СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ВЫСОКОВОЛЬТНОГО БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА С ИЗОЛИРОВАННЫМ ЗАТВОРОМ
MANUFACTURING METHOD OF HIGH-VOLTAGE BIPOLAR TRANSISTOR WITH INSULATED GATE

Изобретение относится к области электротехники, а именно к способам изготовления высоковольтных полупроводниковых приборов, и может использоваться при изготовлении биполярных транзисторов с изолированным затвором, с напряжением коллектор-эмиттер в закрытом состоянии свыше 1000 В.
Известен способ изготовления высоковольтного биполярного транзистора с изолированным затвором (патент US 6,825,110 В2, дата публикации 30.11.2004 г. [1]), в котором с одной стороны исходной слаболегированной кремниевой пластины n-типа проводимости создают буферный слой того же типа проводимости с большей концентрацией и коллектор р-типа проводимости, а с другой стороны пластины создают слои базы р-типа проводимости, эмиттера n-типа проводимости, подзатворного диэлектрика и поликремниевого затвора. Затем формируют слои металлизации коллектора и эмиттера. В плане (топологически) такие элементарные ячейки повторяются и образуют регулярную периодическую структуру.
При работе такого прибора в закрытом состоянии (напряжение «затвор-эмиттер» ниже порогового) напряжение «коллектор-эмиттер» в запирающей полярности приложено к р-n-переходу, образуемому слоем р-базы и исходной слаболегированной областью n-типа проводимости. При увеличении напряжения области пространственного заряда р-n-переходов соседних элементарных ячеек смыкаются и расширяются далее в направлении к буферному n-слою, примыкающему к коллектору, что позволяет получить высокое значение пробивного напряжения прибора, определяемое только концентрацией атомов донорной примеси в исходной слаболегированной области и толщиной этой области.
При работе прибора в проводящем состоянии (напряжение «затвор-эмиттер» выше порогового) в приповерхностных областях полупроводниковой структуры под затвором возникают области индуцированного канала n-типа проводимости, соединяющие области n-эмиттера и исходного слаболегированного слоя n-типа проводимости и обеспечивающие протекание тока электронов в этот слой из n-эмиттера. Из слоя коллектора р-типа проводимости при этом происходит инжекция дырок в слаболегированный слой n-типа проводимости. Указанные процессы уменьшают электрическое сопротивление этого слоя и позволяют высоковольтному прибору проводить ток высокой плотности (десятки-сотни ампер на квадратный сантиметр) при незначительном падении напряжения во включенном состоянии (напряжение насыщения «коллектор-эмиттер»).
Однако для высоковольтных приборов концентрация избыточных электронов и дырок вблизи р-n-перехода между областью р-базы и слаболегированной областью n-типа проводимости мала вследствие экстракции (вытягивания) дырок этим переходом, находящимся под слабым обратным смещением. Это приводит к неоправданному росту остаточного напряжения, т.е. описанный выше способ изготовления неоптимален для изготовления высоковольтных приборов.
Наиболее близким к предлагаемому решению является способ изготовления высоковольтного биполярного транзистора с изолированным затвором, включающий создание на одной стороне слаболегированной кремниевой пластины n-типа проводимости буферного слоя того же типа проводимости с большей концентрацией и коллектора р-типа проводимости и на другой стороне пластины создание более легированного слоя n-типа проводимости, базы р-типа проводимости, эмиттера n-типа проводимости, подзатворного диэлектрика и поликремниевого затвора, а затем формирование металлизации коллектора и эмиттера (патент US 6,686,613 В2, дата публикации 03.02.2004 г. [2]).
Наличие более легированного слоя n-типа проводимости, примыкающего к слою р-базы, позволяет уменьшить нежелательную экстракцию дырок и, соответственно, снизить напряжение насыщения «коллектор-эмиттер».
Недостатком данного способа является трудность получения высоких пробивных напряжений. На экспериментальных структурах, изготовленных по указанному способу, не удается получить пробивные напряжения коллектор-эмиттер транзистора в блокирующем состоянии более 800 В, тогда как на аналогичных структурах без дополнительного слоя это напряжение составляло 1700 В и выше.
