автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Исследование эффективности низкотемпературных радиационно-технологических процессов при создании кремниевых прецизионных стабилитронов, сверхвысокочастотных и силовых диодов

На правах рукописи

Дренин Андрей Сергеевич

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫХ РАДИАЦИОННО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПРИ СОЗДАНИИ КРЕМНИЕВЫХ ПРЕЦИЗИОННЫХ СТАБИЛИТРОНОВ, СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНЫХ И СИЛОВЫХ ДИОДОВ

Шифр и наименование специальности: 05.27.01 - Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 1 ! :юл 2013

Москва - 2013

005531366

Работа выполнена на кафедре «Полупроводниковая электроника и физика полупроводников» НИТУ «МИСиС»

кандидат технических наук, доцент Лагов Петр Борисович

член Президиума Академии инженерных наук им. A.M. Прохорова, д.т.н. Прохоцкий Юрий Михайлович

кандидат технических наук, доцент каф. ППЭ НИУ "МЭИ" Чарыков Николай Андреевич

Открытое акционерное общество «Российская корпорация ракетно-космического приборостроения и информационных систем» (ОАО «Российские космические системы») 111250, Россия, г. Москва, ул. Авиамоторная, д. 53

Защита диссертации состоится « 19 » сентября 2013 г. в 16 часов 00 мин. на заседании диссертационного совета Д212.157.06 при НИУ "МЭИ" по адресу: Москва, Красноказарменная ул., д. 14, корпус К, ауд. К-102.

Отзывы (в двух экземплярах,заверенные печатью) просим направлять по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., д. 14, Ученый Совет НИУ "МЭИ" С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИУ "МЭИ"

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

Автореферат разослан «27» июня 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.157.06 Мирошникова И. Н.

д.т.н., профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

В последние годы за рубежом и в России наблюдается тенденция активного поиска кардинально новых материалов и технологий изготовления приборов микро-и наноэлектроники, направленных на увеличение степени интеграции, расширение функциональных возможностей и снижение себестоимости продукции при массовом выпуске. Одной из важнейших проблем создания твердотельных приборов на основе монокристаллического кремния является необходимость использования высокотемпературных процессов для формирования активных областей методами диффузии, окисления, имплантации с последующим активационным отжигом, что зачастую накладывает ограничения на конструктивно-технологические варианты исполнения и комплекс электрических параметров. Применение низкотемпературных тонкопленочных технологий и использование органических материалов, в свою очередь, ограничивается ускоренной деградацией характеристик большинства получаемых приборов, особенно при высоких плотностях тока.

В связи с этим актуальным является исследование эффективности низкотемпературных радиационно-технологических процессов, обеспечивающих "холодный" массоперенос и формирование электрически-активных термически-устойчивых радиационных центров, позволяющих реализовывать принципиально новые технические решения при создании различных устройств твердотельной электроники.

Анализ богатого практического опыта в части изготовления и применения кремниевых ультрапрецизионных стабилитронов (УПС), СВЧ-диодов с pin-структурой и барьером Шоттки, силовых диодов в ходе работы в цехе эпитаксии и СКБ ОАО "Оптрон", а также постоянного контакта с потребителями продукции позволил автору сформировать четкое представление о характерных параметрических и конструктивно-технологических проблемах, наметить пути их решения и сформулировать цель диссертационной работы.

Основные сложности при производстве современных низковольтных УПС состоят в получении приборов с высокой временной стабильностью параметров, низким уровнем шумов, высоким выходом годных наивысшей группы с наименьшим температурным коэффициентом напряжения стабилизации (ТКН). Указанные проблемы, вероятнее всего, обусловлены технологическими операциями, применяемыми для снижения прямого падения напряжения на компенсирующем кристалле до требуемого уровня - термодиффузии золота и облучения а-частицами.

При создании СВЧ-диодов на основе меза-эпитаксиальных pin структур с различной шириной i-слоя актуальна разработка РТП, обеспечивающего

прецизионное регулирование характеристик переключения в конце технологического цикла при одновременном увеличении напряжения пробоя, уменьшении барьерной емкости и прямого падения напряжения.

Детекторные ВЧ диоды с барьером Шоттки, изготавливаемые по эпитакисиально-планарной технологии имеют высокий обратный ток, низкие пробивные напряжения и ярко выраженную деградацию обратной вольт-амперной характеристики с ростом рабочей температуры, что резко сужает область их применения и может привести к потере традиционных потребителей.

При создании конкурентоспособных силовых диодов актуальной остается разработка РТП, обеспечивающего прецизионное регулирование характеристик переключения и увеличение показателя "мягкости".

Цель работы - разработка низкотемпературных радиационных технологических процессов и отдельных конструктивно-технологических решений, обеспечивающих улучшение комплекса электрических параметров кремниевых прецизионных стабилитронов, СВЧ-диодов с рт-структурой и барьером Шоттки, силовых диодов. Для достижения поставленной цели в работе необходимо было решить следующие задачи:

1. Проанализировать существующий технологический процесс изготовления, конструкцию и методики измерения основных электрических параметров кремниевого прецизионного стабилитрона на напряжение 6,4 В.

2. Провести экспериментальное исследование влияния обработки ускоренными электронами и протонами на прямое падение напряжения компенсирующего кристалла прецизионного стабилитрона.

3. Разработать радиационный технологический процесс, обеспечивающий снижение прямого падения напряжения компенсирующего кристалла прецизионного стабилитрона до значений 0,52-0,54 В.

