Кристал напівпровідникового приладу з наскрізною периферійною р-областю

Корисна модель відноситься до галузі напівпровідникових приладів і може бути використана в кристалах тиристорів, діодів, симісторів і однокристальних модулів на їхній основі, а також потужних інтегральних мікросхем. Відомім є кристал тиристора (Blunt P. Reliable Thyristors and Triacs in TO220 Plastic Packages - Electronic Components and Applications, v.2, No1 (1979) p.p.53-57), який складається з горизонтальної чотирьохшарової p-np-n структури, нижній р-шар якої виведений на верхній бік структури крізь периферійну наскрізну р-область, створену ди фузією. Наскрізна периферійна область створює з шаром вихідного кремнію р-n перехід. Цей перехід, а також горизонтальний (колекторний) випрямний р-n перехід ви ходять в замкнену периферійну меза-канавку, яка пасивована за допомогою скла і міститься між верхнім (катодним) контактом і наскрізною периферійною областю. Цей кристал має знижений термін життя неосновних носіїв заряду ti, тому що він виготовлений цілком за дифузійною технологією. Необхідність створення глибоких р-n переходів в наскрізній області на глибину, яка перевищує половину товщини пластини потребує довготермінової локальної дифузії акцепторного домішку. Це є t. причиною зниження i Це веде до підвищення зворотного струму приладу, а також обмежує його U , термостабільність. Зазвичай обмеженою є гранична зворотна напруга приладу R тому, що підвищення цього параметру потребує збільшення товщини вихідного кремнію і, в свою чергу, збільшується за квадратичним законом термін наскрізної дифузії. Останнє є причиною низької технологічності приладу, оскільки повний контроль "змикання" дифузійних фронтів здійснювати неможливо, а за довгий час дифузії завдяки вірогідним відхиленням температури від номіналу глибина наскрізної дифузії в партії пластин безумовно коливатиметься. Це зумовлює підвищений відсоток браку, що здорожує виріб. Найбільш близьким за технічною суттю і результатом, що досягається, до технічного рішення, що заявляється, є кристал напівпровідникового приладу з наскрізною пepиферiйнoю областю (Anthony T.R. et al. Thennomigration Processing of Isolating Grids in Power Structures -IEEE Transaction on Electron Devices, vol. ED-23, No8 (1976), p.821, Fig.4 (top). Цей кристал складається з чотирьохшарової стр уктури з горизонтальними р-n переходами, яка оточена ззовні замкненою наскрізною периферійною р-областю на основі перекристалізованого кремнію, що створює вертикальний р-n перехід з шаром вихідного кремнію. Також кристал має верхній і нижній контакти (на малюнку не вказані) і замкнену область пасивації вертикального і горизонтального (колекторного) переходів, що розташована між верхнім контактом і наскрізною периферійною p-областю. Наскрізну периферійну область одержано термоміграцією (зонною плавкою з градієнтом температури) з наступною дифузійною розгонкою цієї потужно легованої області. Поділення пластини на кристали здійснено по перекристалізованій області. t Цей кристал має підвищений зворотній струм, оскільки i в ви хіднім n-кремнії по усій площині приладу однаковий. До того ж такому кристалу властива наявність місць з підвищеною локальною щільністю зворотного струму (струму ви току) у передпробійній області вольт-амперної характеристики (в.а.х.) так звана, "м'яка" в.а.х. Ці місця підпорядковані до локальних викривлень наскрізних р + областей під час термоміграції лінійних зон, особливо, якщо кристал під час виготовлення був розташований на периферійній частині пластини. Наявність локальних викривлень наскрізних р-областей і пов'язаних з цим місць з локальним підвищенням щільності струму витоку зменшують відсоток кристалів високих класів і, таким чином, збільшують собівартість кристалу і роблять неможливим виготовлення потужних кристалів які мають великий периметр. В основу корисної моделі поставлено задачу в кристалі напівпровідникового приладу з наскрізною периферійною р-областю шляхом введення додаткових областей по периферії кристалу забезпечити зниження струму витоку кристалу, а також підвищення технологічності його виготовлення і зниження собівартості. Додатковим технічним результатом є забезпечення "жорстких" в.