IT202100027101A1 - Procedimento di fabbricazione di un dispositivo elettronico di carburo di silicio e dispositivo elettronico di carburo di silicio - Google Patents

Procedimento di fabbricazione di un dispositivo elettronico di carburo di silicio e dispositivo elettronico di carburo di silicio Download PDF

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Massimo Boscaglia
Domenico Pierpaolo Mello
Anna Bassi
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Giovanni Franco
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Description

DESCRIZIONE
del brevetto per invenzione industriale dal titolo:
?PROCEDIMENTO DI FABBRICAZIONE DI UN DISPOSITIVO ELETTRONICO DI CARBURO DI SILICIO E DISPOSITIVO ELETTRONICO DI CARBURO DI SILICIO?
La presente invenzione ? relativa ad un procedimento di fabbricazione di un dispositivo di carburo di silicio e ad un dispositivo di carburo di silicio, cos? ottenuto.
Come noto, i dispositivi di carburo di silicio (SiC), quali i diodi (ad esempio i diodi JBS -?Junction Barrier Schottky?- e i diodi MPS -?Merged PiN Schottky?-) e i transistori MOSFET, hanno prestazioni migliori rispetto ai dispositivi elettronici di silicio, in particolare per applicazioni di potenza, in cui vengono impieporta elevate tensioni operative o altre condizioni operative specifiche, come l'alta temperatura.
Un dispositivo di carburo di silicio per applicazioni di potenza, di seguito indicato come dispositivo di potenza, comprende generalmente un corpo di carburo di silicio, una regione metallica anteriore e una regione metallica posteriore. In uso, in condizione accesa del dispositivo, attraverso il corpo di carburo di silicio scorre una corrente tra la regione metallica anteriore e la regione metallica posteriore.
Il dispositivo di potenza pu? essere ottenuto a partire da una fetta di carburo di silicio avente una superficie anteriore e una superficie posteriore, in uno dei suoi politipi, quali 3C-SiC, 4H-SiC e 6H-SiC.
Durante le fasi di fabbricazione iniziali, dispositivi quali transistori, diodi, resistori, ecc. vengono generalmente realizzati formando regioni operative nel/sul corpo di carburo di silicio a partire dalla/sulla superficie anteriore.
Quindi, sulla superficie anteriore viene formata la regione metallica anteriore per interconnettere reciprocamente le regioni operative dei dispositivi integrati nonch? per consentire la connessione del dispositivo di potenza a componenti e/o stadi circuitali esterni.
In aggiunta, la superficie posteriore della fetta viene lavorata per formare la regione metallica posteriore.
A tal fine, uno strato metallico, ad esempio nichel, viene depositato sulla superficie posteriore e fatto reagire con il carburo di silicio della fetta per formare uno strato di siliciuro di nichel, utilizzando un fascio laser o un trattamento RTA (?Rapid Thermal Annealing?).
Successivamente, sullo strato di siliciuro pu? essere depositato uno strato metallico, ottenendo cos? un contatto ohmico sul retro della fetta.
Dopo le fasi finali di fabbricazione includenti il taglio, si ottiene il dispositivo di potenza.
La Richiedente ha notato che, in alcuni casi, lo strato di siliciuro di tali dispositivi di potenza noti ? meccanicamente debole. Infatti, durante alcuni test di affidabilit?, ? stato osservato che lo strato di siliciuro ha una certa probabilit? di delaminazione dal corpo di carburo di silicio o di frattura meccanica, provocando cos? il guasto del dispositivo di potenza.
Scopo della presente invenzione ? quello di superare gli svantaggi della tecnica nota.
Secondo la presente invenzione vengono forniti un procedimento di fabbricazione di un dispositivo di carburo di silicio ed un dispositivo di carburo di silicio, come definiti nelle rivendicazioni allegate.
Per la comprensione della presente invenzione, ne vengono ora descritte forme di realizzazione, a puro titolo di esempio non limitativo, con riferimento ai disegni allegati, in cui:
la Figura 1 ? una micrografia di una sezione trasversale attraverso una porzione di un dispositivo di carburo di silicio;
le Figure 2-5 mostrano sezioni trasversali di una fetta di carburo di silicio, in successive fasi di fabbricazione di un dispositivo di carburo di silicio, secondo il presente procedimento di fabbricazione;
la Figura 6 ? una micrografia di una sezione trasversale attraverso una porzione del dispositivo di carburo di silicio dopo la fase di fabbricazione della Figura 5;
la Figura 7 ? un dettaglio ingrandito della micrografia della Figura 6; e
la Figura 8 ? una mappa di carbonio di una porzione del dettaglio della Figura 7.
Questa divulgazione ha origine da uno studio degli inventori che indaga sulle ragioni del guasto dei dispositivi noti.
