Физико-технические основы технологии силовых кремниевых приборов с использованием метода термомиграции жидких зон тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.27.06, кандидат наук Середин, Борис Михайлович

• Середин, Борис Михайлович
• кандидат наук
• 2017

Оглавление диссертации кандидат наук Середин, Борис Михайлович

ОГЛАВЛЕНИЕ

ОБОЗНАЧЕНИЯ 5

ПРИНЯТЫЕ СОКРАЩЕНИЯ 6

ВВЕДЕНИЕ 7

ГЛАВА 1 МЕТОДЫ ГЛУБОКОГО ЛОКАЛЬНОГО ЛЕГИРОВАНИЯ КРЕМНИЯ 19

1.1 Анализ возможностей методов глубокого легирования р-областей СПП 19

1.1.1 Локальное глубокое легирование в структурах СПП 19

1.1.2 Сравнительный анализ возможностей создания р-слоев в

23

структурах СПП

29

1.1.3 Создание разделительных р-каналов в структурах СПП

1.2 Метод ТМ и степень его разработанности для использования в

44

промышленной технологии СПП

1.2.1 Выявление технологических факторов, сопровождающих

44

термомиграцию расплава

1.2.2 Выбор металла для локального легирования кремния акцепторной

примесью методом ТМ 56

59

1.2.3 Методики получения плоских кремниевых р-слоев

1.2.4 Варианты реализации метода ТМ для создания разделительных р-

66

каналов

1.2.5 Методики обеспечения планарности тыльной поверхности

72

кремниевой пластины после термомиграции

1.2.6 Термическое оборудование для термомиграции жидких зон в

77

кремнии

1.3 Опыт промышленного освоения метода ТМ и постановка задач

84

исследования

Выводы 87

90

ГЛАВА 2 РАЗРАБОТКА МЕТОДИК ФОРМИРОВАНИЯ ЖИДКИХ ЗОН 90

90

2.1 Общие замечания

2.2 Выявление требований к используемым материалам 91

2.3 Причины невоспроизводимого формирования плоских жидких зон 103

2.4 Выявление технологических ограничений процесса формирования дискретных зон избирательным смачиванием 116

2.5 Разработка методик формирования плоских зон 126

2.5.1 Использование добавок в расплав алюминия 126

2.5.2 Использование пористого кремния 130

2.5.3 Использование микропрофилирования поверхности кремния 137

2.6 Обоснование применения методик формирования жидких зон и технологические схемы их реализации 145

Выводы 151

ГЛАВА 3 КИНЕТИКА И СТАБИЛЬНОСТЬ МИГРАЦИИ ЖИДКИХ ЗОН 153

3.1 Общие замечания 153

3.2 Исследование кинетики и стабильности миграции расплава Al-Si с добавками третьего компонента 154

3.3 Особенности кинетики и стабильности миграции плоских зон в условиях макровозмущений межфазных границ 163

3.4 Исследование стадии выхода жидкой зоны расплава на тыльную поверхность пластины 170

3.5 Технологическая схема процесса создания ^-областей для СПП 174 методом ТМ

Выводы 177

ГЛАВА 4 ТЕРМИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ТЕРМОМИГРАЦИИ 179

4.1 Общие замечания 179

4.2 Оборудование для формирования плоских жидких зон 180

4.3 Оборудование для формирования дискретных жидких зон 185 4.3 Оборудование для проведения процессов термомиграции зон 194 Выводы 213

ГЛАВА 5 СВОЙСТВА ПЕРЕКРИСТАЛЛИЗОВАННЫХ СЛОЕВ,

ОБЛАСТЕЙ, СТРУКТУР И ПРИБОРОВ НА ИХ ОСНОВЕ 214

5.1. Общие замечания 214

5.2 Кристаллическое совершенство перекристаллизованного кремния 215

5.3 Электрофизические характеристики перекристаллизованных

р- областей 223

5.4. Электрические свойства структур и СПП на их основе 235

5.4.1. Кремниевые СПП, содержащие перекристаллизованныхр-слои 235

5.4.2. Кремниевые СПП, содержащиер-каналы 245 Выводы 251 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 253 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 271 ПРИЛОЖЕНИЕ 292