4. Исследовать характер радиационного изменения основных статических и динамических параметров рт-структур СВЧ диодов с различной толщиной 1-слоя, при обработке ускоренными электронами.

5. Определить параметры доминирующих радиационных центров с глубокими уровнями после облучения и последующего стабилизирующего отжига выборочных образцов рт структур.

6. Разработать радиационный технологический процесс на основе обработки ускоренными электронами, обеспечивающий улучшение комплекса электрических параметров рт диодов с тонкой базой.

4

)

7. Исследовать эффективность применения обработки ускоренными электронами для увеличения максимальной рабочей температуры и уменьшения обратных токов диодов с барьером Шоттки.

8. Исследовать возможность низкотемпературной радиационно-ускоренной активации и разгонки имплантированных ионов бора и роста защитной диэлектрической пленки в потоке ускоренных электронов.

9. Разработать и апробировать технологический маршрут изготовления диодов Шоттки с применением низкотемпературной радиационно-ускоренной разгонки имплантированных ионов бора при одновременном росте защитной пленки.

10. Провести моделирование воздействия ускоренных протонов на структуры кремниевых силовых приборов и рассчитать параметры защитной маски, обеспечивающей формирование требуемого профиля смещенных атомов.

11. Исследовать изменение комплекса электрических параметров силовых диодов при обработке протонами в широком диапазоне флюенсов и последующем стабилизирующем отжиге.

12. Выбрать оптимальные режимы РТП на основе обработки протонами, обеспечивающих прецизионное регулирование характеристик переключения силовых диодов.

Диссертационная работа, включая эксперименты по исследованию влияния ускоренных электронов и ионной имплантации, выполнена на кафедре ППЭ и ФПП НИТУ «МИСиС». Изготовление образцов полупроводниковых приборов и измерение ряда характеристик осуществлено в ОАО "Оптрон". Облучение протонами с энергией 0,5 МэВ выполнено в НИИЯФ МГУ, протонами высоких энергий - в ФГБУ "ГНЦ РФ ИТЭФ". Измерение электрических параметров силовых диодов проведено в НИЦ ЗАО "Протон-Электротекс" (г.Орел).

Новизна и научная ценность

1. Впервые показано, что обработка ускоренными протонами (Ер=500 кэВ, Фр=3...5-1016 см"3) сильнолегированных кремниевых п+р+ структур приводит к снижению прямого падения напряжения за счет формирования радиационных центров в локальной области толщиной ~1 мкм на границе п+ и р+ областей.

2. Разработана оригинальная меза-эпитаксиальная рт-структура, обеспечивающая получение уникального сочетания прямых и обратных вольт-амперных характеристик и быстродействия.

3. На основе экспериментальных исследований установлено, что при низкотемпературной радиационно-ускоренной активации и разгонке имплантированной примеси бора в кремнии с одновременным ростом диэлектрической пленки при воздействии ускоренными электронами повышенной

плотности происходит формирование области р-типа проводимости в кремнии п-типа, что дает возможность создавать р-п переход после формирования контактной металлизации.

4. Впервые показано, что формирование профиля радиационных центров в базовой области диодов с плавным возрастанием концентрации от р+п- к пп+-переходу позволяет получить высокое быстродействие с мягким выключением при малых значениях обратных токов и прямого падения напряжения. Практическая ценность работы

Полученные в диссертационной работе результаты используются ОАО "Оптрон" (г.Москва) при изготовлении прецизионных стабилитронов 2С117, СВЧ диодов с рт структурой 2А509, 2А520, 2А537, 2А542, 2А901, диодов с барьером Шоттки 2Д419; отдельные результаты могут быть использованы при изготовлении силовых приборов и СВЧ модулей ограничителей мощности.

Разработанный способ снижения прямого падения напряжения сильнолегированных кремниевых п+р+ структур позволил:

- заменить операции термодиффузии золота и облучения а-частицами на высоко воспроизводимую обработку ускоренными протонами;

- улучшить точность подбора рабочего и компенсирующего кристалла для создания УПС с ТКН не более 0,0002 %/°С;

- уменьшить временную нестабильность за 2000 часов и уровень шумов до 2 дБ.

Применение РТП в технологии изготовления СВЧ рт диодов позволило:

- показать эффективность методики регулирования характеристик переключения в конце технологического цикла;

- провести ускоренную отбраковку потенциально ненадежных структур, имеющих дефекты защиты меза-структуры.

- изготовить образцы диодов, превышающие по комплексу параметров, зарубежные аналоги ШМРЗ 820.

Применение разработанного способа низкотемпературного формирования рп-перехода при создании диода Шоттки позволил:

- уменьшить уровень обратных токов с 8-10 мкА до 1-2 мкА и повысить напряжение пробоя с 40 до 60 В;

-расширить температурный диапазон работы приборов с 80 °С до 125 °С;

- увеличить выход годных наиболее дефицитной группы с 5% до 40%.

Применение РТП в технологии изготовления силовых диодов позволило:

- в 3-5 раз уменьшить время восстановления обратного сопротивления;

- в 2 раза увеличить показатель мягкости выключения;

- в 6 раз уменьшить выброс обратного тока при переключении.

б

На защиту выносятся

1. Метод снижения прямого падения напряжения сильнолегированных кремниевых п+р+ структур путем их обработки ускоренными протонами, приводящей к формированию радиационных центров в локальной области толщиной ~1 мкм на границе п+ и р+ областей.

