Способ формирования изолированных внутренних областей

ЮЗ СОВЕТСКИХЦИАЛИСТИЧЕСКИХ РЕСПУБЛ 11ГОСУДАРСТВЕ 1 П 1 ОЕ ПАТЕНТНОЕВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР)ОПИСАНИЕ И ТОРС 1(ОМУ СВИДЕТЕЛЬС(54) СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ИЗОЛИРОВАННЫХ ВНУТРЕННИХ. ОБЛАСТЕЙ(57) Изобретение относится к технологии изготовления мощных полупроводниковых приборов накремнии, а именно к диффузионным способам изготовления тиристоров. Целью изобетения является улучшение параметров многослойных структурза счет повышения воспроизводимости параметровдиффузионных слоев при формировании изопиро ванных внутр чает шлифо обработку, со областей, нан диффузанта кислый алюм 0,9 - 1,3. По в течение 1 =8.3 ф 10 а4 2 оминимальное температура ботки, ч;В- тины,см. 1 ил енних областей. Данный способ вклювку кремниевых пластин, химическую здание рельефа, травление локальных есение на обе поверхности раствораиз смеси, масц: этанол 121 6,5; азотноиний 100; ТЭОС 374 и борная кислота следующую термообработку проводят времени от 1.061 до 1201, гдеэехр(1.6 10 ЬТ)(1-4.2 ф 10 ЬТ) время термообработки, ч; ЬТ=1 280-Т: обработки, 0 С; 1 - время термообраминимальная толщина исходной плас. 5 табл.. изготовления полупроводниковых приборов ка основе кремния, преимущественно кдиффузионным способам изготовлениямногослойных структур силовых тиристоров, симисторов и высоковольтных интегральных схем.Известен способ изготовления изолированных областей в многослойных структурах силовых тиристоров, в которомиспользует диффузии акцепторных примесей йо всей площади кремниевых пластин исквозную локальную диффузию алюминия вжидкой фазе под действием градиента температуры - так называемая эонная перекристаллизация с градиентом температуры(ЗГГТ). В результате формируютая изолированные внутренние областИ:исходногокремния п-типа, ограниченные сверху и снизу горизонтальными дифФузионными слоями, а справа и слева вертикальнымиканалами, образованными ЗПГТ. Этот способ позволяет изготовить силовые тиристоры планарного типа.Недостаток известного способа состоитв том, что он сложен, трудоемок и требуетиспользования сложного специального технологического оборудования,Наиболее близким к предлагаемому является способ формирования изолированных внутренних областей в шлифованныхпластинах кремния и-типа проводимости,включающий химическую обработку пластин, создание на поверхности локальныхтравленных областей, нанесение на обе поверхности раствора-.диффузанта, содержащего соединеийе алюминия, итермообработку (диффузию) в окислительной атмосфере. В известном способе при, диффузии в окислительной атмосфере засчет неглубокого локального травленияшлифовальной поверхности кремнияуменьшают поверхностную концентрациюалюминия, что и позволяет формировать локально углубленный фронт р-п-перехода.Недостаток известного способа состоитв том, что величина локального углубленияфронта р-и-перехода невоспроизводима,так как значение поверхностной концентрации алюминия, а следовательно, иглубина залегания р-и-перехода сильно зависят от условий локального травления времени, температуры, состава травителя ит,п.), что приводит к ухудшению параметровизготавливаемых приборов.Целью изобретения является улучшение параметров многослойных структурприборов путем повышения воспроизводимости параметров диффузионных слоевпри формировании изолированных внутренних областей в шлифованных пластинах кремния.Для этого в способе формирования изолированных внутренних областей в шлифо- Б вальных пластинах кремния и-типапроводимости, включающем химическую обработку пластин, создание на поверхности локальных травленых областей, нанесение на обе поверхности раствора-диффузанта, 10 содержащего соединение алюминия, и термообработку в окислительной атмосфере, в раствор-диффузант дополнительно вводят борную кислоту при следующем соотношении компонентов, мас.ч,:18 Этанол 96 1216,5Азотнокислый алюминий 100 Тетраэтоксисилан 374 Барная кислота 0,9-1,3 20 а термообработку проводят в течение времени1,06 то 51 5 1,20 тогде1 о =8,3 10 ЧЧехр(1.67 х30 х 10 АТ) (1 - 427 хх 10-3, Т) -1т -время термообработки, ч;то - минимальное время термообработки, ч,ЧЧ - минимальная толщина исходнойпластины,см;ЬТ - 1280 - Т;"0 Т - температура термообработки, С,Признаками, отличающими данное техническое решение от прототипа, являются:- наличие борной кислоты в растворедиффузанте- эмпирически расчетная зависимость. времени термообработки от температуры итолщины пластины кремния.