Спосіб виготовлення кристалів кремнієвих напівпровідникових приладів з відокремлюючими р+ областями

1 Спосіб виготовлення кристалів кремнієвих напівпровідникових приладів з відокремлюючими р+ областями, що включає створення в кремнієвій підкладці п-типу випрямних плоских р-n переходів дифузією, формування відокремлюючих р+ областей термоміграцією линійних зон на основі алюмінію, яка супроводжується дифузією алюмінію з пари в поверхню підкладки, створення інжектуючих р-n переходів, наступну однобічну пасивацію випрямних р-n переходів, металізацію і поділення підкладки на кристали, який відрізняється тим, що випрямні р-n переходи на 40-90% розрахункової глибини формують до термоміграцм з наступним відпалом алюмінію, що досяг підкладки, після термоміграцм 2 Спосіб за п 1, який відрізняється тим, що відпал алюмінію, що досяг підкладки, здійснюють водночас з формуванням інжектуючих р-n переходів і термічним окисленням Винахід належить до галузі напівпровідникових приладів і може бути використаний при виготовленні кристалів кремнієвих потужних силових напівпровідникових приладів тиристорів, симісторів (тріаків) фототріаків, фототиристорів, тощо, а також однокристальних модулів на їх основі Відомим Є спосіб виготовлення напівпровідникового приладу (Chang М , Kennedy R The Application of Temperature Gradient Zone Melting to Silicon Wafer Processing // J Electrochem Soc , v 128, 1981, No10, p 2196), згідно до якого в кремнієвій напівпровідниковій ПІДЛОЖЦІ n-типу, яка має потрібну товщину і рівень питомого опору, формують за допомогою дифузії випрямні і інжектуючі рп переходи, після чого за допомогою термоміграцм (зонної плавки з градієнтом температури) ЛІНІЙНИХ зон формують наскрізні відокремлюючі р+ області, з наступними обов'язковими операціями однобічною склопасивацією випрямних р-n переходів, металізацією є внесення до підложки залишковими продуктами термоміграцм істотних механічних напруг, що також знижує блокуючи властивості кристалів і відсоток виходу придатних Найбільш близьким за технічною суттю і результатом, що досягається, є спосіб виготовлення кристалу кремнієвого напівпровідникового приладу з відокремлюючими областями (Т R Anthony є а , Thermomigration Processing of Isolation Grids in Pover Structures//IEEE Transaction on Electron Devices ED-23, No8, pp 818 - 823), згідно до якого в полірованій ПІДЛОЖЦІ n-кремнію дифузією галію у закритій трубі створюють випрямні р-n переходи з поверхневою концентрацією р-домішку 3 101 см 3 з наступною локальною дифузією фосфору для створення емітеру Після ЦЬОГО на емітернім боці підложки формують сітку ЛІНІЙНИХ зон з алюмінію і термоміграцією створюють відокремлюючі р+ області Надалі на емітернім боці підложки канавками розділяють випрямні р-n переходи з наступною їх склопасивацією, подальшою металізацією контактів і поділенням підложки на кристали Недоліки такого способу усі викривлення зон під час міграції, можливі розриви зон знижують відсоток виходу придатних структур, відсутність дифузійної "розгонки" р-n переходів відокремлюючих областей (адже усі високотемпературні обробки проведено до термоміграції) не дозволяє одержувати прилади з високою блокуючою властивістю Додатковим заперечливим чинником Попри те, що делегування поверхні підложки під час термоміграцм дозволяє зменшити поверхневий електроопір р-шарів, терміну власне термоміграцм недостатньо для модулювання концентраційного профілю В такий спосіб неможливо створити високовольтні прилади, тому що майже CO о о> со ю 53903 не відбувається розгонка вертикальних р областей До того ж, викривлення і розриви зон і можливі механічні напруги, що заносяться під час