Технология изготовления транзисторных структур силовой электроники

УДК 621.382.002

Саркаров Т.Э., Шангереева Б.А., Шахмаева А.Р.

ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТРАНЗИСТОРНЫХ СТРУКТУР СИЛОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

Sarkarov T. E., Shangereeva B.A., Shakhmaeva A.R.

TECHNOLOGY OF MANUFACTURING OF TRANSISTOR STRUCTURES POWER ELECTRONICS

Аннотация. Обосновано, что перспективным направлением развития силовой элетроникиявляются интеллектуальные силовые компоненты: интегрированные силовые микросхемы, ключи и модули. Систематизированы приборы силовой электроники в области коммутируемых токов до 50 А. Обобщены результаты проведенного исследования технологии изготовления структуры полевого полупроводникового транзистора типа КП 961.

Решена задача оптимизации технологии изготовления транзисторных структур силовой электроники с целью улучшения выходных характеристик и надежности прибора. Особое внимание уделяется способам повышения надежности, стабильности и долговечности работы транзисторов в различных режимах и условиях эксплуатации. С целью совершенствования технологии были получены расчетные модели формирования областей стоковой и затворной области, проведены экспериментальные исследования.

Предложены оптимизированные процессы этапов формирования исследуемой структуры транзистора. Построены графики зависимостей на структурах транзисторов, выращенных по приведенной технологии.

Разработан маршрут технологии изготовления структуры полевого транзистора типа КП 961.

Ключевые слова: полупроводниковый транзистор, силовая электроника, полевой транзистор, характеристики, технология, прибор, структура, кристалл, надежность, сопротивление.

Abstract. It is proved that a prospective direction of electronic power development are intelligent power components: integrated power ICS and modules. Power electronic devices in the field of switched currents up to 50 A are arranged. The results of the semiconductor structures manufacturing technology study, field effect transistor type KP 961 are summarized.

The manufacturing technology optimization problem of the transistor structures for power electronics to improve the output characteristics and reliability of the device has been solved. Special attention is paid to the reliability increasing methods, stability and durability of transistors in various modes and operating conditions. To

improve the technology some computational model for the stock and the sealing areas formation have been obtained as well as experimental studies have been carried out.

Optimised process stages of the transistor structure formation have been proposed. The charts on the structures of transistors grown at the given technology have been made. The manufacturing technology route structure of a field effect transistor of the KP 961 type has been developed.

Key words: transistor semiconductor, power electronics, field-effect transistor, characteristics, technology, device, structure, crystal, reliability, resistance.

Введение. Силовая электроника - одна из бурно развивающихся областей электроники в XXI веке. Наиболее перспективным направлением являются интеллектуальные силовые компоненты: интегрированные силовые микросхемы, ключи и модули.

Это направление стремительно развивается благодаря успехам в совершенствовании технологии изготовления и значительному улучшению параметров мощных полевых транзисторов (MOSFET), биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT), силовых драйверов более высокой степени интеграции. Интеграция схем управления (драйверов, контроллеров) в силовые ключи и затем в исполнительные устройства и механизмы стала и необходимым, и оправданным шагом.

На наш взгляд, в настоящее время, а тем более в будущем, интеллектуальным силовым компонентам в силовой электронике альтернативы не предвидится [1].

Силовая электроника (Power Electronics) базируется на ключевых режимах преобразования энергии и связана с современными методами анализа и синтеза электронных цепей, которые обеспечивают эффективные преобразование, управление и регулирование электрической энергии с помощью силовых полупроводниковых приборов.

Основными приборами силовой электроники в области коммутируемых токов до 50 А являются:

- диоды (Diodes);

- тиристоры (Thyristors, SCR);

- биполярные транзисторы (BPT);

- биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT);

- полевые транзисторы с изолированным затвором (MOSFET);

- силовые интегральные схемы (Power IC);

- интеллектуальные силовые интегральные схемы (Smart Power IC).

- БСИТ-транзистор (биполярный транзистор со статической индукцией,

Bipolar Static Induction Transistor);

- транзисторы кремниевые ключевые эпитаксиально -планарные с вертикальным каналом со статической индукцией; предназначены для приме-

нения в схемах высокочастотных источников питания и в других быстродействующих ключевых схемах радиоэлектронной аппаратуры; выпускаются в пластмассовых корпусах[2].

Все вышеперечисленные приборы широко используются в различных устройствах специальной и бытовой техники, таких, как плееры, телевизоры, автомобили, стиральные машины и компьютеры.

Полупроводниковые приборы прочно вошли в нашу жизнь, их характеристики продолжают совершенствоваться, а цена - снижаться. Особенно характерно это на примере компьютеров, когда сложность и характеристики современного компьютера значительно превышают возможности персональных компьютеров пятилетней давности.

Прогресс в области вычислительной техники значительно превышает и в других областях техники. Например, невозможно представить улучшение характеристик автомобиля в пять раз (по мощности и скорости) за пять лет по той же самой цене. Тем не менее, когда речь идет о персональных компьютерах, такие ожидания вполне реальны.

Определяющим фактором такого прогресса является совершенствование технологии производства транзисторов и микросхем, их микроминиатюризация, в частности на основе полевых транзисторов. Характеристики этих устройств улучшаются год от года, потребляемая мощность снижается, их стоимость уменьшается. Поэтому изучение физики работы таких приборов, технологии их производства и применения в различных областях является весьма актуальной темой.

Постановка задачи. Развитие полупроводниковых приборов происходит весьма быстрыми темпами. Разрабатываются приборы для работы в области высоких частот, мощностей и температур при минимизации их размеров.

