Физико-технологические основы создания биполярных со статической индукцией транзисторов с улучшенными характеристиками тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, доктор наук Шахмаева Айшат Расуловна

• Шахмаева Айшат Расуловна
• доктор наук
• 2026

Оглавление диссертации доктор наук Шахмаева Айшат Расуловна

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И РАЗВИТИЕ

КОМПОНЕНТОВ ЭЛЕКТРОНИКИ

1.1. Мощные полупроводниковые приборы силовой электроники

1.2. Основные типы, технология и конструктивные особенности полевых

и биполярных транзисторов

1.3. Технологическое развитие транзисторов со статической индукцией (СИТ), биполярных со статической индукцией транзисторов (БСИТ)

1.4. Требования к транзисторным структурам современной электроники, применение БСИТ

1.5. Сравнительный анализ электрических параметров и характеристик полевых биполярных мощных транзисторов, БТИЗ и БСИТ

1.6. Общие выводы и постановка задач исследования

ГЛАВА 2. ПРИМЕНЯЕМОЕ ОБОРУДОВАНИЕ И МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ

ОБЕСПЕЧЕНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ

2.1. Технологическое оборудование

2.2. Контрольно-измерительное и испытательное оборудование

2.3. Методы измерений, контроля параметров

2.3.1. Электронная оже-спектроскопия

2.3.2. Электронная оптическая микроскопия

2.3.3. Рентгеновский метод

2.3.4. Метод измерения поверхностного сопротивления и поверхностных состояний транзисторных структур

2.3.5. Метод контроля чистоты поверхности пластин

2.3.6. Метод контроля адгезии металлов к кремнию и контроль качества... посадки кристалла на основание корпуса

2.3.7. Метод измерения глубины диффузионных слоев

2.3.8. Метод измерения теплового сопротивления «кристалл-корпус»

2.4. Погрешности измерений

2.5. Выводы по главе

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ БАЗОВЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПРОИЗВОДСТВА БСИТ И РАЗРАБОТКА СПОСОБОВ ИХ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ

3.1. Принцип работы БСИТ и технологические особенности реализации различных конструктивных вариантов

3.2. Базовый технологический маршрут создания БСИТ, анализ технологии формирования структуры

3.3. Способы и методы совершенствование основных этапов технологии создания структуры БСИТ

3.3.1. Способ отмывки полупроводниковых пластин

3.3.2. Способ получения пленки оксида кремния

3.3.3. Способ получения пленки нитрида кремния

3.3.4. Способ травления пленки нитрида кремния

3.3.5. Формирование затворной области БСИТ с введением инжекции водорода в технологическую среду

3.4. Метод увеличения напряжения пробоя для БСИТ

3.5 Выводы по главе

ГЛАВА 4. МЕТОДЫ МОДЕЛИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ БСИТ

4.1. Программы моделирования полупроводниковых приборов

4.2. Выбор подпрограмм САПР ТСАО для моделирования конструкции и технологии БСИТ

4.3. Метод расчета пробивного напряжения БСИТ с использованием инструментов САПР

4.4. Метод расчета сопротивления канала БСИТ с использованием инструментов САПР

4.5. Выводы по главе

ГЛАВА 5. ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ, СВЯЗЫВАЮЩИХ

ПРОБИВНОЕ НАПРЯЖЕНИЕ И СОПРОТИВЛЕНИЕ КАНАЛА С КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПАРАМЕТРАМИ БСИТ

5.1. Влияние охранных колец на пробой р-п перехода и расчет пробивного напряжения с использованием подпрограмм САПР

5.2. Составляющие сопротивления БСИТ

5.3. Конструктивно-технологические параметры, влияющие на сопротивление БСИТ

5.4. Расчет структуры БСИТ

5.5. Расчет конструктивных и электрических параметров БСИТ

5.6. Расчет топологии, модель БСИТ, эскизы фотошаблонов

5.7. Выводы по главе

ГЛАВА 6. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ФОРМИРОВАНИЯ ОСНОВНЫХ ОБЛАСТЕЙ БСИТ, РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ И ЭКСПЕРИМЕНТОВ

6.1. Технология формировании области затвора, моделирование процесса

и экспериментальные результаты

6.2. Технология формирования области истока, моделирование процесса

и экспериментальные результаты

6.3. Формирования контактной области, моделирование процесса, экспериментальные результаты

6.3.1. Математическое моделирование тепловых процессов при формировании контакта к стоковой области БСИТ

6.3.1.1. Определение температурного поля БСИТ

6.3.1.2. Методика численного расчета температурного поля БСИТ

6.3.1.3. Результаты численного эксперимента

6.4. Метод обработки поверхности пластин перед напылением, экспериментальные результаты

6.5. Способ металлизации для формирования контакта к стоковой области БСИТ, экспериментальные результаты

6.6. Стохастическая оценка надёжности работы БСИТ КП961 в

критических условиях эксплуатации

6.7. Выводы по главе

ГЛАВА 7. УСОВЕРШЕНСТВОВАННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ МАРШРУТ ФОРМИРОВАНИЯ БСИТ

7.1. Технологический маршрут изготовления БСИТ

7.2. Сравнительный анализ выходных характеристик и параметров БСИТ

по базовой и усовершенствованной технологиям

7.3. Разработка управляемых выпрямителей на основе БСИТ

7.4. Выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И ОБОЗНАЧЕНИЙ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Физико-технологические основы создания биполярных со статической индукцией транзисторов с улучшенными характеристиками»

Актуальность темы исследований

Электронная промышленность является одной из ключевых стратегических отраслей экономики страны и от ее развития зависит индустриальный потенциал, состояние инфраструктуры, качество жизни населения.

Бурное развитие микроэлектроники, а в последние годы и наноэлектроники требует разработки новых конструкций полупроводниковых приборов и технологических процессов их изготовления. Рост спроса на мощные полупроводниковые приборы и модули происходит в условиях сохраняющегося дефицита на ряд типов изделий на рынке полупроводниковых приборов в целом. Дефицит мощных полупроводниковых приборов стимулирует их производителей расширять производственные мощности.

В настоящее время на рынке приборов для силовой электроники доминируют фирмы США, Китая, ЕС, Японии и Тайваня, но они сталкиваются с возрастающей конкуренцией китайских фирм. Наиболее динамично развивающимися секторами рынка приборов силовой электроники являются изделия, реализованные по GaN и SiC -технологиям, - их продажи, по прогнозам Yole Developpement (Лион, Франция), увеличатся в ближайшее время до 0,78 млрд и 3,39 млрд долл. соответственно [1].

Сектор мощных полупроводниковых приборов всегда был одной из важных частей рынка полупроводниковых приборов в целом - на них приходилось от 712% продаж. Основными факторами, влияющими на развитие данного сектора в настоящее время, можно назвать ужесточение требований к энергоэффективности во многих конечных применениях.

В основе всех современных инновационных технологий в развитых странах лежит микро- и наноэлектроника. При этом состояние и перспективы развития ее в России - важнейший фактор становления, как ее экономики, так и безопасности.

В соответствии со стратегией научно-технологического развития микро- и радиоэлектронной отрасли в России, создания и применения электронной

компонентной базы, и несмотря на вызовы, которые существуют в настоящий момент, российские производители электроники инвестируют серьёзнейшие средства в научно-исследовательские и конструкторские работы.

Успехи современной техники напрямую зависят от прогресса в области силовой электроники. Основными элементами силовой электроники являются биполярные мощные транзисторы (БМТ), металл-оксид-полупроводник мощные транзисторы (МОП МТ), биполярные транзисторы с изолированным затвором (БТИЗ), биполярные со статической индукцией транзисторы (БСИТ), тиристоры, и другие приборы, используемые для работы в электронных системах в качестве ключа и применяемые также в различных устройствах преобразования электроэнергии. В процессе работы к ним предъявляются высокие технические требования по электрическим параметрам и характеристикам. Но не всегда эти требования достаточно проработаны, так, из-за часто возникающих токовых перегрузок они могут иметь непродолжительный срок службы или приводят к необратимым ухудшениям характеристик.

Развитие силовой электроники на современном этапе неразрывно связано с необходимостью повышения показателей качества и надежности полупроводниковых приборов, в частности, обеспечения их защиты от пробоя. В настоящее время в связи с высокой интеграцией и тенденцией развития многих отраслей приборостроения на внутреннем и внешнем рынке увеличивается потребность в силовых транзисторах, применяемых в источниках вторичного электропитания, ключевых усилителях мощности, электронных системах зажигания, электроприводах для управления электродвигателями и других радиоэлектронных устройств.

Научные исследования, направленные на получение новых приборных структур, совершенствование конструкции и технологии полупроводниковых приборов, в результате которых появляются оптимальные конструкции и оптимальные технологии изготовления полупроводниковых приборов с применением новых материалов, технологических методов и способов, режимов способствуют получению качественных и надежных приборов, отвечающие требуемым условиям.

Совершенствование технологии микроэлектроники способствует созданию

новых приборов, которые обеспечивают высокие показатели надежности, высокое быстродействие, долгий срок эксплуатации и проблема комплексного подхода к разработке конструкции и технологии изготовления транзисторных структур высокого качества с минимальными производственными затратами является своевременной и актуальной. При производстве изделий микроэлектроники особенно важным являются и экономические показатели, такие как процент выхода годных изделий, себестоимость, из которых и складывается стоимость радиоэлектронных устройств, которые сегодня во многом определяют уровень жизни общества.

Мощные полупроводниковые приборы, такие как биполярные и полевые транзисторы, тиристоры и симисторы, призванные выполнять функции ключей постоянного и переменного тока, и при превышении допустимой максимальной перегрузки могут часто выходит из строя. Для силовых транзисторов, в составе сложных схем требуются большие токи управления, и очень часто наблюдается снижение их быстродействия, основной причиной которого является накопление неосновных носителей заряда в базовой области. При сравнении разных типов транзисторов МОП МТ превосходят по техническим показателям в низковольтной области, но превышают по стоимости. БТИЗ имеют низкое сопротивление в открытом состоянии, но и как у БМТ у них большое время переключения. БСИТ по сравнению с БМТ, МОП МТ и БТИЗ, обладают лучшими характеристиками, у них более высокое быстродействие, более низкое напряжение насыщения при высоких коэффициентах усиления, повышенная устойчивость к перегрузкам, эффективная работа при параллельном включении и низкая себестоимость.

Исследование способов совершенствования конструкции и технологии мощных транзисторов и БСИТ нашло отражение в научных трудах ряда отечественных и зарубежных ученых и исследователей: Адонина А.С., Аносова В.С., Антипова С.А., Зенина В.В., Королева М.А.Максименко Ю.Н., Лагунович Н.Л., Ланина В.Л., Керенцева А.Ф., Nishizawa J., T. Ohmi, Forman R.S., Jiang Y., Ionescu A.M., Ishiko M., Kawaji S. и др.

Анализируя данные работы и отмечая их несомненную значимость, необходимо указать на отсутствие в работах исследований полного цикла технологии

изготовления БСИТ с достаточным процентом выхода годных и с получением требуемых характеристик и параметров прибора.

Принцип действия и первые экспериментальные образцы статистических индукционных транзисторов (СИТ) и БСИТ были разработаны японским ученым Джан-ичи Нишизава ^ип-юЫ Nishizawa) в начале 1970-х годов и были продолжены им активнее в 1980-х годах. В России разработки БСИТ впервые были проведены в 1980-1992 годах исследователями из Новосибирска, одним из которых является Максименко Ю.Н. [2]. Серийное производство БСИТ, в основном, было начато в начале 1990-х годов на полупроводниковых заводах в городах: Новосибирск, Москва, Александров, Брянск, Махачкала. Но, БСИТ, изготовленные с применением методов биполярной технологии, хорошо отработанных при производстве мощных транзисторов, получали с низким общим процентом выхода годных, не более 40%, очень редко на предприятии «ОАО Эльдаг» выход годных составлял 50-52%.[3]

Для устройств силовой электроники БСИТ может использоваться в качестве переключательных элементов, сочетая все лучшие достоинства биполярных транзисторов и полевых транзисторов при низкой стоимости. Но эти приборы имеют недостаточное для ряда применений пробивное напряжение, сопротивление канала и надежную работу в критических условиях эксплуатации - при предельно-допустимых значениях температур (от -45°С до +125°С). Изменения в структуре прибора иногда приводит к возрастанию площади кристалла, что ведет к ухудшению динамических характеристик прибора, но на сегодня нет и отработанной эффективной технологии изготовления БСИТ.

