ДИОД С БАРЬЕРОМ ШОТТКИ 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 диод с барьером Шоттки на основе карбида кремния, состоящий из сформированных в эпитаксиальном n-слое планарного рабочего перехода р-типа проводимости и охранной системы на основе делительных колец, покрытой слоем оксида кремния (патент России RU 2390880, кл. H01L 29/872, опубликовано: 27.05.2010).
Слаболегированные кольца р-типа проводимости на периферии Шоттки контакта полностью обедняются при напряжении, несколько меньшем напряжения пробоя плоскопараллельного перехода. Зазоры между планарным рабочим переходом и первым кольцом, а также между кольцами подбираются таким образом, чтобы области пространственного заряда (ОПЗ) рабочего перехода и кольцевых переходов смыкались по мере увеличения напряжения на аноде, повышая напряжения пробоя.
При равных напряжениях ширина обедненной области карбида кремния примерно в 10 раз меньше, чем у кремния (6-7 мкм при напряжении 600В и 15-16 мкм при напряжении 1700В)
Недостатком охранной системы на основе делительных колец является то, что из-за разброса параметров режимов отжига и технологических погрешностей фотолитографии фактические значения напряжений пробоя могут быть меньше расчетных, так как области пространственного заряда делительных колец могут не смыкаться, а следовательно, часть колец не будет подключаться, что снижает напряжение пробоя диода.
В некоторых случаях кольца начинают смыкаться при напряжениях меньших, чем расчетное, что также неконтролируемо снижает пробивное напряжение полупроводникового прибора.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели является диод с барьером Шоттки на основе карбида кремния, состоящий из сформированных в эпитаксиальном n-слое планарного рабочего перехода р-типа проводимости и охранной системы на основе n-области с уровнем легирования ниже, чем в эпитаксиальном слое (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).
В эпитаксиальном слое n-типа локально формируют компенсированные р-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 области компенсированной р-примесью, то при подаче обратного напряжения эта область сильнее обедняется, повышая напряжение пробоя.
Недостатком охранной системы на основе n-области с низким уровнем легирования является то, что при ионной имплантации максимум распределения примеси находится не на поверхности полупроводника, а в глубине. Проводимость на поверхности выше, вследствие чего максимум напряженности электрического поля может быть на поверхности структуры (в плоскости металл-проводник), что увеличивает обратный ток и уменьшает пробивное напряжение.
В связи с этим прибегают к ступенчатому процессу. Более равномерное распределение примеси от поверхности вглубь обеспечивается несколькими ступенями имплантации при различных энергиях. Этот процесс лишь приближает максимум распределения примеси к поверхности и является сложным технологически из-за необходимости проведения нескольких последовательных операций ионной имплантации.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является повышение пробивного напряжения и стабилизация обратного тока.
Указанный технический результат достигается тем, что диод с барьером Шоттки на основе карбида кремния состоит из сформированных в эпитаксиальном n-слое планарного рабочего перехода р-типа проводимости и охранной системы на основе n-области с уровнем легирования ниже, чем в эпитаксиальном слое, при этом на поверхности эпитаксиального слоя в n-области с низким уровнем легирования сформирована канавка глубиной 0,2-0,3 мкм.
При формировании канавки глубиной 0,2-0,3 мкм в n-области с низким уровнем легирования максимум распределения р-примеси будет на поверхности сформированной канавки, а следовательно, за счет компенсации поверхность канавки будет с минимальной концентрацией n-примеси по сравнению со всей слаболегированной областью.
При подаче обратного напряжения область максимального поля будет смещена в глубину полупроводника, исключая нарастание обратного тока. Таким образом, осуществляется повышение напряжения пробоя полупроводникового прибора.
Глубина максимума распределения зависит от энергии ионов, а также от эффективного диаметра атома примеси, так как значения энергий при ионной имплантации для карбида кремния лежат в диапазоне от 250 до 500 КэВ, а в качестве примеси используют бор или алюминий, то максимум р-примеси будет на глубине 0,2-0,3 мкм.
Количество введенной р-примеси необходимо контролировать, чтобы не произошла полная компенсация в эпитаксиальном n-слое из-за избытка примеси, что влечет смену электропроводности на противоположный р-тип.
обр
пр
Сущность предлагаемой полезной модели поясняется фигурами. На фиг. 1 приведена структура диода Шоттки после операций ионного легирования. На фиг. 2 схематичная конструкция диода Шоттки (U=1200В; I=2А) с канавкой в n-области с низким уровнем легирования.
Позициями на фиг. 1, 2 обозначены:
+
1 - сильнолегированная подложка n-типа;
-
2 - эпитаксиальный слой nтипа;
3 - планарный рабочий переход р-типа;
4 - n-область с низким уровнем легирования;
5 - канавка в n-области с низким уровнем легирования;
6 - слой оксида кремния;
7 - контакт Шоттки;
8 - омический контакт.
+
-
15
-3
15
-2
13
-2
На карбидокремниевой подложке n-типа проводимости 1 политипа 4Н формируют эпитаксиальный слой n-типа 2 толщиной 13 мкм с концентрацией примеси 8⋅10 см. Имплантацией ионами бора с дозой 5⋅10 см с энергией 300 КэВ формируют планарный рабочий переход р-типа 3. Далее проводят ионное легирование бора с дозой 0,5⋅10 см и энергией 350 КэВ для формирования локальной n-области с низким уровнем легирования 4. После высокотемпературного отжига при температуре 1580°С планарный рабочий переход р-типа имеет глубину 0,8 мкм, а n-область с низким уровнем легирования глубину - 1,2 мкм.
Канавку в n-области с низким уровнем легирования 5 глубиной 0,25 мкм формируют травлением в индуктивно-связанной плазме с использованием маски из поликристаллического кремния. Затем всю эпитаксиальную структуру окисляют при температуре 1150°С до получения слоя оксида кремния 6 толщиной 0,2 мкм. Далее электронно-лучевым напылением титана формируют контакт Шоттки 7, а на обратной стороне пластины напылением никеля формируют омический контакт 8.
Ниже приведены результаты измерений диодов Шоттки, изготовленных на одинаковых эпитаксиальных структурах с одинаковыми режимами ионной имплантации.
В образце 1 структура выполнена без канавки в n-области с низким уровнем легирования; в образцах 2, 3, 4, 5 - различные размеры вытравленной канавки выполненной в локальной ионно-легированной n-области с низким уровнем легирования.
При глубине канавки менее 0,1 мкм концентрация р-примеси на поверхности по-прежнему меньше, чем в глубине n-области, следовательно, максимум поля может быть в плоскости металл-полупроводник, что влечет снижение стабильности работы диода. При глубине канавки более 0,3 мкм концентрация р-примеси также меньше возможной, так как область, на которую пришелся максимум распределения примеси, вытравлена.
Таким образом, экспериментально подтверждено, что предлагаемая конструкция повышает пробивное напряжение и стабилизирует обратный ток.