а.х. зворотно зміщеного вертикального р-n переходу у передпробійній області з чітким "загином". Також рішення, що заявляється дає можливість виготовляти високовольтні кристали на великий струм (що мають великий периметр). Поставлена задача вирішується тим, що в кристалі напівпровідникового приладу з наскрізною периферійною р-областю, який складається з багатошарової структури не менш як з одним горизонтальним р-n переходом, яка оточена ззовні замкненою наскрізною периферійною р-областю на основі перекристалізованого кремнію, що створює з шаром вихідного кремнію вертикальній р-n перехід, а також з верхнього і нижнього контактів і замкненої області пасивації вертикального і, за необхідністю, горизонтального р-n переходу, яка розташована між верхнім контактом і наскрізною периферійною областю новим є те, що зовнішній край області перекристалізованого кремнію оточений ззовні неперекристалізованою наскрізною областю яка має розриви; Новим також є те, що ширина зовнішньої неперекристалізованої області складає 10-200мкм, а її розриви відбуваються в місцях виходу на торець кристалу перекристалізованого р-кремнію і зазвичай підпорядковані до кутів кристалу; Новим також є те, що зовнішня неперекристалізована область має порушену кристалічну стр уктур у, і їй притаманні гетеруючі властивості; Новим також є те, що область пасивації являє собою склопасивовану меза-канавку, а вертикальний р-n перехід перетинає зовнішній ухил канавки на глибині не менший, ніж глибина горизонтального випрямного р-n переходу; Новим також є те, що наскрізна відокремлююча область перетинає зовнішній ухил меза-канавки своєю горизонтальною частішою, і довжина цієї горизонтальної частини не перебільшує ширини області просторового заряду у ви хідному кремнії; Новим також є те, що область пасивації виконана планарною. Причинно-наслідковий зв'язок між сукупністю ознак технічного рішення, що заявляється, і технічнім результатом, що досягається, полягає в тому, що введення нового конструктивного елементу, а саме наскрізної неперекристалізованої області; - а також те, що ця область має розриви в місцях виходу на торець кристалу перекристалізованого р-кремнію; - а також те, що ця неперекристалізована область оточує ззовні область перекристалізованого кремнію; - а також те, що ця неперекристалізована область має порушену кристалічну стр уктуру, і їй притаманні гетеруючі властивості - у сукупності з відомими ознаками забезпечує зниження струму витоку кристалу у закритому (непровідному) стані, "жорсткі" в.а.х. зворотно зміщеного вертикального р-n переходу у передпробійній області з чітким "загином", а також підвищує технологічність його виготовлення і знижує собівартість. Також завдяки цьому те хнічному рішенню стає можливим виготовлення високовольтних кристалів напівпровідникових приладів на великий струм (кристалів з великим периметром). Наскрізна периферійна р-область створена за допомогою термоміграції з наступною дифузійною розгонкою потужнолегованої перекритолізованої р+-області. Під час міграції ансамблю паралельних зон зростає стабільність міграції, стійкість проти викривлення траєкторії міграції порівняно з одиночною зоною. Траєкторія міграції одиночної лінійної зони може відхилятися від нормалі до площини пластини, особливо в периферійній частині пластини. Це є безпосередньою причиною так званих м'яких в.а.х., збільшення струмів витоку зворотно зміщеного вертикального р-n переходу кристалу. Кристали, які виготовлено згідно з технічним рішенням, що заявляється, не мають такого недоліку. Отже про використанні цього технічного рішення збільшується відсоток продукції з високою блокуючою властивістю і жорсткою в.а.