Таким образом, для системного решения указанных проблем, необходимо развитие физико-технологических основ создания БСИТ с улучшенными характеристиками, что является актуальной научной задачей, имеющей существенное значение для развития силовой электроники.

Цель и задачи диссертационной работы

Цель. Развитие физико-технологических основ создания БСИТ с

повышенным пробивным напряжением, низким сопротивлением канала с сохранением высокого быстродействия, коэффициента усиления по току, обеспечивающих высокий процент выхода годных и надежность работы в критических условиях эксплуатации.

Задачи, которые должны быть решены для достижения цели:

1. Анализ структуры и технологии создания БСИТ с целью выявления параметров структурных областей прибора, обуславливающих низкое пробивное напряжение транзисторов и высокое сопротивление канала.

2. Обоснование направлений исследования базовой технологии формирования активных областей структуры транзистора с целью выявления параметров, способствующих повышению однородности легирования и получению требуемых значений концентрации примеси.

3. Разработка технологии получения области затвора структуры транзистора с учетом особенностей легирования примеси на основе твердого планарного источника с улучшением параметров процесса.

4. Определение методов конструктивно-технологического моделирования транзисторных структур и их реализация применительно к БСИТ.

5. По результатам моделирования БСИТ разработка конструктивно-технологических решений для повышения пробивного напряжения и получения малых значений сопротивления канала.

6. Обоснование направлений исследования базовой технологии формирования металлизации обратной стороны кристалла транзистора с целью выявления параметров, способствующих уменьшению теплового сопротивления прибора.

7. Определение методов и режимов обработки обратной стороны кристалла транзистора перед металлизацией для повышения адгезии металлов к кремнию и уменьшения механических напряжений.

8. Определение и обоснование выбора материалов контактных слоев обратной стороны кристалла транзистора.

9. Разработка технологии металлизации обратной стороны структуры транзистора при формировании контакта к стоковой области прибора, обеспечивающую качественную посадку кристалла транзистора на основание корпуса с улучшением тепловых свойств прибора.

10.Применение методов математического моделирования теплофизических процессов границы раздела транзистора - «кристалл- корпус» для определения значения теплового сопротивления контакта при различных способах металлизации контактной области прибора.

11. Совершенствование базового технологического маршрута получения исследуемых транзисторных структур с увеличенным процентом выхода годных приборов, имеющих повышенное значение пробивного напряжения и малое значение сопротивления канала и работающих в критических условиях эксплуатации.

12. Апробация разработанных и полученных на основе проведенных исследований транзисторов в условиях опытного и серийного производства.

Научная новизна результатов исследований

В результате системного научно-обоснованного подхода при разработке физико-технологических основ создания биполярных со статической индукцией транзисторов с улучшенными характеристиками получены следующие результаты, обладающие научной новизной:

1. Разработан способ получения затворной области БСИТ из твердого планар-ного источника, отличающийся от известных использованием процесса ин-жекции водорода в технологическую среду что позволяет активизировать поверхность источника, ускорить процесс диффузии, повысить однородность легирования по поверхности, уменьшить разброс поверхностного сопротивления, уменьшить количество кристаллических дефектов и ямок на поверхности полупроводниковой пластины.

2. Разработана конструктивно-технологическая модель БСИТ, отличительной особенностью которой является наличие в структуре защитных колец и

возможность определения параметров транзистора, в том числе степени глубины легирования защитных колец для получения требуемого значения напряжения пробоя.

3. Установлены зависимости напряжения пробоя от параметров структуры транзистора, которые позволяют оптимизировать число защитных колец и расстояние между ними с учетом значения заряда в оксиде структуры прибора.

4. Установлены зависимости сопротивления канала БСИТ от толщины и концентрации примеси эпитаксиального слоя, позволяющие определить длину затвора с учетом изменения концентрации примеси при сохранении площади кристалла.

5. Разработана технология четырехслойной металлизации обратной стороны кристалла транзистора, экспериментально установлена зависимость характеристик исследуемого прибора от толщины каждого слоя многослойной металлизации, полученной в едином технологическом цикле, что обеспечивает улучшение теплофизических характеристик прибора.

6. Разработан способ обработки обратной стороны структуры транзистора позволяющий повысить адгезионную прочность формируемой многослойной структуры.

7. Разработана математическая модель БСИТ, предназначенная для анализа его теплофизических параметров, построенная на основе решения системы дифференциальных уравнений нестационарной теплопроводности для слоистой структуры сложной конфигурации с граничными условиями второго и третьего рода.

8. Разработана технология создания БСИТ, отличающая от базовой наличием защиты от пробоя, получением малых значений сопротивления канала, совершенствованием методов формирования области затвора и контакта к стоковой области транзистора, обеспечивающая повышенный процент выхода годных и высокую надежность работы в критических условиях эксплуатации.

Новые научные результаты диссертационной работы подтверждены исследованием, анализом результатов и оптимизацией технических решений, обладающих научной новизной, подтверждаемой получением 15 патентов РФ на изобретения.

Теоретическая и практическая значимость работы

В работе использован системный подход, заключающийся в системно-структурном анализе теоретических и технологических проблем разработки физико-технологических основ создания БСИТ.

1. Для формирования затворной области транзистора обосновано использование твердого планарного источника диффузии при температурах до 1000°С

2. Разработаны физико-химические основы процесса инжекции водорода в технологическую среду для активации поверхности источника диффузии и получения стабильных результатов по однородности легирования примеси на поверхности кремниевой пластины с транзисторными структурами.

3. Обосновано использование защитных колец для увеличения напряжения пробоя БСИТ.

4. С использованием моделирования установлены закономерности зависимостей напряжения пробоя БСИТ от количества защитных колец в структуре транзистора, глубины залегания примеси, расстояния между кольцами и значения заряда в оксиде.

5. Для уменьшения сопротивления канала БСИТ установлены зависимости сопротивления канала от толщины и концентрации примеси эпитаксиального слоя.

6. Установлена зависимость характеристик исследуемого прибора от толщины каждого слоя многослойной металлизации (Cr-Ni-Sn-Ag), полученной в едином технологическом цикле, с обеспечением уменьшения механических напряжений структуры, увеличения надежности контакта к стоковой области транзистора и улучшения теплофизических характеристик прибора.

7. Разработана математическая модель, определяющая тепловое сопротивление на границе «кристалл-корпус» транзистора при различных вариантах

металлизации.

8. Разработанные технологии получения затворной области, обработки поверхности, металлизации, позволили усовершенствовать технологический маршрут создания БСИТ и увеличить процент выход годных приборов непосредственно на данных технологических операциях и общий процент выхода годных приборов на 8-9% по сравнению с базовой технологией.

9. Разработанные технологии отдельных основных процессов формирования активных областей исследуемых транзисторов, а также выводы и обобщения, сделанные на их основе, могут быть успешно использованы не только для БСИТ, но и для формирования структур как мощных силовых транзисторов, так и элементов энергосберегающих модулей.

10.На основе проведенных исследований, в условиях опытного производства изготовлены образцы БСИТ типа КП961. Измерения параметров изготовленных приборов показали, что транзисторы имеют увеличенное до 500В пробивное напряжение и уменьшенное сопротивление канала до 0,030м при занимаемой прибором площади 1,56*1,56 мм2. Транзисторы могут быть применены для работы в критических условиях эксплуатации - при температурах от - 45°С до +125 °С и частоты до 100 кГц.

11. Разработан и исследован макет управляемого выпрямителя с применением БСИТ, результаты исследования показали работоспособность макета при входном напряжении от 2,0 В на частоте до 750 кГц, а коэффициент полезного действия при средних плотностях тока превышает аналогичные и достигает 90%.

12. Результаты научных исследований нашли практическое применение на предприятиях, занимающихся полупроводниковым производством: ООО «Эль-даг», ЗАО «ЭПЛ» (г. Москва, Зеленоград), УП «Ролан» (Республика Беларусь, г. Минск), ООО «Дагкремний» (г. Махачкала). Акты внедрения прилагаются.

13. Разработанные в диссертационной работе методы, модели, технологии использовались при выполнении хоздоговорных, госбюджетных НИОКР,

ФЦП, Госзаданий и в рамках программы «СТАРТ» Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере. Результаты работы использованы в учебном процессе Института перспективных технологий и индустриального программирования ФГБОУ ВО «МИРЭА-РТУ» на кафедре наноэлектроники и включены в курсы подготовки бакалавров по направлению 11.03.04 и магистров по направлению 11.04.04. -«Электроника и наноэлектроника» при проведении лекционных и практических занятий по дисциплинам: «Материалы и технологии электронной и компонентной базы», «Моделирование и проектирование элементов электронной компонентной базы», «Физико-технологические основы технологических процессов электронной компонентной базы». Результаты работы использованы также в учебном процессе на кафедрах теоретической и общей электротехники и радиотехники, телекоммуникаций и микроэлектроники ФГБОУ ВО «Дагестанский государственный технический о университет» и включены в курсы дисциплин «Проектирование и технология электронной компонентной базы», «Радиоматериалы и радиокомпоненты», «Основы конструирования и технологии производства РЭС», «Материалы электронной техники», «Процессы микро- и нанотехнологии». Результаты исследований использованы в учебном процессе МИЭМ НИУ ВШЭ по подготовки магистров по направлению 11.04.04. -«Электроника и наноэлектроника» при проведении лекционных и практических занятий по дисциплине: «Измерение и контроль параметров электронных компонентов и средств». Акты использования прилагаются.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Разработанная технология формирования затворной области БСИТ с применением твердого планарного источника и с введением процесса инжекции водорода в технологическую среду позволяет активизировать поверхность источника и ускорить процесс диффузии, повысить однородность легирования по поверхности, уменьшить разброс поверхностного сопротивления на пластине с

10% до 1%, между пластинами на с 10% до 3 %, уменьшить количество кристаллических дефектов и ямок на поверхности полупроводниковой пластины с 10% до 2%.

2. Формирование в структуре БСИТ защитных диффузионных колец в процессе получения затворной области прибора с использованием соответствующей легирующей примеси обеспечивает увеличение напряжения пробоя.

3. Закономерности, установленные с использованием САПР, позволяют связать напряжение пробоя БСИТ с расстоянием между р-п - переходом и кольцом для разного количества колец и для различных значений заряда в оксиде.

4. Установленные зависимости сопротивления канала от параметров исходной структуры, позволяют получить значения сопротивление канала исследуемых полупроводниковых приборов не более 0,Юм при неизменной площади кристалла 1,56*1,56 мм2.

5. Предложенный конструктивно-технологический вариант БСИТ с кольцами и с учетом толщины эпитаксиального слоя позволяет получить пробивное напряжение свыше 500 В, сопротивление канала менее 0,03 Ом.

6. Разработанная технология формирования четырехслойной металлизации обратной стороны транзисторной структуры способствует снижению теплового сопротивления контакта к стоковой области транзистора с 1,8°С/Вт до 0,64°С/Вт и увеличить максимально допустимую постоянную рассеиваемую мощность стока с 75 до 125 Вт, что позволить использовать прибор в критических условиях эксплуатации (от - 45°С до + 125 °С).

7. Разработанная технология обработки обратной стороны пластины с транзисторными структурами с применением карбид-кремниевого абразивного материала позволяет улучшить адгезию к поверхности кремниевой пластины, исключить механические напряжения поверхности структуры.

