Способ регулирования напряжения переключения силового полупроводникового прибора

Изобретение относится к технологии регулирования напряжения переключения силового полупроводникового прибора, а именно к технологии изготовления динистора и тиристора, в т.ч. фототиристора, имеющих самозащиту от перенапряжения. Сущность изобретения: способ регулирования напряжения переключения силового полупроводникового прибора с полупроводниковой структурой, содержащей триодную зону р⁺-n-р-типа, окруженную, по крайней мере, одной тиристорной зоной р⁺-n-р-n⁺-типа, включает локальное облучение протонами с использованием специального экрана и последующий термический отжиг с целью создания в базовом n-слое в пределах триодной зоны р⁺-n-р-типа водородсодержащих доноров с максимумом концентрации в области, заключенной между коллекторным p-n-переходом и серединой базового n-слоя, при этом глубину залегания максимума концентрации водородсодержащих доноров в базовом n-слое h_m [мкм] и дозу протонов Ф_nb [см^-2] определяют из эмпирических выражений в зависимости от удельного сопротивления исходного кремния, разброса его значений и заданного уровня снижения напряжения лавинного пробоя коллекторного p-n-перехода. Изобретение позволяет снизить трудоемкость процесса регулирования напряжения переключения силового полупроводникового прибора и повысить процент выхода годных приборов. 1 ил., 1 табл.

 

Изобретение относится к технологии регулирования напряжения переключения силового полупроводникового прибора, а именно к технологии изготовления динистора и тиристора, в т.ч. фототиристора, имеющих самозащиту от перенапряжения.

Известен способ регулирования напряжения переключения силового полупроводникового прибора - тиристора [1] (патент США №5420045, кл. H01L 29/74, публ. 30.05.1995 г.), в котором полупроводниковую структуру, содержащую триодную зону p⁺-n-p-типа, окруженную, по крайней мере, одной тиристорной зоной p⁺-n-р-n⁺-типа, облучают, используя специальные маски, заряженными частицами (протонами или ядрами гелия) с целью создания в базовом n-слое в пределах триодной зоны p⁺-n-р-типа локальной области с повышенной концентрацией генерационно-рекомбинационных центров (ГРЦ). Границу области с повышенной концентрацией ГРЦ со стороны эмиттерного n⁺-слоя располагают от поверхности этого слоя на глубине d_o [мкм], превышающей глубину залегания коллекторного р-n-перехода x_jc [мкм]. Значение напряжения переключения прибора U_BO [В] регулируют величиной d_o. При повышении напряжения на приборе ток генерации электронно-дырочных пар в триодной p⁺-n-p-зоне выше, чем в тиристорной p⁺-n-р-n⁺-зоне, что приводит к переключению прибора по аноду в той же области, что и при включении управляющим сигналом, и предотвращает разрушение прибора.

Недостатком описанного способа является низкая температурная стабильность напряжения переключения, так как ток утечки, обусловленный генерацией электронно-дырочных пар на ГРЦ и приводящий к переключению тиристора, очень сильно зависит от температуры (удваивается при повышении температуры через каждые 8÷15°С).

Наиболее близким является способ регулирования напряжения переключения силового полупроводникового прибора - тиристора [2] (патент США №4987087, кл. H01L 21/26, публ. 22.01.1991 г.), в котором полупроводниковую структуру, содержащую триодную зону p⁺-n-р-типа, окруженную, по крайней мере, одной тиристорной зоной p⁺-n-р-n⁺-типа, подвергают локальному облучению протонами, используя специальный экран, и последующему термическому отжигу с целью создания в базовом n-слое в пределах триодной зоны p⁺-n-р-типа водородсодержащих доноров с максимумом концентрации в области, заключенной между коллекторным р-n-переходом и серединой базового n-слоя.

