Способ регулирования времени жизни неосновных носителей заряда в полупроводниковых приборах на эпитаксиальном кремнии

(51) МПК (2009) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ ВРЕМЕНИ ЖИЗНИ НЕОСНОВНЫХ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА В ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРАХ НА ЭПИТАКСИАЛЬНОМ КРЕМНИИ(71) Заявитель Государственное научнопроизводственное объединение Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению(72) Авторы Марченко Игорь Георгиевич Жданович Николай Евгеньевич Гурин Павел Михайлович(73) Патентообладатель Государственное научно-производственное объединение Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению(57) Способ регулирования времени жизни неосновных носителей заряда в полупроводниковых приборах на эпитаксиальном кремнии, в котором непосредственно после формирования переходов, нанесения омических контактов и посадки полупроводникового кристалла с приборной структурой на термокомпенсатор регулирование осуществляют с помощью высокоэнергетического электронного облучения с энергией от 3 до 5 МэВ путем радиационно-стимулированного геттерирования остаточных дефектов и введения дополнительных центров рекомбинации, отличающийся тем, что приборную структуру сначала облучают электронами до флюенса 11014 см-2 при температурах от 270 до 330 С для увеличения времени жизни и потом до флюенса 11016 см-2 при температурах от -150 до 150 С для снижения времени жизни, а интенсивность пучка электронов подбирают такой, чтобы время облучения не превышало 600 и 3000 с соответственно. Изобретение относится к электронной технике и может быть использовано в производстве полупроводниковых приборов диодного, транзисторного или тиристорного типа,изготовленных на основе эпитаксиального кремния. Процесс регулирования времени жизни неосновных носителей заряда (ННЗ) традиционно применяется при изготовлении различных полупроводниковых приборов 1. Существуют две возможности регулирования времени жизни удаление сокращающих время жизни дефектов в процессе изготовления приборов и контролируемое уменьшение времени жизни ННЗ для определения его быстродействия. 13719 1 2010.10.30 Для увеличения времени жизни ННЗ разработаны процессы, позволяющие удалять остаточные дефекты, которые называют геттерированием. При успешном применении геттерирования время жизни ННЗ в приборной структуре на завершающем этапе ее изготовления будет значительным. Этим самым уже гарантируется выполнение условия низкого падения напряжения на приборе в открытом состоянии, и для приборов, используемых на низких частотах, дальнейшего регулирования времени жизни не требуется. Однако технологические методы геттерирования трудоемки, сложны и не обеспечивают полной гарантии управляемости временем жизни носителей заряда. Для уменьшения времени жизни ННЗ при создании быстродействующих приборов применяется легирование, например золотом или платиной, или используется излучение высокой энергии. В обоих случаях важно создать глубокий центр захвата в запрещенной зоне кремния, действующий как уровень рекомбинации для электронов или дырок. Известен 2 способ управления временем жизни ННЗ в полупроводнике с -переходом посредством облучения пучком электронов через полуизолирующий слой,нанесенный на полупроводник. Однако изготовленные таким образом приборы имеют ограниченный частотный диапазон работы и большой разброс по быстродействию. Известен 3 способ изготовления полупроводниковых приборов, включающий регулирование времени жизни ННЗ облучением электронами с энергией 0,5 МэВ при температуре выше 300 С для обеспечения надлежащего уровня быстродействия и малых токов утечки в закрытом состоянии. Недостатком этого способа является то, что невозможно получить приборы с максимально возможным быстродействием из-за ухудшения статических параметров, что ограничивает возможности способа. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ регулирования характеристик эпитаксиальных слоев 4, включающий регулирование времени жизни ННЗ облучением электронами с энергией 3-5 МэВ. Регулирование осуществляют после формирования переходов и нанесения контактов. Недостатками способа являются невозможность получения оптимального соотношения параметров и большой разброс приборов по быстродействию. Задача изобретения - расширение возможности способа за счет лучшей управляемости процессом регулирования времени жизни. Способ регулирования времени жизни неосновных носителей заряда в полупроводниковых приборах на эпитаксиальном кремнии, в котором непосредственно после формирования переходов, нанесения омических контактов и посадки полупроводникового кристалла с приборной структурой на термокомпенсатор регулирование осуществляют с помощью высокоэнергетического электронного облучения с энергией от 3 до 5 МэВ путем радиационно-стимулированного геттерирования остаточных дефектов и введения дополнительных центров рекомбинации. Новым, по мнению авторов, является то, что приборную структуру сначала облучают электронами до флюенса 11014 см-2 при температурах от 270 до 330 С для увеличения времени жизни и потом до флюенса 11016 см-2 при температурах от -150 до 150 С для снижения времени жизни, а интенсивность пучка электронов подбирают