專利名稱:一種半導(dǎo)體硅元件的芯片支承體的制作方法
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體器件。
目前，半導(dǎo)體硅電力元件多采用鉬片作為芯片支承體。但是，鉬與硅的熱膨脹系數(shù)相差較大，鉬約為5×10-6℃-1，硅僅為3～4×10-6℃-1，在管芯的燒結(jié)或焊接時(shí)，由于硅芯片與支承體鉬片的收縮率不同，易造成管芯變形，甚至芯片破裂;燒結(jié)法制造管芯時(shí)，在硅芯片與鉬片之間加入的鋁箔會(huì)與鉬形成MoSi2，其電阻是鉬的4倍，熱膨脹系數(shù)是鉬的1.5倍，這導(dǎo)致管芯壓降增大，結(jié)溫升高，并使硅芯片與支承體鉬片之間的粘潤(rùn)性惡化。解剖硅電力元件的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，鉬硅之間的粘潤(rùn)面積大多數(shù)在80%左右;鉬片在高溫下會(huì)產(chǎn)生氧化，導(dǎo)致管芯壓降增加，元件成品率降低;由于粉末冶金鉬坯經(jīng)軋制后，存在一定的裂紋組織和各向異性，在沖圓加工成鉬片時(shí)，易在斷口出現(xiàn)裂紋，甚至出現(xiàn)分層，可能使圓片燒結(jié)后變成橢圓，為減少變形，不得不增加鉬片厚度，這不但浪費(fèi)材料，增加成本，還增加了管芯的壓降;管芯燒結(jié)時(shí)，鉬片在高溫下存在放氣現(xiàn)象，會(huì)影響燒結(jié)效果。此外，鉬片鍍鎳時(shí)，所需溫度較高，鍍層易脫落;由于鉬與硅的硬度等性質(zhì)相差懸殊，使管芯的造型加工存在困難，金屬磨屑還可能沾污臺(tái)面，嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致管芯短路。
上述種種因素均可能導(dǎo)致制造的管芯報(bào)廢。鑒于此，目前以鉬片作支承體制造半導(dǎo)體硅電力元件的成品率不高。近年來，有人研究用鎢片代替鉬片。但是，鎢片也存在熱膨脹系數(shù)與硅芯片不一致的問題，而且存在硬度更大，加工和造型更困難，易開裂，成本高等問題。
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中上述不足之處，提供一種與硅芯片熱膨脹系數(shù)相近，導(dǎo)電好，不變形，不放氣，易于加工制造，與鋁箔沾潤(rùn)性好，壓降較低，成型后的后續(xù)處理加工特性與芯片一致的半導(dǎo)體硅元件的芯片支承體。
本發(fā)明所采用的硅芯片支承體是一種在多晶硅或特定的單晶硅中摻入硼、鈦等添加劑制備的P型多晶硅片。
本發(fā)明采用三級(jí)品多晶硅，或P型單晶硅的頭尾料，或電阻率大于10歐姆·厘米的N型單晶硅的頭尾料為原料，對(duì)原料作表面清洗，化學(xué)腐蝕等予處理后，按投料重量計(jì)，加入0.20～0.50%的添加劑元素硼，元素硼純度為99.50～99.99%，加入0.08～0.30%的輔助添加劑金屬鈦，金屬鈦純度為99.50～99.90%，輔助添加劑還可以是金屬鋯或金屬鈷，在單晶爐中，用直拉法或定向結(jié)晶法制備P型多晶硅。
當(dāng)用直拉法制備多晶硅時(shí)以電阻率大于50歐姆·厘米的基硼和基磷的還原多晶硅為晶種，控制多晶的固相溫度梯度為100～150℃/厘米，晶體旋轉(zhuǎn)速度為30～50轉(zhuǎn)/分，熔體旋轉(zhuǎn)速度為6～10轉(zhuǎn)/分，提拉速度從1毫米/分逐漸變速至0.6毫米/分，并采用直接擴(kuò)肩的辦法，按予定的直徑拉制多晶硅棒。制得的多晶硅棒材坯料，再滾圓至所需直徑，然后切片，研磨，拋光即成為本發(fā)明所述的半導(dǎo)體硅元件的芯片支承體。
對(duì)本發(fā)明所述方法制得的多晶硅片與現(xiàn)有技術(shù)中使用的鉬片的物理性能進(jìn)行了對(duì)比測(cè)試，其結(jié)果列于表1。
表1
該項(xiàng)數(shù)據(jù)摘自飯?zhí)镄抟坏取段锢韺W(xué)常用數(shù)表》，1979年科學(xué)出版社出版。
用本發(fā)明作半導(dǎo)體硅元件芯片支承體制成的硅元件具有顯著的優(yōu)越性。以螺栓型ZP-200元件為例，它可以沿用以鉬片作支承體的現(xiàn)有制作工藝，將多晶硅片二次鍍鎳和搪錫后，用焊接法制作硅元件。制成的元件與以鉬片制作的元件相比，峰值壓降平均降低0.1伏;元件等級(jí)合格率上升為100%(提高30%以上)。并且，多晶硅片鍍鎳比鉬片鍍鎳的合金化溫度低，時(shí)間短，鍍層牢固。再以多晶硅片制作平板型ZP-1600硅元件為例，它與硅芯片燒結(jié)成管芯，進(jìn)行蒸鋁或蒸金后，對(duì)元件進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)試，其常溫特性，在相同電壓下，平均漏電流為用鉬片作支承體的元件的22～67%;其高溫特性，在相近電壓下，反向不重復(fù)平均漏電流為鉬片作支承體元件的50%～61%，反向重復(fù)平均漏電流為鉬片作支承體元件的50～67%。并且，鋁與硅的粘潤(rùn)性比鋁與鉬的粘潤(rùn)性好，從而使采用鉬片時(shí)，燒結(jié)過程難于控制的生產(chǎn)工藝問題獲得了解決。