Формирование в указанной части базового n-слоя водородсодержащих доноров (ВСД) приводит к уменьшению удельного сопротивления кремния и, соответственно, к снижению напряжения лавинного пробоя коллекторного р-n-перехода в пределах триодной зоны p⁺-n-р-типа. В случае перенапряжения ток лавинного пробоя коллекторного р-n-перехода в этой зоне играет роль внешнего тока управления для окружающей ее тиристорной зоны и приводит к ее переключению.

Данное техническое решение устраняет недостаток описанного выше способа [1]. Однако в [2] отсутствуют соответствующие выражения, позволяющие рассчитать оптимальную глубину залегания максимума концентрации ВСД в базовом n-слое h_mопт [мкм] и дозу протонов [см^-2] в зависимости от среднего значения удельного сопротивления исходного кремния ρ_nc [Ом·см], максимального относительного его разброса и заданного уровня снижения напряжения лавинного пробоя коллекторного р-n-перехода. Это затрудняет практическую реализацию решения, предложенного в [2], поскольку в каждом случае требуется экспериментальный подбор h_mопт и Ф_nb.

Техническим результатом предлагаемого решения является снижение трудоемкости процесса регулирования напряжения переключения силового полупроводникового прибора и повышение процента выхода годных приборов.

Технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе регулирования напряжения переключения силового полупроводникового прибора, в котором полупроводниковую структуру, содержащую триодную зону p⁺-n-р-типа, окруженную, по крайней мере, одной тиристорной зоной p⁺-n-p-n⁺-типа, подвергают локальному облучению протонами, используя специальный экран, и последующему термическому отжигу с целью создания в базовом n-слое в пределах триодной зоны p⁺-n-р-типа водородсодержащих доноров с максимумом концентрации в области, заключенной между коллекторным р-n-переходом и серединой базового n-слоя, глубину залегания максимума концентрации водородсодержащих доноров в базовом n-слое h_m [мкм] и дозу протонов Ф_nb [см^-2] определяют из эмпирических выражений:

где

k_всд - коэффициент, численно равный среднему числу протонов, создающих в кремнии один водородсодержащий донор;

ρ_nc - численное значение среднего удельного сопротивления исходного кремния, выраженного в Ом·см;

δρ_n - максимальный относительный разброс удельного сопротивления исходного кремния: δρ_n=ρ_nmax/ρ_nc-1=1-ρ_nmin/ρ_nc; ρ_nmax и ρ_nmin - соответственно численные значения максимального и минимального значении удельного сопротивления исходного кремния, выраженных в Ом·см;

ρ_ne и δρ_ne - соответственно численное значение среднего эквивалентного удельного сопротивления кремния в Ом·см и его максимальный относительный разброс;

k_н - коэффициент, равный отношению напряжения лавинного пробоя коллекторного р-n-перехода после облучения V_br [В] к напряжению его лавинного пробоя до облучения V_bro [В].

Среднее, максимальное и минимальное значения удельного сопротивления исходного кремния ρ_nc, ρ_nmax и ρ_nmin определяются по площади исходной кремниевой пластины.

Признаком, отличающим данное техническое решение от прототипа, является то, что глубину залегания максимума концентрации водородсодержащих доноров в базовом n-слое h_mопт [мкм] и дозу протонов Ф_nb [см^-2] определяют из выражений (1) и (2) с учетом (3), (4) и (5).

Известных технических решений с таким признаком не обнаружено.

Технический результат достигается тем, что:

1. При глубине залегания максимума концентрации ВСД в базовом n-слое h_m, равной h_mопт, имеет место наиболее эффективное снижение V_br при заданной дозе протонов, причем эффективность снижения V_br уменьшается не более чем на 10% при изменении отношения h_m/h_mопт в интервале, оговоренном в выражении (1). Таким образом, выбор значения h_m в соответствии с выражением (1) с учетом (3) позволяет при заданном значении k_н использовать минимальную необходимую дозу протонов, то есть минимизировать длительность весьма дорогостоящего процесса протонного облучения. Кроме того, упрощается сам процесс облучения, так как не требуется жесткого соблюдения условия h_m=h_mопт.