Целью изобретения является улучшение сочетания характеристик биполярного транзистора с изолированным затвором: пробивного напряжения коллектор-эмиттер в блокирующем состоянии и напряжения насыщения «коллектор-эмиттер» в проводящем состоянии.
Для этого создание более легированного слоя n-типа проводимости проводят перед созданием базы методом ионной имплантации с использованием маски для базы, причем доза имплантированных атомов донорной примеси D, выраженная в микрокулонах на квадратный сантиметр, составляет величину
D≤0,04/erfc[Xj/(0,455*Xd)],
где erfc - дополнительная функция ошибок;
Xd - глубина более легированного слоя n-типа проводимости по уровню 0,5 от максимального значения разности концентрации доноров и акцепторов в этом слое;
Xj - глубина базы,
а режим разгонки имплантированной примеси выбирают так, чтобы глубина более легированного слоя n-типа проводимости была больше Xj, но меньше чем Xj+W, где W - минимальное расстояние между р-n-переходами «база-слаболегированный слой» двух соседних ячеек.
Необходимость и достаточность приведенных выше условий обоснована путем эксперимента, описанного ниже в примерах реализации. Сравнение экспериментальных групп приборов, изготовленных по предложенному способу и по способу [2], в котором ионная имплантация для создания более легированного слоя n-типа проводимости проводится не в окно маски для формирования р-базовых областей, показало, что при аналогичных значениях напряжения насыщения «коллектор-эмиттер» приборы, изготовленные по способу [2], имеют пробивные напряжения коллектор-эмиттер не более 0,4-0,8 от таковых для приборов, изготовленных по предлагаемому способу.
Эксперименты показали также, что глубина более легированного слоя n-типа проводимости не должна превышать суммарного значения Xj+W, т.е. этот слой, формируемый в некоторой ячейке, не должен «смыкаться» за счет боковой диффузии под маску с базовым р-n-переходом в соседней ячейке прибора. Несоблюдение этого условия приводило к значительному уменьшению пробивного напряжения коллектор-эмиттер до значений, близких к получаемым в известном способе [2]. При несоблюдении приведенного выше условия ограничения дозы имплантации атомов донорной примеси для формирования более легированного слоя n-типа проводимости значения пробивного напряжения коллектор-эмиттер не превышают 0,6-0,7 от таковых, получаемых при соблюдении всех условий.
На фиг.1 показано сечение элементарной ячейки биполярного транзистора с изолированным затвором, изготовленного по известному способу [1]. Обозначения: 1 - слаболегированная пластина n-типа проводимости; 2 - буферный слой n-типа проводимости; 3 - коллектор р-типа проводимости; 4 - база р-типа проводимости; 5 - контактная область базы р-типа проводимости с большей концентрацией атомов акцепторной примеси; 6 - эмиттер n-типа проводимости; 7 - подзатворный диэлектрик; 8 - поликремниевый затвор; 9 - металлизация коллектора; 10 - металлизация эмиттера.
На фиг.2 показано сечение элементарной ячейки биполярного транзистора с изолированным затвором, изготовленного по способу, наиболее близкому к предлагаемому [2]. Обозначения: 1÷10 те же, что и на фиг.1; 11 - более легированный слой n-типа проводимости.
На фиг.3 показано сечение элементарной ячейки биполярного транзистора с изолированным затвором, изготовленного по предлагаемому способу. Обозначения те же, что и на фиг.2.
На фиг.4. показаны экспериментально полученные сочетания характеристик пробивного напряжения коллектор-эмиттер и напряжения насыщения «коллектор-эмиттер» для приборов, изготовленных по известному и предлагаемому способам.
На фиг.5 показана зависимость пробивного напряжения коллектор-эмиттер от произведения дозы имплантации на величину erfc[Xj/(0,455*Xd)] для приборов с различными значениями Xj и Xd, обосновывающая заявляемое выражение для ограничения допустимой дозы имплантации доноров при формировании более легированного слоя n-типа проводимости.
