ИНТЕГРИРОВАННЫЙ ШОТТКИ-pn ДИОД НА ОСНОВЕ КАРБИДА КРЕМНИЯ
INTEGRATED SCHOTTKY-pn DIODE ON BASIS OF SILICON CARBIDE

Изобретение относится к области полупроводниковых приборов, конкретно - к конструкции высоковольтных выпрямительных диодов типа диодов Шоттки на основе карбида кремния, и может быть использовано в широкой гамме электронных устройств, например в качестве быстродействующих выпрямителей в схемах импульсного преобразования напряжения для увеличения частоты коммутации, плотности мощности и повышения КПД.
Особенностью работы карбидкремниевых диодов Шоттки (ДШ) помимо большого напряжения лавинного пробоя является отсутствие токов обратного восстановления при переключении ДШ из проводящего направления в запорное, что обеспечивает чистые формы сигнала и уменьшает энергетические потери во время переходных процессов, причем практически независимо от температуры окружающей среды, величины прямого тока в открытом состоянии и скорости переключения тока.
При конструировании высоковольтных 4H-SiC ДШ необходимо предпринимать специальные меры для устранения преждевременного краевого пробоя и для подавления объемных токов утечки, возникающих при больших величинах электрического поля на границе раздела металл-полупроводник.
Для того чтобы максимально приблизить напряжение пробоя ДШ к напряжению пробоя плоскостного перехода, используют различные методы, среди которых довольно популярным является формирование системы плавающих охранных p-n переходов, как правило, с помощью ионной имплантации акцепторных примесей.
В последнее время для подавления объемных токов утечки альтернативой диодам Шоттки стали рассматриваться интегрированные Шоттки-pn диоды. Такие интегрированные Шоттки-pn диоды получили название JBS (Junction Barrier Schottky) diode или MPS (Merged PiN Schottky) diode (в отечественных статьях - JBS-диоды). В активной области диода под Шоттки контактом формируют локальные p-n переходы (как правило, с помощью ионной имплантации акцепторных примесей), которые перемежаются с Шоттки областями. При работе JBS-диода в прямом направлении ток протекает через Шоттки области, так что падение напряжения на JBS-диоде в прямом направлении оказывается сравнимым с падением напряжения на ДШ. Расстояние между p-областями подбирается таким образом, чтобы при обратном напряжении области пространственного заряда (ОПЗ) соседних p-n переходов, расширяющиеся вглубь n-области, смыкались. В этом случае электрическое поле в плоскости Шоттки контакта оказывается меньшим по величине по сравнению с ДШ, и, как следствие, токи утечки из металла в полупроводник также оказываются меньшими по величине.
Для изготовления JBS-диодов с заданными электрическими характеристиками (сопротивление в прямом направлении, напряжение пробоя, допробойные токи утечки) необходимо правильно подобрать толщину и уровень легирования эпитаксиального n-слоя, спроектировать геометрию структуры (выбрать число плавающих охранных p-колец, их ширину и зазор между ними, ширину локальных p-областей под Шоттки контактом и расстояние между ними, определить глубину залегания p-n переходов и т.д.), отработать методы формирования омических контактов, методы формирования локальных p-n переходов и Шоттки контактов и др.
Для оценки эффективности той или иной конструкции 4H-SIC JBS-диодов необходимо сравнивать напряжение пробоя диодов (охранную способность краевого контура), величину допробойных токов утечки (эффективность работы структуры JBS, в том числе при повышенных температурах), время переключения из проводящего направления в запорное (коэффициент инжекции p-n перехода), а также сложность технологии изготовления прибора.
15
-3
17
-3
2
15
-3
Известен JBS-диод [Т. Yamamoto, J. Kojima, Т. Endo etc. al. // Materials Science Forum. Vol.600-603, 2009, P.939]. Он содержит сильнолегированную подложку карбида кремния n-типа, на ней эпитаксиальный слой карбида кремния n-типа толщиной 13 мкм с концентрацией примеси 5·10см, в котором с помощью ионной имплантации алюминия выполнены локальные p-кольца JBS-структуры и плавающие охранные кольца с различной концентрацией имплантированной примеси. Плавающие охранные кольца сделаны тонкими (1.5 мкм), глубина колец не превышает 0.7 мкм. Кольца JBS структуры также сделаны шириной 1.5 мкм и интервалом (0÷5) мкм и глубиной 0.7 мкм. Основной охранный p-n переход выполнен имплантацией алюминия, глубиной 0.7 мкм, с имплантированной дозой 4·10см. В качестве Шоттки контакта, расположенного над JBS структурой, в данном приборе использован молибден. Охранные кольца покрыты слоем диэлектрика - окиси кремния. На обратной стороне подложки сформирован омический контакт. С молибденовым Шоттки контактом падение напряжения в прямом направлении составило 1.6 В при токе 100 А/см. Максимальное обратное напряжение прибора - 1660 В (66% от теоретически предельного значения для n-слоя толщиной 13 мкм, с концентрацией примеси 5·10см).
