Способ изготовления силовых кремниевых диодов

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СИЛОВЫХ КРЕМНИЕВЫХ ДИОДОВ(71) Заявитель Государственное научнопроизводственное объединение Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению(72) Автор Марченко Игорь Георгиевич(73) Патентообладатель Государственное научно-производственное объединение Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению(57) Способ изготовления силовых кремниевых диодов, при котором локальнооблученные, отожженные и посаженные в корпуса диоды облучают электронами с энергией от 2 до 10 МэВ флюенсом от 51015 до 51016 см-2 через маску с отверстиями, материал и толщина которой обеспечивают облучение защищенных участков электронами с энергией от 330 до 370 кэВ, и осуществляют последующий термический отжиг при 450 С в течение от 30 до 40 мин проводят повторное облучение упомянутых диодов в течение 200 с при интенсивности пучка электронов 11011 см-2 с-1 флюенсом не более 21013 см-2,после чего повторно отжигают упомянутые диоды при 1753 С в течение 48 часов. Изобретение относится к области полупроводниковой электроники и может быть использовано в технологии быстродействующих кремниевых силовых диодов большой мощности для энергосберегающей аппаратуры. Известен способ 1 изготовления полупроводниковых структур (диодных, транзисторных, тиристорных) с повышенным быстродействием, которое достигается путем их облучения различными видами проникающих излучений и последующим стабилизирующим отжигом. Недостатком этого способа является то, что он не позволяет получить достаточно высокое быстродействие и допускает большой разброс параметров в облученных приборах. Известен способ получения быстродействующих кремниевых диодов 2, заключающийся в проведении двух технологических процессов. На первой стадии проводят облучение электронами с энергией 0,412 МэВ флюенсом 10141015 см-2 при температуре 250350 С. На второй - проводят отжиг приборов при температуре 290310 С в течение 36 ч. Недостатками указанного способа являются ограниченный частотный диапазон работы изготовленных диодов, большой разброс параметров их быстродействия и, как следствие, невысокий процент выхода годных приборов. 15626 1 2012.04.30 Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ изготовления биполярных полупроводниковых приборов силовых диодов, транзисторов и тиристоров 3, характеризующийся тем, что проводят облучение приборных структур электронами с энергией 2-10 МэВ флюенсом 51015 - 51016 см-2 через маску с отверстиями, материал и толщина которой обеспечивают облучение защищенных участков электронами с энергией 330-370 кэВ, и последующий термический отжиг при 450 С в течение 30-40 мин. Недостаток этого способа применительно к силовым диодам большой мощности связан с существенным разбросом приборов как по быстродействию, так и параметрам прямой проводимости, ввиду недостаточной воспроизводимости результатов типового технологического процесса, после проведения радиационно термической обработки, что в итоге снижает процент выхода годных приборов. Задача изобретения - снижение разброса диодов по быстродействию (времени восстановления обратного сопротивления диода) и повышение процента выхода годных приборов. Способ изготовления силовых кремниевых диодов, при котором локальнооблученные, отожженные и посаженные в корпуса диоды облучают электронами с энергией от 2 до 10 МэВ флюенсом от 51015 до 51016 см-2 через маску с отверстиями, материал и толщина которой обеспечивают облучение защищенных участков электронами с энергией 330-370 кэВ, и осуществляют последующий термический отжиг при 450 С в течение от 30-40 мин. Новым, по мнению авторов, является то, что проводят повторное облучение упомянутых диодов в течение 200 с при интенсивности пучка электронов 11011 см-2 с-1 флюенсом не более 21013 см-2, после чего повторно отжигают упомянутые диоды при 1753 С в течение 48 часов. Сущность способа состоит в том, что быстродействующие диоды, изготовленные с использованием локального способа облучения, создающего зоны повышенной рекомбинации (ЗПР) неравновесных носителей заряда (ННЗ) в приборной структуре, обеспечивая тем самым низкое значение прямого падения напряжения на диодепри необходимом быстродействии, нуждаются в доводке параметров на заключительном этапе их