RU2435247C1

RU2435247C1 - Method to make powerful high-voltage silicon devices

Info

Publication number: RU2435247C1
Application number: RU2010131766/28A
Authority: RU
Inventors: Игорь Всеволодович Грехов (RU); Игорь Всеволодович Грехов; Виталий Васильевич Козловский (RU); Виталий Васильевич Козловский; Людмила Серафимовна Костина (RU); Людмила Серафимовна Костина; Владимир Николаевич Ломасов (RU); Владимир Николаевич Ломасов; Александр Владимирович Рожков (RU); Александр Владимирович Рожков
Original assignee: Учреждение Российской академии наук Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН
Priority date: 2010-07-28
Filing date: 2010-07-28
Publication date: 2011-11-27

Abstract

FIELD: electricity. ^ SUBSTANCE: in the method to make powerful high-voltage silicon devices, including development of a semiconductor structure, comprising a blocking p+N-transition, by means of thermal diffusion of admixtures into silicon of N-type conductivity, which create layers of p+ and n+-type conductivity, applying ohmic contacts structure onto the surface, its radiation at the side of the specified p+N-transition with the energy of 350550 keV and an appropriate dose of 51017 cm-2 11016 cm-2, and radiation of this structure at any side by electrons with the energy of 110 MeV and dose F, determined from the stated ratio. ^ EFFECT: invention provides for manufacturing of powerful high-voltage semiconductor silicon devices with low losses of capacity during their operation, cheapening and acceleration of the technological manufacturing process. ^ 5 ex

Description

Изобретение относится к области технологии изготовления мощных полупроводниковых кремниевых приборов и, в особенности, к технологии изготовления биполярных мощных кремниевых высоковольтных диодов, транзисторов и тиристоров.The invention relates to the field of manufacturing technology of high-power semiconductor silicon devices and, in particular, to the manufacturing technology of bipolar high-power silicon high-voltage diodes, transistors and thyristors.

Предельная частота, на которой могут работать мощные полупроводниковые приборы - диоды, транзисторы и тиристоры - ограничивается, как правило, мощностью потерь, выделяемых в приборах при прохождении через них тока в проводящем состоянии (статические потери) и при включении и выключении (динамические потери), причем потери при выключении, как правило, значительно больше потерь при включении.The maximum frequency at which powerful semiconductor devices — diodes, transistors, and thyristors — can operate is limited, as a rule, by the power of losses released in devices when current passes through them in a conducting state (static losses) and when turned on and off (dynamic losses), moreover, the loss at shutdown, as a rule, is much greater than the loss at shutdown.

Уменьшение всех этих потерь является одной из ключевых проблем при разработке и усовершенствовании всех мощных полупроводниковых приборов.Reducing all these losses is one of the key problems in the development and improvement of all powerful semiconductor devices.

В любом мощном полупроводниковом приборе с p⁺Nn⁺-переходами имеется широкая слаболегированная N-область (база), обычно n-типа проводимости, заключенная между двумя сильнолегированными p⁺- и n⁺-областями дырочного и электронного типа проводимости соответственно. При приложении внешнего напряжения (плюс на p⁺-слое) через p⁺Nn⁺-структуру протекает ток, сопровождающийся инжекцией в N-базу электронов и дырок и образованием в ней квазинейтральной электронно-дырочной плазмы с высокой проводимостью. При перемене полярности внешнего напряжения (минус на p⁺-слое) протекание обратного тока сопровождается выносом из плазмы электронов и дырок; когда концентрация плазмы у p⁺N-перехода уменьшается практически до нуля, переход смещается в запорном направлении, и около него формируется область объемного заряда (ООЗ), граница которой движется в сторону n⁺N-перехода. Сопротивление p⁺Nn⁺-перехода при этом быстро возрастает, а обратный ток уменьшается. В дальнейшем величина обратного тока определяется процессом диффузии дырок из плазмы, остающейся в нейтральной части N-базы, к границе ООЗ и спадает, в основном, по мере рекомбинации этой плазмы. Процесс рекомбинации определяется концентрацией и электрофизическими параметрами рекомбинационных центров в N-базе, создающих глубокие уровни в запрещенной зоне полупроводника, и описывается уравнением

