CC BY
14
УДК 621.315.592
ВИКОРИСТАННЯ ТЕРМОМ1ГРАЦП В ТЕХНОЛОГИ СИЛОВИХ НАП1ВПРОВ1ДНИКОВИХ ПРИЛАД1В
Кравчина В. В. - канд. техн. наук, доцент, доцент кафедри м1кроелектронних шформацшних систем, Запо-розька державна 1нженерна академ1я, Запор1жжя, Украша.
Полухiн О. С. - пров1дний шженер ТОВ «Елемент-Перетворювач», Запор1жжя, Украша.
АНОТАЦ1Я
Актуальность. Проведет дослщження дозволяють удосконалити технолопчш процеси виготовлення н/п прилад1в та контроль 1х якостг.
Мета роботи - розробка i вдосконалення технологи СНП з використовуванням процеав ТМ Al та дослвдження рельефу травления кремнiю в област p+-Si iзоляцil. Дослiджувався вплив часу вiдпалу на особливостi МТ канавок в областi термомiграцii.
Метод. Об'ектом дослвдження були техиологiчнi особливост процесiв формування структур за рiзними маршрутами, що вiдрiзняються послiдовнiстю проведення процесiв формування активних структур, а саме процеав вiдпалу структур i термомiграцii Al.
Результати. В робот! проаналiзованi причини змши напруги пробою />-и-переходш вертикальних наскрiзних областей, створених термомiграцiею, в залежностi вiд часу вдаалу н/п структур. На зразках з оптимальним режимом вiдпалу в 16 годин при температурi 1250 ° С спостерггаються максимальнi напруги пробою шарш iзоляцil та мшмальш величини МПТ канавок травлення кремшю рiзного типу провiдностi в област iзоляцil кристалiв наскрiзними ТМ шарами. Такий мшмаль-ний мiкрорельеф визначае мшмум залишкових механiчних напружень. Показано, що при виготовленш н/п структур прила-дiв бшьшо1 потужностi iз зворотною напругою 2000 В, оптимальним е варiант маршруту, коли спочатку проводять процеси загонки домшок глибоких активних шарiв, а потiм проводять процеси ТМ при формуванш шарiв iзоляцil. Надалi проводять сумiщений вщпал як iзоляцil, так i активних шарiв. Таке сумщення процесш вщпалу покращуе характеристики структур.
Висновки. В робота визначено оптимальний маршрут, режим вдаалу структур та показано, що контроль змш кшетики травлення шарш кремшю в областг ТМ домшки алюмiнiю допомагае у визначеннi оптимальних режимш.
КЛЮЧОВ1 СЛОВА: вiдпал, iзоляцiя, мiкрорельеф канавок, лiиiйнi зони, ТМ, силовi напiвпровiдниковi пристро1.
АБРЕВ1АТУРА
н/п - нашвпровщник; ВО- ввдокремлювальна область iзоляцil; СНП - силовi напiвпровiдниковi прилади; ТМ- термомiграцiя Al, термомнрацшний; ФМе- фотолiтографiя по металу; ВВЗ - високотемпературне B^ipKOBe змочування Si у вшнах Si02 розплавом Al;
ФК - фотолiтографiя «контакти» (формування bí-кон в Si02 пвд ТМ);
МПТ - мiкрорельeф поверхн травлення в областi ТМ.
НОМЕНКЛАТУРА
UR - напруга пробою шару iзоляцil; dT/dx - градieнт температури; p+-Si - шар ТМ кремшю, легованого Al; С - концентращя атомiв кремнiю; Al-Si - розплав лшшно! зони; n-Si - вихвдний кремнiй n- типу провiдностi; С , С2 - концентрац1я Si вiдповiдно на холоднiй та гарячш сторонi розплаву зони Al-Si;
Т1 - температура холодно! сторони розплаву зони Al-Si;
Т2 - температура гарячо! сторони розплаву зони Al-Si;
tBO - час другого етапу ввдпалу структур; ty - час першого етапу вiдпалу структур; DAi - коефiцieнт дифузй' алюмiнiю; С\, С2 - рiвноважна концентращя Si вщповщно на холоднiй та гарячш поверхш розплаву зони Al-Si; СВО - концентращя домшки Al в ТМ каналц [100] - кристалографiчна орieнтацiя пластин Si;
CnSl - концентращя домшки фосфору у вихвднш пластинi Si;
СР - стандартний розчин для травлення Si;
p¿r - поверхневий опiр пластин тсля проведення ТМ;
р^ - поверхневий отр вихiдних пластин;
hn-Sl - глибина канавки травлення n-Si;
AASlo - висота горбка S/(c) з мехашчними напру-женнями ввдносно рiвня hn-Si;
Ahp-Si - глибина канавок у мюцях заглиблень p+-Si вщносно рiвня hn-Si;
LSio- ширина одного горбка Si(c) каналу р+- Si;
L - ширина мiж зовшшшми краями виступiв Si(c) одного ТМ каналу р+- Si;
lm - ширина вжон в масцi SiO2 пiсля фотолггогра-фй' ФК, стартова ширина зони ТМ;
lmh- ширина зони ТМ на рiвнi hn-Si;
Alp-n - величина бокового травлення заглиблення p+-Si;
Lkt - ширина заглиблення p+-Si на рiвнi hn-Si;
IR - зворотний струм просочування;
HSi - товщина вихвдно! пластини n-Si;
H„.Sl - товщина пластини тсля травлення в обласп n-Si;
HSio - товщина пластини в обласп горбкiв Si(c);
Hp.Sl - товщина пластини в шсш заглиблень p -Si;
URmax - максимальна напруга пробою для вибiрки приладiв одного часу ввдпалу;
V - швидкiсть руху фази розплаву зони Al-Si;
dAl - величина латерально! дифузй' алюмшш при вiдпалi ВО;
S/(c) - шар Si з мехашчними напруженнями за межами каналу ТМ.
ВСТУП
Сучасш СНП на струм до 200-250 А i зворотну напругу до 3 кВ виготовлюються, як правило, в модульному варiантi конструкцп з пластмасовим корпусом, де чипи силових елеменпв (дiодiв, тиристорiв, симисторiв, фототиристорiв та iн.) змонтованi на iзо-льованiй теплопровiднiй пiдкладцi з метатзовано! керамiки. Кристали, зазвичай прямокутно! або квадратно! форми, формуються та випробуються за групо-вою технолопею на пластинах кремнш. Перед мон-тажем на металiзовану тдкладку пластини роздм-ються на чипи. 1золящя легованих активних шарiв окремих кристалiв формуеться завдяки створенню по перифери кристалiв локальних наскрiзних дифузшних ВО.