Недостатками этого диода являются резкое увеличение токов утечки с ростом температуры из-за молибденового контакта Шоттки, а также удорожание прибора, т.к. имплантация при создании такого прибора происходит в два этапа через разные маски. Кроме того, довольно велико время обратного восстановления таких диодов вследствие легирования алюминием JBS-структуры по причине достаточно высокой инжектирующей способности р<А1>-эмиттера.
15
-3
14
-2
Наиболее близким устройством к заявляемому изобретению по совокупности признаков является один из интегрированных карбидкремниевых Шоттки-pn диодов (JBS-диод), описанных в [WO2006122252, опубл. 16.11.2006, заявка США 2006255423]. Он содержит сильнолегированную подложку карбида кремния n-типа, на ее верхней стороне - эпитаксиальный слой карбида кремния n-типа толщиной (5÷13) мкм с концентрацией примеси от 1·10 см, в котором имплантацией бора выполнена структура JBS (т.е. подконтактные p-n переходы), основное охранное кольцо и плавающие охранные кольца. Плавающие охранные кольца (4 шт.) имеют ширину 1.5 мкм, с интервалом 4 мкм, глубина колец (0.5÷1) мкм, имплантированная доза 4 10 см. Кольца JBS (подконтактные p-n переходы) имеют ширину 2.75 мкм и интервал 1.75 мкм, и глубину (0.5÷1.0) мкм. Основной охранный p-n переход выполнен имплантацией бора, глубиной (0.5÷1.0) мкм, шириной 15 мкм. В качестве Шоттки контакта использован никель. Охранные кольца пассивированы слоем диэлектрика - оксидом кремния. На обратной (тыльной) стороне подложки изготовлен омический контакт из никеля. В приборе для уменьшения инжекции неосновных носителей из p-областей при работе диода в прямом направлении верхние части p-областей обеднены, что несколько уменьшает время его обратного восстановления.
Бор является глубокой примесью в карбиде кремния (0.65 эВ у бора против 0.19 эВ у алюминия), инжекция из борных p-областей меньше, чем из алюминиевых, что делает приборы с борными охранными p-n переходами более быстрыми, чем интегрированные Шоттки-pn диоды с алюминиевой имплантацией.
+
Однако обеспечение формирования дополнительных p-структур над р-областями, а также необходимость использования для ионной имплантации очень точной и дорогой субмикронной фотолитографии (с точностью до десятых долей мкм) усложняет технологию создания и, следовательно, увеличивает стоимость прибора-прототипа, а достигнутое в этом приборе напряжение пробоя 1200 В составляет всего лишь 43% от теоретического предела и является недостаточным во многих случаях применения устройства.
Предлагаемое изобретение решает задачу увеличения напряжения пробоя интегрированного карбидкремниевого Шоттки-pn диода при удешевлении прибора.
15
-3
Задача решается интегрированным Шоттки-pn диодом на основе карбида кремния, включающим сильнолегированную подложку из карбида кремния n-типа, эпитаксиальный слой из карбида кремния n-типа толщиной (10÷13) мкм с концентрацией примеси (1÷2) 10см, расположенный на ее верхней стороне, выполненные в эпитаксиальном слое планарные p-n переходы с легированными бором р-областями с определенной одинаковой глубиной залегания, часть которых расположена под никелевым Шоттки контактом, а остальные выполнены в виде покрытой слоем оксида кремния охранной структуры, состоящей из основного p-n перехода и плавающих охранных колец, и никелевый омический контакт на обратной стороне подложки, в котором все упомянутые p-n переходы в области металлургической границы имеют диффузионный профиль распределения примесей, а отношение глубины их залегания к толщине эпитаксиального слоя удовлетворяет соотношению 0.08≤h/d≤0.20, где:
h - глубина залегания p-n переходов;
d - толщина эпитаксиального слоя.
Сущность изобретения поясняется тем, что предлагаемый диод обладает существенно большим напряжением пробоя по сравнению с прототипом, как в абсолютных величинах (1800 В против 1200 В), так и в относительных (72% от теоретического предела против 43%) в связи с существенно более глубоким залеганием p-n переходов и с их геометрией, а именно - с нерезкой границей, т.е. с расширенной зоной перекомпенсации в области металлургической границы p-n перехода, при этом уменьшается также стоимость прибора за счет отсутствия необходимости использования сложных устройств и приемов при его изготовлении.
Авторы экспериментально определили, что зависимость напряжения пробоя интегрированного Шоттки-pn диода с борными охранными p-n переходами от глубины залегания этих p-n переходов имеет максимум. Положение этого максимума зависит от концентрации примеси в эпитаксиальном слое и его толщины. Выяснено, что напряжение пробоя большее, чем в прототипе, достигается при глубине залегания p-n перехода, составляющей от 0.08 до 0.20 от толщины эпитаксиального слоя. Кроме того, все p-n переходы в предлагаемом приборе, в отличие от p-n переходов с резкой границей в прототипе, выполнены с нерезкой границей, т.е. концентрация акцепторных примесей (бора) в переходе плавно уменьшается вглубь эпитаксиального слоя, образуя протяженную область перекомпенсации, что также, как показывают эксперименты, приводит к увеличению напряжения пробоя.
