МОЩНЫЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ РЕЗИСТОР И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ
HIGH-POWER SEMICONDUCTOR RESISTOR AND METHOD OF MAKING SAID RESISTOR

Предлагаемая группа изобретений относится к конструированию и технологии изготовления полупроводниковых приборов и может быть использована в производстве мощных высоковольтных высокотемпературных кремниевых резисторов и шунтов таблеточного исполнения, имеющих высокую температурную стабильность сопротивления в широком интервале рабочих температур.
Наиболее эффективным является их использование в мощной преобразовательной технике в единой системе охлаждения с ключевыми полупроводниковыми приборами таблеточного исполнения (мощными тиристорами, IGBT, IGCT и др).
14
-3
17
-3
0
0
Известен мощный полупроводниковый резистор (RU 2206146 C1, H01L 29/36, опубликовано 10.06.2003 г., п.1 ф-лы) [1], состоящий из резистивного элемента, выполненного в виде диска из монокристаллического кремния n-типа электропроводности, содержащего атомы платины с концентрацией от 1,1·10 см для кремния с исходным удельным сопротивлением ρ, равным 150 Ом·см, до 1,1·10 см для кремния с ρ, равным 0,8 Ом·см.
Pt
0
Предложенное в решении [1] соотношение вводимой концентрации атомов платины (N) в зависимости от исходного удельного сопротивления кремния (ρ) с целью снижения температурной зависимости сопротивления справедливо для резисторов, изготовленных исключительно из кремния n-типа электропроводности.
Известен также мощный полупроводниковый резистор (GB 2025147 В, кл. Н1К, МПК: H01C 7/06, опубликовано 22.09.82 г.) [2], выбранный в качестве прототипа и содержащий резистивный элемент, который выполнен из монокристаллического кремния p-типа электропроводности, содержащего атомы примесей, создающих глубокие уровни захвата в запрещенной зоне кремния.
p0
В конкретном примере исполнения [2] приведена конструкция резистивного элемента, изготовленного из кремния p-типа электропроводности с исходным удельным сопротивлением ρ, равным 5 Ом·см. Для снижения температурной зависимости сопротивления ТХС с 215% до 20% в интервале температур 25-200°C была проведена диффузия атомов золота, при этом не конкретизированы ни температура диффузии атомов золота, ни количество введенного золота, знание которых необходимо для достижения указанного в [2] результата.
0
0
Известен способ изготовления мощного полупроводникового резистора на основе монокристаллического кремния n-типа электропроводности (RU 2206146 C1, H01L 29/36, опубликовано 10.06.2003 г., п.2 ф-лы) [1], включающий создание в кремниевом резистивном элементе диффузионных приконтактных областей, проведение диффузии атомов платины при температуре от 910°C для кремния с исходным удельным сопротивлением ρ, равным 150 Ом·см, до 1300°C для кремния с ρ, равным 0,8 Ом·см.
Указанные в [1, п.2] режимы диффузии атомов платины для минимизации ТХС резистора, строго связанные с исходным значением удельного сопротивления, пригодны только для кремния n-типа электропроводности.
p0
Наиболее близким является способ изготовления мощного полупроводникового резистора (GB 2025147 В, кл. Н1К, МПК: H01C 7/06, опубликовано 22.09.82 г.) [2], включающий создание в кремниевом резистивном элементе p-типа электропроводности диффузионных приконтактных областей p-типа электропроводности, проведение диффузии атомов примесей, создающих глубокие уровни захвата в запрещенной зоне кремния до создания металлических контактов. Как показано в примере реализации технического решения [2], в качестве примеси, создающей глубокие уровни захвата в запрещенной зоне кремния p-типа электропроводности, использовано золото. Указано, что исходное удельное сопротивление кремния p-типа электропроводности ρ составляло 5 Ом·см, диффузия атомов золота проводилась при температуре из интервала (800÷1000)°C в течение двух часов. В указанном интервале температуры диффузии концентрация атомов золота изменяется в несколько раз, вследствие чего невозможно прогнозировать степень компенсации температурной зависимости сопротивления (ТХС).
Как показывают наши исследования, при изготовлении кремниевых резисторов для получения ТХС≤±10% температура и время диффузии «глубоких» примесей строго связаны с величиной исходного удельного сопротивления кремния как n-, так и p-типа электропроводности.