Об'ектом дослiдження е технология формування iзоляцil за допомогою локальних ВО. ВО на пластинах створюють рiзними методами: двобiчною дифузь ею, термомiграцiею та iн. Найбшьш перспективними е розробленi та вдосконалюванш технологи на основi процесiв ТМ. Предмет дослвдження становлять струк-тури н/п приладiв, як1 сформованi iз застосуванням процесiв ТМ.
Метою роботи е розробка i вдосконалення технологи СНП з використовуванням процеав ТМ А1 та дослiдження процеав травлення кремнш ВО.
1 ПОСТАНОВА ЗАДАЧ1
Групова технологiя виготовлення СНП iз застосуванням процесiв ТМ алюмшш передбачае викорис-тання процеав травлення кремшю та формування меза-канавок на поверхнi пластин в обласп iзо-ляцп, як1 ввдкривають вертикальнi випрямнi р-п- переходи ВО. В канавках осаджуеться та формуеться iзоляцiйна дiелектрична плiвка, яка в поеднанш з iзо-ляцiею р-п- переходом ТМ р+-Б1 визначае властивостi та електрофiзичнi характеристики iзоляцil СНП. Н/п структури дiоду, як1 виготовленi за такою технолопею показан на рис. 1.
Рисунок 1 - Н/п структури дюду з !золящею ТМ та лег-коcплавними стеклами: а формування канавок 1 над ТМ
каналом p+-Si(Al) - 2; б - виведення контакту ввд ¿>+-Si(Al+,B) аноду на одну сторону з контактом до n+-Si катоду за допомогою каналу 2 випрямних р-n- переход!в
Форма, глибина та рельеф канавок впливае на величину струму просочування IR та напругу пробою UR, тому важливе значення мае дослщження особли-востей процеав травлення шар1в кремшю в обласп формування термомирацшних канал!в. При форму-ванш яшсно! !золяцп н/п структур повинш виконува-тися певш вимоги в!дносно електроф!зичних власти-востей вертикальних ВО, як1 не повинш поступатися © Кравчина В. В., Полухш О. С., 2018 DOI 10.15588/1607-3274-2018-3-2
властивостям плоских активних переход!в. Виконання таких вимог пов'язано з яшсним в!дновленням пору-шень структури, яш утворилися в процеа ТМ, а до-сл!дження кинетики травлення канавок допомагають контролювати цей процес. Задачею роботи е оптимь защя технологй' формування н/п структур СНП.
2 ОГЛЯД Л1ТЕРАТУРИ
ТМ або зонна перекристал!защя град!ентом темпе-ратури [1] - споаб, пов'язаний з послщовною пере-кристал1зац1ею н/п матер1алу рщинною зоною мета-лу - розчинника, що рухаеться в пол град!ента тем-ператури, залишаючи позаду себе перекристал!зова-ний шар, легований атомами металу - розчинника з концентрашею, яка визначаеться р!вноважною роз-чиншстю при температур! процесу. Найб!льш перспе-ктивним способом створення ВО е ТМ лшшних зон на основ! алюм!н!ю [1-6]. Оскшьки процес проходить в умовах, як! е близькими до р!вноважних [1], i кон-центрац!йне переохолодження е надзвичайно малим, то створен! в такий спос!б ВО ввдповщають вимогам досконалост! електроф!зичних властивостей та крис-талограф!чно! довершеност!. Реал!зац!я наскр!зно! !золяци, шляхом тривало! двосторонньо! дифузи бору або бору з алюмшем, зб!льшуе пробивну напругу високовольтних />-п-переход!в, забезпечуе ефектив-ний тепловщввд, спрощуе процес контролю кристал!в на пластин! ! пайку !х на п!дставу, виключае деграда-ц!ю зворотно! г!лки вольт-амперно! характеристики через механ!чн! напруження на паяному шв! та !н. [6, 7]. Проте час формування наскр!зних областей шляхом двоб!чно! дифузй' е неприпустимо великим (для бору - близько тижня, для бору з алюм!н!ем - близько
72 годин при температур! 1280 ° С). Властивост! структур кремн!ю п!д час тако! довготривало! терм!чно! обробки пог!ршуються. Використання термом!грац!! р!динного розплаву Si-Al в якост! альтернативи дво-сторонньому дифуз!йному легуванню роздшових р+-областей дозволяе в сотн! раз!в зменшити час !х фор-мування. Ввдповщно до зменшення часу високотем-пературного процесу зменшуеться бокове легування ВО. Для формування яшсно! !золяцй' з малими струмами просочування важливим е невисока концентра-ц!я фонових дом!шок. В процес! ТМ, за рахунок про-цес!в кристал!зац!!, в!дбуваеться зменшення концент-рац!! фонових дом!шок, в тому числ! ! вих!дно! дом!-шки пластини [2, 8].
Спрощено процес ТМ можна пояснити на приклад! поведшки р!динно! фази розплаву Al-Si, що занурена в об'ем кремшю та мае град!ент температури dT/dx (рис. 2а). Нижн!й край р!динно! фази при цьому мае температуру Ть а верхн!й вщповвдно Т2 (T2>Tj). Цим температурам зг!дно фазов!й д!аграм! в!дпов!дають р!вноважн! концентрацп кремн!ю в розплав! С1 ! С2 (C2>Q) (рис. 2б). Осшльки концентрац!я кремнш бь льше на «гарячш» сторон! рщинно! фази, н!ж на «хо-лоднш», то в рвдиннш фаз! в!дбуваеться дифуз!йний перешс кремн!ю в!д «гарячо!» сторони Т2 до «холодно!» Т1. За рахунок цих додаткових атом!в концентра-
щя кремнш на «холоднш» меж1 С1 перевищуе рiвно-важну концентрацш С1, i внаслвдок чого в таких шарах рвдинно! фази протiкаe процес кристалiзацil «зай-во!» частини атомiв кремнш.
