Способ изготовления силовых многослойных полупроводниковых структур

 

Использование: в технологии изготовления мощных полупроводниковых приборов, а именно при изготовлении мощных быстродействующих реверсивно включаемых динисторов. Сущность изобретения: в способе изготовления силовой многослойной полупроводниковой структуры, заключающемся в создании диффузией или имплантацией на поверхности пластины заданного распределения легирующей примеси, последующим сращивании полученной структуры с пластиной противоположного типа проводимости и последующей последовательной диффузии легирующей примеси, упомянутым прямым сращиванием создают nn'-структуру с p⁺-пластиной, полученную nn'p⁺-структуру утоньшают со стороны n-слоя до заданной толщины, затем упомянутой последовательной диффузией примеси в n-слой создают p⁺n'npn⁺ структуру.

Изобретение относится к технологии изготовления мощных полупроводниковых приборов, а именно к изготовлению мощных быстродействующих реверсивно включаемых динисторов (РВД).

Известен способ изготовления многослойных полупроводниковых структур [1] путем диффузии примесей III группы в исходную пластину n типа проводимости для формирования pnp структуры, сошлифовки p слоя с одной из сторон, диффузии примеси V группы для формирования n⁺pnn' структуры и последующей диффузии примеси III группы для формирования n⁺pnn'p⁺ структуры РВД. При этом диффузию примеси V группы в n пластину осуществляют либо по всей площади, либо селективно с целью формирования сетки регулярно расположенных полос с более высокой, чем в исходной пластине, концентрацией примеси.

Недостатком аналога является невозможность сочетания высокого быстродействия с большой коммутируемой мощностью, так как увеличение мощности требует увеличения площади прибора, что неизбежно сопровождается утолщением пластины для сохранения механической прочности. Утолщение же пластин приводит к снижению быстродействия из-за роста прямых потерь. Так, РВД с рабочей площадью ≈ 3 см², рассчитанные на напряжение переключения ≈1 кВ при выключении от прямого тока I_Acр ≈100 А имеют время выключения t_g ≈ 12 мкс (Т=125^oС) и способны коммутировать ток порядка 1 кА на частоте 10 кГц (длительность импульса 2 мкс), РВД с рабочей площадью ≈ 12 cм² способны коммутировать ток амплитудой 80 кА в моноимпульсе длительностью 20 мкс, но при этом время выключения t_g ≈ (20-25) мкс (Т=125^oC) при напряжении переключения (1,3-1,5) кВ.

Известен также способ изготовления силовой многослойной полупроводниковой структуры, взятый в качестве прототипа [2] В [2] на поверхности пластины диффузией или имплантацией создают заданное распределение легирующей примеси, полученную структуру сращивают с пластиной противоположного типа проводимости. Затем осуществляют последовательную диффузию легирующей примеси в изготовленную структуру. С помощью описанного способа [2] были изготовлены p⁺p'n⁺ и p⁺nn⁺ структуры. Кроме того, авторы предполагают, что с помощью технологии прямого сращивания возможно изготовление многослойных силовых кремниевых приборов в сочетании с диффузионной технологией.

Однако при этом отсутствуют данные о получении известным способом реверсивно включаемого динистора.

Задачей изобретения является создание способа изготовления силовой многослойной структуры, обладающей повышенной механической прочностью при одновременном увеличении ее быстродействия за счет использования в качестве подложки наружного p⁺ слоя структуры.

Задача решается в способе изготовления силовой многослойной полупроводниковой структуры, заключающемся в создании диффузией или имплантацией на поверхности пластины заданного распределения легирующей примеси, последующего сращивания полученной структуры с пластиной противоположного типа проводимости и последующей последовательной диффузии легирующей примеси.

Новым является то, что упомянутым прямым сращиванием соединяют nn' структуру с p⁺ пластиной, полученную nn'p⁺ структуру утоньшают со стороны n слоя до заданной толщины, затем упомянутой последовательной диффузией примеси в n слой создают p⁺n'npn⁺ структуру.

Кремниевая пластина p⁺ типа проводимости, используемая для прямого сращивания с nn' структурой, выполняет две функции: с одной стороны, она служит частью p⁺n'-эмиттера, с другой обеспечивает механическую прочность структуры РВД, являясь, по сути дела, подложкой, на которой формируется вся n⁺pn'p⁺- структура РВД. Толщина ее при заданной площади прибора должна быть РВД и может изменяться в широких пределах (от d ≈ 0,3 мм при диаметре рабочего элемента РВД ⊘ ≈ 25 мм до d ≈ 1,5 мм при o 80 мм). Более того, при соответствующем выборе этой толщины возникает возможность отказаться от использования вольфрамового или молибденового термокомпенсатора при сборке прибора в корпус. При этом площадь подложки, а следовательно, и рабочая площадь прибора практически может быть любой, что позволяет коммутировать практически неограниченные мощности. Технология прямого сращивания кремния, заключающаяся в специальной отмывке, сушке (Т 90-100^oС) и отжиге прижатых друг к другу пластин (1100^oС, 4-5 ч), также практически не накладывает ограничений на площадь пластин, подвергаемых прямому сращиванию. Далее полученную nn'p⁺ структуру сошлифовывают со стороны n-кремния и обычным диффузионным способом формируют последовательно базовый p-слой и n⁺p-эмиттер (путем последовательной диффузии примесей III и V групп в n-слой).