Примеры реализации
2
Для определения эффективности предлагаемого технического решения и обоснования предлагаемых ограничивающих условий были изготовлены экспериментальные партии биполярных транзисторов с изолированным затвором по известным и предлагаемому способам изготовления. Приборы изготавливались на кремниевых подложках n-типа проводимости с удельным сопротивлением 80 Ом·см, конечная толщина подложек - 200 мкм. Глубина буферного слоя n-типа проводимости составляла около 15 мкм, глубина коллекторного слоя р-типа проводимости - около 5 мкм. Глубина базового р-n-перехода составляла около 4,5 мкм, глубина эмиттерного слоя n-типа проводимости - около 1 мкм. Топология всех экспериментальных образцов была идентична, расстояние W составляло около 7 мкм, активная площадь единичного кристалла составляла около 1 мм. Маршруты изготовления приведены в табл.1.
По маршруту изготовления варианта «В» (предлагаемое техническое решение) были изготовлены 4 серии экспериментальных образцов, различающиеся режимами разгонки имплантированной донорной примеси и, соответственно, глубиной более легированного слоя n-типа проводимости. Эти глубины, измеренные по уровню 0,5 от максимального значения разности концентрации атомов донорной и акцепторной примесей, составляли:- для серии В-1 - 5,9-6,3 мкм,
- для серии В-2 - 6,5-7,3 мкм,
- для серии В-3 - 9,5-11,0 мкм,
- для серии В-4 - 12,0-13,0 мкм.
15
-3
15
-3
15
-3
15
-3
15
-3
15
-3
В каждой серии были выделены группы образцов, различающиеся дозой имплантации фосфора для создания более легированного слоя n-типа проводимости. Доза имплантированных атомов фосфора подбиралась в каждом случае такой, чтобы значения максимальной разности концентрации атомов донорной и акцепторной примесей в более легированном слое n-типа проводимости составляли для группы 1 - около 4·10 см, для группы 2 - около 3·10 см, для группы 3 - около 2·10 см, для группы 4 - около 1·10 см, для группы 5 - около 0,5·10 см, для группы 6 - около 0,3·10см.
Сравнительные экспериментальные образцы, изготовленные по известному способу (вариант «Б») были разделены на 2 серии (Б-1-Б - 2). Режимы разгонки были подобраны так, чтобы глубина более легированного слоя n-типа проводимости для серии Б-1 примерно соответствовала глубине базового р-n-перехода, а для серии Б-2 - величина глубины более легированного слоя n-типа проводимости соответствовала таковой в сериях В-2. Внутри каждой серии образцы подразделялись на группы с разными дозами импланцации фосфора, аналогичными примененным для групп серий В-1 - В-2.
2
На экспериментальных образцах были измерены значения пробивных напряжений коллектор-эмиттер (Uc br) (в режиме: напряжение затвор-эмиттер -5 В, температура 25°С, уровень тока утечки коллектор-эмиттер 0,1 мА) и значения напряжения насыщения «коллектор-эмиттер» в открытом состоянии (Uc sat) (в режиме: напряжение затвор-эмиттер +15 В, температура 25°С, уровень тока коллектора 1 А (плотность тока около 100 А/см)). Результаты приведены в табл.2.
Как видно из фиг.4, где представлены усредненные по группам сочетания Uc br и Uc sat, предлагаемое техническое решение позволяет изготовить биполярные транзисторы с изолированным затвором, характеризуемые сочетанием высокого Uc br и низкого Uc sat, недостижимым при использовании известных способов изготовления.
Однако значения Uc br для групп экспериментальных образцов серии В-4, для которой не выполняется условие
Xd<Xj+W,
значительно меньше, чем для образцов серий В-1 - В-3, для которых это условие выполняется. Таким образом, невыполнение указанного условия не позволяет достигнуть оптимального сочетания параметров Uc br и Uc sat.
На фиг.5 представлены усредненные по группам образцов серий В-1 - В-3 значения Uc br в зависимости от величины
D*erfc[Xj/(0,455*Xd)].
Из фиг.5 видно, что на такой зависимости точки, характеризующие различные серии, группируются внутри достаточно узкого «пучка» кривых, причем при
D*erfc[Xj/(0,455*Xd)]≤0,04,
значения Uc br для всех серий не менее 1000 В, что заведомо больше, чем максимальные Uc br для наиболее близкого известного технического решения (810 В).
Таким образом, дозу имплантированных атомов донорной примеси целесообразно ограничить величиной:
D≤0,04/erfc[Xj/(0,455*Xd)].