, где n - текущее значение концентрации носителей, n₀ - начальное значение концентрации, t - время, τ - так называемое время жизни носителей, равное времени уменьшения исходной концентрации в e раз. Время жизни τ обратно пропорционально концентрации рекомбинационных центров. Таким образом, обратный ток при переключении диодной p⁺Nn⁺-структуры из прямого смещения на обратное сначала резко нарастает до тех пор, пока концентрация плазмы у p⁺N-перехода не уменьшится до нуля, а затем более плавно спадает вплоть до очень малой величины, определяемой током утечки обратносмещенного p⁺N-перехода. Поскольку часть этого процесса протекает в условиях, когда к прибору приложено значительное напряжение и при этом протекает большой ток, т.е. выделяется большая тепловая энергия, именно этот процесс, в основном, определяет предельную рабочую частоту мощных полупроводниковых приборов. Величину и длительность протекания обратного тока можно уменьшить, уменьшив концентрацию плазмы в N-базе путем увеличения концентрации рекомбинационных центров, т.е. уменьшением τ. Однако понижение концентрации хорошо проводящей плазмы в N-базе приводит к возрастанию остаточного напряжения на p⁺Nn⁺-структуре при прохождении прямого тока, т.е. к росту потерь на этой стадии процесса. Поэтому при изготовлении мощных полупроводниковых приборов необходимо создавать строго определенную концентрацию рекомбинационных центров в N-базе приборов, обеспечивающую минимальные суммарные потери.In any powerful semiconductor device with p ⁺ Nn ⁺ junctions, there is a wide, lightly doped N-region (base), usually of n-type conductivity, enclosed between two heavily doped p ⁺ and n ⁺ -regions of hole and electron conductivity, respectively. When an external voltage is applied (plus to the p ⁺ layer), a current flows through the p ⁺ Nn ⁺ structure, which is accompanied by the injection of electrons and holes into the N base and the formation of a high-conductivity quasi-neutral electron-hole plasma in it. When the polarity of the external voltage is reversed (minus by the p ⁺ layer), the reverse current flow is accompanied by the removal of electrons and holes from the plasma; when the plasma concentration at the p ⁺ N junction decreases almost to zero, the junction is displaced in the locking direction, and a space charge region (SCR) forms near it, the boundary of which moves toward the n ⁺ N junction. In this case, the resistance of the p ⁺ Nn ⁺ junction increases rapidly, and the reverse current decreases. Subsequently, the magnitude of the reverse current is determined by the process of hole diffusion from the plasma remaining in the neutral part of the N base to the boundary of the SCR and decreases, mainly, as this plasma recombines. The recombination process is determined by the concentration and electrophysical parameters of the recombination centers in the N base, which create deep levels in the band gap of the semiconductor, and is described by the equation

, where n is the current value of the carrier concentration, n ₀ is the initial concentration value, t is the time, τ is the so-called carrier lifetime equal to the time of the initial concentration decrease by e times. The lifetime τ is inversely proportional to the concentration of recombination centers. Thus, the reverse current, when the diode p ⁺ Nn ⁺ structure is switched from direct bias to the reverse, first sharply increases until the plasma concentration at the p ⁺ N junction decreases to zero, and then decreases more smoothly down to a very small value determined by the leakage current of the reverse biased p ⁺ N junction. Since part of this process proceeds under conditions when a significant voltage is applied to the device and a large current flows, i.e. large thermal energy is released, it is this process that mainly determines the maximum operating frequency of powerful semiconductor devices. The magnitude and duration of the reverse current flow can be reduced by decreasing the plasma concentration in the N base by increasing the concentration of recombination centers, i.e. decreasing τ. However, a decrease in the concentration of a well-conducting plasma in the N base leads to an increase in the residual voltage on the p ⁺ Nn ⁺ structure with the passage of direct current, i.e. to increased losses at this stage of the process. Therefore, in the manufacture of high-power semiconductor devices, it is necessary to create a strictly defined concentration of recombination centers in the N-base of devices, ensuring minimal total losses.

Известен способ изготовления полупроводниковых кремниевых приборов, предложенный в [United States Patent N3881963, Chu et al., May 6, 1975, «Irradiation for Fast switching thyristors»], являющийся аналогом предлагаемого изобретения, в котором кремниевый диод со структурой p⁺Nn⁺ или тиристор со структурой n⁺p^/Np⁺, изготавливаются путем последовательных диффузий в N-кремний примесей, создающих p⁺, p^/ и n⁺-слои с требуемой концентрацией, с последующим облучением электронами с энергией величиной из диапазона 1÷10 МэВ и дозой из интервала 1·10¹³÷2·10¹⁴ см^-2. Облучаемые структуры находятся, как правило, вне вакуумной камеры на открытом воздухе, куда электронный пучок выводится из камеры через металлическую фольгу. Путем сканирования пучком можно облучать одновременно большое количество пластин. Поскольку потеря энергии электронов в кремнии составляет ~0.4 кэВ/мкм, то при прохождении кремниевых пластин практически любой используемой в кремниевом приборостроении толщины (0.3÷1.5 мм) электрон теряет относительно малую энергию, и поэтому образующиеся рекомбинационные центры распределены в N-базе практически однородно по ее толщине.A known method of manufacturing semiconductor silicon devices, proposed in [United States Patent N3881963, Chu et al., May 6, 1975, “Irradiation for Fast switching thyristors”], which is an analogue of the invention, in which the silicon diode with the structure p ⁺ Nn ⁺ or a thyristor with an n ⁺ p ^/ Np ⁺ structure is made by sequential diffusion of impurities into N-silicon, creating p ⁺ , p ^/ and n ⁺ layers with the required concentration, followed by irradiation with electrons with an energy from 1 ÷ 10 MeV and a dose from the interval 1 · 10 ¹³ ÷ 2 · 10 ¹⁴ cm ^-2 . The irradiated structures are, as a rule, outside the vacuum chamber in the open air, where the electron beam is removed from the chamber through a metal foil. By scanning with a beam, a large number of plates can be irradiated simultaneously. Since the electron energy loss in silicon is ~ 0.4 keV / μm, when passing through silicon wafers almost any thickness used in silicon instrumentation (0.3 ÷ 1.5 mm), the electron loses relatively low energy, and therefore the resulting recombination centers are distributed almost uniformly in the N base its thickness.

