Введение к работе
Актуальность работы. Мощные высоковольтные транзисторы (МВТ) составляют отдельный класс полупроводниковых приборов и предназначены для работы в устройствах преобразования электрической энергий 6 качестве элементов управления, регулирования и стабилизации.
Основным материалом, на котором конструируются практически все мощные полупроводниковые приборы, является монокристаллический кремний. В настоящее время кристаллы для МВТ изготавливают по пленарной технологии на п-п+ структурах диаметром 76 мм, п+ слой которых получают диффузией или газовой эпитаксией. Недостатки пленарной технологии связаны с необходимостью проведения длительных высокотемпературных отжигов, ухудшающих структурное совершенство и электрофизические характеристики кремния, высокой материале- и энергоемкостью.
Решение многих технологических проблем, возникающих при совершенствовании существующих и разработке более совершенных типов приборов, требует усовершенствования применяемых технологических процессов, исследования и разработки новых технологий. Актуальной задачей является использование методов эпитаксиального наращивания .при создании различных элементов транзисторной структуры.
На данный момент, среди других методов эпитаксиального наращивания кремния наиболее полно изучен метод газофазной эпитаксии. Этот метод широко используется в производстве слаботочных полупроводниковых структур и интегральных схем. . Имеющиеся в литературе сведения о применении газофазной эпитаксии для создания активных элементов структуры мощных транзисторов относятся к опытным разработкам и не получили дальнейшего развития из-за технологических сложностей, сопутствующих птому методу. Высокий расход материалов, использование сложного оборудования снижают экономическую
эффективность процесса, а применение взрывоопасных и токсичных реагентов входит в противоречие .с возрастающими требованиями к экологической, чистоте производств.
Метод жидкофазцой эпитаксии лишен недостатков, присущих диффузии и газовой эпитаксии. Этот метод позволяет получать эпитаксиальные слои кремния п и р-типа проводимости с заданным распределением легирующей примеси при сохранении электрофизических характеристик высокоомной части структуры. На основе метода жидкофазцой эпитаксии была разработана, технология ' производства обращенных п-п+ структур для МЙТ. Приборы, полученные с использованием этой технологии, имели лучшие характеристики и более низкую себестоимость, чем их диффузионные аналоги .
Таким образом, использование метода жидкофазаой эпитаксии в. производстве кристаллов для МВТ дает положительный эффект, в связи с чем целесообразно применить его для создания других элементов транзисторной структуры, в частности базовой области. Известный технологический процесс, разработанный для получения толстых (80 - 100 мкм) ниэкоомяых ( р "* 0,005 Ом.см) эпитаксиальных слоев л+-типа проводимости не может быть применен для решения этой задачи, так как для использования в качестве базовых областей МВТ требуются тонкие (10-30 мкм) высокоомные ( р — 0,6 - 1 Ом.см) эпитаксиальные слои кремния р-типа проводимости с высоким структурным совершенством и однородностью топологических и электрофизических параметров.
В связи с этим, пель настоящей диссертационной рабрты.
заключающаяся в разработке технологического процесса создания базовых областей транзисторных структур методом жидкофазной эпитаксии является актуальной.
Для достижения поставленной цели разработаны основы технологии изготовления аритаксиальных слоев с требуемыми параметрами, исследованы . их электрофизические и .структурные характеристики, изучена эффективность ' предлагаемого способа создания базовых областей транзисторных структур.
