RU2100872C1

RU2100872C1 - Method of treatment of avalanche diodes

Info

Publication number: RU2100872C1
Application number: RU94001682A
Authority: RU
Inventors: Федор Павлович Коршунов; Игорь Георгиевич Марченко; Николай Евгеньевич Жданович; Станислав Брониславович Ластовский
Original assignee: Институт физики твердого тела и полупроводников АН Беларуси
Priority date: 1994-01-17
Filing date: 1994-01-17
Publication date: 1997-12-27

Abstract

FIELD: electronic engineering. SUBSTANCE: treatment includes irradiation of device by electrons of 2-10 MeV energy. Then annealing is performed at 200-300 C in process of repeated irradiation of diode by electrons with flux intensity of $$$ within 600-900 c. EFFECT: more effective treatment. 3 tbl

Description

Изобретение относится к технологии полупроводниковых приборов, а более конкретно к методам радиационно-термической обработки диодов, работающих на участке пробоя вольтамперной характеристики, и может быть использовано в производстве кремниевых стабилитронов, лавинных вентилей, ограничителей напряжения и т.п. The invention relates to the technology of semiconductor devices, and more specifically to methods of radiation-thermal treatment of diodes operating in the breakdown section of the current-voltage characteristics, and can be used in the manufacture of silicon zener diodes, avalanche valves, voltage limiters, etc.

Известно [1] что для приборных структур, принцип действия которых основан на явлении лавинного пробоя, характерным является наличие в рабочем режиме высокого уровня флюктуаций электрического тока или шумов, что связано с вероятностным характером развития процессов ударной ионизации и генерации "затравочных" носителей заряда. Этот эффект для большинства приборов является крайне нежелательным, поскольку ограничивает их применение в прецизионной малошумящей электронной аппаратуре. It is known [1] that for instrument structures whose operating principle is based on the phenomenon of avalanche breakdown, a high level of fluctuations in electric current or noise is characteristic in the operating mode, which is associated with the probabilistic nature of the development of impact ionization processes and the generation of “seed” charge carriers. This effect is extremely undesirable for most devices, since it limits their use in precision low-noise electronic equipment.

В процессе производства лавинных диодов их основной параметр напряжение пробоя (U_в) в силу целого ряда причин, как правило, несколько отличается от расчетной величины [2] Основными из них являются различный уровень дефектности исходного материала и возможные нарушения режима техпроцесса производства, что приводит к возникновению в кристалле полупроводника целой гаммы структурных дефектов. Это ведет к большому разбросу параметром, а зачастую и к низкому проценту выхода годных приборов. Для повышения качества и увеличения процента выхода лавинных диодов требуются уменьшение шумов в области пробоя диодов и уменьшение разброса пробивного напряжения.During the production of avalanche diodes, their main parameter, breakdown voltage (U _c ), for a number of reasons, as a rule, slightly differs from the calculated value [2]. The main ones are a different level of defectiveness of the source material and possible violations of the production process, which leads to the appearance in the semiconductor crystal of a whole gamut of structural defects. This leads to a large spread in the parameter, and often to a low percentage of suitable devices. To improve the quality and increase the percentage of output of avalanche diodes, a decrease in noise in the breakdown region of diodes and a decrease in the spread of breakdown voltage are required.

Известны способы, основанные на конструкторско-технологических и схемных решениях [3,4] улучшающие параметры лавинных диодов. Их недостатками являются высокая трудоемкость и большой разброс величины U_в.Known methods based on the design and technological and circuit solutions [3,4] improve the parameters of avalanche diodes. Their disadvantages are high complexity and a large spread of U _in .

Известны [5-7] способы радиационно-термической обработки полупроводниковых приборов, улучшающие их характеристики. Known [5-7] are methods of radiation-heat treatment of semiconductor devices that improve their characteristics.

Наиболее близким техническим решением к изобретению является способ изготовления выпрямителей [8] согласно которому их радиационную обработку ведут ускоренными электронами при температуре 300^oC. Затем выпрямитель отжигают при температуре 280 350^oC в течение 2-10 ч. Этот способ выбран за прототип и за базовый объект.The closest technical solution to the invention is a method of manufacturing rectifiers [8] according to which their radiation treatment is carried out by accelerated electrons at a temperature of 300 ^o C. Then the rectifier is annealed at a temperature of 280 350 ^o C for 2-10 hours. This method is chosen for the prototype and for base object.

Однако требуемое снижение уровня шумов и уменьшение разброса напряжения пробоя лавинных диодов этим приемом не достигаются, что ограничивает возможности способа. However, the required reduction in the noise level and the decrease in the spread of the breakdown voltage of avalanche diodes by this technique are not achieved, which limits the possibilities of the method.

Общим существенным признаком заявляемого способа и прототипа является использование проникающей радиации и термообработки в технологических целях. A common essential feature of the proposed method and prototype is the use of penetrating radiation and heat treatment for technological purposes.

Задачей, решаемой изобретением является снижение уровня шумов в области р-п-перехода и уменьшение технологического разброса напряжения пробоя. The problem solved by the invention is to reduce the noise level in the region of the pn junction and to reduce the technological spread of the breakdown voltage.

