Способ изготовления быстродействующих тиристоров на основе кремния

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИХ ТИРИСТОРОВ НА ОСНОВЕ КРЕМНИЯ(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 на основе кремния, при котором введение радиационных дефектов с постоянной по глубине тиристорной структуры концентрацией осуществляют путем облучения структуры электронами с энергией 2-10 МэВ дозой 51015-51016 см-2 через металлический экран с отверстиями, расположение которых соответствует расположению отверстий шаблона для нанесения на кремниевую пластину контактов к управляющему и катодному электродам тиристорной структуры, и толщиной, превышающей величину максимального пробега электронов в материале экрана, подвергают структуру локальному облучению электронами через отверстия в экране диаметром от 0,7 до 1,1 мм, которые равномерно распределены по площади экрана и расположены друг от друга на расстоянии от 0,8 до 1,2 мм, область поверхностной фаски тиристорной структуры при этом защищают экраном, непроницаемым для электронов. 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 изготовления 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. 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 энер 18057 1 2014.04.30 гия 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 разумном 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 тиристоров с повышенным быстродействием, которое достигается дорогостоящей локальной диффузией некоторых металлов (например, , или ) в отдельные части четырехслойной тиристорной структуры и электронным облучением остальной ее части. Способ позволяет создавать тиристоры с малыми токами утечки. Недостатком этого способа является то, что тиристоры имеют существенный разброс параметров как по быстродействию, так и по статическим параметрам ввиду недостаточной воспроизводимости результатов технологического процесса при диффузионном регулировании времени жизни носителей заряда. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ 4 изготовления быстродействующих тиристоров, включающий введение радиационных дефектов с постоянной по глубине тиристорной структуры концентрацией путем облучения структуры электронами с энергией 2-10 МэВ дозой 51015 - 51016 см-2. Недостатком этого способа является то, что тиристоры имеют повышенные величины остаточного напряжения - падение напряжения на тиристоре в проводящем состоянии. Задача изобретения - получение тиристоров с достаточным быстродействием и пониженными значениями остаточного напряжения и токов утечки. Способ изготовления быстродействующих тиристоров на основе кремния, при котором введение радиационных дефектов с постоянной по глубине тиристорной структуры концентрацией осуществляют путем облучения структуры электронами с энергией 2-10 МэВ дозой 51015-51016 см-2 через металлический экран с отверстиями, расположение которых соответствует расположению отверстий шаблона для нанесения на кремниевую пластину контактов к управляющему и катодному электродам тиристорной структуры, и толщиной, превышающей величину максимального пробега электронов в материале экрана, подвергают структуру локальному облучению электронами через отверстия в экране диаметром от 0,7 до 1,1 мм, которые равномерно распределены по площади экрана и расположены друг от друга на расстоянии от 0,8 до 1,2 мм, область поверхностной фаски тиристорной структуры при этом защищают экраном,непроницаемым для электронов. Новым, по мнению автора, является то, что подвергают локальному облучению электронами область структуры под катодным электродом через отверстия в экране диаметром от 0,7 до 1,1 мм, которые равномерно распределены по площади экрана и расположены друг от друга на расстоянии от 0,8 до 1,2 мм, причем область поверхностной фаски тиристорной структуры при этом защищена экраном, непроницаемым для электронов. Сущность способа состоит в следующем. В случае формирования в четырехслойной структуре зоны повышенной рекомбинации (ЗПР) цилиндрической формы 5, когда конфигурация ЗПР совпадает с конфигурацией электрода управления тиристора, в структуре образуется локальная область со структурой и пониженным временем жизни носителей заряда. Известно 6, что в процессе выключения тиристора неравновесные дырки, накопленные в широкой -базе тиристора при протекании прямого тока, выводятся диффузией,а