Способ изготовления мощных быстродействующих тиристоров

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МОЩНЫХ БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИХ ТИРИСТОРОВ(71) Заявитель Государственное научнопроизводственное объединение Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению(72) Авторы Коршунов Федор Павлович Марченко Игорь Георгиевич Жданович Николай Евгеньевич(73) Патентообладатель Государственное научно-производственное объединение Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению(57) Способ изготовления мощных быстродействующих тиристоров путем облучения тиристорных структур электронами с энергией 2-10 МэВ флюенсом 31014-71014 см-2 при подаче обратного смещения на структуры и последующего отжига в течение 20-30 мин,отличающийся тем, что облучение осуществляют при обратном смещении величиной 6080 от напряжения пробоя анодного эмиттерного - перехода, температуре 80-160 К,интенсивности пучка электронов 1010-1012 см-2 с-1, а отжиг производят при температуре 623-653 . Изобретение относится к технологии изготовления полупроводниковых приборов на основе кремния, в частности к радиационно-технологической обработке тиристоров и может быть использовано в их массовом производстве. Известен 1 способ создания тиристоров с повышенным быстродействием, которое достигается локальной диффузией некоторых металлов (например, ,или ) в отдельные части четырехслойной тиристорной ррструктуры и электронным облучением остальной ее части. Способ позволяет реализовывать тиристоры с малыми токами утечки. Недостатком этого способа является то, что тиристоры имеют повышенные величины остаточного напряжения - падение напряжения на тиристоре в проводящем состоянии. Известен 2 способ создания тиристоров с малым временем выключения, согласно которому при формировании тиристорной структуры, прошедшей операцию диффузии золота, отделяют канавкой участок коллекторного перехода и соединяют полученный таким образом диод с контактом тиристорной структуры. В результате этого приема в тиристорной структуре возникает зона повышенной рекомбинации, обусловливающая локальное снижение времени выключения. 11372 1 2008.12.30 Однако этот способ, использующий сложные технологические приемы трудоемок,трудновоспроизводим в условиях производства, что ограничивает его возможности. Известен 3 способ изготовления быстродействующих мощных тиристоров на основе кремния, включающий облучение тиристорных структур электронами с последующим термоотжигом, отличающийся тем, что, с целью оптимизации параметров тиристоров, облучение проводят дозой (4 - 10) 1014 см-2 и термоотжиг проводят при температуре 425440 С в течение 2-3 ч. Недостатком способа является недостаточно высокое быстродействие при значениях остаточного напряжения на тиристоре у части приборов, выходящих за пределы технических условий (ТУ). Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ изготовления мощных быстродействующих тиристоров путем радиационной обработки кремниевых полупроводниковых приборов с рпереходами 4, включающий облучение приборных структур электронами с энергией 2-10 МэВ флюенсом (3-7) 1014 см-2 и последующий отжиг в течение 20-30 мин, облучение осуществляют при обратном смещении на рпереходах 100-300 В при температуре 90-120 К, термообработку осуществляют при температуре 503-543 К в течение (1,2-1,8)103 с. Недостатком данного способа является невозможность получить оптимальное (наилучшее) сочетания характеристик быстродействия и параметров прямой и обратной вольтамперной характеристик тиристоров, что ограничивает возможности способа. Задача изобретения - расширение возможности способа за счет оптимизации параметров радиационно-термической обработки. Способ изготовления мощных быстродействующих тиристоров путем облучения тиристорных структур электронами с энергией 2-10 МэВ флюенсом 31014 - 71014 см-2 при подаче обратного смещения на структуры и последующего отжига в течение 20-30 мин. Новым по мнению авторов является то, что облучение осуществляют при обратном смещении величиной 60-80 от напряжения пробоя анодного эмиттерного рперехода,температуре 80-160 К, интенсивности пучка электронов 1010 - 1012 см-2 с-1, а отжиг производят при температуре 623-653 К. Сущность способа состоит в следующем. При восстановлении блокирующей способности тиристора с остаточной электронно-дырочной плазмой 5, 6, наибольшей эффективностью для инициирования повторного включения обладает часть остаточного заряда,расположенного в базовых слоях вблизи коллекторного перехода. Поскольку в процессе выключения происходит перераспределение избыточного заряда в базах, то к моменту выключения основная часть его сосредоточена в приколлекторной области широкой базы. Таким образом целесообразно создать область повышенной рекомбинации именно здесь. Это можно сделать при подаче обратного смещения определенной величины на тиристор с тем, чтобы область пространственного заряда, размеры которой определяются, в основном, удельным сопротивлением -базы и величиной приложенного смещения, захватила область как можно ближе к коллекторному переходу. По оценкам концентрация вводимых электронным облучением радиационных дефектов в области пространственного заряда может быть на 40-60 меньше, чем в остальной части -базы. Наличие профиля радиационных дефектов в широкой базе с минимумом концентрации вблизи эмиттерного р-перехода и максимумом у коллекторного рперехода приводит к следующему 1. Область повышенной концентрации рекомбинационных центров оттесняется к коллекторному переходу, т.