2. Выбор дозы протонов в соответствии с выражением (2) с учетом (4) и (5), по меньшей мере, сокращает затраты на экспериментальный подбор дозы протонов для регулирования напряжения переключения силовых полупроводниковых приборов (СПП), изготовленных на основе пластин кремния с известными значениями среднего удельного сопротивления и его разброса. Более того, при высоком уровне технологии изготовления СПП, когда фактические значения их напряжений переключения практически совпадают с расчетными, данный способ позволяет облучать полупроводниковые структуры СПП до завершения процесса их изготовления, в частности до травления, очистки и пассивации их краевых фасок. Это снимает ограничение на температуру отжига структур после облучения и исключает брак, который имеет место при отжиге готовых структур вследствие изменения свойств пассивирующих покрытий фасок.

Приведенные эмпирические выражения для выбора глубины залегания максимума концентрации ВСД в базовом n-слое и дозы протонов в зависимости от удельного сопротивления кремния, его разброса и заданного значения коэффициента k_н получены на основе численных расчетов и многочисленных экспериментов.

На чертеже в качестве примера показана полупроводниковая структура СПП, изготавливаемая по предлагаемому способу.

Полупроводниковая структура 1 содержит анодный р⁺-слой 2, базовый n-слой 3 и базовый р-слой 4, образующие с кольцевыми эмиттерными n⁺-слоями 5 и 6 соответственно первую (вспомогательную) и вторую (основную) тиристорные зоны p⁺-n-р-n⁺-типа, окружающие триодную зону А p⁺-n-р-типа. Базовый n-слой 3 образует с анодным р⁺-слоем 2 анодный p⁺-n-переход 7, а с базовым р-слоем 4 - коллекторный р-n-переход 8. Эмиттерный n⁺-слой 6 образует с базовым р-слоем эмиттерный n⁺-р-переход 9 основной тиристорной зоны. Прибор содержит омические контакты 10, 11, 12 и 13 соответственно к анодному p⁺-слою, к эмиттерным n⁺-слоям 5, 6 и к р-слою триодной зоны А. Углы β и γ краевой фаски равны примерно 60°. Такой профиль краевой фаски исключает поверхностный пробой при обратном смещении коллекторного р-n-перехода, обеспечивая тем самым максимально возможные значения напряжения лавинного пробоя этого р-n-перехода (защитное покрытие краевого профиля и шунтировка эмиттерного n⁺-р-перехода основной тиристорной зоны на рисунке не показаны).

В качестве примера реализации предлагаемого способа проведено регулирование напряжения переключения прибора, полупроводниковая структура которого показана на чертеже. Диаметр полупроводниковой структуры был равен 24 мм. Приборы изготавливались по традиционной диффузионной технологии, используемой в отечественном производстве силовых полупроводниковых приборов. На одной кремниевой пластине диаметром 82 мм изготавливалось 7 приборов.

После изготовления приборы подвергались локальному облучению протонами и последующему термическому отжигу при температуре 270°С в течение 4 ч, что приводило к созданию в базовом n-слое в пределах триодной зоны А p⁺-n-р-типа области 14 (см. чертеж) с водородсодержащими донорами, максимум концентрации которых располагался на расстоянии h_m от плоскости коллекторного р-n-перехода.

Всего было исследовано 7 вариантов реализации предлагаемого изобретения. Отличительные особенности вариантов и результаты их реализации представлены в табл.1.