ОБОЗНАЧЕНИЯ

Т - температура

0 - градиент ? - время

И; Н - высота I; Ь - длина Ж - толщина Я - радиус ю - прогиб Э - диаметр и - скорость С - концентрация ц - плотность материала

Яа - среднее арифметическое отклонение профиля Эз - коэффициент диффузии в твердом теле - коэффициент диффузии в жидкой фазе а - поверхностное натяжение к - постоянная Больцмана р - давление

р - удельное сопротивление и - напряжение

1 - сила электрического тока

т - время жизни неосновных носителей заряда Ф - интегральный поток излучения кт - радиационная константа

Значительная часть других обозначений, имеющих ограниченное использование, поясняется в соответствующих разделах.

ПРИНЯТЫЕ СОКРАЩЕНИЯ

СПП - силовой полупроводниковый прибор

ТМ - термомиграция

ВАХ - вольт-амперная характеристика

ЭВМ - электронно-вычислительная машина

ЭРМА - электронно-рентгеновский микроанализ

ХКО - рентгено-дифракционный анализ

АСМ - атомно-силовая микроскопия

РЭМ - растровая электронная микроскопия

ПРЭМ - просвечивающая растровая электронная микроскопия

ДТА - дифференциальный термический анализ

ВИМС -вторичная ионная микроскопия

СТ - специальные требования

МТИ - метод точечных источников

ПК - пористый кремний

САО - струйно-абразивная обработка

ФЭП - фотоэлектрический преобразователь

ИМС - интегральная микросхема

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Физико-технические основы технологии силовых кремниевых приборов с использованием метода термомиграции жидких зон»

ВВЕДЕНИЕ Актуальность темы исследования

Прогресс в создании новых типов и совершенствовании выпускаемых силовых полупроводниковых приборов (СПП) определяется возможностями технологических процессов [1]. В настоящее время силовая электроника большей частью является кремниевой [2]. Для реализации большинства кремниевых СПП необходим технологический метод [3], способный создавать значительные по глубине залегания и различные по планарной геометрии р-области в виде слоев и каналов.

Наиболее широко для создания легированных слоев в СПП используется диффузионный метод [4; 5]. Этот метод является универсальным и хорошо изученным. Метод позволяет воспроизводимо проводить легирование кристалла практически любой примесью [6]. При использовании пластин кремния больших диаметров (выше 100 мм) и, следовательно, толщин ряд диффузионных операций глубокого локального легирования становится неприемлемо длительным (более 100 часов) и высокотемпературным (свыше 1200°С). Складывается ситуация, когда дальнейшее развитие диффузионного метода в применении в технологии СПП практически исчерпано.

Ионная имплантация [5; 7 - 9], основанная на бомбардировке кристалла полупроводника заряженными примесными ионами, также позволяет легировать кристалл дозированным количеством примесных атомов. Однако метод имеет ограничения по глубине локального легирования. Ионная бомбардировка разупорядочивает кристаллическую решетку полупроводника, поэтому после имплантации необходимо проводить дополнительный отжиг его для электрической активации примеси, формирования необходимого примесного профиля и упорядочивания структуры. В этой связи метод ионной имплантации получил достаточно широкое распространение в технологии СПП, как метод загонки примеси для последующей ее диффузионной разгонки. Ионная имплантация фактически является этапом диффузионной технологии с вышеуказанными ограничениями.

Наибольшей перспективой для оптимизации характеристик СПП обладает локальное легирование кристаллов в процессе роста из газовой или жидкой фазы. Ростовой метод позволяет получать однородные или целенаправленно неоднородные легированные слои заданной толщины и уровня легирования, а также р-п переходы на их основе, в том числе резкие. С нашей точки зрения, высокими потенциальными возможностями обладает ростовой метод, реализованный с использованием эффекта термомиграции жидких зон [10 - 12]. Используя жидкие зоны различной формы и состава, движущиеся в направлении градиента температуры, этим методом можно при сочетании с другими операциями полупроводниковой технологии получать в объеме кристалла легированные области необходимой конфигурации.

Метод термомиграции (ТМ) жидких зон используется в полупроводниковой технологии давно [13 - 17]. Большое число публикаций, посвященных теории процесса термомиграции и ее различным применениям, включая аппаратурное оформление метода, систематизировано в монографии [18]. Однако новые цели [19], которые ставит развитие кремниевой силовой электроники, выдвигают новые задачи в области исследования процесса ТМ, без которых эффективная технология не может быть создана.

