Technologia kontaktów omowych i montażu dla przyrządów z węglika krzemu

Transkrypt

1 Wprowadzenie Technologia kontaktów omowych i montażu dla przyrządów z węglika krzemu Ryszard Kisiel, Zbigniew Szczepański, Ryszard Biaduń, Norbert Kwietniewski Instytut Mikroelektronikii Optoelektroniki,Politechnika Warszawska, PL 662,ul.Koszykowa 7, Poland prof. dr hab. inż. A. Piotrowska kierownik Zespołu, dr inż. M. Guziewicz, dr inż. E. Kamińska, mgr inż. N. Kwietniewski, mgr inż. M. Borysiewicz, mgr inż. K. Gołaszewska, dr A. Kuchuk, dr inż. T.T. Piotrowski, tech. Z. Szopniewski, tech. K. Babska Instytut Technologii Elektronowej Zakład Technologii Struktur Półprzewodnikowych dla Fotoniki, Al. Lotników 32/46, 2-668, Poland n=x 1 /cm 3 4H-SiC n > 1 /cm 3 Overlayer Insulating film Ohmic Contact Overlayer Problemy wymagające rozwiązania: Uformowanie kontaktów omowych Montaż struktury SiC do podłoża Połączenia elektryczne kontaktów SiC z kontaktami podłoża Zamknięcie całości w obudowę Kontakty obudowy, sposób zasilania Technologia kontaktówomowych i montażu dla przyrządów z węglika krzemu Plan prezentacji Wprowadzenie Kontakty omowe Zadanie nr 7:Badanie mechanizmów formowania złącz metal/sic Zadanie nr 8: badanie stabilności termicznej wytworzonych warstw kontaktowych Zadanie nr : Opracowanie prototypowej obudowy do montażu struktur SiC Zadanie nr : Opracowanie technologii dołączania struktur SiC do obudowy Zadanie nr : Badanie parametrów przyrządów w warunkach pracy; wysokotemperaturowej, wysokomocowej oraz przy wysokich częstotliwosciach Podsumowanie Układ warstw w strukturze testowej Schemat próbki testowej Technologia kontaktu Warstwa epi-sic(1) n = 1 cm -3 hodowana na 4H SiC(1) w ITME lub Cree Inc. Film I Ni, Ti, Co, Ni/Ti, TiW Film II Ti lub Cr, epi - SiC 4H - SiC Film III Al lub Au do połączenia drutowego Warstwa montażowa Warstwa adhezyjna Izolacja Przygotowanie powierzchni SiC Mycie w rozpuszczalnikach (tri, acetone, propanol) Trawienie chemiczne NH 4 OH-H 2 O 2 -H 2 O, 7 o C, min. HCl-H 2 O 2 -H 2 O, 7 o C, min. Usuniecie tlenku HF buf, 1min. Wytworzenie kontaktu omowego osadzanie warstwy ( nm)nilubti metodą magnetronowego rozpylania Ar, P DC = W, p Ar = 1x -2 mbar(p = 2x -6 mbar) Stosowane testy w pomiarach mechanicznych i elektrycznych Metalizacje kontaktów omowych d 1 ro Metalizacje do połączeńdrutowych: Al+Ni/SiC, Ni+Ni/SiC, Al+Ti/SiC, Au+Ti/SiC oraz Au+Ni/SiC do połączeń typu flip chip Pt+Ti/SiC oraz Au+Ti/SiC 6