Как следует из таблицы, исследованные варианты реализации предлагаемого изобретения можно подразделить на 3 группы. К первой группе относятся варианты 1 и 3, в которых доза протонов Ф_nb выбиралась в зависимости от среднего значения удельного сопротивления исходного кремния ρ_nc при h_m=h_moпт, δρ_n=0,03 и k_н=0,9. Ко второй группе относятся варианты 2, 4 и 5, которые отличались между собой только значением h_m. Здесь доза протонов сохранялась неизменной. И, наконец, к третьей группе относятся варианты 6 и 7, в которых доза протонов выбиралась в зависимости от значения коэффициента k_н при ρ_nc=200 Ом·см, δρ_n=0,05 и h_m=h_moпт. При расчетах дозы протонов коэффициент k_всд в соответствии с экспериментальными данными был принят равным 7.

Таблица 1
Номер варианта	ρnc, Ом·см	δρn	kн	hmопт, мкм	hm/hmопт	Фnb, 1012 см-2	Vbro, В	Vbr, В	kнэ=Vbr/Vbro
1	100	0,03	0,9	76	1	1,1	2790	2470	0,885
2	200	0,03	0,9	124	1	0,96	4680	4160	0,889
3	350	0,03	0,9	188	1	0,9	7140	6520	0,913
4	200	0,03	0,9	124	0,6	0,96	4680	4320	0,923
5	200	0,03	0,9	124	1,5	0,96	4680	4305	0,92
6	200	0,05	0,9	124	1	1,15	4605	4070	0,884
7	200	0,05	0,95	124	1	0,8	4605	4330	0,94

В последних трех столбцах табл.1 приведены значения напряжения лавинного пробоя коллекторного р-n-перехода до облучения (V_bro), после облучения протонами (V_br) и их отношение, представляющее собой экспериментальное значение коэффициента k_н (k_нэ). Видно, что даже в случае вариантов 4 и 5 значения коэффициента k_нэ отличаются от заданного значения коэффициента k_н=0,9 менее чем на 3%, и даже от значения k_нэ в случае варианта 2 - менее чем на 4%.

В заключение заметим, что прибор, представленный на фигуре, без внешнего управляющего вывода представляет собой динистор, а с внешним управляющим выводом, контактирующим с металлизацией 13 триодной зоны А, - тиристор. Этот же прибор с фотоокном вместо металлизации 13 триодной зоны А представляет собой фототиристор.

Источники информации

1. Патент США №5420045, кл. H01L 29/74, публ. 30.05.1995 г.

2. Патент США №4987087, кл. H01L 21/26, публ. 22.01.1991 г. (прототип).

Способ регулирования напряжения переключения силового полупроводникового прибора, в котором полупроводниковую структуру, содержащую триодную зону р⁺-n-р-типа, окруженную, по крайней мере, одной тиристорной зоной р⁺-n-р-n⁺-типа, подвергают локальному облучению протонами, используя специальный экран, и последующему термическому отжигу с целью создания в базовом n-слое в пределах триодной зоны р⁺-n-р-типа водородсодержащих доноров с максимумом концентрации в области, заключенной между коллекторным р-n-переходом и серединой базового n-слоя, отличающийся тем, что глубину залегания максимума концентрации водородсодержащих доноров в базовом n-слое h_m [мкм] и дозу протонов Ф_nb [см^-2] определяют из выражений:





k_всд - коэффициент, численно равный среднему числу протонов, создающих в кремнии один водородсодержащий донор;
ρ_nc - численное значение среднего удельного сопротивления исходного кремния, выраженного в Ом·см;
δρ_n - максимальный относительный разброс удельного сопротивления исходного кремния: δρ_n=ρ_nmax/ρ_nc-1=1-ρ_nmin/ρ_nc; ρ_nmax и ρ_nmin - соответственно численные значения максимального и минимального значений удельного сопротивления исходного кремния, выраженных в Ом·см;
ρ_ne и δρ_ne - соответственно численное значение среднего эквивалентного удельного сопротивления кремния в Ом·см и его максимальный относительный разброс;
k_н - коэффициент, равный отношению напряжения лавинного пробоя коллекторного p-n-перехода после облучения V_br [В] к напряжению его лавинного пробоя до облучения V_bro [В].