В диссертационной работе приводятся результаты системных исследований процесса миграции жидких зон различной геометрической формы в поле температурного градиента для создания СПП кристаллически совершенных, однородно легированных или очищенных от исходных примесей, встроенных в кремниевые пластины практически на любую глубину слоев и р-п переходов на их основе. Работа носит комплексный характер и включает разработку эффективных технологических процессов с использованием метода ТМ и специального оборудования применительно к производству кремниевых приборных структур силовой электроники.

Степень разработанности темы исследования

Эффект термомиграции состоит в самопроизвольном перемещении жидкой зоны определенного состава в твердом теле, помещенном в поле температурного

градиента. Области твердого тела, перекристаллизованные методом ТМ, локально легируются вдоль траектории движущейся жидкой зоны.

Идея применить эффект термомиграции для локального легирования полупроводников принадлежат В.Д. Пфанну (W.G. Pfann), которым в [10 - 12] описана принципиальная возможность получения этим методом ^-«-переходов различной конфигурации. Закономерности термомиграции, влияние различных условий на процесс миграции и перераспределение примесей в кристалле при термомиграции исследовались многими авторами в два последних десятилетия двадцатого века, среди которых наиболее значимы для теории термомиграции работы В.А. Тиллера (W.A. Tiller) [20]; Т. Д. Херла (T.J. Hurle) [21]; Т.Р. Антони (T.R. Anthony) в соавторстве с Х.Е. Клайном (H.E. Cline) [22; 23]; Л.В. Гегузина [24]; В.Н. Лозовского в соавторстве с Л.С. Луниным и В.П. Поповым в [18].

На ряду с формированием теории [17] термомиграции достаточно интенсивно проводилась разработка методик локального легирования различных полупроводниковых кристаллов (в основном кремния и соединений А3В5). Наибольшее количество патентов и авторских свидетельствах в рассматриваемой области принадлежит сотрудникам фирмы General Electric Company и Новочеркасского политехнического института (НПИ)1. Первый опыт отечественного промышленного применения метода ТМ появился в конце 60-х годов прошлого столетия (НИИ «Сапфир», г. Москва). В 1979 - 1983 годы метод ТМ был использован в промышленном изготовлении кремниевых низковольтных прецизионных термокомпенсированных стабилитронов в НПО «Союз» и на заводе полупроводниковых приборов (г. Новосибирск), а в 1989 - 1992 годы - для создания высоковольтных фотоэлектрических преобразователей в НПК «Сатурн» (г. Краснодар).

Автор диссертации участвовал во внедрении в производство технологических процессов, основанных на методе ТМ,: в 1989 - 1992 годы в НПК «Сатурн» при создании кремниевых стабилитронов повышенной мощности для

1 Ныне Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова

высоковольтных фотопреобразователей; в 1988 - 2015 годы в ЗПО «Преобразователь»1 (г. Запорожье) в производстве силовых диодов и тиристоров на токи до 100 А; в 2016 году АО «Воронежский завод полупроводниковых приборов - Микрон» при получении структур диодов прямой полярности на токи до 100 А и в 2015 - 2016 годах в НПФ «Экситон» (г. Ставрополь) при создании СПП с анодным р-п переходом большой площади.

Цель и задачи

Целью настоящей диссертации является разработка физико-технических основ технологии эффективных кремниевых СПП, содержащих различные по конфигурации р-области в виде плоских слоев и сквозных каналов в п-кремнии, с использованием метода ТМ.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

- провести системный анализ физических особенностей и сравнительных возможностей термомиграционного и диффузионного локального легирования и выявить условия предпочтительного применения метода ТМ в производстве СПП;

- проанализировать влияние факторов, определяющих и сопровождающих процесс термомиграции при создании р-областей для СПП;

- разработать методики формирования жидких зон необходимых для создания СПП состава и конфигурации, а также вывода зон на тыльную поверхность;

- исследовать кинетику и стабильность процесса термомиграции в кремнии жидких зон различного состава и конфигурации, использующихся при создании р-областей для СПП;

- разработать термическое оборудование для реализации метода ТМ при создании р-областей для СПП;

- исследовать процессы дефектообразования в объеме перекристаллизованных р-областей, на их границах и поверхности кремния;

1 Ныне ООО "Элемент-Преобразователь"

- исследовать распределение вводимых и фоновых примесей в перекристаллизованных р-областях и кристаллической матрице вдоль траектории движения зон;

- исследовать электрофизические свойства термомиграционно легированных р-областей, р-п переходов на их границах и электрических характеристик СПП на их основе полученных р-областей.