а б
Рисунок 2 - Схема процесу ТМ: а - рух лшшно! зони Al-Si 2 в n-Si 1 з dT/dx з утворенням легованого шару p+-Si(Al) 3; б - фрагмент фазово! дiаграми зони Al-Si 2 поблизу лши лiквiдус 1 в обласп спадання кон-центрацп кремню С зi зниженням температури
Навпаки, виникаюча нестача атомiв кремнiю на гарячш меж1, де С2 <С2, стимулюе розчинення в рь диннiй фазi атомiв кристалу з бiльшою температурою для встановлення рiвноважного стану зпдно з фазо-вою дiаграмою. Таким чином рвдинна фаза рухаеться в полi градiента температури (рис. 2), залишаючи по-заду себе перекристалiзований шар p-Si, який лего-вано атомами Al. А концентрац1я Al визначаеться йо-го розчиннiстю в Si при температурi процесу i складае (1...2)-1019 см-3. При дослщжуваних значеннях пара-метрiв процесу рщинна фаза мае товщину 20^40 мкм,
з перепадом температур на краях в 0,2-0,5 ° С, i рухаеться в об'емi кристалу кремшю зi швидк1стю V=0,08-0,8 мкм/с.
Формування ВО iз застосуванням процесiв ТМ мь стить низку технолопчних операцiй. Спочатку на поверхш пластин Si створюють сггку лшшних зон в1д-повiдно до топологи майбутшх чипiв. Потiм проводять мйрацш лiнiйних зон Al-Si ^зь пластину у полi температурного градiента. Надалi виконуеться решта операцш технологiчного маршруту виготовлення на-швпроввдникових структур.
Формування лiнiйних зон на пластинах з полiро-ваним кремшем в практицi ряду фiрм втшюеться за допомогою напилення суцiльного шару алюмшш потрiбноl товщини з наступною ФМе. Якщо пластина мае шлiфовану поверхню, потрiбно перед напиленням додатково проводити травлення та створювати канавки кремшю. Незважаючи на простоту, такий метод мае суттеву ваду - наявнiсть на меж1 «метал-напiвпровiдник» прошарку природного окислу та за-бруднень, що призводить до так звано! стартово! за-тримки зони при мiграцi!, яка, в свою чергу, сприяе «фасетуванню» зон на старт процесу [8]. Тому стабь льна мiграцiя неорiентованих зон, яш сформованi напиленням, е можливою тiльки для пластин кремшю з поверхнею (111).
3 МАТЕР1АЛИ I МЕТОДИ
В робоп використовуеться варiант формування зон з примусовим ВВЗ розплавом Al-Si в обласп bí-кон. Для цього на пластин створюеться пивка SiО2, яка забезпечуе захист поверхнi активних шарiв Si вiд до розплаву алюмшш на операци ВВЗ. Пiсля ФК i формування вшон в пивц SiО2, пластини розмiщують у спещальному формувачi - слайдерi автомата формування зон ОН 1878 (рис. 3а), де при заданш темпе-ратурi поверхня кожно! пластини послвдовно приводиться в контакт з розплавом зоноутворюючого мате-рiалу Al-Si. Щд час такого процесу на поверхш вшон формуються заглибленi в об'ем кремнш зони, яш при ТМ починають рухатися в об'емi без помiтно! стартово! затримки (за рахунок вiдсутностi процесу утво-рення бар'ерного прошарку). Процес ТМ проводиться в термiчному вузлi установки ОН 1840, який показано на рис. 3б. Завдяки так1й технолог^! вдаеться за-побити протiканню процесiв фасетування зон при !х зануреннi i стае можливою стабшьна мiграцiя неорiе-нтованих лшшних зон, в тому чи^ i на пластинах Si з кристалографiчною орiентацiею [100] i навiть [110] [9]. Селектившсть процесу осадження та впроваджен-ня домiшки алюмiнiю на поверхш ввдкритого Si ви-значае його як самосумюний, що разом iз пiдвищен-ням якостi ^з-за вiдсутностi ФМе), сприяе оптимiзацi! технологи в цшому.
а б
Рисунок 3 - Обладнання для ВВЗ та ТМ, ввдповщно: а - слайдер-формувач лiнiйних зон Al-Si; б -термiчний вузол установки ТМ
При порiвняннi особливостей процесiв ТМ спо-стерiгаються деяк1 вiдмiнностi в застосованому апара-тному оформленi. Якщо ряд шдприемств зазвичай застосовуе газонаповнеш установки з одностороннiм iнфрачервоним вщпалом системою кварцових гало-генних ламп [3-5], то в базовш технологи застосову-ються установки з багатопозицшним резистивним вiдпалом [6, 7]. Процес за дослщжуваною технологi-ею проводиться у вакуумi ~ 10-4 мм.рт.ст., де алюмi-нiй, при досягненш в процесi ТМ фiнiшно! сторони пластини, випаровуеться, i не виникае необхвдносп проведення подальших операцiй з його вилучення з поверхнi. Натомють, використання газонаповнених
установок, тсля ТМ додатково потребуе технологи вилучення м1грацшних залишк1в [9]. Збшьшення тов-щини пластин на величину, яка видаляеться тсля ТМ, е небажаним як через втрати вих!дного кремню, так i через проведення додатково! мехатчно! обробки, що збiльшуе в!дсоток бракованих структур. Отриманi результати дослiджень разом з набутим виробничим досв!дом дозволили розробити та впровадити техно-лопчний маршрут виготовлення н/п структур СНП на розробленому технологiчному обладнаннi [6].
