Мощный полупроводниковый резистор и способ его изготовления

 

Использование: в производстве мощных кремниевых резисторов и шунтов таблеточного исполнения, имеющих высокую температурную стабильность сопротивления в широком интервале рабочих температур. Техническим результатом изобретения является повышение максимально допустимой температуры мощного кремниевого резистора до 240^oС при сохранении температурной характеристики сопротивления в пределах 10% и, как следствие, повышение его номинальной мощности. Сущность изобретения: в мощном полупроводниковом резисторе, состоящем из резистивного элемента, выполненного в виде диска из монокристаллического кремния n-типа электропроводности, который содержит дефекты, создающие глубокие уровни в запрещенной зоне кремния, в качестве дефектов служат атомы платины с концентрацией от 1,110¹⁴ см^-3 для кремния с исходным удельным сопротивлением ₀ = 150 Омсм до 1,110¹⁷ см^-3 для кремния ₀ = 0,8 Омсм, причем эти дефекты вводят путем диффузии платины при температуре от 910^oС для n-кремния с исходным удельным сопротивлением ₀ = 150 Омсм до 1300^oС для n-кремния с ₀ = 0,8 Омсм. 2 с.п. ф-лы, 2 табл., 1 ил.

Изобретение относится к конструированию и технологии изготовления полупроводниковых приборов и может быть использовано в производстве мощных кремниевых резисторов и шунтов таблеточного исполнения, имеющих высокую температурную стабильность сопротивления в широком интервале рабочих температур. Наиболее эффективным является их использование в мощной преобразовательной технике в единой системе охлаждения с ключевыми полупроводниковыми приборами таблеточного исполнения (мощными тиристорами, IGBT, GТО и др).

Известен полупроводниковый резистор [1] , состоящий из резистивного элемента, выполненного в виде диска из монокристаллического кремния n-типа электропроводности. Однако температурная характеристика сопротивления (ТХС) такого резистора в рабочем интервале температур от +25 до +125^oС превышает 100%, что является недопустимым в большинстве областей его применения.

Известен также мощный полупроводниковый резистор [2], состоящий из резистивного элемента, выполненного в виде диска из монокристаллического кремния n-типа электропроводности, содержащего дефекты, создающие глубокие уровни в запрещенной зоне кремния.

Введение дефектов позволяет снизить ТХС до 10%. Дефекты вводят посредством облучения резистивного элемента ускоренными электронами с энергией Е= 2-5 МэВ. Концентрация радиационных дефектов составляет от 410¹³ см^-3 для кремния с исходным удельным сопротивлением _o=120 Омсм до 2,510¹⁴ см^-3 для кремния с _o=20 Омсм.

Однако, как показано в [2] , ограничение нижнего предела исходного удельного сопротивления кремния _o20 Омсм и, как следствие, максимально допустимой температуры Т_m180^oС обусловлено тем, что требуемое увеличение концентрации радиационных дефектов N_t>2,510¹⁴ см^-3 (время облучения на ускорителе "ЭЛУ-6" с током пучка 0.5 мкА t4,5 час) ведет к существенному повышению цены резистора.

В этой связи изготовление низкоомных и высокотемпературных резисторов оказывается нерентабельным и практически невозможным для мощных кремниевых безиндуктивных шунтов, при изготовлении которых требуется кремний с удельным сопротивлением менее 1,0 Омсм и концентрацией радиационных дефектов более 610¹⁵ см^-3.

Известен способ изготовления мощного полупроводникового резистора [3], включающий создание в кремниевом резистивном элементе диффузионных приконтактных областей и напыление металлических контактов. В данном способе создание диффузионных приконтактных областей обеспечивает линейность вольт-амперной характеристики резистора, но не компенсирует сильное изменение его сопротивления от температуры.

Наиболее близким является способ изготовления полупроводникового резистора [4], включающий создание в кремниевом резистивном элементе диффузионных приконтактных областей, проведение диффузии примесей, создающих глубокие уровни в запрещенной зоне кремния, и создание металлических контактов.

Материалом резистивного элемента является кремний p-типа электропроводности, приконтактные области создаются диффузией бора, а глубокие уровни создаются диффузией атомов золота (или других глубоких примесей: Pt, Mo, W, Fe) при температуре в интервале 800-1000^oC в течение двух часов. Как показано в примере технического решения [4, фиг.7], введение атомов золота в резистивный элемент, изготовленный из кремния p-типа электропроводности позволило снизить ТХС с 215 до 20% в интервале температур от 25 до 200^oС.