кp
кр
раб
кр
3
3
В последнее время при разработке мощных кремниевых резисторов большой интерес проявляется к кремнию p-типа электропроводности. Прежде всего это обусловлено возможностью увеличения импульсного рабочего напряжения (Uраб) резисторов, изготовленных из кремния p-типа электропроводности, т.к. критическая напряженность электрического поля в p-Si (E=7,5·10 B/см) примерно в 3 раза больше, чем в n-Si (Е=2,5·10 В/см) (Фистуль В.И. Введение в физику полупроводников. Москва, Высшая школа, 1975 г.) [3], a U=Е·d: где d - толщина резистивного элемента.
Основной задачей предлагаемой группы технических решений является создание мощного полупроводникового резистора на основе кремния p-типа электропроводности, содержащего примеси, создающие глубокие уровни в запрещенной зоне кремния, и способа его изготовления, позволяющих при обеспечении высокой температурной стабильности сопротивления (т.е. сохранение ТХС не хуже ±10%) повысить максимально допустимую температуру резистора (до +260°C) и рабочее импульсное напряжении в 2÷2,5 раза (до 5000 В) без существенных материальных затрат.
Техническим результатом предлагаемой группы изобретений является:
- за счет снижения температурной зависимости сопротивления с 100÷200% до ±10% (при этом ТХС стремится к 0) в мощных кремниевых резисторах, выполненных на кремнии p-типа электропроводности и содержащих примеси, создающие глубокие уровни захвата в запрещенной зоне кремния, повышаются КПД и надежность работы использующих предлагаемые мощные кремниевые резисторы устройств (источники питания, преобразователи, снабберы и др.);
- за счет повышения максимально допустимой температуры до +260°C возможно увеличение реальной мощности резистора (на 10÷15%) без изменения габаритов и цены, что увеличивает запас по перегреву и, как следствие, их надежность и ресурс эксплуатации;
- возможность увеличения импульсного напряжения дискретного резистора позволяет снизить количество резисторов в высоковольтных сборках, что уменьшает массогабаритные параметры и цену энергетического оборудования;
- при сохранении величины импульсного напряжения возможно уменьшение толщины кремниевой пластины и, как следствие, снижение себестоимости изготовления приборов на 20÷30%.
13
-3
14
-3
p0
p0
Для достижения поставленной задачи и указанного выше технического результата в мощном полупроводниковом резисторе, содержащем резистивный элемент, который выполнен в виде диска из монокристаллического кремния p-типа электропроводности с приконтактными областями p-типа электропроводности с обеих его сторон и содержит атомы примеси, создающие глубокие уровни захвата в запрещенной зоне кремния, в качестве атомов примеси, создающих глубокие уровни захвата в запрещенной зоне кремния, выбраны атомы платины с концентрацией от 2,5·10 см для кремния p-типа электропроводности с исходным удельным сопротивлением ρ=150 Ом·см до 9·10 см для кремния p-типа электропроводности с ρ=0,4 Ом·см.
p0
p0
Для достижения поставленной задачи и технического результата в способе изготовления мощного полупроводникового резистора, включающем создание в кремниевом резистивном элементе p-типа электропроводности с обеих его сторон приконтактных областей p-типа электропроводности, проведение диффузии атомов примесей, создающих глубокие уровни захвата в запрещенной зоне кремния, диффузию проводят атомами платины при температуре от 870°C для кремния p-типа электропроводности с исходным удельным сопротивлением ρ=150 Ом·см до 1190°C для кремния p-типа электропроводности с исходным удельным сопротивлением ρ=0,4 Ом·см.
p0
o
p
0
p
p
o
Pt
p
0
po
pt
Д
po
-2,2
+2,2
Достигаемый технический эффект при использовании указанных выше отличительных признаков объясняется тем, что растущая температурная зависимость удельного сопротивления кремния ρ=1/p·q·µ (где p - концентрация подвижных дырок в валентной зоне исходного кремния; q - заряд электрона; µ - подвижность дырок) определяется падающей температурной зависимостью подвижности дырок µ≈T в интервале рабочих температур резистора, которую предлагается компенсировать растущей температурной зависимостью концентрации дырок p≈T (ТХС стремится к 0), освобождаемых с ростом температуры из центров захвата, введенных с помощью диффузии атомов платины. При этом должны быть согласованы значения концентрации центров захвата (N), глубины их залегания в запрещенной зоне кремния (Et) и сечения захвата дырок (σ) с исходной концентрацией подвижных дырок (p=1/ρ) в валентной зоне и температурной зависимостью подвижности дырок в исходном кремнии p-типа электропроводности. Экспериментально найдены соотношения требуемой концентрации платины (N), определяемой температурой диффузии (Т) в зависимости от исходного удельного сопротивления (ρ). Таким образом, для снижения температурной зависимости сопротивления мощных кремниевых резисторов просто введение атомов «глубоких» примесей является не достаточным.
