Спосіб виготовлення структур діодів прямої полярності

Винахід належить до галузі напівпровідникових приладів і може бути використаний при виготовленні структур силових кремнієвих діодів прямої полярності і однокристальних модулів на основі цих діодів. Відомим є спосіб виготовлення напівпровідникових приладів (тиристорів, діодів прямої полярності) згідно з патентом США №3628106, заявл. 05.05.1969, де наскрізні відокремлюючі області діоду виконують за технологією дифузійної ізоляції: після термічного окислення в окислі створюють вікна і проводять наскрізну дифузію акцепторного домішку, після змикання фронтів дифузії і створення відокремлюючих областей стравлюють окис і формують за допомогою дифузії по усій поверхні потрібну структур у з p-n переходом, після цього мезатравленням з катодного боку відкривають випрямний (анодний) p-n перехід, пасивують його за допомогою скла, створюють металізацію і поділяють пластину на окремі структури. Спосіб, так саме як і його численні цілком дифузійні аналоги, є нетехнологічним, тому що термін дифузії збільшується за квадратичним законом із зростанням товщини пластини. Тому для створення структур з високою блокуючою напругою на підвалині товстої пластини високоомного кремнію термін дифузії сягатиме тижню і більше. Це, в свою чергу, негативно відбивається на електрофізичних параметрах носіїв, що погіршує якість структур. До того ж, способу притаманна значна бокова дифузія, що веде до втрат корисної площі кремнієвої пластини. Ще одна вада -неможливість стовідсоткове контролювати момент змикання дифузійних фронтів. Це призводить до зменшення відсотку ви ходу придатних. Відомим є спосіб виготовлення напівпровідникових приладів, наприклад тиристорів, діодів тощо (Chang М,, Kennedy R., The Application of Temperature Gradient Zone Melting to Silicon Wafer Processing J.Electrochem. Soc., v.128, No10, 1981, 2195-2196), згідно з яким на пластині кремнію формують зони металу-розчинника (алюмінію) відповідно до конфігурації відокремлюючих областей і далі термоміграцією (зонною плавкою з градієнтом температури) створюють сітку наскрізних відокремлюючих областей. Потім пластину механічною і, за необхідністю, хімічною обробкою доводять до потрібної товщини, видаляючи сліди термоміграції; надалі дифузією створюють плоский p-n перехід, після чого його відкривають і пасивують на катодній поверхні пластини, запроваджують металізацію і поділяють пластину на окремі структури. Незважаючи на значне, порівняно з дифузією, скорочення терміну створення відокремлюючих областей і придатність способу до обробки кремнієвих пластин будь-якої товщини, недолік способу полягає в тому, що під час механічної обробки після термоміграції значна частина пластин ламається, себто вихід придатних стр уктур знижується. Видалення після термоміграції приповерхневого шару, що має гетеруючі властивості, не дозволяє під час наступної дифузії проводити ефективне гетерування близьких до відокремлюючої області шарів кремнію. Найбільш близьким за технічною суттю і результатом, що досягається, до те хнічного рішення, що заявляється, є спосіб виготовлення діодних структур прямої полярності (Декл. патент України №45871, заявл. 03.08.2001р., приклад 3, колонки 10-12 опису), згідно з яким на одній з поверхонь кремнієвої пластини (катодній) створюють локальну окисну маску і формують зони металу-розчинника на основі алюмінію згідно з конфігурацією наскрізних відокремлюючих областей по периметру структур. Ці відокремлюючі області отримують термоміграцією з одночасною дифузією алюмінію в поверхню пластини, не захищену маскою, з отриманням плоского р-n переходу. Після термоміграції маску видаляють і проводять дифузію фосфору в поверхню, де було видалено маску (катодну), а в протилежну (анодну) проводять дифузію бору. Після цієї дифузії створюють меза-фаску і пасивують випрямний p-n перехід, металізують анодну і катодну поверхні і поділяють пластину на стр уктури, В такий спосіб дуже важко одержати прилади з високою блокуючою напругою, особливо в тому випадку, коли термоміграція проводиться