СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИНТЕГРИРОВАННЫХ ШОТТКИ-pn ДИОДОВ НА ОСНОВЕ КАРБИДА КРЕМНИЯ
METHOD FOR MANUFACTURING OF INTEGRATED SCHOTTKY-pn DIODES BASED ON SILICON CARBIDE

Изобретение относится к области электронной техники, а более конкретно - к технологии создания высоковольтных полупроводниковых диодов, и может быть использовано для создания интегрированных Шоттки-pn диодов на основе карбида кремния.
6
Широкое применение диодов Шоттки (ДШ) всегда сдерживалось тем, что при обратном смещении в них имеют место избыточные утечки, а напряжение пробоя ДШ обычно меньше, чем у pn-переходов. В 4H-SiC (на основе карбида кремния) ДШ при большом обратном напряжении электрическое поле в плоскости металлического контакта достигает ~10 В/см. При таких больших полях могут возникать объемные утечки, обусловленные полевой и/или термополевой эмиссией электронов из металла в полупроводник. Для подавления (по крайней мере, частичного) такого рода утечек предложены JBS-структуры (внедренные под контакт Шоттки р-области) и созданы JBS-диоды (интегрированные Шоттки-pn диоды).
Токи утечки по краю металлического контакта полупроводникового прибора при обратном смещении объясняются концентрацией силовых линий электрического поля по периферии контакта. Существует множество способов создания охраны краевого контура: расширенная металлизация [J.N.Su and A.J.Steckl // Inst. Phys. Conf. Ser. No 142: Chapter 1, 1996, p.697]; эпитаксиальные [K.Ueno, Т.Urushidani et al. // Inst. Phys. Conf. Ser. No 142: Chapter 1, 1996, p.693] и имплантированные [Грехов И.В., Иванов П.А., Ильинская Н.Д., Коньков О.И., Потапов А.С., Самсонова Т.П. // ФТП, 42 (2), 2008, с.211-214] pn-переходные охранные кольца; плавающие охранные кольца [D.C.Sheridan, J.N.Merrett, J.D.Cressler et al. // Materials Science Forum. Vol.353-356, 2001, p.687] и другие. С точки зрения эффективности работы, плавающие охранные кольца оказываются эффективными, позволяя в ряде случаев практически полностью избавиться от краевых эффектов [П.А.Иванов, И.В.Грехов, Т.П.Самсонова // ФТП ФТП, 2005, 39 (12), с.1476].
Известен способ создания JBS-диодов на основе карбида кремния [S.J.Kim, S.Kim, S.C.Kim, I.H.Kang, K.H.Lee and T.Matsuoka // Materials Science Forum. Vol.556-557, 2007, p.869] с одновременной имплантацией охранных колец и JBS-структур. По этому способу производится горячая имплантация алюминия через маску из оксида кремния ионами разных энергий для формирования бокс-профиля имплантированной примеси. Постимплантационный отжиг осуществляется в аргоновой атмосфере в течение 30 минут при температуре 1650°С. После отжига на обратной стороне пластины напылением формируется никелево-титановый омический контакт, который вжигается в атмосфере азота при температуре 900°С в течение 1.5 часов. Никелевый Шоттки-контакт, утолщенный алюминием, напыляется на верхней стороне пластины и не вжигается.
Однако данный способ имеет недостатки. Во-первых, необходимость использования в технологическом процессе микронной и даже субмикронной фотолитографии (из-за того, что диффузия алюминия в карбиде кремния при разумных температурах незначительна [F.Giannazzo, F.Roccaforte, D.Salinas, and V.Raineri. Mat. Science Forum, 600-603, (2009), p.603]), что делает подобный способ очень дорогим при промышленном производстве. Во-вторых, невысокая скорость переключения диодов, создаваемых по данной технологии, т.к. благодаря небольшой энергии ионизации алюминия концентрация свободных дырок в слоях 4H-SiC<Al> существенно большая, а при увеличении концентрации дырок в р-области увеличивается коэффициент инжекции pn-перехода.