2. Возможность регулирования комплексом электрических параметров СВЧ pin диодов с помощью их обработки ускоренными электронами и низкотемпературного отжига.

3. .Способ формирования рп-перехода с помощью низкотемпературной радиационно-ускоренной активации и разгонки имплантированной примеси бора в кремнии при воздействии ускоренными электронами повышенной плотности.

4. Вариант регулирования характеристиками переключения силовых диодов с применением обработки ускоренными протонами, обеспечивающий плавное возрастание концентрации радиационных центров от р+п- к пп+-переходу.

Апробация работы. Результаты диссертации изложены в 16 работах (5 публикаций в журналах из перечня ВАК РФ), которые приведены в списке работ автора, и представлены на конференциях:

- ГУ Российской конференции с международным участием по физике, материаловедению и физико-химическим основам технологий получения легированных кристаллов кремния и приборных структур на их основе "Кремний 2007" (г.Москва, 2007).

- Всероссийских научно-технических конференциях по радиационной стойкости электронных систем "Стойкость" (г. Лыткарино, 2007-2012 гг.);

- VIII и X научно-технической конференции молодых специалистов "Твердотельная электроника. Сложные функциональные блоки РЭА" (г.Дубна, 2009 г., 2011 г.).

- IV Международной научно-технической конференции "Микро- и нанотехнологии в электронике" (г. Нальчик, 2011 г.);

- Международной научно-технической конференции имени Леонардо да Винчи (г. Берлин, 2013 г.)

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Объем диссертации составляет 156 страниц, содержит 77 рисунков, 8 таблиц и список литературы из 73 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность и сформулированы цели диссертации, отражены научная новизна и практическая значимость полученных экспериментальных результатов, сформулированы основные положения,

выносимые на защиту.

В первой главе рассмотрены основные принципы создания кремниевых термокомпенсированных стабилитронов, варианты конструкций, области применения, среди которых - цифровые вольтметры, мультиметры, калибраторы и стандарты напряжения. Отмечается, что УПС находят применение в бортовой аппаратуре, в системах управления космическими полетами и навигационных системах. Особое внимание уделено объекту исследования - двухкристальному стабилитрону с напряжением стабилизации ист ~ 6,4...6,5 В, которое складывается из падения напряжения на рабочем обратно смещенном кристалле (5,Е8...5,92)В и прямо смещенном компенсирующем иР=(0,52...0,54)В при рабочем токе 7,5 мА. Именно при таких значениях напряжения ТКН обоих кристаллов имеют наиболее близкие абсолютные значения, что позволяет получить итоговый ТКН на уровне 0,0002 %/°С. Схема разреза кристаллов представлена на рисунке 1.

____—иіііііі—дії'ті

.TI.NI - А"

Рисунок 1 - Компенсирующий (слева) и рабочий (справа) кристалл УПС

Рабочий кристалл изготавливается по планарной технологии с охранным кольцом на низкоомном материале и обладает высокой радиационной стойкостью. Процесс изготовления компенсирующего кристалла более сложен. Для обеспечения необходимых значений иР его легируют рекомбинационной примесью золота до предела растворимости (~1017 см"3). При этом, как показали результаты измерений на производственных партиях, иР снижается с (0,72...0,74)В до (0,57...0,63)В, т.е. наблюдается увеличение разброса значений. Затем производится обработка пластин а-частицами от изотопного источника Ри238 (Еа=4,5 МэВ, Фа=7Т0 см , приводящая к формированию вблизи р-п перехода (на глубине до 20 мкм) радиационных центров (РЦ) с глубокими уровнями и дальнейшему снижению иР и

его ТКН до требуемых значений. Это позволяет минимизировать радиационную чувствительность Uf-

Снижение UF определяется уменьшением времени жизни носителей заряда в р-п переходе, тогда как термодиффузия золота является маловоспроизводимой и легирование пластины происходит по всему объему. Локальность введения радиационных дефектов при а-облучении с применением изотопных источников также невысока, в силу того, что бомбардировка пластин происходит под произвольными углами и дефекты формируются в области толщиной 20-25 мкм. Присутствие РЦ различного происхождения в высоких концентрациях приводит к механической напряженности кристаллической структуры и может вызвать ухудшение временной и термической стабильности и шумовых характеристик отдельного кристалла и стабилитрона в целом, а параметрический подбор рабочего и компенсирующего кристалла весьма трудоемок. Таким образом, применение указанных технологических операций не является оптимальным инструментом управления UF и ТКН компенсирующего кристалла УПС.

Наибольшая локальность образования РЦ с глубокими уровнями в кристалле соответствует обработке ускоренными протонами, которые создают максимальное количество смещений атомов в конце пробега. В нашем случае глубина залегания р-п перехода составляет 6 мкм, поэтому согласно данным о пробеге протонов в кремнии и результатам моделирования в программе SRIM (Stopping and Range of Ions in Matter) (рис. 2), для обработки структур был использован каскадный генератор КГ-500 (Ер=500 кэВ; Фр=10и...4-1016 см"2). Зависимость UF= f(Op) на рис. 3 получена после операции напыления и вжигания контактов. Оптимальные значения Фр составляют 3...5-1016 см"2.

