ПЕРИФЕРИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ПРИБОРА, НЕЙТРАЛИЗУЮЩАЯ ВЛИЯНИЕ ЗАРЯДОВ НА СТАБИЛЬНОСТЬ ОБРАТНЫХ УТЕЧЕК И ПРОБИВНОГО НАПРЯЖЕНИЯ
SEMICONDUCTOR DEVICE PERIPHERY, NEUTRALISING EFFECT OF CHARGE ON STABILITY OF RETURN LEAKAGE AND BREAKDOWN VOLTAGE

Изобретение относится к области силовых полупроводниковых приборов, в частности к высоковольтным полупроводниковым приборам, имеющим один или несколько P-N-переходов (диод, биполярный транзистор, ДМОП-транзистор, БТИЗ, тиристор и т.п.), один из которых окружает его в форме кольца любой скругленной формы по периферии и выходит на поверхность.
При приложении обратного напряжения периферийный P-N-переход подвергается воздействию полей всех зарядов, как поверхностных, так и во всех диэлектрических слоях над ним. Под действием стационарных зарядов в полупроводнике и в диэлектрике на границе их раздела происходит изменение постоянных значений как тока утечки, так и пробивного напряжения P-N-перехода на поверхности, а при воздействии подвижных зарядов ионных загрязнений происходит изменение во времени как величины тока утечки, так и пробивного напряжения P-N-перехода.
Известно изобретение, в котором для борьбы со стационарными зарядами на границе раздела полупроводник-диэлектрик для повышения пробивного напряжения используются кольцевые периферийные структуры, или спиральные периферийные структуры, резистивного типа, или с диодами Зенера. Патент US 5382825 от 17.06.1995, MHK H01L 27/04.
Основной его недостаток заключается в том, что он служит только для повышения пробивного напряжения, но не для борьбы с воздействием ионных загрязнений на стабильность пробивных напряжений и тока утечки P-N-перехода.
Известно изобретение, в котором для борьбы с воздействием ионных загрязнений на стабильность пробивных напряжений и тока утечки P-N-перехода используются диэлектрические или высокоомные сплошные или неоднородные пленки. Патент US 3890698 от 24.06.1975, МПК H01L 29/00. Данный патент взят за прототип.
Основной его недостаток заключается в том, что оно или само требует очень чистых диэлектрических пленок, требующих мер по защите от ионных загрязнений, или очень высокоомных трудновоспроизводимых пленок, также требующих защиты от ионных загрязнений.
Целью заявленного изобретения является максимальное снижение влияния зарядов, вплоть до нейтрализации зарядов всех видов, на стабильность обратных утечек и пробивного напряжения.
Технический результат достигается тем, что полупроводниковый прибор, имеющий периферийный P-N-переход кольцевого типа, покрыт диэлектрической пленкой и над диэлектрической пленкой окружен спиральной токопроводящей пленкой с диодами Зенера. Концы спирали подсоединены к Р- и N-областям P-N-перехода на поверхности полупроводникового прибора. Периферия полупроводникового прибора, содержащая периферийный P-N-переход кольцевого типа, покрытый диэлектрической пленкой и окруженный над диэлектрической пленкой спиральной токопроводящей пленкой с диодами Зенера, у которой концы спирали подсоединены к Р- и N-областям перехода на поверхности полупроводникового прибора, отличается тем, что с целью нейтрализации влияния зарядов на стабильность обратных утечек и пробивного напряжения спираль токопроводящей пленки с диодами Зенера имеет расстояние между витками, выбранное из условия непроницаемости:
0,5Т>w>К×Uw/Екр.д.,
где Т - шаг спирали,
w - расстояние между витками спирали,
Uw - напряжение между соседними витками спирали,
Екр.д. - критическая напряженность поля в диэлектрике между витками спирали перед пробоем,
К - коэффициент запаса по пробивному напряжению диэлектрика между витками спирали.
Спираль токопроводящей пленки с диодами Зенера содержит количество витков из условия плавности поля под спиралью:
n=Uпp/Uw,
где n - количество витков спирали,
Uпp - пробивное напряжение P-N-перехода полупроводникового прибора,
Uw - напряжение между соседними витками в радиальном направлении.
Спираль токопроводящей пленки с диодами Зенера содержит витки с шагом, который выбирается из условия максимального пробивного напряжения P-N-перехода под спиралью:
р/N
Т≥k×Uпp/(n×Екр.),
р/N
где Екр. - критическая напряженность поля в P-N-переходе перед пробоем,
k - коэффициент запаса по пробивному напряжению на поверхности кремния,
Т-шаг спирали,
Uпp - пробивное напряжение P-N-перехода полупроводникового прибора,
n - количество витков спирали.
