УДК 621.382.2/.3
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ КРЕМНИЕВЫХ ПЛАСТИН НА НАДЁЖНОСТЬ СИЛОВЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБРОВ

Санников М.Д., Орлов Е.Ю., Матюхин С.И., Фроленков К.Ю.
Россия, Орёл, АО «Протон-Электротекс»
Россия, Орёл, Орловский государственный университет имени И.С. Тургенева

Статья посвящена исследованию причин возникновения механических дефектов на поверхности шлифованных пластин монокристаллического кремния, возникающих в результате термообработки при проведении диффузии из поверхностного источника и их влиянии на надёжность силовых полупроводниковых приборов, и разработке рекомендаций по улучшению техпроцесса с целью минимизации подобных дефектов и увеличению надёжности силовых полупроводниковых приборов.
Ключевые слова: диффузия, двухсторонняя шлифовка, поверхностные дефекты кремния, силовые полупроводники.
Введение
В настоящее время при производстве силовых полупроводниковых приборов с блокирующими характеристиками используется технология создания глубоких p-n-переходов с помощью диффузии примеси в шлифованные монокристаллические кремниевые пластины из поверхностного источника. Эта технология за счёт простоты оборудования и дешевизны до сих пор имеет ряд конкурентных преимуществ перед ионной имплантацией. Однако использование данной технологии приводит к образованию ряда характерных дефектов, наиболее серьёзными из которых являются механические дефекты на поверхности пластин после термообработки в процессе диффузии из поверхностного источника. В проведённом исследовании [6] были предложены рекомендации по исключению данного вида механического дефекта. Решением для уменьшения количества подобных дефектов предлагалась замена типа плёнки – поверхностного источника примеси на материал, создающий меньшие механические напряжения или полный отказ от плёнкообразующего материала, формирующего поверхностный источник. Однако было высказано опасение, что предложенное решение может сказаться на надёжностных характеристиках, изготовленных таким образом силовых полупроводниковых приборов (Рисунок 1). 
Целью данной работы является исследование влияния технологии изготовления силовых полупроводниковых приборов, без использования ТЭОС в качестве связующего компонента в диффузионной композиции, на их надёжность.

Рисунок 1 – Сравнение распределения поверхностного сопротивления по площади пластин с полимерной плёнкой из ТЭОС и без неё
Эксперимент с композицией без плёнкообразующего материала
Как было показано выше наиболее простым решением проблемы было бы отказаться от плёнкообразующего материала. Однако высокий разброс распределения поверхностного сопротивления по площади пластин ведёт к увеличению неоднородности глубины p-n перехода. Это вызывает опасение в надёжности приборов, изготовленных из них, и как следствие, практической пригодности данной технологии. Чтобы выяснить насколько сильно полученный разброс влияет на ППЭ, был изготовлен ряд партий ППЭ с использованием композиции без связующего компонента.
Результаты испытаний показали, что на 25% ППЭ при измерении такой динамической характеристики как Qrr (Заряд обратного восстановления) происходил пробой ППЭ в объёме кремния. Такой тип дефекта связан с неоднородностью `p-n перехода по толщине, что при росте ОПЗ создаёт локальную точку пробоя.
Выводом из этого эксперимента служит необходимость увеличения равномерности p-n перехода. Что приводит к необходимости использования плёнкообразующего материала.
Выбор плёнкообразующего материала
В ходе работы было проведено исследование по выбору оптимального типа плёнкообразующего материала. Как было показано в книге «ФОТОРЕЗИСТЫ-ДИФФУЗАНТЫ в полупроводниковой технологии» наиболее подходящими являются органические плёнкообразующие материалы, или же принципиальная замена композиции на металорганическую основу. Второй вариант рассматриваться не будет, т. к. подобные соединения обладают высокой токсичностью и как следствие высокими же требованиями к лабораторному оборудованию.
Органические плёнкообразующие материалы обладают следующими достоинствами относительно ТЭОС: 
1) ввиду своей структуры н создают напряжения на поверхности кремниевой пластины; 
2) при температурах выше 400⁰С они распадаются на летучие соединения. Т.к. процессы диффузии начинаются с 800⁰С это даёт возможность утверждать, что они не будет учувствовать в легирующем процессе;
3) т.к. на момент загрузки пластин в диффузионную печь плёнка уже отсутствует, то, как показали эксперименты, весь легирующий материал будет участвовать в процессе диффузии, а не застревать в объёме плёнки SiO2, как это происходит в случае с ТЭОС, что в свою очередь позволяет уменьшить расход ОСЧ материалов;
4) диффузионные композиции, изготовленные с применением органических плёнкообразующих материалов, не меняют своих свойств с течением времени, в отличие от ком позиций на основе ТЭОС, что в теории не ограничивает срок их хранения;
5) в отличие от ТЭОС, полностью органические плёнкообразующие материалы не стеклоризуются, и удаляются спиртосодержащими материалами, а не фтористоводородной кислотой, что позволяет использовать их в системах автоматического нанесения композиции.
Однако, так же были выделены и ограничения, обоснованные требованиями по чистоте и технологичности современных диффузионных процессов:
1) Хорошая растворимость в воде или спиртах, так как они являются основными растворителями при изготовлении диффузионных композиций.
2) Отсутствие в реагентах тяжёлых металлов, полученных в качестве побочных продуктов при синтезе рассматриваемого реагента. Так как даже незначительное количество атомов железа или меди, из-за их высокого коэффициента диффузии, способно существенно снизить время жизни неосновных носителей заряда.
По этим параметрам были отобраны и экспериментально проверены диффузионные композиции с такими плёнкообразующими материалами как ПВС (поливиниловый спирт) (C2H4O)x и ХЧ крахмал ((C6H10O5)n). Эксперименты показали, что ХЧ крахмал подвержен гидролизу сильнее чем это предполагалось, вследствие чего диффузионная композиция с ним имела срок жизни около 2 суток, после чего терялись плёнкообразующие свойства, что делало его непригодным для использования в составе диффузионных композиций.
Для последующих композиций, основываясь на данных из ГОСТ 10779-78 был рассчитан состав композиции с ПВС в качестве органического плёнкообразующего материала.