Target Depth -

COLLISION EVENTS

Vacancies Produced (K-P) 9I10*1

й

I äiiO"1

I 5H0J

"...... ~ _ J illO-4

- - J ЗЙО"1

Ü " ~..... Ж МО"'

r L mo-1

лллШШ - - 0

6Ä- - "ftrget Depth - 10 um

Рисунок 2 - Расчетный профиль распределения ионов Н1" и вакансий по глубине компенсирующего кристалла после обработки протонами с энергией 500 кэВ

9

1

1

3+

ки+е

1.Б+14 1.Е+15 1.Е+16 1.Е+17 1.Е+18

Флюенс, см"2

Рисунок 3 - Зависимость иР(Ф) при 1пр=7,5 мА при различных вариантах РТП

Также для снижения иР была исследована эффективность применения 5 МэВ электронов (рис. 3). Кристаллы, легированные и нелегированные Аи, имели исходные иР=0,62 В и 0,73 В, соответственно. Обработка структур на ускорителе "Электроника" ЭЛУ-6 (Фе=1014...5-1017 см-2, сре=1012...2-1013 см~2'с-1, Т=200 °С) показала, что при Фе=5Т017 см"2 образцы, легированные Аи, достигают значения 0,54 В, нелегированные - 0,6 В. Дальнейшая обработка образцов была приостановлена в силу большой трудоемкости. Таким образом, обработка электронами может быть успешно использована для "доводки" компенсирующего кристалла стабилитрона, легированного золотом.

Анализ температурного ухода напряжения стабилизации в диапазоне температур -5...+65 °С при номинальном токе показал, что стабилитроны из производственных партий имеют следующие значения ТКН, %/°С, не более 40% - ±0,0002, 74% -±0,0005, 99% укладывается в норму ±0,002. В выборке из 25 экспериментальных приборов, изготовленных с применением протонной обработки, 17 образцов (68%) имело значения ±0,0002; в норму ±0,0005 укладывается 92% образцов. Выход приборов с наименьшим ТКН обусловлен точностью подбора рабочих и компенсирующих кристаллов, которая определяется воспроизводимостью технологических процессов. Протонная обработка с применением линейного ускорителя ионов является гораздо более управляемым процессом по сравнению с термодиффузией золота и облучением а-частицами на изотопном источнике, что объясняет высокое качество полученных экспериментальных образцов.

Анализ НЧ шумов стабилитронов в корпусе из производственных и экспериментальных партий показал, что приборы, изготовленные с применением протонной обработки, имеют уровень шумов 211ш не более 6 мкВ. Амплитуда и разброс значений 2Ц"Ш у приборов, изготовленных с применением термодиффузии Аи и последующего электронного или а-облучения, преимущественно ограничены диапазоном (6-20 мкВ). Характерные значения 211ш выборочных образцов, изготовленных по различным технологиям, приведены на рисунке 4.

s 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 s0 85 90 85 1 ¿0 105110115 120125130 135140 US bu

Время,с

Рисунок 4 - Шумовые характеристики образцов стабилитронов

Таким образом, разработанная технология изготовления компенсирующего кристалла, наиболее эффективна при изготовлении термокомпенсированных УПС наивысшей группы с классом точности 0,0002.

Во второй главе приведены результаты экспериментальных исследований влияния обработки 5 МэВ электронами и последующего низкотемпературного отжига на комплекс параметров кремниевых pin структур с различной толщиной i-слоя, используемых для изготовления переключательных СВЧ диодов. Актуальность таких исследований обусловлена необходимостью прецизионного регулирования характеристик переключения диодных структур в конце технологического цикла при сохранении основных параметров в рамках норм ТУ. Физико-технические основы применения радиационных методов для управления быстродействием биполярных приборов достаточно хорошо изучены, однако разработка режимов РТП для структур с определенными конструктивно-технологическими особенностями требует проведения отдельных исследований.

Экспериментальные образцы рт-структур были получены методом хлоридной газофазной эпитаксии с последующим формированием мез и защитой стеклом GP600. Омические контакты с обеих сторон пластины изготовлены по стандартной технологии: химическое осаждение и "вжигание" слоя Ni (Т=550 °С, 10 мин) в атмосфере Аг, осаждение второго слоя Ni и гальванического золочения. Было изготовлено четыре типа структур с толщиной i-слоя (W¡) 25... 195 мкм.

Облучение производили на линейном ускорителе электронов "Электроника" ЭЛУ-6 в диапазоне потоков 6-1013... 2-1015 см"2. Плотность потока электронов составляла 2-1012 см"2-с'', температура образцов при облучении 25±2 °С. Плотность потока контролировали с помощью цилиндра Фарадея. Измерение ВАХ и иР при фиксированном токе производили на установке Л2-56, измерение времени восстановления обратного сопротивления ^ на лабораторном стенде по методу Лакса (при импульсном токе через диод 1р = 50 мА).

Результаты измерения исходных значений иР диодных структур (при плотности прямого тока ,ГР=10 А/см2) с различной толщиной ¡-го слоя и на этапах облучения ускоренными электронами после проведения стабилизирующего отжига (температура 220 °С, длительность 1 час) приведены на рисунке 5.