В заявляемом способе обработки лавинных диодов, включающем облучение диодов пучком электронов с энергией 2-10 МэВ проведение одновременно с облучением пучком электронов отжига, отличающийся тем, что после облучения пучком электронов проводят повторное облучение пучком электронов с интенсивностью 2•10¹¹ 2•10¹² см^-2с^-1, а отжиг проводят одновременно с повторным облучением при температуре 200-300^oC в течение 600-900 с.In the inventive method for processing avalanche diodes, including irradiating the diodes with an electron beam with an energy of 2-10 MeV, simultaneously conducting annealing with an electron beam, characterized in that after irradiation with an electron beam an electron beam is irradiated again with an intensity of 2 • 10 ¹¹ 2 • 10 ¹² cm ^-2 s ^-1 , and annealing is carried out simultaneously with repeated irradiation at a temperature of 200-300 ^o C for 600-900 s.

Сущность изобретения состоит в том, что готовые приборы подвергают облучению пучком электронов, а затем проводят повторное облучение с одновременной термообработкой приборов при определенной температуре. Такая обработка приводит, во-первых, к введению в активные физические области прибора с высокой степенью однородности, генерационно-рекомбинационных центров, являющихся источниками "затравочных" носителей заряда, запускающих лавину [9] Это обеспечивает стабильность процесса ударной ионизаци и, следовательно, снижение интегрального уровня шумов в р-п-переходе диода. Во-вторых, стимулирует аннигиляцию структурных несовершенств (дефектов) технологического происхождения, связанных с термодинамически неравновесным состоянием кристалла полупроводника. Подвергая кристалл облучению с одновременным прогревом, удается значительно облегчить его переход в более упорядоченное состояние [10] Это приводит к восстановлению величины U_в до номинальных значений и, таким образом, к снижению разброса U_в.The essence of the invention lies in the fact that the finished devices are irradiated with an electron beam, and then re-irradiated with simultaneous heat treatment of the devices at a certain temperature. Such treatment leads, first, to the introduction into the active physical areas of the device with a high degree of homogeneity, generation and recombination centers that are sources of “seed” charge carriers that launch an avalanche [9] This ensures the stability of the impact ionization process and, consequently, a decrease in the integral noise level in the pn junction of the diode. Secondly, it stimulates the annihilation of structural imperfections (defects) of technological origin associated with the thermodynamically nonequilibrium state of a semiconductor crystal. By irradiating the crystal with simultaneous heating, it is possible to significantly facilitate its transition to a more ordered state [10]. This leads to the restoration of the value of U _in to nominal values and, thus, to a decrease in the spread of U _in .

Режимы радиационно-термической обработки в предложенном способе подобраны таким образом, чтобы достичь оптимального сочетания низкого уровня шумов и минимального разброса напряжения пробоя. Modes of radiation-heat treatment in the proposed method are selected so as to achieve the optimal combination of low noise and minimal spread of breakdown voltage.

При обработке по способу прототипа эффекты упорядочения структуры и перестройки примесно-дефектных комплексов в объемном кристалле лавинных диодов практически не имеют места, что не приводит к достижению цели изобретения. When processing by the prototype method, the effects of ordering the structure and rearrangement of impurity-defective complexes in a bulk crystal of avalanche diodes practically do not occur, which does not achieve the objective of the invention.

Основным отличительным признаком предлагаемого способа является то, что отжиг полупроводниковых приборов проводят в процессе повторного облучения диода. The main distinguishing feature of the proposed method is that annealing of semiconductor devices is carried out in the process of re-irradiation of the diode.

Интервал используемых в процессе отжига интенсивностей потока быстрых электронов (E 2 10МэВ) 2•10¹¹ 2•10¹² см^-2с^-1 выбран экспериментально. В этом интервале радиационно-стимулированные процессы в приборных кристаллах с участием подвижных радиационных и технологических дефектор способствуют наиболее полному восстановлению величины U_в. При интенсивности большей чем 2•10¹² см^-2с^-1 преобладают процессы, приводящие к росту обратных токов диодов, что снижает их качество. При интенсивности меньшей чем 2•10¹¹ см^-2с^-1 процессы, приводящие к росту U_в, еще недостаточно эффективны.The range of fast electron flux intensities used in the annealing process (E 2 10 MeV) 2 • 10 ¹¹ 2 • 10 ¹² cm ^-2 s ^{-1 was} chosen experimentally. In this interval, radiation-stimulated processes in instrument crystals with the participation of mobile radiation and technological defectors contribute to the most complete restoration of U _c . At intensities greater than 2 • 10 ¹² cm ^-2 s ^-1 , processes leading to an increase in the reverse currents of diodes prevail, which reduces their quality. At an intensity of less than 2 • 10 ¹¹ cm ^-2 s ^{-1, the} processes leading to an increase in U _in are still not effective enough.