При розробщ та впровадженнi у виробництво тех-нологiчного маршруту формування структур СНП важливим е визначення оптимального режиму вiдпалу пiсля ТМ в процес формування ВО та його узго-дження з процесами основного в!дпалу при форму-вант активних шарiв н/п структури СНП. Для цього визначаеться мюце ТМ не в к!нщ часового штервалу основного вiдпалу виготовлення н/п структури СНП, а на його початку або в середин!. Якщо для створення порiвняно невеликих чипiв (1 А, 400 В, площа 1Х1 мм2) виправданим е проведення ТМ тсля створення вах плоских (випрямних i iнжектуючих) р-n- перехо-дiв активних структур [5], то при виготовлент н/п структур приладiв бшьшо! потужностi з бiльшою площею та зворотною напругою до 2000 В застосову-еться варiант маршруту, коли спочатку термомпраць ею створюють ВО, а надалi активна структура форму -еться в процеа дифузiйних вiдпaлiв [3]. Пiд час дифу-зи в!дбуваеться також дифузшна розгонка вертикаль-них р-n-переходiв ВО. Таке сумщення процесiв в!д-палу покращуе випрямнi влaстивостi ВО. Проте, якщо брати до уваги порiвняно високий коефiцiент дифузп
aлюмiнiю, DAi = 4х10-11 см2/с при 1250 ° С, тривала розгонка переходiв ВО веде до втрати корисно! площi активно! структури. Тому використовуеться оптимь зований вaрiaнт маршруту, при якому дифузiя алюмь нiю i бору для створення глибоких плоских випрямних переходiв проводиться в два етапи, а ТМ проводиться в промiжку мiж ними [11]. Визначаючи експе-риментально оптимальний час в!дпалу пiсля ТМ tBO, знаходимо значения ty часу в!дпалу активних шaрiв за виразом:
tj = Тв - tBo. (1)
Такий п!дх!д дае низку технолопчних переваг i використовуеться при створенш чип!в СНП на напру-гу до 2000 В i струм до 200 А [6, 7]. При експеримен-тальних дослiдженнях н/п структури, розм!ром 20*20 мм, формувалися на шлiфовaних пластинах n-Si КЕФ-40 дiaметром 100 мм та товщиною 350 мкм. ТМ Al проводилася на розробленому устаткувант при тем-
перaтурi 1220 ° С на протяз! 120 хв. Зaлежнiсть проби-вно! напруги н/п структур в!д часу вщпалу дослщжу-валась на зразках, де в!дпал проводився на протяз! 4, 9 та 16 годин при темперaтурi 1250°С. Глибина дифузп Al при вщпал! ВО визначалася за формулою [12]:
де Сво = 1...2-1019 ат/см3, a CnSi = 1,1...1,2-1014 ат/см3.
На пластинах двосторонне травлення канавок про-водилося одночасно (рис.1а) !з застосуванням метод!в фотолгтографп в стандартному травнику СР -HF:HNO3:CH3COOH = 1:4:0,5 на протяз! 12 хвилин. Шсля формування канавок створювалася !золяц!я лег-коcплaвними стеклами. Пробивна напруга UR контро-лювалась на пластинах м!ж областю кристал!в та шаром ВО, який п!дключався до загального м!нусу стенду контролю напруги пробою. Методика та результати вим!ру напруги приведен! в робот! [11]. При анал!з! результапв вим!р!в напруги пробою для виб!рки структур прилад!в одного часу в!дпалу використову-валися максимальт значення URmax, як1 корелюють !з середн!ми значеннями UR, але наглядтше характери-зують процес в!дновлення кристалограф!чно! довер-шеност! монокристалу. Досл!дження форми канавок тсля процеав травлення шар!в ВО структур прово-дилося на електронному автоем!с!йному м!кроскоп! SUPRA 40WDS. Фотограф!! МПТ виконувались в режим! в!дбитих електрон!в.
4 ЕКСПЕРИМЕНТИ
П!д час процесу ТМ, який проходить у вакуум!, спостер!галося додаткове легування пластини атомами алюм!н!ю, що випаровуються, як п!д час занурення та руху зон вглиб пластини, так i п!сля виходу зон на фь н!шну !! поверхню. Оск!льки для легування всього об'ему ВО використовуеться менш н!ж 1% алюмш!ю, який було нанесено п!д час формування зон ВВЗ, то решта 99% атом!в випаровуються i частково переса-джуються на поверхт активних шар!в н/п структур пристро!в та дифундують вглиб пластин [13]. Цей додатково переосаджений алюмшш мае поверхневу кон-центрац!ю пор!вняну з концентрац!ею дифуз!йного Al, який створюеться за стандартною пл!вковою техноло-г!ею. Надал!, п!д час другого етапу дифуз!!, переосаджений алюмшй також дифундуе вглиб пластини, що покращуе концентрацшний проф!ль плоского випрям-ного переходу. При стандартних умовах ТМ (1220 ° С, 120 хв) п!сляоперац!йний поверхневий оп!р рхТ змен-шуеться майже на порядок в!дносно опору ps для чис-тих вих!дних пластин i складае величину рхТ = =125.130 Ом/а Таке використання процес!в переоса-дження алюм!н!ю е бажаним i часто необх!дним [13].
З урахуванням розглянутих чинник!в розроблено оптим!зований вар!ант маршруту формування н/п структур СНП:
- мехашчна обробка пластин (р!зка зливку на пластини, двоб!чне шл!фування до потр!бно! товщини, в!дмивка, контроль);
- дифуз!я дом!шок на попередню глибину (заг!н-ка). Для дюд!в це одночасна дифуз!я алюм!н!ю i бору з одного боку пластини i фосфору - з протилежного,
для багатошарових керованих структур - двоб1чна дифуз1я бору 1 алюшшю. Час ввдпалу /у;
- окислення: створення окисно! пл1вки перед фор-муванням зон;
- ФК. В окиснш масщ единим рисунком ввдкри-ваються в1кна шд канали ТМ, а також формуються в1кна пвд заглиблеш реперт знаки для наступних су-мщень. При створент структур дюд!в прямо! поляр-носп фотолгтографш проводять з1 сторони шару з п+ -81; одночасною розгонкою вертикального р-п переходу ВО. Час ввдпалу /ВО. Надал1 маршрут не в1д-р1зняеться ввд того, що його наведено в численних наукових 1 патентних джерелах [2, 3]. Перевагою на-веденого маршруту е вщсутшсть двоб1чного шл1фу-вання п1сля ТМ;
- формування зон методом ВВЗ, видалення окисно! маски, проведения ТМ;
- дифуз!я домшок (розгонка) з доведенням глиби-ни плоского випрямного р-п- переходу до задано! з одночасною розгонкою вертикального р-п переходу ВО. Час вщпалу /ВО.
Надал! маршрут не ввдр!зняеться ввд того, що його наведено в численних наукових ! патентних джерелах [2, 3]. Одшею з переваг наведеного маршруту е ввдсу-тнють двоб!чного шл!фування п!сля ТМ.
5 РЕЗУЛЬТАТИ
На рис. 4-6 наведено фото електронно-мшроскотчних зображень перер!зу н/п структур !з сформованими канавками в обласп ВО. Канавки фо-рмували тсля в!дпалу на протяз! 4, 9 ! 16 годин вщ-повщно. За положенням м!крорельефу травлення ТМ на стартовш та ф!н!шн!й сторон! пластини визначено кут нахилу бокових поверхонь каналу ТМ (фшшна сторона м!грацп дом!шки б!льш широка), який в сере-дньому складае близько 9°.