Эксперимент с диффузионной композицией с ПВС
Для подтверждения выдвинутой ранее гипотезы, с помощью диффузионной композиции с ПВС в качестве плёнкообразующего материала, была изготовлена опытная партия ППЭ. Промежуточный анализ параметров на этапе диффузионных процессов не выявил никаких отклонений от классической технологии с применением ТЭОС. Так же, ожидаемо, на опытных пластинах после диффузионных операций не было выявлено такого типа дефектов как «выкола». Оценка распределения поверхностного сопротивления на поверхности пластин после операции ГД показала аналогичный результат с пластинами, изготовленными по классической технологии с применением ТЭОС. (Рисунок 2)

Рисунок 2 – Равномерность распределения Rs по поверхности пластин
Подтверждением этого стали испытания электрофизических параметров полученных ППЭ. Во время измерения динамических характеристик ни на одной пластине не было замечено пробоев в объёме кристалла. Данный результат даёт возможность утверждать, что применение органического плёнкообразующего материала в достаточной мере решает проблему равномерности распределения легирующей примеси на поверхности пластин.
 
Заключение
Как показывают результаты нашей работы, механические дефекты на поверхности шлифованных кремниевых пластин после термообработки являются следствием совокупного воздействия таких факторов как низкая прочность кремния в области микротрещин и высокие механические напряжения на границе SiO2 – полупроводник.
Оптимальным решением для уменьшения количества подобных дефектов является замена кремнийорганической плёнки на полностью органический аналог - ПВС, что даёт ряд следующих преимуществ:
- отсутствие механических напряжений на поверхности пластин во время термообработки, что исключает такой вид дефектов как «выкола»;
- уменьшение расхода легирующих ОСЧ реагентов;
- увеличение срока жизни диффузионных композиций;
- возможность использования автоматических установок нанесения.

Список литературы
1. Baliga B.J. Fundamentals of Power Semiconductor Devices, - N.Y.: Springer, 2008. 1069 p.
2. Lutz J., Schlangenotto H., Scheuermann U., De Doncker R. Semiconductor Power Devices. Physics, Characteristics, Reliability, - N.Y.: Springer, 2011. 536 p.
3. Агаларзаде П.С., Петрин А.И., Изидинов С.О. Основы конструирования и технологии обработки поверхности p-n-перехода, - М.: Сов. радио, 1978. 224 с.
4. Дерменжи П.Г., Кузьмин В.А., Крюкова Н.Н. и др. Расчет силовых полупроводниковых приборов, – М.: Энергия, 1980.
5. 4. Е. Г. Гук, А. В. Ельцов, В. Б. Шуман, Т. А. Юрре ФОТОРЕЗИСТЫ-ДИФФУЗАНТЫ в полупроводниковой технологии – «НАУКА» ленинградское отделеие – 1984 – 116с.
6. М. Д. Санников, К. Ю. Фроленков, Е. Ю. Орлов, С. И. Матюхин ИССЛЕДОВАНИЕ ПРИЧИН ВОЗНИКНОВЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ ДЕФЕКТОВ НА ШЛИФОВАННЫХ КРЕМНИЕВЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПЛАСТИНАХ ПОСЛЕ ТЕРМООБРАБОТКИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КРЕМНИЙОРГАНИЧЕСКИХ ПЛЁНОК  - Современные проблемы физико-математических наук Материалы V Всероссийской научно-практической конференции c международным участием, 26 – 29 сентября 2019 г., Орел 2019 - C. 305-311
7. Санников М. Д. Тютякин А.В. К выбору метода контроля распределения концентраций примесей при производстве силовых полупроводниковых // Теория и практика современной науки. – Издательство: ООО "Институт управления и социально-экономического развития" (Саратов). – 2017. – 6 – 24 – С. 754-758.

