Способ формирования изолированных внутренних областей

Способ формирования изолированных внутренних областей

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Изобретение относится к технологии изготовления мощных полупроводниковых приборов на кремнии, а именно к диффузионным способам изготовления тиристоров. Целью изобетения является улучшение параметров многослойных структур за Счет повышения воспроизводимости параметров диффузионных слоев при формировании изолированных внутренних областей. Данный способ включает шлифовку кремниевых пластин, химическую обработку, создание рельефа, травление локальных областей, нанесение на обе поверхности растворадиффузанта из смеси, масч: этанол 1216,5; азотнокислый алюминий 100; ТЭОС 374 и борная кислота 0,9 - 1,3 Последующую термообработку проводят в течение времени от 1.06t до1201, гдеt^=8.3« 1oV'Iexp{1.67* 10~^'ДТ)'

(в) SU (и) 1715124 А1 (51)S НО1ЬИ и

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ РЕСПУБЛИК

ГОСУДАРСТВЕ1П1ОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР)

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4762086/25 (22) 27.11.89 (46) 15,12.93 Бюл. Na 45-46 (71) Всесоюзный электротехнический институт им.В.ИЛенина (72) Думаневич АН.; Нисневич ЯД (54) СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ИЗОЛИРОВАННЫХ ВНУТРЕННИХ.ОБПАСТЕЙ (57) Изобретение относится к технологии изготовления мощных полупроводниковых приборов на кремнии, а именно. к диффузионным способам изготовления тиристоров. Целью изобетения является улучшение параметров многослойных структур за счет повышения воспроизводимости параметров диффузионных слоев при формировании изопированных внутренних областей. Данный способ включает шлифовку кремниевых пластин, химическую обработку, создание рельефа, травление локальных областей, нанесение на обе поверхности растворадиффузанта из смеси, масч.: этанол 121 6,5; азотнокислый алюминий 100; Т30С 374 и борная кислота

0.9 — 13. Последующую термообработку проводят в течение времени от 106t до 120t, где э

t =83 10 w (exp(1.6? 10 ЬТ) ° (1-4.27 10 ЬТ) о минимальное время термообработки, ч; 4Т=1280-Т температура обработки, C; t — время термообработки, ч; W — минимальная толщина исходной пластины,см. 1 ил. 5 табл.

1715124

Изобретение относится к технологии . изготовления полупроводниковых приборов ка основе кремния, преимущественно к диффузионным способам изготовления многослойных структур силовых тиристоров, симисторов и высоковольтных интегральных схем.

Известен способ изготовления изолированных областей в многослойных структурах силовых тиристоров, в котором используют диффузии акцепторных примесей по всей площади. кремниевых пластин и сквозную локальную диффузию алюминия в жидкой фазе под действием градиента температуры — так называемая эонная перекристаллизация с градиентом температуры (ЗГГТ). В результате формируютая изолированные внутренние области - исходного кремния п-типа, ограниченные сверху и снизу горизонтальными диффузионными лоями, а справа и слева вертикальными каналами, образованными ЗПГТ. Этот способ позволяет изготовить силовые тиристоры планарного типа.

Недостаток известного способа состоит в том, что он сложен, трудоемок и требует использования сложного специального технологического оборудования, Наиболее близким к предлагаемому является способ формирования изолированных внутренних областей в шлифованных пластинах кремния и-типа проводимости, включающий химическую обработку пластин, создание на поверхности локальных травленных областей, нанесение на обе поверхности раствора-.диффузанта, содержащего соединенйе алюминия, и термообработку (диффузию) в окислительной атмосфере. В известном способе при . диффузии в окислительной атмосфере за счет неглубокого локального травления шлифовальной поверхности кремния уменьшают поверхностную концентрацию алюминия, что и позволяет формировать локально углубленный фронт р-п-перехода.

Недостаток известного способа состоит в том, что величина локального углубления фронта р-и-перехода невоспроизводима, так как значение поверхностной концентрации алюминия, а следовательно, и глубина залегания р-и-перехода сильно зависят от условий локального травления (времени, температуры, состава травителя и т.п.), что приводит к ухудшению параметров изготавливаемых приборов.

Целью изобретения является улучшение параметров многослойных структур приборов путем повышения воспроизводимости параметров диффузионных слоев при формировании изолированных внут1,06tp S t 1,20tp где

tp =8,3 10 W f ехр{1.67х

30 х10 АТ) {1 — 427х х10 ЛТ) ) (2) t — время.термообработки, ч;

35 tp — минимальное время термообработки, ч, W — минимальная толщина исходной пластины, см;

ЛТ вЂ” 1280 — Т;

Т вЂ” температура термообработки, С.

