Конструктивно-технологические методы улучшения параметров полупроводниковых приборов

УДК 621.382

А.Р. Шахмаева, П.Р. Захарова

КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ УЛУЧШЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ

Проведен анализ влияния охранных колец и поверхностного заряда на границе раздела полупроводник-диоксид кремния на значение пробивного напряжения. Получены зависимости значения пробивного напряжения от величины поверхностного заряда для различных конструктивных вариантов транзистора.

Кремний, транзистор, пробой, напряжение, заряд

A.R. Shakhmaeva, P.R. Zakharova

CONSTRUCTION AND TECHNOLOGICAL METHODS FOR IMPROVEMENT OF SEMI-CONDUCTOR PARAMETERS

The influence of security rings and the surface charge arising on the semiconduc-tor-dioxide silicon border on the penetrative pressure value has been analyzed. Relationship between the penetrative pressure value and the size of the surface charge for the various constructions of the transistor has been found.

Silicon, transistor, breakdown, pressure, charge

Основным электрическим параметром, характеризующим мощный полупроводниковый прибор, является пробивное напряжение. На пробивное напряжение полупроводниковых приборов существенное влияние оказывает конструкция и технология изготовления прибора.

Для анализа влияния конструктивно-технологических параметров прибора на пробивное напряжение транзисторной структуры, необходимо сначала изучить влияние параметров, оказывающих на пробивное напряжение обычного p-n перехода. После этого перейти к анализу влияния параметров прибора на пробивное напряжение на примере структуры БСИТ-транзистора.

В р-n переходе при определенной величине обратного смещения наблюдается эффект пробоя, заключающийся в резком увеличении обратного тока через переход.

Как известно [1], существуют три основных механизма пробоя: туннельный, лавинный, тепловой. Туннельный пробой происходит из-за прохождения носителей через изолирующий слой ОПЗ перехода, смещенного в обратном направлении. Для того, чтобы произошло туннелирование, ширина ОПЗ (при большом обратном смещении перехода) должна быть достаточно мала, что достигается в сильнолегированных р+-п+ переходах. Для возникновения теплового пробоя необходим тепловой саморазогрев структуры, что происходит при протекании значительного обратного тока через p-n-переход. Обычно тепловой пробой происходит после туннельного или лавинного пробоя р-n перехода.

При лавинном пробое неосновные носители разгоняются под действием электрического поля в ОПЗ и набирают энергию, достаточную для разрыва связи атомов кристаллической решетки. Происходит ударная ионизация атомов решетки с рождением новых носителей заряда, которые также разгоняются и ионизируют атомы кристаллической решетки. Величина разгоняющего электрического поля зависит от ширины ОПЗ р-п перехода в обратном смещении.

Для одномерного резкого - антисимметричного р+-п кремниевого перехода лавинный пробой происходит в объеме в области максимального градиента распределения примеси.

Для типичной концентрации примеси в транзисторных структурах с Кподл 1014 см-3 максимальное пробивное напряжение одномерного р-п перехода равно 1600-1800 В при ширине ОПЗ 150 мкм.

Для двухмерного цилиндрического и трехмерного сферического перехода (с учетом бокового ухода примеси под маску) величина лавинного пробоя определяется не только концентрацией примеси в подложке, но и радиусом кривизны структуры.

Пробивное напряжение реального диффузионного р-п перехода определяется величиной напряжения лавинного пробоя сферической части перехода.

Таким образом, пробивное напряжение р-п перехода сильно зависит от его геометрии.

Можно выделить 2 основных фактора, определяющих пробивное напряжение реального р-п перехода:

1) Уровень легирования истока перехода. Высокая концентрация примеси в истоке перехода ограничивает проникновение электрического поля в переход. Электрическое поле концентрируется вблизи глубины залегания р-п перехода и уменьшает пробивное напряжение.

2) Состояние границы раздела 81-8Ю2. Обычно в технологическом процессе производства ИС и полупроводниковых приборов на пластине формируются слои 8Ю2. На границе раздела 81-8Ю2 присутствует заряд, связанный с плотностью поверхностных состояний границы раздела. Положительный заряд границы раздела может приводить к обогащению нижележащей области п-типа электронами, что в свою очередь, будет изменять ширину ОПЗ перехода вблизи поверхности, следовательно и пробивное напряжение прибора.

Напряжение пробоя р-п перехода может быть увеличено за счет применения таких методов, как использование полевых обкладок и диффузионных колец.

Цель методов:

- во-первых, уменьшение вероятности электрического пробоя на поверхности путем создания, по возможности, условий для пробоя в объеме полупроводника,

- во-вторых, максимальное уменьшение напряженности электрического поля в объеме, чтобы как можно полнее использовать все возможности полупроводника.

Рассмотрим ряд методов защиты р-п перехода кристалла БСИТ - транзистора от поверхностного пробоя. К ним относятся:

- полевая обкладка;

- эквипотенциальное кольцо (охранная диффузия);

- делительные кольца;

- частичное стравливание поверхности кремния;

- снятие фаски.

Применение полевой обкладки (см. рис. 1) является одним из распространенных методов повышения напряжения лавинного пробоя. Однако для эффективной работы обкладки необходимо правильно определить толщину окисла под обкладкой. Для обеспечения ипроб -1000 В толщина окисла должна превышать 7 мкм, что практически не вписывается в технологию изготовления структуры БСИТ.

Эквипотенциальное кольцо (охранная диффузия) позволяет существенно повысить напряжение пробоя за счет увеличения радиуса кривизны р-п перехода (см. рис. 2). Ограничение метода состоит в необходимости проводить дополнительную диффузию и использования более толстых эпитаксиальных слоев, что ухудшает другие важные характеристики транзистора.

Приборы с рабочим напряжением в несколько сот вольт успешно работают, если вытравить глубокую канавку (см. рис. 3). При напряжении пробоя выше 400...500 В используют механическое снятие фаски (см. рис. 4).

Снятие фаски - один из наиболее широко применяемых методов, особенно для приборов с напряжением более 1000 В, так как защитное покрытие, заполняющее канавку после травления фаски, обеспечивает качественную стабилизацию поверхности. Ограничение метода - высокая технологическая сложность.

Один из наиболее эффективных и технологичных методов повышения прочности пробивного напряжения - применение диффузионных делительных колец (рис. 5). Делительные кольца формируют одновременно с созданием области основного р-п перехода - в нашем случае затворной области транзистора. Количество делительных колец и расстояние между ними выбираются, исходя из удельного сопротивления кремния и плотности поверхностных состояний (заряда) в пассивирующем р-п переход окисле.

На пробивное напряжение мощных полупроводниковых приборов существенное влияние оказывает технология изготовления (состояние поверхности на границе раздела 81-8102 глубина залегания охранных колец) и, как следствие, конструкция прибора (число колец, расстояние между ними).

Целью данной работы являлась оценка влияния охранных колец и поверхностного заряда на границе раздела «полупроводник-диоксид кремния» на значения пробивного напряжения.

При изготовлении полупроводникового прибора первой операцией является выращивание диоксида кремния толщиной порядка одного микрона, в результате чего на границе раздела «полупроводник-диоксид кремния» формируется поверхностный заряд, величина которого может находиться в

^71/^10 -2 ^7 1 /—\ 11 -2 пределах от 7-10 см до 7-10 см .

Исследования проводились с использованием САПР ТСЛБ 8упор8у8 на модели транзистора, изготовляемого на подложке п-типа с концентрацией примеси К=1.5Б14 см-3.

Наличие поверхностного заряда приводит к увеличению концентрации примеси в приповерхностном слое, из-за чего ширина обеднённой области (ОПЗ) вблизи поверхности отличается от ширины ОПЗ в объёме эпитаксиального слоя [2]. Напряженность поля увеличивается с увеличением концентрации примеси в приповерхностном слое. С помощью охранных колец значение напряжённости на поверхности полупроводника можно снизить [3]. На рис. 6 показано изменение концентрации примеси в эпитаксиальном слое полупроводника при величине поверхностного заряда Qss=5e11 см-2.

Увеличение числа колец и глубины их залегания приводит к увеличению пробивного напряжения, но при этом увеличивается площадь периферии структуры и соответственно её стоимость. Поэтому оптимизация количества охранных колец и глубины их залегания является важной задачей при проектировании полупроводниковых приборов.

Исследования проводились для различных глубин залегания колец, различного числа колец и различных расстояний между кольцами при заданной глубине залегания.

Проведенный эмпирическим путем анализ показывает, что при максимальном значении заряда оптимальным является сочетание 4 колец с глубиной залегания 8 мкм при расстоянии между ними 6-6-7-7 мкм.

Охранные кольца формировались диффузией бора с последующей разгонкой.

Получение высоких значений пробивных напряжений без охранных колец невозможно из-за возникновения поверхностного пробоя.

При проектировании мощных полупроводниковых приборов необходим учёт максимального значения поверхностного заряда. Для приведенного значения поверхностного заряда глубина залегания охранных колец определяет их количество. Также особое внимание следует обращать на расстояние между кольцами. Расстояние между кольцами должно быть таким, чтобы не возник поверхностный пробой на основном переходе или на каком-либо из охранных колец.

Результаты моделирования хорошо согласуются с экспериментальными данными при проектировании и изготовлении транзистора КП 961.

Диффузия акцепторов

Рис. 1

Рис. 2

SiO2

Рис. 4

SiO2

Рис. 5

ЛИТЕРАТУРА

1. Исмаилов Т. А. Транзисторные структуры силовой электроники / Т. А. Исмаилов, А.Р. Шахмаева. Спб.: Политехника, 2011. 126 с.

2. Avset B.S. The effect of metal field plates on multiguard structures with floating p+ guard rings / B.S. Avset, L. Evensen // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. 1996. Vol. 377. P. 397-403.

3. Проектирование на ЭВМ ограничительных колец с учётом заряда в диэлектрике / С. А. Малеев и др. // Электронная техника. Полупроводниковые приборы. М.: 2007.

4. Theory and Breakdown Voltage for Planar Devices with a Single Field Limiting Ring / M.S. Adler, V.A.K. Temple, A.F. Ferro // IEEE Transactions on electron Devices, 1997. V. ED 24. № 2. P. 107-112.

Шахмаева Айшат Расуловна -

кандидат технических наук, доцент, декан факультета повышения квалификации и переподготовки Дагестанского государственного технического университета

Захарова Патимат Расуловна -

аспирант кафедры «Вычислительная техника» Дагестанского государственного технического университета

Статья п

Aishat R. Shakhmaeva -

Ph. D., Associate Professor,

Dean: Department for Continuing Professional Development,

Daghestan State Technical University

Patimat R. Zakharova -

Postgraduate,

Department of Computer Engineering,

Daghestan State Technical University

та в редакцию 25.12.11, принята к опубликованию 02.03.2012