0.6 -I-----1--- о -I-—------

0.0Е+00 5.0Е+14 1.0Е+15 1.5Е+15 2.0В+15 о 50 100 150 200

Ф„ см'2 ^ мкм

Рисунок 5 - Зависимость ЩФ) при 1пр=10 А/см2 и взаимосвязь („и^ для иР=1 В

Для каждого типа диодов определены "предельные" режимы обработки ускоренными электронами, обеспечивающие наименьшее значение ^ при иР= 1 В (1пр=10 А/см2). Соответствующие значения ^ приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Значения толщины базы и времени восстановления обратного сопротивления исследуемых диодных структур при различных режимах РТП

Тип приборной структуры Толщина базы МКМ Флюенс электронов Ф, см~2 Время восстановления обратного сопротивления ^ НС

Исходные После РТП

2А509 25 2,0' 10" 240 50

2А520 70 1,5-10" 550 130

2А542 135 5,0-Ю14 2000 550

2А537 195 0,6-Ю14 7000 1950

Таким образом, в результате исследования воздействия 5 МэВ электронов на комплекс электрических параметров кремниевых меза-эпитаксиальных диодных pin структур установлено, что характер изменения UF определяется толщиной i-ro слоя. На основе полученных результатов выбраны оптимальные режимы РТП для диодов каждого типа, позволяющие повысить быстродействие в 3...5 раз. При толщине i-слоя 70 и 25 мкм снижается UF на 0,04...0,05 В при Фе=5-1014...Ю15 см'2.

Полученные закономерности были использованы при разработке оптимальных режимов РТП, позволивших создать быстродействующий диод с тонкой (10 мкм) базой, превосходящий по комплексу параметров аналог HSMP3820 фирмы Agilent Tech. ' Основные параметры диодов HSMP3820, 2А901 и экспериментального, изготовленного с применением РТП, приведены в табл. 2 и на рис. 5.

Таблица 2 - Основные характеристики диодов HSMP3820 и 2А901

Производитель Тип диода Время восст. trrMKC Прямое сопротивление потерь Rs, Ом Общая ёмкость С, пФ Напряжение пробоя

Agilent Tech. HSMP 3820 0,007 0,6 0,80 70

ОАО "Оптрон" 2А901 «А» 2А901 «Б» 0,015 0,080 0,6 1,5 1,20 0,80 >100 >120

ОАО "Оптрон" 2А901 +РТП 0,004 0,6 0,75 >130

0.2

О.ОЕ+ОО 4.0Е+14 8.0Е+14 1.2Е+15 1.6Е+15 Фе, см"2

Рисунок 5 - Структура диода и изменение его характеристик на этапах РТП

В третьей главе рассмотрены основные проблемы кремниевых диодов Шоттки и способы их устранения, приведен базовый технологический процесс изготовления и основные характеристики на примере прибора 2Д419, который предназначен для детектирования сигналов диапазона ВЧ в схеме линейного детектора АМ-сигналов с увеличенным динамическим диапазоном входных сигналов. По значению основных

с0 6,5 К ДБ 0,001

трехслойная структура ю кз > 150

350 КЗМ 0,003

электрических параметров данные диоды близки к зарубежным диодам серии НР5082-2800, НР5082-2810, НР5082-2811 фирмы «Hewlett-Packard» и характеризуются относительно высокими обратными напряжениями в сочетании с малой емкостью, малыми прямыми напряжениями и высоким быстродействием.

Приведены результаты исследования эффективности различных конструктивно-технологических решений, направленных на уменьшение обратного тока, повышения напряжения пробоя при сохранении малого прямого падения напряжения, расширения температурного диапазона работы до 125 °С, которые легли в основу разработки новой технологии.

Сначала были изготовлены образцы по стандартной технологии с различной толщиной эпитаксиального слоя 5 и 10 мкм (р=1 Ом-см). Диоды на более «толстой» структуре имеют напряжения пробоя (80-100 В при обратном токе 10 мкА), но и более высокие прямые напряжения (0,45-0,50 В при прямом токе 1 мА). «Тонким» структурам характерны значения ЗО^Ю В и 0,30-0,35 В, соответственно.

Согласно современным требованиям данные приборы должны быть термостабильны и иметь как высокие пробивные напряжения (более 50 В), так и низкие потери напряжения в прямом включении (не более 0,4 В). В связи с этим в работе были проведены исследования по влиянию обработки быстрыми электронами и стабилизирующего отжига на комплекс электрических параметров диодов. Разработан вариант проведения радиационного технологического процесса при повышенной плотности потока быстрых электронов, приводящий к разогреву структур до температуры 200 °С и позволивший увеличить напряжение пробоя, особенно в области повышенных рабочих температур. Значения прямого падения напряжения при этом составили 0,37-0,38 В. Температурная зависимость обратного напряжения UR образцов до и после РТП приведена на рисунке 6.

Al

Mo V SiO„

№1 \

ш/шщ У////7//////Щ

m

ê

РТП

< ч

50 75 100

Температура І,°С

Рисунок 6 - Разрез кристалла БШ и температурная зависимость обратного напряжения при 1я=10 мкА до и после РТП

j

Наблюдаемые улучшения характеристик могут быть связаны как с улучшением границ раздела диэлектрик-полупроводник и металл-полупроводник, так и ослаблением температурной зависимости удельного электрического сопротивления эпитаксиальной структуры. Для дальнейшего улучшения характеристик прибора, а именно, уменьшения обратного тока был разработан новый технологический маршрут включающий конструкцию с охранным кольцом, создаваемым после формирования барьерного контакта. Контакт формировался методом магнетронного напыления с предварительным травлением поверхности кремния ионами аргона (1кэВ) на глубину 50 нм на установке с безмасляной откачкой. Кольцо формировалось с помощью низкотемпературных операций: ионной имплантации бора с последующей разгонкой в потоке быстрых электронов (при Т=450 °С) и одновременным ростом диэлектрического слоя на поверхности. Отработка режимов производилась на пластинах-спутниках имеющих идентичную эпитаксиальную структуру. Полученные образцы диодов показали меньший уровень обратных токов при прочих равных характеристиках (см.рис. 7).

