Способ изготовления биполярных полупроводниковых приборов

 

Использование: при производстве быстродействующих полупроводниковых приборов: диодов, транзисторов, тиристоров. Сущность изобретения: облучают приборные структуры со стороны высокоомной области противоположной стороне, граничащей с блокирующим p-n переходом через маску с отверстиями в форме усеченного конуса с диаметром нижнего основания 180-220 мкм, диаметром верхнего основания 80-120 мкм, расположенных на расстоянии 400-700 мкм, а материал и толщина маски обеспечивают облучение защищенных участков электронами с энергией 330-370 кэВ. 5 ил., 7 табл.

Изобретение относится к области электричества, а более конкретно к технологии изготовления биполярных полупроводниковых приборов: диодов, тиристоров, транзисторов.

Известен способ изготовления биполярных полупроводниковых приборов [1] включающий облучение приборных структур электронами флюенсом 10¹⁴-10¹⁵ см^-2. Однако такой способ обработки возможен только на готовых приборах или структурах, которые не будут подвергаться последующей термообработке при температуре выше 300^oC.

Известен способ обработки полупроводниковых приборов [2] электронами с энергией 0,4-12 МэВ флюенсом 10¹³-10¹⁶ см^-2 при температурах 250-350^oC и последующей термообработкой при температурах 290-310^oC в течение 2-10 ч. Однако приборы полученные таким способом имеют повышенные значения прямого падения напряжения во включенном состоянии.

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 интервал энергий электронов, флюенсов облучения и последующая термообработка.

Задача изобретения улучшение эксплуатационных характеристик биполярных приборов.

Поставленная задача решается путем облучения приборных структур электронами с энергией 2-10 МэВ флюенсом 5·10¹⁵-5·10¹⁶ см^-2 и последующей термообработки и, в отличие от прототипа, облучение приборных структур проводят со стороны высокоомной области, противоположной стороне, граничащей с блокирующим p-n переходом через маску с отверстиями в форме усеченного конуса с диаметром нижнего основания 180-220 мкм, диаметром верхнего основания 80-120 мкм, расположенных на расстоянии 400-700 мкм друг от друга, а материал и толщина маски обеспечивают облучение защищенных участков электронами с энергией 330-370 кэВ.

Сущность изобретения заключается в том, что в процессе облучения в базовых областях структур создаются перпендикулярные плоскости p-n перехода области в форме усеченного конуса с высокой плотностью радиационных дефектов и, как следствие, с малыми значениями времени жизни неосновных носителей заряда. При прохождении прямого тока он, в основном, проходит через необлученные участки с высокими значениями времени жизни, обеспечивая тем самым малые значения прямого падения напряжения. В то же время, в процессе выключения приборов, кроме выноса неосновных носителей заряда, накопленных в базе приборов, к области запирающего p-n перехода, происходит также дрейф носителей в сторону областей с малыми значениями времени жизни и их рекомбинация в этих областях, что позволяет получить уровень быстродействия, сравнимый с уровнем быстродействия достигаемым обработкой по способу прототипа, снизив при этом потери во включенном состоянии.

Выбор расстояния между отверстиями в маске обусловлен тем, что при расстоянии меньшем 400 мкм происходит перекрытие облученных областей и их значительное влияние на процесс прохождения прямого тока приводящее к сильному росту прямого падения напряжения. Если расстояние больше 700 мкм, то увеличение быстродействия незначительно, так как время дрейфа носителей заряда от центра необлученных участков до областей рекомбинации становится больше времени дрейфа до области p-n перехода.

Форма отверстий в маске в виде усеченного конуса обусловлена тем, что если толщина и материал маски обеспечивают облучение полностью защищенных участков структур электронами с энергией вблизи порога дефектообразования 330-370 кэВ, то в объеме структуры будут создаваться области повышенной рекомбинации в форме усеченного конуса и размерами близкими к размерам отверстий в маске. Если энергия электронов после прохождения маски меньше 330 кэВ размеры области повышенной рекомбинации будут меньше чем размеры отверстий, а если больше 370 кэВ, то дефектообразование будет идти по всей площади структуры, что соответствует способу прототипа.