Tale studio degli inventori ha mostrato che gli strati metallici posteriori dei dispositivi convenzionali di carburo di silicio tendono a rompersi in corrispondenza dell'interfaccia con il corpo di carburo di silicio e hanno notato che, durante la silicidazione del nichel, il carbonio dal corpo di carburo di silicio viene segregato nello strato di siliciuro, vicino a un'interfaccia con il corpo di carburo di silicio e formano noduli o cluster di carbonio.
Tale fenomeno ? mostrato in Figura 1, che mostra una porzione di una piastrina 1, comprendente un corpo di SiC 2 e uno strato di siliciuro di nichel 3; un'interfaccia tra il corpo di SiC 2 e lo strato di siliciuro di nichel 3 ? indicata con 4.
La Figura 1 mostra anche un agglomerato di cluster di carbonio nello strato di siliciuro di nichel 3, formante uno strato di cluster di carbonio 5 che si estende, quasi in modo continuo, vicino all'interfaccia 4.
Gli inventori hanno quindi identificato lo strato di cluster di carbonio 5 come una debolezza meccanica della piastrina 1, che pu? causare delaminazione e frattura da fragilizzazione dello strato di siliciuro 3.
Gli inventori hanno quindi inventato un nuovo procedimento che evita la formazione di cluster di carbonio.
In particolare, gli inventori hanno scoperto che, depositando uno strato a base di nichel e uno strato di cattura del carbonio sulla superficie posteriore del corpo, e sottoponendo a trattamento termico il doppio strato depositato, si verifica una reazione tra il doppio strato e il corpo di SiC, generando uno strato di siliciuro che non contiene i cluster di carbonio.
Inoltre, gli inventori hanno notato che lo strato di cattura del carbonio forma composti stabili con il carbonio. Ad esempio, gli inventori hanno notato che, utilizzando una lega di titanio come strato di cattura del carbonio, durante l?annealing il carbonio segregato si diffonde verso lo strato di titanio e si lega stabilmente ad esso, formando TiC (carburo di titanio) e/o composti ternari di grani di Ti e C (quali TixSiyCz), eliminando qualsiasi cluster di carbonio nello strato di siliciuro che si forma.
Ulteriori studi hanno mostrato che altri possibili strati di cattura del carbonio possono essere a base di leghe di cromo, alluminio e tantalio.
Ulteriori studi hanno mostrato che ? vantaggioso che il rapporto tra gli spessori dello strato a base di nichel e dello strato basato su cattura del carbonio sia inferiore a 1,7, preferibilmente inferiore o uguale a 1,5 per evitare con sicurezza la formazione di cluster.
Di seguito, verr? descritta una forma di realizzazione di un procedimento per formare un dispositivo di carburo di silicio privo di cluster di carbonio.
La Figura 2 mostra una fetta 10 che ? gi? stata sottoposta a prime fasi di fabbricazione.
La fetta 10 comprende un corpo 11 di carburo di silicio (SiC) in uno dei suoi politipi, quali 3C-SiC, 4H-SiC e 6H-SiC, avente (dopo essere stato assottigliato, si veda di seguito) una prima superficie 11A ed una seconda superficie 11B.
Ad esempio, il corpo 11 pu? essere un substrato di SiC oppure un substrato di SiC coperto da uno strato epitassiale e, prima dell'assottigliamento, pu? avere uno spessore compreso ad esempio tra 275 ?m e 375 ?m, in particolare di circa 350 ?m.
Nel corpo 11 sono gi? state realizzate regioni di conduzione di corrente 12, ad esempio impiantate, e sulla prima superficie 11A del corpo 11 sono gi? state realizzate regioni metalliche di connessione 13.
Il corpo 11 pu? comprendere uno strato di deriva (?drift?); le regioni di conduzione di corrente 12 possono formare, ad esempio, regioni sorgente e regioni di body, a seconda dell?applicazione specifica.
In una forma di realizzazione, il corpo 11 pu? comprendere anche strutture di porta oppure strutture di porta possono essere realizzate sulla prima superficie 11A. In un'altra forma di realizzazione, il corpo 11 pu? essere un multistrato, con diverse strutture di dispositivo integrate nei vari strati.
Le regioni di connessione 13 possono comprendere uno o pi? strati metallici che formano una struttura elettrica di interconnessione per le regioni di conduzione di corrente 12.
Eventuali strutture di porta possono essere realizzate sulla prima superficie 11A o nel corpo 11.
In aggiunta, sulla prima superficie 11A del corpo 11 sono gi? state realizzate strutture di passivazione 15 di materiale isolante.
Il corpo 11 ? gi? stato sottoposto ad un assottigliamento per ottenere uno spessore finale compreso, ad esempio, tra 100 ?m e 250 ?m, in particolare di circa 180 ?m.
