Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Аналитический обзор литературы 12
1.1. Анализ механизмов протекания тока и их влияние на вольтамперные характеристики диодов.
1.2. Влияние дефектов структуры кремния на характеристики р - п перехода
1.3. Влияние свойств поверхности времния на характеристики р - п перехода.
1.4. Физико-химические процессы обработки поверхности р - л переходов в производстве силовых диодов .
1.4.1. Химическое травление
1.4.2. Особенности плазмохимического травления 43
1.4.3. Характер загрязнений поверхности при физико-химических обработках кремния. ^
1.5. Выводы 53
Глава 2, Методы измерения электрофизических параметров поверхности и приповерхностного объема кремния и р - п структур на его основе . 55
2.1. Методика контроля электрофизических параметров приповерхностных слоев кремния.
2.1.1. Измерение кннтактной разности потенциалов 55
2.1.2. Метод люминесценции 64
2.2. Измерение толщины нарушенных слоев
2.3. Анализ поверхности методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии и маесспектрометрии вторичных ионов .
2.4. Классификация объектов исследования 68
2.4.1. Разработка неразрушающего метода определения концентрации свободных носителей заряда в р - п переходе,с помощью фотоэдс на контакте с электролитом. 2.5.
Выводы
Глава 3. Исследование влияния структурного совершенства исходного кремния на вольтамперные характеристики диодов .
3.1. Классификация вольтамперных характеристик различных групп диодов.
3.2. Исследование влияния изменения градиента концентрации примеси в области скопления дефектов на вольтамперные характеристики .
3.3. Исследование отказов р - п переходов, связанных с линейными и двумерными дефектами структуры.
3.4. Выводы
Глава 4. Исследование процессов химического и плазмо-химического травления пластин для структур силовых приборов .
4.1. Влияние химического травления поверхности р - П перехода на изменение тока утечки диодов.
4.2. Связь режимов плазмохимического травления поверхности р - п переходов с ее геометрическими параметрами и электрофизическими характеристиками изготовленных структур силовых диодов .
4.3. Исследование влияния подвижных поверхностных ионов на вольтамперные характеристики р - п переходов.
4.4.Исследование состояния поверхности кремниевых структур после жидкостного и плазмохимического травления.
4.5. Выводы
5. Исследование влияния физико-химических обработок на характеристики р-п переходов после их посадки в корпус .
5.1. Исследование влияния окружающей среды и межоперационных сроков на характеристики диодов.-
5.2. Исследование измерений токов утечек диодов после очистки и пассивации о - л переходов,
5.3. Исследование влияния газовой среды внутри корпуса на вольтамперные характеристики диодов.
5.4. Выводы
Основные выводы
Литература
- Физико-химические процессы обработки поверхности р - л переходов в производстве силовых диодов
- Анализ поверхности методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии и маесспектрометрии вторичных ионов
- Исследование влияния изменения градиента концентрации примеси в области скопления дефектов на вольтамперные характеристики
- Связь режимов плазмохимического травления поверхности р - п переходов с ее геометрическими параметрами и электрофизическими характеристиками изготовленных структур силовых диодов
Введение к работе
Сфера использования силовых полупроводниковых приборов в сие темах электропитания, управления и автоматики непрерывно расши-ряется, возрастают jr. требования к надежности таких приборов. Несмотря на изученность физических механизмов, лежащих в основе влияния поверхности и структурного совершенства р - п структур, на характеристики силовых диодов необходимость улучшения их технологии постоянно стимулирует развитие и разработку операций физико-химической обработки р - п структур и готовых диодов, помещенных в корпус, методов контроля электрофизических параметров объема и поверхности /1,2/. Актуальность таких разработок возрастает по мере увеличения площади приборов и ужесточения требований к величинам токов утечки и пробивных напряжений.
Тем не менее литературные данные на этот счет достаточно разобщены, т.к. обычно относятся к разным типам приборов и не преследуют цели систематизации при переходе от одних к другим стадиям единого цикла производства прибора.
Цель настоящей работы заключалась в том, чтобы е едином цыкле изготовления силового кремниевого диода исследовать и систематизировать особенности влияния структурного совершенства кремния, операций жидкостного и плазмохимического травления на характеристики диодов, и на этой основе усовершенствовать методы контроля электрофизических параметров р - п структур, а также физико-химические операции обработки поверхности, обеспечивающие снижение токов утечки и повышение пробивных напряжений.
Дня достижения указанной пели предстояло решить задачи:
- изучить пространственное распределение изгиба зон и фотоэде на границе исхлдных кремниевых пластин с электролитом; - усовершенствовать неразрушающие методы контроля электрофизических параметров и выявления местоположения скрытых дефектов полупроводниковых структур;
- изучить и систематизировать возможные случаи отклонения вольт-амперных характеристик выпрямительных элементов (ВЭ) и установить причины их отклонений;
- выявить связь между особенностями процессов химической и плаз-мохимической обработки поверхности с электрофизическими характеристиками выпрямительных элементов;
- на основании проведенных исследований предложить и апробировать физико-химические операции финишной обработки поверхности р - г) структур и диодов, помещенных в корпус, обес пемивающие снижение токов утечек и повышение пробивных напряжений приборов в сравнении с приборами, изготовленными по стандартным операциям и режимам.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА. Исследовано пространственное распределение по кремниевой пластине величин поверхностного изгиба зон /i , эффективного времени жизни X и проведено их сравнение с плотностью распределения структурных нарушений, выявленных позднее травлением пластин в селективных иравителях. Установлено шесть характерных видов распределений параметров "ЧіисьГіх), (отличающиеся величинами отклонений этих параметров от средних значений, а также пространственным шагом отклонений), обусловленных скоплениями микродефектов, дислокаций, примесей, ростовых дефектов. Проведено исследование спектров фотолюминисценции в типичных областях скоплений дефектов и выявлены их особенности, вызываемые наличием дислокаций( четыре полосы с максимумами 0,812 эв, 0,934 эв, I эв) и скоплений микродефектов (широкая безструктурная полоса с максимумом 0,835 эв). Цутем сравнения и анализа пространственных распределений дефектов, %(х), Гсх) с учетом спектров фотолюминисценции предложен метод неразрушающего контроля скоплений микродефектов и дислокаций, а также их местопо ложения на кремниевой пластине.
При исследовании спектров фотоэдс на контакте р - п переходов с нейтральным электролитом, обнаружено инверсия знака фотоэдс и установлена ее причина - конкуренция фотоответа двух навстречу друг другу включенных источников: р - п перехода и контакта полупроводник - электролит. На основании анализа особенностей спектрального распределения фотоэдс на контакте перехода С с разным уровнем легирования) и электролита предложен неразрушающий способ измерения концентрации заряда в р - п переходе по зависимости длины волны, соответствующей точке нулевого фотоответа, от уровня легирования р - л перехода.
Исследовались основные причины отклонения формы вольтампер-ных характеристик силовых кремниевых диодов на разных этапах их изготовления, обусловленные структурными дефектами и адсорбцией примесей на неоднороднавтях поверхностного потенциала. По выявленным видам отказав и отклонению вольтамперных характеристик предложена классификация исследовавшихся диодов по группам:
1) имеющие утечки обратного тока в нормальных условиях;
2) характеризующиеся нестабильностью обратного тока при повышенных температурах (200°С);
3) с пониженным напряжением пробоя, восстанавливаемым? травлением р - п структуры;
4) с низковольтным пробоем, не восстанавливаемым травлением;
5) с "мягким" пробоем.
При детальном изучении причин пониженных значений напряжения пробоя (по вольтамперным зависимостям и измерению поверхностного еопротитвления при послойном стравливании) установлено влияние изменения градиента концентрации примеси в области скоплений дефектов, вызванного изменением профиля концентрации примеси при ее диффузии в участки пластины с повышенной плотностью структурных дефектов, а также энергетическим уровнями самих дефектов. Исследована возможность применения плазмохимимческого травления СПХТ) на различных этапах изготовления силовых диодов : травление торцев и фаски кристаллов выпрямительных элементов (ВЭ) после резки, травления пластин кремния с нанесенным слоем никеля после формирования топологии кристаллов. На основании сравнения и анализа вольтамперных характеристик ВЭ до и после ШТ, а также при химичевком травлении установлен преобладающий вклад в ток утечки каналов инверсионной проводимости на поверхности. Дня их устранения и повышения стабильности работы диодов предложена финишная обработка кристаллов в редокс - растворах ферро-ферриционидов калия, с регулируемым окислительно-восстановительным потенциалом, обеспечивающая высокую степень очистки и пассивацию поверхности. Разработан комбинированный способ разделения пластин на кристаллы с использованием ПХТ на 1-ой стадии (глубина травления не менее 160 мкм) и обработки торцев кристаллов в растворах ферро-ферриционидов для их очистки и пассивации заключительной стадии.
Исследовался элементный состав поверхностных загрязнений после жидкостного и плазмохимического травления по стандартной технологии с применением химической обработки в растворе KalFefCN) / КцІїеісп)6} . Показано, что поверхность кремния очищается от ионов щелочных металлов гороздо эффективнее в последнем случае, чем с применением стандартного, например, перекисно-аммиачного раствора.
Исследовались вольамперные характеристики ВЭ, обработанных стандартными растворами и содержащие на поверхности значительные (до 10 см" ) концентрации подвижных ионов натрия. Обнаружены в некоторых случаях факты электроформовки (улучшения, стабилизации и восстановления электрических характеристик) диодных структур при токовых наработках под напряжением, близким к напряжению пробоя и наличии оптимального времени наработки (—10 сек.), обусловленные электропереносом ионов натрия и их осаждением на катоде.
Исследовались операции обработки поверхности р - п переходов структур силовых диодов, помещенных в корпус методом пайки. Показано, что стабильность и воспроизводимость параметров волтамперных характеристик диодов, помещенных в корпус, может быть обеспечена использованием для их финишной обработки окислительно-восстановительных растворов с величиной редокс-потенциала соответствующего эффективному взаимодействию растворов с поверхностными электронными состояниями кремния. На основании сравнения комплексообраэующих свойств различных составов Си в первую очередь - редокс -систем) по их воздействию на ток утечки диодов предпочтение отдано раствору хинон-гидрохинона. Это позволило разработать последовательность операций обработки поверхности р - п перехода структур, помещенных в корпус, предусматривающую устранение в кислотном растворе неконтролируемой пленки окисла и погружение в раствор хинон-гидрохинона в оцетоне для сушки и стабилизации тока утечки диода.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ. Разработан неразрушающий метод контроля концентрации носителей заряда в р - п переходе по измерению спектра фотоэдс на контакте р - п перехода с нейтральным электролитом.
Предложены неразрушающие способы идентификации структур несовершенств кремниевых пластин (дислокаций, микродефектов, свирл-дефектов) по характерным особенностям пространственных распределений поверхностного изгиба зон, времени жизни и спектров фотолюминесценции.
Разработан двухстадийный комбинированный способ разделения кремниевых пластин на кристаллы, заключающийся в плазмохимичес-ком травлении дорожек (I стадия) и обработке в растворах окислителя, а затем ферроцианид-феррицианида калия в воде С 2 стадия), обеспечивающий низкие токи утечки и стабилизацию характеристик диодов.
Разработан процесс обработки поверхности диодных структур, помещенных в корпус,предусматривающий финишную очистку в редокс-растворе хинон-гидрохинона в ацетоне для снижения токов утечек и стабилизации характеристик диода.