Этот способ является недорогим и очень производительным, он в настоящее время широко используется в производстве полупроводниковых приборов.This method is inexpensive and very productive, it is currently widely used in the manufacture of semiconductor devices.

Недостатком аналога является то, что при однородном распределении рекомбинационных центров и, следовательно, однородном распределении времени жизни носителей в N-базе, снижение времени жизни носителей у p⁺N-перехода до величины, обеспечивающей малую амплитуду и длительность обратного тока, т.е. малые коммутационные потери приводят к такому же снижению времени жизни во всей N-базе, и, соответственно, к значительному возрастанию статических потерь в проводящем состоянии.The disadvantage of the analogue is that with a uniform distribution of recombination centers and, therefore, a uniform distribution of the carrier lifetime in the N base, a decrease in the carrier lifetime at the p ⁺ N junction to a value providing a small amplitude and duration of the reverse current, i.e. small switching losses lead to the same decrease in the lifetime in the entire N-base, and, accordingly, to a significant increase in static losses in the conducting state.

В способе [патент Японии JP 3097268 от 25.04.1991 г. «Power Semiconductor Device»], также являющимся аналогом предлагаемого изобретения, в структуре n⁺pn^-n^/p биполярно-полевого транзистора (IGBT) слои чередующегося типа проводимости изготавливают последовательной термодиффузией соответствующих примесей в кремниевую пластину n-типа проводимости. Затем предлагается понижать время жизни носителей в n-базе до 50 нс путем облучения электронами с энергией ~3 МэВ (по оценке авторов) и дозой 6 Mrd.In the method of [Japanese patent JP 3097268 dated 04/25/1991 "Power Semiconductor Device"], which is also an analogue of the present invention, in the structure n ⁺ pn ^- n ^/ p of a bipolar field-effect transistor (IGBT), alternating conductivity type layers are made by sequential thermal diffusion of the corresponding impurities in an n-type silicon wafer. It is then proposed to lower the carrier lifetime in the n base to 50 ns by irradiating with electrons with an energy of ~ 3 MeV (according to the authors) and a dose of 6 Mrd.

Недостатком этого аналога, как и предыдущего, является значительное возрастание статических потерь в проводящем состоянии после облучения.The disadvantage of this analogue, as well as the previous one, is a significant increase in static losses in the conducting state after irradiation.

Известные расчеты и эксперименты специалистов показали, что в полупроводниковых структурах для получения быстрого спада тока при выключении и, в то же время, малого остаточного напряжения на диоде в проводящем состоянии, т.е. для уменьшения потерь, время жизни носителей у p⁺N-перехода должно быть в несколько раз меньше, и, следовательно, концентрация рекомбинационных центров в несколько раз выше, чем в остальной части N-базы.Well-known calculations and experiments of specialists have shown that in semiconductor structures to obtain a fast current drop when the diode is turned off and, at the same time, a small residual voltage on the diode is in the conducting state, i.e. To reduce losses, the carrier lifetime at the p ⁺ N junction should be several times shorter, and, therefore, the concentration of recombination centers is several times higher than in the rest of the N base.

Для получения такого распределения в способе изготовления мощных высоковольтных диодов [Proceedings of the 8th РЕМС, 8-10 September 1998, J.Vobecký, P.Hazdra, N.Galster, E.Carroll «FREE-WHEELING DIODES WITH IMPROVED REVERSE RECOVERY BY COMBINED ELECTRON AND PROTON IRRADIATION»], взятом за прототип предлагаемого изобретения, было предложено, после изготовления p⁺Nn⁺-структуры мощных высоковольтных диодов путем термодиффузии примесей в N-кремний и нанесения тонких омических контактов использовать облучение полупроводниковых структур с любой стороны электронами с энергией из интервала 1÷10 МэВ и дозой 1·10¹³÷2·10¹⁴ см^-2 и, со стороны p⁺N-перехода, протонами или α-частицами с энергией из интервала 3÷10 МэВ и дозой из интервала 5·10¹⁰÷1·10¹² см^-2, причем эти облучения могут проводиться в любой последовательности. В отличие от электронов протоны и α-частицы в кремнии испытывают очень интенсивное торможение, длина их пробега зависит от энергии, причем основное количество рекомбинационных центров создается в конце пробега. Поэтому энергия частиц выбирается по стандартным таблицам так, чтобы длина пробега была примерно равна глубине залегания p⁺N-перехода. В этом случае концентрация дефектов там будет максимальной, а время жизни носителей минимальным. Время жизни носителей в остальной части N-базы регулируется упомянутым сквозным облучением электронами с большой энергией. Измерения, проведенные на этих диодах с блокируемым напряжением 3.5 кВ, показали, что при плотности прямого тока 4 А/см² и рабочем напряжении 2.8 кВ пик обратного тока был равен 20 А/см², а его длительность по полувысоте равна 1 мкс. Остаточное напряжение в проводящем состоянии было 4.8 В.To obtain such a distribution in the method of manufacturing high-power high-voltage diodes AND PROTON IRRADIATION ”], taken as the prototype of the present invention, it was proposed, after the manufacture of p ⁺ Nn ⁺ structures of high-voltage diodes by thermal diffusion of impurities in N-silicon and the application of thin ohmic contacts, to use irradiation of semiconductor structures with electrons from either side with energies from the interval 1 ÷ 10 MeV and a dose of 1 · 10 ¹³ ÷ 2 · 10 ¹⁴ cm ^-2 and, from the p ⁺ N junction, by protons or α-particles with energy from the interval 3 ÷ 10 MeV and a dose from the interval 5 · 10 ¹⁰ ÷ 1 · 10 ¹² cm ^-2 , and these irradiations can be carried out in any sequence. In contrast to electrons, protons and α particles in silicon experience very intense braking, their mean free path depends on energy, and the majority of recombination centers are created at the end of the mean free path. Therefore, the particle energy is selected according to standard tables so that the mean free path is approximately equal to the depth of the p ⁺ N junction. In this case, the concentration of defects there will be maximum, and the carrier lifetime will be minimal. The carrier lifetime in the rest of the N base is controlled by the above-mentioned through-irradiation with high-energy electrons. Measurements carried out on these diodes with a blocked voltage of 3.5 kV showed that at a direct current density of 4 A / cm ² and an operating voltage of 2.8 kV, the peak of the reverse current was 20 A / cm ² and its half-height duration was 1 μs. The residual voltage in the conductive state was 4.8 V.