8. Использование разработанной математической модели, основанной на решении системы дифференциальных уравнений нестационарной теплопроводности для слоистой структуры сложной конфигурации с граничными условиями второго и третьего рода позволяет проводить анализ теплофизических

процессов, происходящих на границе раздела «кристалл-корпус». 9. Разработанные физико-технологические основы формирования структуры БСИТ позволяют повысить пробивное напряжение с 250 В до 500 В, уменьшить сопротивление канала с 0,16 Ом до 0,03 Ом, не изменяя количества технологических операций, повысить общий процент выхода годных приборов на 8-9%, по сравнению с базовой технологией и обеспечить надежность работы в критических условиях эксплуатации.

Диссертация соответствует паспорту научной специальности 2.2.3. Технология и оборудование для производства материалов и приборов электронной техники в части пунктов 2, 3, 4.

Методология и методы исследования:

При выполнении работы использовались теоретические и экспериментальные методы исследований, в том числе моделирование в САПР, которое позволило исследовать влияние конструктивно-технологических особенностей на характеристики прибора, просмотреть распределение различных физических величин внутри прибора, сформировать топологию прибора. Для исследования тепловых процессов проведено моделирование в программном пакете «ELCUT» с использованием теории теплообмена, численных методов расчета дифференциальных уравнений. В качестве общенаучных методов исследования применялись: обобщение, сравнение, анализ. Экспериментальные методы представлены методиками измерений, проводимыми с применением современных методов контроля и современного оборудования. Объектом исследования являлся процесс производства биполярных со статической индукцией транзисторов на кремниевых полупроводниковых пластинах в условиях серийного производства. Предметом исследования являлись технология, структура прибора, параметры и характеристики имеющихся и полученных структур БСИТ.

Степень достоверности полученных научных результатов

Достоверность полученных научных результатов подтверждается тем, что

проведен всесторонний анализ современного состояния исследований по решаемой проблеме, выполнен большой объем экспериментальных исследований с использованием современного оборудования, контрольно-измерительных приборов, методик контроля. Проведены сравнительные анализы существующих методов, способов, апробированных в практике. Полученные конструктивно-технологические решения, математические модели, результаты испытаний приборов являются достоверными вследствие корректного применения математического аппарата, методов проведения экспериментов, сходимости теоретических и экспериментальных данных. При моделировании использовались лицензированные программные продукты. Результаты научных исследований опубликованы в высокорейтинговых рецензируемых журналах, а также апробированы на международных и всероссийских конференциях.

Личный вклад автора состоит в определении цели, постановке задач научных исследований по развитию физико-технологических основ создания биполярных со статической индукцией транзисторов с улучшенными характеристиками, систематизации и анализе теоретических и экспериментальных результатов исследований, моделировании, разработке конструктивно-технологических решений, отработке технологических процессов, разработке технологических маршрутов создания транзисторных структур. Все экспериментальные результаты получены лично автором на действующем предприятии, оснащенном современным технологическим и измерительным оборудованием полупроводникового производства. По результатам исследований подготовлены и опубликованы научные статьи в рецензируемых научных журналах. Активное участие автор принимала в написании четырех монографий, опубликованных лично диссертантом и в соавторстве. Результаты работы не раз представлялись диссертантом на Международных выставках с присуждением золотых и серебряных медалей. Указом Главы Республики Дагестан № 169 от 11.07.2013 г. автор диссертации - Шахмаева А.Р. удостоена Государственной премии Республики Дагестан в области техники.

Список литературы диссертационного исследования доктор наук Шахмаева Айшат Расуловна, 2026 год

Исток

б)

Рисунок 1.3.2 - Структура БСИТ со встроенным вертикальным каналом п-типа

1.4. Требования к транзисторным структурам современной электроники, применение БСИТ

Основные требования, предъявляемые к транзисторным ключам типа СИТ, БСИТ, БМТ, МОП МТ, БТИЗ, следующие:

- в открытом состоянии они должны обладать минимальным сопротивлением, минимизируя тем самым рассеиваемую на них мощность, называемую статическими потерями ключа;

- в закрытом состоянии транзисторы должны выдерживать максимально возможные напряжения между их электродами, включая и возможные всплески напряжения во время переходных процессов. При этом уровень токов утечки, просачивающихся через ключ, должен быть минимально возможным, практически сводя к нулю потери мощности на мощных полупроводниковых приборах в данном режиме;

- времена переключения из закрытого состояния в открытое и обратно должны быть минимально возможными по длительности, что позволит иметь минимальное рассеяние энергии на ключе во время коммутации, называемое динамическими потерями ключа.

Важным электрическим параметром транзисторных ключей является уровень потребляемой мощности по управляющему электроду — базе или затвору. Естественно, чем меньше значения импульсной и средней мощности, необходимые для нормального переключения транзистора и поддержания его в том или ином статическом состоянии, тем более качественным ключевым элементом он является. Есть еще один показатель качества для любого мощного полупроводникового прибора

— это энергетические характеристики ключа в рабочих режимах и его теплофизи-ческая устойчивость к импульсным перегрузкам.

Данные показатели для транзисторов характеризуются:

- областями безопасной работы, т.е. максимально допустимыми сочетаниями тока, напряжения и длительностей импульсов для различных рабочих режимов;

- специфическими параметрами устойчивости к аварийным режимам, такими, как перегрузочные области работы, ток короткого замыкания, энергия лавинного или вторичного пробоя. Чем шире область безопасной работы транзистора, т.е. чем больше допустимые сочетания напряжений, токов и длительностей импульсов, и чем больше допустимые значения аварийных параметров, тем более качественным ключом считается рассматриваемый транзистор.

Именно исходя из вышеперечисленных технических показателей в сочетании с экономическими факторами и должна вестись сравнительная оценка любого переключательного мощного полупроводникового прибора, используемого в изделиях и устройствах силовой электроники.

Итак, при работе в ключевом режиме вышеперечисленные транзисторы характеризуются следующими основными параметрами:

- сопротивление во включенном состоянии;

- максимальное напряжение пробоя в закрытом состоянии;

- величина управляющего сигнала;

- время включения и выключения;

- занимаемая площадь.

Все перечисленные параметры прибора сильно взаимосвязаны. максимальная величина напряжения пробоя полупроводникового прибора, в частности, определяется размером области пространственного заряда (ОПЗ) р-п перехода, таким образом, минимальная занимаемая прибором площадь обуславливается тем, какое максимальное напряжение способен выдерживать мощный прибор. Чем меньше площадь прибора, тем меньше паразитные емкости и лучше быстродействие. Только пробивное напряжение в закрытом состоянии обуславливает выбор конструкции прибора.

БСИТ отличается от биполярного транзистора не только конструктивно, но и превосходит его по таким параметрам как быстродействие, у него меньше потерь с цепи управления и в цепи коммутации, и если рассматривать область безопасной работы, то в БСИТ практически отсутствует явление вторичного пробоя.

Важными качествами БСИТ являются низкое входное напряжение управления

и малая входная диффузионная емкость, чем обусловливается малая мощность, необходимая для отпирания БСИТ.

БСИТ применяются для работы в устройствах средних мощностей (до нескольких киловатт), температуры до 85 °С и частоты до 100 кГц.

БСИТ предназначен для замены биполярных транзисторов в радиоэлектронных устройствах. Применяют БСИТ в высокочастотных источниках вторичного питания, в управляемых выпрямителях, в РЭА различного назначения, и могут быть заменой БМТ, МОП МТ, БТИЗ [33].

При использовании БСИТ в высокочастотных источниках вторичного питания и других быстродействующих схемах РЭА транзисторы КП965. Это кремниевые ключевые эпитаксиально-планарные с вертикальным каналом п-типа со статической индукцией могут быть использованы при замене биполярных транзисторов КТ872, КТ8114, КТ846, КТ8107 в источниках питания и строчной развертке видеоустройств при существенном снижении потерь мощности при переключении.

Транзистор КП959А - кремниевый ключевой эпитаксиально-планарный с вертикальным каналом п-типа со статической индукцией транзистор предназначен для замены биполярного транзистора КТ940А в видеоусилителях сигнала цветности.

В отличие от КТ940А транзистор КП959А имеет повышенную граничную частоту (более 200 МГц), меньшую емкость коллектора (менее 1,5 пФ), а также повышенную устойчивость к вторичному пробою, что делает его перспективным для использования в телевизионных устройствах нового поколения. Для цепей видеоусилителя сигнала цветности интерес представляет также комплементарная пара КП959-КП960.

Низковольтные транзисторы КП961, КП954, КП958 - кремниевые ключевые эпитаксиально-планарные с вертикальным каналом п-типа со статической индукцией обладают высоким коэффициентом усиления и малым напряжением насыщения в широком диапазоне токов, что во многих случаях позволяет использовать их вместо составных транзисторов и в ключевых схемах.

При применении БСИТ в ключевых схемах, учитывая высокую скорость нарастания и спада тока в транзисторах, необходимо для управления применять

также и другие быстродействующие транзисторы, желательно БСИТ. Кроме того, следует учитывать высокий коэффициент усиления высоковольтных БСИТ в активном режиме.

Для управления низковольтными электроприводами, в т.ч. и бортовой сети автомобиля, большой интерес представляют транзисторы КП958, КП946, КП948 -кремниевые ключевые эпитаксиально-планарные с вертикальным каналом п-типа со статической индукцией.

Для схем пускорегулирующей аппаратуры, представляют большой интерес высоковольтные транзисторы КП956, КП957, КП948, КП953 - кремниевые ключевые эпитаксиально-планарные с вертикальным каналом п-типа со статической индукцией.

Транзистор КП955 - кремниевые ключевые эпитаксиально-планарные с вертикальным каналом п-типа со статической индукцией предназначены для применения в схемах высокочастотных источников питания и в других быстродействующих ключевых схемах радиоаппаратуры многими фирмами используется в схемах управления сварочных аппаратов. Выпускается в корпусе ТО-218.

Транзисторы КП971, КП973 - кремниевые ключевые эпитаксиально-планар-ные с вертикальным каналом п-типа, работающие при прямом смещении на затворе. Предназначены для применения в высокочастотных источниках вторичного электропитания, электроприводах и других быстродействующих ключевых схемах радиоэлектронной аппаратуры. Эти транзисторы могут быть использованы для замены транзисторов биполярных транзисторов типа КТ878, КТ847 и др. и их применение вместо биполярных транзисторов позволяет снизить потери мощности при переключении. Выпускаются они в корпусе ТО-218.

Перспективными изделиями являются кремниевые ключевые эпитаксиально-планарные с вертикальным каналом п-типа со статической индукцией комплементарные пары КП954-КП964, КП959 - КП960, КП961 - КП965, КП972 (150В, 40А), КП974, работающие при напряжении 1500В и рабочем токе 10 А [3,35].

1.5. Сравнительный анализ электрических параметров и характеристик полевых, биполярных мощных транзисторов, БТИЗ и БСИТ

Для существующих четырех типов транзисторов: БСИТ, БМТ, МОП МТ и БТИЗ, приведем сравнительные данные по электрическим параметрам и характеристикам. Это основные предельно-допустимые параметры, нормируемые в технических условиях (ТУ), представленные в таблицах 1.5.1-1.5.3 и статические и динамические параметры в таблицах 1.5.4- 1.5.6. Некоторые значения данных параметров взяты из ТУ или определялись экспериментально, в процессе измерений параметров выборками из десяти транзисторов для каждого рассматриваемого типа.

В таблице 1.5.1 представлены сравнительно низковольтные, но сильноточные мощные полупроводниковые приборы с напряжением до 200 В при уровне рабочего тока 10... 135 А. Транзисторы этого подкласса также широко востребованы на практике. В первую очередь это многочисленные силовые узлы и блоки в составе систем автомобильной электроники, а также низковольтные преобразователи постоянного напряжения и зарядные устройства с питанием от аккумуляторов и солнечных батарей.