2 Kontakty omowe, mechanizmy przewodzenie Zadanie nr 7. Zależność rezystancji właściwej kontaktów Ni/n-SiC i Ti/n-SiC od temperatury wygrzewania i koncentracji domieszek w podłożu Kontakty omowe na bazie Ni i Ti 2 o C o C 2 o C Ni/SiC o C 2 o C o C 2 o C Ti/SiC Temperatura wygrzewania kontaktu [ o C] Rezystancja właściwa [Ωcm 2 ] Koncentracja domieszek [cm -3 ] x 16 x 17 x 18 ln (1/r c ) 8 7 r c = 4.2x -4 Ωcm RT E A = 27 mev 6 1, 2, 2, 3, 3, 4, /T (1/K) ln (1/r c ) r c = x - Ωcm RT E A = 16 mev 1, 1, 2, 2, 3, 3, 4, /T (1/K) Energie aktywacji donorów w kontaktach omowych wyznaczone z temperaturowej zależności r c wynoszą odpowiednio: dla metalizacji z Ni - E A = 27 mev, dla metalizacji z Ti - E A = 16 mev Nikiel Tytan NΩ 1.2x -4 3.x - 1.8x -4.x - 3.x -6 NΩ NΩ 4.2x x x x x x -4 8.x Zadanie nr 7. Zależność rezystancji właściwej kontaktów TiAl(6%)/ od temperatury wygrzewania i koncentracji domieszek w podłożu Kontakty omowe Rezystancja właściwa R C kontaktu Podłoże R C [Ωcm 2 ] TiAl Temperatura wygrzewania kontaktu [ o C] Rezystancja właściwa [Ωcm 2 ] Koncentracja domieszek x 17 [cm -3 ] x 18 [cm -3 ] 4.x x - 3.1x x - Referencje n-sic Ni 1x - 6 4H-SiC* Ti 2x - 7 4H-SiC Ti/Al 1.4x - 4 Uzyskane wyniki n-sic ITME Ni 3.x x -4. x - n-sic ITME Ti 2x - ITME Ti/Al x - *) na podłożu implantowanym, n= 2 at./cm -3 Seminarium ITME, 3 listopad 2 Zadanie nr 8 Badanie stabilności termicznej wytworzonych warstw kontaktowych. Połączenia montażowe Al-Al na strukturze SiC Połączenia Al-Al na n-sic/ti/al, drut Al µm Połączenia montażowe Al-Al na ceramice ( pasta P2-Al) Połączenia Al-Al na warstwie grubej P2 na podłożu ceramicznym drut Al µm 2 1 n-sic/ti(o.c.)/al(2nm)-al(φ µm) Drut Al Al na SiC 2 mω Drut Al-P2 na ceramice 3-4 mω Al/warstwa gruba/ceramika T [h] 1 T [h]

3 Połączenia montażowe Au-Au na strukturze SiC (Au-Au oraz Pt-Au) Wpływ metalizacji kontaktu omowego oraz metalizacji kontaktu montażowego na stabilność połączeń wykonywanych drutem Au µm Połączenia montażowe Au-Au na strukturze SiC (Pt-Au) Wpływ techniki wykonywania połączeń drutowych Au oraz grubości metalizacji kontaktu Ti/Pt na stabilność Ti(o.c.)/Pt, 4 C, 3h, air Ti(o.c.)/Pt, 4 C, 3h, air Połączenia montażowe na strukturze SiC Współpraca metalizacji SiC z różnymi technikami montażu Połączenia typu FC 3 n-sic/ti(o.c.)/au(nm)-au Time [h] Zmiany szeregu połączeń po wygrzewaniu w 4 C Kontakt podwyższony Au Au na SiC 2 mω Kontakt podwyższony Au Au na Al 2 O 3 2 mω SiC/Ti/Pt + kontakt podwyższony Au + Au na DBC po 4 C h, stabilność 6,8% 1 SiC ohmic contact Top Al wire bonding Au wire bonding Flip chip bonding by Au balls Ti Al Yes, 4 C & 61 h Yes, max 17 C* No applicable Au Yes, max 17 C* Yes, 4 C & h Yes, 4 C & 8 h Pt Degradation after 4 C & 24 h Yes, 4 C & h Yes, 3 C & 7 h Ni Al Yes, 4 C & h Yes, max 17 C* No applicable Au Contact degradation after 4 C & h Pt Not investigated Yes, 4 C & 3 h Not investigated Ni Yes, 3 C & h Not investigated 16 Współpraca metalizacji podłoża z różnymi technikami montażu Substrate Al wire bonding Al 2 O 3 ceramic Yes, 3 C & 1 h +Ag based thick 4 C degradation film Au wire Au balls flip chip bonding bonding Not investigated Al 2 O 3 ceramic Not investigated Yes, 4 C & Yes, 4 C & +Au based thick 1 h 8 h film DBC + Ni Yes, 3 C & 2 h Not investigated DBC + Ni/Au Yes, max 17 C* Yes, 3 C & h Yes, 3 C & 7 h Zadanie nr Opracowanie prototypowej obudowy dla przyrządów SiC realizowanych przy zastosowaniu montażu drutowego i bezdrutowego Proponowane koncepcje obudowy 17 18

