Способ изготовления мощного высокотемпературного полупроводникового резистора

Изобретение относится к технологии изготовления полупроводниковых приборов и может быть использовано в производстве мощных высокотемпературных кремниевых резисторов, имеющих высокую температурную стабильность сопротивления в широком интервале рабочих температур. Техническим результатом изобретения является повышение максимально допустимой температуры мощного кремниевого резистора при сохранении температурной характеристики сопротивления в пределах ±10%, повышение его номинальной мощности и снижение стоимости изготовления. Сущность изобретения: способ изготовления мощного высокотемпературного полупроводникового резистора включает создание в кремниевом резистивном элементе диффузионных приконтактных областей и металлических контактов к ним, введение радиационных дефектов в резистивный элемент путем облучения ускоренными электронами с энергией Е=2÷5 МэВ с последующим термическим отжигом. Облучение ускоренными электронами проводят дозой в интервале от 1,1·10¹⁵ см^-2 для кремния с исходным удельным сопротивлением ρ₀=120 Ом·см до 2,1·10 см^-2 для кремния с исходным удельным сопротивлением ρ₀=7 Ом·см, термический отжиг проводят в интервале температур 260-280°С. 1 ил., 5 табл.

 

Предлагаемое изобретение относится к технологии изготовления полупроводниковых приборов и может быть использовано в производстве мощных высокотемпературных кремниевых резисторов, имеющих высокую температурную стабильность сопротивления в широком интервале рабочих температур.

Известен способ изготовления мощного полупроводникового резистора (Патент РФ №2086043, кл. H 01 L 29/30, опубл. 20.07.1997 г. (аналог) - [1]), включающий создание в кремниевом резистивном элементе диффузионных приконтактных областей и металлических контактов к ним, введение радиационных дефектов путем облучения ускоренными электронами. Электронное облучение проводят с целью минимизации температурной зависимости сопротивления резистора, которая оценивается температурной характеристикой сопротивления ТХС[%] (ТХС≤±10% - одно из основных технических требований к постоянным резисторам). Однако максимально допустимая температура Т_m[°С] таких резисторов не превышает 125°С.

Наиболее близким является способ изготовления мощного высокотемпературного полупроводникового резистора (Патент РФ №2169411, кл. H 01 L 29/30, 21/263, опубл. 20.06.2001 г. (прототип) - [2]), включающий создание в кремниевом резистивном элементе диффузионных приконтактных областей и металлических контактов к ним, введение радиационных дефектов в резистивный элемент путем облучения ускоренными электронами с энергией 2÷5 МэВ с последующим термическим отжигом. Доза облучения Ф[см^-2] выбирается из интервала от 3,4·10¹⁵ см^-2 для кремния с исходным удельным сопротивлением ρ₀[Ом·см], равным 120 Ом·см, до 2,0·10¹⁶ см^-2 для кремния с ρ₀=20 Ом·см. Термический отжиг проводится при температуре Т_отж[°С], равной 200°С.

При температуре 200°С отжигаются радиационные дефекты типа вакансия-фосфор (Е-центр), температура аннигиляции которых составляет 130-150°C (Вопросы радиационной технологии полупроводников. Новосибирск: Наука, Сибирское отделение, 1980, стр.20-22 - [3]), тем самым стабилизируются характеристики прибора в рабочем диапазоне температур.

Способ изготовления по прототипу позволяет повысить максимально допустимую температуру мощного кремниевого резистора в интервале от 130°С до 180°С в зависимости от величины исходного удельного сопротивления, выбранного в интервале от 120 Ом·см до 20 Ом·см, при сохранении температурной характеристики сопротивления ТХС≤±10%.

Однако применение известного способа [2] при изготовлении мощных резисторов из кремния с ρ₀ менее 20 Ом·см с целью дальнейшего увеличения Т_m>180°С при сохранении ТХС≤±10% ограничено необходимостью облучения резистивных элементов большими дозами ускоренных электронов (Ф>2·10¹⁶ см^-2), что существенно увеличивает себестоимость изготовления резисторов.

В таблице 1 приведены эмпирические соотношения между требуемой максимально допустимой температурой Т_m, необходимым исходным удельным сопротивлением ρ₀, дозой облучения Ф, временем облучения t [час] и стоимостью облучения С [USD] одного резистивного элемента на ускорителе "Электроника ЭЛУ-6" при изготовлении резистора РК233 с использованием известного способа [2].

Таблица 1.
Тm, °C	130	180	195
ρ0, Ом·см	120	20	10
Ф, см-2	3,4·1015	2,0·1016	3,6·1016
t, час	0,76	4,5	8,1
С, USD	0,88	5,25	9,45

При этом полная себестоимость резистора с T_m=130°C составляет (20÷22)USD.

