Способ радиационной обработки кремниевых полупроводниковых приборов

Скачать PDF файл.

Текст

Смотреть все

СПОСОБ РАДИАЦИОННОЙ ОБРАБОТКИ КРЕМНИЕВЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Объединенный институт физики твердого тела И полупроводников Национальной академии наук Беларуси (ВУ)(72) Авторы Коршунов Федор Павлович Марченко Игорь Георгиевич Жданович Николай Евгеньевич (ВУ)(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Объединенный институт физики твердого тела и полупроводников Национальной академии наук Беларуси (ВУ)Способ радиационной обработки кремниевых полупроводниковых приборов с р-п переходами, включающий облучение электронами с энергией 2-10 МэВ флюенсом 3-10147-1014 см 2 и последующую термообработку, отличающийся тем, что облучение осуществляют при обратном смещении на р-п переходах 100-300 В и при температуре 90-120 К, а термообработку осуществляют при температуре 503-543 К в течение (1,2 - 1,8)-1 О 3 с.Изобретение относится к электронной технике, а более конкретно к радиационнотехнологическим методам изготовления полупроводниковых приборов на основе кремниевых р-п-переходов.Одна из актуальных задач, стоящих перед разработчиками силовых полупроводниковых приборов для энергосберегающей аппаратуры, связана с необходимостью непрерывного снижения внутренних потерь мощности приборов. В условиях конкретной работы оно может достигаться за счет использования приборных структур с оптимальным сочетанием электрических параметров время восстановления обратного сопротивления диода или время выключения транзистора и тиристора должны быть небольшими, падение напряжения на приборе в проводящем состоянии минимальным и ток утечки незначительным.Изготовляемые по обычной диффузионной технологии или с помощью ионной имплантации биполярные полупроводниковые приборы на основе кремния, особенно силовые, имеют низкую скорость переключения (порядка 104-105 с), не позволяющую применять их в быстродействующей энергосберегающей аппаратуре. В современной технологии диодов, транзисторов и тиристоров для контролируемого уменьшения времени жизни носителей заряда в областях приборной структуры применяется легирование металлически ВУ 8754 С 12006.12.30ми примесями, например золотом или платиной, или Используется излучение высокой энергии. В обоих случаях важно создать глубокий Центр захвата, действующий как уровень рекомбинации для электронов или дырок.Диффузионнь 1 й способ увеличения быстродействия имеет ряд существенных недостатков, а именно золото и платина имеют предел растворимости в кремнии и они могут создавать металлические включения или скапливаться на неоднородностях в приборных структурах. Кроме того, процесс диффузии идет при высоких температурах, трудоемок и плохо контролируем. В результате происходит значительный разброс характеристик приборов, снижается запорное напряжение, ухудшается воспроизводимость параметров и, как следствие, снижается процент выхода годных приборов.Радиационные способы легирования лишены перечисленных недостатков.Известен 1 способ увеличения быстродействия кремниевых полупроводниковых приборов, основанный на использовании рекомбинационных свойств радиационных дефектов, включающий облучение приборных структур электронами флюенсами 1014-1017 см 2 или гамма-квантами дозами 108-109 рентген, причем температуру при облучении устанавливают от 173 до 403 К, а затем проводят отжиг при температуре 150-200 С в течение 10-30 мин. Этим способом не достигается максимально возможного быстродействия из-за роста прямого падения напряжения на приборе.Наиболее близким техническим рещением к изобретению является способ обработки кремниевых полупроводниковых приборов 2, с целью увеличения их быстродействия,включающий облучение приборных структур электронами с энергией 0,4-12 МэВ флюенсами 1013-1016 см 2 при температурах 250-350 С и последующей термообработкой при температурах 290-310 С в течение 2-10 ч. Однако приборы, полученные таким образом,имеют повыщенные значения прямого падения напряжения в проводящем и повыщенные токи утечки в запорном состояниях. Данный способ является наиболее близким по совокупности признаков к заявляемому и поэтому выбран в качестве прототипа.Общими для заявляемого способа и способа прототипа признаками являются облучение приборных структур электронами с энергией 2-10 МэВ флюенсом 3-1014-7-1014 см 2 и термообработка.Задача изобретения - улучщение эксплуатационных характеристик полупроводниковых приборов, принцип действия которых основан на физических процессах, протекающих в структурах с р-п-переходами.Поставленная задача рещается путем облучения приборных структур при обратном смещении на р-п-переходах 100-300 В при температурах 90-120 К, а термообработку осуществляют при температуре 503-543 К в течение (1,2-1,8)103 с.Режимы радиационно-термической обработки в предложенном способе подобраны таким образом, чтобы достичь оптимального сочетания высокого быстродействия и достаточно низкого прямого падения напряжения.Известно 3, что наилучщего соотнощения (сочетания) прямого падения напряжения и времени восстановления обратного сопротивления р-п-перехода, при одинаковом времени жизни неравновесных носителей заряда, можно достичь, если рекомбинационные центры распределены не равномерно по базовой области, а в виде профиля, спадающего вглубь базы. Это позволяет существенно (уменьшить) снизить энергопотери на приборе в проводящем состоянии.