Способ радиационно-термической обработки силовых диодов на основе кремния

(51) МПК (2009) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ РАДИАЦИОННО-ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ СИЛОВЫХ ДИОДОВ НА ОСНОВЕ КРЕМНИЯ(71) Заявитель Государственное научнопроизводственное объединение Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению(72) Автор Марченко Игорь Георгиевич(73) Патентообладатель Государственное научно-производственное объединение Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению(57) Способ радиационно-термической обработки силовых диодов на основе кремния, при котором облучают полученные диодные структуры электронами с энергией от 3 до 5 МэВ дозой от 51015 до 11016 см-2 при температуре от 20 до 80 С и интенсивности пучка от 21011 до 11012 см-2 с-1 с последующим отжигом при температуре от 380 до 430 С в течение от 20 до 40 минут, отличающийся тем, что облучение осуществляют ступенчато до набора упомянутой дозы с количеством ступеней, по меньшей мере, пять, при этом осуществляют дополнительный отжиг упомянутых структур при температуре 200 С в течение до 10 минут после каждой, кроме последней, ступени облучения. Изобретение относится к электронной технике и может быть использовано для технологической обработки диодных структур в процессе изготовления силовых диодов для улучшения качества и повышения процента выхода годных приборов. Развитие силовых полупроводниковых приборов идет по пути совершенствования их характеристик, а именно увеличения блокируемого и уменьшения прямого напряжения,увеличения рабочего тока и рабочей температуры, улучшения динамических характеристик и т.д. Однако следует иметь ввиду, что основные характеристики полупроводниковых приборов взаимосвязаны. В результате попытки улучшения одних характеристик, как правило, приводят к ухудшению других. Проблема оптимизации (достижения наилучшего сочетания) соотношения основных эксплуатационных характеристик требует постоянного усовершенствования технологий приборов, одним из направлений развития которых является создание новых методов контролируемого изменения времени жизни носителей заряда в базовой (наименее легированной) области приборной структуры. Радиационно-термическая обработка (РТО - высокотемпературное облучение или воздействие типа облучениеотжиг) предоставляет наиболее широкие возможности управления спектром и пространственным распределением рекомбинационно-активных центров в полупроводнике. 13932 1 2010.12.30 Известен способ 1 создания полупроводниковых структур (диодных, транзисторных,тиристорных) с повышенным быстродействием, которое достигается путем их облучения различными видами проникающих излучений и последующим стабилизирующим отжигом. Известен способ 2 получения быстродействующих выпрямителей, заключающийся в проведени двух технологических операций, которые завершают завершающих процесс изготовления приборов. На первой операции проводят облучение электронами с энергией 0,412 МэВ флюенсом 10141015 см-2 при температуре 250350 С. На второй операции проводят отжиг приборов при температуре 290310 С в течение 36 часов. Известен способ 3 радиационной обработки кремниевых полупроводниковых приборов с переходами, в котором улучшение эксплуатационных характеристик приборов достигается за счет облучения электронами с энергией 2-10 МэВ флюенсом 3101471014 см-2 при обратном смещении на переходах 100-300 В, а последующую термообработку осуществляют при температуре 503-543 К. Однако изготовленные таким образом приборы 1-3 имеют ограниченный частотный диапазон работы. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ 4 изготовления кремниевых быстродействующих высоковольтных приборов,включающий формирование перехода, нанесение и вжигание первого никелевого слоя, создание и стеклопассивацию мезафаски, облучение полученных структур электронами с энергией 3-5 МэВ дозами 5101511016 см-2 при температурах 20-80 С и интенсивности пучка 2101111012 см-2 с-1 с последующим отжигом при 380-430 в течение 20-40 мин и посадку структур в корпуса. Недостатком этого способа является то, что улучшение быстродействия приборов достигается при одновременном ухудшении их мощностных характеристик (увеличении прямого падения напряжения и обратного тока), что ограничивает возможности способа. Задача изобретения - уменьшение мощности рассеяния за счет снижения прямого падения напряжения. Способ радиационно-термической обработки силовых диодов на основе кремния, при котором облучают полученные диодные структуры электронами с энергией от 3 до 5 Мэв дозой от 51015 до 11016 см-2 при температуре от 20 до 80 С и интенсивности пучка от 21011 до 11012 см-2 с-1 с последующим отжигом при температуре от 380 до 430 С в течение от 20 до 40 минут. Новым по мнению автора является то, что облучение осуществляют ступенчато до набора упомянутой дозы с количеством ступеней, по меньшей мере, пять, при этом осуществляют дополнительный отжиг упомянутых структур при температуре 200 С в течение до 10 минут после каждой, кроме последней, ступени облучения. Сущность изобретения заключается в том, что при ступенчатом наборе дозы электронного облучения с последующей дополнительной термообработкой после каждого шага облучения происходит более эффективное, чем при непрерывном облучении и однократном отжиге, накопление рекомбинационного центра (или центров), контролирующих время жизни ННЗ. Возможной причиной такой особенности ступенчатой РТО является то,что идущие при дополнительном отжиге при 200 С процессы распада слабо связанных комплексов, о чем свидетельствует наличие стадии отжига в пределах этой температуры на зависимости изменения времени жизни от температуры отжига 5, и перекачки вакансий и междоузельных атомов в более устойчивые ассоциации при последующем облучении. Это позволяет уменьшить время жизни ННЗ при одновременном снижении, по сравнению с непрерывным облучением, прямого падения напряжения в широком интервале значений времени жизни носителей заряда. 