Из таблицы 1 видно, что при изготовлении резистора данного типа с Т_m=195°С известным способом время облучения (8,1 час) будет приблизительно в 10 раз больше времени облучения (0,76 час) аналогичного резистора с T_m=130°C, что связано с большой дозой облучения (3,6·10¹⁶ см^-2), поэтому стоимость процесса облучения составит 9,45 USD, т.е. почти 50% от полной себестоимости резистора с Т_m=130°С.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение максимально допустимой температуры мощного кремниевого резистора при сохранении температурной характеристики сопротивления в пределах ±10%, повышение его номинальной мощности и снижение себестоимости изготовления.

Для достижения технического результата в известном способе изготовления мощного высокотемпературного полупроводникового резистора, включающего создание в кремниевом резистивном элементе диффузионных приконтактных областей и металлических контактов к ним, введение радиационных дефектов в резистивный элемент путем облучения ускоренными электронами с энергией Е=2÷5 МэВ с последующим термическим отжигом, облучение ускоренными электронами проводят дозой в интервале от 1,1·10¹⁵ см^-2 для кремния с исходным удельным сопротивлением ρ₀=120 Ом·см до 2,1·10¹⁶ см^-2 для кремния с исходным удельным сопротивлением ρ₀=7 Ом·см, термический отжиг проводят в интервале температур 260÷280°С.

К отличительным признакам предлагаемого технического решения относятся:

1. Резистивный элемент облучают ускоренными электронами дозой, которую выбирают в интервале от 1,1·10¹⁵ см^-2 для кремния с ρ₀=120 Ом·см до 2,1·10¹⁶ см^-2 для кремния с ρ₀=7 Ом·см.

2. Термический отжиг облученных резистивных элементов проводят в интервале температур 260÷280°С.

Известных технических решений с такой совокупностью признаков в патентной и научно-технической литературе не обнаружено.

Положительный эффект достигается за счет введения в резистивный элемент радиационных дефектов с концентрацией, требуемой для минимизации температурной зависимости сопротивления, при этом элементы облучают дозой, меньшей в ˜3,3 раза по сравнению с известным способом [2], а термический отжиг проводят при большей температуре.

Все это приводит к увеличению максимально допустимой температуры мощных кремниевых резисторов до 200°С при сохранении ТХС≤±10%, увеличению номинальной мощности и снижению себестоимости процесса электронного облучения в 3-4 раза.

Чертеж поясняет сущность предлагаемого способа изготовления мощного высокотемпературного резистора.

На чертеже по оси ординат отложено изменяющееся с температурой Т[°С] значение сопротивления резистора R [Ом], приведенное к величине сопротивления при максимально допустимой температуре Т_m, в относительных единицах. По оси абсцисс отложена температура резистивного элемента Т. Кривая 1 соответствует температурной зависимости сопротивления исходного необлученного резистора, ТХС такого образца составляет около 100%. Кривая 2 соответствует температурной зависимости сопротивления резистора, изготовленного по известному способу [2], т.е. облученного дозой ускоренных электронов Ф₁ с последующим термическим отжигом при температуре T_отж1=200°С; TXC такого резистора менее +10%. Кривая 3 соответствует температурной зависимости сопротивления резистора, изготовленного по предлагаемому способу, т.е. облученного дозой Ф₂≈0,3 Ф₁ с последующим термическим отжигом при температуре Т_отж2, выбранной из интервала температур 260÷280°С; TXC такого резистора менее +10% и практически совпадает с TXC резистора, изготовленного по способу [2] (кривая 2). Наблюдаемое увеличение концентрации радиационных дефектов при отжиге в интервале температур 260÷280°С, по-видимому, обусловлено возникновением К-центров (дивакансия - углерод-кислород) и вызвано так называемым "отрицательным" отжигом (Лугаков П.Ф., Лукашевич Т.А., Шуша В.В. Физика и техника полупроводников, т.13, стр.401, 1979 - [4]). Кривая 4 соответствует температурной зависимости сопротивления резистора, изготовленного с помощью облучения ускоренными электронами дозой Ф₂≈0,3Ф₁ (признак предлагаемого способа) и последующего термического отжига при температуре Т_отж1=200°C (признак прототипа); TXC такого резистора составляет ˜50%, что не соответствует техническим требованиям, предъявляемым к резистору.

Выбор интервала доз электронного облучения (1,1·10¹⁵ см^-2÷2,1·10¹⁶ см^-2) в зависимости от исходного удельного сопротивления (120÷7 Ом·см) и интервала температур отжига (260÷280°С) обоснован в примере конкретного исполнения с данными, представленными в таблицах 2÷4.