Особое внимание уделяется повышению надежности, стабильности и долговечности работы транзисторов в различных режимах и условиях эксплуатации. Наиболее важным направлением развития электроники является [3] миниатюризация приборов. Это связано с бурным развитием микроэлектроники и вычислительной техники с цифровой обработкой различной информации.

С учетом данных положений основной задачей исследований является оптимизация технологии изготовления транзисторных структур силовой электроники с целью улучшения выходных характеристик и надежности прибора.

Методы исследования. В научно-исследовательской лаборатории полупроводниковых термоэлектрических приборов и устройств при ФГБОУ ВО «Дагестанский государственный технический университет» были проведены исследования и разработан маршрут изготовления полевого транзистора типа КП 961.

Основными недостатками исследуемого транзистора являются большие значения: тока утечки сток-исток от температуры корпуса, тока утечки сток-исток от температуры корпуса, сопротивления сток-исток в открытом состоянии. Все эти электрофизические параметры зависят от технологии изготовле-

ния полупроводниковых приборов, в особенности при формировании активных областей транзисторной структуры [4].

У////////////?//ЩА

п

п+

с

р+

п

Р+

Рисунок 1 - Структура полевого транзистора КП -961

Обсуждение результатов. Для совершенствования технологии были получены расчетные модели формирования областей стоковой области, затворной области и проведены экспериментальные исследования.

Вывод. В результате экспериментальных исследований получена оптимальная технология формирования активной области, которая приведена в таблице 1[5].

Таблица 1- Основные этапы изготовления структуры исследуемого

транзистора

п/п № Технологические операции Температура, °С Длительность процесса Глубина диффузионного слоя, мкм

1. Разгонка бора 1200 240±10 6,7±0,3

2. Разгонка бора 1125 15±5 2,3±0,2

3. Разгонка фосфора 1160 10±4 1,3±0,2

В результате экспериментальных исследований построены следующие графики зависимостей на структурах транзисторов, выращенных по приведенной технологии (рис. 2-5):

Вестник Дагестанского государственного технического университета. Технические наши. №1 (40), 2016

' ' ' 1

4,0

Т* " > с .

3,0

2,5

2,0

1,5 1,0

0,5 I)

л*

- - - ~ ~

ХкйШг

Рисунок 2. - Зависимость тока утечки сток-исток от температуры корпуса

4Р+

Рисунок 3. - Зависимость тока утечки затвора от температуры корпуса

0,2 О

оде

ОД6

0,10

Кси ОГК] Ом ^

О 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5

О 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5

Рисунок 4. - Зависимость сопротивления сток-исток в открытом состоянии

от тока стока

1

> зигетг. 11 -

^Хся

О 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0

Рисунок 5. - Зависимость временных параметров ^п и 1вкл. от тока стока На основании проведенного исследования нами построен маршрут технологии изготовления структуры КП 961:

1. Формирование пластин

2. Химическая обработка

3. Окисление

4. Осаждение нитрида кремния

5. Фотолитография I

6. ПХТ нитрида кремния

7. Снятие фоторезиста

8. Дотравливание БЮ2 в буферном травителе до скатывания

9. Химическая обработка

10. НТО

11. Снятие БСС

12. Разгонка бора (Т=1200°С , т=4 часа, Х]=6,7±0,3 мкм в N большой

13. Расход+02мал. 5-15 л/ч, ёэю2 после разгонки <0,15мкм, Кэ=350±100 Ом/см)

14. Химическая обработка

15. Диффузия бора II

16. Раскисление БСС в паре

17. Фотолитография II

18. ПХТ нитрида кремния

19. Травление БСС

20. ВАХ

21. Травление БЮ2

22. Окисление

23. ПХТ нитрида кремния

24. Дотравливание в буферном травителе

25. Диффузия фосфора

26. Химическая обработка

27. Фотолитография 5-слой

28. Травление в окнах

29. Снятие фоторезиста

30. Снятие ФСС

31. Химическая обработка 2-х стадийная

32. Подсветление - осветление

33. Напыление алюминия

34. Фотолитография IV

35. Травление Al

36. Снятие фоторезиста

37. Отмывка в DI воде

38. Вжигание при T=475°C

39. Контроль ВАХ

40. Обработка перед напылением

41. Напыление Ti-Ce-Al

42. Контроль электрических параметров

Библиографический список:

1. Электроника: Наука, Технология, Бизнес 3/2007. -26-29 с.

2. Старосельский В.И. Физика полупроводниковых приборов микроэлектроники: учебн. пособие, М.: Высшее образование, Юрайт- Издат. 2009.- 463 с.

3. Взаимозаменяемые транзисторы. Справочник. Петухов В. М. - 2-е изд., стереотип.- М.: ИП РадиоСофт, 2011.- 384 с.

4. Транзисторы: Справочник / О. П. Григорьев, В. Я. Замятин, Б. В. Кондратьев, С. Л. Пожидаев - М.: Радио и связь, 1989. - 272 с.

5. Полевые транзисторы. Справочник. Гришина Л. М., Павлов В. В. - М.: Радио и связь, 1982. - 72 с.

References:

1. Electronics: Science, Technology, Business 3/2007. -рр.26-29.

2. Staroselsky VI Physics of Semiconductor Devices micro-electronics: Training. manual, M .: Higher Education, Yurayt- Due dates. 2009.- 463 p.

3. Interchangeable transistors. Directory. Petukhov VM - 2 nd ed, stereotip.- M .: IP RadioSoftt, 2011.- 384 p.

4. Transistors: Directory / OP Grigoriev, V. Ya Zamyatin, B. V. Kondratiev, SL Pozhidaev - M .: Radio and Communications, 1989. - 272 p.

5. Field effect transistors. Directory. Grishin, LM, Pavlov VV - M .: Radio and Communications, 1982. - 72 p.