СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ВЫСОКОВОЛЬТНОГО СИЛОВОГО ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ПРИБОРА
METHOD FOR HIGH-VOLTAGE POWER SEMICONDUCTOR DEVICE FABRICATION

Изобретение относится к силовой полупроводниковой технике, в частности к технологии изготовления силовых диодов, динисторов и тиристоров, содержащих, по меньшей мере, один высоковольтный p-n-переход с прямой фаской.
На полупроводниковых структурах с p-n-переходами, выходящими на боковую поверхность, производится профилирование боковой поверхности путем снятия фасок. Это позволяет увеличить на поверхности ширину области пространственного заряда (ОПЗ) р-n-перехода при обратном смещении и соответственно снизить напряженность электрического поля.
Фаску p-n-перехода называют прямой, если площади сечений прибора, параллельные плоскости p-n-перехода, уменьшаются в направлении от слаболегированного слоя данного типа электропроводности к более сильнолегированному слою противоположного типа электропроводности. В противном случае фаску p-n-перехода называют обратной.
BR
BRM
BR
Для приборов с обратной фаской напряжения лавинного пробоя U плоских высоковольтных p-n-переходов достигают значений максимального (рассчитанного для объема) напряжения лавинного пробоя U, поскольку в этом случае ОПЗ на поверхности расширяется в слаболегированный слой на достаточно большую глубину. В случае прямой фаски ОПЗ расширяется в сильнолегированной слой на существенно меньшую глубину и важной задачей является достижение максимального значения U.
Известен и широко применяется способ изготовления силового полупроводникового прибора-тиристора [1] (Агаларзаде П.С., Петрин А.И., Изидинов С.О. Основы конструирования и технологии обработки поверхности p-n-перехода. - М.: Советское радио, 1978. - 224 с.), содержащего, по меньшей мере, один плоский высоковольтный p-n-переход с прямой фаской. Способ включает в себя формирование четырехслойной p-n-p-n-структуры в исходной кремниевой пластине n-типа электропроводности путем диффузии акцепторных и донорных примесей, создание электродов прибора, изготовление путем механической обработки боковой поверхности прибора двух краевых конусообразных скосов (фасок) под углами α и β к плоскости высоковольтного p-n-перехода. Кроме механической обработки фаски, способ включает в себя и последующие операции: химическое травление, очистку, пассивацию и защиту фаски.
Угол α лежит, как правило, в интервале 15÷60°, а угол β - в интервале 1÷3°. Краевой конусообразный скос под углом α является в данном случае обратной фаской другого p-n-перехода тиристора.
o
o
p
BR
Линия пересечения двух указанных конусообразных скосов может располагаться в пределах базового n-слоя или базового p-слоя, либо лежать в плоскости высоковольтного p-n-перехода. Предпочтительно, однако, чтобы эта линия располагалась в пределах базового p-слоя на расстоянии d от плоскости высоковольтного p-n-перехода. Расстояние d должно быть меньше толщины ОПЗ в базовом p-слое за пределами прямой фаски h при напряжении лавинного пробоя высоковольтного p-n-перехода U.
BR
BRM
Достоинством рассмотренного способа является его простота. Изготовление прямой фаски осуществляется шлифованием боковой поверхности прибора в чугунных сферах соответствующего радиуса, т.е. с использованием достаточно простого оборудования. Однако напряжения лавинного пробоя U плоских высоковольтных p-n-переходов с прямой фаской, изготовленной способом [1], не превышают, как правило, (0,85÷0,9)·U.
BR
Значения U плоских высоковольтных p-n-переходов с прямой фаской возрастают с уменьшением угла β. Почти идеальными являются значения β, близкие к нулю. Недостатком решения [1] является также то, что при приближении значения β к нулю недопустимо возрастают потери активной площади прибора.
0
+
0
0
0
0
Наиболее близкий способ изготовления высоковольтного силового полупроводникового прибора с прямой фаской описан в [2] (В.М.Волле, Кандидатская диссертация, Ленинград, ЛФТИ, 1973 г.). Здесь p-n-переход создается не плоским, а тарельчатой формы - состоящим из плоской центральной части и конусообразной периферийной части, наклоненной в сторону n-базы. Способ изготовления диода включает создание на поверхности исходных кремниевых пластин n-типа электропроводности краевого конусообразного скоса с требуемой шириной под углом β (в [2] β≈3) путем шлифовки пластин на сфере нужного радиуса R, затем проводится диффузия акцепторных примесей. Получаемый p-n-переход повторяет конфигурацию поверхности пластины и имеет тарельчатую форму. После создания контактов (создание подконтактного n-слоя с обратной стороны пластины, как и в [1], подразумевается) снимают прямую фаску под углом α к поверхности пластины, значительно превышающим угол β (в [2] α лежит в интервале от 10 до 15), и затем снимают прямую фаску под углом γ на сфере радиуса, меньшего, чем R. Соответственно, γ>β. В [2] описано изготовление и исследование прибора с γ-β=1. Это угол наклона поверхности прямой фаски относительно поверхности периферийной части тарельчатого р-n-перехода. В [2] при значении β=3 прямая фаска снимается под углом γ=4° и этому углу соответствует потеря активной площади на фаску. Количественно для равной глубины p-n-перехода ширина фаски уменьшается примерно в 4 раза, т.к.
0
0
ctg 1/ctg4≈4.
BR
Однако в [2] не рассмотрен предельный случай - изготовление прибора с нулевым углом наклона прямой фаски относительно поверхности p-n-перехода, что должно позволить приблизить значение U к расчетному. Кроме того, в [2] не рассматривается вопрос требуемой ширины первоначального скоса.
В [3] (патент РФ №2308121, кл. H01L 29/74, опубл. 10.10.2007 г.) предложена конструкция прибора с обратной фаской, где p-n-переход тарельчатой формы используется по другому назначению - для регулирования значения напряжения лавинного пробоя этого p-n-перехода.
Техническим результатом предлагаемого решения является повышение напряжения лавинного пробоя p-n-переходов с прямой фаской.
кс
Технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе изготовления высоковольтного силового полупроводникового прибора, содержащего, по меньшей мере, один высоковольтный p-n-переход с прямой фаской, включающем изготовление на исходной кремниевой пластине n-типа электропроводности со стороны первой главной поверхности краевого конусообразного скоса под углом β шириной b на сфере радиуса R и диффузионного p-слоя, образующего в кремниевой пластине высоковольтный p-n-переход тарельчатой формы, граничащий с базовым n-слоем и состоящий из конусообразной периферийной части и плоской центральной части, формирование диффузионного слоя, выходящего на вторую главную поверхность и образующего переход с базовым n-слоем, создание электродов прибора, изготовление шлифовкой на сферах прямой фаски под углом α, превышающим угол β, и прямой фаски для удаления части конусообразного участка базового p-слоя, химическое травление, пассивацию и защиту фаски, прямую фаску для удаления части конусообразного участка базового p-слоя изготавливают шлифовкой на сфере того же радиуса R, который используется для изготовления скоса на исходной пластине.
кс
Ширину конусообразного краевого скоса b выбирают по формуле
кс
к
н
w
si
к
p
b=b+b+[k·W-b·tg(β)-h/cos(β)]/tg(α),
к
где b - ширина конусообразной периферийной части высоковольтного p-n-перехода тарельчатой формы в готовом приборе;
н
b - разница между радиусом исходной пластины и окончательным радиусом пластины (удаляется для устранения дефектного слоя на торцевой поверхности пластины);
si
W - толщина кремниевой пластины;
w
k - коэффициент, равный отношению расстояния от первой главной поверхности до нижней границы прямой фаски, выполненной под углом α, к толщине кремниевой пластины;
p
h - толщина диффузионного p-слоя высоковольтного p-n-перехода.
кс
Признаками, отличающими предлагаемый способ от прототипа, является то, что прямую фаску для удаления части конусообразного участка базового p-слоя изготавливают шлифовкой на сфере того же радиуса R, который используется для изготовления скоса на исходной пластине, а также то, что ширину конусообразного краевого скоса b выбирают по предложенной формуле.
Известных технических решений с таким признаком не обнаружено.
BR
Использование для указанных операций сфер одного радиуса позволяет получить поверхность прямой фаски с нулевым углом наклона поверхности прямой фаски к конусообразной периферийной части p-n-перехода тарельчатой формы, то есть поверхности являются параллельными. В этом случае при равных напряжениях ширина ОПЗ в p-базе в области поверхности больше, чем в приборах, изготовленных по прототипу [2], напряженность электрического поля достигает критического значения при более высоких напряжениях. Как показали эксперименты, U приборов, изготовленных по предлагаемому способу, выше, чем у приборов по прототипу.
Значения углов α и β, как и в случае аналога [1], выбирают, как правило, из интервалов 15÷16° и 1÷3° соответственно.
к
BR
BR
к
Ширина b зависит от напряжения пробоя и возрастает с увеличением U. Например, как показывают расчеты и практика, при увеличении U от 2 кВ до 8 кВ значения b должны быть не менее соответственно 0,6 мм и 3 мм.
Технологическая схема изготовления силового диода по предлагаемому способу поясняется фиг.1-5.
кс
На фиг.1 показана исходная кремниевая пластина n-типа электропроводности, на которой выполнен краевой конусообразный скос; 1 - пластина; 2 - первая главная поверхность; 3 - поверхность скоса; β - угол скоса; b - ширина скоса.
На фиг.2 показана p-n-структура после диффузии акцепторов; 4 - диффузионный p-слой; 5 - высоковольтный p-n-переход тарельчатой формы; 6 - базовый n-слой; 7 - конусообразная периферийная часть и 8 - плоская центральная часть p-n-перехода 5.
+
+
+
На фиг.3 показана диодная p-n-nструктура с контактами; 9 - диффузионный n-слой, выходящий на вторую главную поверхность 10; 11 - n-n-переход; 12 - электрод анода; 13 - электрод катода.
На фиг.4 показана диодная структура после шлифовки прямых фасок; 14 - поверхность фаски под углом α; 15 - поверхность фаски, снятой под углом β, для удаления части конусообразного участка диффузионного p-слоя 4.
o
На фиг.5 показана диодная структура после химического травления поверхности фаски; d - остаточная толщина p-слоя.
+
+
На фиг.6 представлен фрагмент силового тиристора с прямой фаской, изготовленной по предлагаемому способу. Здесь со стороны второй главной поверхности создан диффузионный эмиттерный p-слой, образующий плоский p-n-переход с n-базой, со стороны первой главной поверхности селективной диффузией доноров создан эмиттерный n-слой, образующий с диффузионным p-слоем эмиттерный n-p-переход. Кроме электродов анода и катода, создан также управляющий электрод.
+
+
На фиг.6: 16 - эмиттерный p-слой; 17 - p-эмиттерный p-n-переход; 18 - эмиттерный n- слой; 19 - n-эмиттерный p-n-переход; 20 - электрод анода; 21 - электрод катода; 22 - управляющий электрод.
+
Диффузионные p-слой 4 и n-слой 9 в случае диода (фиг.3-5) так же, как и диффузионные p-слои 4 и 16 в случае тиристора с обоими высоковольтными p-n-переходами (фиг.6), могут изготавливаться одновременно.
В случае асимметричных тиристоров до формирования эмиттерного p-слоя 16 в базовом n-слое со стороны второй главной поверхности 10 может быть создан буферный n'-слой, образующий затем с эмиттерным p-слоем 16 p-n'-переход.
+
+
Тиристоры могут содержать, кроме эмиттерного n-слоя 18 (фиг.6), являющегося основным, еще один и более эмиттерных n-слоев.
Конусообразный скос 14 (фиг.4-6), пересекающий вторую главную поверхность 10, целесообразно формировать в случае, если прибор со стороны этой поверхности жестко соединен с термокомпенсатором (пайкой или сплавлением).
Если же прибор имеет прижимные контакты с обеих сторон, то формирование острых углов α в интервале 15÷16° снижает механическую прочность фаски.
Для полностью прижимной конструкции:
+
- в случае диода n-n-переход 11 целесообразно изготавливать с прямой фаской путем создания конусообразного скоса, пересекающего конусообразный скос 14 в окрестности выхода этого перехода на боковую поверхность;
- в случае тиристора конусообразный скос 3 (фиг.1) целесообразно формировать с обеих сторон исходной кремниевой пластины; оба высоковольтных p-n-перехода тиристора имеют при этом тарельчатую форму и после изготовления их прямых фасок предлагаемым способом представляют собой зеркальное отображение друг друга.
Пример реализации.
кс
+
+
Рассмотрим пример реализации предлагаемого способа изготовления для силового полупроводникового прибора-тиристора. Были использованы исходные кремниевые пластины n-типа электропроводности диаметром 82 мм, толщиной 1,5 мм с удельным сопротивлением 360 Ом·см в количестве 28 штук. На одной стороне пластин шлифованием на чугунной сфере радиусом 1200 мм формировали конусообразный краевой скос 3 (фиг.1) под углом β≈2° и шириной b≈6 мм. Затем одновременной диффузией бора и алюминия с двух сторон пластины при температуре 1250°C в течение 55 часов создавали диффузионные p-слои 4 и 16 (фиг.6) толщиной 120 мкм, образующие с базовым n-слоем 6 соответственно высоковольтный p-n-переход 5 тарельчатой формы и плоский высоковольтный p-n-переход 17. Последующей селективной диффузией фосфора со стороны первой главной поверхности 2 при температуре 1200°C в течение 10 часов формировали эмиттерный n-слой 18 толщиной 24 мкм, образующий с диффузионным p-слоем 4 эмиттерный n-p-переход 19. Для формирования анодного электрода пластины сплавлялись с молибденовыми термокомпенсаторами диаметром 80 мм. Шлифованием на чугунной сфере радиусом 85 мм формировали прямую фаску 14, пересекающую вторую главную поверхность 10 под углом α, равным 28°. После шлифовки диаметр пластины уменьшился до диаметра термокомпенсатора (80 мм), т.е. снималось нависание пластины. Напылением алюминия создавали электрод катода 21 и управляющий электрод 22 (фиг.6).
На половине структур шлифованием на чугунной сфере радиусом 1200 мм (по предлагаемому изобретению) удаляли под углом 2° часть конусообразного участка 15 диффузионного p-слоя 4 до остаточной его толщины, равной примерно 75 мкм.
На второй половине структур радиус сферы при шлифовании составлял 760 мм для получения угла γ=3° (по прототипу [2]).
o
После этого для обоих вариантов проводились одинаково операции кислотного травления фаски до достижения значения d, равного примерно 35 мкм, очистки и защиты фаски кремнийорганическим компаундом типа КЛТ-30.
BR
На всех изготовленных образцах тиристоров измерялись напряжения лавинного пробоя U высоковольтных p-n-переходов тарельчатой формы с прямой фаской и плоских высоковольтных p-n-переходов с обратной фаской. Напряжение подавалось между анодом и управляющим электродом. Результаты измерений приведены в нижеследующей таблице.
Наименование параметра
Высоковольтные p-n-переходы тарельчатой формы с прямой фаской по предлагаемому изобретению
Высоковольтные p-n-переходы тарельчатой формы с прямой фаской по прототипу
Плоские высоковольтные p-n-переходы с обратной фаской
Напряжения лавинного пробоя, B
7200-7560
6950-7560
7350-7560
Среднее значение U<sub>BR</sub>, B
7380
7240
7490
BR
BR
BR
Из таблицы видно, что высоковольтные p-n-переходы с прямой фаской, изготовленные по предлагаемому способу, имеют заметно более высокое среднее значение U, чем высоковольтные p-n-переходы с прямой фаской, изготовленные способом по прототипу. К тому же среднее значение U высоковольтных p-n-переходов, изготовленных по предлагаемому способу, близко к среднему значению U высоковольтных p-n-переходов с обратной фаской.
Источники информации, принятые во внимание
1. Агаларзаде П.С., Петрин А.И., Изидинов С.О. Основы конструирования и технологии обработки поверхности р-n-перехода. - М.: Советское радио, 1978. - 224 с.
2. В.М.Волле, Кандидатская диссертация, Ленинград, 1973 г.
3. Патент РФ №2308121, кл. H01L 29/74, опубл. 10.10.2007 г.