Способ изготовления запираемых тиристоров

(51) МПК (2009) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЗАПИРАЕМЫХ ТИРИСТОРОВ(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(56) КОРШУНОВ Ф.П. и др. Влияние электронного облучения на коэффициент запирания кремниевых структур. Электронная техника. Серия 2,1989. Вып. 3. - С. 90-92.10231 1, 2008.2275712 2, 2006.2303315 1, 2007.72073 , 2005.1811637 3, 1993.6602744 1, 2003.(57) Способ изготовления запираемых тиристоров, включающий облучение тиристорных структур электронами с энергией от 2 до 10 МэВ флюенсами от 31016 до 11017 см-2 последующим отжигом в две стадии при температуре от 480 до 500 С в течение от 2 до 6 ч и при температуре от 550 до 560 С в течение от 10 до 20 мин. Изобретение относится к области электроники, в частности к технологии изготовления полупроводниковых приборов, и может быть использовано в их массовом производстве. Для силовых тиристоров, включение и выключение которых осуществляется импульсом тока в цепи управления, так называемых запираемых тиристоров, в силу специфики переходных процессов характерным является локальное выделение энергии и разогрев кристалла полупроводника до 400-500 С. Поэтому предъявляются повышенные требования к термостабильности рекомбинационных центров, которые вводятся для контролируемого изменения времени жизни неравновесных носителей заряда (ННЗ) в базах приборов. Известен 1 способ создания тиристоров, включающий процесс локальной диффузии некоторых металлов (например, ,или ) в отдельные части четырехслойной рр-структурыэлектронным облучением остальной ее части. Способ позволяет реализовывать тиристоры с малыми токами утечки. 14249 1 2011.04.30 Недостатком этого способа является то, что тиристоры имеют повышенные величины остаточного напряжения - падение напряжения на тиристоре в проводящем состоянии. Известен 2 способ оптимизации параметров тиристорных структур, в котором путем протонного облучения и отжига создаются зоны повышенной рекомбинации в приборной структуре. Однако этот способ, использующий сложные технологические приемы, трудоемок,трудновоспроизводим в условиях производства, что ограничивает его возможности. Известен 3 способ изготовления мощных тиристоров на основе кремния, включающий облучение тиристорных структур электронами с последующим термоотжигом, в котором облучение проводят дозой (4-10)1014 см-2 и термоотжиг проводят при температуре 425-440 С в течение 2-3 ч. Недостатком способа является недостаточная термостабильность параметров тиристоров. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ 4 изготовления запираемых тиристоров, в котором регулировка коэффициента запирания осуществляется электронным облучением и последующим отжигом тиристорных структур. Недостатком данного способа является низкая термостабильность, что снижает процент выхода годных тиристоров. Задача изобретения - увеличение выхода годных тиристоров за счет повышения термостабильности. Способ изготовления запираемых тиристоров включает облучение тиристорных структур электронами с энергией от 2 до 10 МэВ флюенсами от 31016 до 11017 см-2 с последующим отжигом в две стадии при температуре от 480 до 500 С в течение от 2 до 6 ч и при температуре от 550 до 560 С в течение от 10 до 20 мин. Сущность изобретения заключается в том, что сформированные диффузией примесей в кремниевые пластины тиристорные ррструктуры подвергают облучению электронами, затем отжигают, наносят металлические контакты и повторно отжигают. После напыления золота на контакты пластины разрезают на отдельные приборные тиристорные структуры. Облучение структур осуществляют электронами с энергией 2-10 МэВ флюенсом 31016 - 11017 см-2, а последующий двухстадийный отжиг проводят при температуре 480-500 С в течение 2-6 ч, затем при температуре 550-560 С в течение 10-20 мин. Электронное облучение при комнатной температуре до флюенсов, меньших или равных 1016 см-2, вводит в объем структур центры рекомбинации, позволяющие