Такой способ изготовления позволяет уменьшить коммутационные (динамические) потери прибора за счет уменьшения амплитуды и длительности обратного тока, не увеличивая при этом, в отличие от аналогов, остаточное напряжение в проводящем состоянии, т.е. не увеличивая статические потери.This manufacturing method allows to reduce the switching (dynamic) losses of the device by reducing the amplitude and duration of the reverse current without increasing, in contrast to analogs, the residual voltage in the conducting state, i.e. without increasing static losses.

Недостатками прототипа являются все же достаточно высокие потери мощности, малая производительность (большие затраты времени), поскольку облучение протонами и α-частицами проводится непосредственно в вакуумной камере, где одновременно может облучаться ограниченное количество приборов, а перезагрузка камеры требует значительного времени, а также сложность и высокая стоимость за счет процесса облучения протонами либо α-частицами.The disadvantages of the prototype are still quite high power losses, low productivity (time-consuming), since irradiation with protons and α-particles is carried out directly in a vacuum chamber, where a limited number of devices can be irradiated at the same time, and rebooting the camera takes a considerable time, as well as the complexity and high cost due to the process of irradiation with protons or α-particles.

Предлагаемое изобретение решает задачи изготовления мощных высоковольтных полупроводниковых кремниевых приборов с меньшими потерями мощности при их эксплуатации, а также удешевления и ускорения технологического процесса изготовления.The present invention solves the problem of manufacturing high-power high-voltage semiconductor silicon devices with less power loss during their operation, as well as cheapening and accelerating the manufacturing process.

Задачи решаются способом изготовления мощных высоковольтных кремниевых приборов, включающим создание полупроводниковой структуры, содержащей блокирующий p⁺N-переход, путем термодиффузии в кремний N-типа проводимости примесей, создающих слои p⁺ и n⁺-типа проводимости, напыление на поверхности структуры омических контактов, облучение ее со стороны упомянутого p⁺N-перехода электронами с энергией 350÷550 кэВ и соответствующей дозой 5·10¹⁷ см^-2÷1·10¹⁶ см^-2, и облучение этой структуры с любой стороны электронами с энергией 1÷10 МэВ и дозой Ф, определяемой из соотношения

,The problems are solved by the method of manufacturing high-power high-voltage silicon devices, including the creation of a semiconductor structure containing a blocking p ⁺ N junction by thermal diffusion of impurities into N-type silicon, creating p ⁺ and n ⁺ -type conductivity layers, sputtering of ohmic contacts on the surface of the structure, irradiating it from the side of the mentioned p ⁺ N junction with electrons with an energy of 350 ÷ 550 keV and a corresponding dose of 5 · 10 ¹⁷ cm ^-2 ÷ 1 · 10 ¹⁶ cm ^-2 , and irradiating this structure from either side with electrons with an energy of 1 ÷ 10 MeV and dose F, determine yaemoy the relation

,

где κ - коэффициент, κ=3·10^-9 см²/с;where κ is the coefficient, κ = 3 · 10 ^-9 cm ² / s;

τ_p0 - время жизни носителей в N-базовой области до облучения, с;τ _p0 — carrier lifetime in the N-base region before irradiation, s;

τ_р - время жизни носителей в N-базовой области после облучения, с, определяемое из соотношения:τ _p - carrier lifetime in the N-base region after irradiation, s, determined from the ratio:

,

где W_n - толщина N-базовой области прибора, см,where W _n is the thickness of the N-base region of the device, cm,

D_p - амбиполярный коэффициент диффузии, см²/с.D _p is the ambipolar diffusion coefficient, cm ² / s.

