Способ изготовления биполярных транзисторов с изолированным затвором

(51) МПК (2009) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРОВ С ИЗОЛИРОВАННЫМ ЗАТВОРОМ(71) Заявитель Государственное научнопроизводственное объединение Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению(72) Авторы Марченко Игорь Георгиевич Жданович Николай Евгеньевич(73) Патентообладатель Государственное научно-производственное объединение Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению(57) Способ изготовления биполярных транзисторов с изолированным затвором, включающий облучение транзисторных структур электронами с энергией 4 МэВ и дозой не более 100 кГр, при котором облучение ведут сначала при температуре 130-150 С в течение 3040 мин, потом выдерживают структуры при температуре 300-350 С в течение 15-20 мин, а затем проводят повторное облучение при температуре 300-350 С в течение 15-20 мин. Изобретение относится к электронной технике и может быть использовано в производстве быстродействующих полупроводниковых приборов, в частности в технологии биполярных транзисторов с изолированным затвором, или. Характеристики идеального транзистора, к которым стремятся производители кристаллов, должны удовлетворять трем основным требованиям 1 он должен иметь близкие к нулевым потери проводимости, определяемые напряжением насыщения коллектор-эмиттер, выдерживать высокое обратное напряжениев выключенном состоянии и иметь минимальные потери выключения . Соотношение ,иглавным образом и определяет уровенькак биполярного силового ключа. Проблема оптимизации (достижения наилучшего сочетания) этого соотношения требует постоянного усовершенствования технологий , одним из направлений развития которых является создание методов контролируемого изменения времени жизни носителей заряда в базовой области транзисторной структуры для определения времени и характера выключения транзистора 2. Известен 3 способ изготовления биполярных транзисторов с изолированным затвором, в котором с целью снижения потерь проводимости и выключения осуществляют 13721 1 2010.10.30 имплантацию германия в определенную область транзисторной структуры. Однако подобные решения весьма дорогостоящи, технологически сложны и доступны только для мировых лидеров в области создания силовых приборов. Недостатком способа является то, что надежностные характеристики полученных приборов данного класса становятся более чувствительными к режимам работы, наличию в их структуре различных неоднородностей. Это обусловлено, вероятно, необходимостью в более точном контроле за распределением имплантированной примеси. Известен 4 способ изготовления биполярных транзисторов с изолированным затвором со сниженными потерями при переключении, включающий электронное облучение,снижающее время жизни носителей заряда в высокоомной области транзисторной структуры. Ее конструктивно-технологическое исполнение позволяет достичь более высокого быстродействия при сохранении работоспособности транзистора. Недостаток способа - нежелательный рост потерь энергии в режиме проводимости облученных транзисторов, который может превышать уменьшение потерь энергии в процессе выключения. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ 5 изготовления полупроводниковых приборов на основе биполярных транзисторов с изолированным затвором, включающий облучение транзисторных структур электронами с энергией не более 5 МэВ и дозой не более 100 кГр. Недостаток данного способа заключается в том, что он не позволяет получить приборы с приемлемым соотношением потерь проводимости и энергии выключения, что ограничивает его возможности. Задача изобретения - получение быстродействующих транзисторов с пониженными значениями потерь проводимости, определяемых напряжением насыщения коллекторэмиттер. В способе изготовления биполярных транзисторов с изолированным затвором, включающем облучение транзисторных структур электронами с энергией 4 МэВ и дозой не более 100 кГр новым, по мнению авторов, является то, что облучение ведут сначала при температуре 130-150 С в течение 30-40 мин, потом выдерживают структуры при температуре 300-350 С в течение 15-20 мин, а затем проводят повторное облучение при температуре 300-350 С в течение 15-20 мин. Сущность изобретения. Стремление получить высокие динамические характеристики и сокращение потерь на переключение, определяемых у биполярных транзисторов с изолированным затвором временем выключения, приводит к росту потерь проводимости, поэтому перед разработчиками часто стоит проблема выбора оптимального соотношения 6. Чтобы уменьшить потери проводимости, импульсная энергия должна увеличиваться, и наоборот. В заявляемом техническом решении увеличение быстродействия транзисторов за счет