В таблице 1.5.2 представлены приборы средней высоковольтности, коммутирующие напряжения от 400 до 600 В. Приборы этого класса рассчитаны на работу в изделиях и устройствах силовой электроники небольшой и средней мощности, питаемых от выпрямленной однофазной сети переменного тока 220 В/50 Гц. Это наиболее обширный сектор силовых устройств, на долю которого приходится около 50% всего рынка силовой электроники. Прежде всего, это разнообразные сетевые источники вторичного электропитания (ИВЭП), включая и те, что входят в состав телевизоров и персональных компьютеров. Помимо этого, указанный класс мощных полупроводниковых приборов применяется в выходных каскадах преобразователей напряжения и инверторов в составе других изделий массового спроса, таких, как, стиральные машины, кондиционеры, холодильники, пылесосы, индукционные печи, электронные балласты для люминесцентных ламп и т.д.

В таблице 1.5.3 представлены наиболее высоковольтные мощные

полупроводниковые приборы с напряжением до 1200 В. Эти приборы применяются, например, в блоках строчной развертки телевизоров и мониторов, включая модели с высокой разрешающей способностью, а также в схемах высоковольтных преобразователей, питаемых от выпрямленной трехфазной сети переменного тока 380 В/50 Гц или 400 Гц.

Из сравнения табличных данных следует, что БСИТ средней высоковольтно-сти по сравнению с традиционными БМТ обладают более высоким коэффициентом усиления по току и имеют меньшие значения сопротивления ключа в открытом состоянии, а также связанные с этим меньшие значения остаточного напряжения на открытом ключе, так как в структуре БСИТ, отсутствуют дополнительные р-п-переходы, изоляции на участке сток-исток при протекании тока.

Из тех же таблиц видно, что по значению сопротивления ключа в открытом состоянии БСИТ средней высоковольтности превосходят также и БТИЗ и имеют очень значительное преимущество перед аналогичными МОП МТ. Что касается динамики переключений, характеризуемой временными параметрами транзисторов, то, как следует из таблиц, БСИТ и здесь имеют определенное преимущество перед БМТ и БТИЗ, но несколько уступают МОП МТ.

Вышеуказанные достоинства БСИТ средней высоковольтности позволяют иметь минимальные статические потери среди всех четырех типов рассматриваемых мощных полупроводниковых приборов и очень незначительные динамические потери ключей, практически такие же, как у МОП МТ, т.е. эти транзисторы превосходят по этому показателю как БМТ, так и БТИЗ. Рабочая частота коммутации (частота преобразования) при применении БСИТ- в силовых устройствах может достигать 150...200 кГц и даже более, что позволяет использовать моточные элементы (трансформаторы, катушки индуктивности, дроссели) значительно меньших размеров, улучшая тем самым массогабаритные показатели устройств. Малые значения статических и динамических потерь способствуют повышению надежности устройств (за счет меньшего разогрева транзисторов), а также улучшают их коэффициент полезного действия (КПД) [36-37]. Исследование влияния температуры на время включения и эффекта смещения затвора на параметры насыщения прибора

описаны в работах зарубежных исследователей [38-39].

Можно предположить, что в ближайшее время БСИТ средней высоковольтно-сти будут востребованы на практике и потеснят все три типа конкурирующих мощных полупроводниковых приборов в области силовых устройств малой и средней мощности.

При рассмотрении таблицы 1.5.1, где представлены низковольтные транзисторы, можно заметить, что для этого класса мощных полупроводниковых приборов вне конкуренции МОП МТ. Они превосходят все остальные конкурирующие типы мощных полупроводниковых приборов, включая и БСИТ, практически по всем техническим показателям, характеризующим транзисторные ключевые элементы. Сопротивление МОП-транзистора во включенном состоянии достаточно большое. Низковольтные МОП МТ имеют минимальные статические и динамические потери при использовании их в узлах и блоках силовой электроники. Рабочая частота преобразования при использовании МОП МТ вполне может достигать нескольких сотен килогерц, хотя зачастую эти приборы успешно используются и на более низких частотах (50...100 кГц). Тем не менее, несмотря на очевидные технические достоинства низковольтных МОП МТ, традиционные БМТ, а также БСИТ все же могут конкурировать и с этим подклассом МОП МТ, так как они в несколько раз дешевле последних. Поэтому такие приборы, как составной БМТ типа КТ829АМ и БСИТ типа КП954А, имеют неплохие перспективы при использовании в качестве выходных ключей регуляторов напряжения автомобильных генераторов, а также в качестве некоторых преобразовательных устройств в портативной аппаратуре.

Анализ данных, приведенных в таблице 1.5.3., т.е. для наиболее высоковольтных транзисторных ключей, показывает, что наиболее оптимальными мощными полупроводниковыми приборами пока остаются традиционные БМТ.

По сравнению с высоковольтными БТИЗ БМТ имеют несколько меньшее напряжение насыщения открытого ключа и лучшие динамические показатели во время спада. Что же касается МОП МТ, то их высоковольтные варианты очень существенно проигрывают и БТИЗ, и тем более БМТ по сопротивлению ключа в

открытом состоянии, а также по размерам кристалла и связанной с этим стоимостью прибора. Следует также констатировать, что нынешние высоковольтные БСИТ, в отличие от вариантов средней высоковольтности, не имеют преимуществ перед традиционными БМТ по статическим параметрам: напряжению сток-исток в открытом состоянии и коэффициенту усиления по току, - и уступают им по важному динамическому параметру - времени спада.

Кроме того, необходимо указать, что сама по себе реализация высоковольтных вариантов БСИТ требует заметного усложнения используемых техпроцессов, что заметно повышает стоимость приборов. Применительно к выходным ключам блоков строчной развертки телевизоров, БСИТ, как и БТИЗ, практически пока нереально конкурировать с традиционными высоковольтными БМТ.

Из анализа характеристик и параметров БТИЗ, реализуемого методами пла-нарной технологии и включающего элементы низковольтного МОП МТ и высоковольтного БМТ, можно отметить, что он не имеет заметных преимуществ ни перед БМТ, ни перед БСИТ, за исключением более удобной на практике цепи раскачки по затвору [24].

БСИТ средней высоковольтности, в основном, играют роль переключательных элементов для изделий и устройств силовой электроники и сопоставимы в сравнении с их более известными транзисторными прототипами (БМТ, МОП МТ и БТИЗ) по характеристикам, таким как:

1) граничная частота - более 200 МГц (БТИЗ - 2 МГц);

2) коэффициент усиления по току - более 35 А/А (БМТ - 24 А/А);

3) высокое быстродействие - время включения - 0,12 мкс (БМТ - 2,5 мкс).

Недостатками БСИТ по сравнению с другими транзисторами являются:

- пониженное пробивное напряжение - 400 В (МОП МТ - 500 В),

- сопротивление канала (0,2 Ом);

- пониженная постоянная рассеиваемая мощность - 60 Вт (МОП МТ - 75 Вт) и

- повышенное тепловое сопротивление переход-корпус - 2,8 °С/Вт (МОП МТ- 1,7 °С/Вт).

Таблица 1.5.1 - Основные предельно - допустимые параметры транзисторов небольшой высоковольтности

Наименование параметра Обозначение Условия измерения БСИТ (КП954А) БМТ (КТ829АМ) МОП МТ (ШЕ1407) БТИЗ (ШС4Р2548)

Граничное напряжение коллектор-эмиттер, В Цкэ гр 1к=0,1 А - 100 (Ябэ=да) - 200 (Язэ=100)

Граничное напряжение сток-исток, В Цси гр 1с=0,1 А 100 (Язи=ю) - 75 (Язи=100) -

Напряжение пробоя - коллектор-эмиттер, В Цкэк прб I кэк = 1мА, К.бэ=Коэ=0 - 150 - 250

Пробивное напряжение сток-исток, В Цсик прб 1сик=1мА, Язи=0 150 - 75 -

Максимальное напряжение эмиттер-база, В Цэбо прб 1эбо=1мА, 1к=0 - 5.0 - -

Максимальное напряжение затвора, В Ц^з макс 1зи=1зэ=1мА, 1с=0, Цси=Цкэ=0 -5.0 - +20 +20

Максимальный постоянный ток коллектора, А 1к макс - - 10 - 955

Максимальный постоянный ток стока, А 1с макс - 20 - 135 -

Максимальный импульсный ток коллектора, А 1ки макс - - 12 - 196

Максимальный ток стока, А 1си макс - 40 - 390 -

Максимальная рассеиваемая мощность, Вт Рмакс Цкэ=Цси=20 В, Тп=Тпмакс 40 60 130 200

Максимальная температура перехода, °С Тп макс - 150 150 175 150

Таблица 1.5.2 - Основные предельно - допустимые параметры транзисторов

средней высоковольтности

Наименование параметра Обозначение Условия измерения БСИТ (КП948А) БМТ (КТ8181А) МОП МТ (ШЕ830) БТИЗ (ШСВС20К)

Граничное напряжение коллектор-эмиттер, В Цкэ гр 1к=0,1 А - 400 (Ябэ=ю) - 600 (Язи=100 )

Граничное напряжение сток-исток, В Цси гр 1с=0,1 А 400 (Язи=да) - 500 (Язи=100) -

Пробивное напряжение коллектор-эмиттер, В Цкэк прб I кэк = 1мА, К.бэ=Коэ=0 - 700 - 600

Пробивное напряжение сток-исток, В Цсик прб 1сик=1мА, Язи=0 800 - 500 -

Максимальное напряжение эмиттер-база, В Цэбо прб 1эбо=1мА, 1к=0 - 9,0 - -

Максимальное напряжение затвора, В Ц^з макс 1зи=1зэ=1 мА, 1с=0, Иси=Укэ=0 -5.0 - +20 +20

Максимальный постоянный ток коллектора, А 1к макс - - 4,0 - 6.0

Максимальный постоянный ток стока, А 1с макс - 5.0 - 4.5 -

Максимальный импульсный ток коллектора, А 1ки макс - - 8,0 - 20

Максимальный ток стока, А 1си макс - 10 - 18 -

Максимальная рассеиваемая мощность, Вт Рмакс Цкэ=Цси=20 В, Тп=Тпмакс 40 50 75 60

Максимальная температура перехода, °С Тп макс - 150 150 150 150

Таблица 1.5.3 - Основные предельно - допустимые параметры

повышенной высоковольтности

Наименование параметра Обозначение Условия измерения БСИТ (КП810Б) БМТ (КТ8183А) МОП МТ (Ш Р0840) БТИЗ (ГОС4РН30К)

Граничное напряжение коллектор-эмиттер, В Цкэ гр 1к=0,1 А - 700 (Ябэ=да) - 1200 (Язэ=100)

Граничное напряжение сток-исток, В Цси гр 1с=0.1 А 650 (Язи= =ю) - 1000 (Язи= =100) -

Пробивное напряжение коллектор-эмиттер, В Цкэк прб I кэк = = 1мА, К.бэ=Коэ=0 - 1500 - 1200

Пробивное напряжение сток-исток, В Цсик прб 1сик=1мА, Язи=0 1300 - 1000 -

Максимальное напряжение эмиттер-база, В Цэбо прб 1эбо=1мА, 1к=0 - 50 - -

Максимальное напряжение затвора, В Ц^з макс 1зи= 1 мА, 1с=0, Уси=Укэ=0 -50 - +20 +20

Максимальный постоянный ток коллектора, А 1к макс - - 50 - 10

Максимальный постоянный ток стока, А 1с макс - 40 - 43 -

Максимальный импульсный ток коллектора, А 1ки макс - - 80 - 40

Максимальный ток стока, А 1си макс - 70 - 17 -

Максимальная рассеиваемая мощность, Вт Рмакс Цкэ=Цси= =20В, Тп=Тпмакс 50 100 150 100

Максимальная температура перехода, °С Тп макс - 150 150 150 150

Таблица 1.5.4 - Типовые статические и динамические параметры небольшой

высоковольтности

Наименование параметра Обозначение Условия измерения БСИТ (КП954 А) БМТ (КТ829А М) МОП МТ (ТКР1407) БТИЗ (IRG4P254S)