Сущность предлагаемого технического решения поясняется следующим. Проведенные авторами исследования показали, что при облучении электронами с энергией в диапазоне 360÷550 кэВ (существенно меньшей, чем в прототипе) возможно создание профильного распределения концентрации рекомбинационных центров вдоль оси прибора в направлении движения пучка электронов с минимумом концентрации у облучаемой поверхности кремниевой пластины. Известно, что основным рекомбинационным центром, контролирующим время жизни свободных носителей в кремнии при высоком уровне инжекции является так называемый А-центр, который представляет собой комплекс вакансия-кислород. Полученная авторами экспериментальная зависимость скорости создания этих центров V_A в кремнии от энергии электронов (V_A - это, по сути, количество дефектов, создаваемых в кремнии одним электроном на пути в 1 см) показала, что при энергии электронов выше 550 кэВ величина V_A практически не зависит от энергии, а при энергии менее 550 кэВ V_A уменьшается очень резко и при энергии менее 350 кэВ становится пренебрежимо малой. Такая резкая зависимость V_A от энергии в области малых энергий дает принципиальную возможность создания неоднородного распределения концентрации рекомбинационных центров вдоль пути пучка электронов от p⁺N-перехода вглубь N-базы, поскольку средняя энергия электронов на этом пути уменьшается вследствие рассеяния на атомах кристаллической решетки кремния примерно на 0.4 кэВ/мкм и, соответственно, уменьшается V_A. Однако при уменьшении V_A пропорционально возрастает время облучения, необходимое для создания заданной концентрации дефектов в N-базе у p⁺N-перехода, и при очень малых V_A процесс становится экономически неконкурентоспособным по сравнению с прототипом. Эксперименты, проведенные авторами, показали, что диапазон энергии электронов в от 350 кэВ до 550 кэВ и соответствующая доза в интервале от 5·10¹⁷ см^-2 до 1·10¹⁶ см^-2 обеспечивают получение у p⁺N-перехода времени жизни носителей в N-базовой области τ_p в пределах от 1.5 мкс до 0.5 мкс, что приводит к резкому уменьшению амплитуды и длительности обратного тока при выключении.The essence of the proposed technical solution is illustrated by the following. The studies conducted by the authors showed that when irradiated with electrons with energies in the range 360 ÷ 550 keV (significantly lower than in the prototype), it is possible to create a profile distribution of the concentration of recombination centers along the axis of the device in the direction of the electron beam with a minimum concentration at the irradiated surface of the silicon wafer. It is known that the main recombination center that controls the lifetime of free carriers in silicon at a high level of injection is the so-called A-center, which is a vacancy-oxygen complex. The experimental dependence of the rate of creation of these centers V _A in silicon on the electron energy obtained by the authors (V _A is, in fact, the number of defects created by a single electron in silicon over a path of 1 cm) showed that at an electron energy above 550 keV, V _A it is practically independent of energy, and at an energy of less than 550 keV, V _A decreases very sharply and at an energy of less than 350 keV it becomes negligible. Such a sharp dependence of V _A on energy in the low-energy region makes it possible in principle to create an inhomogeneous distribution of the concentration of recombination centers along the path of the electron beam from the p ⁺ N junction deeper into the N base, since the average electron energy in this path decreases due to scattering by silicon crystal lattice atoms by about 0.4 keV / μm and, accordingly, V _A decreases. However, with a decrease in V _A , the exposure time necessary to create a given concentration of defects in the N base at the p ⁺ N junction increases proportionally, and for very small V _{A the} process becomes economically uncompetitive compared to the prototype. The experiments conducted by the authors showed that the electron energy range from 350 keV to 550 keV and the corresponding dose in the range from 5 · 10 ¹⁷ cm ^-2 to 1 · 10 ¹⁶ cm ^-2 provide the carrier lifetime at the p ⁺ N junction in the N-base region, τ _p ranges from 1.5 μs to 0.5 μs, which leads to a sharp decrease in the amplitude and duration of the reverse current when turned off.

Необходимо также, как и в прототипе, произвести облучение структуры (в любой последовательности относительно другого облучения, описанного ранее) электронами с энергией 1÷10 МэВ для получения требуемой величины времени жизни носителей τ_p в области N-базы, удаленной от p⁺N-перехода. При этом интервал доз облучения только частично совпадает с прототипом, поэтому, а также для более точного соответствия доз и энергий электронов, режим облучения для определения необходимых доз выбирают из следующих соображений. Сначала из известных зависимостей [например, С.Зи, «Физика полупроводниковых приборов», Москва, «Мир», 1984 г., книга 1, стр.109.] определяется уровень легирования кремния, необходимый для получения заданного напряжения пробоя U_в p⁺N-перехода при обратном смещении и определяется ширина области объемного заряда W₀ при этом напряжении. Принимается, что толщина N-базы равна ширине области объемного заряда W_B при напряжении, равном напряжению пробоя U_в. Из этих данных следует, что для высоковольтных быстродействующих приборов с напряжением пробоя от 2.5·10³ В до 6.5·10³ В W_n лежит в пределах от 2.5·10² до 8.0·10² мкм. При заданной толщине N-базы остаточное напряжение на ней уменьшается с увеличением τ_p, но поскольку при этом растет концентрация плазмы, то затягивается процесс спада тока при выключении. Расчет и эксперименты показали, что приемлемая величина остаточного напряжения достигается при выполнении соотношения W_n≤4L, где диффузионная длина