Создание в объеме структуры областей повышенной рекомбинации в форме усеченного конуса с верхним основанием расположенным вблизи блокирующего p-n перехода приводит к тому, что расстояние от необлученных участков до мест рекомбинации область p-n перехода или область повышенной рекомбинации является минимально возможным для всех точек в необлученной области и в тоже время, при прохождении прямого тока, площадь необученной структуры и уровень инжекции в середине высокоомной области, как наименее промодулированной неравновесными носителями и, следовательно, дающей основной вклад в величину потерь являются оптимальными. При этом в области блокирующего p-n перехода концентрация дефектов будет минимальной, что позволит снизить токи утечки при повышенных температурах эксплуатации.

Размеры отверстий обусловлены следующими причинами: если диаметры нижнего и верхнего оснований усеченного конуса лежат в оговоренных в формуле пределах, то при выполнении остальных условий, размеры области повышенной рекомбинации будут оптимальными для получения хорошего соотношения между потерями в проводящем состоянии, предельной рабочей частотой f и токами утечки I_ут. Если диаметр нижнего или верхнего основания больше заявляемых, то имеет место рост потерь в проводящем состоянии прямое падение напряжения U_f для диодов, остаточное падение напряжения U_T для тиристоров и напряжение насыщения U_cesat для транзисторов и теряется преимущество способа в сравнении с прототипом, если размеры меньше указанных, то не удается достигнуть уровня быстродействия сравнимого со способом прототипа.

На фиг. 1 изображен уменьшенный фрагмент маски 1 с отверстиями в виде усеченного конуса 2, расстояние между центрами отверстий 600 мкм; на фиг. 2 разрез маски 1, с отверстиями в виде усеченного конуса 2, диаметр нижнего основания 3, диаметр верхнего основания 4; на фиг. 3 схема облучения диодной структуры, где маска 1, отверстия 2, диодная структура 5, область подлегирующего базового слоя 6, область высокоомной базы 7, область эммитера 8, блокирующий p-n переход 9, области повышенной рекомбинации 20; на фиг. 4 - схема облучения транзисторной структуры, где маска 1, отверстия 2, транзисторная структура 10, область эммитера 11, область подлегирующего коллекторного слоя 12, область высокоомного коллектора 13, область базы 14, блокирующий p-n переход 9, области повышенной рекомбинации 20; на фиг. 5 - схема облучения тиристорной структуры, где маска 1, отверстия 2, тиристорная структура 15, область катода 16, область высокоомной базы 17, область низкоомной базы 18, область анода 19, блокирующий p-n переход 9, области повышенной рекомбинации 20.

Электронами облучают приборные структуры, изображенные на фиг. 3-5 со стороны маски 1, при этом в структурах создаются области 20 содержащие радиационные дефекты и в следствии этого имеющие малые значения времени жизни свободных носителей заряда. В процессе выключения приборов происходит как вынос носителей заряда в область блокирующего p-n перехода, так и их диффузия к областям повышенной рекомбинации и их рекомбинация в этих областях. В то же время при протекании прямого тока он сосредоточен главным образом в необлученных областях, имеющих большое значение времени жизни, и как следствие, малые значения удельного сопротивления из-за высокого уровня инжекции носителей в последних, что позволяет снизить величину потерь в проводящем состоянии не снижая при этом уровня быстродействия.

Пример конкретного выполнения. По заявляемому способу и способу прототипа были изготовлены партии диодов ДЧ-20, тиристоров ТЧ-300, и транзисторных сборок ТД-08. Облучение структур проводилось на ускорителе электронов ЭЛУ-4. Энергия электронов 4,5 МэВ, интенсивность пучка частиц 4,10¹² см^-2·с^-1. Маска для облучения изготавливалась из свинцовой пластины толщиной 3,2 мм. Отверстия в ней продавливались стальной иглой имеющей форму конуса, расстояние между центрами отверстий составляло 500 мкм, диаметр нижнего основания отверстий 200 мкм, диаметр верхнего 100 мкм. Термообработка приборов проводилась в водородной печи при максимальной температуре 450^oC в процессе сборки приборов в корпуса.