Физико-химические процессы обработки поверхности р - л переходов в производстве силовых диодов
При исследовании спектров фотоэдс на контакте р - п переходов с нейтральным электролитом, обнаружено инверсия знака фотоэдс и установлена ее причина - конкуренция фотоответа двух навстречу друг другу включенных источников: р - п перехода и контакта полупроводник - электролит. На основании анализа особенностей спектрального распределения фотоэдс на контакте перехода С с разным уровнем легирования) и электролита предложен неразрушающий способ измерения концентрации заряда в р - п переходе по зависимости длины волны, соответствующей точке нулевого фотоответа, от уровня легирования р - л перехода.
Исследовались основные причины отклонения формы вольтампер-ных характеристик силовых кремниевых диодов на разных этапах их изготовления, обусловленные структурными дефектами и адсорбцией примесей на неоднороднавтях поверхностного потенциала. По выявленным видам отказав и отклонению вольтамперных характеристик предложена классификация исследовавшихся диодов по группам: 1) имеющие утечки обратного тока в нормальных условиях; 2) характеризующиеся нестабильностью обратного тока при повышенных температурах (200С); 3) с пониженным напряжением пробоя, восстанавливаемым? травлением р - п структуры; 4) с низковольтным пробоем, не восстанавливаемым травлением; 5) с "мягким" пробоем. При детальном изучении причин пониженных значений напряжения пробоя (по вольтамперным зависимостям и измерению поверхностного еопротитвления при послойном стравливании) установлено влияние изменения градиента концентрации примеси в области скоплений дефектов, вызванного изменением профиля концентрации примеси при ее диффузии в участки пластины с повышенной плотностью структурных дефектов, а также энергетическим уровнями самих дефектов. Исследована возможность применения плазмохимимческого травления СПХТ) на различных этапах изготовления силовых диодов : травление торцев и фаски кристаллов выпрямительных элементов (ВЭ) после резки, травления пластин кремния с нанесенным слоем никеля после формирования топологии кристаллов. На основании сравнения и анализа вольтамперных характеристик ВЭ до и после ШТ, а также при химичевком травлении установлен преобладающий вклад в ток утечки каналов инверсионной проводимости на поверхности. Дня их устранения и повышения стабильности работы диодов предложена финишная обработка кристаллов в редокс - растворах ферро-ферриционидов калия, с регулируемым окислительно-восстановительным потенциалом, обеспечивающая высокую степень очистки и пассивацию поверхности. Разработан комбинированный способ разделения пластин на кристаллы с использованием ПХТ на 1-ой стадии (глубина травления не менее 160 мкм) и обработки торцев кристаллов в растворах ферро-ферриционидов для их очистки и пассивации наз заключительной стадии.
Исследовался элементный состав поверхностных загрязнений после жидкостного и плазмохимического травления по стандартной технологии с применением химической обработки в растворе KalFefCN) / КцІїеісп)6} . Показано, что поверхность кремния очищается от ионов щелочных металлов гороздо эффективнее в последнем случае, чем с применением стандартного, например, перекисно-аммиачного раствора.
Исследовались вольамперные характеристики ВЭ, обработанных стандартными растворами и содержащие на поверхности значительные (до 10 см" ) концентрации подвижных ионов натрия. Обнаружены в некоторых случаях факты электроформовки (улучшения, стабилизации и восстановления электрических характеристик) диодных структур при токовых наработках под напряжением, близким к напряжению пробоя и наличии оптимального времени наработки (—10 сек.), обусловленные электропереносом ионов натрия и их осаждением на катоде.