, a D_p - амбиполярный коэффициент диффузии [С.Зи, «Физика полупроводниковых приборов», Москва, «Мир», 1984 г., книга 1, стр.219.]. Поэтому τ_p для заданной величины W_n определяется из соотношения

, а доза облучения Ф выбирается из соотношения

, где коэффициент κ=3·10^-9 см²/с, τ_p0 - время жизни носителей до облучения.It is also necessary, as in the prototype, to irradiate the structure (in any sequence relative to the other irradiation described previously) by electrons with an energy of 1 ÷ 10 MeV to obtain the required carrier lifetime τ _p in the region of the N base remote from p ⁺ N- transition. In this case, the interval of radiation doses only partially coincides with the prototype, therefore, as well as for a more accurate correspondence of the doses and energies of electrons, the radiation mode for determining the necessary doses is chosen from the following considerations. First, from the known dependences [for example, S. Zi, “Physics of Semiconductor Devices,” Moscow, Mir, 1984, book 1, p. 109.], the silicon doping level required to obtain a given breakdown voltage U _in p ^{+ is} determined N-transition at reverse bias and determines the width of the space charge region W ₀ at this voltage. It is assumed that the thickness of the N base is equal to the width of the space charge region W _B at a voltage equal to the breakdown voltage U _c . From these data it follows that for high-voltage high-speed devices with a breakdown voltage from 2.5 · 10 ³ V to 6.5 · 10 ³ V W _n lies in the range from 2.5 · 10 ² to 8.0 · 10 ² μm. For a given thickness of the N base, the residual voltage on it decreases with increasing τ _p , but since this increases the plasma concentration, the current decay process is delayed when it is turned off. Calculation and experiments showed that an acceptable value of the residual voltage is achieved when the relation W _n ≤4L, where the diffusion length

, a D _p is the ambipolar diffusion coefficient [S. Zi, “Physics of Semiconductor Devices,” Moscow, Mir, 1984, book 1, p. 219.]. Therefore, τ _p for a given value of W _n is determined from the relation

, and the dose of radiation f is selected from the ratio

where the coefficient κ = 3 · 10 ^-9 cm ² / s, τ _p0 is the carrier lifetime before irradiation.

Использование предлагаемого способа позволяет резко уменьшить, по сравнению с прототипом, коммутационные и статические потери: при одинаковой плотности прямого и обратного токов прямое остаточное напряжение, амплитуда обратного тока, время его протекания уменьшаются в несколько раз. Кроме того, дорогой и сложный процесс облучения протонами и α-частицами заменен простым и недорогим процессом облучения электронами с энергией, лежащей в определенном диапазоне.Using the proposed method can drastically reduce, in comparison with the prototype, switching and static losses: at the same density of the forward and reverse currents, the direct residual voltage, the amplitude of the reverse current, its flow time are reduced several times. In addition, the expensive and complex process of irradiation with protons and α-particles is replaced by a simple and inexpensive process of irradiation with electrons with energy lying in a certain range.

Способ осуществляют следующим образом.The method is as follows.

По заданной величине напряжения пробоя U_в прибора из известных соотношений определяют требуемую толщину и удельное сопротивление N-базы, а также толщину кремниевой пластины. Затем создают структуру p⁺Nn⁺ путем термодиффузии в кремниевую пластину N-типа проводимости примесей, образующих слои p⁺ и n⁺-типа проводимости, напыляют на ее противоположные поверхности тонкие омические контакты и измеряют в ней исходное время жизни носителей τ_p0. По методике, описанной в формуле изобретения, производят оценочный расчет величины τ_p и дозы, требуемой для получения малой (0.5÷1.5 мкс) величины τ_p у p⁺N-перехода и в остальной части N-базы кремниевой структуры с известными параметрами (толщина W_n N-базы и исходное время жизни носителей τ_p0). Проводят облучение чипа со стороны p⁺N-перехода электронами с энергией, выбранной из диапазона от 350 кэВ до 550 кэВ и с соответствующей этому интервалу дозой от 5·10¹⁷ см^-2 до 1·10¹⁶ см^-2 (большей энергии соответствует меньшая доза) и облучение этой структуры с любой стороны электронами с энергиями 1÷10 МэВ и дозой Ф, определяемой из соотношения

, (в любой последовательности).From a given value of the breakdown voltage U _{in the} device, the required thickness and specific resistance of the N base, as well as the thickness of the silicon wafer, are determined from known relations. Then, a p ⁺ Nn ⁺ structure is created by thermal diffusion of impurities forming p ⁺ and n ⁺ -type conductivity layers into an N-type silicon wafer, thin ohmic contacts are sprayed onto its opposite surfaces and the initial carrier lifetime τ _{p0 is} measured in it. By the method described in the claims, an estimate is made of the value of τ _p and the dose required to obtain a small (0.5 ÷ 1.5 μs) value of τ _p at the p ⁺ N junction and in the rest of the N-base of the silicon structure with known parameters (thickness W _n N-bases and the initial carrier lifetime τ _p0 ). The chip is irradiated from the p ⁺ N junction side by electrons with an energy selected from the range from 350 keV to 550 keV and with a dose corresponding to this interval from 5 · 10 ¹⁷ cm ^-2 to 1 · 10 ¹⁶ cm ^-2 (higher energy corresponds to less dose) and irradiation of this structure from either side by electrons with energies of 1 ÷ 10 MeV and dose F, determined from the relation

, (in any order).

