Введение к работе
Актуальность темы
В последние годы за рубежом и в России наблюдается тенденция активного поиска кардинально новых материалов и технологий изготовления приборов микро-и наноэлектроники, направленных на увеличение степени интеграции, расширение функциональных возможностей и снижение себестоимости продукции при массовом выпуске. Одной из важнейших проблем создания твердотельных приборов на основе монокристаллического кремния является необходимость использования высокотемпературных процессов для формирования активных областей методами диффузии, окисления, имплантации с последующим активационным отжигом, что зачастую накладывает ограничения на конструктивно-технологические варианты исполнения и комплекс электрических параметров. Применение низкотемпературных тонкопленочных технологий и использование органических материалов, в свою очередь, ограничивается ускоренной деградацией характеристик большинства получаемых приборов, особенно при высоких плотностях тока.
В связи с этим актуальным является исследование эффективности низкотемпературных радиационно-технологических процессов, обеспечивающих "холодный" массоперенос и формирование электрически-активных термически-устойчивых радиационных центров, позволяющих реализовывать принципиально новые технические решения при создании различных устройств твердотельной электроники.
Анализ богатого практического опыта в части изготовления и применения кремниевых ультрапрецизионных стабилитронов (УПС), СВЧ-диодов с pin-структурой и барьером Шоттки, силовых диодов в ходе работы в цехе эпитаксии и СКБ ОАО "Оптрон", а также постоянного контакта с потребителями продукции позволил автору сформировать четкое представление о характерных параметрических и конструктивно-технологических проблемах, наметить пути их решения и сформулировать цель диссертационной работы.
Основные сложности при производстве современных низковольтных УПС состоят в получении приборов с высокой временной стабильностью параметров, низким уровнем шумов, высоким выходом годных наивысшей группы с наименьшим температурным коэффициентом напряжения стабилизации (ТКН). Указанные проблемы, вероятнее всего, обусловлены технологическими операциями, применяемыми для снижения прямого падения напряжения на компенсирующем кристалле до требуемого уровня - термодиффузии золота и облучения а-частицами.
При создании СВЧ-диодов на основе меза-эпитаксиальных pin структур с различной шириной і-слоя актуальна разработка РТП, обеспечивающего
прецизионное регулирование характеристик переключения в конце технологического цикла при одновременном увеличении напряжения пробоя, уменьшении барьерной емкости и прямого падения напряжения.
Детекторные ВЧ диоды с барьером Шоттки, изготавливаемые по эпитакисиально-планарной технологии имеют высокий обратный ток, низкие пробивные напряжения и ярко выраженную деградацию обратной вольт-амперной характеристики с ростом рабочей температуры, что резко сужает область их применения и может привести к потере традиционных потребителей.
При создании конкурентоспособных силовых диодов актуальной остается разработка РТП, обеспечивающего прецизионное регулирование характеристик переключения и увеличение показателя "мягкости".
Цель работы - разработка низкотемпературных радиационных технологических процессов и отдельных конструктивно-технологических решений, обеспечивающих улучшение комплекса электрических параметров кремниевых прецизионных стабилитронов, СВЧ-диодов с pin-структурой и барьером Шоттки, силовых диодов. Для достижения поставленной цели в работе необходимо было решить следующие задачи:
-
Проанализировать существующий технологический процесс изготовления, конструкцию и методики измерения основных электрических параметров кремниевого прецизионного стабилитрона на напряжение 6,4 В.
-
Провести экспериментальное исследование влияния обработки ускоренными электронами и протонами на прямое падение напряжения компенсирующего кристалла прецизионного стабилитрона.
3. Разработать радиационный технологический процесс, обеспечивающий
снижение прямого падения напряжения компенсирующего кристалла
прецизионного стабилитрона до значений 0,52-0,54 В.
-
Исследовать характер радиационного изменения основных статических и динамических параметров pin-структур СВЧ диодов с различной толщиной і-слоя, при обработке ускоренными электронами.
-
Определить параметры доминирующих радиационных центров с глубокими уровнями после облучения и последующего стабилизирующего отжига выборочных образцов pin структур.
-
Разработать радиационный технологический процесс на основе обработки ускоренными электронами, обеспечивающий улучшение комплекса электрических параметров pin диодов с тонкой базой.
7. Исследовать эффективность применения обработки ускоренными электронами
для увеличения максимальной рабочей температуры и уменьшения обратных токов
диодов с барьером Шоттки.
8. Исследовать возможность низкотемпературной радиационно-ускоренной
активации и разгонки имплантированных ионов бора и роста защитной
диэлектрической пленки в потоке ускоренных электронов.
9. Разработать и апробировать технологический маршрут изготовления диодов
Шоттки с применением низкотемпературной радиационно-ускоренной разгонки
имплантированных ионов бора при одновременном росте защитной пленки.
10. Провести моделирование воздействия ускоренных протонов на структуры
кремниевых силовых приборов и рассчитать параметры защитной маски,
обеспечивающей формирование требуемого профиля смещенных атомов.
-
Исследовать изменение комплекса электрических параметров силовых диодов при обработке протонами в широком диапазоне флюенсов и последующем стабилизирующем отжиге.
-
Выбрать оптимальные режимы РТП на основе обработки протонами, обеспечивающих прецизионное регулирование характеристик переключения силовых диодов.
