Введение к работе
з
Актуальность темы. Во всем мире стоит актуальная проблема преобразования электрической энергии и ее экономии. Огромную роль в экономике стран с мощной индустрией стали играть энергосберегающие технологии, которые в свою очередь невозможны без создания мощных высоковольтных управляющих н преобразовательных приборов.
Монокристаллический кремний является основным материалом для изготовления приборов сильноточной (силовой) электроники. Номенклатура сильноточных приборов расширяется с каждым годом: к мощным диодам и тиристорам добавилась широкая гамма мощных транзисторов, а так же разнообразных силовых интегральных схем. Последние особенно существенно расширяют возможности мощных полупроводниковых приборов. Сегодня мощные сильноточные кремниевые электронные устройства успешно используются для передачи электроэнергии на большие расстояния с минимальными потерями, в энергоемких металлургических и химических производствах, на транспорте, в системах электропривода и энергопитания. Самые сдержанные оценки показывают, что оптимальное насыщение энергетики средствами современной кремниевой сильноточной электроники позволит сэкономить не менее 10 % производимой в настоящее время в мире электроэнергии.
В связи с устойчивой в России и в мире тенденцией роста кремниевого производства, а так же использования кремниевых эпитаксиальных структур для силовой электроники, ощущается дефицит толстослойных, высокоомных (с толщиной слоя от 30 до 300 мкм, и удельным сопротивлением от 20 до 150 Ом.см) кремниевых эпитаксиальных структур.
Актуальность диссертационной работы обусловлена необходимостью обеспечения отечественных производителей таких приборов специальными эпитаксиальиыми структурами, отвечающих современным техническим требованиям. В рамках традиционных технологаческих подходов производство эшггаксиальных структур для силовых приборов оказалось невозможным.
Цель работы. Производство силовых транзисторов сдерживается резким возрастанием требований к эпитаксиальным структурам по основным техническим и экономическим параметрам (градиенты концентрации, дефектность, равномерность характеристик по площади структуры и в партии обрабатываемых пластин, себестоимость и т.д.).
Цель работы заключалась в разработке технологии получения эпитаксиалышх структур, удовлетворяющих современным техническим требованиям (SEMI М2-87-Н) для мощных приборов и модернизации оборудования.
Научная новизна работы состоит в следующем.
Предложена новая модель количественного описания динамики автолегирования. В результате стали возможным оптимизация технологических маршрутов подготовки оборудования эпигаксиального наращивания и осуществление переменного во времени легирования при создании сложных структур.
Требуемый результат по созданию п"-п+ , п"-п+-р+ - элитаксиальных структур с резкими концентрационными профилями и разницей уровня легирования до 6 порядков обеспечен разработанными и научно обоснопаннымк режимами формирования защитного "сэндвич-слоя'" и
алгоритмом переменного легирования иа основе найденных аналитических зависимостей динамики автолегирования.
Разработана модель вычисления электрофизических параметров двухслойных п'-п+ -р* эпитаксиальных структур, полученных в едином технологическом цикле, с комплексным привлечеішем неразрушающих методов контроля толщины и удельного сопротивления слоев (4-х зондового, вольт-фарадного, СВЧ, Фурье).
Изучение газодинамических особенностей массопереноса в реакторе вертикального типа с распределенным вводом газовой смеси ("Эпиквар-121МТ") позволило установить связь ыеиугу конструктивными параметрами реактора и однородностью скорости роста эпитаксиальных слоев по сечениям, перпендикулярным газовому потоку. В результате проведена модернизация оборудования.
В результате изучения причин возникновения паразитных слоев р-типа в п"-п+ - эпитаксиальных структурах, а так же эволюции их параметров в течении последующих высокотемпературных операций установлено, что источником акцепторной примеси являются высоколегированные подложки, и их поверхность, где аккумулируются примеси бора и алюминия (~1,8*1010 см'2) после операций химической и гидромеханической очистки. Это позволило сформулировать требования по содержанию акцепторной примеси в исходном монокристаллическом кремнии, и разработать условия на ведение процессов эпитаксии.
Разработан алгоритм адаптивного управления эпнтаксиальным наращиванием при выходе на заданные уровни удельного сопротивления, что позволило повысить эффективность производства, за счет снижения числа опытных процессов.
Практическая значимость.
-
Разработана и используется в ЗАО "НИИМВ" технология выращивания высокоомных (30-150 Ом.см) эпитаксиальных слоев различного типа проводимости на высоколегированных подложках КЭС-0,01, КЭМ-0,005, КДБ-0,005 с подавлением автолегирования от обратной стороны подложек за счет "сэндвич-процесса". Отработаны технологические режимы при которых закрытие обратной стороны слоем высокоомного кремния заканчивается до начала эшггаксиального роста
-
Разработана технология получения двухслойных эпитаксиальных структур для силовых транзисторов ЮВТ, рассчитанных на напряжение пробоя 1100 В, и ток коллектора 100 А. На базе модели количественного описания процесса автолегирования от нескольких источников разработаны и используются алгоритмы переменного во времени легирования при создании многослойных структур. Разработаны методики оценки электрофизических параметров двухслойных структур, полученных в едином технологическом цикле, основанные на комплексном использовании неразрушающих методов контроля.
-
Оптимизировал массоперенос кремния в реакторе установки "Эпиквар-1?Ш", а. результате чего стало возможным в ЗАО "НИИМВ" получение эпитаксиальных структур для силовых приборов как диаметром 100 мм, так и диаметром 150 мм с однородностью толщины слоя по всей партии не хуже 6-8 %.
-
Разработаны и используются новые методы и пути модернизации подложкодержателей, в результате чего освоен выпуск структур диаметром 100 мм свободных от линий скольжения (K11c < 0,1).
-
Разработан алгоритм адаптивного управления процессом эпитаксиального наращивания от ЭВМ и повышена экономическая
эффективность промышленного производства эпитаксиальных структур для мощных приборов.
Таким образом, отработан целый комплекс мер по созданию технологии, модернизации оборудования, повышению качества эпитаксиальных структур для силовых приборов, в результате чего достигнуты требования международного стандарта SEMI M2-87-II, и снижена себестоимость их изготовления на 20 %.
