專利名稱：硅pnp型高頻小功率晶體管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種高頻晶體管，具體地，涉及一種硅PNP型高頻小功率晶體管， 其屬于半導體硅PNP高頻小功率管領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
高頻晶體管主要指特征頻率大于3MHZ的晶體管，其有兩大類型一類是用作小信號放大的高頻小功率管；另一類為高頻功率管，其在高頻工作時允許有較大管耗，且輸出功率較大。此外，晶體管的耗散功率也稱集電極最大允許耗散功率P,其主要是指晶體管參數(shù)變化不超過規(guī)定允許值時的最大集電極耗散功率，通常將耗散功率Pai小于IW的晶體管稱為小功率晶體管，PeM等于或大于1W、小于5W的晶體管被稱為中功率晶體管，而將P。M等于或大于5W的晶體管稱為大功率晶體管。半導體硅PNP型高頻小功率晶體管的制造基本已趨于成熟，特別是近幾年來隨著半導體制造技術(shù)的發(fā)展，工藝設(shè)備的不斷更新，硅材料片的面積愈來愈大，從4英寸、5英寸、6英寸、8英寸乃至12英寸等，生產(chǎn)效率和產(chǎn)量不斷提高，而成品率也相應地提高。由于技術(shù)的提高，單個管芯的面積在保證原性能指標的前提下也愈來愈小。一般而言，在生產(chǎn)硅PNP高頻小功率晶體管時，其襯底硅片采用的是摻硼的P型硅單晶片，該硅單晶片材料電阻率一般是在0. 02歐姆-厘米以下，其硼原子的摻雜濃度在 5X IO18原子每立方厘米以上，這是屬于摻雜濃度比較高的一種材料。同時，在硅PNP高頻小功率晶體管的背面一般需要蒸鍍(即真空蒸鍍工藝)有金的金屬層，因為金具有可焊性好、不易氧化、性能穩(wěn)定等特點，其通常是作為半導體芯片在組裝裝配時的焊接層而設(shè)計加工的。此外，金原子在半導體硅中的另一方面特點是在硅中的能級接近禁帶中部的深能級，具有復合中心的作用，這種復合中心能減少基區(qū)的少子(即少數(shù)載流子)的壽命，使器件的開關(guān)速度加快或工作頻率提高，因此，半導體的快速開關(guān)器件和高頻器件在硅片的背面通常蒸鍍或濺鍍一層金，再用適當?shù)母邷赝嘶鹛幚硎菇饠U散到硅片的內(nèi)部，達到設(shè)計和使用的目的。但是，金在半導體內(nèi)的還有另一性質(zhì)，即金的摻入會引起半導體硅(無論是P型硅還是N型硅)電阻率的變化，且半導體硅的初始電阻率和金的濃度愈高，則硅片的電阻率會變得愈高。換句話說，當金的濃度比半導體施主或受主的摻雜濃度小很多時，金原子對電阻率的影響可以忽略；但是當金的濃度與雜質(zhì)濃度可以相比擬時，則發(fā)生載流子在金原子的深能級上的復合，這些深能級中的每個能級將從N型半導體的導帶中或從P型半導體的價帶中奪走一個多數(shù)載流子，因此半導體中的多數(shù)載流子濃度會變小，這會導致電阻率提高。 材料電阻率的變高勢必影響晶體管的電性能參數(shù)，如飽和壓降升高，這對于晶體管是非常不理想的，其已經(jīng)成為高頻小功率管領(lǐng)域的一個比較難于解決的技術(shù)問題。有鑒于現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，需要一種新型的硅PNP型高頻小功率晶體管。
實用新型內(nèi)容本實用新型的目的是提供一種新型的硅PNP型高頻小功率晶體管，以克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，該高頻小功率晶體管不但工作頻率高，而且能夠有效地降低飽和壓降。上述目的通過如下技術(shù)方案實現(xiàn)硅PNP型高頻小功率晶體管，包括P型襯底硅片，其中，該P型襯底硅片的外表面設(shè)有由三族元素中的任一種元素與金形成的合金復合層。優(yōu)選地，所述三族元素為鎵，所述P型襯底硅片的外表面設(shè)有金鎵合金復合層。優(yōu)選地，所述金鎵合金復合層通過蒸鍍或濺鍍工藝形成在所述P型襯底硅片的外表面。優(yōu)選地，所述金鎵合金復合層在所述P型襯底硅片外表面的厚度為1至2微米，并且該金鎵合金復合層擴散到所述P型襯底硅片內(nèi)的深度為0. 3至1微米。通過本實用新型的上述技術(shù)方案，所述硅PNP型高頻小功率晶體管按一定比例的三族元素中的任一種(例如鎵)摻入純金替代原來的背金(即背面金屬化)，使得合金復合層達到一定的厚度和金層總量的要求，并對P型襯底硅片的背面(即外表面)有一定深度的滲入。實驗證實，本實用新型的硅PNP型高頻小功率晶體管有利于成品芯片在封裝過程中提高可焊性、降低硅PNP高頻小功率晶體管的飽和壓降、降低飽和壓降的變化率，提高晶體管性能參數(shù)的穩(wěn)定性。