Диссертационная работа, включая эксперименты по исследованию влияния ускоренных электронов и ионной имплантации, выполнена на кафедре ППЭ и ФПП НИТУ «МИСиС». Изготовление образцов полупроводниковых приборов и измерение ряда характеристик осуществлено в ОАО "Оптрон". Облучение протонами с энергией 0,5 МэВ выполнено в НИИЯФ МГУ, протонами высоких энергий - в ФГБУ "ГНЦ РФ ИТЭФ". Измерение электрических параметров силовых диодов проведено в НИЦ ЗАО "Протон-Электротекс" (г.Орел).
Новизна и научная ценность
-
Впервые показано, что обработка ускоренными протонами (Ер=500 кэВ, Фр=3...5-1016 см"3) сильнолегированных кремниевых п+р+ структур приводит к снижению прямого падения напряжения за счет формирования радиационных центров в локальной области толщиной ~1 мкм на границе п+ и р+ областей.
-
Разработана оригинальная меза-эпитаксиальная ріп-структура, обеспечивающая получение уникального сочетания прямых и обратных вольт-амперных характеристик и быстродействия.
3. На основе экспериментальных исследований установлено, что при
низкотемпературной радиационно-ускоренной активации и разгонке
имплантированной примеси бора в кремнии с одновременным ростом
диэлектрической пленки при воздействии ускоренными электронами повышенной
плотности происходит формирование области р-типа проводимости в кремнии п-типа, что дает возможность создавать р-n переход после формирования контактной металлизации.
4. Впервые показано, что формирование профиля радиационных центров в базовой области диодов с плавным возрастанием концентрации от р+п- к пп+-переходу позволяет получить высокое быстродействие с мягким выключением при малых значениях обратных токов и прямого падения напряжения.
Практическая ценность работы
Полученные в диссертационной работе результаты используются ОАО "Оптрон" (г.Москва) при изготовлении прецизионных стабилитронов 2С117, СВЧ диодов с pin структурой 2А509, 2А520, 2А537, 2А542, 2А901, диодов с барьером Шоттки 2Д419; отдельные результаты могут быть использованы при изготовлении силовых приборов и СВЧ модулей ограничителей мощности.
Разработанный способ снижения прямого падения напряжения сильнолегированных кремниевых п+р+ структур позволил:
заменить операции термодиффузии золота и облучения а-частицами на высоко воспроизводимую обработку ускоренными протонами;
улучшить точность подбора рабочего и компенсирующего кристалла для создания УПС с ТКН не более 0,0002 %/С;
уменьшить временную нестабильность за 2000 часов и уровень шумов до 2 дБ.
Применение РТП в технологии изготовления СВЧ pin диодов позволило:
показать эффективность методики регулирования характеристик переключения в конце технологического цикла;
провести ускоренную отбраковку потенциально ненадежных структур, имеющих дефекты защиты меза-структуры.
изготовить образцы диодов, превышающие по комплексу параметров, зарубежные аналоги HSMP3820.
Применение разработанного способа низкотемпературного формирования рп-перехода при создании диода Шоттки позволил:
- уменьшить уровень обратных токов с 8-10 мкА до 1-2 мкА и повысить
напряжение пробоя с 40 до 60 В;
расширить температурный диапазон работы приборов с 80 С до 125 С;
увеличить выход годных наиболее дефицитной группы с 5% до 40%.
Применение РТП в технологии изготовления силовых диодов позволило:
в 3-5 раз уменьшить время восстановления обратного сопротивления;
в 2 раза увеличить показатель мягкости выключения;
в 6 раз уменьшить выброс обратного тока при переключении.
На защиту выносятся
1. Метод снижения прямого падения напряжения сильнолегированных
кремниевых п+р+ структур путем их обработки ускоренными протонами,
приводящей к формированию радиационных центров в локальной области
толщиной ~1 мкм на границе п+ и р+ областей.
2. Возможность регулирования комплексом электрических параметров СВЧ pin
диодов с помощью их обработки ускоренными электронами и низкотемпературного
отжига.
3. Способ формирования pn-перехода с помощью низкотемпературной
радиационно-ускоренной активации и разгонки имплантированной примеси бора в
кремнии при воздействии ускоренными электронами повышенной плотности.
4. Вариант регулирования характеристиками переключения силовых диодов с
применением обработки ускоренными протонами, обеспечивающий плавное
возрастание концентрации радиационных центров от р+п- к пп+-переходу.
Апробация работы. Результаты диссертации изложены в 16 работах (5 публикаций в журналах из перечня ВАК РФ), которые приведены в списке работ автора, и представлены на конференциях:
- IV Российской конференции с международным участием по физике,
материаловедению и физико-химическим основам технологий получения
легированных кристаллов кремния и приборных структур на их основе "Кремний
2007" (г.Москва, 2007).
- Всероссийских научно-технических конференциях по радиационной стойкости
электронных систем "Стойкость" (г. Лыткарино, 2007-2012 гг.);
VIII и X научно-технической конференции молодых специалистов "Твердотельная электроника. Сложные функциональные блоки РЭА" (г.Дубна, 2009 г., 2011г.).
IV Международной научно-технической конференции "Микро- и нанотехнологии в электронике" (г. Нальчик, 2011 г.);
- Международной научно-технической конференции имени Леонардо да Винчи
(г. Берлин, 2013 г.)
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Объем диссертации составляет 156 страниц, содержит 77 рисунков, 8 таблиц и список литературы из 73 наименований.
