-е-е-е

Рис. 5.4- Примеры изготовления мощных тиристоров с применением эпитаксии: а - быстродействующий низковольтный тиристор; 6 - тиристор со статической индукцией и скрытым затвором; е- асимметричный тирнстор; / - сетка р-тнпа

лической структуры. При осаждении кремния происходит восстановление водородом кремниевых соединений - обычно газообразны* силана {SiH4), трихлорсилана (SiHClg), четыреххло-ристого кремния (SiCl4) или дихлорсилана (SiH2Cl2).

Как правило, эти газы смешиваются с соответствующим газообразным веществом, содержащим, например, фосфор или мышьяк при получении эпитаксиального кремния п-типа, или бор при изготовлении легированных слоев р-типа.

Непоередственно на процесс осаждения влияют многие факторы, например температура, давление и концентрация содержащего соединения кремния газа в эпитаксиальном реакторе. Кроме того, качество слоев в значительной степени определяется свойствами поверхности подложки: небольшие дефекты на ней не только воспроизводятся при эпитаксии, но и обусловливают появление гораздо более опасных дефектов.

Основными требованиями при эпитаксии, связанными со спецификой производства мощных тиристоров, являются наличие больших поверхностей с низкими уровнями дефектов и точный контроль за толщиной эпитаксиальных слоев, изменяющейся в диапазоне от 10 до 50 мкм.

На рис. 5.4 показаны несколько структур мощных тиристоров, изготовленных с применением эпитаксии. На рис. 5.4, а изображен тиристор с п-базой, сформированной данным способом. Его исходным материалом является сильнолегированная подложка р-типа. На ней методом эпитаксии получили слой п-типа, а затем провели многократную диффузию р-типа и на завершающей стадии диффузию п-типа для создания эмиттера.

В данном случае очень важно контролировать толщину эпитаксиального слоя, так как она определяет окончательную ширину п-базы. Кроме того, необходимо обеспечить низкую плотность дефектов для исключения чрезмерных токов утечки в р * -п- или р - п-запирающих переходах. Проблема эпитаксиального выращивания при изготовлении р - п-переходов большой площади исследована в [Roy, 1973]. Основные трудности свя-

заны с выбором наиболее подходящего метода очистки кремниевой подложки перед осаждением эпитаксиального слоя. Наилучшие результаты получены при травлении шестифтористой серой. В [Roy, 1973] получены высококачественные р -п-пере-ходы с площадью 5 см, пробивное напряжение которых превышало 3500 В.

Исходным материалом при изготовлении изображенного на рис. 5.4, б тиристора со статической индукцией является под-ложка п-типа. Первоначально проводили диффузию для создания р+анода и решетки р-типа, которую заглубляли путем эпитаксиального осаждения слоя /г-типа. На заключительной стадии путем диффузии создавали эмиттер п+-типа. В этом случае также было важно обеспечить качество эпитаксиальных слоев, но возникла и дополнительная проблема, обусловленная наличием на поверхности подложки на стадии эпитаксии слоев п- и р-типа. Это связано с тем, что существовала вероятность проникновения легирующей примеси р-типа в поток газа с нарушением процесса легирования осаждаемого слоя п-типа.

На рис. 5.4, в изображен изготовленный с применением эпитаксии асимметричный тиристор. Его легированный слой /г-типа осаждали на подложке с высоким удельным электрическим сопротивлением и из полученной таким образом структуры путем диффузии формировали данный тиристор.

Эпитаксиальный слой предотвращает распространение обедненного слоя под действием прямого запирающего напряжения (см. § 4.2). Качество эпитаксиального слоя не столь важно в данном случае, так как он никогда не подвергается воздействию чрезмерно высокого напряжения. Повышенные уровни дефектов могут создать серьезные проблемы в том случае, если, с одной стороны, они обусловливают передачу дефектов подложке п-типа и, с другой стороны, предъявляются сколько-нибудь существенные требования к запирающему напряжению р * - п -анодного перехода.

Применение эпитаксии для изготовления р-/-п-диодов исследовано в [van Jseghem, 1976]. В результате были получены диоды с очень высокими (выше 5000 В) напряжениями. Эта работа имеет самое непосредственное отношение и к асимметричным тиристорам, поскольку у обоих приборов имеются базовые р -п~ - п+-структуры.

В целом, однако, применение эпитаксии при изготовлении мощных тиристоров пока ограничено.

Сложности, связанные с обеспечением низкого уровня дефектов и разработкой высокопроизводительного экономичного технологического процесса, еще не компенсируются техническими преимуществами при эпитаксии, поэтому в большинстве случаев слои р- и п-типа приборов формируются методами диффузии.

jL .147

5.3. Изготовление р-/г-переходов

Слои р- и п-типа мощных тиристоров обычно формируются путем введения легирующих примесей в исходный кремний п-типа. Обычно для этого применяются методы диффузии, хотя, как будет показано ниже, возможно также сочетание ионной имплантации и диффузии. Традиционными легирующими при-, месями, используемыми при производстве мощных тиристоров, являются фосфор, мышьяк (донорные примеси), галлий, алюминий и бор (акцепторные примеси).

Выбор конкретной примеси зависит от нескольких факторов, в частности от коэффициента диффузии, определяющего скорость диффузии при заданной температуре (см., например, рис. 3.3), наличия соответствующей технологии проведения диффузии, позволяющей реализовать требуемые диффузионные профили распределения легирующей примеси по глубине, а также влияния атомов легирующей примеси на кристаллическую структуру кремния.

Воздействие отдельных примесей на кристаллическую структуру особенно важно для мощных тиристоров. Поскольку у атома примеси не может быть такой же атомный радиус, как и у кремния, существует вероятность разрушения им кристаллической решетки кремния с образованием вызванных диффузией дефектов, например дислокаций.

В этом плане наиболее отрицательно воздействуют бор и фосфор, так как их атомы намного меньше атомов кремния [Ravi, 1981]. Алюминий, галлий и мышьяк по размерам своих атомов довольно близки к кремнию, и поэтому создаваемое ими напряжение, обусловленное искажением кристаллической решетки, незначительно.

Вследствие хорошего совпадения размеров атомов кремния, галлия и алюминия последние йвляются предпочтительными легирующими примесями по сравнению с бором при формировании основных запирающих переходов тиристора. Бор обычно применяют лишь в тех случаях, когда необходимо провести диффузию акцепторов для формирования планарных слоев.

Это связано с тем, что алюминий и галлий нельзя маскировать диоксидом кремния, в то время как при использовании бора сложностей при маскировании данным материалом не возникает. Кроме того, как будет показано ниже, напряжения, создаваемые бором, дают преимущества при геттерировании.

Бор можно использовать при диффузии акцепторов для создания эмиттера, поскольку в этом случае процессы диффузии более простые, чем при введении алюминия или галлия, а уровень возникающих дефектов может быть допустимым. При диффузии фосфора также создаются дефекты в кремнии в связи с рассогласованием параметров решетки. Это допускается для