Спосіб виготовлення багатошарових напівпровідникових структур

Винахід належить до галузі напівпровідникових приладів і може бути використаний при виготовленні структур силових кремнієвих тиристорів, фототиристорів, тріаків, фототріаків, асиметричних тиристорів, діаків тощо, а також однокристальних модулів на основі цих стр уктур і їх сполучень. Відомим є спосіб виготовлення багатошарових напівпровідникових структур (А.Бли хер. Физика тиристоров: Пер. с англ. - Л.: Энергоиздат. Ленинград, отд-ние, 1981, с.134-135, рис.11.14), згідно з яким в кремнієву пластину проводять глибоку дифузію акцепторного домішку з формуванням трьохшарової структури, після чого на поверхні пластини вирощують маску з двоокису кремнію і дифузією в вікнах цієї маски створюють p + області, потім вирощують другу окисну маску і дифузією в вікнах цієї маски створюють емітерні n +-області, надалі вирощують ще одну окисну маску і створюють управляючу область за допомогою глибинного витравлювання канавки в кремнії. Після цього здійснюють формування структури напівпровідникового приладу: пасивацію випрямних р-n переходів, формування контактів, поділення на окремі кристали тощо. Спосіб є нетехнологічним і не дозволяє одержувати прилади з граничним сполученням параметрів по керованості і динаміці, тому що для цього необхідним є ретельне дотримання глибини витравлювання канавки в кремнії навколо керуючої області з дуже жорсткими допусками. Себто цей процес є нетехнологічним. Критичною є також точність дотримання межі між потужнолегованими p + i n+ областями, що залежить від марки і питомого електроопору вихідного кремнію, режиму термічних обробок і потребує повсякчасного корегування. До того ж послідовні довготермінові термічні окислення погіршують час життя неосновних носіїв заряду. Значний відсоток здобутих в такий спосіб структур мають незадовільне сполучення керованості і динамічних параметрів, себто, відсоток виходу придатних високоякісних приладів є низьким. Найбільш близьким за технічною суттю і результатом, що досягається, до технічного рішення, що заявляється, є спосіб виготовлення багатошарових структур (тріаків) згідно з технологічним процесом за маршрутом 0214090.103ЭТ.Ж0000.00023 (ВО ”Перетворювач”, м. Запоріжжя, Україна), що містить створення трьохшарової р-n-р структури двобічною дифузією акцепторних домішок (алюмінію і бору) з одержанням певної глибини випрямних р-n переходів і потрібного рівню поверхневого електроопору, з наступним створенням окисної маски термічним окисленням кремнію, фотолітографію, локальну дифузію донорного домішку (фосфор у) і подальше формування структури напівпровідникового приладу: створення контактів, пасивацію випрямних р-n переходів, поділення на окремі структури тощо. Суттєвим недоліком способу є збільшення перехідної р+p області до розмірів, що є сумірними з областями активно інжектуючого n+ емітеру, які містяться по межах емітеру. Це зумовлює нерівномірність коефіцієнту інжектування повздовж переходу в його горизонтальній частині і його невідтворюванність і веде до необхідності витравлювати кремній в місцях майбутньої дифузії фосфору під час фотолітографічної обробки одразу ж після видалення відповідної частини окисної маски на велику (7-12мкм) глибину з високою точністю. Таке глибинне витравлювання дозволяє запобігти погіршенню параметрів структури, але рельєф знижує ефективність шунтів і викликає проблеми під час металізації. Також критичним є режим наступного глибинного витравлювання кремнію при створенні області керування. Все це знижує те хнологічність виготовлення структури, зменшує відсоток виходу придатних і якість структур (сполучення динамічних параметрів і керованості, а також здібності до перевантажень). В основу винаходу поставлено задачу в способі виготовлення багатошарових напівпровідникових структур шляхом введення додаткової технологічної операції забезпечити підвищення технологічності виготовлення виробу, відтворюванність