Рисунок 7 - Обратная ВАХ и структура кристалла ДШ

В четвертой главе рассмотрены особенности прецизионного управления характеристиками переключения кремниевых силовых приборов. Отмечается, что наиболее эффективны радиационные методы на основе обработки ускоренными электронами, ионами водорода, гелия и др. В отличие от диффузионного легирования рекомбинационными примесями (Аи, И) радиационные методы позволяют более точно контролировать концентрацию дефектов с глубокими уровнями, определяющими длительность и характер процесса переключения. Применение обработки ионами Н* и Не+ позволяет формировать профиль распределения смещенных атомов с максимальной концентрацией в конце пробега и осуществлять аксиальное регулирование времени жизни, обеспечивая мягкий

15

процесс выключения силового диода или тиристора. Наиболее эффективными инструментами реализации РТП являются линейные ускорители электронов и протонов, обеспечивающие ускорение частиц от единиц до десятков МэВ. Основными ограничениями многих ускорителей протонов является узость или неравномерность пучка, отсутствие системы автоматизированной подачи образцов.

Проведен экспериментальный поиск оптимальных режимов радиационной обработки диодных элементов ускоренными протонами, обеспечивающей управление характеристиками переключения и контроль времени жизни носителей заряда в диапазоне от 0,5 до 5 мкс. Экспериментальные образцы представляли собой кремниевые диодные структуры толщиной 200 мкм, соединенные через А1-прокладку с молибденовым термокомпенсатором толщиной 1,4 мм и диаметром 48 мм. На краю структуры сформирована фаска защищенная электрически прочным 1 компаундом. Толщина А1-контакта ~10 мкм. Переход сформирован диффузией, толщина области р-типа проводимости со стороны молибденового компенсатора составляет 90 мкм. Исходные образцы имели время жизни носителей 11-12 мкс, прямое падение напряжение 1,0 В при прямом импульсном токе 3,2 кА (средний 1кА), напряжение пробоя 500 В при обратном токе 10 мкА. Обработка протонами реализована выведением пучка Ер=24 МэВ на воздух и торможения на 2,88 мм А1-экране до Ер=2,5 МэВ (Фр=10п-1013 см"2), обеспечивающей формирование профиля радиационных дефектов с максимумом распределения на глубине -50 мкм. Отжиг проводили на воздухе (200 °С, 90 мин). Моделирование показало, что дисперсия среднего нормального пробега Н1" составляет 55 мкм, Распределение Н1" и вакансий по глубине, рассчитанное по модели Кинчина-Пиза, приведено на рисунке 8.

COLLISION EVENTS

Рисунок 8 - Расчетный профиль распределения вакансий по глубине А1-экрана и кристалла диода при обработке протонами с энергией 24 МэВ

Vacancies Produced (К-Р)

J

Значения Цр при 1р=1кА и 1Р=3,2кА (1рау=1кА) и характеристик переключения диодов при различных режимах протонной обработки (после стабилизирующего отжига), включая расчет мягкости Б, приведены в таблице 3.

Таблица 3 - Прямое падение напряжение и характеристики переключения диодов

Флюенс протонов Фр, СМ"2 Прямое падение напряжения Цр, В Характеристики переключения

1Р=1 кА 1Р=3,2 кА т, мкс 1Р=10А Т,=125°С, Ір=1000 А, -ч!1/&=100А/мкс

1:гг, мкс Іти А мкс мкс б= г д

ИСХ 0.89 1.03 11.7 4.45 344 3.73 0.72 0.19

2-Ю11 0.88 1.05 5.1 3.64 272 3.00 0.64 0.21

3-Ю11 0.90 1.05 5.1 3.55 272 2.92 0.64 0.22

8-Ю11 0.92 1.15 1.65 2.15 162 1.68 0.47 0.28

2-Ю12 0.93 1.19 0.90 1.09 74.4 0.81 0.28 0.35

4-Ю12 0.92 1.12 0.81 1.12 76.8 0.81 0.32 0.40

8' 1012 0.96 1.19 0.62 0.83 55.2 0.58 0.25 0.43

протонов 1ЛГГ(ФР) и взаимосвязи Щ^) и 8(у приведены на рисунке 9.

1.4 1.2 1.0 0.8 і 0.6 0.4 0.2

о

0.0 1.Е+11

1.Е+12

1.4

1.2

ч 1.0

и

Я н 0.8

о

йо" 0,6

Я

ЛІГ 0.4

&

0.2

0.0

А 4 _1 ¡£_ __А

к--

Ч

і

1.Е+13

0

1

Флюенс протонов Фр, СМ^ " 1 мкс3 4 5

Рисунок 9 - Зависимости 1Лп<Фр) - слева и Щ^) и Б^) - справа

Для обеспечения требуемых характеристик переключения исследуемых диодных структур с применением обработки протонами в качестве оптимального выбран флюенс 5-Ю11 см"2. При создании более быстродействующих приборов, следует ограничиться флюенсом 1012 см"2 в связи с нежелательным ростом обратного тока. Более тонкую регулировку характеристик переключения силовых приборов следует осуществлять с помощью обработки ускоренными электронами, поскольку концентрация стабильных радиационных центров в расчете на одну частицу в этом случае на 2-3 порядка величины меньше.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ

1. Проведено экспериментальное исследование влияния обработки ускоренными электронами и протонами на основные электрические параметры компенсирующего кристалла прецизионного стабилитрона и разработаны варианты радиационного технологического процесса, обеспечивающие снижение прямого падения напряжения до значений 0,52-0,54 В.