13
-3
14
-3
p0
p0
p0
p0
Содержание атомов платины с концентрацией в интервале от 2,5·10 см для кремния p-типа электропроводности с исходным удельным сопротивлением ρ=150 Ом·см до 9·10 см для кремния p-типа электропроводности с ρ=0,4 Ом·см в резистивном элементе и проведение для этого диффузии атомов платины при температуре в интервале от 870°C для кремния p-типа электропроводности с исходным удельным сопротивлением ρ=150 Ом·см до 1190°C для кремния p-типа электропроводности с ρ=0,4 Ом·см в предлагаемом способе изготовления мощного полупроводникового резистора необходимо и достаточно для снижения ТХС до ±10% в широком интервале рабочих температур.
Известных технических решений с такой совокупностью признаков в патентной и научно-технической литературе не обнаружено, что позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемой группы технических решений критерию «новизна».
Заявленные технические решения характеризуются совокупностью признаков, проявляющих новые качества, что позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемых технических решений критерию «изобретательский уровень».
На Фиг.1 приведена конструкция резистивного элемента заявляемого мощного полупроводникового резистора.
0
На Фиг.2 приведены для сравнения экспериментальные зависимости требуемой температуры диффузии атомов платины в резистивные элементы, изготовленные из кремния n-типа электропроводности (кривая 1) по известному способу [1, п.2], и в резистивные элементы из кремния p-типа электропроводности (кривая 2) по предлагаемому способу от величины исходного удельного сопротивления кремния ρ для обеспечения ТХС≤±10%.
Основой мощного полупроводникового резистора является показанный на фиг.1 резистивный элемент, который имеет: подложку в виде диска 1 из монокристаллического кремния p-типа электропроводности; диффузионные приконтактные области p-типа 2 с двух сторон подложки 1; алюминиевые контакты 3, напыленные на приконтактные области p-типа 2; фаски 4 для исключения влияния краевых эффектов с обеих сторон подложки в виде диска 1; кремнийорганический компаунд (КЛТ) 5, которым защищены фаски 4.
Атомы платины вводят с помощью диффузии до напыления Al-контактов 3. Резистивный элемент помещен в таблеточный корпус (на фиг.1 не показан).
+
Линейность вольт-амперной характеристики резистора достигается при помощи диффузионных приконтактных областей p-типа 2, сформированных при помощи диффузии атомов бора под алюминиевыми контактами 3.
rm
Pt
p0
В процессе эксплуатации резистивный элемент может нагреваться в интервале температур от комнатной +25°C до максимально допустимой (T). Резистивный элемент, не легированный атомами платины, имеет ТХС≥100%, что может привести к нарушению тепловых режимов работы схемы. Улучшение ТХС осуществляется за счет введения атомов платины, создающих в запрещенной зоне кремния глубокие уровни захвата, которые компенсируют падающую температурную характеристику подвижности носителей заряда (µp~1/T) растущей температурной зависимостью концентрации носителей заряда, освобождаемых с донорного уровня платины. Требуемое значение концентрации платины (N) для обеспечения ТХС≤±10% строго связано с исходным значением удельного сопротивления кремния p-типа электропроводности (ρ).
p0
Сравнительный анализ представленных на фиг.2 зависимостей показывает, что достижение ТХС≤±10% в образцах, изготовленных из кремния p-типа электропроводности, происходит при меньших температурах диффузии атомов платины. Кроме того, применение диффузии платины при изготовлении резистивных элементов на основе кремния p-типа электропроводности позволило расширить границы применимости исходного удельного сопротивления в сторону меньших значений ρ=0,4 Ом·см и, как следствие, повысить максимально допустимую температуру резисторов до +260°C без существенного увеличения себестоимости изготовления.
p0
Границы предлагаемого интервала исходного удельного сопротивления кремния p-типа электропроводности ρ=0,4÷150 Ом·см обосновываются следующим образом.
p0
p0
rm
Выбор верхнего предела ρ=150 Ом·см связан с тем, что превышение ρ=150 Ом·см ведет к снижению максимально допустимой температуры резистора T≤125°C, что является нарушением норм технических условий на резистор.