Пример 1 осуществления способа.Example 1 of the method.

Заданное напряжение пробоя создаваемого прибора 3.3 кВ. Для получения этого напряжения необходим кремний с удельным сопротивлением 150 Ом·см, расчетная толщина пластины 400 мкм. На пластине были созданы чипы быстродействующих p⁺Nn⁺-диодов, изготовленных последовательной диффузией бора и фосфора с противоположных сторон кремниевой пластины. Глубина p⁺N-перехода составляла 10 мкм, n⁺N-перехода - 8 мкм, пробивное напряжение 3.3 кВ. Размеры чипа 8×8 мм², рабочая площадь 6×6 мм², время жизни дырок в N-базе τ_p0=40 мкс после изготовления. С обеих сторон на созданные структуры напыляли тонкие никелевые контакты. Затем пластину с чипами облучали со стороны p⁺N-перехода электронами с энергией 500 кэВ и дозой облучения Ф=8·10¹⁶. Измеренное методом Лекса время жизни τ_p у p⁺N-перехода было равно 0.7 мкс, а у n⁺N-перехода τ_р0=10 мкс. После этого было проведено облучение чипов со стороны p⁺N-перехода на этом же ускорителе электронами с энергией 1.5 МэВ и дозой Ф=1·10¹⁴, рассчитанной по приведенной в описании формуле

, где к=3·10^-9 см²/с, которое привело к понижению τ_р у n⁺N-перехода до 5 мкс. Измерения, проведенные на этих диодах, показали, что при плотности прямого тока 60 А/см² пик обратного тока был равен 20 А/см², а его длительность на полувысоте равна 0.5 мкс. Остаточное напряжение в проводящем состоянии при токе 60 А/см² было рано 2.1 В.The set breakdown voltage of the created device is 3.3 kV. To obtain this voltage, silicon with a specific resistance of 150 Ohm · cm is required, and the calculated plate thickness is 400 μm. On the wafer, chips of high-speed p ⁺ Nn ⁺ diodes made by sequential diffusion of boron and phosphorus from opposite sides of a silicon wafer were created. The depth of the p ⁺ N junction was 10 μm, that of the n ⁺ N junction was 8 μm, and the breakdown voltage was 3.3 kV. The dimensions of the chip are 8 × 8 mm ² , the working area is 6 × 6 mm ² , and the lifetime of holes in the N base is τ _p0 = 40 μs after fabrication. Thin nickel contacts were sprayed on the created structures on both sides. Then, a plate with chips was irradiated from the p ⁺ N junction by electrons with an energy of 500 keV and an irradiation dose of Φ = 8 · 10 ¹⁶ . The lifetime τ _p measured by the Lex method at the p ⁺ N junction was 0.7 μs, and at the n ⁺ N junction, τ _p0 = 10 μs. After that, the chips were irradiated from the side of the p ⁺ N junction at the same accelerator with electrons with an energy of 1.5 MeV and a dose of Ф = 1 · 10 ¹⁴ calculated according to the formula given in the description

, where k = 3 · 10 ^-9 cm ² / s, which led to a decrease in τ _p at the n ⁺ N junction to 5 μs. Measurements performed on these diodes showed that at a forward current density of 60 A / cm ^{2, the} peak of the reverse current was 20 A / cm ² and its duration at half maximum was 0.5 μs. The residual voltage in the conducting state at a current of 60 A / cm ² was early 2.1 V.

Таким образом, по сравнению с прототипом радикально улучшились все основные характеристики. Так, отношение амплитуд плотности обратного и прямого токов у прототипа равно 5, а у изготовленного согласно предлагаемому способу - 0.33, вдвое меньше длительность импульса обратного тока и гораздо меньше остаточное напряжение в проводящем состоянии. Также предлагаемый технологический процесс по сравнению с прототипом более дешевый из-за отсутствия сложного и дорогостоящего облучения протонами либо α-частицами и более быстрый, поскольку облучение не проводится непосредственно в вакуумной камере, где одновременно может облучаться ограниченное количество приборов, а перезагрузка камеры требует значительного времени.Thus, in comparison with the prototype, all the basic characteristics have radically improved. So, the ratio of the amplitudes of the density of the reverse and direct currents of the prototype is 5, and manufactured according to the proposed method - 0.33, half the duration of the pulse of the reverse current and much less residual voltage in the conducting state. Also, the proposed process compared to the prototype is cheaper due to the lack of complex and expensive irradiation with protons or α particles and faster, since the irradiation is not carried out directly in a vacuum chamber, where a limited number of devices can be irradiated at the same time, and rebooting the chamber takes a considerable time .

Пример 2.Example 2

То же, что в примере 1, но облучение со стороны p⁺N-перехода проводилось электронами с энергией 350 кэВ и дозой 5·10¹⁷ см^-2.The same as in example 1, but the irradiation from the p ⁺ N junction was carried out by electrons with an energy of 350 keV and a dose of 5 · 10 ¹⁷ cm ^-2 .

