ментами на обеих сторонах пластины, например запираемых тиристорах и симисторах, подобные дефекты на нерабочей стороне пластины неприемлемы.

5. Процессы металлизации, изготовления контактов и монтажа еще более специфичны для мощных приборов. В связи с высокими рабочими напряжениями необходимы специальная защита фаски и пассивация. Из за наличия сильных токов при функционировании прибора его обширные области подвергаются воздействию высоких температур, что обусловливает повышенные требования к уменьшению в приборе эффектов, связанных с термической усталостью. И, наконец, металлизация должна обеспечивать создание омических контактов к кремнию с пониженным сопротивлением, чтобы свести к минимуму падение напряжения в открытом состоянии.

В свяви с ограниченными возможностями в данной главе обсуждаются отнюдь не все проблемы, связанные с изготовлением приборов. Дополнительную информацию можно почерпнуть, например, из [Ghandi, 1968] и [Cochlaser, 1980].

5.1. Производство исходного кремния

Высокочистый кремний получают методами Чохральского или зонной плавки.

5.1.1. Изготовление кремния методом Чохральского

При использовании процесса Чохральского стержень или слиток кремния вытягивается из находящегося втигле расплава кремния. Данный метод очень чувствителен к нежелательным примесям в виде углерода и кислорода. Углерод содержится в основном материале, а растворение в кремнии кислорода (максимальное содержание 10® см~). связано с диоксидом кремния, из которого изготовлен тигель.

Кислород и углерод присутствуют в кремнии в неактивной форме, т. е. не являются легирующими примесями. Углерод содержится в качестве преципитатов карбида кремния, а кислород в виде междоузельных атомов или кластеров ЗЮг. Тем не менее как кислород, так и углерод могут обусловливать преждевременный пробой приборов и образование участков перегрева.

При содержании углерода свыше 5X10 см~ возможна деградация характеристик пробоя тиристора в прямом и обратном направлении, связанная с искажением поля в результате появления дефектов кристалла из-за наличия углерода В тех случаях, когда для регулирования времени жизни неосновных носителей заряда применяется диффузия золота и наблюдается его неравномерное внедрение в кремний, также не исключается ухудшение проводимости в открытом состоянии и характеристик переключения тиристора [Kolbesen, Muhlbauer, 1982].

сопротивления.

Рис. 5.2. Устройство для изготовления кремния

методом зонной плавки: / - камера; 2 - кремниевый стержень; 3 - спирали для ВЧ нагрева; 4 - зона расплава

Кислород оказывает аналогичное влияние на свойства тиристора: нарушения режима работы связаны с формированием макропреципитатов Si02, вызывающих искажение поля и образование участков перегрева в ре-

Iзультате геттерирования примесей в эти области [Ravi, 1981].

Другим недостатком кремния, полу- ченного методом Чохральского, явля-t ется разброс значений удельного сопротивления, обусловленный неравномер-ностями на границе раздела жидкость - твердая фаза в процессе роста. Отклонения от нормы разброса возрастают с увеличением параметров удельного Типичным является разброс свыше +20%.

Наиболее существенным недостатком кремния, изготовленного этим методом и предназначенного для мощных приборов, является сложность получения материала с удельным электрическим сопротивлением свыше 50 Ом-см. Это объясняется трудностями, связанными с предотвращением загрязнения из тигля в процессе выращивания кристаллов кремния. Поскольку для мощных тиристоров требуется кремний с удельным сопротивлением выше 50 Ом-см, метод Чохральского для его получения не используется.

5.1.2. Изготовление кремния методом зонной плавки

В отличие от метода Чохральского цри получении кремния способом зонной плавки тигель не применяется и поэтому проблемы, связанные с его загрязнениями, полностью исключаются. Схематически устройство, в котором осуществляется процесс зонной плавки, показано на рис. 5.2. Исходным материалом в этом случае является кремниевый стержень, изготовленный путем разложения трихлорсилана в присутствии водорода. Стержень помещают в герметичную камеру с пониженным давлением и формируют в нем зону расплава путем нагрева.

При движении стержня через ВЧ контур вместе с ним с одного конца на другой перемещается и зона расплава. Одновременно переносятся и в конечном итоге удаляются из кремния и нежелательные примеси. Поскольку зона расплава не контактирует с каким-либо другим материалом кроме находящегося в камере газа, в кремний вводится лишь незначительное количество примесей.

а си I

1 i I i L

i I i

I i I i

10 го 3D 40

Расстояние по радиусу подложки , мм

Рис. 5.3. Изменение радиального удельного сопротивления кремния, изготовленного различными методами: /-зонная плавка; 2-легирование за счет нейтронной ядерной реакции

После выполнения следующих один за другим проходов вдоль стержня содержание примесей в кремнии становится очень низким, что позволяет обеспечивать высокое удельное электрическое сопротивление. Благодаря сочетанию повышенного удельного электрического сопротивления и незначительного содержания примесей, в первую очередь кислорода и углерода, кремний, полученный методом зонной плавки, становится почти единственным материалом, используемым для изготовления мощных тиристоров.

С помощью данного метода получают кремний п- и р-типов. Легирующие примеси добавляются в кремний в процессе зонной плавки путем введения в рабочую камеру фосфина (легирование фосфором) или диборана (легирование бором).

5.1.3. Легирование кремния за счет нейтронной ядерной

реакции

Кремний, полученный методом зонной плавки и легированный традиционными способами, имеет один существенный недостаток: возможен чрезмерный разброс значений радиального сопротивления из-за неравномерного внедрения легирующей примеси в процессе плавки. На рис. 5.3 показаны, в частности, типичные колебания удельного электрического сопротивления кремния, изготовленного методом зонной плавки. Эти колебания носят почти периодический характер и называются стратами [Ravi, 1981 . Максимальная амплитуда колебаний достигает ±25%.

Мощный тиристор с идеальными характеристиками характеризуется низким напряжением в открытом состоянии и высоким напряжением обратного пробоя. Как было показано в п. 3.3.2,