термоміграцм, знижують відсоток придатних структур В основу винаходу поставлено задачу в способі виготовлення кристалів кремнієвих напівпровідникових приладів з відокремлюючими р+ областями шляхом зміни порядку операцій створення рП переходів забезпечити підвищення блокуючої властивості приладів за рахунок оптимізаци концентраційного профілю, зменшення дефектів і механічних напруг, що заносяться до підложки на початкових стадіях термообробки, підвищення якості кристалів приладів шляхом покращення сполучення динамічних параметрів і характеристик керованості за рахунок можливості модулювати концентраційний профіль, підвищення відсотку виходу придатних Поставлена задача вирішується тим, що в способі виготовлення кристалів кремнієвих напівпровідникових приладів з відокремлюючими р+ областями, який містить в собі створення в кремнієвій ПІДЛОЖЦІ n-типу випрямних плоских р-n переходів дифузією, формування відокремлюючих р+ областей термоміграцією ЛІНІЙНИХ ЗОН на основі алюмінію, яка супроводжується дифузією алюмінію з пари в поверхню підложки, створення інжектуючих р-n переходів, наступну однобічну пасивацію випрямних р-n переходів, металізацію і поділення підложки на кристали новим є те, що випрямні р-n переходи на 40 - 90% розрахункової глибини формують до термоміграцм з наступним відпалом алюмінію, що дістався до підложки, після термоміграцм, а також те, що відпал алюмінію, що дістався до підложки, здійснюють водночас з формуванням інжектуючих р-n переходів та термічним окисленням Причинно-наслідковий зв'язок між сукупністю ознак технічного рішення, що заявляється, і технічним результатом, що досягається, полягає в тому, що зміна порядку виконання операцій і умов їх виконання, а саме те, що після створення дифузією випрямних р-n переходів на 40 - 90% розрахункової глибини - під час термоміграцм втілюють додаткову загінку і часткову розпнку (відпал) швидкодифундуючого акцепторного домішку алюмінію, під час термоміграцм на ПІДЛОЖЦІ створюють потужне джерело атомів алюмінію для його наступної дифузії з поверхневою концентрацією набагато вищою, ніж концентрація, яку можливо одержати при дифузії алюмінію з легованих окисних плівок - у сукупності з відомими ознаками забезпечує можливість коректувати і оптимізувати концентраційний профіль випрямних р-n переходів, що веде до підвищення блокуючих властивостей кристалів приладів, їх якості і виходу придатних При дифузії з легованих окисних плівок (наприклад, алюмоборосилікатного скла) на повітрі одержують так званий двохекспоненційний концентраційний профіль випрямляючих р-n переходів При цьому глибина р-n переходу і градієнт концентрації домішку поблизу р-n переходу визначається алюмінієм, що має високий коефіцієнт дифузії, а поверхнева концентрація домішку визначається бором, питома розчинність якого у кремнії вища Поверхнева концентрація алюмінію сягає при цьому 10 1 6 см 3 , тобто "плавний" концентраційний профіль при цьому не досягається АЛЮМІНІЙ, ЩО достається до підложки з пари під час термоміграцм в вакуумі (або в неокислювальній атмосфері) дозволяє одержувати поверхневу концентрацію АІ аж до 101 см , і, дифундуючи вглиб підложки під час наступних високотемпературних термообробок, створює (спільно З , акцепторними домішками, що дифундували раніше) профіль р-n переходу, ' близький до плавного Це підвищує блокуючу властивість приладів, покращує, чутливість приладів до сигналів включення електричних або променевих - а також їх динамічні властивості Спосіб, що заявляється, дозволяє покращити сполучення високої чутливості кристалів приладів до малого сигналу керування (променевого або електричного) з високими динамічними і властивостями При