В результате было получено время жизни носителей у p⁺N-перехода 0.5 мкс, а у n⁺N-перехода 15 мкс. Измерения показали, что при плотности прямого тока 60 А/см² пик обратного тока был равен 15 А/см², а его длительность по полувысоте равна 0.4 мкс, остаточное напряжение в проводящем состоянии при плотности тока 60 А/см² было равно 1.85 В, при этом время облучения возросло почти на порядок.As a result, the carrier lifetime for the p ⁺ N junction was 0.5 μs, and for the n ⁺ N junction, 15 μs. The measurements showed that at a direct current density of 60 A / cm ^{2, the} peak of the reverse current was 15 A / cm ² and its half maximum duration was 0.4 μs, the residual voltage in the conducting state at a current density of 60 A / cm ² was 1.85 V while the exposure time increased by almost an order of magnitude.

Пример 3.Example 3

То же, что в примере 1, но облучение со стороны p⁺N-перехода проводилось электронами с энергией 550 кэВ и дозой 1·10¹⁶ см^-2.The same as in example 1, but the irradiation from the p ⁺ N junction was carried out by electrons with an energy of 550 keV and a dose of 1 · 10 ¹⁶ cm ^-2 .

В результате было получено время жизни носителей у p⁺N-перехода 1.2 мкс, а у n⁺N-перехода 7 мкс. При плотности прямого тока 60 А/см² пик обратного тока был равен 30 А/см², длительность по полувысоте 0.8 мкс, остаточное напряжение 2.3 В, но время облучения сократилось в несколько раз.As a result, the carrier lifetime of the p ⁺ N junction was 1.2 μs, and that of the n ⁺ N junction was 7 μs. At a direct current density of 60 A / cm ^{2, the} peak of the reverse current was 30 A / cm ² , the half-maximum duration was 0.8 μs, and the residual voltage was 2.3 V, but the irradiation time was reduced several times.

Пример 4.Example 4

То же, что в примере 1, но при облучении, проводимом со стороны n⁺N-перехода, электроны имели энергию 1 МэВ и доза была взята 1·10¹⁴ см^-2 (определенная из соотношения

).The same as in example 1, but when irradiated from the n ⁺ N junction, the electrons had an energy of 1 MeV and the dose was taken 1 · 10 ¹⁴ cm ^-2 (determined from the relation

)

Результаты аналогичны примеру 1: понизилось τ_p у n⁺N-перехода до 5 мкс, при плотности прямого тока 60 А/см² пик обратного тока был равен 20 А/см², а его длительность на полувысоте равна 0.5 мкс, остаточное напряжение в проводящем состоянии при токе 60 А/см² было равно 2.1 В.The results are similar to example 1: the τ _p at the n ⁺ N junction decreased to 5 μs, at a forward current density of 60 A / cm ^{2, the} peak of the reverse current was 20 A / cm ² , and its duration at half maximum was 0.5 μs, the residual voltage was conducting state at a current of 60 A / cm ² was equal to 2.1 V.

Пример 5.Example 5

То же, что в примере 1, но при облучении, проводимом со стороны n⁺N-перехода, электроны имели энергию 10 МэВ, доза была, как в примере 4 - 1·10¹⁴ см^-2 (определенная из соотношения

).The same as in example 1, but when irradiated from the n ⁺ N junction, the electrons had an energy of 10 MeV, the dose was, as in example 4 - 1 · 10 ¹⁴ cm ^-2 (determined from the relation

)

Результаты аналогичны примеру 4.The results are similar to example 4.

Таким образом, по сравнению с прототипом радикально улучшились все основные характеристики созданного по предлагаемому способу прибора. Кроме того, очевидно ускорение и удешевление предлагаемого технологического процесса, поскольку облучение не проводится непосредственно в вакуумной камере, где одновременно может облучаться ограниченное количество приборов, а перезагрузка камеры требует значительного времени, а также отсутствует сложный и дорогостоящий процесс облучения протонами либо α-частицами.Thus, in comparison with the prototype, all the basic characteristics of the device created by the proposed method have radically improved. In addition, it is obvious that the proposed technological process is accelerated and cheapened, since irradiation is not carried out directly in a vacuum chamber, where a limited number of devices can be irradiated at the same time, and rebooting the chamber takes considerable time, and there is no complicated and expensive process of irradiation with protons or α particles.

Claims

A method of manufacturing high-power high-voltage silicon devices, including the creation of a semiconductor structure containing a blocking p ⁺ N junction by thermal diffusion of impurities into N-type silicon to create p ⁺ and n ⁺ -type conductivity layers, sputtering on the surface of the structure of ohmic contacts, irradiation it from the side of the mentioned p ⁺ N junction by electrons with an energy of 350 ÷ 550 keV and a corresponding dose of 5 · 10 ¹⁷ ÷ 1 · 10 ¹⁶ cm ^-2 , and irradiation of this structure from any side by electrons with an energy of 1 ÷ 10 MeV and a dose of F, determined from the relation

,
where κ is the coefficient, κ = 3 · 10 ^-9 cm ² / s;
τ _p0 — carrier lifetime in the N-base region before irradiation, s;
τ _p - carrier lifetime in the N-base region after irradiation, s, determined from the ratio:

,
where W _n is the thickness of the N-base region of the device, cm;
D _p is the ambipolar diffusion coefficient, cm ² / s.