Обратный ток коллектор-эмиттер, мА 1кэк Икэ=икэк прб, К-бэ=К-зэ=0 - 0,1 - 0,25

Ток утечки сток-исток, мА 1сик Иси=Исик прб К-зи=0 0,20 - 0,025 -

Обратный ток эмиттер-база, мА 1эбо Иэб=Уэбо макс, 1к = 0 - 2,0 - -

Ток утечки затвора, мкА 1з ут - 1,0 (Изи=4В) - 0,1(Изи =20В) 0,1(Изэ= =20В)

Статический коэффициент усиления по току, А/А Рст 1к= 1с=1А, Икэ_иси гр 50 1000 - -

Напряжение насыщения коллектор-эмиттер, В Икэ нас 1с=0,5 мА, 1б=0,2 мА Изэ=15В - 1,0 - 1,50

Напряжение сток-исток открытого ключа, В Иси откр 1с=0,2, 1з=0,2 1с, Изи=10В 0,8 - 0,536 -

Сопротивление открытого ключа, Ом К-откр 1к= 0,5, , 1б=0,2, 1з= =1с, Изи=10В, Изэ=15 В 0,08 0,2 0,008 0,030

Входное напряжение открытого ключа, В Ивх откр 1с=0,5 мА, 1б=0,2 мА 1,25 1,6 - -

Пороговое напряжение затвора, В Из прг 1к= 1с=0,25 мА - - 2,5 4,5

Время включения, мкс " вкл 1с=0,5 мА, 1б=0,2 мА, Изи=10В, Узэ=15В 0,11 0,5 0.065 0.10

Время рассасывания, мкс "рас 1з= 1с, 1б= 0,2 1с=0,5 мА, 1б=0,2 мА, 1с=0,5 мА, 1б=0,2 мА 0,09 3,2 - -

Время задержки включения, мкс "зд выкл Изи=10В, Изэ=15В - - 0,045 0,40

Время спада, мкс 1"сп Изи=10В, Изэ=15В 0,07 0,8 0,055 0,76

Выходная емкость, пФ Свых ивых=0, В 420 150 950 510

Тепловое сопротивление переход-корпус, С/Вт К-т п-к Икэ=Иси=20В, Рк=Рмакс, Рс=Рс макс 3,12 2,08 1,20 0,64

Таблица 1.5.5 - Типовые статические и динамические параметры транзисторов средней высоковольтности

Наименование параметра Обозначение Условия измерения БСИТ (КП948А) БМТ (КТ8181) МОП МТ (¡№830) БТИЗ (ШДБС20 К)

Обратный ток коллектор-эмиттер, мА 1кэк Цкэ-Икэк прб, К.бэ=К-зэ=0 - 0,1 - 0,25

Ток утечки сток-исток, мА 1сик иси_исик прб, Язи=0 0,25 - 0,025 -

Обратный ток эмиттер-база, мА 1эбо Цэб-Иэбо макс, 1к = 0 - 0,01 - -

Ток утечки затвора, мкА 1з ут (Изи= 4В) 1,0 - 0,1 0,1

Статический коэффициент усиления по току, А/А Рст 1к= 1с=1А, икэ_иси гр 32 24 - -

Напряжение насыщения коллектор-эмиттер, В Икэ нас 1б=0,2, Изэ=15В 0,2 - 4,05 -

Напряжение сток-исток открытого ключа, B Иси откр 1с-0.21с макс, 1з-0.2 1с, Изи=10В 0,1 0,2 1,5 0,4

Сопротивление открытого ключа, Ом К-откр 1з- 1с, Изи=10В, Изэ=15 В 1,2 1,3 - -

Входное напряжение открытого ключа, В Ивх откр 1к- 1с=0,5 мА, 1б=0,2 мА - - 2,5 4,5

Пороговое напряжение затвора, В Из прг 1к- 1с=0.25 мА изЭ—ЦкЭ 0,1 0,3 0,02 0,05

Время включения, мкс 1 вкл 1с-1к= 0,5мА, 1б= 0,2мА, 1з- 1с, Изи=10В, Изэ=15В 1,5 2,5 - -

Время рассасывания, мкс 1рас 1с-1к= 0,5мА, 1б= 0,2мА, 1з- 1с, - - 0,04 0,4

Время задержки включения, мкс 1зд выкл 1с-1к= 0,5мА Изи-ЮБ, Узэ-15Б 0,08 0,22 0,02 0,25

Время спада, мкс "кп 1с-1к= 0,5мА Изи-10Б, зэ-15Б 0,03 0,45 0,01 0,1

Выходная емкость, пФ СвыХ ЦвыХ-0.1 Цкэ гр, и^выХ-Ц^си гр 180 100 160 45

Тепловое сопротивление переход-корпус, °С/Вт К-т п-к и-и-20Б, Рк-Рмакс,Рс-Рс макс 3,12 2,5 1,7 2,08

Таблица 1.5.6 - Типовые статические и динамические параметры

повышенной высоковольтности

Наименование параметра Обо-зна-че-ние Условия измерения БСИТ (КП810) БМТ (КТ8183А) МОП МТ (IRPG40 ) БТИЗ (IRGBC30K)

Обратный ток коллеггор-эмит-тер, мА 1кэк Цкэ_икэк прб, К.бэ_К-зэ—0 - 0,1 - 0,25

Ток утечки сток-исток, мА 1сик Цси—Цсик прб К-зи—0 0,2 - 0,1 -

Обратный ток эмиттер-база, мА 1эбо Цэб—Цэбо макс, 1к = 0 - 300 - -

Ток утечки затвора, мкА 1з ут - 1,0 - 0,1 0.1

Статический коэффициент усиления по току, А/А Рст !к_ 1с_ 1 А, Цкэ-Цси гр 10,0 12,0 - -

Напряжение насыщения Цэ, В У кэ нас 1к-0,51к макс, 1б-0,21к, Цзэ=15В - 0,6 - 3,1

Напряжение ^и открытого ключа, B Уси откр 1с=0,21с макс, 1з=0,2 1с, Цзи=10В 1,050 - 9,1 -

Сопротивление открытого ключа, Ом К-откр 1к— 0,51к макс, 1с= 0,51с макс, 1б—0,2, 1з— 1с, Цзи=10В, зэ=15В 0,350 0,2 3,5 0,31

Входное напряжение открытого ключа, В Ивх откр 1к— 0.51к макс, 1с—0.5 1с макс, 1б— 0.21к 1,35 1,3 - -

Пороговое напряжение В Ц^з прг 1к— 1с=0.25 мА - - 2,5 4,5

Время включения, мкс 1 вкл 1к— 0,51к макс, 1с—0,51с макс, 1б— 0,21к, 1з— 1с, Цзи=10В, Цзэ=15В 2,8 0,5 0,05 0,055

Время рассасывания, мкс 1рас 1к— 0,51к макс, 1с— 0,51с макс, 1б— 0.21к,, 1з— 1с, 4,2 5,0 - -

Время задержки включения, мкс 1зд вкл 1к— 0.51к макс, 1с— 0.51с макс, Цзи—10В, Цзэ—15В - - 0,10 0,31

Тепловое сопротивление переход-корпус С/Вт К-т п-к икэ—Цси—20В, Рк—Рмакс, Рс—Рс макс 2,5 1,25 0,83 1,25

БСИТ с нормально закрытым каналом при нулевом напряжении на затворе перекрыт контактной разностью потенциалов управляющего р-п перехода.

Биполярный режим БСИТ работы реализуется путем прямого смещения управляющего р-п перехода и впрыскивания неосновных носителей из затвора в область канала. В области канала неосновные носители создают большой положительный заряд (для п-канальных приборов), который приводит к инжекции основных носителей из области истока - образуется электронно-дырочная плазма, которая модулирует канал и снижает его сопротивление. При этом возрастает плотность тока в канале в несколько раз, чем в биполярном транзисторе.

БСИТ по сравнению с обычным СИТ имеет более сложный профиль легирования и более сложную геометрическую форму затвора, это и обеспечивает данному типу транзисторов закрытое состояние при нулевом потенциале на затворе относительно истока. Поэтому в отличие от обычного СИТ рабочие характеристики БСИТ проявляются только в режиме обогащения канала носителями. Данный режим, как уже указывалось, обеспечивается при подаче на затвор отпирающего потенциала относительно истока, смещающего управляющий р-п-переход в прямом направлении. При этом в цепи затвор-исток начинает протекать значительный по величине ток затвора, изменяя который можно переводить БСИТ в низко-омное состояние транзисторного ключа подобно тому, как это делается с традиционными биполярными транзисторами при изменении их тока базы.

Концентрация примеси в канале БСИТ на 2-3 порядка ниже, чем концентрация примеси в базе обычного биполярного транзистора, что обеспечивает высокую подвижность носителей в канале, высокий коэффициент усиления по току, малую емкость затвора.

Высокая плотность инжектируемых истоком электронов (~ 1^1017 см-3) и равномерное распределение их по ширине канала позволяют получать плотности рабочего тока до 3*104 А/см2, что на порядок выше, чем у обычного биполярного транзистора. Кроме того, равномерное распределение плотности тока по ширине канала в сочетании с низким сопротивлением затвора обеспечивает высокую энергию вторичного пробоя (Евп), значения которой достигают 100 мДж - выше даже

для высоковольтных транзисторов.

Ввиду того, что в формировании тока стока БСИТ участвуют как основные, так и неосновные носители заряда, при достижении определенного уровня тока стока возникает эффект модуляции проводимости канала неосновными носителями, аналогично тому, как это имеет место у традиционных БМТ в открытом состоянии на участке между коллектором и эмиттером. Наличие этого эффекта приводит к увеличению выходного тока, при сохранении отношения тока стока к току затвора, весьма незначительно сказывается на величине остаточного напряжения открытого ключа, что способствует небольшим статическим потерям данного ключевого элемента. Полевые транзисторы используют только один тип носителей заряда, не имеют эффекта модуляции проводимости канала как у БСИТ, в результате чего остаточное напряжение на открытом ключе при увеличении тока линейно нарастает, что приводит к большим статическим потерям, особенно у высоковольтных приборов. Таким образом, можно считать, что современные БСИТ, несмотря на схожесть их структуры с униполярными полевыми транзисторами, управляемыми напряжением, являются, по существу, биполярными мощными полупроводниковыми приборами, управляемыми током. Соответственно, все рабочие характеристики БСИТ, несмотря на обозначение их выводов (затвор, сток и исток), нормируются на практике фактически тем же набором параметров и режимов, что и традиционные БМТ. При этом выходные вольтамперные характеристики (ВАХ) БСИТ, как и у традиционных БМТ, имеют пентодный характер. На рисунке 1.5.1 представлены типовые ВАХ БСИТ.

В научных работах, посвященных исследованиям транзисторов и связанных с зависимостью напряжения пробоя и сопротивления в открытом состоянии, показано, что при увеличении пробивного напряжения увеличивается сопротивление, а при снижении сопротивления уменьшается напряжение пробоя [21,40].

В случае применения ячеистой структуры для уменьшения сопротивления увеличивается площадь прибора, и соответственно возрастают паразитные емкости приборов, ухудшаются динамические характеристики и увеличивается стоимость готового прибора.

Рисунок 1.5.1 - Зависимость тока стока (I, А) от напряжения (V, В) при различных

значения тока истока БСИТ.

Для решения этих проблем необходимо провести исследование и разработку БСИТ, которые обладали бы при заданных электрических характеристиках (напряжение пробоя и сопротивления в открытом состоянии) минимальной площадью и с увеличенным процентом выхода годных. В работе [41] проведены исследования по усовершенствованию технологии получения БСИТ более усложненного технологического маршрута с формированием отдельным процессом охранных колец.

Структура БСИТ относительно проста, и для его формирования по биполярной технологии требуется меньшее количество технологических операций (50-60) по сравнению с прототипами (150-250 операций), отсутствует необходимость создания глубоких изолирующих областей, скрытых слоев и эпитаксиальных пленок.

Для производства БСИТ можно использовать типовое базовое производство биполярных транзисторов с наличием чистых помещений и участков технохимии, термической диффузии, фотолитографии, металлизации, измерений, а также сборочного участка с оборудованием для варки выводов, резки кристаллов, посадки кристаллов и герметизации корпуса.

