ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ПРИБОР

Полезная модель относится к области мощных высоковольтных полупроводниковых приборов, конкретно - к конструкции выпрямительных полупроводниковых приборов на основе карбида кремния, и может быть использована для создания элементной базы преобразовательных устройств.
Известен полупроводниковый прибор на основе карбида кремния, состоящий из планарного рабочего перехода p-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). Охранная система данного полупроводникового прибора использует слаболегированное кольцо p-типа проводимости на периферии Шоттки-контакта, которое полностью обедняется при напряжении, несколько меньшем напряжения пробоя. Эта охранная система называется JTE-кольцо (Junction Termination Extension). JTE-кольца формируют, как правило, с помощью ионной имплантации алюминия при повышенной температуре 500 градусов Цельсия и выше. Однако эта конструкция является сложной технологически из-за необходимости проведения двух операций ионной имплантации и требует высокой воспроизводимости дозы легирования.
Указанный недостаток устранен в конструкции планарного полупроводникового прибора на основе карбида кремния, состоящего из планарного рабочего перехода p-типа проводимости, сформированного в эпитаксиальном n-слое и охранной системы на основе делительных колец, покрытой слоем оксида кремния (патент России RU2390880, кл. Н01L 29/872 опубликовано: 27.05.2010). Данная конструкция взята за прототип предлагаемой полезной модели.
15
-3
Сильнолегированная подложка из карбида кремния n-типа и эпитаксиальный слой из карбида кремния n-типа толщиной 10-13 мкм с концентрацией примеси (1-2)* 10 см, расположенный на ее верхней стороне. В эпитаксиальном слое созданы планарные p-n переходы с легированными бором p-областями с одинаковой глубиной залегания, часть которых расположена под никелевым Шоттки контактом, а остальные выполнены в виде покрытой слоем оксида кремния охранной структуры.
0
Планарные переходы в карбиде кремния формируются путем имплантации ионов примеси с высокой энергией (0,5-1 МэВ). Для достижения максимальной электрической активации и диффузии внедрённой примеси, а также восстановления кристаллической структуры проводят высокотемпературный отжиг при температуре 1500-1800 С. В случае применения в качестве примеси бора, его диффузия происходит одновременно по двум механизмам. По первому механизму коэффициент диффузии бора большой, а растворимость примеси мала. По второму механизму коэффициент диффузии мал, растворимость примеси большая.
Охранная структура состоит из основного p-n перехода и делительных колец. Слаболегированные кольца p-типа проводимости на периферии Шоттки контакта, которые полностью обедняются при напряжении, несколько меньшем напряжения пробоя плоскопараллельного перехода. Зазоры между основным переходом и первым кольцом, а также между кольцами подбираются таким образом, чтобы области пространственного заряда (ОПЗ) основного и кольцевых переходов смыкались по мере увеличения напряжения на аноде. Однако, в некоторых случаях из-за боковой поверхностной диффузии кольца начинают смыкаться при напряжениях меньших, чем расчётное, что неконтролируемо снижает пробивное напряжение полупроводникового прибора.
2
Поверхность эпитаксиального слоя должна быть защищена диэлектрическим покрытием. Обычно этим покрытием служит термически выращенный оксид кремния (SiO). Это покрытие всегда содержит некоторое
количество подвижных отрицательно заряженных ионов группы ОН. Отрицательный заряд этих ионов отталкивает от поверхности n-слоя свободные электроны, приводя к обеднению приповерхностного слоя и смыканию ОПЗ колец, что уменьшает пробивное напряжение и делает его нестабильным. Для устранения смыкания ОПЗ колец под действием заряда возможно увеличение расстояния между кольцами, но при отсутствии подвижного заряда в оксиде, даже при приложении значительного напряжения, ОПЗ колец может не сомкнуться, что также уменьшает напряжение пробоя полупроводникового прибора.
Целью данной полезной модели является повышение стабильности пробивного напряжения полупроводникового прибора и устранение влияния носителей заряда в оксиде на характеристики полупроводникового прибора.
Указанная цель достигается тем, что в полупроводниковом приборе на основе карбида кремния, состоящего из планарного рабочего перехода p-типа проводимости, сформированного в эпитаксиальном n-слое и охранной системы на основе делительных колец, покрытой слоем оксида кремния, делительные кольца охранной системы сформированы в углублениях на поверхности карбида кремния глубиной 0,2-0,4 мкм.
