СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ВЫСОКОВОЛЬТНОГО КАРБИДОКРЕМНИЕВОГО ДИОДА НА ОСНОВЕ ИОННО-ЛЕГИРОВАННЫХ P-N-СТРУКТУР
METHOD TO MAKE HIGH VOLTAGE SILICON-CARBIDE DIODE BASED ON ION-DOPED P-N-STRUCTURES

Изобретение относится к твердотельной электронике и, в частности, к технологии изготовления высоковольтных карбидокремниевых полупроводниковых приборов на основе p-n-перехода с использованием ионной имплантации.
Наиболее важными технологическими операциями при изготовлении карбидокремниевых приборов являются процессы формирования р-n-переходов и качественных омических контактов. Чрезвычайно высокие температуры (более 2000°С) сильно затрудняют технологический процесс создания p-n-перехода в SiC методом диффузии. Метод химического осаждения из газовой фазы, часто используемый для формирования р-n-перехода на основе SiC, предъявляет высокие требования к чистоте теплоизоляции, газам-носителям, материалу держателей подложки, что значительно увеличивает стоимость готовой продукции. В связи с этим особое значение имеют работы по созданию биполярных карбидокремниевых приборов методом ионной имплантации, который позволяет прецизионно управлять концентрацией вводимой примеси и обладает локальностью воздействия.
Например, известны способы изготовления интегрированного диода Шоттки на основе карбида кремния (RU 2395868 C1, US 6573128, RU 2390880 С1), ориентированные на увеличение напряжения пробоя путем создания дополнительных ионно-легированных охранных колец. Отличие таких приборов от предлагаемого заключается в использовании контакта Шоттки и плавающих охранных колец. Недостатком диода Шоттки является процесс необратимого пробоя при кратковременном превышении максимального обратного напряжения и большая температурная зависимость вольт-амперных характеристик. Преимущество предлагаемого способа состоит в том, что увеличение пробивного напряжения достигается не за счет формирования дополнительных охранных колец и, как следствие, усложнения конструкции и технологии прибора, а за счет создания близкой к максимальной ширине области пространственного заряда p-n-перехода w~10 мкм путем выбора соответствующих режимов имплантации (дозы и энергии) при отсутствии инверсии носителей заряда в приповерхностном p-слое.
Известен метод изготовления силовых приборов на основе карбида кремния имплантацией и последующей диффузией (US 6107142(A) или JP 2002518828). В данном методе полупроводниковые приборы формируются путем имплантации акцепторной примеси через маску донорных областей. Данный метод ориентирован на создание полевых транзисторов. Затем через те же окна в маске вводят донорную примесь на меньшую глубину. Технология позволяет ограничить процесс последующей активации примеси исключительно в латеральном направлении. Основное отличие предлагаемого метода заключается в том, что активации легирующей примеси может распространяться во всех направлениях. Недостатком описанного способа является необходимость проведения имплантации как донорной, так и акцепторной примесей.
В работах US 6429041 (В1) и US 6653659 (В2) описаны методы создания карбидокремниевых устройств с инверсными каналами без необходимости легирования p-типа. Методы включают формирование эпитаксиального слоя карбида кремния p-типа на подложке из карбида кремния n+-типа. В эпитаксиальном слое SiC p-типа формируется сквозной канал n-типа. Рядом с каналом формируются карманы SiC n-типа, не касающиеся области карбида кремния n+-типа и канала. Затворный контакт наносится на подзатворный диэлектрик. Второй контакт наносится на подложку. Недостатком таких устройств является необходимость в структурах, содержащих достаточно большое количество эпитаксиальных слоев, включая слой p-типа проводимости, что значительно удорожает стоимость такой продукции.
В работе RU 2403646 С1 описано техническое усовершенствование метода легирования. Способ включает создание плазмы внутри рабочей камеры и подачу импульсного ускоряющего напряжения. Имплантацию проводят из импульсной лазерной плазмы, содержащей многозарядные ионы. Импульсное ускоряющее напряжение подают либо на подложку, либо на мишень, при этом задержку между лазерным импульсом и импульсом ускоряющего напряжения определяют по расчетной формуле, связывающей расстояние от мишени до подложки, скорость центра масс компоненты с максимальным зарядом, температуру ионной компоненты с максимальным зарядом, массой и постоянной Больцмана. Изобретение обеспечивает увеличение круга имплантируемых веществ, а также осуществление селективной имплантации многозарядных ионов. Недостатком метода является достаточно сложная система для проведения ионной имплантации, включающая себя создание плазмы внутри рабочей камеры.
