Способ повышения радиационной стойкости биполярных кремниевых структур

(51) МПК (2009) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ РАДИАЦИОННОЙ СТОЙКОСТИ БИПОЛЯРНЫХ КРЕМНИЕВЫХ СТРУКТУР(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 повышения радиационной стойкости биполярных кремниевых структур, при котором осуществляют их термообработку при температуре 400-450 С в течение 18002700 с и воздействуют проникающим излучением, отличающийся тем, что в процессе термообработки облучают упомянутые структуры пучком электронов с интенсивностью от 11010 до 51010 см-2 с-1. Изобретение относится к электронной технике, а более конкретно к методам повышения стойкости полупроводниковых приборов к воздействию дестабилизирующих факторов, в частности к воздействию ионизирующих излучений, и может быть использовано для увеличения радиационной стойкости приборов различных классов, основой которых являются структуры с переходами на -типа кремнии диодов, транзисторов, тиристоров. Обеспечение работоспособности полупроводниковых приборов в условиях длительного воздействия ионизирующих излучений - одна из основных проблем при их использовании в различных объектах ядерной и космической техники. Основным принципом повышения радиационной стойкости дискретных полупроводниковых приборов является использование для их изготовления исходного полупроводникового материала, характеристики которого (диффузионная длина, концентрация носителей заряда и т.д.) обладают низкой чувствительностью к радиационному воздействию. Стойкость приборов к воздействию ионизирующего излучения возрастает, например, по мере увеличения уровня легирования исходного кремния, т.е. его электропроводности. Это связано с тем, что начальная (до облучения) дефектность сильно легированного материала выше, чем слабо легированного и добавка структурных дефектов радиационной природы в такой материал в значительно меньшей степени, чем в чистый кремний, исказит его параметры. Однако потребность в полупроводниковых приборах с набором самых различных значений 13703 1 2010.10.30 эксплуатационных параметров требует использования для их изготовления исходного материала в широком диапазоне удельных сопротивлений 10-3-103 м см. Поэтому и уровень радиационной стойкости у таких приборов будет различен. Увеличение радиационной стойкости полупроводниковых приборов к необратимым радиационным нарушениям достигается также конструктивно технологическими и схемотехническими методами. Современные технологические методы в кремниевой электронике базируются на легировании исходного полупроводникового материала специальными примесями, снижающими чувствительность его к излучениям, а также на различных способах радиационной и термической обработок приборов или приборных структур. Известно 1, что при термической обработке кремния в интервале температур 300550 С образуются термодоноры. Указанная термообработка осуществляется для оптимизации параметров и получения заданных характеристик полупроводниковых приборов. Выбор условий термообработки определяет эффективность введения и тип образующихся термодоноров. Для конкретных задач имеет ограниченное применение. У полученных таким способом приборов увеличивается быстродействие и несколько повышается радиационная стойкость, но растет также падение напряжения в проводящем состоянии, что является крайне нежелательным. Известен способ обработки полупроводниковых приборов 2, включающий термообработку свыше 350 С плюс электронное облучение с последующей термообработкой свыше 300 С. Однако приборы, полученные таким образом, имеют повышенные токи утечки в запорном состоянии. Этим способом не достигается максимально возможного увеличения радиационной стойкости из-за ухудшения статических характеристик прибора. Способ трудоемок, требует сложного оборудования и имеет ограниченное применение. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ 3, предназначенный для обработки кремниевых структур. Способ включает, в том числе, операцию термообработки, которую предлагается проводить при температурах 400-450 С в течение до 60 минут. Однако с наибольшей эффективностью он может быть применен лишь к униполярным поверхностным приборным структурам и мало пригоден к биполярным. Воздействие же рентгеновского и ультрафиолетового излучения, предусмотренное этим способом, до и после термообработки вызывает нежелательный рост токов утечки. Задача изобретения - расширение возможности способа за счет оптимизации режимов терморадиационной обработки. Способ повышения радиационной стойкости биполярных кремниевых структур, при котором осуществляют их термообработку при температуре 400-450 С в течение 18002700 с и воздействуют проникающим излучением. Новым, по мнению авторов, является то, что в процессе термообработки облучают упомянутые структуры пучком электронов с интенсивностью от 11010 до 51010 см-2 с-1. Сущность изобретения. Известно, что