Научная новизна работы заключается в следующем:
- разработаны научные .основы нового технологического процесса изготовления методом жидкофазной эпитаксии мощных высоковольтных кремниевых транзисторов, имеющих по сравнению с диффузиопяыми аналогами большую воспроизводимость значений коэффициента усиления по току, большие значения предельных напряжений коллектор-эмиттер, повышенную стойкость ко вторичному пробою и расширенную область максимальных режимов;
- предложена модель'эпитаксиального наращивания ив раствора--
расплава, находящегося в зазоре между горизонтально расположенными
подложками, учитывающая образование комплексов атомов
кристаллизуемого вещества и зародышей твердой фазы в объеме раствора-расплава, позволяющая по экспериментально определенным величинам критических переохлаждений моделировать процесс эпитаксиального наращивания в различных технологических режимах;
- предложена методика определения величин критических
переохлаждений в жидкой фазе в процессе эпитаксиального наращивания;
для идентификации модели изучены физико-химические свойства расплавов кремвия в олове (положение поверхности ликвидус в системе Sn-Ga-Si, кинетические коэффициенты переноса массы, импульса и тепла,' парциальный молярный объем кремния), дав анализ характера химической связи, особенностей структуры ближнего порядка и взаимодействия компонентов в жидкой фазе;
найдены закономерности влияния компонентов раствора-расплава и легирующих примесей на электрофизические свойства эпитаксиальных слоев кремвия, определены значения коэффициента диффузии галлия и получены выражения, описывающие диффузию галлия из эпитаксиального слоя в подложку;
- установлены и оптимизировании технологические факторы
(температура процесса, глубина, травления), влияющие па структурное
совершенство и морфологию поверхности эпитаксиальных слоев.
Практическая аначимость и реализация результатов работы:
- разработаны основы технологии изготовления базовых областей
структур МВТ методом жидкофазной апитаксии. Эпитаксиальные слои
кремния р-типа проводимости толщиной 10-15 мкм. и содержанием
легирующей примеси (галлия) 4.10 см"3, концентрацией дислокаций менее
210 см'2 выращивали в температурном интервале 1285 - 1235 К на
структурах 100 КЭФ 45/КЭФ 0,01 (111) диаметром 60 мм.
- разработаны высокопроизводительные кассеты для проведения
процесса ЖФЭ (а.с.СССР N 1658048).
проведен сравнительный анализ характеристик приборов серии КТ
848 и их аналогов, изготовленных . с использованием предлагаемой
технологии, показавший перспективность использования метода ЖФЭ в
производстве МВТ. Транзисторы, полученные по новой технологии, имеют
следующие преимущества: большую воспроизводимость значений
коэффициента усиления по току Ъцд (30-60 против 20-80 у диффузионных приборов), большие значения предельных напряжения коллектор-эмиттер (800 - 900 В против 500-700 В у диффузионных приборов). У приборов с эпитаксиальпой базой на выходных характеристиках, в отличие от диффузионных, не обнаружено области вторичного пробоя вплоть до значений энергии, ограниченных тепловым сопротивлением транзистора. Ни зашиту выносятся следующие положения:
- результаты исследования физико-химических свойств расплавов системы Sn-Ga-Si: температурная зависимость растворимости кремния, тепло- и массообменные характеристики , расплавов, анализ характера химической связи и взаимодействия компонентов в жидкой фазе;
- результаты теоретических и экспериментальных исследований
ыассопереиоса 8. растворе-расплаве, заключенном в зазоре между
горизонтально . расположенными подложками в процессе жидкофазной
апитаксии, включающие:
- модель эпитаксиального наращивания из раствора-расплава,
находящегося в зазоре между горизонтально расположенными подложками,
учитывающую образование Комплексов атомов кристаллизуемого вещества и
зародышей твердой фазы в объеме раствора-расплава, позволяющую моделировать процесс эпитаксиального наращивания в различных технологических режимах;
- методику определения величин критических переохлаждений в
растворе-расплаве в процессе эпитаксиального роста;
результаты исследования влияния параметров процесса эпитаксии на структуру и свойства эпитаксиальных слоев кремния;
основы технологии изготовления кремниевых р-п-п структур для' МВТ с использованием метода жндкофазной эпитаксии;
Аппробапия результатов работы.
Основные результаты работы докладывались на. Третьей
Всесоюзной Конференции "Термодинамика и материаловедение
полупроводников* (Москва, 1986), Третьей Всесоюзной конференции по физике и технологии полупроводниковых пленок (Ивано-Франковск, 1990), 111 Европейской конференции до росту кристаллов (Вудапешт,1991), 10 Международной конференции по росту кристаллов (Сан-Диего, 1992). По материалам диссертации опубликовано 8 печатных работ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, спиока использованной литературы. Работа изложена на 111 страницах Машинописного текста , содержит 61 рисунок и 27 таблиц. Список литературы включает 89'наименований. Общий объем диссертации 197 страниц.