б
Рисунок 4 - Перер1з пластини в област канавки з ВО тсля
4-х годинного вщпалу: а - канавка травлення тд 1золящю легкоплавкими стеклами; б - мжрорельеф заглиблень в област р+-81 © Кравчина В. В., Полухш О. С., 2018 БО! 10.15588/1607-3274-2018-3-2
Дослвдження МПТ зразк1в з р!зними режимами вь дпалу показують, що обласп кремн!ю р+-Б1 мають локальн! заглиблення ямок травлення ! ввдповщно найб!льшу в!дносну швидк1сть травлення (рис. 4-6). Концентрац!я легуючо! домшки п-8! набагато менша ! швидшсть травлення п-8! менша, але найменшу швидшсть травлення мають област! 8!(с) по краям ТМ каналу р+-81, де ! утворюються виступи на повер-хн! у вигляд! горбив (рис. 4-6). Под!бна форма ТМ канал!в м!грац!! спостер!гаеться ! в шших роботах [14].
б
Рисунок 5 - Перер1з пластини в област канавки з ВО тсля 9-ти годинного вщпалу: а канавка травлення тд 1золящю легкоплавкими стеклами; б мкрорельеф заглиблень в обла-ст р+-81
б
Рисунок 6 - Перер1з пластини в област канавки з ВО тсля
16-ти годинного вщпалу: а - канавка травлення тд 1золящю стеклами; б - мжрорель-еф заглиблень в област р+-81
Виступи в 8/(о) мають найбшьшу величину, бли-зько 12 мкм, на зразках з 4-х годинним вщпалом, а найменшу < 2 мкм на зразках з 16-ти годинним ввд-палом. Розм1ри вистушв на зразках з 9-ти годинним ввдпалом займають пром1жш значення. При досль дженнях проведено класифшацш особливостей МПТ канавок в залежносп в1д режиму вщпалу. При цьому визначення глибини канавок кп-81 та в1дносн1 змши поглиблень Акр-81 травлення р+-81 та вистушв Ак810 проводилося за допомогою вираз1в, ввдповщно:
кп8 = Н - Нп-51)/2, (3)
ААз1С = као - кп-ц, = (Нп-^1 -Нз10)/2, (4)
АЬр-51 = кр-т - кп-^1 = (Нр-31 -Н п-81)/2. (5)
При вим1рах р1вень кп-81 визначався на ввдсташ > 30 мкм в1д краю вистушв 81(о). Довжина Ь810 шару 81(о) визначалася за виразом:
Lsю = (¿- 4й)/2, (6)
де 1тк розраховувалася !з величин початково! ширини вжон 1т (82 мкм), кута а та глибини кп-81. Величина А1р-п бокового травлення заглиблення р+-8! на р1вш кп-визначалася за допомогою виразу:
А1р-п=(1к( - 1тк)/2. (7)
Величина латерально! дифузи алюмшш dм при ввдпал! визначалася за формулою (2).
Експериментальн дан особливостей МПТ канавок в обласп шару р+-81 та електроф1зичн1 характеристики !золяци, в залежносп в1д часу ввдпалу приведет в табл. 1.
Таблиця 1 - Вплив часу вщпалу на особливоси рельефу травлення канавок та електроф1зичт характеристики шару 1золяцп ТМ каналу р+-Б1
Час вщпалу, хв. Глибина травлення, мкм ¿810, мкм Довжина дифузи dAl, мкм URmax, В
кп-81 Ак81„ Акр-81 А1р-п
240 64,5 -12 +30 28 75 50 1175
540 64 -8 +25 16 74 75 1475
960 64,5 -2 +21,5 12,5 76 100 2000
Шсля процесу ТМ мжрорельеф травлення областей !золяцп мае виступи величиною Ак810 = -5,2 мкм та заглиблення Акр-81 = 6,4 мкм. При цьому за межами областей ТМ ввдсутш об'емш обласп змши висоти горизонтального р1вня травлення поверхш, як1 з'являються на зразках шсля процеав ввдпалу.
При травленш зразшв !з структурним ввдновлен-ням монокристалу, яке ввдбуваеться при збшьшенш часу ввдпалу, спостериаеться зменшення МПТ. Найбшьшу швидшсть травлення шару ВО />+-81 мають зразки з мшмальним часом ввдпалу 4 години. Найменшу швидшсть мають зразки з максимальним часом ввдпалу 16 годин. Величина напруги побою ВО залежить ввд наявносп порушень мгж межею шару р+-Б1 та р-п-переходу, який формуеться при ввдпал!.
Досить як1сно щ порушення ввдображае величина бокового травлення А1р-п, яка зменшуеться 2,2 рази при збшьшенш часу ввдпалу до 16 годин.
З таблиц видно, що оптимальним часом ввдпалу е ввдпал на протяз1 16 годин. При якому спостерпають-ся максимальш напруги пробою, як1 близьк1 до теоре-тичних. Для цього режиму ввдпалу спостериаеться перекриття шару з мехашчними напруженнями 81(о) дифузшним шаром dA1 домшки алюмшш, джерелом яко! е обласп р+-81. Перекриття dA1 > ¿810 починаеться шсля 12 годин ввдпалу, де dA1=88 мкм.
Тому, з точки зору формування обласп просторо-вого заряду в кремнш без або з мшмальними механь чними напруженнями, ввдпал на протяз1 12...16 годин е технолопчно обумовленим та необхвдним.
При травленш канавок в обласп МПТ спостериа-ються дислокацшн! слвди. Канал ТМ вшьний ввд дис-локацшних слщв. На зразках з 4-х годинним ввдпа-лом 1 з тдвищеною кшьшстю селективно осадженого в слайдер! А1 в локальних м1сцях в обласп бокового
травлення А1р-п спостерпаються сл1ди 60 ° дислокац1й. Там слвди в област1 бокового травлення А1р.п почина-
ються б1ля меж1 каналу ТМ. Слвди 60 ° дислокац1й не спостер1галися на структурах, яш формувалися за оптимальною технолопею процесу ТМ.
