ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ПРИБОР
HIGH-VOLTAGE SEMICONDUCTOR INSTRUMENT

Изобретение относится к области мощных высоковольтных полупроводниковых приборов, конкретно - к приборам с кремниевыми диффузионными планарными p-n переходами, и может быть использовано для создания элементной базы преобразовательных устройств.
Для работы таких устройств существенно значение предельного рабочего напряжения, которое определяется напряжением лавинного пробоя обратно смещенного p-n перехода, блокирующего приложенное к прибору напряжение. Если лавинный пробой происходит в объеме низколегированной базовой области p-n перехода, то напряжение пробоя определяется удельным сопротивлением материала базовой области и возрастает с его увеличением. Однако в реальных конструкциях планарных полупроводниковых приборов пробой обычно происходит в районе выхода p-n перехода на поверхность полупроводника при напряжении, существенно меньшем напряжения лавинного пробоя. Для увеличения напряжения пробоя этих устройств применяются, например, охранные кольца в виде кольцевых p-n переходов, расположенных на поверхности прибора по периметру выхода основного p-n перехода на поверхность, что, однако, приводит к увеличению площади прибора и его усложнению и удорожанию.
+
+
+
Известна конструкция высоковольтного полупроводникового прибора [заявка на патент JP 2001244479, опубл. 07.09.2001], содержащая базовый слой N-типа, эпитаксиальный слой n-типа, стоп-слой n-типа, верхние охранные кольца p-типа и нижние охранные кольца p-типа. В устройстве выполнены две группы охранных колец в виде кольцевых p-n переходов, расположенных на противоположных сторонах пластины, причем проекция каждого верхнего кольца попадает в промежуток между нижними кольцами, а вся группа нижних колец закрыта специально выращенным эпитаксиальным слоем. Такая конструкция прибора позволяет уменьшить площадь пластины, занятую охранными кольцами при сохранении достаточно высокого напряжения пробоя.
Однако эта конструкция является очень сложной технологически из-за необходимости двухстороннего совмещения рисунков колец и эпитаксиального заращивания нижней группы колец.
Известна конструкция высоковольтного полупроводникового устройства на основе кремния - тиристора со статической индукцией [патент JP 11008376, опубл. 12.01.1999], взятая за прототип предлагаемого технического решения.
+
Устройство с кремниевым диффузионным планарным p'-N переходом содержит базовый слой N-типа проводимости, анодный слой p'-типа проводимости, металлический контакт к аноду, базовые (диффузионные) участки p'-типа проводимости, катодные участки n-типа проводимости, охранные кольца на поверхности базового слоя N-типа проводимости, металлический контакт к базовым участкам, металлический контакт к катодным участкам, канавки в охранных кольцах. Охранные кольца, выполненные в виде кольцевых p'-N переходов и закрытые защитным диэлектрическим покрытием, имеют предварительно вытравленную канавку, благодаря которой глубина p'-N перехода в кольцах получается большей, чем в базовых участках, при одновременном изготовлении их путем локальной диффузии бора в N-слой. Увеличение глубины p'-N перехода в кольцах позволяет увеличить блокируемое напряжение на каждом кольце.
2
2
Недостатком устройства, прежде всего, является сложность конструкции и большая площадь кремниевой пластины. Область объемного заряда в промежутке между охранными кольцами выходит на поверхность слаболегированной N базы и должна быть защищена диэлектрическим покрытием. Обычно этим покрытием служит термически выращенная двуокись кремния SiO. Это покрытие всегда содержит некоторое количество подвижных положительно заряженных ионов щелочных металлов, которые при приложении к устройству запирающего смещения дрейфуют к p'-N переходу. Положительный заряд этих ионов притягивает к поверхности N-слоя свободные электроны, приводя к обогащению ими приповерхностного слоя и снижая тем самым напряжение пробоя колец. Поэтому на каждом кольце должна быть металлическая обкладка, покрывающая сверху слой SiO между кольцами и электрически соединенная с p'-слоем кольца. При подаче на p'-N переход запирающего смещения эти обкладки находятся под отрицательным потенциалом и препятствуют дрейфу положительных ионов к p'-N переходу, предотвращая тем самым обогащение приповерхностного слоя кремния. Наличие металлических обкладок усложняет конструкцию и приводит к увеличению площади прибора.
Предлагаемое изобретение решает задачу упрощения конструкции и уменьшения площади, занимаемой охранными кольцами высоковольтного полупроводникового прибора с кремниевым диффузионным планарным p'-N переходом.
пр
кр
Задача решается высоковольтным полупроводниковым прибором, включающим кремниевый диффузионный планарный p'-N переход, электрические контакты для подачи потенциалов и охранные кольца с канавками на поверхности прибора, закрытые диэлектрическим слоем, причем охранные кольца расположены в области периметра p'-слоя планарного p'-N перехода и выполнены в виде кольцевых канавок, вытравленных в диффузионном p'-слое на глубину h, удовлетворяющую соотношению а<h<b, ширина l каждой канавки имеет величину от 5 до 50 мкм, а суммарная ширина L канавок больше или равна величине U/Е,
где
а - расстояние от поверхности упомянутого p'-слоя до границы расширения области объемного заряда в p'-слой при увеличении блокируемого напряжения до величины, при которой напряженность поля на кольцевом периметре p'-слоя достигает критической величины для лавинного пробоя, мкм;
b - толщина p'-слоя, мкм;
пр
U - напряжение лавинного пробоя плоского p'-N перехода в объеме кремния, В;
кр
кр
об
об
Е - напряженность пробоя в приповерхностном слое дна канавок, удовлетворяющая соотношению Е=(0.2÷0.3)Е, где Е - напряженность пробоя плоского p'-N перехода в объеме кремния, В/см.
Сущность предлагаемого технического решения заключается в следующем.
Область объемного заряда при работе предлагаемой конструкции, в отличие от прототипа, выходит на поверхность кремния не в слаболегированном N базовом слое, а в днищах кольцевых канавок, вытравленных в p'-области. Концентрация легирующей примеси p-типа на этих поверхностях значительно превышает концентрацию примеси n-типа в N базовом слое. Поэтому наличие в диэлектрическом слое, покрывающем охранные кольца, даже значительной концентрации положительно заряженных ионов приводит лишь к слабому обеднению поверхностного слоя дырками, т.е. не к уменьшению, а даже к некоторому увеличению напряжения пробоя кольца. Поэтому нет необходимости использования металлических обкладок для таких охранных колец, что упрощает конструкцию устройства, а также уменьшает площадь, не участвующую в проведении силового тока, которую занимает система охранных колец в прототипе, т.к. при отсутствии упомянутых обкладок канавки могут располагаться на более близких расстояниях друг от друга.
Для того чтобы избежать пробоя по поверхности, количество кольцевых канавок (т.е. суммарная ширина) и ширина каждой канавки должны быть выбраны так, чтобы суммарное напряжение пробоя системы охранных колец было больше, чем напряжение пробоя плоского p'-N перехода в объеме кремния, которое в этом случае и будет определять величину рабочего напряжения высоковольтного прибора.
кр
об
об
пр
пр
кр
S
S
S
5
15
17
-3
Авторы экспериментально определили, что напряжение пробоя отдельной кольцевой канавки с ростом ее ширины 1 возрастает нелинейно и выходит на уровень насыщения при l≈50 мкм, а минимальная ширина, воспроизводимая технологически, равна l~5 мкм, т.е. ширина канавки должна удовлетворять соотношению 5 мкм≤l≤50 мкм. Расстояние между канавками следует минимизировать до величины, определяемой технологическими возможностями процесса вытравливания канавок, с целью уменьшения площади охранной системы канавок. Эта величина обычно составляет несколько мкм. Также экспериментально было установлено, что напряженность критического поля пробоя в приповерхностном слое дна канавки Е=(0.2÷0.3)Е, где Е≈2·10 В/см - напряженность поля при пробое плоского p'-N перехода в объеме кремния [С.3и, Физика полупроводниковых приборов, т.1, с.110-111, Москва, Мир, 1984]. Суммарное напряжение пробоя всех канавок должно быть больше напряжения пробоя плоского p'-N перехода U. Поэтому суммарная ширина всех канавок L должна быть не меньше, чем