термообработка кислородного -типа кремния в диапазоне 400-500 С существенно увеличивает его электропроводность. Это связано с введением термодоноров - структурных дефектов донорного типа, дающих в зависимости от типа дефекта энергетические уровни в запрещенной зоне с энергией ионизации 0,030,07 эВ и 0,140,17 эВ. В результате их введения концентрация носителей заряда в исходном материале увеличивается. Если аналогичной термообработке подвергается приборная структура (диодная, транзисторная или тиристорная) на основе кислородного типа кремния, то это приведет к изменению характеристик самого прибора, определенных нормами ТУ для приборов данного типа. Это нежелательное явление. Для практики необходимо добиться компромисса и ввести такую концентрацию термодоноров, чтобы электропроводность исходного кремния возросла в пределах, когда основные эксплуатационные характеристики прибора еще не выходят за пределы норм ТУ. В этом случае 2 13703 1 2010.10.30 более радиационно-стойким будет прибор на основе материала с большей проводимостью, как имеющий более высокую исходную степень дефектности. С другой стороны термодоноры снижают эффективность образования радиационных дефектов, а также компенсируют их влияние на характеристики прибора. В результате у термообработанных по заявляемому способу приборных структур критические изменения параметров наступают при дозах облучения в 5-8 раз больших, чем у обработанных по способу прототипа. Вероятно, при термообработке приборных структурах в условиях электронного облучения небольшой интенсивности (интенсивность - количество электронов, падающих на 1 см 2 поверхности кристалла в 1 с) более эффективно вводятся термодоноры самых различных типов (конфигураций) 4, определенное сочетание которых обусловливает наилучшее поведение электрических характеристик прибора при последующем радиационном воздействии. Интервал интенсивности электронного облучения выбран экспериментально. Термообработка при средней интенсивности облучения 11010 см-2 с-1 ( 11013 см-2 с-1 в импульсе) и продолжительности 2700 с дает худшие результаты по радиационной стойкости, а при средней интенсивности 51010 см-2 с-1 ( 51013 см-2 с-1 в импульсе) и продолжительности 1800 с приборы начинают выходить из строя по обратному току. Пример конкретного выполнения. На пластинах -типа кремния марки КЭФ диаметром 30 мм по стандартной диффузионной технологии были изготовлены образцы р-структур в количестве 60 шт. После нанесения контактов, скрайбирования и посадки р-структур на термокомпенсатор их помещали в капсулу, где задавалась и поддерживалась постоянной в период всего процесса обработки определенная температура из диапазона 400-450 С. Так, например, при достижении в капсуле температуры 425 С и выдержке образцов без облучения в течение 300 сек структуры подвергали электронному облучению с энергией 4 МэВ и интенсивностью пучка электронов 11010-51010 см-2 с-1 в течение 18002700 сек при температуре 425 С. После выключения электронного пучка структуры снова выдерживались в капсуле без облучения при температуре 425 С в течение 300 сек. Затем диодные структуры помещались в корпуса таблеточного типа и подвергались процедуре испытаний на радиационную стойкость. Испытание изготовленных диодов проводилось путем их облучения быстрыми электронами с энергией 4 МэВ при средней интенсивности потока частиц 21012 см-2 с-1 и комнатной температуре облучения. В качестве критерия радиационной стойкости использовалось двукратное изменение (увеличение) прямого падения напряжения на диоде при прямом токе 10 А. Обратный ток контролировался при напряжении 500 В. В таблице приведены результаты испытаний диодов на радиационную стойкость после терморадиационной обработки, проведенной по заявляемому способу и способу прототипа. Интенсивность электронного Условия 5109 11010 2,51010 51010 11011-2 -1 пучка, см с прототипа Продолжительность облуче 3500 2700 2200 1800 1000 ния, с Флюенс облучения, при котором наблюдается двукрат 6,51014 1,51015 21015 2,51015 2,01015 31014 ное увеличение прямого падения напряжения, см-2 Обратный ток, УТ, мА У 30 при- У 55 приТемпература измерений норма норма норма норма боров УТ боров УТ ТУ ТУ ТУ ТУ выше нор- выше нормы 13703 1 2010.10.30 Как видно из данных, приведенных в таблице, обработка диодных структур по заявляемому способу позволяет получить приборы в 5-8 раз более радиационно-стойкие, чем в случае обработки по способу прототипа, а выход за пределы интервалов интенсивности и продолжительности облучения приводит к худшим результатам. Источники информации 1. Бабич В.М. и др. Кислород в монокристаллах кремния. - Киев Интерпресс ЛТД,1997. 2. Патент США 6261874, опубл. 17.6.2001. 3. Патент 1464797 А 1, опубл. 20.11.1995. 4. Макаренко Л.Ф., Маркович В.П., Мурин Л.И. // Электронная техника, сер. 6. Материалы. - 1986. - Вып. 1. - С. 67-69. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4