5 ОБГОВОРЕННЯ
Особливост1 МПТ, який утворюеться в процес травлення кремн1ю в обласп ВО, можливо пояснити утворенням та трансформащею, в процес1 ТМ 1 термь чних обробок, механ1чних напружень та кристалогра-ф1чних дефект1в. Дослвдження особливостей травлення шар1в кремшю з мехашчними напруженнями та опосередкована в1зуал1защя типу та величини механь чних напружень розглядаеться в робоп [15]. Де показано, що шнетика процес1в травлення шар1в кремшю зм1нюеться в залежност1 в1д типу та величини при-кладених мехашчних напружень, як1 створювалися в кремшю пл1вками 813М4 та 81О2 з вщповвдно з механ1-чними напруженнями стискання та розтягнення в ма-скованому 81. Показано, що механчш напруження розтягнення призводять до збшьшення, а стискання до зменшення швидкосп травлення маскованого 81(111). Приведен! в робот! [15] залежносп шнетики травлення кремню з механ!чними напруженнями до-зволяють пояснити причини утворення дослвджувано-го МПТ. В ТМ канал! р+-8! внасл!док зб!льшення м!-жплощинно! в!дстан! (ковалентн! рад!уси для 8! и А1 р!вняються в!дпов!дно 0,117 та 0,121 нм) вщбуваеться зб!льшення об'ему та утворення механ!чних напружень розтягнення. як! мають складов! як тангенсиаль-ш, так ! перпендикулярн! до бокових поверхонь кана-л!в ТМ. Напруження в р+-8! ур!вноважуються утворенням в сум!жних шарах об'емного кремн1ю зустр!-чних тангенсиальних та поперечних напружень стис-кання, як1 спричинюють зм!ни рухливост! носив заряду, а при !х збшьшенш ! утворення кристалограф!чних дефекпв. Утворення дислокац!йних нап!впетель, як!
розташоваш за каналом ТМ, але починаються на його меж1, показано в робот [16] за допомогою рентгешв-ського топографування.
При дифузи атом1в алюмшш, яка виникае в процес ввдпалу, в ТМ канал1 ввдбуваеться утворення мехашчних напружень розтягнення, зрушення та моди-ф1кац1я кристалограф1чних дефекпв, що спричинюе зростання швидкосп травлення, Ввдповщно, напру-ження стискання, яш виникають по периметру каналу ТМ, спричинюють сповшьнення швидкосп травлення та утворення горбив МПТ. 1з пор1вняння глибин тра-влення табл. 1 можливо визначити, що максимальну величину механчних напружень розтягнення та кон-центрацш дефекпв МПТ мають зразки з 4-х годин-ним вщпалом, а мшмальну - зразки з 16-ти годинним ввдпалом. Процес ТМ з утворенням мехашчних напружень також супроводжуеться утворенням по периметру ВО максимум1в концентрацп кристалографь чних дефекпв, фонових та легуючих домшок, таких як фосфор, кисень та ш. [14]. У випадку незначного часу ввдпалу можливе зростання напружень за раху-нок появи додаткових мехашчних напружень, спри-чинених дифуз1ею домшки Al та формуванням р-n-переходу. При дифузи атом1в алюмiнiю з обласп ТМ ввдбуваеться i ввдносно прискорене насичення ними ядер дислокацш, якi розташованi по периметру каналу ТМ. Це призводить до значного локального збшь-шення концентрацп атомiв алюмiнiю i, додатково до дифузшних процесiв легування, спричинюе утворення шару кремшю з пiдвищеними мехашчними напру-женнями, а в подальшому ввдповвдно змiнюе швидко-стi травлення та спричинюе утворення бшьш розви-нутого рельефу, що i спостертаеться в експериментi. Зростання механiчних напружень, дефектносп в об-ластi р-n- переходу та провiдностi вздовж дислокацiй, як1 насиченi атомами Al i пронизують шар просторо-вого заряду, можуть призводити до зменшення напру-ги пробою та зростання струмiв просочування, як це i спостер^алося в робоп [11]. Про такий ввдносно мак-симальний рiвень дефектностi можуть сввдчити мак-симальнi величини бокового травлення àlp-n МПТ, якi якiсно корелюють з величинами MSiC та Ahp-Si.
Для отримання максимальних напруг електрично-го пробою iзоляцiï структур час вщпалу повинен збь льшуватися до величин, яш забезпечують формування р-n- переходу за межами шару кремшю з мехашчними напруженнями Si(c), при цьому зменшуеться i сама величина механчних напружень та концентрацiя кри-сталографiчних дефектiв, що фiксуеться мiнiмiзацiею МПТ. Виконання умови оптимального ввдпалу крис-талографiчних дефектiв можливо задати вимогами до особливостей змiни МПТ при змш часу вiдпалу, а саме вимогами мiнiмiзацiï величин МПТ i в першу чергу Mp_n.
ВИСНОВКИ
Показано, що при виготовленш н/п структур при-ладiв бiльшоï потужностi iз зворотною напругою 2000 В, оптимальним е варiант маршруту, коли споча-
тку проводять процес загонки домшок глибоких ак-тивних шарiв, потiм при формуваннi шару iзоляцiï проводять процес ТМ, а надалi проводять сумiщений вiдпал як iзоляцiï, так i активних шарiв. Таке сумi-щення процесiв вщпалу покращуе характеристики структур.
В роботi розкрито особливосп механiзму утворення МПТ канавок в обласп термомпрацшних каналiв. Механiчнi напруження стискання та розтягнення, утворюванш в процесi ТМ, спричинюють, вщповвдно, уповiльнення та прискорення швидкосп травлення шарiв Si. Проведено аналiз впливу часу вiдпалу на мшрорельеф канавок травлення, де показано, що яшс-нi змiни електрофiзичних характеристик каналу ТМ та вщпал дефекпв супроводжуеться мiнiмiзацiею МПТ. При цьому вщносно часу вiдпалу виконуються двi умови: перша, це перевищення латеральноï дов-жини дифузiï Al над латеральною довжиною областi механiчних напружень Si(c); а друга, це мiнiмiзацiя МПТ канавки в областi каналу ТМ.
ПОДЯКИ
За розглянутою технолопею виготовляеться низка чипiв для комплектаци модулiв на струм в1д 20 до 200 А. Так н/п структури дiодiв на струм 200 А вико-ристовуються при формуванш модулiв МДД8/3. Цi н/п структури формують на пластинах з орiентацiею як (111), так i (100), що стало можливо завдяки прове-деним досл1дженням та оптимiзацiï процеав ТМ.