14
-3
p0
Выбор нижнего предела исходного удельного сопротивления, равного 0,4 Ом·см, связан с предельной растворимостью атомов платины 9·10 см при температуре 1190°C в кремнии p-типа электропроводности. Т.е. при использовании кремния p-типа электропроводности с ρ=0,3 Ом·см для обеспечения ТХС≤±10% была увеличена температура диффузии атомов платины до 1200°C, однако концентрация платины не увеличилась, а ТХС превысила допустимый предел.
p0
Выбор интервалов концентраций атомов платины и температур диффузии (870-1190°C) в зависимости от исходного удельного сопротивления (ρ) обоснован в конкретном примере исполнения с данными, представленными в таблице 1.
Пример конкретного исполнения
p0
При изготовлении экспериментальных образцов резистивных элементов, представляющих собой кремниевые диски 1 диаметром 32 мм, толщиной 2,5 мм из монокристаллического кремния p-типа электропроводности марки КДБ с различным удельным сопротивлением ρ=0,3 Ом·см, 0,4 Ом·см; 0,8 Ом·см; 4,0 Ом·см; 20 Ом·см; 60 Ом·см; 150 Ом·см; 160 Ом·см был использован предлагаемый способ.
Изготовление проводили по следующей схеме:
- резка кремниевых слитков на пластины толщиной 2,6 мм;
- вырезка дисков 1 диаметром 32 мм;
- сошлифовка микропорошком М28 с двух сторон по 50 мкм до толщины 2,5 мм;
+
- создание приконтактных областей 2 p-типа электропроводности путем двухстадийной диффузии бора, включающей загонку бора при температуре 1150°C в течение 1,5 часов, снятие боросиликатного стекла и разгонку бора при температуре 1200°C в течение 25 ч;
+
19
-3
- контроль диффузионных параметров (глубина слоев p-типа электропроводности порядка 20 мкм и поверхностная концентрация бора ~10 см);
p0
д
p0
д
p0
д
p0
д
p0
д
p0
д
p0
д
p0
д
- проведение диффузии атомов платины (в качестве источника используется спиртовой раствор платино-хлористоводородной кислоты, который наносят с 2-х сторон кремниевых дисков 1) в атмосфере воздуха в течение 2÷3 часов при температурах: а) для кремния с ρ=0,3 Ом·см Т=1200°C; б) для кремния с ρ=0,4 Ом·см Т=1190°C; в) для кремния с ρ=0,8 Ом·см Т=1180°C, 1185°C и 1190°C; г) для кремния с ρ=4,0 Ом·см Т=1140°C, 1150°C и 1130°C; д) для кремния с ρ=20 Ом·см Т=1060°C, 1070°C и 1050°C; е) для кремния с ρ=60 Ом·см Т=970°C; ж) для кремния с ρ=150 Ом·см Т=870°C; з) для кремния с ρ=160 Ом·см Т=860°C;
- создание омических контактов 3 путем напыления алюминия (диаметр металлизации 30 мм) по стандартной технологии;
- снятие фасок 4 с боковой поверхности дисков 1 до границы Al-контакта 3;
- травление фасок 4 и защита кремний-органическим компаундом (КЛТ) 5 с последующей сушкой при 180°C в течение 10 ч;
- измерение основных параметров и характеристик: номинального сопротивления, ТХС и вольт-амперной характеристики;
p0
д
д
p0
- сборка элементов в таблеточные корпусы типа КЖТД4-32 (на фиг.1 не показано). Приведенные соотношения между значениями исходного удельного сопротивления (ρ) и требуемой температуры диффузии атомов платины (Т) взяты из более многочисленных экспериментальных исследований, достаточных для построения зависимостей Т от ρ (Фиг.2, кривая 2).
p0
В таблице 1 и на фиг.2 приведены результаты экспериментальных исследований. Количество элементов, изготовленных из кремния p-типа электропроводности с различным исходным удельным сопротивлением ρ при различных режимах диффузии атомов платины, составляло 8-10 шт.
Таблица 1
№№ пп.