В работе US 6507046 (В2) описан способ изготовления полупроводниковых структур с высоким напряжением пробоя на основе эпитаксиальных слоев, нанесенных на подложку из высокоомного монокристаллического карбида кремния, включающего компенсирующую примесь (V). Примесь образует энергетические уровни, далеко отстоящие от границ запрещенной зоны карбида кремния. При этом уровни примеси находятся достаточно далеко и от середины запрещенной зоны, что позволяет получить больший разрыв зон на границе эпитаксиальная пленка-подложка. Монокристалл SiC имеет, таким образом, удельное сопротивление 5000 Ом/см при комнатной температуре (298 К). Недостатком метода является то обстоятельство, что ванадий является амфотерной примесью в карбиде кремния, то есть приводит к образованию как донорных, так и акцепторных примесей [А.А. Лебедев. Центры с глубокими уровнями в карбиде кремния // Физика и техника полупроводников. - 1999. - Т. 33. - Вып.2. - С.129 - 155]. Поэтому контролировать процесс создания качественных р-n-переходов с использованием ванадия весьма затруднительно.
Ближайшим к заявленному техническим решением является способ получения высоковольтного диода на основе 6Н карбида кремния (RU 2340041 С1). Сущность изобретения состоит в формировании высоковольтного диода методом имплантации акцепторной и донорной (для создания низкоомного контакта) примесей в слаболегированные пластины карбида кремния n-типа проводимости. Недостатком метода является возможность образования инверсионного слоя на поверхности р-типа, который увеличит напряжение отпирания изготавливаемого диода и, как следствие, рассеиваемую им мощность. Предлагаемый способ формирования высоковольтного карбидокремниевого диода на основе ионно-легированных p-n-структур позволяет увеличить напряжение пробоя, не создавая при этом инверсию носителей заряда на поверхности подложки. Этот результат позволит уменьшить рассеваемую мощность прибора по сравнению с рассматриваемым аналогом.
Основной задачей, на решение которой направлен заявленный способ, является увеличение напряжения пробоя карбидокремниевых диодов до величины ~ 1200 В.
Технический результат, достигаемый при реализации заявленного изобретения, заключается в получении высоковольтного карбидокремниевого диода на основе ионно-легированных p-n-структур с напряжения пробоя ~ 1200 В.
Указанный технический результат достигается нанесением методом химического осаждения из газовой фазы на сильнолегированную подложку
18
19
-3
15
16
-3
2
6H-SiC (концентрация донорной примеси 10÷10 см) слаболегированного эпитаксиального слоя (концентрация донорной примеси 5·10÷5·10 см) толщиной 10÷15 мкм ионным легированием этого слоя акцепторной примесью А1 или В через маску для создания p-области, последующей кратковременной высокотемпературной обработкой и нанесением омических контактов к p- и n-областям. Ионное легирование акцепторной примесью производят с энергией 80÷100 кэВ и дозой 5000÷7000 мкКл/см, что позволяет максимально увеличить ширину области пространственного заряда p-n-перехода (w ~ 10 мкм), при которой в приповерхностном p-слое не возникает инверсии носителей заряда, при этом достигается величина напряжения пробоя p-n-перехода ~ 1200 В.
D2
15
16
-3
При увеличении энергии имплантации Е>100 кэВ концентрация внедряемой примеси p-типа на поверхности подложки станет меньше концентрации примеси в эпитаксиальном n-слое N ~ 5·10÷5·10 см, то есть образуется инверсионный слой, приводящий к дополнительному барьеру в диодной структуре. Этот барьер приведет к увеличению напряжения отпирания диода и, соответственно, рассеивающей мощности на нем. При меньших энергиях имплантации Е<80 кэВ пик концентрации внедренной примеси будет смещаться к поверхности подложки, уменьшая тем самым глубину залегания p-n-перехода. Это обстоятельство приведет к снижению пробивного напряжения диода.
2
15
16
-3
2
D2
Меньшие дозы имплантации D<5000 мкКл/см не позволят перекомпенсировать концентрацию донорной примеси эпитаксиального слоя N~5·10÷5·10 см, то есть создать p+-слой. Увеличение дозы имплантации D>7000 мкКл/см нецелесообразно вследствие увеличения количества радиационных дефектов, вносимых внедряемой примесью, которые способствуют возникновению пробоя по радиационным дефектам.
Ниже приведен пример конкретной реализации способа.
Схема высоковольтного карбидокремниевого диода на основе ионно-легированных p-n-структур представлена на Фиг.1. Здесь: 1 - омический контакт к p-области, 2 - омический контакт к n-области, 3 - ионно-легированный p-слой, 4 - эпитаксиальный n-слой, 5 - сильнолегированная подложка n-типа.
18
-3
16
-3
2
Такая структура получена нанесением методом химического осаждения из газовой фазы на сильнолегированную подложку 6H-SiC с концентрацией донорной примеси 2·10 смслаболегированного эпитаксиального слоя с концентрацией донорной примеси 2·10 см толщиной ~ 10 мкм, ионным легированием этого слоя акцепторной примесью бора В через маску для создания p-области с энергией 80 кэВ и дозой 5000 мкКл/см, последующей кратковременной высокотемпературной обработкой при температуре 1750°С в течение 25 секунд при избыточном давлении аргона 1,5 атм и нанесением омических контактов на основе соединений Al/Ti и Ni/Ti к p- и n-областям соответственно.
Таким образом, напряжение пробоя высоковольтного карбидокрениевого диода на основе ионно-легированных p-n-структур было повышено до 1200 В.