ТЕСТОВЫЙ ЭЛЕМЕНТ ДЛЯ КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ИЗГОТОВЛЕНИЯ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ КАРБИДОКРЕМНИЕВЫХ ДИОДОВ ШОТТКИ

Областью применения предполагаемой полезной модели является микроэлектроника, а именно может быть использовано для контроля качества при производстве полупроводниковых приборов на основе карбида кремния.
Известен тестовый элемент для контроля качества изготовления диодов Шоттки, состоящий из диода Шоттки, сформированного на эпитаксиальной структуре одного типа проводимости (см., например, статью Г.О. Тимофеева «Формирование тестовых ячеек для контроля арсенид-галлиевых микроструктур на пластине» из журнала «Вестник новгородского государственного университета» №75, 2013 г., стр. 39-43).
Основным недостатком этого тестового элемента является то, что токи утечки диода Шоттки завышены из-за повешенной напряженности поля на границе края металлизации контакта Шоттки и полупроводника.
Указанный недостаток устранен в высоковольтном карбидокремниевом диоде Шоттки, состоящем из сформированных на эпитаксиальной структуре одного типа проводимости, планарного рабочего перехода и делительных колец другого типа проводимости (см., например, статью П.А. Иванова «Высоковольтные (1800 В) планарные p-n-переходы на основе 4H-SiC с плавающими охранными кольцами» из журнала «Физика и техника полупроводников» том 43, вып. 4, 2009 г., стр. 527-520).
Данная конструкция взята за прототип предлагаемой полезной модели. Оценку качества изготовления диодов Шоттки проводят на тестовом элементе, в качестве которого берут рабочий диод.
Так как основной технологией получения планарных р-n переходов на карбиде кремния является имплантация примесей, и глубина залегания переходов составляет обычно 0,5-1,5 мкм, то напряжение пробоя планарного перехода определяется концентрацией примеси в эпитаксиальном слое, толщиной эпитаксиального слоя и радиусом скругления переходов, определяемых их глубиной залегания. Напряжение пробоя планарных переходов в 3-5 раз меньше, чем напряжение пробоя плоского перехода.
Для повышения напряжения пробоя планарного перехода на карбиде кремния применяют систему делительных колец, которая повышает радиус скругления планарного перехода при подаче обратного напряжения.
Зазоры между основным переходом и первым кольцом, а также между кольцами выбирают одинаковыми и подбираются таким образом, чтобы область пространственного заряда (ОПЗ) основного и делительных переходов последовательно смыкалась по мере увеличения напряжения на аноде диода. Для полупроводниковых приборов на карбиде кремния зазоры между делительными кольцами выбирают одинаковыми от 0,5 до 5 мкм. Если в качестве легирующей примеси используется алюминий, то ширина зазора составляет от 0,5-1 мкм, если легирующей примесью является бор, то значение зазора лежит в диапазоне от 2 до 5 мкм, в зависимости от концентрации примеси. На карбиде кремния ширина обедненной области составляет 6-7 мкм при напряжении 600В и 15-16 мкм при напряжении 1700В.
2
Из-за разброса параметров режимов отжига, концентрации примеси в эпитаксиальном слое и технологических погрешностей фотолитографий, фактические значения напряжений пробоя могут быть меньше расчетных, т.к. области пространственного заряда делительных колец могут не смыкаться на расчетных напряжениях, так, например при температуре -60°С, пробивное напряжение может понизиться на 300-400В, из-за того, что ОПЗ нескольких колец не сомкнулась. ОПЗ может также смыкаться при напряжениях меньше расчетного из-за заряженных ионов группы ОН в защитном слое термически выращенного оксида кремния (SiO).
При наличии заряда в оксиде кремния также увеличиваются обратные токи, и сложно определить, какова причина повышения обратных токов, чтобы принять оперативные меры по устранению причины.
Эти отклонения в параметрах пробивного напряжения можно обнаружить только в конце процесса изготовления диода после формирования контакта Шоттки.
Также возможны отказы приборов из-за пробоя в области делительных колец при быстром нарастании обратного смещения (больше 20 В/нс) (эффект dU/dt), вызванные как раз «обрывом» ОПЗ (см. статью из журнала «Силовая электроника», №2 за 2018, стр. 58-60). Пробой карбидокремниевого прибора наступает из-за резкого нарастания электрических полей за пределами металлизации в районе делительных колец.