4
Наиболее близким способом (прототипом) к заявляемому изобретению по совокупности признаков является способ создания интегрированных Шоттки-pn диодов на основе карбида кремния (4Н-SiC) с борными плавающими охранными кольцами и структурами JBS (подконтактными р-n переходами) [WO 2006122252, опубл. 16-11-2006, заявка США US 2006255423]. По этому способу на верхней стороне пластины 4H-SiC n-типа с эпитаксиальным слоем n-типа через маску, выполненную из фоторезиста, с разрешением 0.05 мкм, проводится ионная имплантация бора на глубину до 1 мкм для одновременного создания охранных колец и структур JBS. В верхней части колец дополнительной имплантацией создаются слаболегированные р-области для повышения быстродействия. Постимплантационный отжиг производится под слоем графита в смеси газов Ar+SiH при температурах (1300÷1800)°С в течение непродолжительного времени (так, что сколько-нибудь заметная диффузия бора не наблюдается). После отжига поверхность, подвергшаяся имплантации, окисляется. На обратной стороне формируется омический контакт напылением и вжиганием никеля при температуре (600÷1200)°С в инертной атмосфере (аргона или азота). В окна, вскрытые в окисле на верхней стороне пластины, напыляется никелевый контакт Шоттки, который отжигается при температуре (200÷800)°С. Создаваемые этим способом диоды обладают высоким быстродействием.
Главными недостатками способа являются его сложность и дороговизна из-за необходимости использовать фотолитографию с высоким разрешением для создания структур JBS и системы охранных колец, расположенных на близких расстояниях для увеличения напряжения пробоя, и формировать дополнительные слаболегированные р-области для высокого быстродействия. Несмотря на сложность способа, в конечном приборе удалось достигнуть лишь 1200 В напряжения пробоя диода (43% от теоретического предела).
Предлагаемое изобретение решает задачи создания интегрированных Шоттки-pn диодов с увеличенным напряжением пробоя более простым и дешевым способом при сохранении быстродействия.
13
15
-2
Задача решается способом изготовления интегрированных Шоттки-pn диодов на основе карбида кремния, включающим создание р-областей с прямоугольным профилем легирования имплантацией ионов бора с энергиями из интервала значений (190÷700) кэВ и дозами из интервала (1×10÷1×10) см в слаболегированный эпитаксиальный слой карбида кремния n-типа, расположенный на сильнолегированной подложке карбида кремния n-типа, при комнатной температуре через маску из фоторезиста для одновременного формирования основного охранного pn-перехода, плавающих охранных колец и подконтактных р-областей, выполненной фотолитографией с разрешением от 0.5 мкм до 1 мкм, отжиг в инертной атмосфере при температуре из интервала (1500÷1600)°С в течение времени (30÷90) минут под слоем нанесенного графита, окисление поверхности, напыление на обратную сторону пластины никеля и его вжигание для формирования омического контакта, вскрытие окон в окисле и напыление никелевого Шоттки-контакта с последующим отжигом в инертной атмосфере.
Сущность изобретения поясняется тем, что в слаболегированный эпитаксиальный слой карбида кремния n-типа имплантируют ионы бора с высокой энергией, что способствует их глубокому проникновению в слой, а при длительном отжиге при высоких температурах происходит диффузия бора как в вертикальном, так и в латеральном направлении, в результате чего формируется плавный профиль распределения имплантированной примеси, образуя протяженные области перекомпенсации, и вследствие этих процессов диффузии при большой глубине проникновения бора подконтактные р-области, основной охранный pn-переход и плавающие охранные кольца формируются на необходимых близких расстояниях друг от друга для обеспечения высокого напряжения пробоя, причем без применения фотолитографии с высоким разрешением, а также обеспечивается высокое быстродействие без формирования дополнительных слаболегированных областей.