Сущность изобретения состоит в том, что готовые кремниевые приборы, находящиеся под обратным смещением, подвергают облучению пучком электронов при пониженной температуре 90-120 К. Такая обработка приводит к резкому уменьщению скорости введения радиационных дефектов вакансионного типа в область пространственного заряда, за счет дрейфа из нее вакансий под действием электрического поля. Роль температуры сводится к определению зарядового состояния свободных вакансий и, следовательно, скорости их дрейфа из области пространственного заряда. Из-за избытка вакансий вблизи об 2ласти пространственного заряда здесь эффективно образуются А-, Е-центрь 1, дивакансии. Эти дефекты доминируют в процессах рекомбинации носителей заряда, определяя их времена жизни, а концентрация радиационных дефектов спадает вглубь базовой области,где концентрация вакансий значительно ниже. Таким образом, при выбранном способе обработки получается требуемый вид распределения рекомбинационнь 1 х центров по базовой области, который обеспечивает максимальное быстродействие прибора при минимальном падении прямого напряжения в открытом состоянии.Объяснение эффекту пространственно-неоднородного распределения радиационных дефектов в приборной структуре может быть дано следующим модельным представлением. При взаимодействии электронного облучения с кремнием в нем генерируются собственные первичные дефекты междоузельные атомы и вакансии (пары Френкеля). Эти дефекты весьма подвижны при температурах значительно ниже комнатной. Так, в кремнии р-типа нейтральная вакансия становится подвижной при 120-130 К, а в кремнии п-типа отрицательно заряженные вакансии отжигаются при температуре около 60-80 К. При достаточно низких температурах облучения исчезновение пар Френкеля за счет взаимной аннигиляция будет незначительно. Снижение их начальной концентрации будет связано только с образованием вторичных радиационных дефектов ассоциаций вакансий (и возможно, междоузельных атомов) между собой и атомами химических примесей.При напряженности электрического поля Е 104-105 В/см, которая имеет место в случае приложения к р-п-переходу обратного смеЩения 100-300 В, основным механизмом воздействия электрического поля на пары Френкеля является их дрейф и изменение зарядового состояния. Причем количество вакансии, которые выносятся электрическим полем из области пространственного заряда и определяют степень резкости профиля радиационных дефектов в базе, зависит от температуры, поскольку последняя влияет на зарядовое состояние первичных радиационных дефектов.При обработке по способу прототипа облучение приборных структур проводят без приложения к структурам внешнего электрического поля, поэтому радиационные дефекты распределяются по базовой области структур равномерно, что не приводит к достижению цели изобретения.Основным отличительным признаком предлагаемого способа является то, что процесс облучения ведут в условиях, критичных для определения зарядового состояния пар Френкеля и создания пространственно-неравномерного распределения рекомбинационнь 1 х центров.Диапазон напряжений обратного смеЩения 100-300 В, прикладываемого к р-п-переходу, выбран из необходимости достижения требуемого профиля распределения рекомбинационнь 1 х центров в базовой области облучаемых структур.Интервал используемых температур облучения выбран экспериментально. При Т 120 К из-за высокой подвижности вакансий в области пространственного заряда облученных образцов начинают преобладать процессы взаимной аннигиляции первичных радиационных дефектов. В результате лишь незначительная часть отрицательно заряженных вакансий из области пространственного заряда достигает базовой области и участвует в дефектообразовании. При Т 90 К большая часть образуюшихся свободных вакансий в области пространственного заряда изменяет свое зарядовое состояние на нейтральное, что снижает вероятность их попадания в базовую область. Поэтому оптимальный профиль распределения центров рекомбинации в базовой области приборной структуры наблюдается при 90 К Т 120 К.Выбранные диапазоны температур и времени отжига гарантируют стабильность радиационных центров в рабочем интервале температур кремниевых полупроводниковых приборов. Как показали эксперименты, более длительный отжиг не эффективен равно как и увеличение температуры отжига.Данные об изменении параметров диодов при изменении обратного смешения, температуры облучения, температуры и времени отжига, как внутри диапазонов, указанных в техническом решении (примеры 2-4), так и вне их (примеры 1, 5) приведены в таблице. В ней же дано сравнение с прототипом (пример 6).Изменение параметров диодов Д 0 0 2 -5 0 обработанных по заявляемому способу и способу прототипаНе Условия обработки Параметры приборовТаким образом, из данных таблицы следует, ЧТО в результате обработки приборных структур по заявляемому способу удается получить приборы с высоким уровнем быстродействия и более низким значением прямого падения напряжения, а значит меньшими потерями мощности в проводящем состоянии. Это позволяет использовать их в качестве приборов, рассчитанных на большие значения прямого тока при той же плошади прибор ной структуры. Источники информацииНациональный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.

МПК / Метки

МПК: H01L 21/263, H01L 21/322, H01L 21/26

Метки: радиационной, способ, кремниевых, полупроводниковых, приборов, обработки

Код ссылки

<a href="http://bypatents.com/4-8754-sposob-radiacionnojj-obrabotki-kremnievyh-poluprovodnikovyh-priborov.html" rel="bookmark" title="База патентов Беларуси">Способ радиационной обработки кремниевых полупроводниковых приборов</a>

Похожие патенты