2. С применением разработанного радиационного технологического процесса изготовлены образцы прецизионных стабилитронов на напряжение 6,4 В, имеющие значения ТКН не более 0,0002 %ГС и амплитуду НЧ шумов менее 6 мкВ, соответствующие наивысшей группе качества.

3. Исследован характер радиационного изменения основных статических и динамических параметров рт-структур СВЧ диодов с различной толщиной ¡-слоя и параметры доминирующих радиационных центров с глубокими уровнями при обработке ускоренными электронами и низкотемпературном отжиге.

4. Разработана оригинальная меза-эпитаксиальная рт-структура, обеспечивающая получение уникального сочетания прямых и обратных вольт-амперных характеристик и быстродействия при использовании электронного технологического облучения, на основе которой изготовлены образцы СВЧ-диодов в корпусе КТ-46, превосходящие по комплексу электрических параметров зарубежный аналог НБМР 3820.

5. Экспериментально установлено, что при низкотемпературной радиационно-ускоренной активации и разгонке имплантированной примеси бора в кремнии с одновременным ростом диэлектрической пленки при воздействии ускоренными электронами повышенной плотности происходит формирование области р-типа проводимости в кремнии п-типа, что дает возможность создавать р-п переход после формирования контактной металлизации.

6. С применением оригинального низкотемпературного способа формирования охранного кольца и защитной диэлектрической пленки в потоке ускоренных электронов после формирования барьерного контакта, изготовлены образцы диодов Шоттки с жесткой обратной вольт-амперной характеристикой и увеличенным диапазоном рабочих температур.

7. На основе имитационного моделирования и исследования влияния ускоренных протонов на комплекс электрических параметров силовых диодов показано, что формирование профиля радиационных центров в базовой области диодов с плавным возрастанием концентрации от р+п- к пп+-переходу позволяет получить высокое быстродействие с мягким выключением при малых значениях

обратных токов и прямого падения напряжения.

<

Публикации по теме диссертации

Статьи, входящие в перечень изданий, рекомендованных ВАК России:

1. Радиационная обработка кремниевых pin структур с различной толщиной i-слоя. П.Б. Лагов, A.C. Дренин, Е.С. Роговский, C.B. Руднев. ВАНТ. Серия: Физика радиационного воздействия наРЭА. 2012. № 1. С. 76-78.

2. Исследование и устранение причин брака при производстве мощных кремниевых pin диодов. Филатов М.Ю., Роговский Е.С., Колмакова Т.П., Меженный М.В., Дренин A.C. Электронная техника. Серия 2: Полупроводниковые приборы. 2012. №2. С. 77-86.

3. Оценка эффективности применения ускоренных электронов при создании двухкристальных прецизионных стабилитронов с повышенной радиационной стойкостью. П.Б. Лагов, A.C. Дренин. Е.С. Роговский. ВАНТ. Серия: Физика радиационного воздействия на РЭА. 2012. № 3. С. 48-50.

4. Применение электронного облучения для электрической активации и разгонки имплантированного бора в кремнии. П.Б. Лагов, A.C. Дренин. Д.С. Манякина. ВАНТ. Серия: Физика радиационного воздействия на РЭА. 2012. № 3. С. 51-53.

Другие статьи и публикаиии в материалах и трудах конференций:

1. Исследование влияния радиационно-термической обработки на фотоэлектрические характеристики солнечных элементов на основе полупроводниковых соединений АЗВ5. Роговский Е.С., Лагов П.Б., Мусалитин A.M., Дренин A.C. ВАНТ. Серия: Физика радиационного воздействия на РЭА. 2011. №2. С. 38-40.

2. Лагов П.Б., Мусалитин A.M., Дренин A.C. Применение технологической обработки быстрыми электронами для повышения быстродействия переключательных p-i-n диодов // Тезисы IV Российской конференции с международным участием по физике, материаловедению и физико-химическим основам технологий получения легированных кристаллов кремния и приборных структур на их основе (Кремний 2007). С.238

3. Колмакова Т.П., Дренин A.C.. Лагов П.Б. Исследование различных режимов эпитаксиального наращивания слоев кремния для создания pin структур переключательных диодов // Тезисы IV конференции (Кремний 2007). С. 161.

4. Лагов П.Б., Дренин A.C.. Паничкин A.B., Мельников А.Л. Экспериментальная оценка радиационной стойкости переключательных p-i-n диодов // Сборник трудов Всероссийской научно-технической конференции по радиационной стойкости электронных систем "Стойкость-2007".

5. Дренин A.C.. Лагов П.Б., Филатов М.Ю. Оптимизация параметров ВАХ детекторных диодов с барьером Шоттки на кремнии // Сборник тезисов.

Твердотельная электроника. Сложные функциональные блоки РЭА. Материалы VIII научно-технической конференции молодых специалистов. 2009. С. 22.

6. Дренин A.C.. Лагов П.Б., Филатов М.Ю. Исследование влияния режимов радиационной обработки на кремниевые высокочастотные pin-диоды с тонкой базой // Сборник тезисов. Твердотельная электроника. Сложные функциональные блоки РЭА. Материалы VIII научно-технической конференции молодых специалистов. 2009. С. 19-20.

7. Дренин A.C.. Лагов П.Б., Роговский Е.С., Филатов М.Ю. Влияние радиационной обработки на параметры ионнолегированных слоев кремния // Сборник тезисов. Твердотельная электроника. Сложные функциональные блоки РЭА. Материалы X научно-технической конференции молодых специалистов. 2011. С. 193-196.