электроны рассасываются в результате рекомбинации, скорость которой и определяет быстродействие прибора. При облучении всей структуры улучшение быстродействия достигается при одновременном ухудшении статических параметров остаточного напряжения и токов утечки. Создание ЗПР устраняет этот недостаток. В этом случае дырки в процессе 2 18057 1 2014.04.30 выключения тиристора, как и прежде, удаляются диффузией, а электроны затягиваются электрическим полем в ЗПР, где скорость рекомбинации велика вследствие значительной концентрации радиационных дефектов в ней. Процесс рассасывания носителей заряда ускоряется, а поскольку ЗПР занимает лишь небольшую часть приборной структуры, ее влияние на остаточное напряжение и токи утечки незначительно и изменение этих параметров невелико. Для локализации электронного пучка используют металлический экран толщиной,превышающей величину максимального пробега электронов в материале экрана, в результате чего тиристорная структура подвергается воздействию небольшой дозы тормозного гамма-излучения. Это приводит к упорядоточению материала тиристорной структуры и,как следствие, к уменьшению токов утечки. Пример конкретного выполнения. Тиристорные структуры, сформированные путем многократной диффузии примесей и нанесения контактов на кремниевой пластине диаметром 40 мм и толщиной 0,5 мм, подвергают облучению через защитный экран, представляющий собой крышку кассеты с отверстиями в нем, соответствующими расположению отверстий шаблона для нанесения на пластину контактов к управляющему электроду. Конфигурация отверстий в экране соответствовала расположению отверстий шаблона для нанесения на пластину с тиристором контактов к управляющему электроду и к катоду. Через эти отверстия облучаются структуры на ускорителе Электроника-4 флюенсом 8,2-1015 см-1. Энергия электронов 4 МэВ,интенсивность пучка электронов составляла 2-1012 см-2 с-1, время облучения 3600 с. После облучения пластину разрезают на отдельные структуры и из них изготавливают тиристоры. Сборку тиристоров осуществляют по стандартной технологии при температуре 350 С. В табл. 1 приведены результаты радиационной обработки четырех партий тиристорных структур типа КУ 202 (Ф 71015 см-2,4 МэВ). При облучении первых трех партий маскировались (защищались) различные участки структуры, а четвертую облучали по способу прототипа. Сравнение этих данных позволяет заключить, что обработка структур по предлагаемому способу приводит к значительному уменьшению остаточного напряжения, а отклонение от данного технического решения не позволяет достичь положительного результата. Таблица 1 облучение локальной области структуры под катодным 25-35 2,8-3,3 электродом облучение локальной области структуры под управляющим 20-30 1,5-2,0 электродом (предлагаемый способ) облучение локальной области структуры под управляющим 20-40 2,7-3,2 электродом и частью катодного электрода. облучение всей поверхности структуры В табл. 2 приведены данные по изменению обратного тока тиристорной структуры для случаев, когда локализация электронного пучка достигается за счет металлического экрана (предлагаемый способ) и путем фокусировки электронного пучка магнитными полями. В последнем случае структура не подвергается воздействию гамма-излучения и, как видно из примеров 1 и 2, не достигается снижения токов утечки. облучение локальной области структуры под управляющим электродом через экран (предлагаемый способ) облучение локальной области структуры под управляющим электродом сфокусированным пучком Источники информации 1. Грехов И.В. и др. О новой возможностиуменьшения времени выключения высоковольтных структур // Физика и техника полупроводников. - 1971. - Т. 5. - Вып. 7. С. 1409-1415. 2. Губарев В.Н. и др. Исследование характеристик обратного восстановления мощных быстродействующих тиристоров, облученных электронами и протонами // Прикладная физика. - 2001. -4. - С. 85-92. 3. Патент США 4177477, МПК 01 29/74, 1979. 4. Заявка ФРГ 2845895, МПК 29/74, 1979. 5. Коршунов Ф.П. и др. Влияние неоднородного распределения радиационных дефектов в кремниевых структурах на их характеристики // Известия АН Беларуси. - 1997. Сер. физ.-мат. наук. -1. - С. 117-121. 6. Горбатюк А.В., Уваров А.И. Радиотехника и электроника. - 1976. - Т. 26. - С. 15021506. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4