При этом полученный при сошлифовке n-слой и изготовленные диффузией p- и n⁺-слои могут быть выбраны сколь угольно тонкими, поскольку механическую прочность прибора любой площади обеспечивает p⁺-подложка, являющаяся составной частью p⁺n'-эмиттера. В конечном счете, их толщина, степень легирования и время жизни неосновных носителей заряда определяются соображениями получения максимального быстродействия при заданном напряжении переключения, т. е. чем тоньше, тем больше быстродействие.

Таким образом, технологический метод прямого сращивания с использованием кремниевых пластин в качестве подложек открывает широкие возможности создания тонкобазовых многослойных структур большой площади.

Как было показано, для увеличения коммутируемой прибором ключевого типа мощности необходимо увеличивать рабочую площадь прибора, что неизбежно должно сопровождаться увеличением толщины рабочего элемента (из соображений сохранения механической прочности структуры). Увеличение толщины ведет к снижению быстродействия. В изобретении впервые решена задача коммутации высоких и сверхвысоких мощностей при сохранении высокого быстродействия.

Пример. Согласно изобретению были изготовлены опытные образцы РВД, параметры которых сравнивались с параметрами прототипа.

На полированной поверхности кремниевой пластины n-типа проводимости толщиной ≈ 0,5 мм методом локальной диффузии фосфора (1100^oС 30 мин) создавались n'-участки в виде квадратов сетки со стороной квадрата 100 мкм и расстоянием между ними 30 мкм с поверхностной концентрацией примеси N_D ≈ 10¹⁸ см^-3. Диаметр пластин ≈ 35 мм. Пластина p⁺-кремния с ρ ≈0,001 Ом·см примерно такого же диаметра полировалась с одной стороны до толщины ≈ 0,7 мм.

Затем обе пластины подвергались прямому сращиванию полированными сторонам друг к другу. Процесс прямого сращивания включает комплекс отмывок с целью очистки и гидрофилизации сращиваемых поверхностей, сушки прижатых друг к другу под давлением пластин в термостате при Т=90^oС в течение 2 ч и отжига при Т=1100^oС в течение 4-5 ч. После этих операций nn'p⁺-структура представляет собой монолит; качество сращивания несколько хуже к краям [3] поэтому далее из полученных структур вырезались образцы диаметром 25 мм. Затем поверхность n-пластины сошлифовывалась до толщины 95 мкм, в ней путем последовательной диффузии галлия (1250^oС, 3 ч) и фосфора (1100^oС, 30 мин) создавались базовый p-слой и n⁺p-эмиттер соответственно. При этом в полученной n⁺pnn'p⁺-структуре толщина слоев была такова: Х_n+ ≈ 7 мкм; W_p ≈ 15 мкм; W_n ≈ 58 мкм; W_n' ≈ 15 мкм; X_p+=700 мкм. Время жизни неосновных носителей заряда регулировалась с помощью диффузии золота (810^oС, 15 мин) и последующим после изготовления контактов облучением протонами со стороны n⁺p-эмиттера на глубину 40-45 мкм.

Изготовленные приборы имели рабочую площадь ≈ 3 см², напряжение переключения ≈ (600-700) В. Время выключения этих приборов составляло величину tg ≈ (2,5-3) мкс (Т=125^oС, I_Acр=400А). Напомним, что приборы такой же площади по конструкции прототипа обладают временем выключения не менее 12 мкс, то есть при той же величине коммутируемого тока (порядка 1 кГц) быстродействие прибора по выключению в предлагаемом решении возросло в 4 раза.

Таким образом, в соответствии с изобретением были изготовлены реверсивно включаемые динисторы, способные коммутировать токи амплитудой до 1 кА при возможной рабочей частоте следования до 66 кГц.

Формула изобретения

Способ изготовления силовых многослойных полупроводниковых структур, включающей создание диффузией на поверхности n-пластины распределения легирующей примеси n', прямое сращивание изготовленной диффузией nn' структуры с p⁺ пластиной, последующую последовательную диффузию акцептерной и донорной примеси в полученную сращиванием структуру, отличающийся тем, что упомянутое прямое сращивание p⁺ пластины с nn' структурой осуществляют со стороны n' слоя, полученную сращиванием структуру сошлифовывают со стороны n слоя, затем формируют p⁺nn'pn⁺ структуру путем упомянутой последовательной диффузией примеси в сошлифованный n слой.