Автори висловлюють щиру подяку Бортнiко-ву Ю. М. за допомогу в проведеннi електронно - мш-роскопiчних досл1джень структур.
Л1ТЕРАТУРА / ЛИТЕРАТУРА
1. Blunt P. Reliable thyristors and triacs in T0220 plastic packages / P. Blunt // Electronic Components and Applications. - 1979. - Vol. 2, № 1.- P. 53-58.
2. Лозовский В. Н. Зонная перекристаллизация градиентом температуры полупроводниковых материалов / В. Н. Лозовский, Л. С. Лунин, В. П. Попов. - М. «Металлургия», 1987. - 223 с.
3. Thermomigration processing of isolation grids in power structures / T. R. Anthony, J. K. Boah, M. F.Chang et al. // IEEE Transactions on Electron Devices. - 1976. - Vol. 23, № 8. - P. 818-823.
4. Chang M. The application of temperature gradient zone melting to silicon wafer processing / M. Chang, R. Kennedy Chang M., Kennedy R. // J. Electrochem. Soc. - 1981. -Vol.128, № 10. - P. 2193-2198.
5. Lischner D. J. Observations of the Temperature gradient zone melting process for isolating small devices / D. J. Lischner, H. Basseches, F. A. D'Altroy // J. Electrochem. Soc. - Vol.132, № 12. - P. 2997-3001.
6. Morillon B. Realization of a SCR on an epitaxial substrate using Al thermomigration / B. Morillon et al. // ESSDERC. - 2002. - P. 327-330.
7. Полухин А. С. Использование термомиграции в технологии структур силовых полупроводниковых приборов / А. С. Полухин, Т. П. Зуева, А. И. Солодовник // Силовая электроника. - 2006. - № 3. - С. 110-112.
8. Лозовский В. Н. Особенности легирования кремния методом термомиграции / В. Н. Лозовский, Л. С. Лунин,
Б. М. Середин // Известия высших учебных заведений. Материалы электронной техники. - 2015. - Т. 18, № 3. -C. 179-188.
9. Полухин А. С. Термомиграция неориентированных линейных зон в кремниевых пластинах (100) для производства чипов силовых полупроводниковых приборов / А. С. Полухин // Компоненты и технологии. - 2008. -№ 11. - С. 97-100.
10. Deep trench etching combining aluminum thermomigration and electrochemical silicon dissolution. https://www.researchgate.net/publication/224403308_
11. Полухин А. С. Исследование технологических факторов процесса термомиграции / А. С. Полухин // Силовая электроника. - 2009.- № 2. - С. 90-92.
12. МОП-СБИС. Моделирование элементов и технологических процессов / Под ред. П. Антонетти, Д. Антониадиса, Р. Даттона, У. Оулдхема : пер. с англ. -М. : Радио и связь, 1988.
13. Morillon B. Etude de la thermomigration de l'aluminium dans le silicium pour la réalisation industrielle de murs d'isolation dans les composants de puissance bidirectional / B. Morillon // Rapport LAAS №02460, 2002. - 222 р.
14. Бучин Э. Ю. Структура термомиграционных каналов в кремнии / Э. Ю. Бучин, Ю. И. Денисенко, С. Г. Симакин // Письма в ЖТФ. - 2004. - Т. 30, Вып. 5. - С. 70-75.
15. Горбань А. Н. Селективне травлення монокристалiчного кремшю маскованого птвками нприду, полжремшю, окису кремшю та ïx композицшми / А. Н. Горбань,
B. В. Кравчина // Нж технологи. - 2010. - №1 (27). -
C. 41-46.
16. Термомиграционные р-каналы: реальная структура и электрические свойства / [В. Н. Лозовский, А. А. Ломов, Б. М. Середин и др.] // Электронная техника. - Серия 2. - Полупроводниковые приборы. - 2017. - Вып. 2 (245). - C. 29-38.
Стаття надшшла до редакци 31.01.2018.
Июля доробки 23.04.2018.
УДК 621.315.592
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТЕРМОМИГРАЦИИ В ТЕХНОЛОГИИ СИЛОВЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВ1Х ПРИБОРОВ
Кравчина В. В. - канд. техн. наук, доцент, доцент кафедры микроэлектронных информационных систем, Запорожская государственная инженерная академия, Запорожье, Украина.
Полухин А. С. - ведущий инженер ООО «Элемент- Преобразователь», Запорожье, Украина.
АННОТАЦИЯ
Актуальность. Проведенные исследования позволяют улучшить технологические процессы изготовления п/п приборов и контроль их качества.
Цель работы - разработка и совершенствование технологии СНП с использованием процессов термомиграции Al и исследование рельефа травления кремния в области р+ -Si изоляции. Задачей работы является оптимизация технологии формирования СНП.
Метод. Объектом исследования являлись технологические особенности процессов формирования структур по различным маршрутам, отличающиеся последовательностью проведения процессов формирования активных структур, отжига структур и процессов термомиграции Al. Исследовалось влияние времени отжига на особенности микрорельефа травления канавок в области термомиграции.
Результаты. В работе проанализированы причины изменения напряжения пробоя p-n переходов вертикальних сквозных областей, созданных термомиграцией, в зависимости от времени отжига п/п структур. На образцах с оптимальным режимом отжига в 16 часов при температуре 1250 ° С наблюдаются максимальные напряжения пробоя слоев изоляции и минимальные величины микрорельефа канавок травления кремния разного типа проводимости в области изоляции кристаллов сквозными термомиграционними шарами. Такой минимальный микрорельеф определяет минимум остаточных механических напряжений. Показано, что при изготовлении п/п структур приборов большей мощности и обратным напряжением 2000 В, оптимальным является вариант маршрута, когда сначала проводят процессы загонки примесей глубоких активных слоев, а затем процессы термомиграции формирования слоев изоляции. В дальнейшем проводят совмещенный отжиг слоев структуры как изоляции, так и активных. Такое совмещение процессов отжига улучшает характеристики структур.
Выводы. В работе определен оптимальный маршрут, режим отжига структур и показано, что контроль изменений кинетики травления слоев кремния в области термомиграции примеси алюминия помогает в определении оптимальных режимов.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: отжиг, изоляция, микрорельеф канавок, линейные зоны, термомиграция, силовые полупровод-ковые приборы.