такой, чтобы время облучения не превышало 600 и 3000 с соответственно. Способ основан на радиационно-стимулированных процессах, протекающих в облученных эпитаксиальных структурах и приводящих к улучшению характеристик приборов на основе таких структур. Так, эффект малых доз, приводящий к увеличению времени жизни носителей заряда, наблюдается в эпитаксиальных структурах 5 при повышенных температурах и больших дозах электронного облучения, чем в объемных кристаллах 6. Возможной причиной эффекта малых доз является переход приборной структуры в бо 2 13719 1 2010.10.30 лее равновесное, по отношению к исходному, состояние. В результате на начальном этапе облучения, когда концентрация вводимых радиационных центров рекомбинации невелика, доминирующим становится процесс снижения под действием факторов облучения концентрации рекомбинационно-активных центров химической природы. Последующее облучение более равновесных приборных структур с целью увеличения их быстродействия за счет контролируемого уменьшения времени жизни носителей позволяет получить хорошие характеристики и достичь малого разброса приборов по быстродействию путем выбора условий облучения, отличных от режимов электронного облучения приборов на объемном материале. Режимы облучения эпитаксиальных приборных структур, предложенные в настоящем изобретении, выбраны экспериментально. Наибольшее увеличение времени жизни носителей заряда в таких элементах, а значит максимальное удаление остаточных дефектов,может быть получено при температурах облучения 270-330 С и при флюенсе облучения,не превышающем 11014 см-2. Продолжительность облучения при этом не должна превышать 600 с. Наиболее эффективное снижение времени жизни неосновных носителей заряда, при последующем облучении, в эпитаксиальной приборной структуре для увеличения ее быстродействия при приемлемом изменении падения напряжения на ней в проводящем состоянии может быть достигнуто при температурах облучения -150 - 150 С и при флюенсе облучения, не превышающем 11016 см-2. Продолжительность облучения при этом не должна превышать 3000 с. Пример. Предложенный способ был апробирован на бескорпусных диодных структурах,изготовленных на эпитаксиальном кремнии и рассчитанных на прямой ток до 0,5 и прямое падение напряжения до 1,2-1,5 В. Такие элементы составляют основу различных типов полупроводниковых приборов как дискретного, так и интегрального исполнения. Облучению быстрыми электронами с энергией 4 МэВ подвергались семь партий структур по 30 образцов в каждой. В термостате с образцами структур, размещенном перед выходным окном ускорителя электронов, устанавливалась и автоматически поддерживалась необходимая температура. Сначала задавались режимы облучения, приводящие к увеличению времени жизни носителей заряда (таблица столбцы 2-4), а потом - к его снижению (столбцы 5-7). Интенсивность пучка электронов выбиралась из необходимости набора флюенса за определенное время. Так, 4-я партия образцов сначала облучалась при температуре 315 С в течение 580 с при интенсивности пучка электронов 1,721011 см-2 с, а затем температура в термостате понижалась до комнатной (25 С), интенсивность увеличивалась до 3,31012 см-2 с-1 и проводилось облучение в течение 3000 с. На этом процедура обработки структур была завершена. Время жизни неосновных носителей заряда (Р) (дырок) в п-базе структур контролировалось методом Лэкса при высоком уровне инжекции. Прямое падение напряженияснималось при 0,5 и комнатной температуре в импульсном режиме измерений, а процент разброса по времени жизни носителей оценивался как отношение максимального отклонения этого параметра к его среднему значению по всей партии. Данные об изменении Р 0/РФ, где Р 0 и РФ - время жизни носителей до и после облучения соответственно, процента разброса приборных структур по времени жизни носителей заряда и величиныпри изменении температуры, времени и флюенса облучения как внутри диапазонов, указанных в техническом решении (партии 2-5), так и вне их (партии 1, 6) сведены в таблицу. В ней же дается сравнение с прототипом (партия 7). 13719 1 2010.10.30 Изменение времени жизни неосновных носителей заряда в приборных структурах на эпитаксиальном кремнии,облученных по заявляемому способу и способу прототипапартии Как видно из данных, приведенных в таблице, обработка эпитаксиальных диодных структур по заявляемому способу позволяет более эффективно управлять временем жизни носителей заряда и получить приборные структуры с малым разбросом параметров и лучшим соотношением динамических и статических характеристик, чем по прототипу, а выход за пределы интервалов интенсивности, продолжительности и флюенса облучения приводит к худшим результатам. Источники информации 1. Тейлор П. Расчет и проектирование тиристоров Пер. с англ. - М. Энергоатомиздат,1990. - 208 с. 2. Патент США 4,585,489, 1986. 3. Патент США 4,210,464, 1980. 4. Вавилов В.С., Горин Б.М., Данилин Н.С. и др. Радиационные методы в твердотельной электронике. - М. Радио и связь, 1990. - С. 67-69. 5. Коршунов Ф.П. , Марченко И.Г. ФТП, 1983. - Т. 17. В.3. - С. 540-542. 6. Болотов В.В., Коротченко В.А., Мамонтов А.П. и др. ФТП, 1980. Т. 14. В. 11. С. 2257-2261. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4