Однако в данном примере указано исходное удельное сопротивление p-кремния _o= 5 Омсм, но не указаны ни температура диффузии золота из рекомендуемого интервала (800-1000^oС), ни концентрация атомов золота, при которых достигнут положительный результат, т.е. решение не раскрыто. Как показали исследования, при изготовлении кремниевых резисторов для получения ТХС10% концентрация вводимых дефектов (радиационные дефекты, атомы платины, золота и др.) должна быть строго связана с величиной исходного сопротивления кремния. Следует также отметить, что в решении [4] не указаны конкретные условия проведения диффузии и концентрации атомов других упомянутых примесей, таких как платина, молибден, вольфрам.

Кроме того, кремний p-типа электропроводности не нашел широкого применения при изготовлении мощных полупроводниковых приборов из-за невоспроизводимости диффузионных процессов.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение максимально допустимой температуры Т_m мощного кремниевого резистора при сохранении температурной характеристики сопротивления в пределах 10% и, как следствие, повышение его номинальной мощности где Т_m - максимально допустимая температура резистора (^oС), Т_case - температура корпуса (^oС), R_thrc - тепловое сопротивление резистивный элемент - корпус (^oС/Вт)).

Для достижения технического результата в известном мощном полупроводниковом резисторе, состоящем из резистивного элемента, выполненного в виде диска из монокристаллического кремния n-типа электропроводности, содержащего дефекты, создающие глубокие уровни в запрещенной зоне кремния, в качестве дефектов служат атомы платины с концентрацией от 1,110¹⁴ см^-3 для кремния с исходным удельным сопротивлением _o=150 Омсм до 1,110¹⁷ см^-3 для кремния с _o=0,8 Омсм.

В известном способе изготовления мощного полупроводникового резистора, включающего создание в кремниевом резистивном элементе диффузионных приконтактных областей, проведение диффузии примесей, создающих глубокие уровни в запрещенной зоне кремния, и создание металлических контактов, диффузию платины проводят при температуре от 910^oС для n-кремния с исходным удельным сопротивлением _o=150 Омсм до 1300^oС для n-кремния с _o=0,8 Омсм.

К отличительным признакам предлагаемых технических решений относятся: 1) резистивный элемент содержит атомы платины с концентрацией, лежащей в интервале от 1,110¹⁴ см^-3 для n-кремния с _o=150 Омсм до 1,110¹⁷ см^-3 для n-кремния с _o=0,8 Омсм; 2) атомы платины вводят с помощью диффузии при температуре в интервале от 910^oС для n-кремния с _o= 150 Омсм до 1300^oС для n-кремния с _o=0,8 Омсм.

Известных технических решений с такой совокупностью признаков в патентной и научно-технической литературе не обнаружено.

Основными положительными эффектами предлагаемых технических решений являются - повышение максимально допустимой температуры кремниевых резисторов с 180 до 240^oС за счет возможности обеспечить температурную характеристику сопротивления в пределах 10% для низкоомного кремния (_o20 Омсм) с помощью диффузии атомов платины без существенного увеличения себестоимости изготовления; - повышение производительности и снижение себестоимости изготовления высокотемпературных резисторов за счет замены электронного облучения диффузией атомов платины; - возможность изготовления мощных безиндуктивных шунтов, для изготовления которых необходим кремний с _o1 Омсм.

На чертеже приведена конструкция резистивного элемента заявляемого мощного полупроводникового резистора. Полупроводниковый резистор состоит из резистивного элемента, изготовленного в виде диска из монокристаллического кремния n⁺-типа электропроводности, который включает в себя диффузионные приконтактные области n -типа 1 с напыленными на них алюминиевыми контактами 2, для исключения влияния краевых эффектов диск имеет фаску 3 с обеих сторон, которая защищена кремнийорганическим компаундом (КЛТ) 4. Атомы платины вводят с помощью диффузии до напыления Аl-контактов. Резистивный элемент помещен в таблеточный корпус (не показан).

Линейность вольт-амперной характеристики резистора достигается при помощи диффузионных областей под алюминиевыми контактами, созданными при помощи сильнолегированных n⁺-слоев 1.