Признаками, отличающими данное техническое решение от прототипа, являются: — наличие борной кислоты в растворедиффуэанте; — эмпирически расчетная зависимость . времени термообработки от температуры и толщины пластины кремния.

Благодаря повышению воспроизводимости параметров диффузионных слоев по60 вышается процент выхода годных приборов, увеличивается класс и стабилизируются значения тока управления тиристоров и симисторов.

На чертеже схематически изображено

65 поперечное сечение изолированной внутренней области в шлифованной пластине кремния п-типа, где шлифованная поверхность пластины 1, локально травленная перед диффузией поверхность пластины 2, W ренних областей в шлифованных пластинах кремния.

Для этого в способе формирования изолированных внутренних областей в шлифовальных пластинах кремния и-типа проводимости, включающем химическую обработку пластин, создание на поверхности локальных травленых областей, нанесение на обе поверхности раствора-диффузанта, "0 содержащего соединение алюминия. и термообработку в окислительной атмосфере; в раствор-диффузант дополнительно вводят борную кислоту при следующем соотношении компонентов, мас.ч.:

16 Этанол 96 1216,5

Азотнокислый алюминий 100

Тетраэтоксисилан 374

Барная кислота 0,9-1,3

20 а термообработку проводят в течение времени

1715124 — минимальная толщина исходной пластины, Xj — толщина р-слоя в активной части р-и-р-структуре формируемого тиристора или симистора.

Так как минимальное значение поверх- 5 ностной концентрации алюминия при диффузии из окисного источника при температуре 1240 С равна 1,6 10 см, то для получения воспроизводимой толщины р-слоя в шлифованной части пластины необ- 10 ходимо, чтобы концентрация доноров в исходном кремнии была на 2 порядка ниже о 30 Ом см). С другой стороны, для повышения пробивного напряжения нецелесообразно брать рп 80 Ом см, так как 15 максимальную толщину формируемой изолированной и-области практически нельзя получить больше 220 мкм. Максимальная температура 1300 С ограничена при длительной работе возможностями современ- 20 ного диффузионного оборудования, а также определяется тем, что с повышением температуры ухудшаются параметры исходного кремния и увеличивается деформация тонких пластин, а при температуре ниже 25

1240 С сильно возрастает время термообработки.

Для изготовления многослойных структур силовых тиристоров и симисторов с повторяющимся напряжением 800-1200 В 30 необходимо изготовить р-и-р-структуру с толщиной р-слоя Xj = 60-70 мкм и поверхностной концентрацией примеси N (1-2) 10 см, что соответствует поверхностному сопротивлению диффузионного слоя йз = 60- 35

120 Ом 1 . Такие параметры можно получить, если в раствор-диффузант дополнительно ввести борную кислоту в концентрации 0,9-1,3 мас.ч. при следующем содержании остальных компонентов рас- 40 твора, мас.ч.

Эта нол 12165,5

Азотнокислый

t алюминий 100

Тетраэтоксисилан 374 45

Если при создании локально травленных областей (2) проводить полирующее травление на глубину 8-10 мкм, то в окислительной атмосфере в этих областях полностью исключается диффузия алюминия и 50 происходит только диффузия бора, а в ос тальных областях (1) — диффузия алюминия и бора. B диапазоне температуры 12401300 С при концентрации борной кислоты менее 0,9 мас.ч. Вз возрастает более 120 55

O iP, а при концентрации более 1,3 мас.ч, становится менее 60 ОмЮ.

Минимальное время термообработки to, необходимое для формирования изолированной п-области, определяется толщиной пластин и температурой..Оптимальной с точки зрения механической прочности и времени термообработки является толщина пластин 0,32-0,35 мм. Однако, за счет улучшения качества шлифовки (уменьшение рисок, царапин, разброса толщины) можно уменьшить толщину пластин до 0,28-.0,30 мм. Так как всегда реально имеется разброс толщины по площади одной пластины и между пластинами в партии, то это необходимо учитывать при определении времени термообработки, которое должно быть более to. При разбросе в 10 мкм и W -320, мкм

330 необходимо, чтобы

-1,06, иначе не произойдет смыкание диффузионных потоков алюминия во всех нетравленных областях (1). Однако, увеличение времени более 1,20 t< нецелесообразно, так как при этом Xj возрастает более 70 мкм. На основании проведенных исследований-установлено, что при увеличении температуры от 1240 до 1320 С поверхностная концентрация алюминия возрастает от 1,6 10 до 1,2 . 10 см .

