Способ радиационной обработки приборных структур при изготовлении быстродействующих полупроводниковых приборов

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ РАДИАЦИОННОЙ ОБРАБОТКИ ПРИБОРНЫХ СТРУКТУР ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ(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 радиационной обработки приборных структур при изготовлении быстродействующих полупроводниковых приборов, в котором облучают приборные структуры электронами с энергией до 12 МэВ флюенсами от 1013 до 1016 см-2 при интенсивности пучка электронов 21011 см-2 с-1, проводят последующий отжиг при температуре от 290 до 310 С в течение 20 мин, причем приборные структуры в процессе облучения экранируют алюминиевой пластиной, толщину которой выбирают от 0,80 до 0,90, где 0 - длина полного пробега электронов, падающих на пластину, а экран располагают на расстоянии не менее 80 см от источника электронов. Изобретение относится к электронной технике и может быть использовано в технологии производства быстродействующих полупроводниковых приборов ключевого типа на основе кремния диодов, транзисторов и тиристоров. Известен 1 способ радиационной обработки кремниевых полупроводниковых приборов с переходами, включающий облучение электронами с энергией 2-10 МэВ при обратном смещении на переходах при пониженной температуре при 90-120 К и последующую термообработку при температуре 503-543 К. Он позволяет получить приборы с высокими параметрами, но при этом наблюдается значительный разброс их характеристик и, как следствие, снижение процента выхода годных приборов. Известен 2 способ радиационной обработки при создании быстродействующих полупроводниковых приборов на основе кремния, включающий облучение приборных структур электронами с энергией 1-25 МэВ флюенсами 1014-1017 см-2 при температурах 173-403 К и последующий отжиг при температуре 150-200 С. Однако при обработке данным способом не достигается максимально возможное быстродействие из-за роста прямого падения напряжения на приборе. 15720 1 2012.04.30 Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ 3 обработки полупроводниковых приборов с целью увеличения их быстродействия, включающий облучение приборных структур электронами с энергией до 12 МэВ флюенсами 1013-1016 см-2 и последующий отжиг при 290-310 С. Однако приборы, полученные таким образом, имеют повышенные значения падения напряжения в проводящем и повышенные токи утечки в запорном состояниях. Задача изобретения - улучшения параметров быстродействующих приборов за счет уменьшения прямого падения напряжения и обратного тока. Способ радиационной обработки при изготовлении быстродействующих полупроводниковых приборов, в котором облучают приборные структуры электронами с энергией до 12 МэВ флюенсами от 1013 до 1016 см-2 при интенсивности пучка электронов 21011 см-2 с-1,проводят последующий отжиг при температуре от 290 до 310 С в течение 20 мин, причем приборные структуры в процессе облучения экранируют алюминиевой пластиной, толщину которой выбирают от 0,80 до 0,90, где 0 - длина полного пробега электронов, падающих на пластину, а экран располагают на расстоянии не менее 80 см от источника электронов. Сущность изобретения. Использование радиационной обработки, предлагаемой в настоящем изобретении, позволяет вводить в базовую область прибора радиационные дефекты с неоднородным по глубине базы распределением и дающие в запрещенной зоне кремния преимущественно более мелкие энергетические уровни - центры захвата и рекомбинации носителей заряда. В этом случае при тех же параметрах процесса переключения из проводящего состояния в блокирующее приборы с неоднородным профилем времени жизни неравновесных носителей заряда в базе будут иметь меньшие падения прямого напряжения на приборной структуре 4, 5. Уменьшение концентрации в экранируемых структурах более глубоких рекомбинационных уровней обеспечивает снижение генерационной составляющей тока в обратно-смещенных -переходах. Создание условий радиационной обработки, при которых в базовой области прибора образуется оптимальный профиль распределения радиационных дефектов, осуществлялось экспериментально путем подбора толщины алюминиевого экрана исходя из энергии падающих на экран электронов и учетом энергетических потерь в материале экрана с помощью эмпирического соотношения(0,8-0,9)0, где 0 - длина полного пробега электронов в материале экрана. При меньшей или большей толщине экрана получаются худшие результаты в первом случае из-за того, что профиль распределения радиационных дефектов по толще базы близок к однородному, а во втором - из-за слишком большого снижения энергии электронов, недостаточной для дефектообразования. Оптимальным расположением экрана от источника электронов является расстояние 80 см. При меньшем расстоянии потребуется принудительное охлаждение экрана, а при расстоянии большем, чем 80 см способ обработки усложняется тем, что потребует эксплуатации ускорителя электронов в экстремальных режимах работы. Пример конкретного выполнения. Опробование данного способа было проведено на образцах бескорпусных-диодах,рассчитанных на постоянный прямой ток 10-15 А и обратное напряжение до 1500 В. Были отобраны три партии диодов по 30 штук в каждой и измерены их исходные параметры. Для облучения использовался линейный импульсный ускоритель электронов ЭЛУ-4 с энергией частиц 4 МэВ. Длина полного пробега электронов с энергией 4 МэВ в алюминии составляет 07,4 мм 6. Образцы располагались в плоскости, перпендикулярной к направлению падающего электронного пучка, а облучение велось со стороны-области структур. Между выходным окном ускорителя и образцами размещалась экранирующая система из набора алю 2 15720 1 2012.04.30 миниевых пластин, позволяющая изменять толщину экрана от 5,2 до 8,1 мм, что составляет (0,7-1,1)0, и осуществлять его охлаждение продувкой парами азота. Интенсивность пучка электронов, падающего на экран, составляла 21011 см-2 с-1, температура в зоне облучения не превышала 300 К. Время облучения определялось толщиной экрана и необходимостью снижения времени жизни носителей в базе до одинаковой величины 2 мкс. После облучения образцы отжигались при 300 С в течение 20 мин и проходили стадию посадки в корпуса. После указанных обработок проводился контроль параметров диодов времени жизни неравновесных носителей заряда , прямого падения напряженияи обратного тока с использованием общепринятых метрологических средств и методов. Данные приведены в таблице. Изменение соотношения параметров диодов в зависимости от толщины алюминиевого экрана (пластины) и его расположение от источникапартии 1 2 3 4 5 6 Расстояние от источника Толщина экрана, мм электронов до экрана, см Прототип 40 5,2 60 5,9 80 6,3 100 6,7 120 8,1 Условия измерений 1 -25 С 102 -125 С 1000 В. Из данных таблицы следует, что при энергии электронов 4 МэВ оптимальной толщиной алюминиевою экрана является 6,3 мм при расположении его от источника электронов на расстоянии 80 см. При одинаковом быстродействии лучшего сочетания прямого падения напряжения и обратного тока можно достичь у диодов, облученных в этих условиях. Источники информации 1. Патент 8754 1, 2006. 2. А.с. СССР 676108, 1979. 3. Патент 4137099, 1979. 4. Коршунов Ф.П. и др. // Известия АН Беларуси. Сер. физ-мат. наук. -1. - 1997. . 117-121. 5. Марченко И.Г., Жданович Н.Е. // Письма в ЖТФ. - 2010. - Т. 36. - В. 10. - С. 45-51. 6. Стародубцев С.В., Романов Прохождение заряженных частиц через вещество. Ташкент Изд. АН Узбек.ССР, 1962. - С. 206. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 3