Quindi, Figura 3, sulla seconda superficie 11B del corpo 11 viene depositato un primo strato di contatto 20. Il primo strato di contatto 20 pu? essere di un materiale a base di nichel, ad esempio di nichel o di una lega di nichel, quale una lega di silicio-nichel (NixSiy).
Successivamente, sul primo strato di contatto 20 viene depositato un secondo strato di contatto 21. Il secondo strato di contatto 21 pu? essere di titanio Ti, cromo Cr, alluminio Al o tantalio Ta.
L'ordine di deposizione del primo e del secondo strato di contatto 20, 21 pu? essere invertito. In particolare, questo ? consigliabile nel caso in cui il secondo strato 21 sia di alluminio, per evitare eventuali possibili riflessioni in una successiva fase di annealing, come discusso qui di seguito.
Entrambi gli strati possono essere depositati mediante sputtering.
Lo spessore sia del primo strato di contatto 20 sia del secondo strato di contatto 21 pu? essere compreso tra 10 nm e 75 nm.
Nel caso in cui il primo strato di contatto 20 sia di un materiale a base di nichel e il secondo strato di contatto 21 sia di un materiale a base di titanio, cromo, alluminio o tantalio, il rapporto di spessore tra il primo e il secondo strato di contatto 20, 21 deve essere inferiore a 1,7.
Ad esempio, il rapporto di spessore tra il primo e il secondo strato di contatto 20, 21 pu? variare tra 0,3 e 1,5.
Nel caso in cui il primo strato di contatto 20 sia di un materiale a base di titanio, cromo, alluminio o tantalio e il secondo strato di contatto 21 sia di un materiale a base di nichel, il rapporto di spessore ? inverso e pu? variare tra 0,67 e 3,33.
Si ottiene cos? un doppio strato 23, avente uno spessore compreso tra 20 e 150 nm, Figura 4.
Quindi viene eseguito un trattamento termico rapido RTA o un trattamento termico con laser (ad esempio un annealing laser a ultravioletti UV), come mostrato in Figura 4 dalle frecce 25. Ad esempio, l?annealing laser pu? essere eseguito con una densit? di energia compresa tra 3,4 J/cm<2 >e 4,8 J/cm<2>, in particolare, di 4 J/cm<2>, ad una lunghezza d'onda compresa tra 290 nm e 370 nm, in particolare a 310 nm; durata dell'impulso compresa tra 100 ns e 300 ns, in particolare di 160 ns; e ripetendo gli impulsi tra 1 e 5 volte.
Il trattamento termico provoca una reazione tra il carburo di silicio vicino alla seconda superficie 11B del corpo 11 e il doppio strato 23.
In particolare, durante il trattamento termico, gli atomi di silicio reagiscono principalmente con il nichel e formano siliciuro di nichel; in aggiunta, gli atomi di carbonio dal corpo 11 migrano nel doppio strato 23 e reagiscono con il titanio, formando composti stabili di TiC (carburo di titanio) e composti ternari di Ti e C (quali TixSiyCz).
Quindi si forma uno strato di siliciuro misto 27, come mostrato in Figura 5.
Lo strato di siliciuro misto 27 forma un'interfaccia 28 con il corpo 10, diversa dalla seconda superficie 11B, a causa della reazione del corpo 11 con il doppio strato 23.
In particolare, lo strato di siliciuro misto 27 contiene grani di siliciuro di Ni, composti di TiC e altri vari composti (ad esempio il composto TixSiyCz, ma non limitato a questo).
Se desiderato, dopo il trattamento termico, pu? essere effettuato un attacco chimico per rimuovere titanio, cromo, alluminio, tantalio, i loro carburi e l'eventuale nichel non reagito disposto sulla superficie dello strato di siliciuro misto 27.
Si ottiene cos? uno strato metallico (ancora indicato con 27) adatto a operare da contatto ohmico sul retro.
Quindi, sullo strato di siliciuro misto 27 pu? essere depositato uno strato metallico finale (non mostrato), ad esempio di Ti/NiV/Ag.
La fetta 10 viene quindi sottoposta a note fasi finali di fabbricazione, includenti il taglio, formando cos? un dispositivo elettronico.
La Figura 6 ? un'immagine TEM (?Transmission Electron Microscopy?) di una sezione trasversale di un dettaglio della fetta 10 della Figura 5, in corrispondenza dello strato di siliciuro misto 27, ottenuta nel caso di un rapporto di spessore di 0,7.
Come visibile in particolare nel dettaglio ingrandito della Figura 7 (anch'esso un'immagine TEM), non sono presenti cluster di carbonio in corrispondenza dell?interfaccia 28 tra il corpo 11 di carburo di silicio e lo strato di siliciuro misto 27.