х. За рахунок цього зменшується собівартість кожного кристалу і збільшується технологічність їхнього виготовлення. Цьому також сприяє поширення р-області, тому що полегшується поділення пластини на окремі кристали, що здійснене крізь проміжок між перекристалізованими областями сусідніх кристалів. Наскрізна гетеруюча область з порушеною кристалічною структурою впливає на вміст шкідливих домішок у t периферійній частині кристалу, зокрема в області пасивації таким чином, що i в цих областях є вищім, ніж у кристалі в цілому. Це забезпечує зниження зворотного струму випрямних р-n переходів IR в місцях їхньої пасивації на периферії кристалу. Також підвищується термостабільність кристалу. Поверхнева компонента IR при зростанні температури зростає менше. Технологічно область з порушеною кристалічною структурою одержують під час створення наскрізних областей термоміграцією. Необхідність зберігання механічної міцності пластини і вимоги стабільності міграції забезпечуються міграцією сітки лінійних зон, з'єднаних в єдиний ансамбль. Ці вимоги визначають наявність розривів гетеруючих областей в місцях з'єднання в єдине ціле перекристалізованих областей, що належать до сусідніх кристалів. Можливі місця розривів гетеруючої периферійної області здебільшого знаходяться в кутах кристалів або поблизу кутів (в місцях, прилеглих до спрямлення прямих кутів прямокутних кристалів). Технічне рішення, що заявляється, пояснюється кресленнями, на яких відображено: на фіг.1 - поперечний перетин кристалу меза-планарного тиристору (тут і надалі - пояснення в подальшому тексті опису). на фіг.2 - краєва частина поперечного перетину кристалу, що має горизонтальну частину відокремлюючої області; на фіг.3 та 4 - повздовжній переріз прилеглої до кута області кристалу на глибині, меншій, ніж глибина горизонтального випрямного р-n переходу (варіанти). Кристал кремнієвого приладу (тиристору) 1 (фіг.1) містить наскрізну периферійну р-область 2 на основі перекристалізованого кремнію. Цю область отримано термоміграцією з використанням зони розчину-розплаву на основі алюмінію. Їй притаманна висока ступінь легування (не менш, як 10 19 см -3 в перекристалізованій частині) і наявність горизонтального градієнту концентрації акцепторного домішку, який зумовлений дифузійною розгонкою потужнолегованої р+ області. В склад мігруючої зони можуть входити також атоми бору, галію, олова тощо. Ця область 2 створює з шаром вихідного кремнію 3 вертикальний р-n перехід 4. Термін "вертикальний" в даному випадку є умовним, тому що цей р-n перехід може бути розташований під кутом 45-135° до горизонтальної площини кристалу, що пояснюється особливостями процесу термоміграції, насамперед, розширенням перекристалізованої області бід старту міграції до фінішу. З середини наскрізної периферійної області містяться, чергуючись, горизонтальні шари р-n-р-n структури, що створюють між собою плоскі р-n переходи: анодний 5, продовженням якого є вертикальний р-n перехід 4, колекторний 6 (випрямні) і емітерний. Верхній контакт 7 і область керування 8, а також нижній контакт 9 багатошарова металізація, наприклад, складу Ti-Ni-Ag. Випрямні р-n переходи пасивуються склом в меза-канавці 10, яка розташована суміжно з верхнім контактом 7 і наскрізною периферійною областю 2. Зовнішній край перекристалізованої області 2 оточений ззовні неперекристалізованою областю 11, яка зазвичай має порушену кристалічну стр уктуру і виконує функції гетеру. Так саме, як тиристор, можуть бути виконані кристали симісторів (тріаків), фототиристорів, фототріаків, діодів прямої полярності тощо, а також силових одно кристальних інтегральних модулів. Корисна модель, що заявляється, може бути виконана в планарному варіанті пасивації, коли випрямні колекторний і анодний р-n переходи (або тільки останній, якщо йдеться про діод прямої полярності) пасивуються в площині катоду, а також у меза-планарному варанті, як це зображено на фіг.1. Як видно, меза-канавка перетинає вертикальний р-n перехід відокремлюючої області своїм зовнішнім