Целью предполагаемой полезной модели является повышение оперативности контроля и его качества при изготовлении карбидокремниевых диодов Шоттки.
Указанная цель достигается тем, что тестовый элемент для контроля качества высоковольтных карбидокремниевых диодов Шоттки которые состоят из сформированных на эпитаксиальной структуре одного типа проводимости планарного рабочего перехода и делительных колец другого типа проводимости, при этом тестовый элемент выполнен в виде структуры латерального транзистора с зазором между планарным рабочим переходом (коллектором) и эмиттером, равным расстоянию между делительными кольцами тестируемого диода Шоттки.
Прикладывая напряжение между планарным рабочим переходом (коллектором) и эмиттером, можно определить потенциал смыкания кольца сразу после формирования делительных колец еще до формирования контакта Шоттки. Исходя из значения потенциала кольца, можно сделать выводы о правильности выбора зазора и режима отжига, что повышает оперативность контроля.
Таким образом, если напряжение смыкания велико (более 150 В) можно разогнать примесь путем импульсного отжига, так как при высокотемпературном отжиге примесь распространяется не только вглубь, но и в боковые стороны.Если напряжение смыкания мало (менее 70 В), можно отбраковать приборы, до формирования контакта Шоттки и последующих технологических операций, что уменьшает издержки при производстве этого прибора.
Качество изготовления диода Шоттки обеспечивается смыканием всех делительных колец на максимальном рабочем напряжении, что исключает отказ диодов из-за эффекта dU/dt.
Сущность полезной модели поясняется фигурами. На фиг. 1 приведен вид сверху тестового элемента, на фиг. 2 - структура тестового элемента в разрезе, где:
1 - подложка n+-типа;
2 - эпитаксиальный слой n-типа;
3 - планарный рабочий переход р-типа (коллектор);
4 - эмиттер р-типа;
2
5 - слой оксида кремния SiO;
6 - контактные окна;
d - зазор между эмиттером и коллектором.
15
-3
15
-2
15
-2
2
Предлагаемый тестовый элемент имеет следующую конструкцию: на карбидокремниевой подложке n+-типа проводимости 1 политипа 4Н формируют эпитаксиальный слой n--типа 2 толщиной 13 мкм с концентрацией примеси 5⋅10 см. Для повышения напряжения пробоя двухстадийной имплантацией ионами бора с дозами 3⋅10 см и 6⋅10 см с энергиями 150 КэВ и 350 КэВ соответственно на глубине ≈0,67 мкм формируют - планарный рабочий переход р-типа 3 и эмиттер р-типа 4 с последующим отжигом при температуре 1580°С. Затем формируют слой оксида кремния SiO 5 и в нем вытравливают контактные окна 6.
Пробивное напряжение диода (Uпроб) складывается из напряжения пробоя планарного рабочего перехода (Uпл.п) и напряжения смыкания (Uсмыкания), умноженного на количество эмиттеров (N):
Uпроб=Uпл.п+Uсмыкания*N.На тестовом элементе контролируют Uпл.п замеряя напряжения между подложкой 1 и планарным рабочим переходом 3 (коллетором). Далее замеряется Uсмыкания между планарным рабочим переходом р-типа (коллектором) 3 и эмиттером р-типа 4. При увеличении обратного тока более 10 мкА происходит смыкание ОПЗ эмиттера и коллектора.
В таблице 1 приведены результаты измерений трех тестовых элементов и диодов Шоттки и с различными зазорами d, изготовленных на одинаковых эпитаксиальных структурах с одинаковыми технологическими режимами.
При проверке пробивного напряжения обратно смещенного перехода диода использовался высоковольтный генератор напряжения с регулируемым фронтом нарастания напряжения в пределах 5-200 В/нс.
Таким образом экспериментально подтверждено, что при оптимальном зазоре d, равном расстоянию между эмиттерами данного рабочего диода Шоттки (2,5 мкм), Uпроб совпадает с расчетным 900+130*5=1550 В. При большем зазоре d между эмиттерами (5 мкм) напряжение смыкания одного эмиттера составляет 300 В, но при t=-60°С подключился лишь один эмиттер 1200-900=300 В также возможен пробой при быстром нарастании обратного смещения. При меньшем зазоре подключаются все эмиттеры в диапазоне температур 900+50*5=1150 В, но пробивное напряжение диода значительно меньше предельно возможного.