Пример конкретного исполнения

При изготовлении экспериментальных образцов резистивных элементов (резистор РК233), представляющих собой кремниевые диски диаметром 32 мм, толщиной 2,5 мм из кремния n-типа электропроводности с различным исходным удельным сопротивлением ρ₀, равным 7 Ом·см, 20 Ом·см и 120 Ом·см были использованы предлагаемый и известный способы.

Изготовление проводили по следующей технологической схеме:

- резка кремниевых слитков на пластины толщиной 2,6 мм;

- вырезка дисков диаметром 32 мм;

- шлифовка пластин до толщины 2,5 мм;

- создание приконтактных n⁺-областей путем двухстадийной диффузии фосфора, включающей загонку фосфора при температуре 1150°С в течение 1,5 часов, снятие фосфоросиликатного стекла и разгонку фосфора при температуре 1200°С в течение 25 часов (приконтактные n⁺-области необходимы для обеспечения линейности вольтамперной характеристики резистора);

- контроль диффузионных параметров (глубина n⁺-слоя ≈20 мкм, поверхностная концентрация фосфора ≈10²⁰ см^-3);

- создание омических контактов путем напыления алюминия с последующим вжиганием при температуре ˜500°С в течение 1 часа;

- измерение сопротивления резистивных элементов;

- облучение и отжиг кремниевых дисков:

1) для кремния с ρ₀=120 Ом·см

Ф=3,4·10¹⁵ см^-2 (Т_отж=200°С) - прототип

Ф=9,9·10¹⁴ см^-2 (Т_отж=250, 260, 270, 280 и 290°С)

Ф=1,1·10¹⁵ см^-2 (Т_отж=200*, 250, 260, 270, 280 и 290°С)

Ф=1,2·10¹⁵ см^-2 (Т_отж=250, 260, 270, 280 и 290°С)

2) для кремния с ρ₀=20 Ом·см

Ф=2·10¹⁶ см^-2 (Т_отж=200°С) - прототип

Ф=5,95·10¹⁵ см^-2 (Т_отж=250, 260, 270, 280 и 290°С)

Ф=6.6·10¹⁵ см^-2 (Т_отж=200*, 250, 260, 270, 280 и 290°С)

Ф=7,26·10¹⁵ см^-2 (Т_отж=250, 260, 270, 280 и 290°С)

3) для кремния с ρ₀=7 Ом·см

Ф=6,2·10¹⁶ см^-2 (Т_отж=200°С) - прототип

Ф=1,9·10¹⁶ см^-2 (Т_отж=250, 260, 270, 280 и 290°С)

Ф=2.1·10¹⁶ см^-2 (Т_отж=200*, 250, 260, 270, 280 и 290°С)

Ф=2,3·10¹⁶ см^-2 (Т_отж=250, 260, 270, 280 и 290°С)

*Т_отж=200°С соответствует признаку прототипа.

Облучение проводилось электронами с энергией ˜3,5 МэВ при комнатной температуре. Термический отжиг проводился в инертной среде в течение одного часа (времени, достаточном для завершения структурной перестройки дефектов);

- контроль сопротивления резистивных элементов после облучения и отжига;

- травление торцевой поверхности резистивных элементов, защита кремний-органическим компаундом (ВГС) с последующей сушкой при температуре 180°С в течение 6 часов;

- измерение основных параметров и характеристик резистивных элементов (линейность ВАХ, номинальное сопротивление, температурная характеристика сопротивления ТХС, импульсное напряжение и др.)

Для оценки себестоимости процесса электронного облучения одного резистивного элемента использованы следующие данные:

- облучение проводилось на ускорителе "Электроника ЭЛУ-6" с одновременной загрузкой 60 резистивных элементов ⊘32 мм;

- плотность тока ускоренных электронов в области облучения j[мкА/см²] выбиралась не более 0,2 мкА/см², чтобы исключить нагрев элементов в процессе облучения;

- время облучения t_обл [сек] оценивалось, как

где q [Кл] - заряд электрона, равный 1,6·10^-19 Кл;

- стоимость одного часа облучения на ускорителе "Электроника-ЭЛУ6" составляет около 70 USD.

Надо иметь в виду, что время и стоимость отжига после облучения в известном и предлагаемом способах примерно одинаковы.

Усредненные значения сопротивления R и ТХС резистивных элементов, изготовленных по известному и предлагаемому способам, приведены в таблицах 2÷4. Для статистической обработки было отобрано по десять образцов с различным сочетанием режимов облучения и отжига.