його параметрів, збільшення відсотку виходу придатних стр уктур з покращеним сполученням параметрів. Поставлена задача вирішується тим, що в способі виготовлення багатошарових напівпровідникових структур, який містить створення на пластині кремнію випрямних р-n переходів з необхідним концентраційним профілем дифузією акцепторного домішку з наступним створенням окисної маски термічним окисленням, фотолітографічну обробку, локальну дифузію донорного домішку і подальше формування структури приладу, новим є те, що перед окисленням на місці майбутньої дифузії донорного домішку кремній локально видаляють на глибину 1-5мкм, а перед дифузією донорного домішку видаляють локально тільки маскуючий шар двоокису кремнію. - новим також є те, що видалення кремнію проводять за допомогою травника на основі суміші азотної і фтористоводневої кислот. - новим також є те, що видалення кремнію проводять у плазмі. - новим також є те, що перед створенням випрямних р-n переходів на пластині формують відокремлюючі наскрізні р-області по периметру стр уктур. - новим також є те, що відокремлюючі наскрізні р-області формують за допомогою термоміграції. Причинно-наслідковий зв'язок між сукупністю ознак технічного рішення, що заявляється і технічним результатом, що досягається, полягає в тому, що введення додаткової технологічної операції локального видалення приповерхневого потужнолегованого прошарку кремнію в місцях майбутньої дифузії донорного домішку перед окисленням і наступне - після окислення - витравлювання перед локальною дифузією донорного домішку тільки шару маскуючого окислу - у сукупності з відомими ознаками забезпечує підвищення технологічності виготовлення структур напівпровідникових приладів, відтворюванність їх параметрів, збільшення відсотку ви ходу придатних стр уктур і стр уктур з покращеним сполученням параметрів. Локальне видалення приповерхневого шару кремнію на глибину 1-5 мкм в місцях майбутньої дифузії донорного домішку може відбуватись як після суцільного витравлювання на пластині порушеного прошарку кремнію, так і без нього. Поверхнева концентрація акцепторного домішку, наприклад, бору, змінюється завдяки цьому локальному видаленню перед окисленням таким чином, що перехідна p +p область по межах n-областей, що створюють надалі дифузією донорного домішку (наприклад, фосфору) зменшується. Інжектуюча властивість n-емітеру в ци х прикордонних областях підвищується. Таким чином, зникає необхідність глибокого локального витравлювання кремнію перед дифузією донорного домішку, а також не потрібне наступне локальне видалення кремнію в керуючій області. Ця операція є дуже критичною, і зазвичай спостерігається певний розброс глибини видалення на пластині, що обробляється, і в партії пластин. Це, в свою чергу, веде до погіршення керованості і динамічних параметрів певного відсотку стр уктур . У способі, що заявляється, така операція не потрібна взагалі як для структур приладів з електричним керуванням, так і для структур, що керуються світлом. Це дозволяє значно покращити технологічність виготовлення структур і збільшити відсоток виходу придатних при покращенні сполучення параметрів керованості і динамічних параметрів, при одночасному поліпшенні відтворюванності. За допомогою способу, що заявляється, можливо створювати численні силові напівпровідникові структури приладів як з класичною фаскою, так і з пасивацією склом планарних і меза-планарних випрямних р-n переходів, у тому числі і з відокремлюючими р-областями. Дифузія акцепторного домішку, що створює випрямні р-n переходи, може проводитися як по усій пластині, так і локально; вона може відбуватися у одну і в декілька стадій. Пластина може мати шліфовану, хімічно травлену або поліровану поверхню. Локальне видалення кремнію перед окисленням в місцях майбутньої дифузії донорного домішку може бути як однобічним (для тиристорів, фото тиристорів тощо), так і двобічним (для триаків і оптотриаків, діаків