на обладнанні, що забезпечує високе значення градієнту температури. Термін дифузії під час термоміграції в цьому випадку малий, і відтворюванність електрофізичних властивостей плоского випрямного p-n переходу е невисокою. Знижується відсоток виходу придатних стр уктур. Обмеженими є також технологічні можливості виготовлювача, тому, що технологічні параметри термоміграції залежать від необхідного рівню блокуючої властивості діоду. Задачею винаходу є підвищення зворотної блокуючої напруги діодних структур і збільшення відсотку виходу придатних, розширення технологічних можливостей виготовлювача шляхом введення додаткових операцій. В способі виготовлення структур діодів прямої полярності, який містить створення на катодній поверхні пластини n- кремнію локального маскувального покриття, формування зон металу-розчинника на основі алюмінію відповідно до конфігурації наскрізних відокремлюючих, областей по периметру стр уктур, створення цих наскрізних відокремлюючих областей термоміграцією з одночасною дифузією алюмінію з пари, видалення маски і подальшу дифузію фосфор у в катодну, а бору - в анодну поверхню пластини, з наступною пасивацією випрямного p-n переходу на катодній поверхні пластини, металізацію і поділення пластини на структури, новим є те, що перед маскуванням в анодну поверхню пластини проводять дифузію алюмінію з глибиною плоского випрямного p-n переходу не меншою, ніж 20% розрахункової глибини; а також те, що перед маскуванням в катодну поверхню стр уктури проводять дифузію фосфору; а також те, що дифузію фосфор у проводять водночас з дифузією алюмінію, а разом з алюмінієм до складу дифузанту вводять бор; а також те, що перед термоміграцією маскувальне покриття на анодній поверхні видаляють; а також те, що перед термоміграцією маскувальне покриття на анодній поверхні залишають хоча б частково, видаляючи Його поблизу сформованих зон на катодній поверхні; а також те, що ди фузію фосфору перед термоміграцією проводять локально, а пасивацію випрямного p-n переходу виконують планарною. Причинно-наслідковий зв'язок між сукупністю ознак технічного рішення, що заявляється, і технічним результатом, що досягається, полягає в тому, що введення додаткової технологічної операції - дифузії алюмінію в анодну поверхню пластини на глибину плоского випрямного p-n переходу не менш, як на 20% розрахункової глибини - у сукупності з відомими ознаками забезпечує підвищення зворотної блокуючої напруги діодних структур і збільшення відсотку виходу придатних, а також розширення технологічних можливостей виготовлювача. Блокуюча властивість плоского випрямного p-n переходу залежить від терміну високотемпературної дифузії, і для забезпечення прийнятного рівню зворотної напруги UR, що відповідає рівню питомого електроопору вихідного кремнію, цей термін може сягати десятків годин. Водночас блокуюча властивість вертикальних p-n переходів відокремлюючих областей, створених термоміграцією, є високою навіть за умови їх мінімальної розгонки. Надмірна розгонка відокремлюючих областей взагалі є небажаною, тому що це веде до недоцільної витрати корисної площі кристалу. В діодах прямої полярності рівень UR, порівнянне з діодами зворотної полярності (що мають анод зверху), більше наближається до теоретичного рівню, притаманного певному питомому електроопору вихідного кремнію. Це пояснюється тим, що зазвичай при меза-пасивації вертикального р-n переходу відокремлюючої області реалізується профілювання на зразок зворотної фаски, що сприяє підвищенню UR. Навіть якщо за певних обставин під час наступних фо толітографічних обробок відбулося розсуміщення зовнішнього контур у меза-канавки і відокремлюючої р-області, під час глибинного витравлювання мезапрофілю у кислотному травнику також відтворюється профіль на зразок зворотної фаски. Завдяки відчутній різниці хімічних потенціалів потужнолегованого р-кремнію і вихідного n-кремнію, останній витравлюється з більшою швидкістю. Ця обставина також зумовлює небажаність збільшення терміну відпалу - розгонки робласті. Таким чином доцільно виконувати