Научная новизна

1. Расширены представления о физике процессов, определяющих и сопровождающих термомиграцию в кремнии жидких алюминий-содержащих зон различной конфигурации, и разработаны научные основы технологии создания эффективных силовых кремниевых приборов с использованием метода термомиграции.

2. Установлено, что процесс термомиграции жидких зон на основе алюминия стабилен, если состав и форма зон при их погружении в кремний равновесны. Для достижения равновесности дискретных зон необходимо использовать избирательное смачивание кремниевой пластины алюминием через вскрытые окна в слое диоксида кремния и капиллярное втягивание насыщенного по кремнию расплава алюминия - при формировании плоских зон.

3. Обнаружено, что процесс избирательного смачивания алюминием кремниевых пластин может сопровождаться образованием четырех типов характерных дефектов: образование микрозон на поверхности кремниевых пластин; отклонение ширины и толщины зон от заданных; разрывы жидких зон; налипание расплава на маскирующее покрытие. Найдены взаимосвязи процессов дефектообразования с параметрами микрорельефа поверхности кремниевых пластин, температурой процесса образования зон, скоростью движения расплава, высотой расплава в тигле. Выявлены оптимальные значения указанных параметров, гарантированно снижающие суммарное относительное количество дефектов всех типов до 5%.

4. Впервые обнаружен эффект деформации и фрагментации слоя расплава, возникающий при капиллярном заполнения расплавом плоского зазора между

кремниевыми пластинами диаметром выше ~ 40 мм. Показано, что фрагментация жидких зон представляет собой результат совокупного проявления капиллярных сил и эффекта Гиббса-Томсона. Предложена модель процесса капиллярного формирования плоских жидких зон, на основании которой сформулированы подходы по устранению выявленных ограничений.

5. Установлено, что использование выступов, размещенных равномерно внутри кремниевого плоского зазора, позволяет устранить деформацию слоя расплава, однако может приводить к образованию дефектов кристаллической структуры кремниевой пластины в точках касания с ней выступов. Определены параметры макрорельефа пластины: форма, размеры и шаг чередования выступов, при которых исключается внесение механических нарушений в кремниевые пластины. Разработана методика формирования плоских зон, исключающая деформацию зазора и образование указанных дефектов. Наложение от 4 до 16 тепловых импульсов при температуре формирования зон в диапазоне 900 - 1050 °С амплитудой 50 - 100 °С способствует повышению стабильности дальнейшей миграции зоны и планарности металлургической границы плоского р-п -перехода.

6. Впервые обнаружен эффект снижения деформации слоя расплава в процессе капиллярного формирования плоских зон и уменьшения относительного количества дефектов избирательного смачивания при добавлении в расплав алюминия добавок Ga или Sn от 0,5 до 1,0 % (масс.). Разработана методика формирования жидких зон с использованием добавок Ga или Sn, способствующая стабильности последующей термомиграции зон.

7. Выявлены температурные, временные и концентрационные границы стабильной миграции расплава Al-Ga и Al-Sn в кремнии. Показано, что в трехкомпонентном расплаве отсутствуют химические соединения, что упрощает использование метода ТМ на основе этих зон. Установлено, что введение в жидкую фазу Ga или Sn позволяет расширить диапазон концентрации акцепторов при легировании методом термомиграции до значений, превышающих диапазон легирования той же примесью методом диффузии, причем в этом случае скорость

легирования методом ТМ на несколько порядков превышает скорость легирования диффузией во всем диапазоне изменений состава жидкой зоны.

8. Экспериментально обнаружен и изучен предсказанный теоретически эффект индуцированной нестабильности плоских зон, толщина которых меньше некоторого критического значения, что связано с переносом спонтанно возникающего локального динамического возмущения нестабильной межфазной границе на противоположную область стабильной границы и разрывом сплошности жидких зон. Показана возможность использования эффекта индуцированной нестабильности плоской алюминий-кремниевой зоны для получения методом ТМ пригодной для силовой электроники упорядоченной системы п-каналов в кремниевых пластинах р-типа проводимости.

9. Впервые выявлен эффект блокирования растекания жидких зон при их выходе на тыльную поверхность кремневой пластины защитной пленкой. Обоснован подход использования этого эффекта в обеспечении планарности финишной поверхности и разработаны методики сохранения ее кристаллического совершенства.

10. Рентгенографическими исследованиями выявлено увеличение рассогласования параметра кристаллической решетки в перекристаллизованных р-областях с ростом температуры процесса термомиграции. Установлено, что плотность дислокаций в термомиграционно легированных р-областях на один - два порядка ниже, чем в исходной пластине.

11. Установлены высокая степень однородности термомиграционного легирования и эффект зонной очистки р-области от фоновых примесей, позволяющий регулировать концентрацию примеси в р-области от значений ниже фоновых, которого невозможно добиться методом диффузии. Показано, что однородное легирование алюминиесодержащей жидкой зоной кремниевых р-областей в виде слоев и каналов позволяет создавать СПП с низким значением прямого напряжения, высокой запирающей способностью и повышенной радиационной стойкостью.

Научная и практическая значимость работы

Научная значимость проведенных взаимосвязанных экспериментальных и теоретических исследований всех стадий процесса термомиграции жидких алюминий-содержащих зон в кремнии заключается в том, что в результате их выполнения решена научная проблема разработки физико-технических основ технологии создания с использованием метода термомиграции кремниевых силовых приборов с низким значением прямого напряжения, высокой запирающей способностью и повышенной радиационной стойкостью.

Практическая значимость диссертационной работы состоит в том, что: выявлены технологически значимые факторы, определяющие и сопровождающие метод ТМ при создании р-областей структур для силовых кремниевых приборов; разработаны оригинальные способы проведения процесса термомиграции жидких зон различной формы, обеспечивающие высокое качество перекристаллизованных р-областей; на основе результатов теоретических и экспериментальных исследований процесса термомиграции установлены оптимальные режимы термомиграции жидких зон при создании р-областей структур СПП; предложены, изготовлены и испытаны конструкции термического оборудования для формирования дискретных и плоских зон; разработаны компьютерные программы, позволяющие провести экспериментальную оптимизацию конструкций нагревательных элементов установок для проведения термомиграции и обеспечить получение однородного в плоскости обрабатываемых пластин градиентного поля; доказано, что, в отличие от широко используемого диффузионного метода глубокого (более 10 мкм) легирования кремния, метод ТМ жидких зон на основе алюминия позволяет создавать за меньшую длительность (несколько порядков) при низкой (на 50 - 200 °С ниже) температуре в п-кремнии кристаллически совершенные, однородно легированные акцепторной примесью, очищенные от исходных примесей р-области необходимой для структур СПП конфигурации в виде плоских слоев и сквозных каналов; выполненные исследования и разработки реализованы в технологических процессах создания: сквозных ^-областей и анодных р-п-переходов диодных, тиристорных и симисторных структур СПП на

токи до 100 А в серийном производстве в ООО «Элемент-Преобразователь» (г. Запорожье); сквозных р-областей при производстве структур диодов прямой полярности на токи до 100 А в АО «ВЗПП-Микрон» (г. Воронеж); кремниевых п-р+-структур для силовых диодов в ООО НПФ «Экситон» (г. Ставрополь).

Результаты диссертационной работы используются при подготовке бакалавров, магистров и аспирантов по направлению подготовки «Электроника и наноэлектроника» на кафедре физики и электроники ЮРГПУ(НПИ).

Результаты настоящих исследований представляют практический интерес для АО «ВЗПП-С» (г. Воронеж), ОАО "Электровыпрямитель" (г. Саранск), АО «Оптрон-Ставрополь», ОАО «Ангстрем» (г. Зеленоград), ЗАО «Группа Кремний Эл», (г. Брянск), ПАО «НЭВЗ-Союз» (г. Новосибирск), «Семикрон», (г. Санкт-Петербург), «Протон-Электротекс» (г. Орел), АО НПП «Радий», ФТИ имени А.Ф. Иоффе (г. Санкт-Петербург), Южного научного центра Российской академии наук (г. Ростов на Дону) и других предприятий, связанных с производством СПП.