Как видно из табл. 1 диоды полученные по заявляемому способу имеют при уровне быстродействия 12 кГц прямое падение напряжения U_f на 0,6 В меньше, чем полученные по способу прототипа, что позволяет использовать их в качестве приборов рассчитанных на ток не 20 A, а 25 A (диоды ДЧ-25) при той же исходной площади структуры. Аналогичные результаты получены на тиристорах и транзисторах (табл. 2 и 3).

Примеры. Результаты, представленные в табл. 4-7 показывают, что оптимальное соотношение динамических и статических параметров приборов достигается в случае их обработки согласно формулы заявляемого изобретения.

В табл. 4 представлены результаты по облучению диодных структур типа ДЧ-20 через маски с различным расстоянием между отверстиями d. Из примеров видно, что соотношение эксплуатационных характеристик лучшее, чем у приборов полученных по способу прототипа, достигается в том случае, если отверстия расположены на расстоянии 400-700 мкм (примеры 2,3,4). Если расстояние меньше 400 мкм, то наблюдается сильный рост U_f из-за того, что облученные области начинают перекрываться вследствии взаимного проникновения электронов отраженных от стенок отверстий в области полностью защищенные маской (пример 2). Если отверстия расположены на расстоянии превышающим 700 мкм, то в этом случае резко падает быстродействие из-за того, что время дрейфа носителей до областей повышенной рекомбинации превышает время рекомбинации носителей в необлученной области.

В табл. 5 представлены результаты по облучению диодов ДЧ-20 через маски с различными размерами отверстий. Как видно из примеров лучшее, чем у способа прототипа соотношение между U_f, токами утечки I_ут, и предельной рабочей частотой f достигается в том случае, когда отверстие имеет форму усеченного конуса с диаметром нижнего основания 180-220 мкм, и диаметром верхнего основания 80-120 мкм (примеры 2.2-2.4; 3.2-3.4; 4.2-4.4). Изготовление маски с отверстиями меньше 180-80 мкм является технически сложной задачей и не приводит к улучшению характеристик приборов примеры (1.1-5.1; 1.2-1.5), а при размерах отверстий больше 220-120 мкм величина U_f становится большой из-за роста плотности тока проходящего через необлученные участки (примеры 5.1-5.5) или роста токов утечки (примеры 1.5-5.5).

В табл. 6 представлены данные по зависимости параметров приборов от ориентации структуры при облучении. Как видно из примеров лучшее соотношение имеет место в том случае, когда диодная структура облучается со стороны высокоомной области, противоположной стороне, граничащей с блокирующим p-n переходом (пример 1). Если ориентация обратная, то наблюдается рост U_f, снижение быстродействия и рост токов утечки (пример 2).

В табл. 7 представлены данные по облучению диодных структур за маской электронами разной энергии (энергия задавалась толщиной маски). Видно, что лучшее соотношение между f и U_f имеет место при энергии электронов E 350 кэВ (пример 3). Если Е>370 кэВ, то процессы дефектообразования идут по всей площади структуры, что приводит к росту U_f и выходу его за рамки ТУ (пример 5). Если E<330 кэВ, то снижается быстродействие из-за увеличения расстояния между областями повышенной рекомбинации (пример 1).

Таким образом из приведенных примеров следует, что в результате обработки приборных структур по заявляемому способу удается получить приборы с высоким уровнем быстродействия и низкими значениями потерь в проводящем состоянии. Это позволяет использовать их в качестве приборов, расчитанных на большие значения прямого тока при той же площади приборной структуры.

Формула изобретения

Способ изготовления биполярных полупроводниковых приборов, включающий облучение приборных структур электронами с энергией 2 10 МэВ флюенсом 5 · 10¹⁵ 5 · 10¹⁶ см^-2 и последующую термообработку, отличающийся тем, что облучение приборных структур проводят со стороны высокоомной области противоположной стороне, граничащей с блокирующим p n-переходом, через маску с отверстиями в форме усеченного конуса с диаметром нижнего основания 180 220 мкм, диаметром верхнего основания 80 120 мкм, расположенных на расстоянии 400 700 мкм друг от друга, а материал и толщина маски обеспечивают облучение защищенных участков электронами с энергией 330 370 кэВ.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9