Способ изготовления быстродействующих тиристоров

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИХ ТИРИСТОРОВ(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 изготовления быстродействующих тиристоров, при котором осуществляют предварительное облучение тиристорных структур электронами с энергией 4 МэВ дозой,составляющей не более 5 от численного значения концентрации основной легирующей примеси в исходном полупроводниковом материале, в течение от 15 до 120 с при интенсивности потока электронов 11011 см 2 с-1 проводят локальное облучение через металлический экран участков тиристорных структур под управляющим электродом электронами с энергией от 2 до 10 МэВ дозой от 51015 до 51016 см-2 и облучение тормозным гаммаизлучением всего объема структур. Изобретение относится к технологии изготовления полупроводниковых приборов, в частности к радиационно-технологической обработке тиристоров на основе кремния, и может быть использовано в их массовом производстве. Известно, что параметры полупроводниковых приборов, в частности тиристорных структур, взаимосвязаны и попытки улучшить, например, динамические характеристики неизбежно ведут к ухудшению статических блокирующей способности (из-за роста токов утечки) и росту падения напряжения в открытом состоянии. Стремление как-то обойти эту закономерность - одна из основных движущих сил в деятельности разработчиков полупроводниковых приборов. Известен 1 способ создания тиристоров с малым временем выключения, согласно которому при формировании тиристорной структуры, прошедшей операцию диффузии золота, предложено отделять канавкой участок коллекторного перехода и соединять полученный таким образом диод с контактом тиристорной структуры. В результате этого приема в тиристорной структуре возникает зона повышенной рекомбинации, обусловливающая локальное снижение времени выключения. 15719 1 2012.04.30 Однако этот способ, использующий сложные технологические приемы, трудоемок,трудновоспроизводим в условиях производства, что ограничивает его возможности. Известен 2 способ изготовления быстродействующих тиристоров, заключающийся в использовании технологии облучения ускоренными электронами и протонами. Вид и энергия облучения определяют окончательное сочетание характеристик мощных приборов в открытом состоянии и характеристик восстановления. Показано, что технология протонного облучения позволяет получить более мягкую характеристику процесса обратного восстановления тиристора при разумно малом падении напряжения на нем в проводящем состоянии. Недостаток способа - повышенные токи утечки, приводящие к сбоям в тиристорных структурах при повышенных температурах эксплуатации. 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 тсм-2 и термоотжиг проводят при температуре 425-440 С в течение 2-3 ч. Недостатком способа является то, что с его помощью невозможно получить достаточно высокое быстродействие при значениях остаточного напряжения на тиристоре, не выходящих за нормы технических условий (ТУ). Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ 4 изготовления быстродействующих тиристоров, включающий локальное облучение через металлический экран участка тиристорной структуры под управляющим электродом электронами с энергией 2-10 МэВ дозой 51015-51016 см-2 и облучение тормозным гамма-излучением всего объема структуры. Недостатком данного способа является невозможность получить тиристоры с высокими характеристиками, сочетающие быстродействие и параметры прямой и обратной ВАХ,что ограничивает возможности способа. Задача изобретения - улучшение быстродействия тиристоров при относительно малом увеличении остаточного напряжения и токов утечки. Способ изготовления быстродействующих тиристоров, при котором осуществляют предварительное облучение тиристорных структур электронами с энергией 4 МэВ дозой,составляющей не более 5 от численного значения концентрации основной легирующей примеси в исходном полупроводниковом материале, в течение от 15 до 120 с при интенсивности потока электронов 11011 см-2 с-1, проводят локальное облучение через металлический экран участков тиристорных структур под управляющим электродом электронами с энергией 2-10 МэВ дозой 51015-51016 см-2 и облучение тормозным гамма-излучением всего объема структур. Сущность изобретения заключается в том, что перед локальным облучением тиристорной структуры, в котором электронному облучению подвергают участок структуры под управляющим электродом, вводят операцию предварительного электронного облучения всего объема структуры. Введение операции предварительного облучения при изготовлении быстродействующих тиристоров позволяет с большей точностью регулировать быстродействие тиристоров, используя для этих целей меньшие уровни