7. Структуры с тонкими слоями противоположной проводимости в базе

Для улучшения соотношения предельное напряжение – сопротивление открытого ключа на основе МДП-транзистора была предложена структура стока, содержащая тонкие чередующие слои p- и n- типа проводимости. В закрытом состоянии за счёт латерального поля слои n-типа обеднены при малом напряжении. Для продольного поля база становится подобной диэлектрику (нет свободных носителей). Поле распределено равномерно по толщине такой базы, как в i- слое p-i-n структуры. Такие структуры были названы COOLMOS^TM – торговая марка фирмы «Сименс».

Технологические методы повышения лавинного пробоя

Эти методы преследуют две основные цели: обеспечение однородности распределения поля ОПЗ (равномерное легирование, очистка объёма от инородных примесей и преципитат, подавление структурных дефектов и др.) и пассивация поверхности и стабилизация поверхностного заряда (защита от окружающей среды, подавление дефектов упаковки, индуцируемых окислением, газовое геттерирование быстро диффундирующих примесей и др.).

1 Нейтронное легирование кремния

Качество исходного кремния для изготовления высоковольтных мощных транзисторов и тиристоров имеет первостепенное значение. До недавнего времени лучший кремний с высоким удельным сопротивлением и низким уровнем загрязнения получали методом бестигельной зонной плавки. Однако с помощью бестигельной зонной плавки невозможно вырастить кремний без флуктуации сопротивления в радиальном направлении, которое может составлять до ± 50%. Колебания сопротивления могут быть исключены при использовании нейтронного легирования кремния. Суть метода заключается в бомбардировке слитков кремния, в тепловых колоннах реакторов тепловыми нейтронами.

Реакция трансмутации может быть представлена в виде

,

т.е. после поглощения нейтрона n происходит излучение γ – кванта и изотоп ³⁰Si переходит в изотоп ³¹Si, который нестабилен и распадается с периодом полураспада 2.62 часа, излучая электроны (β – лучи). При распаде ³¹Si преобразуется в изотоп фосфора ³¹Р. Необходимая концентрация фосфора обеспечивается поглощенной дозой нейтронов. Точность обеспечения требуемого уровня легирования достижимая в настоящее время с помощью нейтронного легирования составляет ±1% при высоком уровне удельного сопротивления кремния, являющегося исходным материалом для изготовления высоковольтных транзисторов и тиристоров. Этот метод является экономически выгодным для получения кремния с концентрацией доноров, не превышающей 10¹⁴ См^–3.

2 Геттерирование быстродиффундирующих примесей (бдп)

Для высоковольтных приборов большой площади, а также СБИС процессы геттерирования БДП и подавления структурных дефектов являются такими же значимыми, как процессы легирования, эпитаксии и окисления. С точки зрения полупроводниковой технологии геттерирование – это процесс, включающий:

1. Обеспечение условия подвижности точечных дефектов и БДП в полупроводниковом материале.

2. Перемещение БДП за счёт диффузии к областям стока.

3. Создание областей полупроводникового материала или сред, граничащих с ним, обладающих способностью захватывать и удерживать БДП и точечные дефекты.

Цель геттерирования заключается в создании совершенной монокристаллической структуры полупроводникового материала, по крайней мере, в областях, предназначенных для создания приборов.

В качестве геттерирующей области используют: область с высокой концентрацией дислокаций, аморфные слои, поликристаллические слои, фосфорно – силикатное стекло (97% SiO₂ + 3% P₂O₅), боросиликатное стекло (90% SiO₂ + 10% В₂O₃). Формирование областей с высокой плотностью дислокаций (область стока БДП) проводят следующими способами:

• диффузия легирующих примесей с предельной растворимостью, генерирующих дислокаций несоответствия (разные ионные радиусы);

• ионная имплантация легирующих примесей и ионов инертных газов;

• лазерная обработка (термоудар);

• обработка газовым разрядом (термоудар);

• механическая обработка;

• нанесение слоёв с разными температурными коэффициентами расширения, например, Si-Si₃N₄ .

Геттерирующий слой создают на обратной (нерабочей стороне пластины) (рисунок 5.87) и в неиспользуемых областях планарной (рабочей) стороны (линии реза на кристаллы, периферия кристалла).

Н аиболее распространены методы термического возбуждения БДП и перераспределение их (геттерирование) на стоки, представляющие собой дислокационную сетку (N_q >10⁶ см^–2) с потенциальной ямой глубиной (1,5 ÷ 3,5) эВ. Атомы БДП захватываются геттерным слоем (Г.С.) и создают градиент концентрации БДП, под действием которого происходит их перемещение и очистка объёма пластины. Степень очистки достигает значений

,

в зависимости от температуры и времени обработки, т.е. концентрация БДП уменьшается в ~ 10⁴ раз.

Рисунок 5.87 – Геттерирование БДП в процессе термической обработки (а) и энергетическая диаграмма «стока» (б)

В результате геттерирования снижается вероятность образования преципитатов и увеличивается напряжение лавинного пробоя. Кроме того, снижается концентрация рекомбинационно-генерационных центров и уменьшаются обратные токи p-n переходов (на порядки).