двохекспоненційнім концентраційнім профілі або в разі створення випрямляючих р-n переходів дифузією одного акцепторного домішку - сполучення високої чутливості з покращеними динамічними властивостями неможливе Досі динамічні властивості приладів покращували за рахунок зниження їх чутливості і навпаки ДО ВІДОМУ ЕКСПЕРТИЗИ! у способі, що заявляється, дифузія втілюється в три етапи На першому етапі створюють двохекспоненційний профіль випрямляючих переходів з глибиною, яка дорівнює 40 - 90% розрахункової Потім під час термоміграцм втілюється загінка алюмінію з пари в вакуумі і його часткова розпнка На третьому етапі, який може бути поєднаний з створенням інжектуючих р-n переходів, завершується формування випрямляючих переходів Фронт дифузії алюмінію, який було введено до підложки під час термоміграцм, при цьому не наздоганяє фронт дифузії алюмінію, який створює р-n перехід Суть рішення, що заявляється, висвітлюється малюнками Фіг 1 Вихідна підложка перед термоміграцією На ПІДЛОЖЦІ 1 створено випрямляючі р-n переходи 2і З Фіг 2 Концентраційний профіль одного з випрямляючих р-n переходів (нижнього) перед термоміграцією Фіг 3 Підложка після термоміграцм 4 - відокремлюючі р+ області, 5, 6 - області в які пройшла дифузія алюмінію з пари під час термоміграцм Фіг 4 Концентраційний профіль нижнього р-п переходу після термоміграцм Пунктиром позначений розподіл концентрації алюмінію, який дістався до підложки з пари Фіг 5 Підложка після створення інжектуючих рп переходів 7 - інжектуючий (емітерний) р-n перехід, 8 - р-n перехід відокремлюючої області після розгонки Фіг 6 Концентраційний профіль нижнього р-п переходу на стадії, позначеній на фіг 5 Xj - розрахункова глибина р-n переходу Фіг 7 Структура мезапланарного склопасивованого тиристора, який виготовлено згідно до способу, що заявляється Суть рішення, що заявляється, така Кремніє 53903 ва підложка n-типу провідності 1 (Фіг1) має потрібну товщину, плоскопаралельність і клас чистоти обробки поверхні За допомогою дифузії в ній формують області р-типу провідності, які створюють з вихідним кремнієм плоскі випрямляючі р-n переходи 2 і З В разі використання двох акцепторних ДОМІШКІВ, наприклад, бору і алюмінію, концентраційний профіль (розподіл концентрації домішку вглиб підложки) має вигляд, який зображено на фіг 2 Для наочності зображено тільки нижній перехід Глибина р-n переходів на цьому етапі складає 40 - 90% розрахункової глибини р-n переходів майбутнього приладу Можливе проведення дифузії на підвалині домішку одного типу атомів галію, алюмінію з невисокою (менш, як 5 1017см 3) поверхневою концентрацією залежно від вимог до конкретного приладу Межі глибини р-n переходу на цій стадії (40 - 90%) знайдено емпіричним шляхом згідно до вимог до конкретних приладів Потім за допомогою термоміграцм дискретних (линійних) зон на основі алюмінію за відомою технологією в вакуумі формують відокремлюючі р+ області 4 (Фіг 3) Під час термоміграцм в підложку дістається алюміній з пари, що створюється при зануренні зон і після їх виходу на фінішну поверхню підложки Він за термін термоміграцм занурюється до підложки на певну глибину, створюючи шари 5 і 6 На концентраційному профілі (Фіг 4) пунктиром показано "внесок", що його створено алюмінієм, який дістався до підложки під час термоміграцм Згодом здійснюють відпал (подальшу розгонку) алюмінію, який дістався до підложки під час термоміграцм, створення інжектуючих р-n переходів 7 (Фіг 5) з одного або з двох боків підложки за відомою технологією На практиці переважно поєднують відпал з формуванням інжектуючих р-п переходів в єдиному термічному циклі, що містить в собі ВІДОМІ операції термічного