Методология и методы исследования Решение поставленных в работе задач проводилось путем сочетания теоретических и экспериментальных методов исследования. Для исследований процессов формирования жидких зон, стабильности их термомиграции в кристалле и определения конфигурации теплового поля в термическом узле применялось численное моделирование рассматриваемых процессов. При выполнении экспериментальных исследований использовались: металлографический анализ перекристаллизованных областей кремния с применением оптической-, электронной-, просвечивающей-, атомно-силовой микроскопии; рентгеновские дифрактометрия и топография; дифференциальный термический анализ, вторичная ионная масс-спектрометрия. Для определения качества выращенных методом ТМ слоев и каналов, р-п-переходов и СПП на их основе применены электрофизические методы исследования и современное оборудование.

Положения, выносимые на защиту 1. Погружение жидких зон в кристалл и их дальнейшая термомиграция происходит стабильно, если состав и форма жидких зон до старта термомиграции

являются равновесными, что достигается применением избирательного смачивания расплавом металлов вскрытых окон в слое SiO2 на кремниевых пластинах при формировании дискретных зон и капиллярным втягиванием насыщенного по кремнию расплава - плоских зон.

2. Равновесность дискретных жидких зон обеспечивается при избирательном смачивании использованием специального формирователя и оптимизацией: параметров микрорельефа поверхности кремниевых пластин, температуры процесса, скорости движения формирователя, высоты расплава в тигле, что минимизирует количество всех дефектов, возникающих на старте термомиграции.

3. При капиллярном формировании плоских жидких зон на пластинах кремния диаметром, выше ~ 40 мм, возникает эффект деформации с возможной фрагментацией слоя расплава и прогиба пластин, для устранения которого необходимо модифицировать свойства расплава и изменить схему капилляра.

4. Введение добавок галлия или олова в алюминий с массовой концентрацией от 0,5 до 1,0 % способствует уменьшению количества дефектов избирательного смачивания кремния расплавом, устранению прогиба кремниевых пластин при капиллярном формировании плоских зон и улучшению стабильности термомиграции.

5. Для обеспечения стабильной миграции жидких зон на основе алюминия необходимы температура, превышающая пороговое значение, или кратковременный перегрев композиции до процесса термомиграции на 150 °С. Пороговая температура начала термомиграции монотонно возрастает с увеличением концентрации третьего компонента в зоне от 940 до 1100 °С и от 940 до 1050 °С соответственно для галлий- и оловосодержащих систем. В жидких зонах Si-Al-Ga и Si-Al-Sn отсутствуют химические соединения, что упрощает использование метода ТМ на основе этих зон для расширения диапазона легирования кремния р-областей для СПП.

6. Эффект индуцированной нестабильности миграции зоны, впервые экспериментально выявленный при миграции кремний-алюминиевой плоской зоны, толщина которой меньше некоторого критического значения, приводит к

нарушениям сплошности плоской зоны. Эффект может быть использован для создания упорядоченной системы п-каналов в перекристаллизованном кремнии р-типа, пригодных в конструировании СПП.

7. Сохранение планарности поверхности перекристаллизованного кремния и прилегающих в нему областей обеспечивается блокированием миграции расплава на основе алюминия путем предварительного нанесения на тыльную сторону кремниевой пластины защитной пленки тугоплавкого материала или фоторезиста.

Степень достоверности Достоверность полученных результатов подтверждается: корректностью постановки задачи, не противоречащей известным теоретическим представлениям; результатами экспериментальных исследований и апробацией в опубликованных статьях, а также выступлениями на международных и отечественных конференциях; согласованностью с результатами исследований других авторов, общенаучными основами термомиграции жидких зон; использованием современных методов и оборудования для экспериментальных исследований; эффективностью технологии, основанной на результатах исследований и разработок автора, и использованием ее промышленными предприятиями.

Апробация результатов Основные результаты диссертации обсуждались на объединенных научных семинарах лаборатории микроэлектроники и кафедры физики ЮРГПУ(НПИ).