1.6. Общие выводы и постановка задач исследования

Сравнительный анализ БСИТ с БМТ, МОП-структурами, БТИЗ транзисторами показал, что основные характеристики и параметры БСИТ-транзистора сопоставимы и БСИТ сочетают и все лучшие достоинства биполярных транзисторов и полевых транзисторов при низкой стоимости, и эти транзисторы смогут заменить их практически во всех областях применения. Но в БСИТ возникают проблемы, связанные с зависимостью напряжения пробоя и сопротивления в открытом состоянии. При увеличении пробивного напряжения увеличивается сопротивление, а при снижении сопротивления уменьшается напряжение пробоя. Иногда для уменьшения сопротивления увеличивают площадь прибора, но тогда возрастают паразитные емкости приборов, которые приводят к изменениям динамических характеристик, и увеличение площади прибора приводит к повышению стоимости готового прибора. По сравнению с БТИЗ, БМТ, МОП- структурами конструкция БСИТ относительно проста, и для его формирования требуется меньшее количество технологических операций (50-60) по сравнению с прототипами (150-250 операций), отсутствует необходимость создания глубоких изолирующих областей, скрытых слоев и эпитаксиальных пленок. Все эти факторы приводят к низкой себестоимости. Существующие на сегодня БСИТ средней высоковольтности имеют недостаточное для ряда применений пробивное напряжение, сопротивление канала, надежную работу в критических условиях эксплуатации, нет отлаженной эффективной технологии их изготовления с процентом выхода годных более 50%. Для достижения поставленной цели исследования необходимо решение следующих задач:

1. Анализ структуры и технологии создания БСИТ с целью выявления параметров структурных областей прибора, обуславливающих низкое пробивное напряжение транзисторов и высокое сопротивление канала.

2. Обоснование направлений исследований базовой технологии формирования активных областей структуры транзистора с целью выявления параметров, способствующих повышению однородности легирования и получению требуемых значений концентрации примеси.

3. Разработка технологии получения области затвора структуры транзистора с учетом особенностей легирования примеси на основе твердого планарного источника с улучшением параметров процесса.

4. Определение методов конструктивно-технологического моделирования транзисторных структур и их реализация применительно к БСИТ.

5. По результатам моделирования БСИТ разработка конструктивно-технологических решений для повышения пробивного напряжения и получения малых значений сопротивления канала.

6. Обоснование направлений исследования базовой технологии формирования металлизации обратной стороны кристалла транзистора с целью выявления параметров, способствующих уменьшению теплового сопротивления прибора.

7. Определение методов и режимов обработки обратной стороны кристалла транзистора перед металлизацией для повышения адгезии металлов к кремнию и уменьшения механических напряжений.

8. Определение и обоснование выбора материалов контактных слоев обратной стороны кристалла транзистора.

9. Разработка технологии металлизации обратной стороны структуры транзистора при формировании контакта к стоковой области прибора, обеспечивающую качественную посадку кристалла транзистора на основание корпуса с улучшением тепловых свойств прибора.

10. Применение методов математического моделирования теплофизических процессов границы раздела транзистора - «кристалл- корпус» для определения значения теплового сопротивления контакта при различных способах металлизации контактной области прибора.

11. Совершенствование базового технологического маршрута получения исследуемых транзисторных структур с увеличенным процентом выхода годных приборов, имеющих повышенное значение пробивного напряжения и малое значение сопротивления канала и работающих в критических условиях эксплуатации.

12. Апробация разработанных и полученных на основе проведенных исследований транзисторов в условиях опытного и серийного производства.

ГЛАВА 2. ПРИМЕНЯЕМОЕ ОБОРУДОВАНИЕ И МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ

2.1. Технологическое оборудование

Производственный процесс изготовления кристаллов полупроводниковых транзисторов состоит из этапов подготовки исходных пластин, формирования самой структуры, сборки прибора. Эти операции осуществляются на химико-технологическом (обработка поверхности), термическом, измерительном, напылитель-ном и сборочном оборудовании. Задание конфигурации транзисторной структуры и их точное взаимное расположение обеспечиваются методами фотолитографии на соответствующем оборудовании.

Для проведения исследований применялось оборудование в действующем производстве кристаллов полупроводниковых приборов, в чистых помещениях цеха кристаллов завода полупроводниковых приборов - ОАО «Эльдаг».

Все экспериментальные работы проводились в подготовленном производственном цехе с чистыми помещениями и соответствующим микроклиматом и с новейшим технологическим и контрольно-измерительным оборудованием.

Для химико-технологических операций использовался комплекс универсального оборудования "ЛАДА-1 Электроника". Линия укомплектована блоками для химической очистки исходных полупроводниковых пластин перед термическими операциями (диффузией, окислением, отжигом и т.п.), а также блоками, непосредственно предназначенными для проведения травильных операций.

Установки комплекса "ЛАДА-1 Электроника" обеспечивают проведение всех операций в обеспыленной (не более двух частиц размером 0,5 мкм в 1 см3 воздуха) среде, при этом исключается контакт рук оператора с обрабатываемыми пластинами благодаря применению многоместных унифицированных кассет. Установки включают также в состав рабочий стол, блок пылезащиты, технологические ванны и камеры, блоки гидравлической, пневматической и контрольно-измерительной аппаратуры.

Для проведения технологических операций окисления, диффузии бора, диффузии фосфора, формирование защитных пленок, перед фотолитографическими процессами, операций вжигания была применена система диффузионная однозон-ная многотрубная - СДОМ-3/100.

Для проведения фотолитографических процессов применена линия химико-технологической обработки «Лада-125», в состав которой входят установки для очистки поверхности подложек, нанесения фоторезиста, проявления, термообработки фоторезиста, травления технологических слоев и снятия фоторезиста в ди-метилформамиде. Линия имеет модульную структуру и состоит из отдельных автоматов с индивидуальными постами загрузки и выгрузки пластин в кассеты. Установки размещены в пылезащитных камерах. Загрузочное-разгрузочное устройство размещено в начале каждого участка линии и производит перезагрузку пластин в унифицированные технологические кассеты. Кассета вместимостью 25 пластин переносится в установку гидромеханической очистки, выходя из которой пластины автоматически перезагружаются на ленту установки для инфракрасной (ИК) термообработки. Осушенные пластины автоматически загружаются в приемные кассеты и вручную переносятся в установку нанесения фоторезиста. Далее следуют сушка и проявление в установке проявления фоторезиста, после которого следует задубливание (вторая сушка) фоторезиста в установке ИК-термообработки.

Для напыления алюминия при формировании контактов на планарной стороне кристалла применена установка электронно-лучевого напыления Оратория-9 01НЭ-7-008.

В качестве оборудования для разработки процесса осаждения нитрида кремния (БЬ^) в дихлорсилановой смеси была использована установка «Изотрон-4-150».

Для напыления обратной стороны структуры кремниевого транзистора применено оборудование - установка магнетронного распыления - ЬЕУБОЬЭ АО 7-600.

Для разработки технологии металлизации обратной стороны кристаллов транзисторов при формировании контакта к стоковой области транзистора к оборудованию напыления предъявлялись следующие требования:

1) иметь планетарный механизм, позволяющий загрузку пластин диаметром 100

мм и в количестве - 50 штук;

2) напыление 4-х металлов, различных по толщине должно происходить за один цикл, путем последовательной смены мишеней;

3) давление в камере - 1 • 10-6 торр с временем откачки не более 20 минут;

4) возможность автоматического нагрева пластин до температуры 150±20 0С;

5) наличие автоматического контроллера толщины и скорости напыления каждого слоя в отдельности;

6) процесс напыления должен проводиться в автоматическом режиме;

7) конструкция установки должна предусматривать простую и легкую процедуру снятия напыленных металлов с ее деталей и сбора серебра для регенерации.

Всем этим требованиям отвечает установка магнетронного способа распыления металлов - LEYBOLD AG Z-600.

Для измерения и контроля электрических параметров и характеристик полупроводниковых приборов использована измерительная установка «ГАММА-100» и автоматы «ЭМ-6010». Они производят разбраковку полупроводниковых пластин с транзисторными структурами по электрическим параметрам с последующей маркировкой бракованных структур.

Измерительный комплекс на базе установок фирмы «Agilent» и зондовых столов «Cascade Microtech» применялся для точного измерения статических ВАХ и сверхвысокочастотных S-параметров приборных структур непосредственно на пластине до разделения на кристаллы.

Измерение выходных параметров исследуемых приборов проводилось на измерительном комплексе «TESEC» входящих в комплекс сборочного оборудования «ESEC». «TESEC» производит разбраковку приборов после сборки кристалла транзистора в корпус по следующим параметрам готового прибора: напряжение насыщения, токов утечки, обратных токов, статистического коэффициента передачи тока и т.п.

2.2. Контрольно-измерительное и испытательное оборудование

Для контроля основных параметров транзисторных структур были использованы следующие виды контрольно-измерительного и испытательного оборудования:

1. SURFSCAN-5000 (США) - анализатор дефектности поверхности кремниевых пластин. Использован при входном контроле пластин для разбраковки по основным заданным параметрам дефектности (толщина пластины, поверхностное сопротивление, загрязненность и т.п.).

2. MPV-SP (ФРГ) - измеритель толщины тонких пленок. Позволяет измерять толщину пленки фоторезиста, толщину оксидного слоя, толщину металлической пленки (1А-6 мкм) с минимальной погрешностью.

3. MPV-SD2 (ФРГ) - измеритель расстояний. Позволять измерять расстояния между линиями проявленных рисунков при фотолитографических процессах.

4. ALPHA-STEP 200 (США) - профилометр поверхности, позволяет измерять профиль поверхности пластин, определять толщину напыленных пленок и распределение толщины пленки по пластине.

5. FPP -5000 (США) - измеритель поверхностного сопротивления позволяет контролировать все диффузионные процессы с высокой точностью. Пределы измерения от нуля до максимального значения по пяти точкам на пластине, результат измерения высвечивается на цифровой шкале.

6. ENATECH (ФРГ) - микроскоп позволяет 1200х-кратное увеличение топологии кристалла, определяет дефекты в темном и светлом полях.

7. LEITZ (ФРГ) - микроскоп позволяет 1200х-кратное увеличение топологии кристалла, определяет дефекты в темном и светлом полях.

8. 09ИТ2-1.7-005 с лазером ЛТ-78 - эллипсометр для измерения толщины и показателя преломления прозрачных пленок.

9. Установка для автоматического измерения C-V характеристик - для снятия вольт-фарадных характеристик.

10.Установка 1Э.5.12ПС с источником питания УИП-2 - установка для определения плотности проколов.

11. Установка Л2-56 - измеритель характеристик полупроводниковых приборов.

12.Установка «Шар-шлиф/К» - для измерения глубин залегания диффузионных слоев.

13.ПНХТ-2 - характериограф для измерения пробивных характеристик.

14. Установка у-излучения с источником кобальт-60 для измерения устойчивости приборов к радиационному влиянию.

Для исследования влияния температуры окружающей среды на рабочие параметры БСИТ, а также испытание их на устойчивость к резким перепадам температур использовались климатические камеры. Фактически исследуемые транзисторы могут порой работать в более жестких температурных условиях - за счет выделения теплоты соседними элементами и герметизации РЭА.

Для испытаний в жестких климатических условиях автором в соавторстве разработано термоэлектрическое устройство (ТЭУ), описанное в работах [42, 43]. Результаты исследуемых БСИТ в различных режимах показали, что данное устройство позволяют с высокой точностью производить испытания БСИТ в широком диапазоне температур (- 60°С.. ,+125°С), с такими преимуществами как быстрое достижение заданных температур, быстрое переключение с режима обогрева на режим охлаждения, бесшумность, высокая точность поддержания заданной температуры.