тощо, а також для однокристальних модулів на основі цих стр уктур). Стр уктури з однобічною склопасивацією можуть мати по периферії наскрізну відокремлюючу р-область. В кремнієвій пластині n-типу провідності, потрібної товщини, класу чистоти обробки поверхні, з необхідним рівнем питомого електроопору за допомогою дифузії акцепторного домішку створюють випрямні р-n переходи. Зазвичай до складу джерела дифузії входять алюміній і бор. Перший завдяки високому коефіцієнту дифузії визначає глибину р-n переходу і його випрямні властивості, тоді як другий, що має більш високу розчинність у кремнії, визначає рівень поверхневого електроопору і, насамкінець, параметри керованості структури. Для створювання необхідного концентраційного профілю може також проводитись додаткова, порівнянне коротка, дифузія бору (так зване делегування), під час якого поверхневий електроопір зменшується до ста разів. Може також проводитись видалення порушеного прошарку завтовшки 1-1,5мкм по обох поверхнях оброблюваної пластини. Ця операція відбувається після видалення домішковосилікатного скла, що вкриває пластину після дифузії. Після цього за допомогою маски з фоторезисту в місцях, де буде відбуватися дифузія донорного домішку, видаляють витравлюванням у кислотному травнику або у плазмі прошарок кремнію 1-5мкм завтовшки, контролюючи процес по зміні поверхневого електроопору в цих місцях. Надалі пластину піддають термічному окисленню для створення маски, тривкої до наступної дифузії акцепторного домішку. За допомогою фотолітографії і селективного витравлювання двоокису кремнію видаляють маскуюче покриття в місцях, де має відбуватися дифузія фосфору. При цьому глибинне витравлювання кремнію (на глибину 7-12мкм, як у способіаналогу) не проводять. Це пояснюється тим, що після неглибокого локального витравлювання кремнію - до термічного окислення - сполучення розподілів концентрації бору в суміжних областях після термічного окислення таке, що подальшого видалення p+ кремнію перед дифузією не потрібно взагалі. Після дифузії фосфору і створення n+ емітеру (з одного або з обох боків пластини, залежно від виду приладу), після видалення фосфоросилікатного скла проводять подальше формування структури: окислення, створення контактів, відкриття та пасивацію випрямних р-n переходів, поділення пластини на кристали тощо. Послідовність цих подальших операцій визначається видом, конструкцією і призначенням структури. Кількісні ознаки винаходу було сформульовано дослідним шляхом. Глибина витравлювання кремнію перед окисленням менша, ніж 1мкм не веде до позитивних наслідків, себто не дозволяє обійтися надалі без глибинного витравлювання кремнію. Глибина видалення більше, ніж 5мкм, є надмірною, тому що в цьому випадку глибина рельєфу поверхні на межі p і n областей стає сумірною з товщиною металізації, що веде до погіршення якості приладу, до того ж в цьому випадку може погіршитися стійкість структур до впливу випадкових шумів. Приклад 1. За допомогою способу, що заявляється створено структури склопасивованого триаку (симетричного тиристора) на струм 16A і напругу 1000В. Як вихідні використовувалися пластини n-кремнію Чохральського з питомим електроопором 40 Ом .см, діаметром 76мм. Пластини мали шліфовану поверхню і були 320мкм завтовшки. Заздалегідь на пластинах за допомогою термоміграції було створено наскрізні периферійні р-області у вигляді квадратної сітки з топологічним кроком 4,55мм, а також реперні Знаки для подальших фотолітографічних обробок. Створення на пластині з обох боків випрямних р-n переходів потрібного концентраційного профілю втілювали за допомогою довготривалої дифузії алюмінію і бору до і після термоміграції при температурі 1250°С. Глибина випрямних р-n переходів з обох боків дорівнювала 60 мкм. Надалі створення потрібного профілю довершувала порівнянне швидкоплинна дифузія бору (так зване делегування), що контролювали за рівнем поверхневого опору r s, який дорівнював 2-3 Ом/ . Надалі пластини було поділено на дві партії - дослідну і контрольну - що її було виготовлено згідно до способу-аналогу. Дослідну партію піддавали після видалення алюмоборосилікатного скла фотолітографічній обробці, видаляючі в місцях наступної дифузії фосфор у (на емітерах з обох боків і на області керування) приповерхневий шар завтовшки 2мкм, контролюючи рівень r s. Надалі на обох партіях термічним окисленням створювали шар маскуючого двоокису кремнію, який локально видаляли з використанням фотолітографії, а контрольна партія піддавалася додатково глибинному витравлюванню кремнію у кислотному травнику на основі суміші азотної, фтористоводневої і оцтової кислот. Кремній видалявся на глибину 7-10мкм, так, щоб r s сягало в цих місцях 10-20 Ом/. Надалі на обох партіях відбувалася дифузія фосфору із створенням емітерів глибиною 21мкм, після чого на контрольній партії витравлювали канавку в області керування за стандартною технологією. Подальші операції однобічне витравлювання меза-профілю і його склопасивація, металізація поверхні, тестування структуру пластині і поділення пластин на окремі структури - відбувалося на обох партіях за стандартною технологією водночас і поряд. Металізація лицевого боку (що вміщує керуючу область) зроблена напиленням алюмінію через магнітну маску за допомогою електронно-променевої гармати, протилежний бік було вкрито трьохшаровим покриттям ”титан-нікель-срібло”. На структурах обох партій зафіксовано однакові випрямні властивості (1000-1250В) і напруга на приладі в проводячому стані (1,40-1,55В), але для структур контрольної партії необхідно було проводити розварювання по p- i n- областях двома дротами, тоді як для дослідної партії місце приварювання алюмінієвих дротів було довільне. Партії відрізнялися по параметру керованості. Тоді як структури контрольної партії відкривалися керуючим струмом 10-60мА, структури дослідної партії - струмом 16-17мА в обох напрямках. Дослідна партія мала також більший відсоток структур найвищої, п'ятої гр упи динамічної стійкості. Приклад 2. За допомогою способу, що заявляється, створено структури оптронного тиристору на стр ум 50А і напругу 1600В ”класичної” конструкції з механічно профільованою фаскою. Створення на пластині випрямних р-n переходів з потрібним концентраційним профілем втілено за допомогою дифузії алюмінію і бору з двох боків протягом 24 годин при температурі 1250°С, з наступним видаленням домішковосилікатного скла і порушеного прошарку на глибину 3-5мкм. Глибина випрямних р-n переходів з обох боків складала по 70-75мкм, a r s дорівнював 170-200 Ом/. Надалі частину партії було відокремлено, а на решті пластин за допомогою фотолітографії видаляли кремній на глибину 1-3мкм в місцях майбутньої дифузії фосфору. Потім обидві половини партії окислювали з отриманням шару двоокису кремнію завтовшки 1-1,2мкм і за допомогою фотолітографії локально видаляли цей шар перед локальною дифузією фосфор у. У відокремленій частині партії додатково витравлювали кремній у глибинному травнику, що потрібно для втілення ефективної сіткоподібної шунтуючої стр уктури. Глибина видалення кремнію контролювалася за стандартним процесом і складала 5-6мкм. Дифузією фосфору створювали n+ емітер глибиною 18-21мкм на обох партіях. Надалі обидві партії обробляли водночас за стандартним маршрутом, створюючи металізацію на основі нікелю, відкриваючи фотовікно для керування і поділяючи пластини на структури з наступною чередою складальних операцій, створенням фаски і її пасивацією. На дослідній частині партії не проводили витравлювання фотовікна вглиб, чого потребує стандартний процес, і що є причиною численного браку на цій операції. При випробуваннях обидві партії показали тотожній рівень блокуючої напруги у обох напрямах, відсоток виходу придатних по керованості склав на дослідній частині партії 98%, а на контрольній - 90%. Обидві половини партії мали високий відсоток найвищої, п'ятої гр упи по динаміці.