Результаты диссертационных исследований докладывались на научных конференциях: «Основные направления развития конструирования, технологии и исследования силовых полупроводниковых приборов» (г. Москва, 1991); «Новые материалы и технологии» (г. Москва, 1994); «Инженерно-физические проблемы авиационной и космической техники» (г. Егорьевск, 1995); «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники» (г. Таганрог, 1994 -1998); VII - IX Международной научной конференции института химии растворов РАН «Кристаллизация как форма самоорганизации вещества» (г. Иваново, 2012, 2014, 2016); XI международная научная конференция «Химия твердого тела: наноматериалы, нанотехнологии» (г. Ставрополь, 2012); на конференции

«Нанотехнологии функциональных материалов (НФМ-2014)» (г. Санкт-Петербург); XIV научно-технической конференции «Твердотельная электроника. сложные функциональные блоки РЭА» (г. Москва, 2015); XIII российско-китайском симпозиуме «Новые материалы и технологии» (г. Москва, 2015); 18-й Всероссийской научно-технической конференции по радиационной стойкости электронных систем «Стойкость-2015» (г. Лыткарино, 2015); «Materials Engineering and Technologies for Production and Processing» International Conference on Industrial Engineering (ICIE - 2015, ICIE - 2017); 8 международном научном семинаре «Современные методы анализа дифракционных данных и актуальные проблемы рентгеновской оптики» (г. Великий Новгород, 2016); Первом Российском кристаллографическом конгрессе (г. Москва, 2016); 8-ой международной научно-технической конференции « Мокеровские чтения» (г. Москва, 2017).

Публикации

Результаты диссертационного исследования опубликованы в 77 работах (7 работ индексировано в Scopus и Web of Science), из них: 25 статей в научных рецензируемых изданиях рекомендованного перечня ВАК, 1 патент на полезную модель и 8 авторских свидетельств на изобретения, 5 свидетельств о государственной регистрации программ для ЭВМ, 1 монография, 36 работ в научно-технических изданиях.

Структура диссертации Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка цитированной литературы. Изложена на 296 страницах машинописного текста. Содержит 133 рисунков и 15 таблиц. Список литературы представлен 183 источниками. Список авторских публикаций (А1 - А77) представлен в заключении диссертации.

ГЛАВА 1 МЕТОДЫ ГЛУБОКОГО ЛОКАЛЬНОГО ЛЕГИРОВАНИЯ

КРЕМНИЯ

1.1 Анализ возможностей методов глубокого легирования р - областей СПП 1.1.1. Локальное глубокое легирование в структурах СПП

Силовая полупроводниковая электроника - одна из бурно развивающихся областей техники, которая обеспечивает эффективное преобразование, управление и регулирование электрической энергии с помощью СПП. К СПП относятся дискретные приборы [25]: диоды, тиристоры, симметричные тиристоры (диаки и триаки) и приборы силовой оптоэлектроники, для которых допустимые значения прямого тока равны или превышают 10 А. Перспективным направлением развития СПП является также создание модулей на основе дискретных приборов и силовых интегральных схем [26].

В последние десятилетия в связи с повышением рабочих частот преобразовательных агрегатов до десятков килогерц номенклатура СПП существенно расширилась благодаря разработке биполярных транзисторов с управлением полем (ЮВТ) [27], имеющих ряд преимуществ перед традиционными приборами. Однако полностью вытеснить традиционные приборы тиристорной группы ЮВТ пока не могут, т.к. их стойкость к перегрузкам гораздо ниже. Кроме того, ЮВТ гораздо дороже тиристорных и их применение в преобразователях, работающих на частотах до 1000 Гц, неоправданно как технически, так и экономически. Поэтому приборы тиристорной группы [28] сохраняют свою актуальность [19].

В общем случае под конструкцией тиристорной группы СПП понимают совокупность элементов, включающих в себя [29]: корпус, полупроводниковую слоистую структуру с р-п переходами, внешние и внутренние выводы. Полупроводниковая р+-п-п+- структура составляет основу СПП тиристорной группы. Она задает основные параметры прибора, определяет его функциональное назначение. Сильнолегированный эмиттер структуры предназначен для

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Середин, Борис Михайлович, 2017 год

Акт использования

Ведущий инженер

A.C. Полухин

//о ^

Акцион$0&&

«Утверждаю» ераль^щй/даректор -Микрон»

. Прижимов __'Оо 2016 года

Акт использования результатов диссертационных исследований Середина Бориса Михайловича, кандидата технических наук, доцента кафедры нанотехнологий в электронике Южно-Российского государственного политехнического университета (НПИ) имени М.И. Платова.

