ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ПРИБОР

Полезная модель относится к области планарных полупроводниковых приборов на основе кремния, и может быть использована для создания элементной базы радиоэлектроники.
Известен полупроводниковый прибор, состоящий из кремниевой эпитаксиальной структуры одного типа проводимости, планарного участка другого типа проводимости (см., например, патент США №3418181 от 24.12.1968 г. cl. USA 143-187; патент США №3237271 от 01.03.1966 г. cl. USA 29-25.3; Колесников В.Г., Никишин В.И., Сыноров В.Ф., «Кремниевые планарные транзисторы» 1974 г., стр. 14.).
При практической реализации таких полупроводниковых приборов для работы на повышенных частотах участки базы и эмиттера необходимо формировать неглубокими (порядка 2-4 мкм). При такой глубине напряжение пробоя планарных коллекторных переходов невелико и обычно не превышает 100 В, что не устаивает потребителей.
Наиболее близким к предлагаемому полупроводниковому прибору является полупроводниковый прибор, состоящий из кремниевой эпитаксиальной структуры одного типа проводимости, планарного участка pn-перехода с планарным кольцом вокруг него другого типа проводимости (см., например, В.J. Baliga, Fundamentals of Power Semiconductor Devices, 2019, p. 119, p. 522).
15
-3
Например, в промышленности, при использовании прототипа кольцо вокруг планарного участка pn-перехода формируется шириной 10 мкм, зазор между кольцом и планарным участком pn-перехода зависит от материала кремния, например, для кремния с концентрацией 10 см зазор между кольцом и планарным участком pn-перехода составляет 15 мкм. При этом при глубине перехода 3,5 мкм пробивное напряжение планарного pn-перехода увеличивается со 140 В (без применения кольца вокруг базы) до 260 В с кольцом.
Таким образом, применение кольца вокруг планарного участка pn-перехода увеличивает площадь базы примерно на 15-20% и не позволяет монтировать кристаллы в малогабаритные корпуса типа Sot-23, Sot-223 и т.п.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является уменьшение площади pn-переходов за счет оптимизации размеров и расположения кольца вокруг планарного участка pn-перехода.
а
а
j1
j1
Указанный технический результат достигается тем, что в отличие от известных полупроводниковых приборов, состоящих из кремниевой эпитаксиальной структуры одного типа проводимости, планарного участка с кольцом вокруг него другого типа проводимости, в предлагаемом кольцо вокруг планарного участка pn-перехода выполнено шириной , где 0,4 мкм≤≤0,6 мкм, а зазор b между кольцом и планарным участком pn-перехода лежит в пределах x≤b≤2⋅x, где xj1 - глубина проникновения примеси в базу.
Повышение напряжения пробоя планарного pn-перехода происходит из-за того, что диффузия примеси в кольцо с указанными параметрами происходит на меньшую глубину, чем глубина диффузии планарного участка pn-перехода. Таким образом, радиус скругления планарного pn-перехода увеличивается, что приводит к увеличению напряжения пробоя.
Минимальная ширина кольца обусловлена тем, что глубина диффузии примеси зависит от ширины окна в маске, в которое происходит диффузия. Этот эффект наиболее воспроизводимо наблюдается при ширине маски 0,4 мкм. При меньшей ширине окна в маске необходимая глубина диффузии слабовоспроизводима.
Максимальная ширина кольца обусловлена тем, что при дальнейшем увеличении ширины окна в маске глубина диффузии примеси в кольце становится практически равной глубине диффузии примеси в планарном участке pn-перехода.
j1
Минимальная величина зазора b между кольцом и планарным участком pn-перехода, равная x определяется тем, что при меньших значениях зазора на глубину диффузии примеси в кольце оказывает сильное влияние боковая диффузия примеси из планарного участка pn-перехода.
j1
Величина зазора между кольцом и планарным участком pn-перехода более 2⋅x нецелесообразна из-за увеличения занимаемой площади.
Полезная модель поясняется фигурами. На фиг. 1 приведена экспериментальная зависимость глубины диффузии примеси в кольце от ширины окна в маске, на фиг. 2 приведен разрез полупроводникового прибора npn-типа на критическом этапе изготовления, на фиг. 3 приведен разрез сформированной транзисторной структуры.
Позициями на фигурах обозначены:
+
1 - сильнолегированная кремниевая подложка n-типа проводимости;
2 - эпитаксиальный слой n-типа проводимости;
3 - толстый слой оксида кремния;
4 - слой фоторезиста с гравировкой;
5 - области эпитаксиального слоя ионнолегированные примесью базы;
6 - область базы после термообработки;
7 - область кольца вокруг базы после термообработки;
8 - область эмиттера;
9 - слой защитного оксида кремния;
а
- ширина кольца вокруг базы;
b - зазор между кольцом и планарным участком pn-перехода;
j1
x - глубина проникновения примеси в базу;
j2
x - глубина проникновения примеси в кольцо вокруг базы.
На фиг. 1 приведена экспериментальная зависимость глубины диффузии примеси в кольце от ширины окна в маске для примеси бора или фосфора при диффузии примеси в окно маски планарного участка pn-перехода на глубину 3 мкм.
Ниже приведен пример реализации биполярного npn-транзистора по предлагаемой полезной модели.
+
2
а
На сильнолегированную кремниевую подложку n-типа проводимости 1 марки ЭКЭС 0,01 наращивают эпитаксиальный слой n-типа проводимости 2 толщиной 20 мкм и удельным сопротивлением 10 Ом см. При температуре 1100°С в атмосфере сухого кислорода выращивают толстый слой оксида кремния 3 толщиной 0,1 мкм. На толстый слой оксида кремния 3 наносят слой фоторезиста 4 толщиной 0,25 мкм и проводят фотогравировку на установке CANON 3000 окна базы и кольца шириной =0,5 мкм на расстоянии b=3,5 мкм от базового окна. В полученную маску проводят имплантацию ионов бора дозой 100 мкК/см с энергией 40 кэВ. В результате в эпитаксиальном слое 2 формируются области эпитаксиального слоя легированные ионами бора 5 (см. фиг. 2).
j1
j2
После удаления слоя фоторезиста 4 структуру подвергают термообработке в окисляющей среде при температуре 1100°С в течение 180 минут. В результате термообработки формируется область базы 6 глубиной x=3,5 мкм, область кольца вокруг базы 7 с глубиной x=2,7 мкм и слой защитного оксида кремния 9 толщиной 0,6 мкм (см. фиг. 3). Далее в полученной структуре диффузией фосфора формируют область эмиттера 8 и контактные окна к эмиттеру и базе.
1
Влияние применения кольца вокруг планарного участка pn-перехода при xj=3,5 мкм приведено в таблице.
Из данных, приведенных в таблице видно, что применение кольца вокруг планарного участка pn-перехода приводит к увеличению напряжения пробоя pn-перехода.