При исследованиях выяснено, что на эффективность работы охранных колец и JBS-структур оказывает влияние глубина залегания охранного pn-перехода, а также профиль распределения примеси. С помощью вторичной ионной масс-спектрометрии было показано, что при термическом отжиге слоев 4Н-SiC, имплантированных бором при комнатной температуре, происходит заметная диффузионная разгонка внедренных имплантацией атомов бора уже при температурах (1500÷1600)°С. Было установлено, что механизм диффузии из имплантированного источника существенно неравновесный (transient enhanced diffusion, TED), стимулированный радиационными нарушениями. Благодаря TED-механизму имплантированный бором pn-переход в SiC может быть сформирован на большей, чем пробег ионов бора, глубине. Кроме того, получаемый профиль распределения примеси представляет собой pn-переход с нерезкой границей, то есть концентрация акцепторных примесей (бора) в n-слое плавно уменьшается вглубь эпитаксиального слоя от поверхности, образуя протяженную область перекомпенсации. Это позволяет формировать высоковольтные планарные pn-переходы в карбиде кремния и диоды на их основе.
Для достижения высокого быстродействия интегрированных Шоттки-pn диодов в имплантированных р-областях в непосредственной близости от Шоттки металла и в прототипе и в предлагаемом способе создаются слаболегированные р-области и формируется барьер Шоттки между имплантированными слоями и Шоттки-металлом. Благодаря этому барьеру, включенному последовательно в противоположном по отношению к pn-переходам JBS-структур и охранных колец направлении, существенным образом подавляется инжекция из областей с борной имплантацией, что делает такие интегрированные Шоттки-pn диоды сравнимыми по скоростям переключения с обычными диодами Шоттки. Но в предлагаемом способе слаболегированная р-область вблизи Шоттки металла в отличие от прототипа создается за счет глубокой имплантации бора с его последующей диффузией в процессе длительного отжига, что не требует дополнительных операций и технологически проще и дешевле, чем в прототипе.
13
15
-2
Авторы установили, что при режимах имплантации ионов бора с отличными от прототипа энергиями (190÷700) кэВ и аналогичными дозами (1×10÷1×10) см, на большей, чем в прототипе, глубине одновременно создаются основной охранный переход, плавающие охранные кольца и структура JBS, и при этом, в отличие от прототипа, можно использовать фотолитографию с относительно невысоким разрешением - от 0.5 мкм до 1 мкм, т.к. предложенный авторами последующий отжиг имплантированных слоев в течение (30÷90) мин при температурах (1500÷1600)°С сопровождается процессами диффузии бора как в вертикальном, так и в латеральном направлении и сближает создаваемые кольца. При этом, как выявили авторы, образуется плавный профиль распределения имплантированной примеси с максимумом концентрации, находящимся на глубине (0.7÷1.0) мкм к поверхности, распространяющийся на глубину (1÷3) мкм, то есть концентрация акцепторных примесей (бора) в n-слое плавно уменьшается к поверхности и вглубь эпитаксиального слоя, образуя протяженные области перекомпенсации.
15
-3
Сформированные таким способом диоды с охранными кольцами и структурой JBS позволяют добиться напряжения пробоя до 72% от теоретически возможного (до 1800 В при создании диода на пленке 4H-SiC с концентрацией примеси 2×10 см толщиной 12 мкм) при сохранении быстродействия (как у прототипа). Исследования показали, что по скорости переключения созданные по данному способу интегрированные Шоттки-pn диоды не уступают диодам Шоттки. Данный способ проще и дешевле способа-прототипа, т.к. в нем возможно использование менее точной и, как следствие, более простой фотолитографии (точностью до 1 мкм против 0.05 мкм в прототипе), и, кроме того, в данном способе барьер Шоттки между обедненной р-областью и Шоттки металлом создается за счет более глубокой имплантации примеси, а не отдельной имплантацией, как в прототипе.
Способ осуществляется следующим образом.