краєм на глибині, не меншій, ніж глибина горизонтального випрямного р-n переходу. Таке профілювання пояснюється нерівномірністю глибини витравлювання меза-канавки і викликане потребою відтворюваності параметрів кристалів, особливо, якщо останні мають великий периметр. Можливим також є варіант, коли наскрізна пepиферiйнa відокремлююча область 2 перетинає зовнішній ухил меза-канавки 10 своєю горизонтальною частиною (фіг.2). В цьому випадку довжина горизонтальної частини А має бути меншою, ніж ширина області просторового заряду в об'ємі вихідного кремнію при зворотному зміщенні анодного р-n переходу. Тоді приповерхневе викривлення області поверхневого заряду в n і р областях відбувається у протилежні боки, і поле у приповерхневій області зменшується, що підвищує UR . Області 11 мають розриви в місцях виходу на торець кристалу областей перекристалізованого кремнію, що викликається, як було пояснено вище, потребою зберегти механічну міцність пластини з кристалами під час виготовлення. На фіг.3 відокремлюючі області 2 і гетеруючі області 11 створені термоміграцією подвійної сітки зон. Зовнішній бік меза-канавки 10 прямокутний, таким чином вертикальний р-n перехід 4 пасивується на зовнішнім боці меза-канавки на усьому периметрі кристалу. Пунктиром тут зображений зовнішній край мезаканавки для приладів, які мають більше одного випрямного р-n переходу (тиристорів, тріаків тощо). Прямі кути в перехрестях подвійної сітки зон можуть бути спрямленими, як це показане на фіг.4 для підвищення рівню UR, особливо для кристалів з великим периметром. Дослідним шляхом встановлено, що ширина гетеруючої області приладу дорівнює 10-200мкм (з врахуванням ширини прорізання пластини на кристали за допомогою алмазного диску і розсуміщення при розрізанні). Зменшення відстані між зонами є невідтворюваним технологічно, а збільшення цієї відстані вище ніж 350мкм не веде до погіршення кристалічної досконалості кремнію в проміжках між зонами. Геометричні характеристики гетеруючої області визначаються технологічними чинниками процесу термоміграції і типом обладнання, тому можливі і інші оптимальні значення ширини гетеруючої області. Вимоги до глибини меза-канавки і ширини горизонтальної частини відокремлюючої області А також встановлені дослідним шляхом. Було виготовлено дві партії кристалів діодів прямої полярності на струм 100А. Дослідну партію було виготовлено згідно з технічним рішенням, що заявляється, а контрольна, порівняльна - згідно з найближчим аналогом. Обидві партії виготовлені водночас з того ж самого злитку вихідного кремнію марки Б40 з питомим електроопором 40 Ом х см за однаковим технологічним маршрутом. Кристали розміром 14х14мм мали однакову товщин у, металізацію, глибину і концентраційний профіль випрямного р-n перехода. Гетеруюча область на периферії кристалів дослідної партії мала ширину 30-100мкм, і її було одержано термоміграцією паралельних 70мікронних зон, що відстояли одна від одної на 160мкм. Середня зворотна напруга для дослідної партії дорівнювала 1860±120В, а для контрольної - 1790±180В. При класифікації приладів середній зворотній струм для дослідної парти дорівнював близько 60% від рівню зворотного струму контрольної парти. Обидві парти виявили майже однаковий рівень напруги у провідному стані при номінальному рівні струму: 1,36±0,05В для дослідної і 1,38±0,1В для контрольної партії. Відсоток придатних приладів склав для дослідної партії 70%, а для контрольної -61,4%. Термін життя неосновних носіїв заряду на кристалах обох партій майже не відрізнявся. Це свідчить про те, що використання технічного рішення, що заявляється, дозволяє забезпечити зниження струму витоку кристалу, а також зменшити його собівартість за рахунок підвищення відсотку виходу придатних. Використання такої конструкції кристалу робить можливим виготовлення з високим виходом придатних кристалів потужних напівпровідникових приладів з однобічною пасивацією, що мають велику (більш як 200 мм 2) площу.