8. Дренин A.C.. Лагов П.Б., Роговский Е.С., Филатов М.Ю. и др. Использование радиационных процессов в технологии изготовления прецизионных стабилитронов с повышенной стойкостью к спецфакторам // Сборник тезисов. Твердотельная электроника. Сложные функциональные блоки РЭА. Материалы X научно-технической конференции молодых специалистов. 2011. С. 196-198.

9. Дренин A.C.. Коновалов М.П., Диденко С.И., Лагов П.Б., Таперо К.И., Мусалитин А.М. Разработка радиационно-стойких термостабильных детекторных диодов Шоттки // Микро- нанотехнологии в электронике. Материалы Г/международной научно-технической конференции. Нальчик. 2011. С. 219-221.

10. Lagov Р.В., Drenin A.S. Die Entwicklung der Strahlung Technologie präzise Kontrolen Schaltverhalten von Silizium-Leistungs-Geräte // Sammlung der Werke der internationalen Wissenschaftlich-technischen Leonardo da Vinci konferenz, 9-14 Mai 2013 S. 158-160.

11. Заявка на патент 2012146240 от 30.10.2012. Способ формирования высококачественных МОП структур с поликремниевым затвором. Дренин A.C.. Ельников Д.С., Лагов П.Б. и др.

12. Заявка на патент 2013116496 от 11.04.2013. Способ низкотемпературного выращивания диэлектриков. Дренин A.C.. Лагов П.Б. и др.

Подписано в печать

XQ, 06*Ш Зак. m № П.Л. fi&à

Полиграфический центр МЭИ, Красноказарменная ул.,д.13

*

i

Список использованных источников

1. Zener С. // Proc. Roy. Soc. (London), А 1934. V. 145. P. 523.

2. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. В 3-х тт. Пер. с англ. -М.: Мир, 1993.

3. А.А.Лебедев. Физика полупроводниковых приборов. - М.: Физматлит, 2008.-488 с.

4. Зи С. Физика полупроводниковых приборов. В 2-х томах. 2-е изд. Пер. с англ. -М.: Мир, 1984.

5. Полупроводниковые диоды. Параметры. Методы измерений и испытаний. / под ред. H. Н. Горюнова и Ю. Р. Носова. - М.: Советское радио, 1968.

6. Сушков В.П. Технический отчет № 92-87 «Разработка серии аттестуемых прецизионных стабилитронов на напряжение стабилизации 6,06,8 В с лучшей группой временной нестабильности 0,0005 % за 1000 часов».

7. Гитцевич A.A., Зайцев В.В. Полупроводниковые приборы. Диоды выпрямительные. Стабилитроны. Тиристоры. -М.: Радио и связь,1988.

8. Зайцев Ю.В., Марченко А.Н. Полупроводниковые стабилитроны. -М.: Энергия, 1969.

9. Научно-технический отчет по ОКР № 25 (2400)-90 «Разработка базовой серии ультрапрецизионных стабилитронов на напряжение 6 В с временной нестабильностью 0,0003-0,0005 % за 2-3 тыс. часов и 0,001-0,002 % за 9 тыс. часов с уровнем низкочастотного шума не более 0,0001%». - М.: 1990.

10. В.К. Аладинский и др. // Измерительная техника. 1964, N 8, стр.3942.

11. Вавилов B.C., Ухин H.A. Радиационные приборы в полупроводниках и полупроводниковых приборах. -М.: Атомиздат,1969.

12. Оценка эффективности применения ускоренных электронов при создании двухкристальных прецизионных стабилитронов с повышенной

Microwave Semiconductor Devices and Their Circuit Applications, McGraw-Hill, New York, 1968.

52. N. C. Vanderwal, "A Microwave Schottky-Barrier Varistor Using GaAs for Low Series

Resistance," Tech. Dig. IEEE IEDM, (1967).

53. M. McColl and M. F. Millea, "Advantages of Mott Bamer Mixer Diodes," Pmc. ZEEE, 61, 499 (1973).

54. Дренин A.C., Лагов П.Б., Филатов М.Ю. Оптимизация параметров ВАХ детекторных диодов с барьером Шоттки на кремнии // Сборник тезисов. Твердотельная электроника. Сложные функциональные блоки РЭА. Материалы VIII научно-технической конференции молодых специалистов. 2009. С. 22.

55. Дренин A.C., Коновалов М.П., Диденко С.И., Лагов П.Б., Таперо К.И., Мусалитин A.M. Разработка радиационно-стойких термостабильных детекторных диодов Шоттки // Микро- нанотехнологии в электронике. Материалы ^международной научно-технической конференции. Нальчик.

2011. С. 219-221.

56. Применение электронного облучения для электрической активации и разгонки имплантированного бора в кремнии. П.Б. Лагов, A.C. Дренин, Д.С. Манякина. ВАНТ. Серия: Физика радиационного воздействия на РЭА.

2012. №3. С. 51-53.

57. Дренин A.C., Лагов П.Б., Роговский Е.С., Филатов М.Ю. Влияние радиационной обработки на параметры ионнолегированных слоев кремния // Сборник тезисов. Твердотельная электроника. Сложные функциональные блоки РЭА. Материалы X научно-технической конференции молодых специалистов. 2011. С. 193-196.

58. Заявка на патент 2013116496 от 11.04.2013. Способ низкотемпературного выращивания диэлектриков. Дренин A.C., Лагов П.Б. и др.