Исследовались операции обработки поверхности р - п переходов структур силовых диодов, помещенных в корпус методом пайки. Показано, что стабильность и воспроизводимость параметров волтамперных характеристик диодов, помещенных в корпус, может быть обеспечена использованием для их финишной обработки окислительно-восстановительных растворов с величиной редокс-потенциала соответствующего эффективному взаимодействию растворов с поверхностными электронными состояниями кремния. На основании сравнения комплексообраэующих свойств различных составов Си в первую очередь - редокс -систем) по их воздействию на ток утечки диодов предпочтение отдано раствору хинон-гидрохинона. Это позволило разработать последовательность операций обработки поверхности р - п перехода структур, помещенных в корпус, предусматривающую устранение в кислотном растворе неконтролируемой пленки окисла и погружение в раствор хинон-гидрохинона в оцетоне для сушки и стабилизации тока утечки диода.
Разработан неразрушающий метод контроля концентрации носителей заряда в р - п переходе по измерению спектра фотоэдс на контакте р - п перехода с нейтральным электролитом.
Предложены неразрушающие способы идентификации структур несовершенств кремниевых пластин (дислокаций, микродефектов, свирл-дефектов) по характерным особенностям пространственных распределений поверхностного изгиба зон, времени жизни и спектров фотолюминесценции.
Анализ поверхности методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии и маесспектрометрии вторичных ионов
На поверхности полупроводника всегда имеется поверхностный заряд, обуславливающий наличие области пространственного заряда (ОГО) в приповерхностном слое полупроводника/Природа поверхностного заряда-ненааыщенные связи атомов кристалла, адсорбированные атомы примесей, поверхностные дефекты структуры и т.д. Параметры ОГО определяются знаком и величиной поверхностного заряда, к
Элетрическое поле на поверхности р - п перехода при определенных условиях может иниииировать такие явления, как включение микроплазм, миграцию ионов на поверхности и др. А это, в первую очередь, сказывается на токе утечки - его величине и стабильности. Возможны и такие механизмы, как генерация носителей заряда на поверхности ОПЗ или канальная проводимость, которые также в сильной степени могут влиять на ток утечки. Известно / 3 /, что вид экспериментальной вольтамперной характеристики диодов (ВАХ) и величина обратного тока весьма редко следуют одной теории. Как правило, на них влияет наложение целого ряда относительно простых механизмов. В общем случае мож но считать, что обратный ток р - Л перехода I при данном обратном смещении Va представляется в виде суммы: где 1о - диффузионный ток, 1(3- ток связанный с генерацией носителей в ОПЗ р - п перехода, 1в - ток пробоя, II- ток утечки, I - токи связанные с некоторыми редко обсуждающимися механизмами. Эти основные составляющие могут в свою очередь подразделяться на компоненты. Оказывается, что все они в большей или меньшей степени подвержены влиянию состояния поверхности либо являются полностью поверхностными. Таким образом, для анализа зависимости ВАХ от состояния поверхности необходимо представление о характерных особенностях составляющих обратного тока и возможном влияниии на них поверхности, а также об условиях преобладания того или иного компонента. Электрический пробой подразделяется на два вида: лавиный и зинеровский - полевая эмиссия, или туннелирование носителей непосредственно из одной зоны в другую. Главными параметрами материала, определяющими напряжение начала лавинного пробоя, являются коэффициенты ионизации для электронов и дырок Я . Таким образом, пробивное напряжение определяется зависимостью Коэффициенты ионизации зависят от температуры. Это приводит к характерной температурной зависимости пробивного напряжения VB , определяемой коэффициентом \ , то есть: Для кремния, \ =8.8 10 град" Зинеровский пробой связан только с критической напряженностью поля 9-fcp , характерной для материала. Например, из тео-ретических соображений Екр = 1.4 10 в см" для кремния. Помимо рассмотренных механизмов, дающих основной вклад в поверхностную составляющую тока утечки, существуют и такие, как ионная утечка в адсорбированной пленке, утечки в пленке диэлектви рика, пассирующей поверхность р - п перехода, и миграция ионов на внешней стороне пассивирующего покрытия / 4,5/. В атмосфере комнатного воздуха на реальной поверхности полупроводника может осаждаться многослойная пленка воды. Один монослой адсорбируется уже при I0& относительной влажности. Пленка же с тремя монослоями воды, которая возникает при 40$ относительной влажности, подвижна, т.