13
15
-2
На пластине 4H-SiC n-типа с эпитаксиальным слоем 4H-SiC n-типа с помощью фотолитографии с разрешением (0.5÷1.0) мкм создается маска из фоторезиста толщиной (4÷5) мкм. Через сформированную маску производится холодная имплантация ионов бора с несколькими значениями энергии из интервала (190÷700) кэВ и доз из интервала (1×10÷1×10) см для создания р-областей с прямоугольным профилем легирования. После удаления фоторезиста и капсулирования облученной поверхности слоем графита производится отжиг в инертной среде при температуре из диапазона (1500÷1600)°С в течение (30÷90) минут. После этого в кислородной атмосфере сжигается защитный слой графита и формируется термический окисел на поверхности эпитаксиального слоя. Далее, на подготовленную механической шлифовкой обратную сторону пластины напыляется никель, который вжигается в вакууме, например, при температуре из интервала (900÷1050)°С в течение времени (10÷60) минут [Т.Toda, Y.Ueda and M.Sawada // Mat. Science Forum, 338-342, (2000), p.989]. На передней стороне пластины в окисле вскрываются окна, в которые пылится никелевый контакт Шоттки, который отжигается при температуре (200÷400)°С в течение часа.
Пример 1.
15
-3
13
-2
13
-2
3
Согласно формуле изобретения был осуществлен способ, по которому была взята пластина карбида кремния n-типа с эпитаксиальной пленкой n-типа толщиной 12 мкм и легированием 2×10 см. На эпитаксиальном слое с помощью фотолитографии с разрешением 0.9 мкм, выполненной на установке совмещения типа АМК-2104-12, создана маска из фоторезиста типа AZ1518 толщиной 5 мкм с окнами для имплантации основного охранного перехода шириной 50 мкм, 4-х плавающих охранных колец шириной 10 мкм и интервалом между ними 5 мкм, структурой JBS шириной 8 мкм с интервалом 5 мкм. Через сформированную маску на установке High Voltage Engineering Europe произведена холодная имплантация ионов бора энергиями 200 кэВ и 350 кэВ и дозами 3×10 см и 6×10 см соответственно. После удаления фоторезиста и капсулирования облученной поверхности слоем графита был произведен отжиг в среде аргона при температуре 1500°С в течение 60 минут в установке с внутренним резистивным нагревом. В результате отжига были сформированы диффузионные pn-переходы на глубине 2 мкм, а интервалы между охранными кольцами и структурами JBS уменьшились до 3 мкм. После этого в потоке сухого кислорода (500 см/мин) был сожжен защитный слой графита и сформирован термический окисел толщиной 300 нм на поверхности эпитаксиального слоя. На отшлифованную обратную сторону на установке Balzers был напылен никель, который был вожжен в вакууме при температуре 950°С в течение 15 минут в вакуумном посте ВУП-5. На верхней стороне в окисле были вскрыты окна, в которые был напылен никель в качестве Шоттки контакта, который был отожжен в вакууме при температуре 200°С в течение часа. Таким образом был создан интегрированный Шоттки-pn диод с напряжением пробоя 1800 В (72% от теоретического предела).
Пример 2.
То же, что в примере 1, но энергии имплантированных ионов составили 100 и 150 кэВ. В результате полученные приборы обладали напряжением пробоя около 1200 В, т.е. оказались не лучше прототипа.
Пример 3.
То же, что в примере 1, но энергии имплантированных ионов составляли 750 и 1050 кэВ. В результате полученные приборы имели напряжение пробоя до 1800 В, однако для достижения таких энергий на установке High Voltage Engineering Europe необходимо использовать 2- и 3-зарядные ионы бора. Для набора необходимой дозы имплантации процесс облучения приходилось проводить в течение двух суток, что привело к многократному удорожанию созданного прибора.
Пример 4.
То же, что в примере 1, но поставлена задача создать разрешение фотолитографии 0.1 мкм. В результате на установке совмещения АМК-2104-12 не удалось добиться такого разрешения, прибор не был создан. Для создания такого разрешения требуется существенно более сложная и дорогостоящая аппаратура.
Пример 5.
То же, что в примере 1, но разрешение 2 мкм. В результате произошло закорачивание охранных колец друг с другом, напряжение пробоя составило всего 600 В.
Пример 6.
То же, что в примере 1, но время отжига 15 минут. В результате диффузия бора оказалась незначительной, прибор выдерживал напряжение пробоя 1150 В.
Пример 7.
То же, что в примере 1, но время отжига 2 часа. В результате началась деградация поверхности эпитаксиального слоя. Созданные приборы выдерживали напряжение пробоя 800 В.