МОП-ТРАНЗИСТОР НА ОСНОВЕ КАРБИДА КРЕМНИЯ

Полезная модель относится к области мощных высоковольтных приборов, конкретно к конструкции мощного полевого МОП-транзистора на основе карбида кремния, и может быть использована для создания элементной базы преобразовательных устройств.
Известна конструкция МОП-транзистора на основе карбида кремния, состоящего из ячеек МОП-транзистора сформированных на подложке n+-типа с эпитаксиальным слоем n-типа с легированными р- и n-типа областями /1/. Транзистор сформирован из массива гексагональных ячеек и делительных колец по периметру прибора. Кольца обеспечивают плавный градиент напряженности поля на периферии. Кольца р-типа проводимости полностью обедняются при напряжении, несколько меньшем напряжения пробоя плоскопараллельного перехода. Зазоры между кольцами подбираются таким образом, чтобы области пространственного заряда (ОПЗ) кольцевых переходов смыкались по мере увеличения напряжения, повышая стабильность пробивного напряжения полупроводникового прибора.
Одной из наиболее частых причин выхода из строя электронных устройств, включающих в себя МОП-транзисторы является превышение допустимого значения напряжения сток-исток. Так при переключении индуктивной нагрузки происходит перенапряжение, в результате которого превышается максимально допустимое напряжение сток-исток МОП-транзистора, что вызывает лавинный пробой полупроводника и разрушение транзистора.
Указанный недостаток устранен в конструкции МОП-транзистора на основе карбида кремния, состоящего из ячеек МОП-транзистора и ячеек диода Шоттки сформированных на подложке n+- типа с эпитаксиальным слоем n-типа с легированными р- и n-типа областями /2/.
Защита МОП-транзистора осуществляется включением защитного диода между стоком и истоком. Диод Шоттки интегрирован в кристалл МОП-транзистора, это улучшает частотные свойства так, как отсутствуют длинные проводники, а также снижаются затраты по сравнению с дискретными МОП-транзистором и диодом Шоттки. Диод Шоттки имеет высокое быстродействия, а, следовательно, малое время восстановления и малую емкость перехода, что позволяет повысить рабочую частоту.
Недостатком данной конструкции является значительное увеличение площади кристалла за счет зазоров между р-областями МОП-транзистора, в которых сформированы диоды Шоттки размером, достаточным для конкретного применения, а также из-за большего количества дополнительных литографий, что может снизить надежность и увеличивает стоимость изготовления.
Задачей полезной модели является уменьшение размера кристалла и повышение надежности, транзистора.
Это достигается тем, что МОП-транзистор на основе карбида кремния состоит из ячеек МОП-транзистора, ячеек диода Шоттки и делительных колец, сформированных на подложке n+- типа с эпитаксиальным слоем n-типа с легированными р- и n-типа областями, при этом диоды Шоттки сформированы в области первого делительного кольца МОП-транзистора.
Защитный диод формируется в области первого делительного кольца, поэтому не требуется дополнительная площадь кристалла для формирования контакта Шоттки. Делительное кольцо формируются одновременно с р-областями ячеек МОП-транзистора. В делительном кольце локально оставляют нелегированные участки эпитаксиального n-слоя являющиеся ячейками диода Шоттки. Металл Шоттки формируется как над р-кольцом, так и над нелегированными участками n-эпитаксиального слоя. При такой конструкции делительное кольцо повышает стабильность пробивного напряжения как МОП-транзистора, так и диода Шоттки. Также такая ячеистая структура Шоттки контакта позволяет предотвратить тепловой пробой прибора. Так, при приложении обратного напряжения носители заряда, могут стягиваться в шнуры. Плотность тока в шнурах может значительно превышать рабочую плотность, что приводит к локальному повышению температуры и выгоранию областей диода. При повышении температуры сопротивление легированных полупроводников между р областями растет до температуры вырождения. Так как сопротивление участка, где проходит шнур тока, повышается, то величина тока в шнуре уменьшается. То есть происходит отрицательная обратная связь между локальным шнурованием тока и сопротивлением участка шнурования. И таким образом значительно повышается устойчивость диода к высоким плотностям тока и высоким скоростям переключения.
На фиг. 1 приведена схематичная структура ячейки МОП-транзистора и части делительного кольца с диодом Шоттки в сечении, на фиг. 2 - вид сверху ячеек МОП-транзистора и части делительного кольца с диодом Шоттки, где:
+
1 - подложка n-типа;
2 - эпитаксиальный слой n-типа;
3 - р-область ячейки МОП-транзистора;
4 - р-область делительного кольца;
5 - ячейки n-типа диода Шоттки;
6 - n+- область ячейки МОП-транзистора;
2
7 - подзатворный диэлектрик (SiO);
8 - поликремниевый затвор;
2
9 - межслойный диэлектрик (SiO);
10 - омический контакт к истоку (Ni);
11 - контакт Шоттки к делительному кольцу (Ti).
Прибор работает следующим образом. При подаче напряжения на поликремневый затвор 8, устройство находится в состоянии проводимости, в полупроводнике под затвором образуется канал в р-области 3 электроны протекают от - n+-области 6 через проводящий канал к эпитаксиальному слою n-типа 2. В режиме запирания напряжение падает на обедненной области р-n перехода (р-область 3 и n+-область 6), при этом р-область делительного кольца 4 снижает максимум напряженности поля, стабилизируя и увеличивая значение пробивного напряжения транзистора, а ячеистая структура диода Шоттки 5 защищает ячейки МОП-транзистора от пробоя, например при «выбросах» индуктивной нагрузки.
+
15
-3
Изготовить МОП-транзистор с диодом Шоттки возможно на карбидокремниевой подложке n-типа 1 с эпитаксиальным слоем n-типа 2 с концентрацией n примеси 8*10 см. Далее зачищают поверхность ионами аргона, и проводят ионную имплантацию азота энергией 65 КэВ получая n+области 6 глубиной 0,25 мкм. Затем проводят имплантацию ионами алюминия с энергиями 500 КэВ и 200 КэВ формируя р-области 3 и 4 глубиной 0.6 мкм, при этом в р-области делительного кольца 4 оставляют нелегированные ячейки n-типа диода Шоттки. Активируют примеси высокотемпературным отжигом. Подзатворный диэлектрик 7 толщиной 40 нм сформирован сухим термических окислением поверхности карбида кремния при температуре 1100°С. Поликремниевый затвор 8 толщиной 460 нм формируют методом пиролиза моносилана при пониженном давлении и температуре 650°С. Межслойный диэлектрик 9, сформирован из оксида кремния толщиной 1,2 мкм. Омический контакт к истоку 10 сформирован напылением никеля толщиной 80 нм. Контакт Шоттки 11 формируется электронно-лучевым напылением из слоя титана толщиной 100 нм.
По сравнению с прототипом, предлагаемая конструкция МОП-транзистора на основе карбида кремния позволяет уменьшить размеры и повысить надежность прибора. Площадь кристалла меньше на 10-15% по сравнению с прототипом из отсутствия дополнительных зазоров между р-областями ячеек МОП-транзистора. Источники информации:
1. Нано- и микросистемная техника, Том 18, №5, 2016 стр. 308, - аналог.
2. Патент США №20130313570 - прототип.