Ci? ? confermato anche dalla mappa chimica del carbonio della Figura 8, ottenuta dall'immagine della Figura 7 mediante tecniche di formazione di immagini spettroscopiche elettroniche utilizzando un filtro a perdita di energia elettronica (?electron energy loss filter?) in cui la finestra di acquisizione di energia ? stata impostata attorno al valore specifico del K-edge del carbonio.
Risultati analoghi sono stati ottenuti con rapporti di spessore di 0,3, 1 e 1,5; mentre per un rapporto Ni/Ti di 1,7, gli inventori hanno osservato la formazione iniziale di alcuni cluster di carbonio vicino all'interfaccia 28 con il corpo 11, anche se questi cluster di carbonio non formano una linea continua.
Esperimenti degli inventori hanno inoltre mostrato che, in virt? del presente procedimento, il dispositivo elettronico non ? soggetto a delaminazione o guasto per rottura dello strato metallico (strato di siliciuro misto) 27.
Quindi, si ottiene un'elevata robustezza meccanica del dispositivo elettronico.
Risulta infine chiaro che al dispositivo e al procedimento qui descritti ed illustrati possono essere apportate numerose variazioni e modifiche, tutte rientranti nell'ambito di protezione dell?invenzione come definito nelle rivendicazioni allegate.
Ad esempio, come sopra indicato, titanio, cromo, alluminio e tantalio possono essere utilizzati come metalli di cattura del carbonio, poich? sono in grado di formare composti stabili con il carbonio.
In aggiunta, come indicato, il primo e il secondo strato di contatto 20, 21 possono essere invertiti, per avere un primo strato 20 di una lega di Ti, Cr, Al, o Ta e un secondo strato 21 di una lega di nichel.

Claims (12)

RIVENDICAZIONI
1. Procedimento di fabbricazione di un dispositivo di carburo di silicio a partire da un corpo (11) comprendente carburo di silicio e avente una superficie posteriore (11B), il processo comprendendo:
formare un primo strato (20) di un primo metallo sulla superficie posteriore del corpo;
formare un secondo strato (21) di un secondo metallo, diverso dal primo metallo, sul primo strato per formare un multistrato (23),
il primo o il secondo metallo essendo nichel o una lega di nichel e formando uno strato a base di nichel,
un altro tra il primo e il secondo metallo essendo un metallo X o una lega di metallo X in grado di formare composti stabili con il carbonio e formare uno strato a base di metallo X; e
sottoporre a trattamento termico il multistrato (23) per formare uno strato misto (27) includente siliciuro di nichel e almeno uno tra carburo X o un composto ternario di metallo X-carbonio.
2. Procedimento secondo la rivendicazione 1, in cui l'altro metallo ? scelto tra titanio, cromo, alluminio e tantalio.
3. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui lo strato a base di nichel ha un primo spessore, lo strato a base di metallo X ha un secondo spessore e un rapporto primo spessore/secondo spessore ? inferiore a 1,7.
4. Procedimento secondo la rivendicazione precedente, in cui il rapporto primo spessore/secondo spessore ? compreso tra 0,3 e 1,5.
5. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui il multistrato (23) ha uno spessore compreso tra 20 nm e 150 nm.
6. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui lo strato a base di nichel ha uno spessore compreso tra 10 nm e 75 nm e lo strato a base di metallo X ha uno spessore compreso tra 10 nm e 75 nm.
7. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui il trattamento termico ? scelto tra annealing laser e annealing RTA.
8. Procedimento secondo la rivendicazione precedente, in cui l?annealing laser comprende utilizzare una densit? di energia compresa tra 3,4 J/cm<2 >e 4,8 J/cm<2>, ad una lunghezza d'onda compresa tra 290 nm e 370 nm; con durata dell'impulso compresa tra 100 ns e 300 ns; e in cui gli impulsi vengono ripetuti tra 1 e 5 volte.
9. Procedimento secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente inoltre attaccare chimicamente lo strato misto per rimuovere il metallo X superficiale non reagito, il carburo X e il nichel non reagito.
10. Dispositivo di carburo di silicio, comprendente: un corpo (11) includente carburo di silicio e avente una superficie posteriore; e
una regione di contatto (27) estendentesi sulla superficie posteriore (28) del corpo,
la regione di contatto (27) ? uno strato misto comprendente siliciuro di nichel e almeno uno tra carburo X o un composto ternario di metallo X e carbonio, in cui X ? un metallo diverso dal nichel.
11. Dispositivo di carburo di silicio secondo la rivendicazione precedente, in cui X ? scelto tra titanio, cromo, alluminio e tantalio.
12. Dispositivo di carburo di silicio, in cui lo strato misto (27) forma un'interfaccia (28) con il corpo (11) e lo strato misto non ha cluster di carbonio vicino all'interfaccia.
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