производства. Дело в том, что введение ЗПР в диодные структуры до посадки их в корпуса бесспорно технологично, но посаженные в корпуса диодные структуры имеют больше допустимого разброс по быстродействию времени восстановления обратного сопротивления диода . Выбор флюенса повторного облучения в пределах до 21013 см-2 обусловлен необходимостью получения диодов с минимальным разбросом по величине , допустимым изменением статических характеристик и максимальным процентом выхода годных приборов. Температура и продолжительность повторного отжига (1753 С в течение 48 часов) облученных диодов определены экспериментально с учетом гарантии стабильности их параметров в интервале рабочих температур эксплуатации и надежности корпусов. Пример конкретного выполнения. Основной эксперимент по опробованию данного способа изготовления кремниевых диодов большой мощности был проведен на высоковольтных (до 4500 В) диодах, рассчитанных на ток 320 А. Разрабатываемый способ должен обеспечить получение мощных высоковольтных диодов для железнодорожного электротранспорта со следующими характеристиками 2,5 мкс,3,5 В. Были отобраны три партии локально-облученных, отожженных и посаженных в корпуса диодов по 20 штук в каждой и измерены их исходные параметры. Повторная радиационно-термическая обработка диодов партии 2 (по предложенному способу) проводилась по следующей схеме. Диоды в корпусах в количестве 20 штук загружались в облучательную капсулу, размещенную перед выходным окном ускорителя электронов с 2 15626 1 2012.04.30 энергией 4 МэВ. После включения ускорителя проводилось повторное облучение капсулы с диодами в течение 200 с при интенсивности пучка электронов 11011 см-2-1 до флюенса 21013 см-2. После завершения облучения диоды проходили повторный отжиг, для чего они помещались в термостат, где выдерживались в течение 48 ч при температуре 1753 С. Обработка закончена. Партия 3 прошла сначала обработку по способу прототипа и повторные облучение,отжиг, но в режимах, выходящих за пределы, указанные в предложенном способе. Партия 1 прошла обработку только по способу прототипа и не подвергалась повторным облучению и отжигу. После указанных обработок проводился контроль параметров диодовис использованием общепринятых метрологических средств и методов. Процент разброса по быстродействию рассчитывался как отношение максимального отклонения времени восстановления обратного сопротивления диода к среднему значению этого параметра по всей партии. Процент выхода годных рассчитывался как отношение количества диодов, полностью удовлетворяющих нормам ТУ, к общему количеству приборов, направленных на радиационно-термическую (облучение, отжиг) обработку. Данные приведены в таблице. Первая партия (прототип) разброс диодов по времени восстановления обратного сопротивления составляет 11-14 , процент выхода годных приборов - 84-91 . Вторая партия (заявляемый способ) разброс диодов по времени восстановления обратного сопротивления составляет 5-7 , процент выхода годных приборов - не менее 95 . Изменение процента разброса диодов по быстродействию и процента выхода годных приборов в зависимости от режимов повторной радиационно-термической Режим повторного отжига Разброс диодов Флюенс повторноВыход годных парпо быстродейст-2 го облучения, см диодов,, ч Т, С тии вию,1 прототип 11-14 91 13 2 175 48 5-7 95 210 13 13 3 150/190 24/60 10/14 84/79 110 /510 Третья партия (обработка за пределами режимов) разброс быстродействия по времени восстановления обратного сопротивления диода составляет 10 , а процент выхода годных приборов - 84 , если флюенс облучения, температура и время отжига ниже, чем в заявляемом способе, и разброс быстродействия - до 14 , а процент выхода годных - до 79 , если флюенс облучения, температура и время отжига выше, чем в заявляемом способе. У части приборов наблюдалось превышение на 0,15-0,25 В допустимого по нормам ТУ прямого падения напряжения. Таким образом, предложенный способ по сравнению с известным позволяет более чем в два раза снизить разброс диодов по быстродействию и увеличить до 4 процент выхода годных приборов. Источники информации 1. Заявка ФРГ 2755418, МПК 01 21/324, 1979. 2. Патент США 4137099, МПК 01 21/263, 1979. 3. Патент 2100871, С 1, МПК 01 21/263, 1997. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 3