регулировать время жизни ННЗ в широких пределах. Однако эти центры термостабильны при температурах не выше 400 С, а для использования облучения в производстве тиристоров нужно,чтобы центры рекомбинации были термостабильны при более высоких температурах. Поэтому для получения требуемой термостабильности центров рекомбинации необходимо облучать структуры флюенсом 31016 - 11017 см-2. Диапазон флюенсов облучения обусловлен тем, что при флюенсе меньше 31016 см-2 концентрация термостабильных центров рекомбинации в широкой -базе тиристора недостаточна для эффективного снижения времени жизни ННЗ в ней и получения предусмотренных ТУ значений коэффициента запирания КЗ, а при флюенсе, большем 1017 см-2, наблюдается резкое увеличение напряжения тиристора в открытом состоянии Т и его выход за рамки ТУ. Это вызвано тем, что образуется слишком много термостабильных центров рекомбинации, и значение времени жизни ННЗ становится таким малым, что вследствие значительного уменьшения глубины модуляции баз не происходит насыщения коллекторного перехода тиристоров. Границами интервала энергии электронов выбраны 2-10 МэВ, так как такие электроны гарантированно вводят в структуры радиационные дефекты, равномерно распределенные по объему кристалла. При энергии электронов, меньшей 2 МэВ, может облучаться не весь 2 14249 1 2011.04.30 объем структуры, что приводит к незначительному снижению времени жизни ННЗ и, как следствие, к низким значениям КЗ, а при энергии, большей 10 МэВ, в объеме структуры возможно возникновение локализованных областей с высоким содержанием дефектов, что приводит к росту величины З и снижению надежности работы прибора, вызванным неоднородностью материала -базы. Для того чтобы обеспечить требуемую термостабильность центров рекомбинации радиационной природы, необходимо провести отжиг дефектов, введенных при электронном облучении. В процессе отжига происходит диссоциация одних и образование других, более термостабильных, дефектов. В изобретении отжиг проводят в две стадии. На первой стадии отжига в интервале температур 480-500 С происходит образование дефекта с уровнем ЕС 0,36 эВ в результате диссоциации дефекта с уровнем ЕС 0,17 эВ, введенного при облучении. Образовавшийся при отжиге дефект является эффективным центром рекомбинации и продолжает отжигаться в указанном интервале температур, причем кинетика отжига сильно затянута во времени и не происходит полного отжига дефекта. Поэтому необходимая для получения оговоренных в ТУ значений КЗ и Т концентрация термостабильных центров рекомбинации достигается при отжиге структур в указанном выше интервале температур в течение 2-6 ч. Если температура ниже 480 С, то для достижения концентрации образовавшихся термостабильных центров рекомбинации, необходимой для получения оговоренных ТУ значений динамических и статических параметров, отжиг должен проводиться в течение многих десятков часов, что технологически и экономически нецелесообразно. Если температура отжига выше 500 С, то в течение первых 30-40 мин не происходит значительного уменьшения концентрации дефекта с уровнем ЕС 0,36 эВ, а при дальнейшем увеличении длительности отжига не удается контролировать значение КЗ с необходимой воспроизводимостью результатов, так как в течение последующих 5-10 мин идет значительное уменьшение концентрации термостабильного центра рекомбинации. Если время отжига больше 6 ч, то в дальнейшем не происходит существенных изменений КЗ, что свидетельствует о термостабильности оставшихся эффективных центров рекомбинации и нецелесообразности дальнейшего отжига. Если время отжига меньше 2 ч,то отжигается незначительная часть термостабильных дефектов с уровнем ЕС 0,36 эВ и приборы не переключаются в открытое состояние токами управления , оговоренными ТУ. Наряду с дефектом с уровнем ЕС 0,17 эВ в материал -базы при облучении вводится также дефект с акцепторным уровнем ЕС 0,34 эВ в верхней половине запрещенной зоны. Данный дефект не является