ρ<sub>p0</sub>, Ом·см
N<sub>Pt</sub>, см<sup>-3</sup>
Т<sub>д</sub>, °C
R<sub>ном</sub>, Ом
ТХС, %
T<sub>rm</sub>, °C
1
160
2·10<sup>13</sup>
860
11,2
±6,0
120÷125
2
150
2,5·10<sup>13</sup>
870
10,5
±8,0
125
3
60
6·10<sup>13</sup>
970
4,2
±6,0
160
4
20
2·10<sup>14</sup>
1060
1,4
±10,0
180
5
4,0
4·10<sup>14</sup>
1140
0,28
-8,0
200
6
0,8
8·10<sup>14</sup>
1185
0,056
-8,0
240
7
0,4
9·10<sup>14</sup>
1190
0,028
-10,0
260
8
0,3
9·10<sup>14</sup>
1195
0,021
-12,0
265
p0
где ρ - исходное удельное сопротивление кремния p-типа электропроводности;
Pt
N - концентрация атомов платины, требуемая для минимизации ТХС;
ном
R - номинальное сопротивление резистора;
ТХС - температурная характеристика резистора;
rm
T - максимально допустимая температура резистора;
д
Т - температура диффузии атомов платины, обеспечивающая требуемую концентрацию платины.
p0
В таблице 2 показано влияние отклонения от указанных в таблице 1 рекомендуемых температур диффузии атомов платины и соответствующих им концентраций атомов платины на примере кремния p-типа электропроводности с исходным удельным сопротивлением ρ, равным 0,8; 4,0; 20,0 (Ом·см).
Таблица 2
Т<sub>д</sub>, °C
N<sub>Pt</sub>, см<sup>-3</sup>
R, Ω
TXC, %
T<sub>rm</sub>, °C
ρ<sub>po</sub>=0,8 Ом·см
1190
9·10<sup>14</sup>
0,06
-12
240
1185
8·10<sup>14</sup>
0,056
-8
240
1180
7·10<sup>14</sup>
0,05
-11
240
ρ<sub>po</sub>=4,0 Ом·см
1150
4,5·10<sup>14</sup>
0,3
-13
200
1140
4·10<sup>14</sup>
0,28
-8
200
1130
3,6·10<sup>14</sup>
0,24
-10
200
ρ<sub>po</sub>=20 Ом·см
1070
2,2·10<sup>14</sup>
1,45
-12
180
1060
2·10<sup>14</sup>
1,4
±12
180
1050
1,8·10<sup>14</sup>
1,36
+12
180
po
Как следует из сравнительного анализа результатов, приведенных в таблице 2, незначительное отклонение режима диффузии платины приводит к существенному ухудшению TXC и снижению выхода годных приборов с требуемой TXC. Аналогичные выводы относятся и к образцам с другими значениями ρ.
Сравнить предложенный способ изготовления с известным по прототипу [2] не представляется возможным вследствие того, что указанный в прототипе интервал температур диффузии атомов золота (в заявляемом способе предлагается диффузия атомов платины) 800-1000°C не согласован с исходным удельным сопротивлением кремния p-типа электропроводности. Например, если провести диффузию золота в резистивный элемент на основе кремния с исходным удельным сопротивлением 5 Ом·см при температуре 850°C (из указанного интервала) в течение двух часов, то TXC такого резистора будет более 120%, что не соответствует приведенному техническому эффекту со значением 20% в [2], т.е. этот результат не подлежит сравнению.
К преимуществам предлагаемых конструкции мощного полупроводникового резистора и способа его изготовления, представленных в таблицу 3, относятся:
- возможность увеличения импульсного рабочего напряжения за счет использования кремния p-типа электропроводности, для которого определена температура диффузии атомов платины, обеспечивающая требуемую TXC;
- возможность увеличения максимально допустимой температуры резистора до +260°C и, как следствие, увеличение номинальной мощности при сохранении температурной стабильности сопротивления и относительно низкой себестоимости.
Таблица 3
Резистор РК133
По аналогу [1] (ρ<sub>p0</sub>=0,8 Ом·см)
Предлагаемое решение (ρ<sub>p0</sub>=0,4 Ом·см)
U<sub>rm</sub>, В
2500
5000
T<sub>rm</sub>, °C
240
260
P<sub>nom</sub>, Вт
3100
3500
R<sub>nom</sub>, Ом
0,056
0,028