попередню (до термоміграції) дифузію плоского випрямного р-n переходу на певну глибину. Якщо до складу джерела дифузії акцепторного домішку ввести бор, стає можливим водночас з потрібною глибиною р-n переходу знизити поверхневий електроопір р-шару. В такий спосіб створюється так званий двохекспоненційний концентраційний профіль. Алюміній, що дістається до пластини під час термоміграції, має високу поверхневу концентрацію, і це дає можливість модулювати концентраційний профіль випрямного р-n переходу під час наступної за термоміграцією термообробки. Згідно з способом, що заявляється, можливо здійснювати дифузію донорного домішку (зазвичай, фосфор у) як в одну, так і в дві стадії, додатково заганяючи фосфор в катодну поверхню до термоміграції. Технологічно це доцільно робити водночас з дифузією акцепторного домішку за відомим процесом сполученої дифузії. Дифузія фосфору в катодну поверхню може проводитися суцільно або локально. В останньому випадку пасивацію можливо виконати у планарному варіанті. Спосіб, що заявляється, пояснюється малюнками, на яких зображено: Фіг. 1 Пластина кремнію після дифузії перед термоміграцією (тут і далі позначення пояснюються в подальшому тексті опису), перетин. Фіг. 2 Концентраційний профіль з боку випрямного р-n переходу на стадії, що зображена на фіг. 1. Фіг. 3 Пластина кремнію після термоміграції, що супроводжується дифузією алюмінію з пари. Фіг. 4 Концентраційний профіль з боку випрямного р-n переходу на цій стадії. Пунктиром позначений алюміній, що потрапив до пластини на цій стадії. Фіг. 5 Концентраційний профіль діоду, hJ - глибина плоского випрямного р-n переходу. Фіг. 6 Структура діоду прямої полярності (металізація не вказана). Суть рішення, що заявляється, така. Кремнієва пластина донорного типу провідності 1 (фіг. 1) має потрібну товщин у, плоскопаралельність, клас обробки поверхні і рівень питомого електроопору. За допомогою дифузії в ній формують область р-типу провідності, яка створює з вихідним кремнієм плоский випрямний р-n перехід 2. Можливе також формування на протилежному боці пластини n+ шару З дифузією донорного домішку. На фіг. 2 зображено концентраційний профіль пластини з боку випрямного р-n переходу. Дво хекспоненційний профіль утворюється завдяки використанню двох акцепторних домішків - алюмінію і бору. Глибина р-n переходу на цьому етапі складає не менш, як 20% розрахункової глибини р-n переходу. В залежності від потрібного концентраційного профілю діоду можливе використання домішків одного виду атомів: галію, алюмінію з невисокою (менш, як 5-1017см-3) поверхневою концентрацією, тощо. Межу глибини р-n переходу на цій стадії (не менш, як 20% розрахункової глибини hJ) знайдено емпіричним шляхом, і вона залежить від вимог до конкретної структури діоду. Надалі на пластині формується маска. Зазвичай це товстий прошарок двоокису кремнію на катоднім боці пластини. Можливо також використання Si3N4 і його комбінації з SiO2 тощо. Маска повинна бути стійкою проти дії пари алюмінію, що з'являється під час термоміграції. Потрібно також забезпечити певну відстань між краєм маски і сформованою надалі зоною. Тут можливі подвійне окислення з подвійною фотолітографією або фотолітографія після формування лінійних зон. Процес формування зон металурозчинника на основі алюмінію відповідно до конфігурації наскрізних відокремлюючих областей по периметру діодних стр уктур і наступна термоміграція відбуваються за відомим процесом. Треба тільки зауважити, що зазвичай відбувається додаткове легування анодного (фінішного) боку пластини алюмінієм, для чого під час фотолітографії товстий окис з p-nоверхні видаляють. Можливим є також варіант, коли дифузія алюмінію з пари в анодну поверхню пластини е небажаною. В цьому випадку під час першої фотолітографії маскувальний шар товстого окису зберігається тут при фотолітографії повністю або частково. Під час термоміграції створюють наскрізні відокремлюючі області 4 (Фіг. 3) і до пластини дістається алюміній з пари повсюди, крім місць, що захищені маскою 5. Він за термін термоміграції занурюється до