4 Elementy prototypowych obudów Zadanie nr opracowanie technologii dołączania struktur SiC do obudowy 1 2 Koncepcje wysokotemperaturowej obudowy SiC Koncepcje wysokotemperaturowej obudowy SiC Poszukiwanie kleju do połączeń ceramika ceramika oraz ceramika metal Montaż struktury SiC do podłoża Materiał podłoża Doklejana płytka Siła ścinająca po otrzymaniu [N] Siła ścinająca po 3⁰C h [N] Al 2 O 3 Cu Al 2 O 3 Al 2 O Cu Cu Cu Al 2 O Cu Au 48 Al 2 O 3 Au Al 2 O 3 SiC 6 13 Die bonding technology Process temp. [ C] Max operating temp. [ C] Shear strength [N/cm 2 ] Au88Ge 4 33 N/A P FO >3 (2h) 3M Ag nano ( h) (8 MPa) Zadanie nr Badanie parametrów przyrządów w warunkach pracy: wysokotemperatrurowej, wysokomocowej oraz przy wysokich częstotliwościach PiN diodes Praca SiC w obudowie w temperaturze 3 C (Au-Au) minutowe cykle prądowe x 4 A/cm 2 Ohmic contact Al/Ti/Al (/8/3 nm) Pattern module Al-Al minutowe cykle obciążenia mocą 2 W n-sic Ohmic contact Ti (2 nm) 23 24

5 Forward I-V characteristics vs. temperature Reverse characteristics vs. temperature 33rd International Spring Seminar on Electronics Technology, ISSE 2, May -16, 2,, Poland 2 33rd International Spring Odbiór Seminar grantu, on 21 Electronics maja 2, Technology, ITME ISSE 2, May -16, 2,, Poland 26 Publikacje Podsumowanie 1. Szczepański Z., Kisiel R.: SiC Die Connections for High Temperature Applications - Materiałach Elektroniczne, czasopismo wydawane przez ITME, T 37-2, nr 1, p Kisiel R., Szczepanski Z.: Die-Attachment Solutions for SiC Power Devices Microelectronics Reliability, 4 (2), Kisiel R., Guziewicz M., Piotrowska A., Szmidt J.: Stability of Al. and Au Wire Bonds to Ti- and Ni-based ohmic Contacts for High Power SiC Devices Book of Abstracts Mixdes 2, 16th International Conference Mixed Design of Integrated Circuits and Systems June 2-27,2, Łódź, Poland p Kisiel R., Guziewicz M., Piotrowska A., Szmidt J.: Ti and Ni Based Ohmic Contacts for Al and Au Wire Bonds in High Power SiC Devices 33rd International IMAPS - CPMT IEEE Poland Conference, Pszczyna, September 2, ISBN , p ,. Szczepański Z., Kisiel R., Guziewicz M.: Flip Chip Process Realization for SiC Structures 33rd International IMAPS - CPMT IEEE Poland Conference, Pszczyna, September 2, ISBN , p Kisiel R., Guziewicz M., Piotrowska A., Szmidt J.: Characteristics of Gold Wire Bonds with Ti- and Ni- based Contact Metallizations to n-sic for High Temperature Applications International Conference on Silicon Carbide and Related Materials 2, ICSCRM 2, October -16, Nuremberg, Germany, Technical Program Mo-P-4, I-, 7. Kisiel R., Guziewicz M.: Właściwości elektryczne i mechaniczne metalizacji kontaktów Ni i Ti oraz wytworzonych na nich połączeń drutowych do n- SiC Elektronika, vol. L, nr 6/2, str Guziewicz M., Kisiel R., Gołaszewska K., Wzorek M., Stonert A., Piotrowska A., Szmidt J.: Characteristics of Gold Wire Bonds with Ti- and Ni- based Contact Metallizations to n-sic for High Temperature Applications Materials Science Forum, Vols (2) pp R.Kisiel, M. Guziewicz, Z.Szczepański, K. Król An overview of Materials and Bonding Techniques for Inner Connections in SiC High Power and High Temperature Devices 33rd International Spring seminar on electronics Technology ISSE2, Abstract Book,, -16 May 2, ISBN , str Kisiel, M. Guziewicz, Z.Szczepański, K. Król An overview of Materials and Bonding Techniques for Inner Connections in SiC High Power and High Temperature Devices 33rd International Spring seminar on electronics Technology ISSE2, CD version, full paper,, -16 May 2, 6 stron. Dorobek publikacyjny: 21 opublikowanych artykułów 7 referatów na konferencjach międzynarodowych() i krajowych (2) 13 posterów na konferencjach międzynarodowych () i krajowych (4) W wyniku prowadzonych badań opracowano technologię otrzymywania kontaktów omowych SiC o niskich rezystancjach oraz opanowano technologię wykonywania obudowy i montażu struktur SiC (diody PIN) zapewniającą im stabilną pracę ciągłą w 3 o C Dziękuję za uwagę 27 28