U/Е, и, следовательно, количество канавок М определяется отношением M=L/l. Для работы прибора с охранными кольцами в виде кольцевых канавок необходимо, чтобы граница области объемного заряда (ООЗ) в p'-слое достигла дна всех кольцевых канавок при напряжении, меньшем напряжения пробоя планарного p'-N перехода. Поэтому глубина канавки h должна быть больше расстояния а от поверхности p'-слоя до границы расширения ООЗ в p'-слое при этом напряжении. Выполнение неравенства a<h<b является принципиально необходимым, поскольку при h<а область объемного заряда в p'-слое не доходит до днища канавок, и тогда предельное блокируемое напряжение равно напряжению пробоя p'-N перехода на кольцевом периметре, а при h>b днища канавок располагаются в N слое, и охранные канавки становятся кольцевыми охранными p'-N переходами со всеми недостатками прототипа. Положение границы определяется расчетным путем при заданных значениях поверхностной концентрации N и распределения примеси в р'-слое, а также глубины p'-N перехода b, т.е. толщины p' слоя. Обычно используемые значения N лежат в пределах 5·10≤N≤5·10 см, глубина p'-N перехода - в пределах 5≤b≤20 мкм, а распределение примеси подчиняется закону Гаусса. В литературе, например [Н.Lawrence, R.Warner, Bell System Techn. J., 1960, 39, 2, P.387; И.В.Грехов, И.А.Линийчук, В.Е.Челноков, В.Б.Шуман. Радиотехника и электроника, 1966, №10, с.1856-1864); V.A.K. Temple, M.S.Adier IEEE Trans. Electron Devices, ED-22, 1975] имеются результаты численного расчета ширины ООЗ для этих диапазонов параметров, поэтому положение границы ООЗ в p'-слое при заданном напряжении может быть рассчитано точно. Оно также может быть вычислено специалистом в данной области на компьютере с помощью известных программных средств.
Таким образом, показано, что признаки устройства, изложенные в формуле изобретения, позволяют создать прибор с высоким напряжением пробоя при упрощении конструкции и уменьшении площади, занимаемой защитными (охранными) кольцами.
Устройство, выполненное в виде диода, схематически изображено на чертеже, где
1 - базовый слой из кремния N-типа проводимости;
2 - диффузионный p'-слой;
3 - планарный p'-N переход;
4 - охранные кольца в виде канавок, вытравленных в p'-слое;
+
5 - стоп-слой n-типа проводимости;
6 - металлические контакты;
7 - ООЗ в p'-слое при напряжении, когда граница ООЗ достигает дна канавок;
8 - ООЗ в N-слое при напряжении, когда граница ООЗ достигает дна канавок.
2
+
По мере увеличения приложенного к p'-N переходу 3 в цепи АВ напряжения в запорном направлении (минус на p'-слое), область объемного заряда (ООЗ) расширяется от плоскости p'-N перехода 3 в p'-слой (ООЗ 7) и в N-слой (ООЗ 8). Одновременно расширяется ООЗ по всему периметру выхода p'-N перехода на поверхность пластины кремния 1. Пока напряженность поля в области максимальной напряженности поля С на периметре p'-N перехода 3 меньше критической, обратный ток утечки определяется только термогенерацией свободных носителей в ООЗ и обычно не превышает десятков микроампер на 1 см площади p'-N перехода. Поэтому тангенциальный ток, протекающий по p'-слою к контакту А, не создает существенного падения напряжения на этом слое, ширина ООЗ 7 в нем практически одинакова по всей площади, и граница ООЗ в p'-слое достигает одновременно дна всех кольцевых канавок. При дальнейшем увеличении напряжения поле планарного p'-N перехода 3 в области максимальной напряженности С достигает критической величины, и там начинается ударная ионизация. Образующиеся электроны дрейфуют через ООЗ 8 к n-слою 5 и далее уходят в контакт В, а дырки дрейфуют через ООЗ 7 p'-слоя к верхнему контакту А параллельно плоскости p'-N перехода. При дальнейшем повышении напряжения ток ударной ионизации ограничивается областью объемного заряда p'-слоя и возрастает незначительно, а прирост блокирующего напряжения равномерно распределяется между кольцевыми канавками.