Сравнительный анализ параметров и характеристик резистивных элементов показывает, что увеличение Т_m от +130°С до +200°С и снижение себестоимости изготовления приблизительно в три раза при сохранении ТХС≤±10% достигается при облучении элементов, изготовленных из кремния с ρ₀ от 120 Ом·см до 7 Ом·см, дозами от 1,1·10¹⁵ см^-2 до 2,1·10¹⁶ см^-2 соответственно, с последующим термическим отжигом при температуре, выбранной из интервала 260÷280°С.

Отклонение дозы облучения на 10% и температуры отжига на 10°С от указанных в предлагаемом способе приводит к недопустимому ухудшению ТХС. Также показано, что использовать дозу облучения по предлагаемому способу, а отжиг вести по прототипу (Т_отж=200°С) недопустимо, так как температурная характеристика сопротивления таких элементов будет ТХС=45÷50%, что не соответствует техническим требованиям, предъявляемым к резисторам.

Таким образом, подтверждается необходимость и достаточность отличительных признаков предлагаемого способа изготовления.

Границы предлагаемого интервала исходного удельного сопротивления кремния ρ₀=7÷120 Ом·см, для которого применение предлагаемого способа дает положительный эффект, обосновываются следующим образом.

Кремний с ρ₀=120 Ом·см позволяет изготовить резисторы с T_m=130°C, которая является нижней границей Т_m для высокотемпературных резисторов (максимально допустимая температура Т_m для не высокотемпературных резисторов равна 125°С).

Кроме того, снижение себестоимости электронного облучения элементов из кремния с ρ₀≥120 Ом·см с использованием предлагаемого способа не приводит к существенному снижению стоимости резистора, из-за ее незначительной доли (0,285 USD) в полной стоимости (20÷22)USD резистора.

Выбор кремния с исходным удельным сопротивлением ρ₀=7 Ом·см в качестве нижнего предела обусловлен тем, что время облучения резистивных элементов, изготовленных из кремния с ρ₀<7 Ом·см, становится более 4,67 час, при этом стоимость облучения превышает 25% полной себестоимости резистора, т.е. использование данного способа становится нерентабельным.

К преимуществам предлагаемого способа изготовления мощного высокотемпературного полупроводникового резистора относятся:

- возможность увеличения максимально допустимой температуры до 200°С без увеличения себестоимости при сохранении высокой температурной стабильности (ТХС≤±10%);

- возможность увеличения номинальной мощности Р_ном[Вт] (см. на примере РК233 в таблице 5) без увеличения размеров резистора;

- уменьшение времени облучения приблизительно в 3 раза в сравнении с прототипом, что позволяет увеличить производительность труда, снизить сроки изготовления и т.д.;

- снижение себестоимости процесса облучения при изготовлении высокотемпературных резисторов ˜ в 3 раза, что позволяет снизить полную себестоимость резистора.

Максимально допустимая температура (Т_m) для всех образцов находится в интервале 130÷135°С

Максимально допустимая температура (Т_m) для всех образцов находится в интервале 180÷184°С

Максимально допустимая температура (Т_m) для всех образцов находится в интервале 200÷210°С.

Таблица 5.
Резистор	По прототипу	Предлагаемый способ
РК233	ρ0=120 Ом·см	ρ0=60 Ом·см	ρ0=20 Ом·см	ρ0=7 Ом·см
Тm, °С	130	160	180	200
Рном(Тс=85°С), Вт	900	1500	1900	2300

Источники информации

1. Патент РФ №2086043, кл. H 01 L 29/30, опубл. 27.07.1997 г. (аналог).

2. Патент РФ №2169411, кл. H 01 L 29/30, 21/263, опубл. 20.06.2001 г. (прототип).

3. Вопросы радиационной технологии полупроводников. Новосибирск: Наука, Сибирское отделение, 1980, стр.20-22.

4. Лугаков П.Ф., Лукашевич Т.А., Шуша В.В. Физика и техника полупроводников, т.13, стр.401, 1979.

Способ изготовления мощного высокотемпературного полупроводникового резистора, включающий создание в кремниевом резистивном элементе диффузионных приконтактных областей и металлических контактов к ним, введение радиационных дефектов в резистивный элемент путем облучения ускоренными электронами с энергией Е=2÷5 МэВ с последующим термическим отжигом, отличающийся тем, что облучение ускоренными электронами проводят дозой в интервале от 1,1·10¹⁵ см^-2 для кремния с исходным удельным сопротивлением ρ₀=120 Ом·см до 2,1·10¹⁶ см^-2 для кремния с исходным удельным сопротивлением ρ₀=7 Ом·см, термический отжиг проводят в интервале температур 260-280°С.