локального облучения, и, следовательно,получить более низкие значения остаточного напряжения и тока утечки. Предварительное облучение электронами всей тиристорной структуры проводят дозой,составляющей не более 5 от численного значения концентрации основной легирующей примеси в исходном полупроводниковом материале тиристора. При таком уровне облучения время жизни неравновесных носителей заряда (ННЗ) в широкой базе структуры снижается до величины, при которой проводимость базового слоя почти полностью модулируется ННЗ и роста остаточного напряжения не происходит. При меньшей или большей дозе 2 15719 1 2012.04.30 предварительного облучения получаются худшие результаты в первом случае из-за недостаточного уменьшения времени жизни ННЗ, а во втором - из-за слишком большого снижения величины времени жизни ННЗ, которое приводит к значительному уменьшению степени модуляции базового слоя и сту остаточного напряжения 5. Пример конкретного выполнения. В качестве исходного материала, использующегося для создания тиристоров средней и большой мощности, служит кремний или, более конкретно, очищенный зонной плавкой и легированный фосфором (основная легирующая примесь) кремний -типа 6. Следует отметить, что для тиристоров может использоваться слой кремния с концентрацией основной легирующей примеси 21013-21014 см-3 (удельным сопротивлением 30-300 Омсм). 1. Заявляемый способ был опробован на тиристорных структурах, рассчитанных на прямой ток до 10 А, максимальное прямое и обратное напряжение 400 В. Требования к параметрам остаточное напряжение на тиристоре в открытом состоянии 2,0 В, обратный ток тиристора (ток утечки) при прямом и обратном смещении 5 мА в диапазоне температур - 60 110 С. Структуры формировались по стандартной технологии путем многократной диффузии примесей и нанесения контактов на пластине -типа кремния, легированного фосфором до концентрации 1,51014 см-3, диаметром 40 мм и толщиной 0,5 мм (толщина широкой-базы 170-180 мкм). 2. Измеряют время жизни ННЗ (дырок)при высоком уровне инжекции в широкой базе тиристорной структуры до облучения и пластины направляют на предварительное облучение. В тиристорах данного типа, допускается снижение величиныза счет предварительного облучения до 24-26 мкс, поскольку при этом диффузионная длина дырок, рассчитанная из известного соотношения 0,5, где- коэффициент диффузии дырок, равный 12,5 см 2 с-1, составляет величину, равную толщине широкой базы 170-180 мкм. В этом случае -база полностью модулируется дырками, что обеспечивает относительно небольшое значение остаточного напряжения на тиристоре. 3. Предварительное облучение тиристорных структур проводят электронами с энергией 4 МэВ дозами в интервале от 1,51012 до 1,21013 см-2, что составляет 1-8 от численного значения концентрации основной легирующей примеси в исходном полупроводниковом материале тиристора, и контролируют величинуна различных этапах облучения. Время облучения при интенсивности потока электронов 11011 см-2 с-1 составляло от 15 до 120 с соответственно. При достижениивеличины 24-26 мкс предварительное облучение прекращают. 4. Затем предварительно облученные структуры подвергают электронному облучению через металлический защитный экран, локально облучая электронами часть тиристорной структуры под управляющим электродом, а весь объем - тормозным гамма-излучением. В этом случае также использовались электроны с энергией 4 МэВ. При интенсивности пучка электронов 21012 см-2 с-1 время облучения составляло до 4000 с. После облучения пластину разрезают на отдельные структуры и из них изготовляют тиристоры. Сборку тиристоров осуществляют по стандартной технологии при температуре 350 С. В таблице приведены результаты радиационной обработки пяти партий тиристорных структур. При облучении первых четырех доза предварительного облучения варьировалась как в допустимом интервале, так и вне его, а пятую облучали по прототипу без предварительного облучения (доза локального облучения 61015 см-2). По общепринятым методикам измерялись стандартные параметры тиристоров время выключения , остаточное напряжениеи обратный ток . Сравнение данных, приведенных в таблице, позволяет заключить, что обработка тиристорных структур по предлагаемому способу позволяет получить лучшее быстродействие при меньших значениях остаточного напряжения и обратного тока, т.е. лучшее, чем в про 3 15719 1 2012.04.30 тотипе, соотношение динамических и статических характеристик тиристоров, что позволит более эффективно использовать данные приборы в энергосберегающей аппаратуре. Изменение времени выключения, остаточного напряжения и обратного тока тиристорных структур в зависимости от дозы предварительного облученияп/п Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4