эффективным центром рекомбинации и отжигается в интервале температур 550-560 С. На первой стадии отжига в интервале температур 480-500 С в течение 2-6 ч происходит также образование дефектов с уровнями донорного типа (термодоноров), что приводит к снижению удельного сопротивления материала -базы и, как следствие, к уменьшению значений напряжения переключения тиристораи обратного напряжения пробоя тиристора . Термодоноры также отжигают в интервале температур 550-560 С. Поэтому для удаления этих дефектов проводится вторая стадия отжига в интервале температур 550-560 С. Если температура на второй стадии отжига ниже 550 С, то не происходит отжига дефектов с уровнем ЕС 0,34 эВ. Если температура выше 560 С, то за время отжига термодоноров и дефекта с уровнем ЕС 0,34 эВ происходит диссоциация значительной части термостабильных центров рекомбинации и значение КЗ не соответствует норме ТУ. На второй стадии отжиг проводят в течение 10-20 мин. Если время отжига больше 20 мин, то вместе с отжигом дефектов с уровнем ЕС 0,34 эВ и термодоноров происходит отжиг значительной части термостабильных центров рекомбинации и уменьшается значение КЗ. Если время отжига меньше 10 мин, то значительная часть термодоноров и дефек 3 14249 1 2011.04.30 тов с уровнем ЕС 0,34 эВ остается неотожженой и значения статических параметров приборов не соответствуют значениям, оговоренным нормами ТУ. Пример конкретного выполнения. Тиристорные структуры - заготовки в количестве 30 шт., полученные на двух кремниевых пластинах диаметром 40 мм и толщиной 0,4 мм и представляющие собой сформированные путем многократной диффузии примесей тиристоры типа КУ 202 с топологией электродов КУ 204, подвергают облучению на ускорителе Электроника-4 флюенсом 71016 см-2 при температуре 35 С. Интенсивность пучка электронов 51012 см-2 с-1. Время облучения 14000 с. После отжига при температуре 490 С в течение 5 ч и нанесения металлических контактов пластины отжигают при температуре 555 С в течение 15 мин. После напыления золота на контакты пластины разрезают на отдельные тиристорные структуры и из них получают 30 тиристоров. Измерения электрических параметров показывают, что все полученные приборы имеют высокий коэффициент запирания (КЗ 8-12),низкие значения токов утечки в прямом и обратном направлении ,(меньше 5 мА), высокиеи(больше 200 В) при повышенных температурах эксплуатации и малое значение Т (меньше 3 В) при низких температурах эксплуатации. Последующие испытания показывают, что КЗ остается неизменным в течение 200 ч работы при температуре 125 С, что соответствует нормам ТУ. По предложенному способу были подвергнуты радиационной обработке и последующему отжигу тиристорные структуры типа КУ 202 с топологией контактов структур типа КУ 204. Полученные данные по значению коэффициента запирания и статических параметров приведены в табл. 1-3. Из табл. 2 и 3 видно, что тиристорные структуры, имеющие до радиационно-термической обработки низкий З (меньше 2), после облучения и первой стадии отжига имеют значение этого параметра, соответствующее норме ТУ (больше 6). После второй стадии отжига (табл. 2, 3) статические параметры приборов также соответствуют нормам ТУ. Из табл. 3 также видно, что у приборов, изготовленных по заявленному способу, КЗ остается неизменным в течение 200 ч непрерывной работы при температуре 125 С (выход, не равный 100 , обусловлен несоответствием статических параметров нормам ТУ у части приборов после второй стадии отжига), в то время как у приборов, изготовленных по способу-прототипу, значение соответствует норме ТУ только у 30 приборов (табл. 3). Анализ данных, полученных при радиационно-термической обработке структур запираемых тиристоров, показывает, что выход за пределы граничных значений энергии и флюенса электронов, температуры и времени отжигов (табл. 1, 2, 3) приводит к выходу значения параметров приборов за пределы величин, предусмотренных ТУ. Так, выход за пределы граничных значений флюенса (Ф) электронов приводит или к низкому значению КЗ (Ф меньше 310 см-2), или к выводу значений статических параметров за рамки требования ТУ (Ф больше 11017 см-2). Аналогичные изменения происходят и при выходе за пределы энергий облучения (табл. 1). На первой стадии отжига при температурах отжига, меньших 480 С, даже в течение длительного времени (табл. 2) не происходит значительного отжига дефектов. Это приводит к тому, что для включения приборов необходимы токи управления , превышающие значение этого параметра, предусмотренное нормой ТУ. При температурах отжига, больших 500 С, для времени отжига более 40 мин значение КЗ меньше предусмотренного нормой ТУ, так как при этом отжигается значительная часть эффективных центров рекомбинации (табл. 2). Если же время отжига меньше 40 мин, то не наблюдается значительного отжига центров рекомбинации и значениене соответствует нормам ТУ (табл. 2). Если время отжига превышает 6 ч, то при этом не происходит дальнейшего изменения КЗ и других статических параметров, что свидетельствует о термостабильности оставшихся центров рекомбинации и нецелесообразности дальнейшего продолжения отжига (табл. 2). Если время отжига меньше 2 ч, то приборы после второй стадии отжига не переключают 4 14249 1 2011.04.30 ся при токах управления , предусмотренных нормой ТУ (табл. 2), так как отжигается малая часть термостабильных центров рекомбинации, образовавшихся после диссоциации дефекта с уровнем ЕС 0,17 эВ. Для второй стадии отжига, когда температура отжига меньше 550 С, не происходит отжига дефектов с уровнем ЕС 0,34 эВ и, как следствие, , , ,не соответствуют нормам ТУ. КЗ также не соответствует норме ТУ, так как за 30 мин отжигается значительная часть эффективных центров рекомбинации (табл. 3). Если температура отжига выше 560 С, то за время отжига термодоноров и дефекта с уровнем ЕС 0,34 эВ отжигается значительная часть центров рекомбинации и значение КЗ не соответствует норме ТУ (табл. 3). Если время отжига превышает 20 мин, то вместе с термодонором и дефектом с уровнем ЕС 0,34 эВ отжигается значительная часть эффективных центров рекомбинации и КЗ не соответствует норме ТУ (табл. 3). Если время отжига меньше 10 мин, то за это время не успевает отжечься значительная часть термодоноров и дефектов с уровнем ЕС 0,34 эВ и статические параметры не соответствуют нормам ТУ (табл. 3). Использование изобретения позволяет увеличить в 1,5-2 раза коэффициент запирания тиристоров при одновременном соответствии статических параметров нормам ТУ, увеличивает выход годных приборов на 50 . Таблица 1 Изменение параметров запираемых тиристоров для различных значений флюенса и энергии электронов (температура отжига на первой стадии отж 1490 С,время отжига на первой стадии отж 14 ч, температура отжига на второй стадии отж 2550 С, время отжига на второй стадииотж 215 мин) Количество приЕ, МэВ Ф, см-2 КЗ, В боров 20 1 4 2,1 21016 16 20 2 7 2,4 310 16 20 5 12 2,6 810 17 20 10 17 2,9 110 17 20 15 20 3,6 1,510 Таблица 2 Изменение параметров запираемых тиристоров при их обработке 14249 1 2011.04.30 Таблица 3 Изменение параметров запираемых тиристоров при их обработке(Ф 81016 см-2, Е 5 МэВ, отж 1490 С, отж 15 ч) и процента выхода годных при последующих испытаниях в предельно допустимых условиях эксплуатации отж 2,Количество отж 2 ,выхода КЗ, В приборов мин мА мА В В годных С 20 540 30 5 5,6 10 12 200 200 0 20 550 30 5 2,9 3 4 200 300 0 20 550 20 14 2,9 4 5 200 300 70 20 555 15 12 2,7 3 4 200 300 80 20 560 10 8 2,6 2,5 3 200 400 70 20 560 5 8 5,0 7 8 200 300 0 20 570 5 3 2,1 2 2 200 300 0 20 не проводился 6,2 2,9 4 5 200 300 30 Источники информации 1. Патент США 4177477, МПК 01 29/74, 1979. 2. Заявка ФРГ 3339393, МПК 01 21/263, 1985. 3. Патент 1151148, МПК 01 21/263, 2000. 4. Коршунов Ф.П. и др. Влияние электронного облучения на коэффициент запирания кремниевых ррструктур. Электронная техника. Сер. 2. 1989. В. 3. - С. 90-92. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 6