ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ ДИОД НА ОСНОВЕ КАРБИДА КРЕМНИЯ

Высоковольтный диод на основе карбида кремния
Полезная модель относится к области мощных высоковольтных полупроводниковых приборов, а именно - к конструкции элементов полупроводниковых выпрямительных приборов на основе карбида кремния, и может быть использована для создания элементной базы преобразовательных устройств.
Известен планарный полупроводниковый диод на основе карбида кремния, состоящий из планарного рабочего перехода р-типа проводимости, сформированного в эпитаксиальном n-слое и охранной системы, покрытой слоем оксида кремния. (См. диссертацию Junction Barrier Schottky Rectifiers in Silicon Carbide., Fanny Dahlquist, KTH, Royal Institute of Technology Department of Microelectronics and Information Technology Stockholm, 2002, pp 50).
Пробой планарного перехода зависит от профиля концентрации примеси, а также, в значительной степени, от кривизны края p-n-перехода. Когда планарный переход создают диффузией сквозь маску прямоугольной формы, то примесь распространяется не только вглубь но и в боковые стороны. В образовавшемся переходе можно выделить следующие части: центральную плоскую, цилиндрическую по боковому периметру и сферические по углам маски. Напряжение пробоя планарного перехода всегда значительно ниже, чем напряжение плоского перехода. (Зи С.Физика полупроводниковых приборов. Том 1 М.: Мир, 1984 - 80 с). В отличие от кремния, глубина диффузии примеси в карбиде кремния ограничивается 1,5-3 мкм, поэтому кривизна края p-n перехода имеет большое влияние на напряжение пробоя. Снижение концентрации примеси в эпитаксиальном слое не только увеличивает напряжение пробоя, но и увеличивает прямое падение напряжения, что снижает КПД полупроводникового диода. Поэтому в эпитаксиальном слое n-типа локально формируют компенсированные p-примесью области с меньшей концентрацией n-примеси, повышая напряжение пробоя, при этом, не увеличивая прямое падение напряжения.
Так как концентрация примеси в эпитаксиальном слое локально уменьшается в месте выхода планарного перехода, и при подаче обратного напряжения эта область сильнее обедняется, повышая напряжение пробоя, эта охранная система называется JTE-кольцо (Junction Termination Extension).
Слаболегированные JTE-кольца снижают концентрацию электрического поля на периферии диода, повышая напряжение пробоя до 30% от напряжения плоского p-n перехода диода
Комбинированные структуры с 2-3 кольцами с шириной в 3-4 раза больше толщины эпитаксиального слоя обеспечивают напряжение пробоя 50% от напряжения плоского p-n перехода. Первое слабо легированное кольцо, перекрывающее основной переход, имеет меньшую степень компенсации и большую концентрацию примеси, у последующих колец степень компенсации возрастает.
Эта конструкция является сложной технологически для реализации из-за необходимости проведения нескольких последовательных операций ионной имплантации с разными дозами легирующей примеси, также после каждой операции ионного легирования необходимо проводить высокотемпературный отжиг.
Наиболее близким к предлагаемому является планарный полупроводниковый диод на основе карбида кремния, состоящий из планарного рабочего перехода р-типа проводимости, сформированного в эпитаксиальном n-слое, и охранной системы на основе делительных колец, покрытой слоем оксида кремния (патент России RU2390880, кл. H01L 29/872 опубликовано: 27.05.2010).
15
-3
Эпитаксиальный слой из карбида кремния n-типа толщиной 10-18 мкм с концентрацией примеси (1-9)*10 см расположен на верхней стороне сильнолегированной подложки из карбида кремния n-типа. В эпитаксиальном слое созданы планарные p-n переходы с легированными бором p-областями с одинаковой глубиной залегания, часть которых расположена под Шоттки контактом, а остальные выполнены в виде
покрытой слоем оксида кремния охранной структуры. Охранная структура состоит из основного p-n перехода и делительных колец. Структура с делительными кольцами повышает радиус скругления линий напряженности поля и, тем самым, повышает напряжение пробоя до 60-65% от напряжения плоского p-n перехода.