Благодаря повышению воспроизводимости параметров диффузионных слоев по вышается процент выхода годныхприборов, 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 диффуэией поверхность пластины 2, Ю- минимальная толщина исходной пластины, Х) - толщина р-слоя в активной частир-п-р-структуре формируемого тиристораили симистора.Так как минимальное значение поверхностной концентрации алюминия при диффузии из окисного источника притемпературе 1240 С равна 1,6 10 см, тодля получения воспроизводимой толщиныр-слоя в шлифованной части пластины необходимо, чтобы концентрация доноров в исходном кремнии была на 2 порядка нижеъ30 Ом см). С другой стороны, дляповышения пробивного напряжения нецелесообразно брать р80 Ом см, так как 15максимальную толщину формируемой изолированной и-области практически нельзяполучить больше 220 мкм. Максимальнаятемпература 1300 С ограничена при длительной работе возможностями современного диффузионного оборудования, а такжеопределяется тем, что с повышением температуры ухудшаются параметры исходногокремния и увеличивается деформация тонких пластин, а при температуре ниже 251240 С сильно возрастает время термообработки.Для изготовления многослойных структур силовых тиристоров и симисторов с повторяющимся напряжением 800-1200 В 30необходимо изготовить р-и-р-структуру столщиной р-слоя Х) = 60-70 мкм и поверхностной концентрацией примеси Й (1-2) 10см, что соответствует поверхностному сопротивлению диффузионного слоя Р 5 = 60- 35120 Ом 4 Э . Такие параметры можнополучить, если в раствор-диффузант дополнительно ввести борную кислоту в концентрации 0,9-1,3 мас.ч, при следующемсодержании остальных компонентов раствора, мас.ч,Этднол 12165,5Азотнокислыйалюминий 100Тетраэтоксисилан 374 45Если при создании локально травленных областей (2) проводить полирующеетравление на глубину 8-10 мкм, то в окислительной атмосфере в этих областях полностью исключается диффузия алюминия и 50происходит только диффузия бора, а в ос тальных областях (1) - диффузия алюминияи бора. В диапазоне температуры 12401300 С при концентрации борной кислотыменее 0,9 мас,ч. Р 5 возрастает более 120 55ОмЯЛ, а при концентрации более 1,3 мас.ч,становится менее 60 ОмС.Минимальное время термообработки с 0,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 т 0, При разбросе в 10 мкм и Я -320, мкм330 необходимо, чтобы тто =320 -1,06, иначе не произойдет смыкание диффузионных потоков алюминия во всех не- травленных областях (1). Однако, увеличение времени более 1,20 т 0 нецелесообразно, так как при этом Х) 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 ехр (-2,6 10 ЬТ)см Поскольку значения энергии активации коэффициентов диффузии алюминия 8,0 ехр (-3,47/КТ) и бора 0,76 ехр (-3,46 АТ) 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.П р и м е р. Исходные шлифованные порошки с размером зерна 14 мкм пластины кремния п-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.:Эта нол 1216,5 Азотнокислыйалюминий 100 Борная кислота 0,9-1,31715124 20 Таблица 1 блица Тетраэтоксисилан374 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 Х - 60-70 мкм и Яв = 60-120 Омй что позволяет их исполь зовать для изготовления многослойныхструктур силовых тиристоров и симисторов планарного типа, Параметры диффузионных слоев, изготовленных по известному способу, невоспроизводимы и поэтому та кие структуры не пригодны для изготовления тиристоров и симисторов,(56) 1. М.СЬапд, Р.Кеппебу. Тпе арр 1 са 1 оп о 1 теврегаснге 9 габепт хопе веЮпц со зсоп 15 ваГег ргосеззпц.,.Еестгосйеа. Яос. 1981,ч, 128, М 10, р, 2133-2198. 2. Авторское свидетельство СССР М 1327737, кл, Н 01 .21/306, 1985,Формула изобретенияСПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ИЗОЛИРОВАННЪХ 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 борную нии ком Этанол Азотно Тетраэ Борная термоо мени т и 1,06 где т 5 х 10 Л ное врем ЬТ= Т-те1715124 1 2 Составитель Я.НисневичТехред М.Моргентэл Корректор Н, Милюкова тор акэз 3353 Тираж Подписно НПО "Поиск" Роспатента3035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина