ОМИЧЕСКИЙ КОНТАКТ КРИСТАЛЛА ВЫСОКОВОЛЬТНОГО КРЕМНИЕВОГО ПРИБОРА

Полезная модель относится к области электронной техники, в частности к конструкциям мощных высоковольтных кремниевых полупроводниковых приборов с улучшенным качеством омического контакта.
Известна конструкция мощного кремниевого прибора, состоящего из сильнолегированной подложки, слаболегированного эпитаксиального полупроводникового слоя такого же типа проводимости как и подложка, в котором сформирован рабочий слой, системы металлизации к сильнолегированной подложке, состоящий из адгезионного слоя на основе титана, не растворяющегося в припое слоя на основе никеля и слоя для пайки на основе серебра (см. патент US5066991, опубл. 19.11.1991.)
18
-3
19
-3
18
-3
19
-3
18
-3
При изготовлении мощных высоковольтных приборов в качестве подложек n-типа проводимости выбирают подложки легированные сурьмой с удельным сопротивлением не более 0,01 Ом∗см с концентрацией примеси 5∗10 см, либо легированный мышьяком с сопротивлением не более 0,003 Ом∗см с концентрацией примеси 2∗10 см. Если используют подложки p-типа проводимости, то легирование проводят бором с сопротивлением от 0,03 Ом∗см до 0,005 Ом∗см с концентрациями от 3∗10 см до 4∗10 см. Однако при формировании эпитаксиального слоя для высоковольтных приборов (более 300 В) подложки с удельным сопротивлением 0,003 Ом∗см для мышьяка и 0,005 Ом∗см для бора не используются, т.к. во время эпитаксии происходит паразитное автолегирование эпитаксиального слоя примесью подложки, которое не позволяет получить необходимые концентрации примеси в эпитаксиальном слое коммерчески выгодным способом. Поэтому используют подложки легированные сурьмой с удельным сопротивлением 0,01 Ом∗см и легированные бором с сопротивлением 0,03 Ом∗см. Такие уровни легирования подложек позволяют получать необходимые концентрации примеси в эпитаксиальном слое высоковольтного прибора. Однако, при контакте кремния с уровнем легирования 1,5-5∗10 см, соответствующим сопротивлениям 0,01-0,03 Ом∗см, с титаном образуется неомический контакт, за счет образования силицидов при пайке кристаллов при T=260-420 C. Неомический контакт приводит к повышению прямого падения напряжения и снижению КПД полупроводникового прибора. Кроме титана в качестве адгезионного слоя используется хром, что не устраняет этого недостатка.
Указанный недостаток устранен в конструкции высоковольтного кремниевого прибора, состоящего из сильнолегированной подложки, слаболегированного эпитаксиального полупроводникового слоя такого же типа проводимости как и подложка, в котором сформирован рабочий слой, системы металлизации к сильнолегированной подложке, состоящий из контактирующего к подложке слоя алюминия, адгезионного слоя на основе титана, слоя на основе никеля и слоя на основе серебра (см. спецификацию фирмы ABB IGBT-Die 5SMX 12L1280, документ doc. No. 5SYA1309-030414). Контактирующий к подложке слой выполнен из алюминия толщиной 0,05-0,1 мкм.
Данное техническое решение является наиболее близким к предлагаемому. Алюминий образует низкоомный контакт с кремнием n- и p-типа. Для получения омического контакта к n-области концентрация доноров в ней должна быть выше, чем концентрация алюминия. При низкой концентрации доноров в поверхностном слое может произойти перекомпенсация акцепторами.
Алюминиевые пленки не отслаиваются из-за плохой адгезии, как золото или молибден. Алюминий легко обрабатывается методами фотолитографии для получения необходимой конфигурации контактов.
Однако в данной конструкции ухудшаются динамические характеристики, из-за большей инжекции неосновных носителей заряда, по сравнению с конструкцией с контактирующим с подложкой адгезионным слоем титана.
Целью данной полезной модели является снижение величины контактного сопротивления металлизации к подложке, также улучшение быстродействия полупроводникового прибора.
Указанная цель достигается тем, что кристалл высоковольтного кремниевого прибора состоит из сильнолегированной подложки, слаболегированного эпитаксиального полупроводникового слоя такого же типа проводимости как и подложка, в котором сформирован рабочий слой, системы металлизации к сильнолегированной подложке, состоящий из контактирующего к подложке слоя алюминия, адгезионного слоя на основе титана, слоя на основе никеля и слоя на основе серебра или золота, контактирующий к подложке слой выполнен в виде локальных квадратных областей алюминия, расположенных в шахматном порядке с расстоянием b между областями от 20 мкм до 200 мкм.
17
-3
Перенос заряда через контакт металл-полупроводник в омическом контакте осуществляется основными носителями заряда и характеризуется процессом туннелирования электронов через барьер (для подложек с уровнем легирования не менее 10 см).
Плотность тока зависит от концентрации легирующей примеси и высоты барьера. Высота барьера алюминия меньше, чем у титана, следовательно, значение прямого падения напряжения у контакта кремний-алюминий будет меньше чем у контакта кремний-титан. Снижение контактного сопротивления уменьшает прямое падение напряжения, увеличивая КПД полупроводникового прибора.
Хоть перенос заряда осуществляется главным образом основными носителями заряда, однако, при больших прямых смещениях коэффициент инжекции неосновных носителей заряда увеличивается с ростом тока.
В результате из-за накопления неосновных носителей заряда и их рекомбинации при переключении, увеличивается время переключения диода из проводящего состояния в непроводящее.
При подаче на диодную структуру обратного смещения инжекция неосновных носителей заряда в подложку происходит локально в областях контакта алюминия. При расстоянии b более 20 мкм, в приповерхностном слое кремния образуются чередующиеся области с большой и малой концентрацией неосновных носителей заряда, что значительно уменьшает значение обратного тока и время обратного восстановления. При расстоянии b между контактами алюминия менее 20 мкм, области в полупроводнике с инжектированными неосновными носителями заряда могут сомкнуться при малых плотностях тока.
13
-3
18
-3
Для диода с концентраций примеси в n-подложке равной 10 см диффузионная длина неосновных носителей заряда L равна 10,5 мкм (T=300 К). Для диода с концентраций примеси равной 5∗10 см L=6,5 мкм, таким образом, минимальное расстояние в 20 мкм справедливо для большинства высоковольтных кремниевых приборов. При значении b более 200 мкм, увеличивается прямое падение напряжения на диоде.
На фиг. 1 показан упрощенный схематический поперечный разрез кремниевого высоковольтного прибора.
На фиг. 2 приведен схематичный вид сверху на омический контакт с нанесенным слоем алюминия и титана.
Позициями на фиг. 1-2 обозначены:
1 - сильнолегированная n+ подложка;
2 - слаболегированный эпитаксиальный слой
3 - p+ эмиттер
4 - p+ охранные кольца
5 - контакт эмиттера
6 - слой оксида кремния
7 - контактирующий к подложке слой алюминия
8 - адгезионный слой титана
9 - слой на основе никеля
10 - слой для пайки на основе серебра
Предлагаемый полупроводниковый прибор устроен следующим образом.
Берется n+ подложка 1 КЭС с удельным сопротивлением 0,01 Ом∗см, со сформированным эпитаксиальным слоем 2 КЭФ с сопротивлением 25 Ом∗см толщиной 40 мкм. Путем диффузии бора формируется p+ эмиттер 3 и p+ охранные кольца 4 глубиной 5 мкм. Защитный слой оксида кремния 6 толщиной 0,8 мкм сформирован сухим термических окислением поверхности кремния. Магнетронным распылением алюминия с последующей фотолитографией формируют контакт эмиттера 5 и локальные квадратные контактирующие к подложке области 7 со стороной b равной 100 мкм и толщиной 0,1 мкм. Производят зачистку ионами аргона, для удаления поверхностного оксида на алюминии.
Далее, электронно-лучевым напылением в одном процессе формируют адгезионный слой титана 8 толщиной 0,1 мкм, не растворяющийся в припое слой на основе никеля 9 толщиной 0,6 мкм и слой для пайки на основе серебра 10 толщиной 0,6 мкм.
Как видно из таблицы 1, что образцы 2, 3, 4 с контактирующем к подложке слоем алюминия имеют меньше падение напряжения, по сравнению с образцом 1, где омический контакт выполнен из слоев титана, никеля и серебра.
В образцах 2 со сплошным слоем алюминия и образец 4 с малым расстоянием между областями 7 мкм, наблюдается ухудшение динамических параметров, что связано с большими значениями накопленных неосновных носителей заряда в кремниевой подложке и смыканием областей с высокой концентрацией неосновных носителей в полупроводнике.
Экспериментально доказано, что в образце 3 с локальными областями алюминия скорость переключения уменьшилась на 37 нс, по сравнению с прототипом, а прямое падение напряжение изменилось лишь на 0,03 В.