В предлагаемой конструкции с углублениями при отжиге имплантированной примеси идёт диффузия примесей от дна углубления к поверхности полупроводника, при этом на поверхности ширина кольца и концентрация примеси уменьшается, что исключает смыкание колец за счёт боковой поверхностной диффузии.
Наличие в оксиде, покрывающем охранные кольца, даже значительной концентрации отрицательно заряженных ионов приводит лишь к слабому обеднению поверхностного слоя, так как на поверхности ширина кольца значительно меньше, чем у структуры без углублений. При незначительном обеднении приповерхностного слоя ОПЗ делительных колец не сомкнется под влиянием заряда в оксиде. Таким образом, осуществляется стабилизация напряжения пробоя полупроводникового прибора.
Углубления и фигуры совмещения изготовляются в одной технологической операции, что упрощает процесс изготовления полупроводникового прибора.
Минимальная глубина 0,2 мкм обусловлена тем, что при меньших глубинах ширина делительного кольца на поверхности незначительно отличается от ширины кольца на структуре без углублений, также сложно провести совмещение последующих слоев из-за малого контраста границ углублений. При глубине больше 0,4 мкм, необходимо увеличивать толщину эпитаксиального слоя, что увеличивает прямое падение напряжения, кроме того возможен обрыв металлизации на ступеньках углублений.
2
На фигурах 1-3 схематически приведены основные технологические операции изготовления полупроводникового прибора по предложенной полезной модели. На фигуре 4 схематически изображено предлагаемое техническое решение на примере SiС диода Шоттки фиг.4, где: 1 - подложка; 2- эпитаксиальный слой; 5 - углубление; 7 - делительные кольца; 8 - защитный слой SiO; 9 - контакт Шоттки; 10 - основной переход.
-3
0
0
6
2
Для формирования углублений и последующей ионной имплантации на эпитаксиальный слой 2 с концентрацией доноров 4*10 см и толщиной 13 мкм наносят слой поликристаллического кремния 4 и слой фоторезиста 3 являющийся маской для травления (см. фиг.1). При травление углублений 5 в индуктивно-связанной плазме соединениями фтора (SF) используется маска из поликристаллического кремния 4 толщиной 2,5 мкм (см.фиг.2). В вытравленные углубления 5 проводят ионную имплантацию ионами бора энергией 450 КэВ в результате чего формируется ионноимплактированная область 6 (см.фиг.3). После отжига при температуре 1600 С, а далее формируется слой SiO 8, при температуре 1100 С.
Устройство работает следующим образом. При приложении прямого напряжения электроны из контакта Шоттки 9 преодолевая потенциальный барьер между контактом Шоттки и карбидом кремния, перемещаются через
эпитаксиальный слой 2 и подложку 1. При приложении обратного напряжения основной переход 10 уменьшает напряженность поля на краю контакта Шоттки 9 за счет увеличения радиуса его кривизны на краю металлического контакта. При повышении уровня обратного напряжения обеденная область основного перехода 10 смыкается с обеднённой областью первого кольца, затем с обеднённой областью второго кольца и т.д. В результате чего радиус скругления ОПЗ в области колец увеличивается, повышая максимальное блокируемое обратное напряжение.
Ниже приведены результаты измерений диодов Шоттки изготовленных на одинаковых эпитаксиальных структурах. В образцах 1 и 2 делительные кольца сформированы на поверхности. В образцах 3 и 4 делительные кольца сформированы в углублениях.
№
Сдвиг вольт-фараднойхарактеристики, В
Напряжение пробоя, В
1
+0,05
1540
2
+1,0
920
3
+0,05
1580
4
+1,0
1530
6
-1
Наличие подвижного заряда в оксиде кремния определяется сдвигом вольт-фарадной характеристики при термополевых испытаниях. Если сдвиг воль-фарадной характеристики меньше 0,1В, при напряженности электрического поля 2*10 В* см, то это указывает на отсутствие подвижного заряда в оксиде, если сдвиг больше и значение сдвига положительное, то это говорит о наличии отрицательного подвижного заряда.
Таким образом, экспериментально подтверждено, что у структур с углублениями напряжение пробоя стабильнее, по сравнению со структурами без углублений.
Следует отметить, что при формировании p-n переходов на карбиде кремния из-за его химической инертности, нельзя сформировать рельеф, поэтому дополнительной технологической операцией формируют фигуры совмещения. Так как в предлагаемом полупроводниковом приборе вытравливаются углубления, то их можно использовать в качестве фигур совмещения, что уменьшает издержки при производстве этого прибора.