+
Таким образом, в предлагаемом диапазоне зависимости глубины залегания p-n переходов от толщины эпитаксиального слоя и при нерезкой границе p-n переходов (при соразмерных с прототипом других параметрах прибора) напряжение пробоя заявляемого устройства будет выше, чем у прототипа. При этом предлагаемое устройство является более простым и дешевым, т.к. технология его создания не требует формирования дополнительных p-структур над p-областями, а также использования для ионной имплантации очень точной и дорогой субмикронной фотолитографии (с точностью до десятых долей мкм).
Предлагаемое устройство схематически изображено на чертеже, где:
1 - подложка;
2- эпитаксиальный слой;
3 - плавающие охранные кольца;
4 - подконтактная p-n структура (JBS-структура);
2
5 - слой SiO;
6 - контакт Шоттки;
7 - основной охранный переход;
8 - омический контакт.
Высоколегированная подложка 1 выполнена из карбида кремния n-типа, на ее верхней стороне расположен эпитаксиальный слой 2 из карбида кремния n-типа. В этом слое расположены выполненные из бора с определенной глубиной залегания подконтактная p-n структура 4 (состоящая из нескольких p-n переходов), интегрированная с никелевым контактом Шоттки 6, и охранная структура, состоящая из основного охранного p-n перехода 7 и плавающих охранных колец 3 в виде p-n переходов, слой 5 оксида кремния расположен над охранной структурой, а никелевый омический контакт 8 - на обратной стороне подложки 1.
Устройство работает следующим образом. При приложении прямого напряжения электроны из контакта Шоттки 6 через зазоры между подконтактной структурой 4, преодолевая потенциальный барьер между металлом Шоттки контакта и карбидом кремния, перемещаются через эпитаксиальный слой 2 и подложку 1 к омическому контакту 8. При приложении обратного напряжения происходит быстрое смыкание ОПЗ между элементами структуры 4, что препятствует протеканию тока утечки через объем прибора. Слой оксида кремния 5 и основной охранный переход 7 уменьшают напряженность поля на краю контакта Шоттки 6 за счет увеличения радиуса его кривизны на краю металлического контакта. Плавающие охранные кольца 3 способствуют дальнейшему распространению ОПЗ в сторону края контакта Шоттки 6, увеличивая максимальное блокируемое обратное напряжение.
Пример 1.
15
-3
13
-2
13
-2
13
-2
2
Согласно формуле изобретения был создан интегрированный Шоттки-pn диод с подложкой 1 SiC n-типа с сопротивлением 0.015 Ом·см, эпитаксиальным слоем 2 карбида кремния n-типа, с концентрацией примеси 2·10cм, толщиной 12 мкм, никелевым контактом Шоттки 6, слоем SiO 5 толщиной 300 нм, основным охранным борным p-n переходом 7 шириной 50 мкм, глубиной 2 мкм и нерезкой границей, с имплантированной дозой 9·10см, четырьмя плавающими охранными борными кольцами 3 шириной 10 мкм каждое, с интервалом 5 мкм, глубиной 2 мкм и нерезкой границей, с имплантированной дозой 9·10cм, с борной подконтактной структурой 4, состоящей из 73 p-n переходов шириной по 8 мкм каждый, с интервалом 10 мкм, глубиной 2 мкм и нерезкой границей, с имплантированной дозой 9·10см, с никелевым омическим контактом 8. Отношение глубины всех p-n переходов к толщине эпитаксиального слоя составляет 0.17, что попадает в интервал 0.08≤h/d≤0.20.
2
2
В приборе достигнуто падение напряжения в прямом направлении при токе 100 А/см - 2.6 В, объемные утечки при обратном смещении 1280 В (50% от теоретического предела) и комнатной температуре не превышали 85 мкА/см, а напряжение пробоя составило 1800 В (72% от теоретического предела и в 1.5 раза больше, чем у прототипа).
Пример 2.
То же, что в примере 1, но отношение глубины всех p-n переходов к толщине эпитаксиального слоя составило 0.06. Напряжение пробоя составило 1000 В, т.е. ниже, чем в прототипе.
Пример 3.
То же, что в примере 1, но отношение глубины всех p-n переходов к толщине эпитаксиального слоя составило 0.24. Наблюдалась деградация поверхности прибора. Напряжение пробоя составило 200 В, т.е. ниже, чем в прототипе.
Таким образом, заявляемое изобретение обладает более высокими техническими характеристиками по сравнению с прототипом при более простом и дешевом изготовлении.