Санников Михаил Дмитриевич, АО «Протон-Электротекс», инженер-технолог, тел. 89208281817,
E-mail: m.sannikov@proton-electrotex.com
Орлов Евгений Юрьевич, АО «Протон-Электротекс», инженер по НТ, тел. 89208281817,
E-mail: e.orlov@proton-electrotex.com
Матюхин Сергей Иванович, ФГБОУ ВО «ОГУ имени И.С. Тургенева», г. Орел, доктор физико–математических наук, заведующий кафедрой технической физики и математики, Тел. (4862) 41–98–02
E–mail: sim1@mail.ru
Фроленков Константин Юриевич, ФГБОУ ВО «ОГУ имени И.С. Тургенева», г. Орел,канд. техн. наук, доцент кафедры промышленной химии и биотехнологии, тел. 8(4862)41-98-92, e–mail: chemistry@ostu.ru
___________________________________________________________________________________
STUDY OF THE INFLUENCE OF ELECTROPHYSICAL PROPERTIES OF SILICON PLATES ON THE RELIABILITY OF POWER SEMICONDUCTOR DEVICES
Sannikov M.D., Orlov E.Yu., Matyukhin S.I., Frolenkov K.Yu.
Proton–Electrotex Inc., Orel
 Orel State University, Orel

The article is devoted to the study of the causes of the occurrence of mechanical defects on the surface of ground wafers of monocrystalline silicon arising as a result of heat treatment during diffusion from a surface source and their effect on the reliability of power semiconductor devices, and the development of recommendations for improving the technical process in order to minimize such defects and increase the reliability of power semiconductors. semiconductor devices.
Keywords: diffusion, double-sided grinding, silicon surface defects, power semiconductors.
Bibliography
1. Baliga B.J. Fundamentals of Power Semiconductor Devices, - N.Y.: Springer, 2008. 1069 p.
2. Lutz J., Schlangenotto H., Scheuermann U., De Doncker R. Semiconductor Power Devices. Physics, Characteristics, Reliability, - N.Y.: Springer, 2011. 536 p.
3. Agalarzade P.S., Petrin A.I., Izidinov S.O. Osnovy konstruirovaniya i tekhnologii obrabotki poverhnosti p-n-perekhoda, - M.: Sov. radio, 1978. 224 p.
4. Dermenzhi P.G., Kuz'min V.A., Kryukova N.N. i dr. Raschet silovyh poluprovodnikovyh priborov, – M.: Energiya, 1980.
5. E.G. Guk, A.V. Eltsov, V.B. Shuman, T.A. Yurre PHOTORESISTS-DIFFUSANTS in semiconductor technology - "SCIENCE" Leningrad department - 1984 - 116p.
6. M. D. Sannikov, K. Yu. Frolenkov, E. Yu. Orlov, S. I. Matyukhin RESEARCH OF THE REASONS OF MECHANICAL DEFECTS ON GRINDED SILICON SEMI-CONDUCTOR PLATES AFTER HEAT TREATMENT WITH PHYSICAL USE-PROBLEMS Mathematical Sciences Materials of the V All-Russian Scientific and Practical Conference with International Participation, September 26 - 29, 2019, Oryol 2019 - P. 305-311.
7. Sannikov M.D. Tyutyakin A.V. On the choice of a method for controlling the distribution of impurity concentrations in the production of power semiconductor // Theory and practice of modern science. - Publisher: Institute of Management and Socio-Economic Development LLC (Saratov). - 2017 .-- 6 - 24 - S. 754-758.

Sannikov Mikhail Dmitriyevich, Proton–Electrotex Inc., Orel, design Engineer, ph. 89208281817, 
E–mail: m.sannikov@proton-electrotex.com
Orlov Evgeniy Yuryevich, Proton–Electrotex Inc., Orel, design Engineer, ph. 89208281817, 
E–mail: e.orlov@proton-electrotex.com
Matyukhin Sergey Ivanovich, Orel State University, Orel, DSc, Head of the Department of Technical Physics and Mathematics, ph. (4862) 41–98–02, e–mail: sim1@mail.ru
Frolenkov Konstantin Yurievich, FSBEI HE “OSU named after I.S. Turgenev ", Orel, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Department of Industrial Chemistry and Biotechnology, ph. 8 (4862) 41-98-92
E–mail: chemistry@ostu.ru