е. обладает обычной (жидкой) воды. С другой стороны, известно, что на реальной поверхности содержитвя большое количество посторонних примесей, попадающих на нее из травителей, промывочной воды и внешней атмосферы. Так, например, после травления выпрямительных элементов в 30%-ном растворе НОН в воде,которое повсеместно принято в силовом полупроводниковом приборостроении, и самой тщательной промывке в деионизированной воде на поверхности фаски адсорбируется до 10 см положительно заряженных ионов калия / 6 /. Явление поверхностной проводимости актуально для р - п перехода, защищенного диэлектрической пленкой. Этому вопросу посвящена серия работ, в которых экспериментально и теоретически исследовались механизм и следствия миграции ионов на поверхности р - п переходов / 7-Ю /. Исследование временной стабильности вольт амперных характеристик показывает, что иногда ток утечки возрастает (до 100%) в течение первого часа, а затем стабилизируется. Прямые исследования поверхностной составляющей тока утечки подтверждают выводы, сделанные в работе /II/, о том, что она может достигать в зависимости от технологии обработки поверхности 40-90SS общего тока утечки. На рис. I.I представлены наиболее типичные вольтамперные характеристики.
По всей видимости кривая рис. I.I б, отличающаяся от кривой рис. I.I а, более мягким изгибом в области высоких напряжений, свидетельствует о включении микроплазм. Выпрямительному элементу, характеризующемуся кривой рис. I.I в, помимо микроплазменных явлений, свойственно образование ограниченного канала, а кривой рис. I.I г, чаще всего наблюдается на р - п переходе, поверхность фаски которого протравлена в 30 -ном водном растворе КОН. Это, очевидно, обусловлено большой концентрацией мигрирующих ионов калия, которые увеличивают число микроплазм, протяженность каналов и, самое главное, создают до 10 4 генерационных центров на I см2.
Основными методами создания каналов являются различные обработки, изменения газовых сред, легирование поверхности примесями, контакт с электролитами или специальные покрытия.
Экспериментальные данные многих исследователей привели к представлениям об основных закономерностях поверхностных явлений при наличии канала, В комплекс характеристик, влияющих на ток канала на р - п переходе, входят : I) зависимость поверхностного потенциала V от смещения; 2) механизм генерации обратного тока в канале; 3) зависимость проводимости канала от смещения; 4) зависимость длины канала і к от смещения; 5) подвижность заряда на поверхности и др.
Исследование влияния изменения градиента концентрации примеси в области скопления дефектов на вольтамперные характеристики
Указанные типы дефектов могут присутствовать как в исходном кристалле, так и появляться в нем на различных этапах изготовления прибора.
Дислокации электрически активны, являются эффективными стоками для примесей атомов и их присутствие в области р - п перехода может приводить к ряду нежелательных явлений, в частности к уменьшению напряжения пробоя. Существует несколько механизмов уменьшения Vr\p из-за явления дислокаций.
В районе дислокаций имеются области сжатия и растяяения решетки, при этом в области сжатия (для кремния может существенно уменьшится ширина запрещенной зоны, что должно привести к увеличению коэффициента ионизации носителей вблизи дислокаций и, следовательно, к повышению вероятности микроплазменного пробоя .Щчслокапии (вследствие наличия вблизи них упругих полей) является центрами осаждения примесей /16/. В случае образования примесных атмосфер легирующих примесей могут происходить локальные сужения области ОГО, приводящие к увеличению напряженности поля в местах пересечения дислокаций р - п перехода. Кроме того, в области дислокаций наиболее вероятно осаждение примесей (например, металлических), что также является причиной уменьшения пробивного напряжения. Отметим, что включение 2-ой фазы любой природы ( Si Ог9 Si С , 5i3N4 и пр.) /17/ приводит к ухудшению обратных характеристик р - п перехода, т.е. величина \/пр уменьшается, при этом металлические включения вызывают "смягчение" ВАХ. Вдоль дислокаций могут быть повышены коэффициенты диффузии примесей, что при пересечении дислокаций плоскости р - п перехода приводит к появлению диффузионных выступов, т.е. искревлений металлургического перехода. Наконец, наличие электрически активных уровней дислокации, работающих как рекомбинационные центры, может приводить к увеличению генерационных токов при обратном смещении диода.