окислення і дифузії фосфору, сполученої дифузії - залежно від виду приладу Вимоги до виготовлення конкретного приладу потребують подекуди видалення тонкого шару потужнолегованого кремнію з фінішного боку підложки, наприклад, стравлюванням або шліфуванням Контроль цього процесу відбувається, наприклад, за результатами виміру поверхневого, електроопору На цій термічній стадії втілюється також дифузійна розгонка алюмінію в відокремлюючих областях Вертикальні р-n переходи 8 розганяються, їхній концентраційний профіль стає більш плавним, себто блокуюча властивість їх зростає Однак порівнянно невеликий термін відпалу - декілька годин - зберігає переваги термоміграцм використання "вбудованого", полікристалічного геттеру на слідах занурення зон і високу кристалографічну досконалість і чистоту р+ областей після очищення їх рідкою зоною Остаточний вигляд концентраційного профілю показаний на фіг 6 Надалі втілюють однобічну пасивацію випрям ляючих р-n переходів, наприклад, за допомогою скла 10 (Фіг 7) або багатошарового покриття тощо, відкривають контактні області і створюють металізацію на області катоду 11, керування 12 (якщо це є необхідним) і аноду 13, поділення підложки на окремі кристали Можливість здійснення винаходу розкривається на прикладі виготовлення тріака на струм 16А і напругу 1200В В кремнієвій ПІДЛОЖЦІ n-типу провідності діаметром 76мм з питомим електроопором 40Ом х см, яку заздалегідь доведено шліфуванням до товщини 0,3 - 0,32мм, за допомогою відомого процесу дифузії алюмінію і бору створюють з обох боків плоскі р-n переходи глибиною 50 55мкм Поверхнева концентрація, яку контролюють за рівнем поверхневого електроопору, складає 10 1 8 см 3 Потім за допомогою термоміграцм ЛІНІЙНИХ ЗОН на основі алюмінію за відомим процесом створюють у вакуумі відокремлюючі р+ області у вигляді квадратної сітки з топографічним кроком 4 х 4мм Ширина р+ області складає 100 - 110мкм Необхідна величина поверхневого електроопору підложки на цій стадії достається за допомогою витравлювання і, в разі необхідності, підшліфовування фінішного боку підложки Після ЦЬОГО В процесі подальших термічних операцій (окисне маскування, створення інжектуючих р-n переходів дифузією фосфору) глибину випрямляючих р-n переходів доводять до розрахункової - 70 - 75мкм ВІДПОВІДНО високоомна n-база залишається 160 - 170мкм завтовшки Подалі за відомою технологією втілюють однобічну пасивацію віпрямляючих р-n переходів свинцевоалюмосилікатним склом при глибині меза - канавки 120 ± Юмкм На контактні області структур наносять металізацію алюміній на область катода і керування напилюють за допомогою електронно-променевої пушки через магнітну маску, а на протилежний бік підложки наносять трьохшарову металізацію Ti-Ni-Ag магнетронним напиленням Випробування структур тріаків показує, що 65% структур мають блокуючу напругу більш, як 1000В, в т ч 46% структур мають блокуючу напругу більш, як 1200В Струм керування дорівнює, ЮмА по прямій і 16мА по зворотній ГІЛЦІ При цьому припустима швидкість зростання струму в комутаційнім режимі відповідає найвищій, п'ятій групі динаміки Приклад доводить, що використання винаходу дозволяє одержувати ВИСОКОЯКІСНІ прилади, що містять в собі як високі динамічні властивості, так і покращену чутливість до сигналу керування, високу блокуючу напругу і підвищений відсоток виходу придатних З використанням технічного рішення, що заявляється, можливо також виготовляти кристали інших напівпровідникових приладів і модулів на їх основі 53903 3\2 Фіг.4 ФІГ.1 H Z U 4Ы0Х, Фіг.2 Фіг.5 Фіг.З 1С П 12 Ч rry-i /3 Фіг.7 ТОВ "Міжнародний науковий комітет" вул Артема, 77, м Київ, 04050, Україна (044)236-47-24 х