Спираль токопроводящей пленки с диодами Зенера содержит количество пар встречно включенных диодов Зенера, которое выбирается из условия оптимального тока утечки спирали:
m≥Uпр/Uпр.дз,
где m - количество пар встречно включенных диодов Зенера,
Uпр - пробивное напряжение P-N-перехода полупроводникового прибора,
Uпр.дз - пробивное напряжение одной пары диодов Зенера.
Спираль токопроводящей пленки с диодами Зенера содержит диоды Зенера, распределенные равномерно по длине спирали или с уменьшением их количества в сторону P-N-перехода.
Спираль токопроводящей пленки с диодами Зенера имеет поверхностное сопротивление как Р-, так и N-областей диодов Зенера, которое выбирается из условия стабильности параметров спирали:
Rs≤400 Ом/,
где Rs - поверхностное сопротивление.
Толщина спирали Н выбирается равной типовому значению для затворного электрода.
Предлагаемая в изобретении конструкция периферии полупроводникового прибора, нейтрализующая влияние зарядов на стабильность обратных утечек и пробивного напряжения, представлена на чертеже на примере диода.
На фиг.1 а) и б) изображен диод на виде в плане а) и поперечном разрезе б), который содержит Р- (или N-) область 1 и N- (или Р-) область 2, образующие периферийный замкнутый P-N- (или N-P-) переход 3, выходящий на поверхность 4 периферии полупроводникового диода, покрытую диэлектрической пленкой 5, край кристалла 6, поликремневую спираль 7 с заданным шагом, диэлектрическую пленку 8, покрывающую спираль 7, Р- тип 9 и N- тип 10 проводимости вдоль спирали 7, которые могут чередоваться любое заданное число раз, образуя встречно включенные пары диодов Зенера. Один конец спирали 7 соединен с Р- (или N-) областью 1 периферии полупроводникового диода, а другой с N- (или Р-) областью 2 периферии полупроводникого диода невыпрямляющими контактами 11 и 12.
При выполнении заданных условий спираль 7 с диодами Зенера выполняет роль экрана, препятствующего проникновению поля зарядов внешних по отношению к спирали 7 в область периферии P-N-перехода под спиралью 7. Так как расстояние между витками спирали 7 выбрано минимальным, то напряженность поля между соседними витками максимальна и подвижные заряды, попадающие в межвитковое пространство, не могут проникнуть к P-N-переходу, а нейтрализуются спиралью 7, попадая в поле ее действия между витками, что в итоге стабилизирует токи утечки и пробивное напряжение P-N-перехода.
Стабилизация обратных утечек и пробивного напряжения происходит за счет экранирования полем спирали 7, подлежащей под спиралью 7 N- (или Р-) области от электрических полей любого происхождения, действующих над спиралью 7 как внутри, так и снаружи диэлектрической пленки 8, покрывающей спираль 7.
При подаче обратного напряжения на P-N- (или N-P-) переход 3 это же напряжение распределяется вдоль и в радиальном направлении относительно витков спирали, под которой в периферийной N- (или Р-) области 2 периферии полупроводникого прибора под действием поля спирали 7, как и в обычной длинноканальной МОП-структуре, при повышении напряжения сначала происходит обеднение, а при повышении порогового напряжения, определяемого толщиной диэлектрика под спиралью 7, инверсия типа проводимости поверхности. В результате в периферийной N- (или Р-) области 2 периферии полупроводникого прибора под спиралью 7, продвигаясь вдоль ее длины, начиная от P-N- (или N-P-) перехода 3, в соответствии с условиями плавности поля под спиралью 7, относительно плавно (в пределах между каждой парой диодов Зенера) и скачками в радиальном направлении формируется сначала область обеднения, а затем также, продвигаясь вдоль ее длины, начиная от P-N- (или N-P-) перехода 3 плавно формируется инверсионный канал, который и формирует в итоге кольцеподобную структуру на поверхности и в объеме. Свойства области канала, обедненной области под спиралью 7, а также межвитковых областей находятся в прямой зависимости только от потенциала на спирали 7, так как межвитковое расстояние выбрано из условия непроницаемости спирали 7 таким, что поля соседних витков плавно перекрываются, экранируя поверхность кремния от воздействия всех видов зарядов в окружающем спираль 7 диэлектрике. Сама спираль 7 с диодами Зенера также не подвержена воздействию зарядов в окружающем диэлектрике, так как поверхностное сопротивление ее N- и Р-областей оптимизировано, исходя из условия отсутствия воздействия зарядов в окисле, окружающем спираль 7, на параметры спирали 7.