Полученную зависимость аппроксимируют выражением 4,4 10 exp (-2,6 10 ЬТ)см

Поскольку значения энергии активации коэффициентов диффузии алюминия 8,0 ехр (-3,47/kT) и бора 0,76 ехр (-3,46/КТ) практически равны, то при поверхностной концентрации бора 2 10 см толщина р-слоя в шлифованной области пластины будет в

2,5-3,9 раза больше, чем в травленной.

Пример. Исходные шлифованные порошки с размером зерна 14 мкм пластины кремния и-типа с удельным сопротивлением 50 Ом см, диаметром 50 мм и минимальной толщиной 340 мкм при разбросе толщины до 10 мкм отмывают по стандартной технологии и термически окисляют для получения пленки толщиной 0,5 мкм. Затем с помощью фотолитографии локально удаляют окисную пленку с противоположных участков, расположенных на обеих сторонах пластины и травят кремний в 30 -ном водном растворе гидрооксида калия на глубину 8-10 мкм, После этого во фтористоводородной кислоте удаляют оставшуюся окисную пленку, на обе поверхности наносят раствор-диффузант и проводят термообработку на воздухе в указанных ниже режимах, Раствор-диффузант содержит компоненты в следующем соотношении, мас.ч.:

Этанол 1216,5

Азотнокислый алюминий 100

Борная кислота 0,9-1,3

1715124

Таблица 1

Таблица 2

Тетраэтоксисилан 374

Поскольку в прототипе не указаны ни состав раствора, ни время термообработки, то в контрольных партиях наносят раствор без борной кислоты, а время термообработки берут такое же, как и в опытных партиях, В табл,1 представлены расчетные значения времени термообработки при толщине. пластины 340 мкм и удельном сопротивлении 50 Ом см.

В табл,2 приведены режимы термообработки опытных и койтрольных партий, После термообработки стандартными методами проверяют наличие сквозной диффузии в шлифованной части пластины, а также измеряют глубину и поверхностное сопротивление диффузионного р-слоя в травленной части. Полученные результаты представлены в табл.3-5. Как видно из табл.2-5, параметры диффузионных слоев воспроизводимы в пределах Xj - 60-70 мкм и Вв = 60-120 ОмД, что позволяет их исполь5 зовать для изготовления многослойных структур силовых тиристоров и симисторов планарного типа, Параметры диффузионных слоев, изготовленных по известному способу, невоспроизводимы и поэтому та10 кие структуры не пригодны для изготовления тиристоров и симисторов. (56) 1. M.Chang, Р.Kennedy. The application of

temperature gradient zone melting to silicon

15 wafer processing. J;Electrochem. Soc. 1981, ч. 128, М 10, р. 2133-2198.

2. Авторское свидетельство СССР

М 1327737, кл, Н 01 L 21/306, 1985.

1715124

Таблица 3

Таблица 4

Таблица 5

Формула изобретения

СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ИЗОЛИРОВАННЪ|Х ВНУТРЕННИХ ОБЛАСТЕЙ в шлифованных пластинах кремния и-типа проводимости; включающий химическую обработку пластин, создание на поверхности рельефа травлением локальных областей, нанесение на обе поверхности раствора-диффузанта, содержащего этанол, азотнокислый алюминий и тетраэтоксисилан, и термообработку в окислительной атмосфере, отличающийся тем, что, с целью улучшения параметров многослойных структур за счет повышения воспроизводимости параметров диффузионных слоев при формировании изолированных внутренних . областей, в раствор-диффузант дополнительно вводят барную кислоту при следующем соотношении компонентов, мас.ч.:

Этанол 96 1216,5

Азотнокислый алюминий 100

Тетраэтоксисилан 374

Борная кислота .0,9- 1,3, а термообработку проводят в течение времени т из интервала:

1,06 to s t я 1,20то, где т, = 8,3.104иР(ехр(1,67х х 10 ЛТ)х(1-4,27 10 ЛТ ) - минимальное время термообработки, ч;

ЬТ = 1280-Т;

Т - температура термообработки, С;

t - время термообработки, ч;

20 w - минимальная толщина исходной пластины, см.

1715124

1 2

Составитель Я.Нисневич

Техред М.Моргентал Корректор H. Милюкова

Редактор

Заказ 3353

Тираж Подписное

НПО "Поиск" Роспатента

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород. ул,Гагарина, 101