圖1為本實用新型具體實施方式
的硅PNP型高頻小功率晶體管的主視示意圖；圖2為本實用新型具體實施方式
的高頻小功率晶體管沿圖1中的A-A線的剖面圖；圖3至圖6為本實用新型具體實施方式
的高頻小功率晶體管的飽和壓降Vce (sat) 的變化率隨蒸鍍合金中鎵含量的變化而變化的數(shù)據(jù)曲線示意圖；圖7為本實用新型具體實施方式
的高頻小功率晶體管的飽和壓降Vce(Sat)的平均值隨蒸鍍合金中鎵含量的變化而變化的狀態(tài)示意圖。圖中1鈍化層；2 二氧化硅層；3發(fā)射極硼擴散區(qū)；4基極磷擴散區(qū)；5鋁層；6N型外延層；7P型襯底硅片；8金鎵合金層
具體實施方式
以下結(jié)合附圖描述本實用新型硅PNP型高頻小功率晶體管的具體實施方式
。如上所述，半導體硅PNP型高頻小功率晶體管的技術(shù)目前已經(jīng)比較成熟，盡管在生產(chǎn)實踐中各種型號的硅PNP型高頻小功率晶體管在細節(jié)上略有區(qū)別，但其基本結(jié)構(gòu)是類似的。參見圖1，硅PNP型高頻小功率晶體管主要包括鈍化層1、二氧化碳層2、發(fā)射極硼擴散區(qū)3、基極磷擴散區(qū)4、鋁層5、N型外延層6、P型襯底硅片7以及形成P型襯底硅片7外表面上的復合層，該復合層一般作為安裝用的焊接層。這種焊接層在現(xiàn)有技術(shù)中一般均為金復合層，但是金復合層如上所述存在固有的諸多缺點。為保持器件的飽和壓降不被升高，就得補充載流子因金引入復合中心的損失。也就是說，通過將金與相應的元素摻雜以補償多數(shù)載流子被金原子深能級俘獲所造成的損失這個思想，用到硅PNP型高頻小功率晶體管的制管工藝，實驗證實，把金同三族元素中的任一種的合金用到硅PNP型高頻小功率晶體管的制作工藝中作為P型襯底硅片7的復合層具有比較好的效果。由此得到本實用新型的基本技術(shù)方案，即硅PNP型高頻小功率晶體管，包括P型襯底硅片7，該P型襯底硅片7的外表面形成有三族元素中的任一種與金的合金復合層。三族元素主要包括硼、鋁、鎵、銦以及鉈，根據(jù)元素周期表的性質(zhì)可知，三族元素具有相似的原子結(jié)構(gòu)，因此其運用于硅PNP型高頻小功率晶體管所達到的效果是類似的。鎵作為一種三族元素，由于它性能穩(wěn)定、無毒、熔點低、摻入金后可焊性提高且不易氧化，所以優(yōu)選使用，當然，其它三族元素的性質(zhì)是類似的。以下以金鎵合金為例具體說明本實用新型的硅PNP型高頻小功率晶體管的技術(shù)方案。分別選用含鎵量(質(zhì)量百分比)分別為0. 3%,0. 2%,0. 的三族金鎵合金和純金0. 0%作為PNP高頻小功率晶體管襯底硅片的背金層(即外表面復合層)材料，每組合金的成品管各隨機取50只，做高溫儲存試驗(125 140°C /148小時)，分別考察每組各50 個晶體管的飽和壓降VCE(sat)的變化率以及平均值隨合金中鎵含量的變化的結(jié)果(參見圖3、圖4、圖5、圖6和圖7)，從圖中的直觀結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)含鎵量為0. 2%的金鎵合金引起的飽和壓降變化率最小(圖4)且飽和壓降的平均值也相當?shù)?，比用純金的飽和壓降低約25 毫伏左右(圖7)，從而使得得到參數(shù)相當可觀的提升。因此，對PNP高頻小功率管的背金層采用含鎵量0.2%的金鎵合金可以得到1)比用純金降低飽和壓降VCE(sat)約25毫伏的收益；幻可以得到較小的飽和壓降總體變化率，即提高了器件參數(shù)的穩(wěn)定性。在P型襯底硅片7的外表面可以通過蒸鍍工藝形成含鎵量0. 2%的金鎵合金，具體可以采用如下實施步驟第一，蒸鍍前硅片的清潔處理用HF_5(即0. 5%濃度的氫氟酸)清洗液浸泡30 秒；第二，蒸鍍前金鎵合金準備取用清潔的純金絲36g加金鎵合金絲(鎵含量 10% )0. 7g—同放置在蒸鍍系統(tǒng)的坩堝中；第三，按蒸鍍工藝操作規(guī)程進行真空蒸鍍操作直到把坩堝中的金鎵合金蒸鍍完畢，再按蒸鍍系統(tǒng)的操作規(guī)程取出已蒸鍍硅片放在石英舟上，為下步退火做好準備；第四，抽檢背金層，金層厚度應大于等于1.7微米；硅片的蒸鍍金層重量應大于 0.3克；第五，金鎵合金層蒸鍍之后應立即進入高溫420°C退火爐、30分鐘的退火，這里要注意進出爐過程的速度都應設(shè)置為30厘米/每分鐘，第六，退火后的硅片用HF-5浸泡15秒；第七，檢驗背面合金層金層厚度應為1. 