В процессе эксплуатации резистивный элемент может нагреваться в интервале температур от +25^oС до Т_m. Резистивный элемент, не легированный атомами платины, имеет ТХ100%, что может привести к нарушению тепловых режимов работы схемы. Улучшение ТХС осуществляется за счет введения атомов платины, создающих глубокие уровни в запрещенной зоне кремния, компенсирующих падающую температурную характеристику подвижности носителей заряда (~1/T) растущей температурной зависимостью концентрации носителей (n~Т), освобождаемых с центров захвата платины. Требуемое значение концентрации платины (N_pt) для обеспечения ТХС10% строго связано с исходным значением удельного сопротивления кремния (_o). В таблице 1 представлено сравнение основных параметров и характеристик резистивных элементов, изготовленных из n-кремния с различным исходным удельным сопротивлением, и соответствующими им значениями концентраций радиационных дефектов (по прототипу конструкции) и атомов платины (по предлагаемому изобретению). Для сравнения приведены также стоимости процессов облучения и диффузии платины.

Исходные данные для оценки стоимости процесса электронного облучения и диффузии платины: - резистивный элемент РК133 с диаметром Si-шайбы 32 мм, толщиной 2,5 мм;
- при электронном облучении одновременная загрузка элементов 32 мм составляет 60 шт.;
- ток электронного пучка в области облучения составляет 0,5 мкА;
- при диффузии платины одновременная загрузка элементов 32мм составляет 200 шт.;
- время диффузии 2 час.;
- стоимость процесса облучения на ускорителе типа "Электроника ЭЛУ-6" составляет ~70 USD/час;
- стоимость процесса диффузии увеличивается с ростом температуры диффузии за счет увеличения затрат на электроэнергию.

Как видно из таблицы 1, стоимость электронного облучения одного резистора, изготовленного из n-кремния с _o=0,8 Омсм, примерно в 14 раза больше стоимости процесса диффузии платины для обеспечения требуемой ТХС10% и Т_m240^oС.

Границы предлагаемого интервала исходного удельного сопротивления кремния _o=0,8-150 Омсм обосновываются следующим образом.

Выбор верхнего предела _o=156 Омсм связан с тем, что стоимость облучения резистивных элементов из кремния с _o150 Омсм становится меньше, чем стоимость диффузии платины (таблица 1, случай для _o=160 Омсм).

Выбор нижнего предела удельного сопротивления, равный 0,8 Омсм, связан с предельной растворимостью атомов платины в кремнии 1,110¹⁷ см^-3 при температуре диффузии Тд= 1300^oС [5]. Т.е., например, для кремния с _o=0,7 Омсм (таблица 1) для обеспечения ТХС10% была увеличена температура диффузии до 1320^oС, но содержание атомов платины не увеличилось, и, как следствие, ТХС превысила допустимый предел (TXC=12%). Кроме того, необходимо отметить, что во всех рассматриваемых примерах речь идет о полной концентрации атомов платины, находящихся в узлах и междоузлиях, значения которых определяется методом нейтронно-активационного анализа.

Общеизвестным недостатком диффузионных методов введения примесей, создающих глубокие уровни в запрещенной зоне кремния, является неоднородность распределения по объему единичного образца и партии элементов в целом, что увеличивает разброс параметров резисторов.

С целью увеличения воспроизводимости результатов время диффузии выбрано в интервале 2-3 часа для завершения структурной перестройки дефектов, в результате чего разброс параметров резисторов, изготовленных с использованием диффузии платины, практически не отличался от разброса параметров облученных резисторов.

Выбор интервалов концентраций атомов платины (1,110¹⁴ - 1,110¹⁷ см^-3) и температур диффузии (910-1300^oС) в зависимости от исходного удельного сопротивления (_o) обоснован в конкретном примере исполнения с данными, представленными в таблице 1.

Пример конкретного исполнения
При изготовлении экспериментальных образцов резистивных элементов, представляющих собой кремниевые диски диаметром 32 мм, толщиной 2,5 мм из монокристаллического кремния n-типа электропроводности марки КОФ с различным исходным удельным сопротивлением _o=0,7; 0,8; 4,0; 20; 60; 150; 160 Омсм был использован предлагаемый способ.