пластини на певну глибину. "Внесок" його в концентраційний профіль на фіг.4 вказано пунктиром. Згодом після видалення маски на пластинах проводять дифузію акцепторного домішку з анодного боку і донорного - з катодного, наприклад за відомою технологією сполученої дифузії, остаточно формуючи випрямний р-n перехід. Водночас із сполученою дифузією відбувається також дифузійна розгонка алюмінію в відокремлюючих областях. Порівняно невеликий термін розгонки не веде до значного розширення робласті, і зайва площа, таким чином, не втрачається. Зберігаються переваги термоміграції: "вбудований" полікристалічний гетер на слідах занурення зон на катодній поверхні, висока кристалографічна досконалість і чистота наскрізних р-областей після їх очищення рідкою зоною. Остаточний вигляд концентраційного профілю діодної структури показаний на фіг. 5. Надалі втілюють однобічну пасивацію випрямного р-n переходу, наприклад за допомогою скла 6 (Фіг. 6), або багатошарового покриття, відкривають і металізують області катоду і аноду (не вказано) і поділяють пластину на кристали. На перетині (фіг. 6) наведений типовий вигляд діоду прямої полярності з меза пасивацією. Тут по усьому периметру структури, як видно на кресленні, реалізується наближення зворотної фаски - це сприяє підвищенню UR. Можливість здійснення винаходу розкривається на прикладі виготовлення діоду прямої полярності на струм 20А і напругу 1600В. Вихідні кремнієві пластини діаметром 76мм і завтовшки 0,26мм мали питомий електроопір 40-45Ом .см. Під час сполученої дифузії бору і алюмінію з анодного, а фосфору - з катодного боку пластини глибина р-n переходу складала 20-22мкм. Надалі пластини окислювали до отримання шару двоокису кремнію завтовшки 1,2 мкм. З боку n+ прошарку за допомогою фотолітографії формували маску у вигляді квадратної сітки. Топологічний крок складав 4,55х4,55мм, ширина ліній, де окис видаляли, складала 0,170мм. На цій стадії формувалися також реперні знаки для подальших фотолітогра фічних операцій. На зворотному боці окис видалявся. Наступним окисленням формували тонкий шар окису за стандартною технологією. Фотолітографією формували сітку вікон у тонкому окисі завширшки 0,05мм, залишаючи окис на аноднім боці. Надалі у цих канавках формували зони металу-розчинника на основі алюмінію відповідно до конфігурації відокремлюючих областей по периметру майбутніх стр уктур за допомогою відомої технології високотемпературного виборчого змочування. Згодом тонкий окис видалявся витравлюванням у фтористоводневій кислоті, а товстий шар окису при цьому залишався на катодній поверхні пластин. Відокремлюючі області створювали за відомим процесом термоміграцією лінійних зон у вакуумі. Ширина робласті після термоміграції складала 100 мкм. Після видалення окисної маски рівень поверхневого електроопору RS склав на аноднім боці 2,7-3,4Ом/см, а на катоднім боці - 1,6-1,7Ом/см. Глибина випрямного р-n переходу лишилася майже незмінною. Після сполученої дифузії, що відбувалася за відомою технологією протягом 16 годин при температурі 1250°С, глибина р-n переходу складала 84мкм, а ширина відокремлюючої області після розгонки сягала 240-250мкм. Подалі за відомою технологією відбувалася однобічна пасивація випрямного р-n переходу на катодній поверхні пластини за допомогою скла. Глибина меза-канавки сягала 60-70мкм. Металізацію катодної поверхні робили за відомим процесом з використанням магнітної маски і електронної гармати, напилюючи локально шар алюмінію 7-10мкм завтовшки. На анодному боці магнетронним напиленням наносили трьохшарову металізацію Ti-Ni-Ag. При випробуваннях 70% структур мали блокуючу напругу більш як 1600В, в тому числі у 38% партії значення UR перевищувало 1800В, а у 11% - навіть 2000В. Рівень напруги на діодах у відкритому стані складав 1,25-1,35В. Загальний вихід придатних від запуску до іспитів перевищує 88%. Використання способу, що заявляється, таким чином, дозволяє одержувати структури діодів прямої полярності з рівнем блокування напруги, близьким до теоретично можливого і з високим відсотком виходу придатних.