2.3. Методы измерений

2.3.1. Электронная оже-спектроскопия

С помощью метода электронной оже- спектроскопии проводился химический анализ поверхности кремниевых пластин, транзисторных структур. Методоснован на том, что на поверхности кремниевых пластин присутствуют атомы разнообразных примесей и это приводит к появлению на поверхности новых электронных состояний, которые можно распознать. Физические и химические свойства поверхности определяются пространственным распределением плотности заряда и энергетическими спектрами электронов поверхностных атомов. Эти состояния оказывают решающее влияние на формирование барьеров и контактов металл-полупроводник, металл-окисел-полупроводник и т. д. Определяя значения энергий оже-электронов и сравнивая их с табулированными данными, получаем сведения о химической природе поверхностных атомов. Как показано на рис. 2.3.1.1, падающий электрон (или фотон), обладающий достаточной энергией, способен выбить электрон с К-оболочки атома облучаемого вещества (в данном случае это вещество кремний). При обратном переходе электронов с уровня Ь1 на свободный уровень К высвобождается энергия, возбуждающая оже -электрон с уровня £2;3.

Рентгеновское излучение

Оже - электрон

0 В

Первично ионизированный электрон

99 В

149 В

1839

Первичный электрон

Рисунок - 2.3.1.1. - Диаграмма энергетических уровней атома кремния

Таблица 2.3.1.1. Глубина выхода оже-электронов некоторых элементов в кремнии

№ Элемент Энергия Глубина

п/п перехода, эВ выхода, нм

1. Фосфор 120 -1859 0,5-0,32

2. Бор 179 0,6

3. Кислород 507 0,12

6. Кремний 92-1619 0,4-0,29

С использованием ЭОС проводился химический анализ слоев, глубина залегания которых превышает глубину выхода, послойный анализ поверхности пленок после плазмохимического травления и анализ профиля распределения каждого слоя металлизации обратной стороны кремниевой пластины со структурами транзисторов (Рисунок 2.3.2.2).

глубина, нм

Время распыления, ми И

Рисунок 2.3.2.2.- Анализ профиля элементов по глубине, выполненный методом ЭОС на структуре с напыленным слоем хрома (500-600 А)

2.3.2. Электронная оптическая микроскопия

При исследовании транзисторных структур необходимо было измерять и контролировать геометрические характеристики анализируемых элементов: резкость границ рисунка, расстояние между элементами, толщину наносимых пленок, степень рассовмещения и др. Подобный контроль проводился методами оптической микроскопии, растровой и просвечивающей электронной микроскопии. Максимальное увеличение, обеспечиваемое этими методами составляет от 1000 до 500 000.

Электронная оптическая микроскопия как метод контроля основан на взаимодействии видимого, ультрафиолетового или инфракрасного излучения с контролируемой структурой.

Наиболее широко используемым методом для анализа структуры полупроводниковых приборов является оптическая микроскопия в режиме интерференционного контраста по Номарски. Интерференционный метод позволяет осуществить измерение фазы двух лучей, отраженных поверхностями, расположенными на некотором расстоянии друг от друга. Этот метод позволяет определять толщину пленок, а также особенности поверхности слоев. При использовании этого метода неровности поверхности разной высоты приобретают различную окраску или различный оттенок серого цвета. Это различие красок получается из-за расщепления светового потока на два луча. Лучи падают на поверхность исследуемого образца в ближние точки и происходит их отражение.

Если на поверхности обнаруживалась неровность, лучи изменяют направление и это отражается под микроскопом.

Для экспериментальных исследований кремниевых пластин со структурами транзисторов после процесса фотолитографии, при определении толщины фоторезиста, разрешающей способности, расстояния между элементами была использована установка - микроинтерферометр Линника «МИИ-4М» (рисунок 2.3.2.1-а).

Схема интерференционного микроскопа в режиме работы на отражение (рисунок 2.3.2.1-б) следующая: свет проходит через поляризатор и, отражаясь от

полупрозрачного зеркала, направляется на призму Волластона, состоящую из двух кварцевых кристаллов, где световой пучок расщепляется на два линейно-поляризованных в перпендикулярных плоскостях луча, расходящихся под углом, а друг к другу с разными скоростями. По выходе из призмы и отражении от поверхности образца два луча восстанавливаются в один после прохождения через призму Волластона в обратном направлении. Восстановленный луч проходит через анализатор, позволяющий наблюдать изменения интенсивности света. Контраст микроскопического изображения определяется вариациями оптической разности хода линейно-поляризованных лучей, связанными с изменениями геометрического профиля поверхности образца, или вариациями фазовых соотношений двух лучей вследствие изменений показателя преломления, которые могут происходить на фазовых границах.

Поляризатор

Окуляр Анализатор

Полупрозрачное зеркало

Призма Волластона

Линза

Образец

Максимальный контраст

Минимальный контраст

а)

б)

Рисунок 2.3.2.1-Микроинтерферометр Линника «МИИ-4М» (а)

и схема его работы (б)

На рисунке 2.3.2.2. представлено видимое под микроинтерферометром изображение при определении толщины фоторезистивного слоя, нанесенного на окисел кремния.

фотооезист

Л/1 -

Л/9"

окисел

N3

Рис. 2.3.3.2 -Измерение толщины пленки окисел-фоторезист методом интерферометрии

Толщина пленки фоторезиста определялась по формуле:

0.27(N1-N3)

h =

N1-N2

где (^-Л^)-величина интервала между полосами, выраженная в делениях барабана окулярного микрометра; (^-#?)-величина изгиба полосы, выраженная в делениях барабана окулярного микрометра, 0,27 -коэффициент при работе с белым светом.

Для контроля профиля поверхности и толщины нанесения различных слоев в проводимых исследованиях использовалось также импортное оборудование -«Alpha -Step» - профилометр поверхности, который позволяет измерять профиль поверхности пластин, определять толщину напиленных пленок и распределение толщины пленки по пластине. Например, с помощью этого оборудования измерялись с высокой точностью толщины алюминия, титана и германия, хрома, никеля, олова, серебра и т.п.

Для измерения расстояний между линиями проявленных рисунков использовалось импортное оборудование фирмы LEITS «MPV-SD2». Данное оборудование позволяло измерять расстояния между линиями проявленных рисунков при фотолитографии с высокой точностью.

2.3.3. Рентгеновский метод

Рентгеновский метод использован в работе для исследования контактных систем и основан на взаимодействии радиационного излучения с контролируемой структурой. Наиболее стабильные результаты получаются с помощью рентгенте-левизионного метода, в основе которого используются рентгенотелевизионные микроскопы. С их помощью удается обнаруживать поры и трещины в структурах, посторонние частицы в корпусах, нарушения геометрических размеров и форм и т. д. Структурная рентгеновская топография применяется также для определения качества полупроводниковых пластин и слоев. Она основана на дифракции рентгеновских лучей на кристаллической решетке. Структурная рентгеновская топография обычно используется для исследования эпитаксиальных и диффузионных структур. Рентгеновские системы диагностики позволяют решить задачу контроля качества пайки наиболее эффективно.

В проводимых исследованиях рентгеновский метод применялся для определения надежности и качества посадки кристалла на основании рамки и одним из критериев оценки качества посадки кристалла транзистора это оплавляемость по площади кристалла, то есть распределение припоя по основанию кристалла. Такой контроль проводился с помощью рентгеновского микроскопа марки «09 ИОА -002», что позволило выявить наглядно (фотоизображение) образуемые пустоты или полости в процессе пайки [44-45].

Экспериментальным путем выявлено, что максимальная прочность паяного соединения обеспечивается при отсутствии пустот и равномерному распределению паяльного материала по всему объему контакта.

Преимуществом метода является возможность получения документального подтверждения процесса контроля. Это особенно важно для электронных устройств, предназначенных для работы в составе оборудования ответственного применения, а также в жестких климатических условиях.

2.3.4. Метод измерения поверхностного сопротивления и поверхностных состояний транзисторных структур

Для измерения поверхностного сопротивления при контроле равномерности распределения примеси процессов диффузия бора и диффузии фосфора был использован измеритель поверхностного сопротивления FPP -5000 (США), который позволяет контролировать все диффузионные процессы с высокой точностью.

Измерения проводятся по пяти точкам на пластине, результат измерения высвечивается на цифровой шкале.

Одним из важнейших параметров тонких оксидных пленок на кремнии является поверхностный заряд Qss, плотность поверхностных состояний которые характеризуют границу раздела - БЮ2. Для измерения этих параметров применен метод вольтфарадных характеристик (ВФХ). Более подробное описание метода и измерительной установки представлено в монографии автора [46].

2.3.5. Метод контроля чистоты поверхности пластин

Процесс отмывки полупроводниковых пластин проводится перед запуском партии пластин, после окислительных операций, термических операций, операций фотолитографии, напыления. Для контроля качества проведения технологической операции отмывки полупроводниковых пластин, при наборе экспериментальных данных в работе было использовано устройство для получения сфокусированного света и разработана методика определения количества светящихся точек - основного показателя чистоты поверхности пластин [46-47].

Используемая оснастка: вакуумный захват, чистый пенал с кассетами, экспериментальные образцы полупроводниковых пластин. Методика проведения контроля чистоты поверхности:

1. Сфокусированный пучок света направляется на поверхность кремниевой подложки и на поверхности отражаются пылинки в виде точек;

2. Подсчитывается количество светящихся точек и регистрируется фон

(пластины с фоном более 10 точек не используются), причем, на внешнем участке окружности шириной 5 мм светящиеся точки не подсчитываются;

3. Записывается среднее значение количества светящихся точек и это значение наносится на контрольный график.

2.3.6. Метод контроля адгезии металлов к кремнию и контроль качества посадки кристалла на основание корпуса

Для проверки адгезии четырехслойной металлизации обратной стороны пластин с транзисторными структурами применялся наиболее распространенный метод контроля - процарапывание металлической иглой. Контроль адгезии четырехслойной металлизации показал высокую адгезионную прочность, игла проскальзывала по поверхности контролируемой пластины.

При посадке кристалла на основание корпуса в процессе сборки кристаллов транзистора, качество посадки контролировалось методом отрыва с определенным усилием и визуально под микроскопом.

Контроль посадки кристалла с четырехслойной металлизацией показал, что кристалл не отрывается от основания корпуса при приложении соответствующего усилия, а при приложении большего усилия разламывается сам кремний. Это объясняет то, что посадка кристалла на основание корпуса качественная.

При визуальном контроле под микроскопом со всех сторон кристалла по периметру проступает припой на 0,5-1,0 мм от края, что показывает удовлетворительное распределение припоя по всей площади кристалла (рисунок 2.3.7.1)

Рисунок 2.3.6.1-Внешний вид кристалла посаженного на основании корпуса

2.3.7. Метод измерения глубины диффузионных слоев

Измерение глубины диффузионных слоев проводилось с использованием установки «Шар-шлиф/К». Метод контроля глубины залегания р-п-перехода включает эффект окрашивания шлифа в различных травителях. Для измерения глубины залегания порядка единиц микрометра удобно использовать сферический шлиф. Его изготовляют при вращении стального шара диаметром 35-100 мм, прижимаемого к поверхности пластины. При вращении шара, на границе с пластиной происходи подача алмазной пасты, и таким образом образуется и вырисовывается сфера (рис.2.3.7.1).

В практике обычно используют алмазную пасту марок АСМ 1/00 ВОМ и АСМ 2/1 ВОМ с диаметром зерна от 1до 2 мкм. Чем меньше размер зерна, тем точнее результат. Чтобы выявить границы р-п-перехода, глубина сферической лунки должна быть больше глубины залегания р-п-перехода. Ее определяют по окрасу р-области окислением в составе раствора фтористоводородной и азотной кислот.

Рисунок 2.3.7.1 - Схема процесса изготовления сферического шлифа на пластине с диффузионным слоем: 1 - пластина полупроводника; 2 - р-п-переход; 3 -стальной шар; 4 - окрашенная р- область шлифа

Глубина залегания диффузионного р-п-перехода определяется по формуле:

_ I2

Х] "(45)

где ! -длина хорды контура сферического шлифа (рисунок 2.3.7.1.), измеряемая с помощью микроскопа, 4О - диаметр шара.

Для проведения точных измерений проводят 5-6 измерений. В итоге берут среднее значение по проведенным измерениям. Для контроля и измерения глубины р-п-перехода на установке «Шар-шлиф/К» дополнительно использовались микроскоп МБС-10, микроскоп «ЬеЙ7». Для выявления диффузионных слоев выполняется следующая последовательность действий:

1. Смешать алмазную пасту марки АСМ 1/00 ВОМ или АСМ 2/1 ВОМ, добавить масло часовое и разбавить до однородной смеси, протереть салфеткой, смоченной спиртом.

2. Во фторопластовый стакан с раствором плавиковой кислоты добавить 2-3 капли азотной кислоты с помощью фторопластовой палочки.

3. Поместить кассету с образцом в стакан, шлифы полностью должны быть погружены в раствор.

4. Под люминесцентным светом подержать образцы 30±10 минут. После чего отмыть их в воде. По окончании сушки пластины проконтролировать визуально шлиф.

5. Извлечь образцы пинцетом из кассеты и установить на подставку для пластин.

6. Подставку с пластиной поместить на предметный столик микроскопа шлифом вверх, сфокусировать изображение шлифа.

7. Вращением предметного столика добиться взаимоперпендикулярности горизонтальной линии на мерной шкале и рисок шлифовки.

8. С помощью винтов перемещения столика микроскопа подвести изображение шлифа так, чтобы перекрытия на мерной шкале касалась верхней точки внутренней окружности шлифа. При этом горизонтальная линия будет являться касательной к окружности (рисунки 2.3.7.2-2.3.7.3).

9. Произвести замер длины хорды в делениях шкалы микроскопа.

10. Подсчитать среднее значение длины хорды в делениях шкалы микроскопа.

11. Определить глубину диффузии в микронах, произведя расчет по формуле:

где И -глубина диффузионного слоя в мкм; I - длина хорды в делениях шкалы микроскопа; ё - диаметр шарика, в мм, к - цена деления шкалы.

Рисунок 2.3.7.2 - Измерение глубины диффузии примеси 1, где 1 51-длина из-

мерения глубины примеси 1

Рисунок 2.3.7.3 - Измерение глубины диффузии примеси 2.

Для определения поверхностной концентрации примеси использованы найденные экспериментальным путем глубина залегания диффузионного р-п-пере-хода и значение поверхностного сопротивления, по которым строят графические зависимости поверхностной концентрации = /[1/(р$л:/)] для различных законов диффузионного распределения при разных концентрациях примеси в структуре [16].

2.3.8. Метод измерения теплового сопротивления «кристалл-корпус»

Для измерения теплового сопротивления «кристалл-корпус» исследуемого транзистора использованы тепловизор «testo 881» (рисунок 2.3.9.1), источник питания, БСИТ в корпусе ТО-126, термопрокладка, механизм фиксации транзистора и теплоотвода. Перед измерением проводят подготовку и осмотр образца на отсутствие повреждений, затем наносят тонкий слой термопасты на поверхность кристалла для улучшения теплопередачи. Транзистор устанавливают так, чтобы его кристалл был доступен для тепловизора без препятствий. Последовательность процесса измерения:

1.Установка и настройка оборудования:

- включить тепловизор testo 881 и прогреть его до рабочей температуры.

- настроить параметры измерения: область наблюдения (ROI) — охватывающая кристалл и корпус, чувствительность (спектральный диапазон) — по умолчанию, баланс белого — установить для правильной цветовой градации температур.

2. Проведение измерений:

Шаг 1. Определение базового состояния:

1. Включить питание транзистора и подать на него рабочий ток;

2. Зафиксировать начальную температуру корпуса и кристалла при отсутствии нагрузки (или при минимальной нагрузке);

3. Зафиксировать изображение тепловизором. Шаг 2. Нагрев транзистора:

1. Постепенно увеличивать ток через транзистор до заданного уровня;

2. В течение нескольких минут наблюдать за изменением температуры на тепловизоре;

3. Зафиксировать температуру кристалла Ткр и корпуса Ткор после достижения стационарного режима.

Шаг 3. Расчет теплового сопротивления: 1. Определить разницу температур:

ДТ=Ткр-Ткор

2. Зная подаваемый ток I и напряжение иси, рассчитываем мощность, рассеиваемую транзистором:

Р=1*иси

где иси — напряжение сток-исток.

3. Тепловое сопротивление "кристалл — корпус" определяется как:

Ъпк=РАТ

Измерения проводятся несколько раз для повышения точности измерения. Дополнительно проводят контрольные замеры при разных уровнях мощности для построения графика зависимости температуры от мощности. Полученные данные используются для оценки эффективности теплоотвода и определения тепловых характеристик транзистора.

Рисунок 2.3.8.1 - Тепловизор «testo 881».

2.4. Погрешности измерений

В связи с тем, что проводимые измерения на измерительном оборудовании несут в себе некоторую неточность, была проведена оценка погрешностей величин, с которыми мы имели дело:

1.Анализ дефектности поверхности кремниевых пластин при входном контроле пластин с использованием SURFSCAN-5000 показал погрешность измерений ±0,009 %.

2. Измерение толщины тонких пленок на оборудовании MPV-SP показало минимальную погрешность ±0,008 %.

3.Результаты измерения расстояний при фотолитографических процессах, проводившегося на установке MPV-SD2, дали минимальную погрешность ±0,025 %.

4.Контроль толщины пленки металла на установке ALPHA-STEP 200 (США) показал погрешность измерений ±0,01 %.

5. Точность измерения поверхностного сопротивления на установке FPP -5000 составляет 99,2 % (погрешность измерений составляет ±0,08 %).

6. Определение и контроль дефектов в темном и светлом полях с помощью микроскопов ENATECH и LEITZ показали распределение припоя без пор с точностью 99,8 % (погрешность составляет ±0,02 %).

7. Измерение глубин залегания диффузионных слоев на установке «Шар-шлиф/К» показало результаты погрешности ±0,01 %.

8. Погрешность измерения пробивных характеристик на ПНХТ-2 составила 0,1 %.

9.Погрешность установки для снятия ВФХ складывается из двух величин:

- погрешность шкалы прибора 5yi = ±1% и погрешность калибровочных емкостей 5у2 = ±5%. Величина заряда рассчитывается по номограммам, которые составлены с определенной точностью:

- погрешность в определении концентрации легирующей примеси на поверхности

5уз = ±2 %;

- погрешность в определении емкости плоских зон 5у4 = ±1 %;

- погрешность в определении напряжения плоских зон из ВФХ 5у5 = ±2%.

Таким образом, полная погрешность: 5у = Х5у! = 11%.

При определении диэлектрической проницаемости погрешность в основном определяется погрешностью измерения емкости Стах = Стт и толщины пленки d. Погрешность в определении емкости 5у1 = ±6%, а по толщине 5d = ±0,15 нм, что составляет: 5у2 = ±1,5% для d = 0,1 мкм; 5у2 = ±0,75% для d = 0,2 мкм и 5у3 = ±0,3% для d = 0,5 мкм. Следовательно, на толстых пленках можно точнее определить е, тогда 8утп = 5у1 +5у2 = ±6,3%.

За наиболее вероятное значение диэлектрической проницаемости принималось ее среднее арифметическое значение, при этом отклонение от среднего, по сравнению с погрешностью измерения, пренебрежимо мало. Так, например, для термического оксида и оксида выращенного в среде кислорода и водорода 5у =±6,3%.

Погрешности при определении характеристик транзистора складываются из двух величин: погрешности установки при измерении пробивного напряжения и погрешности при измерении толщины поверхностных пленок структуры.

Погрешность установки обусловлена точностью шкалы экрана осциллографа и зависит от калибровки, для d = 0,1 мкм, 5и = ±1В и составляет 5 = ±0,2%, при d = 0,2 мкм, для d =0,5 мкм, 5и = ±10В - 5у1 = ±3%. Таким образом, для пленок с толщиной d = 0,1мкм, 5у = ±3,5% при d = 0,2мкм, 5у = ±3,2% при d = 0,5мкм, 5у = ±3,3%. Следовательно, можно сказать, что погрешность для всех пленок не превышает 5у = ±4%.

При измерениях порогового напряжения ип из ВФХ, погрешность измерения обусловлена двумя факторами: погрешность самописца и погрешность методики определения. Погрешность самописца определяется точностью нанесения нуля по оси напряжений (масштаб -10 мм : 2 В), т.е. d = 0,1мкм, 5и1 = ±0,2В. Погрешность методики складывается из двух величин: от точности определения ип по оси напряжений 5и2 = ±0,2В и точности определения наклона ВФХ 5и3 = ±0,4 В, 5Ц- = 25Ш = ±0,8 В.

Погрешности измерений измерительного оборудования не превышают допустимых пределов.

2.5. Выводы по главе 2

В процессе выполнения исследований использовано технологическое оборудование предприятия полупроводникового производства, установленное в чистых помещениях и на участках технохимии, фотолитографии, диффузии, металлизации, измерения.

Для химико-технологических операций использовался комплекс универсального оборудования "ЛАДА-1 Электроника".

Для проведения технологических операций окисления, диффузии бора, диффузии фосфора, формирование защитной пленки, перед фотолитографическими процессами, операций вжигания была применена система диффузионная однозон-ная многотрубная «СДОМ-3/100».

Для проведения фотолитографических процессов применена линия химико-технологической обработки «Лада-125», в состав которой входят установки для очистки поверхности подложек, нанесения фоторезиста, проявления, термообработки фоторезиста, травления технологических слоев и снятия фоторезиста в ди-метилформамиде.

Для напыления алюминия при формировании контактов на планарной стороне кристалла применена установка электронно-лучевого напыления Оратория-9 01НЭ-7-008.

Для напыления обратной стороны структуры кремниевого транзистора применено оборудование - установка магнетронного распыления - ЬЕУБОЬЭ АО 2-600.Для разработки процесса осаждения нитрида кремния (813К4) в дихлорсилано-вой смеси была использована установка «Изотрон-4-150».

Применено современное метрологическое обеспечение, включающее аналитическое оборудование, контрольно-измерительные приборы, стандартные и разработанные методики измерений и контроля параметров. Приведенные погрешности измерений измерительного оборудования не превышают допустимых пределов.

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ БАЗОВЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПРОИЗВОДСТВА БСИТ И РАЗРАБОТКА СПОСОБОВ ИХ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ

3.1. Принцип работы БСИТ и технологические особенности реализации конструктивных вариантов

Биполярный транзистор со статической индукцией (БСИТ) представляет собой нормально-закрытый транзистор со статической индукцией с вертикальным каналом, управляемый током и имеющий входные и выходные характеристики похожие на характеристики обычного биполярного транзистора [3,48].

Как было ранее отмечено, основными направлениями применения БСИТ являются: операционные усилители, силовые («разумные») интегральные схемы, фототранзисторы, фотоприемники, устройства силовой электроники, переключательные устройства, бытовая техника. По сравнению с такими типами транзисторов как БМТ и МОП МТ, БСИТ обладает высоким быстродействием, высоким коэффициентом усиления по току, повышенной устойчивостью ко вторичному пробою, меньшей стоимостью.

В БСИТ область истока прямоугольной формы, которая окружена кольцевым затвором р+-типа, «утопленным» в области высокоомного слоя п- -типа.

Концентрация примеси в областях затвора и эпитаксиального слоя, ширина канала и другие параметры рассчитаны таким образом, чтобы при нулевом смещении на затворе встроенный потенциал затвора Афр+п-, равный разности работ выхода полупроводниковых областей кремния (Б1) р+- и п- типа, создавал обедненный слой, перекрывающий канал. Встроенный потенциал определяется формулой:

л,+- fct , /О 1 1 \

Афр+п = — 1п—(3.1.1)

ц п2 47

где, Ыа и Ыа - концентрация примеси, акцепторов в затворе и доноров в эпи-таксиальном слое, соответственно; п - концентрация примеси в «собственном»

полупроводнике; к - постоянная Больцмана; Т - абсолютная температура; q - заряд электрона.