Настоящим актом свидетельствуем о том, что в Акционерном обществе «ВЗПП-Микрон» использованы результаты диссертационных исследований соискателя ученой степени доктора технических наук Середина Бориса Михайловича на тему «Физико-технологические основы создания кремниевых приборных структур силовой электроники методом термомиграции», включающих: методики формирования жидких зон растворителя в кремнии, геометрические параметры дискретных зон растворителя на основе алюминия и его состав, диапазоны температур процесса формирования жидких зон растворителя, кинетические зависимости скорости миграции растворителя при локальном легировании кремниевых подложек акцепторной примесью, методики контроля качества перекристаллизованных областей кремния, а также принципы конструирования высокопроизводительной термической аппаратуры для реализации термомиграции в условиях вакуума.

Указанный массив научных знаний позволил Акционерному обществу «ВЗПП-Микрон» решить важную для полупроводниковой технологии научную проблему создания в кремниевой подложке сквозных разделительных областей, однородно легированных акцепторной примесью, и, тем самым, получить

возможность выпуска принципиально новых силовых приборов прямой полярности на основе метода термомиграции.

Акционерное общество «ВЗПП-Микрон» не имеет финансовых обязательств, а Середин Борис Михайлович не имеет материальных претензий по поводу использования выше упомянутых технических и технологических решений по разработке процессов получения приборов силовой электроники с использованием эффекта термомиграции.

Главный конструктор-начальник КТО

Фоменко Ю.Л.

Коновалов А.В.

А11П11ТШ1

ипишипг

ОБЩЕСТВО С ОГРАНИЧЕННОЙ ОТВЕТСТВЕННОСТЬЮ НАУЧНО-ПРОИЗВОДСТВЕННАЯ ФИРМА «ЭКСИТОН»

«УТВЕРЖДАЮ» Генеральный директор ООО НПФ «Экситон»

ИНН 2635063350 КПП 263501001

ОГРН 1022601930834

355035, г. Ставрополь, 1-я Промышленная, д.13, тел. факс [phone], [e-mail]

« ?! » 2016 года

СЕК---^-Б^М^Синельников

Акт использования

результатов диссертационных исследований

докторанта Середина Бориса Михайловича, выполненных на кафедре нанотехнологий в электронике Южно-Российского государственного политехнического университета (НПИ) имени М.И.Платова.

Настоящим актом свидетельствуем о том, что результаты исследований, полученные в диссертационной работе Середина Бориса Михайловича на тему«Физико-технологические основы создания кремниевых приборных структур силовой электроники методом термомиграции» использованы в НПФ «Экситон» при разработке опытного технологического процесса получения кремниевых структур с резким анодным р-п переходом большой площади, включая соответствующее оборудование. Данная технология является альтернативой традиционной диффузионной технология глубокого легирования кремния «-типа проводимости акцепторной примесью при получении диодных (тиристорных структур), когда глубина диффузии ограничена технологически и экономически .приемлемым температурно-временным режимом диффузионного отжига.

В условиях НПФ «Экситон» на основе указанного технологического изготовлена опытная партия кремниевых структур типа 100 '-■'■-2 для

5 0 1-ЗФ 3

силовых низковольтных сварочных диодов. В результате испытаний силовых диодов установлено снижение импульсного прямого напряжение в среднем на

0,2 В по сравнению с диффузионными аналогами. Обратные ветви вольтамперных характеристик имели лавинные характеристики как при комнатной, так и повышенной(190°С) температурах, что свидетельствует об их высокой термостабильности.

Учитывая, что указанные структуры являются основой для производства ряда приборов силовой электроники, выпускаемых в настоящее время с применением диффузионной технологии, НПФ «Экситон» планирует внедрить разработанную технологию в серийное производство и расширить номенклатуру изделий, также технология может быть востребована для создания силовых радиационно-стойких приборов.

Главный технолог