2微米左右。至此，硅PNP型高頻小功率管的襯底硅片的背面(即外表面)形成金鎵合金復合層的工藝的工序已經(jīng)完成。這里驗證一下工藝中金鎵合金中的含鎵百分比r r{Ga/Au)=——°·7χ10%——^ML = 0.00191 0.2% L J 0.7χ(1-10%) + 36 36.63這個結(jié)果正是高溫試驗最佳條件的結(jié)果金鎵合金鎵含量0. 2%。[0037]該技術(shù)已在我公司的硅PNP高頻小功率晶體管生產(chǎn)中廣泛進行了實驗，取得了非常良好的技術(shù)效果。也就是說，本實用新型的使用金鎵合金替代純金做背金材料的硅PNP 形高頻小功率晶體管，控制鎵的含量為0. 2%，能獲得飽和壓降平均值下降25毫伏，并且得到飽和壓降變化率最低的統(tǒng)計結(jié)果。當然，上述0.2%的鎵含量并不是固定的，根據(jù)實際應用情形，其可以變化以取得理想的技術(shù)效果。從本質(zhì)而言，上述優(yōu)選實施例是按一定比例的鎵摻入純金替代原來背金(背面金屬化)使用純金的工藝，金鎵合金的蒸鍍層應有一定的厚度和金層總量的要求，并對硅片的背面有一定深度的滲入，且有蒸鍍后退火工藝以及相應的清潔處理要求，該工藝有利于成品芯片在封裝過程中提高可焊性、降低硅PNP高頻小功率晶體管的飽和壓降、降低飽和壓降的變化率，提高參數(shù)的穩(wěn)定性。作為一種例舉性的實施例，作為金鎵合金的鎵含量的重量比為0. 2% ；并且，復合合金層的總量控制為每5英寸硅片為0. 3克復合合金層；此外，金鎵合金復合層在P型襯底硅片7的外表面的厚度控制為1-2微米(例如優(yōu)選1. 2微米)，該金鎵合金復合層擴散入P型襯底硅片7內(nèi)部的深度為0. 3-1微米(例如上述實施例中的0.5微米)。以上僅以金鎵合金為例進行了說明，但是，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)實際應用情形以及三族元素的公知性質(zhì)，可以通過有限的實驗能夠很容易地將上述實施例的含量以及工藝要求擴展到其它三族元素的應用上。也就是說，凡是將金同三族元素中的任一種形成合金取代純金作為P型襯底硅片7的背面(外表面)材料，并以這個方法降低晶體管的飽和壓降以及降低晶體管飽和壓降變化率以的，都屬于本實用新型的保護范圍。
權(quán)利要求1.硅PNP型高頻小功率晶體管，包括P型襯底硅片(7)，其特征是，該P型襯底硅片(7) 的外表面設(shè)有由三族元素中的任一種元素與金形成的合金復合層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅PNP型高頻小功率晶體管，其特征是，所述三族元素為鎵， 所述P型襯底硅片(7)的外表面設(shè)有金鎵合金復合層。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的硅PNP型高頻小功率晶體管，其特征是，所述金鎵合金復合層通過蒸鍍或濺鍍工藝形成在所述P型襯底硅片(7)的外表面。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的硅PNP型高頻小功率晶體管，其特征是，所述金鎵合金復合層在所述P型襯底硅片(7)外表面的厚度為1至2微米，并且該金鎵合金復合層擴散到所述 P型襯底硅片(7)內(nèi)的深度為0. 3至1微米。
專利摘要硅PNP型高頻小功率晶體管，包括P型襯底硅片(7)，其中，該P型襯底硅片(7)的外表面形成有由三族元素中的任一種元素與金形成的合金復合層。本實用新型的硅PNP型高頻小功率晶體管按一定比例將三族元素中的任一種，例如鎵摻入純金替代原來晶體管的背金(即背面金屬化)，使得合金復合層達到一定的厚度和金層總量的要求，并對襯底硅片的背面，即外表面形成一定深度的滲入。實驗證實，本實用新型的硅PNP型高頻小功率晶體管有利于成品芯片在封裝過程中提高可焊性、降低所述硅PNP高頻小功率晶體管的飽和壓降、降低飽和壓降的變化率，提高晶體管性能參數(shù)的穩(wěn)定性。
文檔編號H01L29/26GK201985100SQ20102067622
公開日2011年9月21日 申請日期2010年12月14日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月14日
發(fā)明者張俊, 張順英 申請人:揚州晶新微電子有限公司