! 1ауег
_1* +_
Рис. 7. Защитный слой пирокисла и металлизация
67. ПХТ слоя Б13К4;
68. ПХ снятие с перфоцилиндром;
69. Вжигание А1, 425 °С+30 мин;
70. Контроль электрических параметров;
71. Нанесение ФСС, Dx=0.6 мкм;
72. Повторение пассивации, контроль повторной пассивации;
73. ПХ зачистка с перфоцилиндром;
74. Дубление;
75. Травление ФСС;
76. Снятие ф/р;
77. Контроль электрических параметров;
78. Облучение электронами Е=шеУ, D=6*1014;
79. Очищенный монокремний;
80. Горячая вода (40 °С, 1 мин);
81. Отжиг 425 °С+30 мин К2;
82. Шлифовка пластин до Dост=380 мкм;
83. Напыление Т1/№/Л§ на обратную сторону;
84. Контроль полученного результата (прибор в разрезе, представлен на Фиг. 12).
Рис. 8. Конструкция БТИЗ (IGBT) 400V в разрезе
В результате проведения вышеперечисленных технологических операций формируется низковольтный мощный IGBT (БТИЗ) - транзистор с двумя рядами затворов, что делает его в 3 раза меньше по размеру своего аналога фирмы Motorola (3.2*4.7 мм). При производстве транзистора MGP20N40CL фирмы Motorola на одной кремниевой пластине размещается 100 кристаллов транзистора, в то время как на пластине такого же размера (диаметром 100мм) помещается более 300 кристаллов транзистора IGBT БТИЗ 400 V. Причем по электрическим параметрам транзистор IGBT 400V ни в чем не уступает своему аналогу:
Таблица 1.
Сравнительная характеристика
Наименование параметра и обозначение параметра Обозначение Режим измерения БТИЗ 400 V MGP20N40CL
Граничное напряжение коллектор - эмиттер, В VR3 гр Гк=10 mA 400(R.33=300) 400(R33=300)
Пробивное напряжение затвор - эмиттер,В VR3R прб I кэк = 2мА, R63=R33=0 13 15
Пороговое напряжение, В Уэбо прб Гэбо^мА, 1к=0 1.7 1.7
Максимальный постоянный ток коллектора, А Гк макс - 20 20
Обратный ток коллектора, А Гки макс - 12 12
Максимальная постоянная рассеиваемая мощность, Вт Рмакс V^=5B, Тп=Тпмакс 170 150
Максимальная температура перехода, °С T Tn макс - -55..+175 +55.. +175
Результаты электрических параметров получены на Gamma.
T.A.Ismailov, Â.R. Shakhmaeva, P.R. Zakharova
Technological route of manufacturing of the low-voltage powerful IGBT 400 V
In article features of process of manufacturing of bipolar transistors with the isolated shutter (БТИЗ are considered or IGBT), features of a received crystal of the transistor, its topology and a design, are specified lacks and advantages.
Keywords: isolated Gate Bipolar Transistor, target characteristics, MOP - structure, crystal, mezaplanar technology, plazmochemical clearing, ionic introduction
Исмаилов Тагир Абдурашидович (р. 1952) Ректор Дагестанского государственного технического университета. Доктор технических наук (1992). Окончил Дагестанский государственный университет (1975)
Область научных интересов: термоэлектрическое приборостроение. Автор более 400 научных публикаций.
Шахмаева Айшат Расуловна (р. 1965) Декан ФПКиП, доцент кафедры «Вычислительной техники» Дагестанского государственного технического университета. Кандидат технических наук. Окончила ДПТИ (1983)
Область научных интересов: твердотельная электроника, микроэлектроника и нано-электроника
Автор более 60 научных публикаций.
Захарова Патимат Расуловна (р. 1985) Аспирант кафедры ТиОЭ, старший преподаватель кафедры «Вычислительной техники» Дагестанского государственного технического университета. Окончила ДГТУ (2006)
Область научных интересов: твердотельная электроника, микроэлектроника и нано электроника
Автор около 10 научных работ.