В ряде работ /18/ отмечается связь между между плотностью дислокаций и величиной токов утечки. Однако, изменяющиеся в литературе данные относительно влияния дислокаций на электрические свойства приборов довольно противоречивы.
Известно, что при росте кристаллов кремния с низкой плотностью дислокаций возникает другой тип дефектов, гмикрадефекты, называемые так вследствие их малого размера (3-10,10 мкм). микродефекты являются концентраторами напряжения кристаллической риветки и в определенных условиях могут стать источниками дислокации. Микродефекты можно наблюдать с помощью избирательного травления.
При понижении температуры выращивания возникают так называемые свирл-дефекты А и В типа /19,20/,Если доминируют вавансии, агрегаты междоузельных атомов кремния (видимо, с участием примесей) дают так называемые D - дефекты.
Характер А,В и D дефектов при выращивании подробно написан в работе /21,22/. Свирл-дефекты обнаруживаются и в криеталлах выращенных по методу Чохральского и в кристаллах полученных методом зонной плавки независимо от их кристаллографической ориентации. Свирл - дефекты А типа идентифицированы как небояьпше дислокационные петли в кристаллах в областях, удаленных от поверхности и краев пластин, микродефекты меньшего размера (3-5 мкм) (В - дефекты) наблюдаются во всем объеме кристалла и являются предположительно кластерами собственных межузельных атомов кремния.
Так называемые D - дефекты обладают анизотропией в сравнении с дефектами А - и В - типов, Кроме того, D -дефекты активнее В - дефектов, в В-дефекты в свою очередь активнее А-де-фектов в отношений генерации дислокаций /23/. Зародышами кластеров собственных межузельньк атомов кремния является очевидно углерод.
После легирования примесями в кристаллах, выращенных методом Чохральского, возникают специфические ростовые мелкие равномерно распределенные микродефекты, называемые о - дефектами.
Уместно отметить, что важную роль кислорода и углерода (основных сопутствующих примесей в кремнии) в генерации дефектов /24/. В частности, велика роль включения 2-ой фазы типа и Si С . Однако, ясного понимания механизма влияния этих примесей и особенно их комплексов с атомами металлов на электрические свойства материала и приборов до сих пор нет.
Считается, что из-за незначительных размеров микродефектов к их электронейтральности они не представляют непосредственной опасности для работы р - п перехода в силовом диоде. Однако они являются эффективными центрами зарождения более сложных дефектов типа дефектов упаковки, кроме того, микродефектам в кремнии нопутствуют неоднородности удельного сопротивления (страты, слоистость), оказывающие заметное влияние на свойства р - п переходов. Это влияние проявляется в том, что неоднородность удельного сопротитвления проявляют себя как в области ускоренной рекомбинации, а также области микроплазменного пробоя. На рис, 1.4 показано влияние положения места измерения на пластине на локальное время жизни и локальное удельное сопротивление /25,26/. Как время жизни, так и / уменьшаются в местах расположения свирл-дефектов, т.е. в местах неоднородности удельного сопротивления.
Связь режимов плазмохимического травления поверхности р - п переходов с ее геометрическими параметрами и электрофизическими характеристиками изготовленных структур силовых диодов
В реальных диодных структурах, в том числе и в силовых диодах» значительная часть рабочей области р - п перехода выходит на поверхность кристалла и находится вследствие этого в особых, по сравнению с объемной частью, условиях. Это обстоятельство определяет ту существенную роль, которуюоказывает поверхность р - п перехода на параметры прибора и, в частности, на величину пробивного напряжения.