13932 1 2010.12.30 При обработке по способу прототипа облучение приборных структур проводят в непрерывном режиме, который менее эффективен с точки зрения накопления термостабильных рекомбинационных центров и получения наилучшего соотношения быстродействия и мощности рассеяния. Выбор количества ступеней облучения осуществлен экспериментально. Если число ступеней меньше 5, то не удается выйти на необходимый уровень быстродействия диода и минимальную мощность рассеяния. Увеличение ступеней облучения до 8 или 10 не приводит к лучшим результатам, а лишь удлиняет время РТО. Выбранная температура 200 С и время дополнительного отжига до 10 мин обеспечивают необходимые и достаточные условия для распада всех радиационных комплексов дефектов с низкой термостабильностью и высвобождения первичных радиационных дефектов вакансий и междоузельных атомов перед последующим облучением. При температуре ниже 200 С и времени отжига ниже 10 мин часть низкотемпературных комплексов может не отжечься и эффективность ступенчатой РТО снижается. Как показали эксперименты, более длительный отжиг не эффективен равно как и увеличение температуры дополнительного отжига. Пример конкретного выполнения. По предлагаемому способу были подвергнуты радиационно-термической обработке - структуры, идущие на изготовление диодов на токи до 20 А и обратные напряжения до 1000 В. Были отобраны четыре партии диодных структур по 20 штук в каждой и измерены их исходные параметры. Партия приборов помещалась в облучательную капсулу, размещенную перед выходным окном ускорителя. Необходимая температура в капсуле (для облучения 20-80 С, для дополнительного отжига при 200 С и для отжига при 380-430 С) поддерживалась за счет продувки подогретых паров азота. Облучение проводилось ускоренными электронами с энергией 4 МэВ. Интенсивность потока электронов (мощность дозы облучения) и доза облучения выбирались из интервала 2101111012 см-2 с-1 и 5101511016 см-2 соответственно. Например, для партии 2 (см. табл.) схема обработки выглядит следующим образом. В капсуле задается температура 25 С, включается пучок электронов и проводится облучение с интенсивностью потока электронов 11012 см-2 с-1 в течение 2000 с. Потом температуру в капсуле повышают до 200 С и выдерживают диодные структуры без облучения при 200 С в течение 10 мин. Затем опять включают ускоритель и проводят повторное облучение с интенсивностью потока электронов 11012 см-2 с-1 в течение 2000 с при температуре 25 С. Потом снова температуру в капсуле повышают до 200 С и выдерживают диодные структуры без облучения при 200 С в течение 10 мин. И так 5 раз. В результате проводят 5 ступеней облучения и 4 дополнительных этапов отжига и диодная структура за 5 этапов облучения набирает суммарную дозу 11016 см-2 и при этом подвергается 4-х кратному дополнительному отжигу между этапами облучении. После проведения ступенчатой РТО температуру в капсуле повышают до 430 С и отжигают структуры в течение 30 мин. Обработка завершена. В такой же последовательности, но в иных температурных, временных и ступенчатых режимах, обрабатываются и другие партии. После обработки р - структуры помещают в корпуса и проводится контроль параметров диодов с использованием общепринятых метрологических средств и методов. Быстродействие диодов оценивалось по величине относительного изменения времени жизни неравновесных носителей заряда в базовой области диода Р 0/РФ, где Р 0 и РФ время жизни носителей до и после облучения соответственно. Прямое падение напряжения на диодеконтролировалось в импульсном режиме измерений. Данные сведены в таблицу. 3 13932 1 2010.12.30 Изменение параметров силовых диодов,обработанных по заявляемому способу и способу прототипа Кол-во ступеней партии облучения 1 3 2 5 3 8 4 Из данных таблицы следует, что при обработке диодных структур по заявляемому способу можно получить силовые диоды с высоким уровнем быстродействия, но более низким значением прямого падения напряжения, а значит с меньшими мощностными потерями, что делает их более привлекательными для энергосберегающей аппаратуры различного назначения. Источники информации 1. Заявка ФРГ 2755418, МПК 01 21 /324, 4.12.1979. 2. Патент США 4137099, МПК 01 21/263, 30.01.1979. 3. Патент 8754, МПК 01 21/263, 30.12.2006. 4. Заявка 94001681/25, 20.10.1995. 5. Марченко И.Г. // Вестник фонда фундаментальных исследований РБ. - 2008. -4. . 67-73. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4