本發(fā)明的多晶硅片與硅芯片理化性質(zhì)相近，因而硅元件的生產(chǎn)工藝過程可以簡(jiǎn)化，元件管芯表面造型加工容易，幾乎無金屬污染，此外，由于多晶硅片的密度比鉬片的密度小許多，故可減輕硅元件的重量，而且其單片價(jià)格要比鉬片低得多，可降低硅元件的成本。
本發(fā)明用作大功率的半導(dǎo)體硅電力元件的芯片支承體時(shí)，優(yōu)越性將更為明顯。
本發(fā)明還可以用作其它半導(dǎo)體硅元件，如快速二極管等的芯片支承體。
實(shí)施例1，為制造ZP-200螺栓型硅整流元件的芯片支承體。以電阻率為50歐姆·厘米的P型單晶硅頭尾料為原料，投料1公斤，加入2.5克元素硼，0.8克金屬鈦，在單晶爐中，用電阻率大于50歐姆·厘米的基硼、基磷的還原多晶硅為晶種，控制多晶硅的固相溫度梯度為100℃/厘米，晶體旋轉(zhuǎn)速度為30轉(zhuǎn)/分，熔體旋轉(zhuǎn)速度為6轉(zhuǎn)/分，提拉速度從1.0毫米/分逐漸變速到0.6毫米/分，并采用直接擴(kuò)肩的辦法拉制φ30毫米的多晶棒坯料。然后將該多晶棒坯料經(jīng)滾圓、切片、研磨后，制成φ20×1.2毫米規(guī)格的上基片和φ26×2毫米規(guī)格的下基片。按用鉬片作支承體的原有工藝，經(jīng)二次鍍鎳和搪錫后，用焊接法制成ZP-200螺栓型硅整流元件，其性能測(cè)試數(shù)據(jù)如下冷態(tài)熱敏壓降為200～220mV，熱態(tài)熱敏壓降為140mV，正向壓降為0.54～0.58V，+140℃時(shí)的反向特性為800～1000V/1.8～2.0mA。
實(shí)施例2，為制造ZP-1600平板型硅整流元件芯片支承體。以三級(jí)多晶硅為原料，投料2.5公斤，加入7克元素硼，3克金屬鈦，除提拉速度稍慢以外，采用與實(shí)施例1相同的直拉工藝，拉制成φ80毫米的多晶硅棒，經(jīng)滾圓、切片、研磨后制成φ70×3.5毫米的多晶硅片，用燒結(jié)法制成管芯，組裝成ZP-1600平板型硅整流元件，其性能測(cè)試數(shù)據(jù)舉例如下(1)元件一常溫特性(UR/IR)3800V/0.04mA;高溫特性1(URSM/IRSM)3810V/16mA;高溫特性2(URRM/IRRM)3353V/15mA;峰值電流(ITM)5053A;峰值電壓(UTM)1.904V。(2)元件二常溫特性3800V/0.06mA;高溫特性1，3802V/21mA;高溫特性2，3502V/20mA;峰值電流4980A;峰值電壓2.111V。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體硅元件的芯片支承體，它呈片狀，采用燒結(jié)或焊接工藝與芯片聯(lián)成一體，構(gòu)成管芯，其特征在于所述的芯片支承體是加入了0.20～0.50%的添加劑元素硼，0.08～0.30%的輔助添加劑金屬鈦的P型多晶硅片。
2.按權(quán)利要求
1所述的芯片支承體，其特征在于所述的輔助添加劑還可以是金屬鋯，或金屬鈷。
3.按權(quán)利要求
1所述的芯片支承體，其特征在于它是以三級(jí)品多晶硅，或P型單晶硅頭尾料，或電阻率大于10歐姆·厘米的N型單晶硅的頭尾料為原料，摻入添加劑后，用直拉法或定向結(jié)晶法制備并經(jīng)加工而成的。
4.按權(quán)利要求
1和2所述的多晶硅片，主要是代替金屬鉬片或金屬鎢片，用作200安及其以上的半導(dǎo)體硅電力元件的芯片支承體，還可以用作其它半導(dǎo)體硅元件的芯片支承體。
專利摘要
一種半導(dǎo)體硅元件的芯片支承體。它是在多晶硅或特定的單晶硅中摻入0.20～0.50％的元素硼，0.08～0.30％的金屬鈦制備的P型多晶硅片。具有比鉬熱膨脹性小，與鋁粘潤(rùn)性好，表面處理容易，理化性能穩(wěn)定的特點(diǎn)。用它作芯片支承體制作的硅元件壓降低，成品率和等級(jí)合格率高，并能簡(jiǎn)化元件生產(chǎn)工藝?？捎米鞔蠊β拾雽?dǎo)體硅電力元件和快速二極管等其它硅元件的芯片支承體。
文檔編號(hào)H01L23/12GK87102044SQ87102044
公開日1988年5月25日 申請(qǐng)日期1987年6月23日
發(fā)明者蔡道松, 劉汝模, 黎德明, 鄭堅(jiān) 申請(qǐng)人:長(zhǎng)沙半導(dǎo)體材料廠導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan