СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МОЩНЫХ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ КРЕМНИЕВЫХ ПРИБОРОВ
METHOD TO MAKE POWERFUL HIGH-VOLTAGE SILICON DEVICES

Изобретение относится к области технологии изготовления мощных полупроводниковых кремниевых приборов и, в особенности, к технологии изготовления биполярных мощных кремниевых высоковольтных диодов, транзисторов и тиристоров.
Предельная частота, на которой могут работать мощные полупроводниковые приборы - диоды, транзисторы и тиристоры - ограничивается, как правило, мощностью потерь, выделяемых в приборах при прохождении через них тока в проводящем состоянии (статические потери) и при включении и выключении (динамические потери), причем потери при выключении, как правило, значительно больше потерь при включении.
Уменьшение всех этих потерь является одной из ключевых проблем при разработке и усовершенствовании всех мощных полупроводниковых приборов.
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
0
В любом мощном полупроводниковом приборе с pNn-переходами имеется широкая слаболегированная N-область (база), обычно n-типа проводимости, заключенная между двумя сильнолегированными p- и n-областями дырочного и электронного типа проводимости соответственно. При приложении внешнего напряжения (плюс на p-слое) через pNn-структуру протекает ток, сопровождающийся инжекцией в N-базу электронов и дырок и образованием в ней квазинейтральной электронно-дырочной плазмы с высокой проводимостью. При перемене полярности внешнего напряжения (минус на p-слое) протекание обратного тока сопровождается выносом из плазмы электронов и дырок; когда концентрация плазмы у pN-перехода уменьшается практически до нуля, переход смещается в запорном направлении, и около него формируется область объемного заряда (ООЗ), граница которой движется в сторону nN-перехода. Сопротивление pNn-перехода при этом быстро возрастает, а обратный ток уменьшается. В дальнейшем величина обратного тока определяется процессом диффузии дырок из плазмы, остающейся в нейтральной части N-базы, к границе ООЗ и спадает, в основном, по мере рекомбинации этой плазмы. Процесс рекомбинации определяется концентрацией и электрофизическими параметрами рекомбинационных центров в N-базе, создающих глубокие уровни в запрещенной зоне полупроводника, и описывается уравнением , где n - текущее значение концентрации носителей, n - начальное значение концентрации, t - время, τ - так называемое время жизни носителей, равное времени уменьшения исходной концентрации в e раз. Время жизни τ обратно пропорционально концентрации рекомбинационных центров. Таким образом, обратный ток при переключении диодной pNn-структуры из прямого смещения на обратное сначала резко нарастает до тех пор, пока концентрация плазмы у pN-перехода не уменьшится до нуля, а затем более плавно спадает вплоть до очень малой величины, определяемой током утечки обратносмещенного pN-перехода. Поскольку часть этого процесса протекает в условиях, когда к прибору приложено значительное напряжение и при этом протекает большой ток, т.е. выделяется большая тепловая энергия, именно этот процесс, в основном, определяет предельную рабочую частоту мощных полупроводниковых приборов. Величину и длительность протекания обратного тока можно уменьшить, уменьшив концентрацию плазмы в N-базе путем увеличения концентрации рекомбинационных центров, т.е. уменьшением τ. Однако понижение концентрации хорошо проводящей плазмы в N-базе приводит к возрастанию остаточного напряжения на pNn-структуре при прохождении прямого тока, т.е. к росту потерь на этой стадии процесса. Поэтому при изготовлении мощных полупроводниковых приборов необходимо создавать строго определенную концентрацию рекомбинационных центров в N-базе приборов, обеспечивающую минимальные суммарные потери.
+
+
+
/
+
+
/
+
13
14
-2
Известен способ изготовления полупроводниковых кремниевых приборов, предложенный в [United States Patent N3881963, Chu et al., May 6, 1975, «Irradiation for Fast switching thyristors»], являющийся аналогом предлагаемого изобретения, в котором кремниевый диод со структурой pNn или тиристор со структурой npNp, изготавливаются путем последовательных диффузий в N-кремний примесей, создающих p, p и n-слои с требуемой концентрацией, с последующим облучением электронами с энергией величиной из диапазона 1÷10 МэВ и дозой из интервала 1·10÷2·10 см. Облучаемые структуры находятся, как правило, вне вакуумной камеры на открытом воздухе, куда электронный пучок выводится из камеры через металлическую фольгу. Путем сканирования пучком можно облучать одновременно большое количество пластин. Поскольку потеря энергии электронов в кремнии составляет ~0.4 кэВ/мкм, то при прохождении кремниевых пластин практически любой используемой в кремниевом приборостроении толщины (0.3÷1.5 мм) электрон теряет относительно малую энергию, и поэтому образующиеся рекомбинационные центры распределены в N-базе практически однородно по ее толщине.
Этот способ является недорогим и очень производительным, он в настоящее время широко используется в производстве полупроводниковых приборов.
+
Недостатком аналога является то, что при однородном распределении рекомбинационных центров и, следовательно, однородном распределении времени жизни носителей в N-базе, снижение времени жизни носителей у pN-перехода до величины, обеспечивающей малую амплитуду и длительность обратного тока, т.е. малые коммутационные потери приводят к такому же снижению времени жизни во всей N-базе, и, соответственно, к значительному возрастанию статических потерь в проводящем состоянии.
+
-
/
В способе [патент Японии JP 3097268 от 25.04.1991 г. «Power Semiconductor Device»], также являющимся аналогом предлагаемого изобретения, в структуре npnnp биполярно-полевого транзистора (IGBT) слои чередующегося типа проводимости изготавливают последовательной термодиффузией соответствующих примесей в кремниевую пластину n-типа проводимости. Затем предлагается понижать время жизни носителей в n-базе до 50 нс путем облучения электронами с энергией ~3 МэВ (по оценке авторов) и дозой 6 Mrd.
Недостатком этого аналога, как и предыдущего, является значительное возрастание статических потерь в проводящем состоянии после облучения.
+
Известные расчеты и эксперименты специалистов показали, что в полупроводниковых структурах для получения быстрого спада тока при выключении и, в то же время, малого остаточного напряжения на диоде в проводящем состоянии, т.е. для уменьшения потерь, время жизни носителей у pN-перехода должно быть в несколько раз меньше, и, следовательно, концентрация рекомбинационных центров в несколько раз выше, чем в остальной части N-базы.
+
+
13
14
-2
+
10
12
-2
+
2
2
Для получения такого распределения в способе изготовления мощных высоковольтных диодов [Proceedings of the 8th РЕМС, 8-10 September 1998, J.Vobecký, P.Hazdra, N.Galster, E.Carroll «FREE-WHEELING DIODES WITH IMPROVED REVERSE RECOVERY BY COMBINED ELECTRON AND PROTON IRRADIATION»], взятом за прототип предлагаемого изобретения, было предложено, после изготовления pNn-структуры мощных высоковольтных диодов путем термодиффузии примесей в N-кремний и нанесения тонких омических контактов использовать облучение полупроводниковых структур с любой стороны электронами с энергией из интервала 1÷10 МэВ и дозой 1·10÷2·10 см и, со стороны pN-перехода, протонами или α-частицами с энергией из интервала 3÷10 МэВ и дозой из интервала 5·10÷1·10 см, причем эти облучения могут проводиться в любой последовательности. В отличие от электронов протоны и α-частицы в кремнии испытывают очень интенсивное торможение, длина их пробега зависит от энергии, причем основное количество рекомбинационных центров создается в конце пробега. Поэтому энергия частиц выбирается по стандартным таблицам так, чтобы длина пробега была примерно равна глубине залегания pN-перехода. В этом случае концентрация дефектов там будет максимальной, а время жизни носителей минимальным. Время жизни носителей в остальной части N-базы регулируется упомянутым сквозным облучением электронами с большой энергией. Измерения, проведенные на этих диодах с блокируемым напряжением 3.5 кВ, показали, что при плотности прямого тока 4 А/см и рабочем напряжении 2.8 кВ пик обратного тока был равен 20 А/см, а его длительность по полувысоте равна 1 мкс. Остаточное напряжение в проводящем состоянии было 4.8 В.
Такой способ изготовления позволяет уменьшить коммутационные (динамические) потери прибора за счет уменьшения амплитуды и длительности обратного тока, не увеличивая при этом, в отличие от аналогов, остаточное напряжение в проводящем состоянии, т.е. не увеличивая статические потери.
Недостатками прототипа являются все же достаточно высокие потери мощности, малая производительность (большие затраты времени), поскольку облучение протонами и α-частицами проводится непосредственно в вакуумной камере, где одновременно может облучаться ограниченное количество приборов, а перезагрузка камеры требует значительного времени, а также сложность и высокая стоимость за счет процесса облучения протонами либо α-частицами.
Предлагаемое изобретение решает задачи изготовления мощных высоковольтных полупроводниковых кремниевых приборов с меньшими потерями мощности при их эксплуатации, а также удешевления и ускорения технологического процесса изготовления.
+
+
+
+
17
-2
16
-2
Задачи решаются способом изготовления мощных высоковольтных кремниевых приборов, включающим создание полупроводниковой структуры, содержащей блокирующий pN-переход, путем термодиффузии в кремний N-типа проводимости примесей, создающих слои p и n-типа проводимости, напыление на поверхности структуры омических контактов, облучение ее со стороны упомянутого pN-перехода электронами с энергией 350÷550 кэВ и соответствующей дозой 5·10 см÷1·10 см, и облучение этой структуры с любой стороны электронами с энергией 1÷10 МэВ и дозой Ф, определяемой из соотношения ,
-9
2
где κ - коэффициент, κ=3·10 см/с;
p0
τ - время жизни носителей в N-базовой области до облучения, с;
р
τ - время жизни носителей в N-базовой области после облучения, с, определяемое из соотношения:
,
n
где W - толщина N-базовой области прибора, см,
p
2
D - амбиполярный коэффициент диффузии, см/с.
A
A
A
A
A
A
A
A
p
+
+
17
-2
16
-2
+
Сущность предлагаемого технического решения поясняется следующим. Проведенные авторами исследования показали, что при облучении электронами с энергией в диапазоне 360÷550 кэВ (существенно меньшей, чем в прототипе) возможно создание профильного распределения концентрации рекомбинационных центров вдоль оси прибора в направлении движения пучка электронов с минимумом концентрации у облучаемой поверхности кремниевой пластины. Известно, что основным рекомбинационным центром, контролирующим время жизни свободных носителей в кремнии при высоком уровне инжекции является так называемый А-центр, который представляет собой комплекс вакансия-кислород. Полученная авторами экспериментальная зависимость скорости создания этих центров V в кремнии от энергии электронов (V - это, по сути, количество дефектов, создаваемых в кремнии одним электроном на пути в 1 см) показала, что при энергии электронов выше 550 кэВ величина V практически не зависит от энергии, а при энергии менее 550 кэВ V уменьшается очень резко и при энергии менее 350 кэВ становится пренебрежимо малой. Такая резкая зависимость V от энергии в области малых энергий дает принципиальную возможность создания неоднородного распределения концентрации рекомбинационных центров вдоль пути пучка электронов от pN-перехода вглубь N-базы, поскольку средняя энергия электронов на этом пути уменьшается вследствие рассеяния на атомах кристаллической решетки кремния примерно на 0.4 кэВ/мкм и, соответственно, уменьшается V. Однако при уменьшении V пропорционально возрастает время облучения, необходимое для создания заданной концентрации дефектов в N-базе у pN-перехода, и при очень малых V процесс становится экономически неконкурентоспособным по сравнению с прототипом. Эксперименты, проведенные авторами, показали, что диапазон энергии электронов в от 350 кэВ до 550 кэВ и соответствующая доза в интервале от 5·10 см до 1·10 см обеспечивают получение у pN-перехода времени жизни носителей в N-базовой области τ в пределах от 1.5 мкс до 0.5 мкс, что приводит к резкому уменьшению амплитуды и длительности обратного тока при выключении.
p
в
0
B
в
n
p
n
p
p
n
p0
+
+
3
3
2
2
-9
2
Необходимо также, как и в прототипе, произвести облучение структуры (в любой последовательности относительно другого облучения, описанного ранее) электронами с энергией 1÷10 МэВ для получения требуемой величины времени жизни носителей τ в области N-базы, удаленной от pN-перехода. При этом интервал доз облучения только частично совпадает с прототипом, поэтому, а также для более точного соответствия доз и энергий электронов, режим облучения для определения необходимых доз выбирают из следующих соображений. Сначала из известных зависимостей [например, С.Зи, «Физика полупроводниковых приборов», Москва, «Мир», 1984 г., книга 1, стр.109.] определяется уровень легирования кремния, необходимый для получения заданного напряжения пробоя U pN-перехода при обратном смещении и определяется ширина области объемного заряда W при этом напряжении. Принимается, что толщина N-базы равна ширине области объемного заряда W при напряжении, равном напряжению пробоя U. Из этих данных следует, что для высоковольтных быстродействующих приборов с напряжением пробоя от 2.5·10 В до 6.5·10 В W лежит в пределах от 2.5·10 до 8.0·10 мкм. При заданной толщине N-базы остаточное напряжение на ней уменьшается с увеличением τ, но поскольку при этом растет концентрация плазмы, то затягивается процесс спада тока при выключении. Расчет и эксперименты показали, что приемлемая величина остаточного напряжения достигается при выполнении соотношения W≤4L, где диффузионная длина , a D - амбиполярный коэффициент диффузии [С.Зи, «Физика полупроводниковых приборов», Москва, «Мир», 1984 г., книга 1, стр.219.]. Поэтому τ для заданной величины W определяется из соотношения , а доза облучения Ф выбирается из соотношения , где коэффициент κ=3·10 см/с, τ - время жизни носителей до облучения.
Использование предлагаемого способа позволяет резко уменьшить, по сравнению с прототипом, коммутационные и статические потери: при одинаковой плотности прямого и обратного токов прямое остаточное напряжение, амплитуда обратного тока, время его протекания уменьшаются в несколько раз. Кроме того, дорогой и сложный процесс облучения протонами и α-частицами заменен простым и недорогим процессом облучения электронами с энергией, лежащей в определенном диапазоне.
Способ осуществляют следующим образом.
в
p0
p
p
n
p0
+
+
+
+
+
+
17
-2
16
-2
По заданной величине напряжения пробоя U прибора из известных соотношений определяют требуемую толщину и удельное сопротивление N-базы, а также толщину кремниевой пластины. Затем создают структуру pNn путем термодиффузии в кремниевую пластину N-типа проводимости примесей, образующих слои p и n-типа проводимости, напыляют на ее противоположные поверхности тонкие омические контакты и измеряют в ней исходное время жизни носителей τ. По методике, описанной в формуле изобретения, производят оценочный расчет величины τ и дозы, требуемой для получения малой (0.5÷1.5 мкс) величины τ у pN-перехода и в остальной части N-базы кремниевой структуры с известными параметрами (толщина W N-базы и исходное время жизни носителей τ). Проводят облучение чипа со стороны pN-перехода электронами с энергией, выбранной из диапазона от 350 кэВ до 550 кэВ и с соответствующей этому интервалу дозой от 5·10 см до 1·10 см (большей энергии соответствует меньшая доза) и облучение этой структуры с любой стороны электронами с энергиями 1÷10 МэВ и дозой Ф, определяемой из соотношения , (в любой последовательности).
Пример 1 осуществления способа.