Изготовление проводили по следующей схеме:
- резка кремниевых слитков на пластины толщиной 2,6 мм;
- вырезка дисков диаметром 32 мм;
- шлифовка микропорошком М28 до толщины 2,5 мм;
- создание приконтактных n⁺-областей путем двухстадийной диффузии фосфора, включающей загонку фосфора при температуре 1150^oС в течение 1,5 часов, снятие фосфоросиликатного стекла и разгонку фосфора при температуре 1200^oС в течение 25 часов;
- контроль диффузионных параметров (глубина n⁺-слоев порядка 20 мкм и поверхностная концентрация фосфора ~10²⁰ см^-3);
- проведение диффузии атомов платины (в качестве источника используется спиртовой раствор платинохлористоводородной кислоты, нанесенной с 2-х сторон кремниевых дисков) на воздухе в течение 2-3 часов при температурах: а) для кремния с _o=0,7 Омсм Т_д=1320^oС; б) для кремния с _o=0,8 Омсм Т_д=1300^oС; в) для кремния с _o=4,0 Омсм Т_д=1280^oС; г) для кремния с _o=20 Омсм Т_д= 1220^o; д) для кремния с _o=60 Омсм Т_д=1050^oС; е) для кремния с _o=150 Омсм Т_д=910^oС; ж) для кремния с _o=160 Омсм Т_д=900^oС;
- создание омических контактов путем напыления алюминия (диаметр металлизации 30 мм) с последующим вжиганием при температуре 400-500^oС в течение 1 часа;
- снятие фасок с боковой поверхности дисков до границы Al-контакта;
- травление фасок и защита кремний-органическим компаундом (КЛТ) с последующей сушкой при 180^oС в течение 10 час; измерение основных параметров и характеристик: номинального сопротивления, ТХС и вольт-амперной характеристики;
- сборка элементов в таблеточные корпуса типа КЖТД4-32.

Аналогично были изготовлены резистивные элементы по прототипу конструкции [2] из кремния n-типа с _o= 0,7; 0,8; 4,0; 20; 60; 150; 160 Омсм диаметром 32 мм, толщиной 2,5 мм, с концентрацией радиационных дефектов 910¹⁵; 7,510¹⁵; 1,410¹⁵; 2,510¹⁴; 810¹³; 310¹³; 2,810¹³ см^-3 соответственно.

Сравнительный анализ результатов, приведенных в таблице 1, показывает, что введение атомов платины вместо радиационных дефектов для обеспечения ТХС10% позволяет повышать максимально допустимую температуру мощных кремниевых резисторов по мере уменьшения удельного сопротивления кремния от 150 до 0,8 Омсм без существенного увеличения стоимости прибора.

Сравнить предлагаемый способ изготовления с известным по прототипу [4] не представляется возможным вследствие того, что указанный в прототипе интервал температуры диффузии золота 800-1000^oС не согласован с исходным удельным сопротивлением кремния. Например, если провести диффузию золота в резистивный элемент с _o=5 Омсм при температуре 850^oС (из указанного интервала) в течение 2-х часов, то ТХС такого резистора будет около +120%, что существенно хуже 10%, этот результат не подлежит сравнению.

К преимуществам предлагаемых конструкции и способа изготовления мощного полупроводникового резистора относятся:
- возможность увеличить значение максимально допустимой температуры до 240^oС при сохранении высокой температурной стабильности (ТХС10%);
- возможность увеличить номинальную мощность Р_ном (показано в таблице 2) позволяет использовать резисторы меньшего размера в мощных преобразователях, что приводит к снижению их массогабаритных показателей и себестоимости;
- возможность снизить себестоимость изготовления мощных низкоомных кремниевых резисторов и шунтов от 2 до 14 раз в зависимости от значения исходного удельного сопротивления кремния.

Источники информации
1. Зайцев Ю.В., Марченко А.Н., Ващенко И.И. Полупроводниковые резисторы в электротехнике. - М.: Энергоатомиздат, 1988, с.18-19, рис.1.9б.

2. Патент Российской Федерации 2169411, кл. H 01 L 29/30, опубл. 20.06.2001 - прототип по п.1.

3. Заявка Японии 58032481, кл. Н 01 С 7/04, опубл. 13.07.1983.

4. Патент Великобритании 2025147, кл. Н 1 К, опубл. 16.01.1980 - прототип по п.2.

5. Conti M., Panchieri A. Alta.Freq., v.40, p.544, 197.

Формула изобретения

1. Мощный полупроводниковый резистор, состоящий из резистивного элемента, выполненного в виде диска из монокристаллического кремния n-типа электропроводности, содержащего дефекты, создающие глубокие уровни в запрещенной зоне кремния, отличающийся тем, что в качестве дефектов служат атомы платины с концентрацией от 1,110¹⁴ см^-3 для кремния с исходным удельным сопротивлением _o = 150 Омсм до 1,110¹⁷ см^-3 для кремния _o = 0,8 Омсм.

2. Способ изготовления мощного полупроводникового резистора, включающий создание в кремниевом резистивном элементе диффузионных приконтактных областей, проведение диффузии примесей, создающих глубокие уровни в запрещенной зоне кремния, и создание металлических контактов, отличающийся тем, что диффузию платины проводит при температуре от 910^oС для n-кремния с исходным удельным сопротивлением _o = 150 Омсм до 1300^oС для n-кремния с _o = 0,8 Омсм.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2