Одной из главных проблем в конструировании высоковольтных диодов является полное исключение поверхностного пробоя при обратном напряжении.
Это явление определеяется распрееделением напряженности электрического поля на поверхности выпрямительного элемента в месте выхода р - п перехода, и задача исключения поверхностного пробоя сводится по существу к уменьшению напяяженнос-ти поля в области пространственного заряда на поверхности, что достигается использованием различных приемов: созданием охранных колеи, фасок, защитой поверхности диэлектриком с высокой диэлектрической проницаемостью Ь /31-36/.
Пространственный заряд обусловленный неподвижными ионами, представляет обедненный, обогащенный или инверсионный слой на поверхности (рис. 1.7.). В зависимости от условий на поверхности (например, величины и знака поверхностного заряда) ОПЗ металлургического перехода в приповерхностном слое кристалла может быть уже (при обогащении высокомной обласяи), или шире (при ее обеднении), чем в объеме. Очевидно, его не может не сказаться на величине пробивного напряжения р - п перехода. Действительно, сужение ОШ увеличивает напряженность электрического поля в приповерхностной области по сравнению с объемной, что приводит к возникновению поверхностного пробоя р - п перехода при более низком запирающем напряжении. Рассмотрим несколько примеров, иллюстрирующих влияние поверхности на свойства р - п перехода. На рис. 1.8а показана схема, образования р - п перехода в полупроводнике Г) - типа, на поверхности которого имеется обогащенный слой. Такая картина соответствует положитель- ному заряду на поверхности. Ширина слоя объемного заряда зависит от концентрации носителей заряда в п - области и в указанной ситуации она становится меньше. В результате поле будет максимально в приповерхностной области р - л перехода, и увеличение обратного тока и пробой в этих областях будут происходить при меньших значениях запирающего нннряжения, чем в объемной области перехода. Другая картина получается, если заряд на поверхности кристалла отрицательный, а плотность заряда настолько велика, что -к под образуется инверсионный слой проводимости р - типа (1.86). Инверсионный слой соединен оптически с областью основного перехода, в результате чего резко возрастает обратный ток перехода. Если инверсионный слой распространяется на столько, что соединяется с металлическим электродом, то образуется канал, по которому ток напрямую течет от одного электрода к другому. Многочисленные исследования характеристик канала и его роли в общей картине р - 71 перехода показали, что влияние канала на ток утечки и пробивное напряжение исключительно велико. Так, Jfe неравновесные носители заряда, генерируемые на поверхности перехода, затягиваются в канал и сильно увеличивают ток утечки. Нередки случаи, когда канал разогревается протекающитм через него током настолько, что может вызвать локализованный Наблюдать каналы на поверхности кремниевого перехода можно визуально с помощью сканирования световым зондом, В работе /37/ были проведены такие наблюдения. Показано было, в частности, что обработка р - л перехода во влажном воздухе способствует формированию протяженных каналов. Следует отметить, что заряд, образующийся на границе раздела Si - SiО2» обычно положительный /38/, и канал в кремнии может возникнуть только на поверхности р - области. Поскольку силовое полупроводниковое приборостроение базируется на кремнии л - типа, то образование каналов на поверхности л - базы маловероятно. Однако в реальных условиях в процессе изготовления прибора возможно образование и отрицательного по заку заряда на поверхности, в связи с чем необходимо принимать специальные меры защиты против ионных загрязнений адсорбирующихся на поверхности фаски, например, в процессе травления. Указанные загрязнения плохо удаляются при интенсивной промывке в горячей и холодной деионизированной воде и для их десорбции используют всевозиожные химические методы (подробнее этот вопрое рассмотрен в разделе I.I.3) Часто эти методы сочетают с ультразвуковой обработкой /39/.