е. вблизи него создается область повышенной рекомбинации, что способствует увеличению быстродействия при меньшем росте остаточного напряжения. 2. Вблизи анодного эмиттерного перехода располагается область, где концентрация рекомбинационных центров снижена, а время жизни неосновных носителей заряда соответственно больше. Это приводит к увеличению глубины модуляции широкой базы неосновными носителями заряда, а значит к меньшему значению остаточного падения напря 2 11372 1 2008.12.30 жения по сравнению с образцами, имеющими иное распределение радиационных дефектов в широкой -базе тиристора. Кроме того, уменьшение концентрации генерационно рекомбинационных центров в области пространственного заряда ведет к снижению обратных токов утечки тиристоров. 3. Варьируя величину напряжения обратного смещения можно добиться наилучшего сочетания напряжения в открытом состоянии, быстродействия тиристора и минимальных обратных токов. Диапазон температур облучения (Т) в предлагаемом изобретении выбран исходя из того, что достижение Т 80 К представляет технически сложную задачу (необходим жидкий водород или гелий). При Т 160 К концентрация радиационных дефектов в области пространственного заряда анодного эмиттерного перехода имеет то же значение, что и остальной части широкой -базы, что не позволяет достичь требуемого эффекта. Диапазон интенсивностей пучка электроноввыбран из следующих соображений. При 11012 см-2 с-1 концентрация неравновесных носителей заряда, создаваемых в результате ионизации электронным пучком в объеме структур, велика, что приводит к выравниванию эффективности введения радиационных дефектов в область пространственного заряда и квазинейтральную часть широкой базы и утрате положительного эффекта облучения. При 11010 см-2 с-1 концентрация неравновесных носителей, возбуждаемых электронным пучком в процессе облучения мала, что также не позволяет получить необходимый градиент концентрации радиационных дефектов внутри и вне области пространственного заряда. Указанный нижний предел обратного смещения , подаваемого на структуру в процессе облучения - 60 от напряжения пробоя анодного эмиттерного рперехода (П.) выбран из следующих соображений. При 0,6 П. область с пониженной концентрацией радиационных дефектов занимает лишь небольшую часть широкой -базы, вследствие чего глубина ее модуляции неосновными носителями недостаточна и это приведет к быстрому росту остаточного напряжения и выходу его за пределы ТУ. Верхний предел обратного смещения ограничен тем, что при подаче на тиристорную структуру обратного смещения 0,8 П. в условиях сильной ионизации электронным пучком полупроводникового материала тиристорной структуры может произойти лавинный пробой, что приведет к значительной генерации носителей заряда, резкому возрастанию тока, текучего через тиристорную структуру ее локальному перегреву и утере положительного эффекта радиационной обработки. Диапазон температур отжига (ТОТЖ) выбран исходя из того, что А - центр, основной рекомбинационный центр в облученном кислородном кремнии при флюенсах электронного облучения (3 - 7) 1014 см-2, эффективно преобразуется в более термостабильные центры (с температурой отжига выше 450 С) именно в этом интервале температур. Данные об изменении параметров тиристорных структур, являющихся основой тиристоров на токи до 16 А и обратные напряжения до 1300-2000 В, при изменении температуры облучения, интенсивности пучка электронов, величины обратного смещения и температуры отжига приведены в таблице. В ней же приведены данные о параметрах тиристоров, изготовленных по способу прототипа. В таблице используются следующие сокращения 1. Параметров тиристоров остаточное напряжение в открытом состоянии при фиксированном токе (ОСТ) обратный ток утечки (УТ) время выключения (ВЫКЛ). 2. Параметров облучения температура облучения (Т) интенсивность пучка электроновобратное смещениетемпература отжига (ТОТЖ), напряжение пробоя анодного эмиттерного рперехода (П.). 3 11372 1 2008.12.30 Изменение параметров тиристорных структур при облучении по заявляемому способу (примеры 2-4) и способу прототипа (пример 6) (энергия электронов 6 МэВ,флюенс 51014 см-2, время отжига 25 мин)(норма по (исх. значение по ТУ 2,2 В) ТУ 10 мА) 200 мкс) 310 2,1-2,5 5-8 37-42 350 1,8-1,95 3-6 25-30 360 1,85-1,9 4-5 23-28 380 1,8-1,95 5-6 24-29 420 2-2,3 6-8 38-41 150 2,2-2,6 7-10 25-35 Из данных таблицы следует, что выход за пределы (примеры 1,5) радиационнотермической обработки, указанные в формуле приводит к худшим результатам и ограничивает возможность достижения оптимальной совокупности характеристик обрабатываемых тиристоров. Преимуществом заявляемого способа по сравнению с известным является возможность получения мощных быстродействующих тиристоров с низкими значениями остаточного напряжения и их использования в энергосберегающей аппаратуре. Источники информации 1. Патент США 4177477, МПК 01 29/74, 1979. 2. Грехов И.В., Костина Л.С., Сергеев В.Г. О новой возможности уменьшения времени выключения высоковольтных ррструктур // Физика и техника полупроводников. 1971. - Т.5. - ВЫП. 7. - С. 1409-1415. 3. Патент 1151148, МПК 01 21/263, 2000. 4. Патент 8754, МПК 01 21/263, 21/26, 21/322, 2006. 5. Герлах В. Тиристоры Пер. с нем. - М. Энергоатомиздат, 1985. 6. Тейлор П. Расчет и проектирование тиристоров. - М. Энергоатомиздат, 1990. 208 с. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4