Выбор температурных и временных интервалов отжига обусловлен следующими причинами. При термообработке свыше 300^oC и времени отжига свыше 900 с усиленно образуются термодоноры, вследствие чего положительный эффект, связанный с увеличением U_в и снижением уровня шумов, не достигается. При температуре ниже 200^oC и времени отжига меньше 600 c4 термообработка малоэффективна, как с точки зрения перестройки радиационных дефектов с низкой термической стабильностью, введенных предварительным облучением, так и стимулирования процессов, приводящих к восстановлению U_в.The choice of temperature and time intervals for annealing is due to the following reasons. When heat treatment is over 300 ^o C and annealing time over 900 s, thermal donors are intensely formed, as a result of which a positive effect associated with an increase in U _in and a decrease in noise level is not achieved. At temperatures below 200 ^o C and annealing time shorter than 600 s4, heat treatment is ineffective both from the point of view of rearrangement of radiation defects with low thermal stability introduced by preliminary irradiation and of stimulating processes leading to the restoration of U _c .

Примеры. В табл. 1-3 приведены данные об изменении разброса величины пробивного напряжения

и относительного изменения интегрального шумового тока

для стабилитронов типа КС 680 А в зависимости от условий отжига. Предварительная обработка приборов проводилась путем облучения электронами с энергией 4 МэВ флюенсом 3•10¹⁶ см^-2. Обмерялась партия приборов в количестве 300 шт. Условные обозначения: U_{макс.ср} усредненное по данной партии значение пробивных напряжений, превышающих номинальное значение напряжения пробоя для стабилитронов, данного типа U_ном 180 В, U_мин.ср усредненное значение пробивных напряжений стабилитронов меньших номинального значения U_ном 180 В;

и

интегральный шумовой ток в стабилитронах соответственно до и после радиационно-термической обработки.Examples. In the table. 1-3 shows data on the change in the spread of the breakdown voltage

and relative change in integrated noise current

for Zener diodes of the type KS 680 A, depending on the annealing conditions. Pretreatment of the devices was carried out by irradiation with electrons with an energy of 4 MeV fluence 3 • 10 ¹⁶ cm ^-2 . Measured a batch of instruments in the amount of 300 pcs. Legend: U _{max. Avg} breakdown voltage averaged over a given batch exceeding the nominal value of breakdown voltage for zener diodes of this type U _nom 180 V, U _{min. Avg} averaged breakdown voltage zener diodes less than the nominal value U _nom 180 V;

and

integral noise current in zener diodes before and after radiation-thermal treatment, respectively.

Как видно из табл. 1-3, выход параметров процесса отжига за пределы указанных в описании интервалов ограничивает возможность достижения оптимальной совокупности параметров обрабатываемых приборов. As can be seen from the table. 1-3, the output of the parameters of the annealing process beyond the intervals specified in the description limits the ability to achieve the optimal set of parameters of the processed devices.

Пример конкретного выполнения. Партию диодов (Д 817 Г) с номинальным напряжением пробоя 100 В в количестве 120 шт подвергали радиационно-термической обработке согласно предлагаемому способу. Предварительное облучение проводилось электронами с энергией 4 МэВ флюенсом 5•10¹⁶ см^-2. В качестве облучательной установки использовался ускоритель электронов "Электроника-4". Необходимая температура отжига задавалась в специальном контейнере-термостате, помещенном перед выходным окном ускорителя. Были выбраны следующие режимы отжига: температура 250^oC, время 800 с, интенсивность электронного пучка в зоне отжига 6•10¹¹ см^-2с^-1. Параметры диодов контролировались до и после отжига. В результате оказалось, что после отжига разброс величины напряжения пробоя у приборов данной партии и усредненная величина интегрального шумового тока снизились по сравнению с исходными величинами (до отжига) соответственно в 1,8 и 9,0 раз. Другие параметры терморадиационных обработанных приборов соответствуют требованиям ТУ.An example of a specific implementation. A batch of diodes (D 817 G) with a nominal breakdown voltage of 100 V in an amount of 120 pcs was subjected to radiation-heat treatment according to the proposed method. Preliminary irradiation was carried out by electrons with an energy of 4 MeV with a fluence of 5 • 10 ¹⁶ cm ^-2 . An electron accelerator Electronika-4 was used as an irradiation facility. The required annealing temperature was set in a special container-thermostat placed in front of the accelerator exit window. The following annealing modes were selected: temperature 250 ^o C, time 800 s, the intensity of the electron beam in the annealing zone 6 • 10 ¹¹ cm ^-2 s ^-1 . The parameters of the diodes were controlled before and after annealing. As a result, it turned out that after annealing, the spread in the breakdown voltage of the devices of this batch and the average value of the integral noise current decreased compared to the initial values (before annealing) by 1.8 and 9.0 times, respectively. Other parameters of thermoradiated processed devices comply with the requirements of TU.

Claims

A method for processing avalanche diodes, including irradiating diodes with an electron beam with an energy of 2 10 MeV and simultaneously conducting annealing with an electron beam, characterized in that after irradiation with an electron beam, an electron beam is re-irradiated with an intensity of (2 • 10 ¹ ¹ 2 • 10 ¹ ² ) cm ^- ² • s ^- ¹ , and annealing is carried out simultaneously with repeated irradiation at 200 300 ^o C for 600 900 s.