контролируемого уменьшения времени жизни носителей достигается без существенного роста потерь проводимости (транзисторы с пониженным значением (. В основе выбора режимов электронного облучения транзисторов лежат процессы образования точечных радиационных дефектов в полупроводниках и возможность точной дозировки их концентраций и концентрационных соотношений, основанная на зависимости концентраций введенных дефектов от условий (температуры) облучения и отжига 7, 8. Использование режимов облучения, предложенных в настоящем изобретении, позволяет ввести максимально возможную концентрацию А-центров ( - 0,17 эВ) в высокоомную базовую область транзисторной структуры при выдержке облученных структур между этапами облучения и последующем облучении при 300-350 С частично трансформировать введенный при 130-150 С А-центр в 2 13721 1 2010.10.30 комплексы с уровнем- 0,35 эВ 9 и провести прецизионную (более точную) подгонку общей концентрации этого уровня в транзисторной структуре используя уровни- 0,17 эВ и- 0,35 эВ (комбинацию их концентрационного соотношения) в качестве регулятора времени жизни неравновесных носителей заряда, можно получить более высокое, чем в способе прототипа, отношение в/н, где в - время жизни носителей заряда при высоком уровне инжекции, а н - время жизни носителей заряда при низком уровне инжекции. В результате удается снизить время выключения транзистора до необходимого уровня при росте падения напряжения на транзисторе в проводящем состоянии до разумных пределов. Диапазоны температур и времени облучения, а также температур и времени выдержки транзисторных структур между этапами облучения были выбраны экспериментально с учетом данных о кинетике образования и распада радиационных центров в кремнии при электронном облучении и последующем отжиге. При температурах 130-150 С и 300-350 С и времени облучения 30-40 и 15-20 мин соответственно и выдержке между этапами облучения при 300-350 С в течение 15-20 мин достигается наиболее эффективное накопление радиационных центров, ответственных за рекомбинацию носителей заряда и обеспечивающих необходимое сочетание динамических и статических параметров облученных транзисторов. Выход за пределы выбранных температур и времени облучения приводит к худшим результатам. Пример конкретного выполнения. Предложенный способ был апробирован на дискретных транзисторах, рассчитанных на прямой постоянный ток коллектора до 23 при напряжении насыщения коллектор-эмиттер в открытом состоянии транзистора 2,7 В и максимальном напряжении коллектор-эмиттер 650-750 В. Были отобраны шесть партий транзисторных структур по 10 штук в каждой и измерены их исходные параметры. Обработка транзисторов проводилась по следующей схеме. Партия приборов помещалась в облучательную капсулу, размещенную перед выходным окном ускорителя. Необходимая температура в капсуле (для первого облучения 130150 С, для выдержки без облучения 300-350 С и для повторного облучения 300-350 С) поддерживалась за счет продувки подогретых паров азота. Облучение проводилось ускоренными электронами с энергией 4 МэВ. Интенсивность потока электронов (мощность дозы облучения) подбиралась с таким расчетом, чтобы суммарная доза облучения (от первого и повторного облучения) не превышала 100 кГр как в прототипе (100 ). Например, для партии 2 (таблица) схема обработки выглядит следующим образом. В капсуле задается температура 130 С, включается ускоритель и проводится облучение в течение 30 мин. Потом температуру в капсуле повышают до 300 С и выдерживают транзисторы без облучения при 300 С в течение 15 мин. Затем опять включают ускоритель и проводят повторное облучение при температуре 300 С в течение 15 мин. Обработка завершена. В такой же последовательности, но в иных температурных и временных режимах обрабатываются и другие партии. После обработки проводится контроль параметров транзисторов с использованием общепринятых метрологических средств и методов. Быстродействие транзисторов оценивалось по величине относительного изменения времени жизни неравновесных носителей заряда в базовой области транзистора Р 0/РФ, где Р 0 и РФ - время жизни носителей до и после облучения соответственно. Данные сведены в таблицу. Из данных таблицы следует, что при обработке транзисторных структур по заявляемому способу можно получить приборы с высоким уровнем быстродействия, но более низким значением напряжения коллектор-эмиттер в открытом состоянии, а значит с меньшими потерями проводимости, при неизменном напряжении коллектор-эмиттер. 3 13721 1 2010.10.30 Изменение параметров биполярных транзисторов с изолированным затвором,обработанных по заявляемому способу и способу прототипа Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4