кр
Напряжение, при котором напряженность поля на кольцевом периметре планарного p'-N перехода достигает критической величины Е для лавинного пробоя, значительно меньше напряжения пробоя плоского p'-N перехода из-за большой кривизны p'-слоя на этом периметре, причем снижение напряжения тем больше, чем меньше толщина p'-слоя. Однако при снижении приложенного напряжения уменьшается ширина OO3 в p'-слое, что приводит к необходимости прецизионного контроля глубины травления канавок для того, чтобы граница OO3 достигала дна всех канавок одновременно. Это усложняет технологию. Для устранения этого можно сделать по меньшей мере одно дополнительное охранное кольцо в виде кольцевого p'-N перехода, расположенного по периметру выхода планарного p'-N перехода на поверхность.
Работа устройства.
Предлагаемая конструкция с охранными кольцами в виде канавок может быть использована для защиты от пробоя по поверхности планарных высоковольтных p'-N переходов во всех типах диодных, транзисторных и тиристорных структур. Работают такие устройства следующим образом. К p'-N переходу (между контактами А и В) прикладывается нарастающий импульс блокируемого напряжения (минус на p'-слое), по всей площади p'-N перехода формируется обедненная свободными носителями область, расширяющаяся одновременно в слаболегированный N-слой и сильнолегированный планарный p'-слой с вытравленными в нем у периметра кольцевыми канавками. Граница обедненной области достигает днища всех канавок при напряжении, меньшем, чем напряжение пробоя планарного p'-N перехода по периметру. При дальнейшем подъеме напряжения происходит пробой по периметру, после чего напряжение на нем не возрастает, а весь дальнейший прирост напряжения распределяется между кольцевыми канавками. Предельная величина блокируемого напряжения определяется величиной пробивного напряжения в объеме плоской части p'-N перехода под контактом к p'-слою внутри первого внутреннего охранного кольца.
Пример.
S
d
пр
1
1
1
1
кр
об
пр
16
-3
13
-3
-3
-3
-3
-4
-4
4
Согласно формуле предлагаемого изобретения был изготовлен высоковольтный планарный p'-n диод, показанный на чертеже. Планарный p'-N переход был изготовлен диффузией бора с поверхностной концентрацией N=1·10 см в пластину кремния с концентрацией донорной примеси (фосфор) N=1·10 см на глубину b=1·10 см. Расчетное напряжение U пробоя в объеме равно 2 кВ, а напряжение пробоя по кольцевому периметру p'-N перехода равно 400 В. Поэтому глубина h травления охранных колец (канавок) была выбрана такой, чтобы при обратном напряжении 400 В граница расширяющейся ООЗ в p'-слое достигала дна канавок. Суммарная ширина d ООЗ при этом напряжении, определенная из графиков, взятых из [H.Lawrence, R.Warner, Bell System Techn. J., 1960, 39, 2, P.387], была d=5·10 см. Из зависимостей величины отношения ширины d ООЗ в p'-слое к суммарной ширине d ООЗ от приложенного напряжения, приведенных в этой же статье, при вышеупомянутых параметрах p'-N перехода получаем d/d=0.06, т.е. d=3·10см, и глубина h травления канавки h=b-d=7·10см. Ширина l канавки была выбрана 1=30 мкм. Напряжение пробоя такой канавки при вычисленном значении Е=0.25 Е=5·10 В/см равно 150 В, и, таким образом, для блокировки напряжения U=2 кВ необходимо 13 канавок. При расстоянии между канавками 5 мкм ширина L всей области охранных колец составила 450 мкм. Изготовленный прибор с такой конструкцией охранных колец имел резкий загиб обратной вольтамперной характеристики при напряжении (2±0.1) кВ, что свидетельствует об объемном характере пробоя.
По оценке авторов ширина области охранных колец, изготовленных, согласно прототипу, в виде кольцевых p'-N переходов с металлическими обкладками на них и рассчитанных на блокируемое напряжение ~2 кВ, составляет около 950 мкм. Такое увеличение ширины этой области, приводящее к увеличению потери рабочей площади, связано с необходимостью использования металлических обкладок, увеличивающих ширину кольца примерно вдвое по сравнению с предлагаемым техническим решением. При этом выполнение этих обкладок приводит к усложнению устройства.
Таким образом, предлагаемое устройство имеет более простую конструкцию и меньшую площадь и, следовательно, является более дешевым.