Главная страница  |  Описание сайта  |  Контакты
Патент на изобретение №2474926

(19)

RU

(11)

2474926

(13)

C1

(51) МПК H01L29/74 (2006.01)

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ Статус: по данным на 07.02.2013 - нет данных Пошлина:

(21), (22) Заявка: 2011138795/28, 21.09.2011

(24) Дата начала отсчета срока действия патента:

21.09.2011

Приоритет(ы):

(22) Дата подачи заявки: 21.09.2011

(45) Опубликовано: 10.02.2013

(56) Список документов, цитированных в отчете о

поиске: RU 2119211 С1, 20.09.1998. US 4987087 А, 22.01.1991. WO 92/17907 А1, 15.10.1992. ЕР 0423721 А2, 24.09.1991. ЕР 0651446 А2, 03.05.1999. ЕР 0316881 А2, 24.05.1989.

Адрес для переписки:

111250, Москва, ул. Красноказарменная, 12, Всероссийский Электротехнический институт им. В.И. Ленина (ФГУП ВЭИ), патентно-лицензионный отдел, Л.В. Минаковой

(72) Автор(ы):

Дерменжи Пантелей Георгиевич (RU)

(73) Патентообладатель(и):

Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (RU)

(54) СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ СИЛОВОГО ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ПРИБОРА

(57) Реферат:

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 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;

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

n - максимальный относительный разброс удельного сопротивления исходного кремния: n = nmax / nc -1=1- nmin / nc ; nmax и nmin - соответственно численные значения максимального и минимального значении удельного сопротивления исходного кремния, выраженных в Ом·см;

ne и 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 nc , nmax и 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 и 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 nc при h m =h moпт , 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 nc =200 Ом·см, 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

nc , Ом·см

n

k н

h mопт , мкм

h m /h mопт

Ф nb , 10 12 см -2

V bro , В

V br , В

k нэ =V br /V bro

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).

Формула изобретения

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;

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

n - максимальный относительный разброс удельного сопротивления исходного кремния: n = nmax / nc -1=1- nmin / nc ; nmax и nmin - соответственно численные значения максимального и минимального значений удельного сопротивления исходного кремния, выраженных в Ом·см;

ne и 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].

РИСУНКИ