Зазоры между основным переходом и первым кольцом, а также между кольцами подбираются таким образом, чтобы области пространственного заряда (ОПЗ) основного и плавающих переходов смыкались по мере увеличения напряжения на аноде. При одинаковых напряжениях на карбиде кремния ширина обедненной области примерно в 10 раз меньше чем у кремния (6-7 мкм при напряжении 600 В и 15-16 мкм при напряжении 1700 В).
Из-за разброса параметров режимов отжига и технологических погрешностей фотолитографий, фактические значения напряжений пробоя могут быть меньше расчетных, т.к области пространственного заряда делительных колец могут не смыкаться, а следовательно часть колец не будет подключаться, что снижает рабочее напряжение диода. Так как для формирования делительных колец применяется ионная имплантация с энергиями от 150 КэВ до 1 МэВ, то в сечении делительного кольца эквиконтрационные линии примеси имеют бочкообразную форму, где на поверхности и на «дне» ширина кольца равна ширине маске, а в центральной части кольцо шире.
Также возможны отказы приборов из-за пробоя в области делительных колец при быстром нарастании обратного смещения (больше 20 В/нс) (эффект dU/dt). Пробой карбидокремниевого диода наступает из-за резкого нарастания электрических полей за пределами металлизации в районе делительных колец, (см. ROHM semiconductor, SiC Power Devices and Modules, Issue of August 2014 pp. 25).
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является повышение напряжения пробоя и скорости нарастания обратного напряжения.
k
Указанный технический результат достигается тем, что в полупроводниковом диоде на основе карбида кремния, состоящем из планарного рабочего перехода р-типа проводимости, сформированного в эпитаксиальном n-слое, и охранной системы на основе делительных колец, покрытой слоем оксида кремния, делительные кольца расположены в компенсированной p-примесью приповерхностной области эпитаксиального слоя с концентрацией в интервале 0,1-0,5 концентрации эпитаксиального слоя глубиной X=0,4-0,8 глубины делительного кольца, которая выступает за пределы делительных колец на расстояние а=0,9-1,2 толщины эпитаксиального слоя Н.
Новым в предлагаемой полезной модели является то, что делительные кольца расположены в компенсированной p-примесью приповерхностной области эпитаксиального слоя. Данная область имеет большее сопротивление, токи смещаются вглубь эпитаксиального слоя, вследствие чего увеличивается плавность изменения полей в делительных кольцах, что увеличивает напряжения пробоя до 80-90% от напряжения плоского p-n перехода, слаболегированная p-область позволяет устранить эффект «обрыва» ОПЗ между кольцами при быстром нарастании обратного смещения повышая значение скорости нарастания обратного напряжения. Это осуществляется путем обеднения компенсированной приповерхностной области.
При концентрации активной n-примеси в компенсационной области менее 0,1 от концентрации эпитаксиального слоя может произойти инверсия типа проводимости, что приведет к отказу карбидокремниевого диода, а при концентрации активной n-примеси более 0,5 концентрации эпитаксиального слоя напряжение пробоя и скорость нарастания увеличивается незначительно.
Из-за бочкообразной формы сечения делительных колец, при глубине компенсированной p-примесью приповерхностной области менее 0,4 от глубины делительного кольца, толщины приповерхностной области не
хватает для перекрытия узких приповерхностных областей колец, что повышает возможность «обрыва» ОПЗ при подаче обратного напряжения! Электрическое поле менее равномерно распределяется в эпитаксиальном слое. Это ведет к снижению значений напряжения пробоя и скорости нарастания обратного напряжения.
Так как сокращается количество операций высокотемпературного отжига до одной, то глубина компенсированной p-примесью приповерхностной области обычно не превышает значения 0,8 глубины делительного кольца.
При расстоянии от последнего кольца до края компенсированной p-примесью приповерхностной области равное 0,9-1,2 толщины эпитаксиального слоя электрическое поле равномерно распределяется между последним кольцом и краем компенсированной приповерхностной области.
При расстоянии менее 0,9 толщины эпитаксиального слоя Н, при повышении обратного напряжения ОПЗ значительно сильнее распространяется вглубь некомпенсированного эпитаксиального слоя чем в его края, что снижает напряжение пробоя и скорость нарастания обратного напряжения смещения.