UDC 621.315.592
APPLICATION OF THERMOMIGRATION FOR TECHNOLOGY OF POWERFUL SEMICONDUCTORS
APPLIANCES
Kravchina V. V. - PhD, Associate Professor, Associate Professor of Department of Microelectronics Informatian Systems, Zaporizhya State-owned Inzhenernaya Academy, Zaporizhzhya, Ukraine.
Polukhin O. S. - Leading engineer, "Element- Preobrazovatel" Ltd, Zaporizhzhya, Ukraine.
ABSTRACT
Contex. The conducted researches allow to improve technological processes of manufacture of semiconductor devices and control of their quality.
Objective is to investigate the relief of silicon etching in the area of p + -Si isolation and using of Al-thermigration processes for further develop and improve technology of the power devises. The task of the work is to optimize these technology.
Method. The object of the study was the technological features of the processes of forming structures on different routes, differing in the manner of carrying out processes of annealing structures and processes of thermomigration Al. The influence of the annealing time on the features of the microrelief of etching grooves in the region of thermomigration has been studied.
Results. The causes of change of breakdown voltage of vertical p-n- junctions formed by thermomigration vs post-migration annealing time and thermomigration process optimization are discussed. On these samples is observed minimal microrelief of the groove etching of various types of conductivity silicon in the area under the insulation of the crystals. Such a minimal microrelief determines the minimum of residual mechanical stresses. The control of changes in the kinetics of etching layers of monocrystalline silicon in the field of thermal migration of aluminum impurities helps in determining the modes of technology for the formation of semiconductor structures with high breakdown electrical voltages. At the same time, two conditions are fulfilled: the first one is the excess of the lateral length of aluminum diffusion over the lateral length of the region of mechanical stresses along the perimeter of the thermo-migration region; and the second, it is a reduction and stabilization of changes in the rate of etching of the thermo-migration layers by minimizing the elastic-mechanical, deformation component of the activation energy of the etching process of p+-Si.
It is shown that in the manufacture of chips of larger power devices with a larger area and a reverse voltage of up to 2000 V, the optimal variant is the route variant, when the processes of impounding impurities of deep active layers are first carried out, then the processes of thermomigration during the formation of insulation layers. Then there are annealing of isolation and active layers. This combination of annealing processes improves the characteristics of structures.
Conclusions. The optimum route, the annealing mode of the structures are determined in the work, and it is shown that monitoring the changes in the etching kinetics of silicon layers in the region of thermal immigration of aluminum impurities helps in determining optimal regimes.
KEYWORDS: annealing, insulation, microrelief of the grooves, linear zones, thermomigration, power silicon devices.
REFERENCES
1. Blunt P. Reliable thyristors and triacs in T0220 plastic packages, Electronic Components and Applications, 1979, Vol. 2, No. 1. pp. 53-58
2. Lozovskiy V. N., Lunin L. S., Popov V. P. Zonnaia pere-kristalizatsiia gradientom temperatury' poluprovodnik-ovy'x materialov. Moscow, «Metallurgiia», 1987. 223 p.
3. Anthony T. R., Boah J. K., Chang M. F. et al. Thermomigration processing of isolation grids in power structures, IEEE Transactions on Electron Devices, 1976, Vol. 23, No. 8, pp. 818-823.
4. Chang M. Kennedy R., Chang M., Kennedy R. The application of temperature gradient zone melting to silicon wafer processing, J. Electrochem. Soc., 1981, Vol. 128, No. 10, pp. 2193-2198.
5. Lischner D. J., Basseches H., D'Altroy F. A. Observations of the Temperature gradient zone melting process for isolating small devices, J. Electrochem. Soc., Vol. 132, No. 12, pp. 2997-3001.
6. Morillon B. et al. Realization of a SCR on an epitaxial substrate using Al thermomigration, ESSDERC, 2002, pp. 327-330.
7. Polukhin A. S., Zueva T., Solodovnik A. I. Ispolzovanie termomigratsii v tekhnologii struktur silovy'kh polupro-vodnikovy'x priborov, Silovaia elektronika, 2006, No. 3, pp. 110-112.
8. Lozovskiy V. N., Lunin L. S., Seredin B. M. Osobennosti legirovaniia kremniya metodom termomigratsii, Izvestiya vy'sshikh uchebny'kh zavedeniy. Materialy' elektronnoy tekhniki, 2015, Vol. 18, No. 3, pp. 179-188.
9. Polukhin A. S. Termomigratsiya neorentirovanny'kh lineyny'kh zon v kremnievy'kh plastinakh (100) dlya proizvodstva chipov silovy'kh poluprovodnikovy'x priborov, KoMpontnty' i tekhnologii, 2008, No. 11, pp. 97-100.
10. Deep trench etching combining aluminum thermomigration and electrochemical silicon dissolution. https://www.researchgate.net/publication/224403308_
11. Polukhin A. S. Issledovanie tekhnologicheskikh faktorov prot-sessa termomigratsii, Silovaia elektronika, 2009, No. 2, pp. 9092.
12. MOP-SBIS. Modelirovanie elementov i tekhnologicheskikh protsessov. Pod red. P. Antonneti, D. Antoniadisa, R. Dattona, U. Ouldkhema : Per. s angl Moscow, Radio i svyaz, 1988.
13. Morillon B. Etude de la thermomigration de l'aluminium dans le silicium pour la réalisation industrielle de murs d'isolation dans les composants de puissance bidirectional, Rapport LAAS №02460, 2002. 223 p.
14. Buchin E. J., Denisenko J. I., Simakin S. G. Structura tekhnologicheskikh kanalov v kremnii, Pisma v GTF, 2004, Vol. 30, Vy'p. 5, pp. 70-75.
15. Gorban A. N., Kravchina V. V. Selekty'vne travlennya monok-ristalichnogo kremniyu maskovannogo plivkamy' nitridu, po-likremniyu, oky'su kremniyu ta ikh kompozy'tsiyamy', Novi tekhnologii, 2010, No. 1 (27), pp. 41-46.
16. Lozovskiy V. N., Lomov A. A., Seredin B. M., Simakin S. G., Zinchenko A. N., Seredina M. B. Termomigratsionny'e p-kanaly': realnaya struktura i elektricheskie svoiystva, Elektron-naya tekhnika.Seriya 2. Poluprovodnikovy'e pribory', 2017, Vy'p. 2 (245), pp. 29-38.