+
+
+
+
2
2
+
16
+
+
+
14
-9
2
+
2
2
2
p0
p
р0
р
Заданное напряжение пробоя создаваемого прибора 3.3 кВ. Для получения этого напряжения необходим кремний с удельным сопротивлением 150 Ом·см, расчетная толщина пластины 400 мкм. На пластине были созданы чипы быстродействующих pNn-диодов, изготовленных последовательной диффузией бора и фосфора с противоположных сторон кремниевой пластины. Глубина pN-перехода составляла 10 мкм, nN-перехода - 8 мкм, пробивное напряжение 3.3 кВ. Размеры чипа 8×8 мм, рабочая площадь 6×6 мм, время жизни дырок в N-базе τ=40 мкс после изготовления. С обеих сторон на созданные структуры напыляли тонкие никелевые контакты. Затем пластину с чипами облучали со стороны pN-перехода электронами с энергией 500 кэВ и дозой облучения Ф=8·10. Измеренное методом Лекса время жизни τ у pN-перехода было равно 0.7 мкс, а у nN-перехода τ=10 мкс. После этого было проведено облучение чипов со стороны pN-перехода на этом же ускорителе электронами с энергией 1.5 МэВ и дозой Ф=1·10, рассчитанной по приведенной в описании формуле , где к=3·10 см/с, которое привело к понижению τ у nN-перехода до 5 мкс. Измерения, проведенные на этих диодах, показали, что при плотности прямого тока 60 А/см пик обратного тока был равен 20 А/см, а его длительность на полувысоте равна 0.5 мкс. Остаточное напряжение в проводящем состоянии при токе 60 А/см было рано 2.1 В.
Таким образом, по сравнению с прототипом радикально улучшились все основные характеристики. Так, отношение амплитуд плотности обратного и прямого токов у прототипа равно 5, а у изготовленного согласно предлагаемому способу - 0.33, вдвое меньше длительность импульса обратного тока и гораздо меньше остаточное напряжение в проводящем состоянии. Также предлагаемый технологический процесс по сравнению с прототипом более дешевый из-за отсутствия сложного и дорогостоящего облучения протонами либо α-частицами и более быстрый, поскольку облучение не проводится непосредственно в вакуумной камере, где одновременно может облучаться ограниченное количество приборов, а перезагрузка камеры требует значительного времени.
Пример 2.
+
17
-2
То же, что в примере 1, но облучение со стороны pN-перехода проводилось электронами с энергией 350 кэВ и дозой 5·10 см.
+
+
2
2
2
В результате было получено время жизни носителей у pN-перехода 0.5 мкс, а у nN-перехода 15 мкс. Измерения показали, что при плотности прямого тока 60 А/см пик обратного тока был равен 15 А/см, а его длительность по полувысоте равна 0.4 мкс, остаточное напряжение в проводящем состоянии при плотности тока 60 А/см было равно 1.85 В, при этом время облучения возросло почти на порядок.
Пример 3.
+
16
-2
То же, что в примере 1, но облучение со стороны pN-перехода проводилось электронами с энергией 550 кэВ и дозой 1·10 см.
+
+
2
2
В результате было получено время жизни носителей у pN-перехода 1.2 мкс, а у nN-перехода 7 мкс. При плотности прямого тока 60 А/см пик обратного тока был равен 30 А/см, длительность по полувысоте 0.8 мкс, остаточное напряжение 2.3 В, но время облучения сократилось в несколько раз.
Пример 4.
+
14
-2
То же, что в примере 1, но при облучении, проводимом со стороны nN-перехода, электроны имели энергию 1 МэВ и доза была взята 1·10 см (определенная из соотношения ).
p
+
2
2
2
Результаты аналогичны примеру 1: понизилось τ у nN-перехода до 5 мкс, при плотности прямого тока 60 А/см пик обратного тока был равен 20 А/см, а его длительность на полувысоте равна 0.5 мкс, остаточное напряжение в проводящем состоянии при токе 60 А/см было равно 2.1 В.
Пример 5.
+
14
-2
То же, что в примере 1, но при облучении, проводимом со стороны nN-перехода, электроны имели энергию 10 МэВ, доза была, как в примере 4 - 1·10 см (определенная из соотношения ).
Результаты аналогичны примеру 4.
Таким образом, по сравнению с прототипом радикально улучшились все основные характеристики созданного по предлагаемому способу прибора. Кроме того, очевидно ускорение и удешевление предлагаемого технологического процесса, поскольку облучение не проводится непосредственно в вакуумной камере, где одновременно может облучаться ограниченное количество приборов, а перезагрузка камеры требует значительного времени, а также отсутствует сложный и дорогостоящий процесс облучения протонами либо α-частицами.