Увеличение расстояния более 1,2 толщины эпитаксиального слоя не целесообразно, так как это приводит к нерациональной потере полезной площади, что также снижает напряжение пробоя и скорость нарастания обратного напряжения смещения.
Сущность предлагаемой полезной модели поясняется фигурой 1. На фигуре 1 приведена схематическая конструкция диода Шоттки на основе карбида кремния.
Позициями на фиг. 1 обозначены:
+
1 - сильнолегированная подложка n-типа;
-
2 - эпитаксиальный слой n-типа;
3 -охранные p+кольца
4 - JBS p+кольца
5 - компенсированная p-примесью область
6 - слой оксида кремния
7 - контакт Шоттки (Ti)
8 - металлизация (Al)
9 - защитный диэлектрический слой (полиимид)
обр
пр
На фигуре 1 приведена часть разреза силового диода Шоттки (U=1200 B; I=2 А) на основе карбида кремния.
+
-
15
-3
15
-2
15
-2
+
13
-2
13
-2
j
На карбидокремниевой подложке n-типа проводимости 1 политипа 4 Н формируют эпитаксиальный слой n-типа 2 толщиной 13 мкм с концентрацией примеси 8·10 см. Для повышения напряжения пробоя по периферии контакта Шоттки 7, двухстадийной имплантацией ионами бора с дозами 3*10 cm и 6*10cm с энергиями 150 КэВ и 350 КэВ соответственно на глубине x (для бора глубина ≈0,8 мкм) формируют p+охранные кольца 3, а под контактом Шоттки JBS p-кольца 4, далее формируют маску, вскрывают в ней окно и проводят ионное легирование с дозами 0,3·10 см и 0,5·10 см с энергиями 150 КэВ и 300 КэВ для формирования компенсированной p-примесью области 5 с последующим высокотемпературным отжигом Т=1580°С, вследствие чего происходит активация примеси и примесь диффундирует как в глубь эпитаксиального слоя, так и в боковые грани, образуя делительные кольца глубиной 1,7 мкм и компенсированную p-примесью область глубиной 0,8 мкм. Затем всю эпитаксиальную структуру окисляют до получения слоя оксида кремния 6 равного 0,1 мкм при температуре 1150°С. Затем электронно-лучевым напылением формируют контакт Шоттки 7 из слоя титана 7 толщиной 0,1 мкм и слоя металлизации 8 из алюминия толщиной 3 мкм. Для защиты кристаллов от коронного разряда применена защита полиимидом 9 толщиной 6 мкм.
Ниже приведены результаты измерений диодов Шоттки, изготовленных на одинаковых эпитаксиальных структурах. В образце 1 структура выполнена с делительными кольцами без компенсированной p-примесью приповерхностной области. В образце 2 размеры компенсированной p-примесью приповерхностной области не удовлетворяют
k
k
предлагаемой конструкции (x>0,8; а<0,9). В образце 3 концентрация в компенсированной p-примесью приповерхностной области не удовлетворяет предлагаемой конструкции (больше 0,5 от концентрации эпитаксиального слоя). Образец 4 удовлетворяет предлагаемой конструкции (концентрация 0,3 концентрации эпитаксиального слоя; X=0,5; а=1).
При проверке пробивного напряжения обратно смещенного перехода диода использовался высоковольтный генератор напряжения с регулируемым фронтом нарастания напряжения в пределах 5-150 В/нс. У диодов последовательно проверялось напряжение пробоя при изменении фронта нарастания с 5 до 100 В/нс через 5 В/нс и через 10 В/нс при фронтах больших 100 В/нс.
Таким образом, экспериментально подтверждено, что предлагаемая конструкция повышает пробивное напряжение и скорость нарастания обратного напряжения.
Следует отметить, что в предлагаемом полупроводниковом приборе сокращается количество операций ионного легирования и высокотемпературного отжига по сравнению с составной структурой из слаболегированных колец (JTE), что уменьшает издержки при производстве этого прибора.