Таблица 1
Технологические маршруты экспериментальных структур, создаваемых по известным и предлагаемомуспособам
№ п/п
Наименование операции
Вариант «А»Способ по патенту US 6,825,110 В2
Вариант «Б»Способ по патенту US 6,686,613 В2 (наиболее близкий к предлагаемому)
Вариант «В»Предлагаемое решение
1.
Формирование партий
Формирование партий
Формирование партий
2.
Окисление
Окисление
Окисление
3.
Фотолитография (вскрытие окон под защитные кольца на периферии)
Фотолитография (вскрытие окон под защитные кольца на периферии)
Фотолитография (вскрытие окон под защитные кольца на периферии)
4.
Имплантация бора
Имплантация бора
Имплантация бора
5.
Разгонка с окислением
Разгонка с окислением
Разгонка с окислением
6.
Имплантация фосфора (непланарная сторона)
Имплантация фосфора (непланарная сторона)
Имплантация фосфора (непланарная сторона)
7.
Разгонка фосфора с окислением
Разгонка фосфора с окислением
Разгонка фосфора с окислением
8.
Имплантация бора (на непланарную сторону пластины, коллекторный слой р-типа)
Имплантация бора (на непланарную сторону пластины, коллекторный слой р-типа)
Имплантация бора (на непланарную сторону пластины, коллекторный слой р-типа)
9.
Разгонка бора с окислением
Разгонка бора с окислением
Разгонка бора с окислением
10.
-
Фотолитография (вскрытие окна под дополнительный слой n-типа)
-
11.
-
Имплантация фосфора (планарная сторона, дополнительный слой n-типа)
-
12.
Разгонка фосфора с окислением
13.
Фотолитография (вскрытие окон в активной области кристалла для формирования ячеек)
Фотолитография (вскрытие окон в активной области кристалла для формирования ячеек)
Фотолитография (вскрытие окон в активной области кристалла для формирования ячеек)
14.
Окисление (подзатворный окисел)
Окисление (подзатворный окисел)
Окисление (подзатворный окисел)
15.
Нанесение поликремния
Нанесение поликремния
Нанесение поликремния
16.
Фотолитография (окна под р-области базы)
Фотолитография (окна под р-области базы)
Фотолитография (окна под дополнительный слой n-типа и р-области базы)
17.
-
-
Имплантация фосфора (дополнительный слой)
18.
-
-
Разгонка фосфора
19.
Имплантация бора
Имплантация бора
Имплантация бора
20.
Разгонка бора
Разгонка бора
Разгонка бора
21.
Имплантация фосфора
Имплантация фосфора
Имплантация фосфора
22.
Разгонка фосфора
Разгонка фосфора
Разгонка фосфора
23.
Фотолитография (окна под приконтактную высоколегированную область р-базы)
Фотолитография (окна под приконтактную высоколегированную область р-базы)
Фотолитография (окна под приконтактную высоколегированную область р-базы)
24.
Имплантация бора
Имплантация бора
Имплантация бора
25.
Разгонка бора
Разгонка бора
Разгонка бора
26.
Нанесение пиролитического SiO<sub>2</sub> (межслойная изоляция)
Нанесение пиролитического SiO<sub>2</sub> (межслойная изоляция)
Нанесение пиролитического SiO<sub>2</sub> (межслойная изоляция)
27.
Фотолитография (окна под контактную металлизацию планарной стороны)
Фотолитография (окна под контактную металлизацию планарной стороны)
Фотолитография (окна под контактную металлизацию планарной стороны)
28.
Напыление алюминия
Напыление алюминия
Напыление алюминия
29.
Фотолитография (разводка металлизации планарной стороны)
Фотолитография (разводка металлизации планарной стороны)
Фотолитография (разводка металлизации планарной стороны)
30.
Металлизация непланарной стороны
Металлизация непланарной стороны
Металлизация непланарной стороны
31.
Регулирование быстродействия (протонное облучение и отжиг)
Регулирование быстродействия (протонное облучение и отжиг)
Регулирование быстродействия (протонное облучение и отжиг)
32.
Контроль характеристик, разбраковка кристаллов на пластине
Контроль характеристик, разбраковка кристаллов на пластине
Контроль характеристик, разбраковка кристаллов на пластине
33.
Разделение пластины на кристаллы
Разделение пластины на кристаллы
Разделение пластины на кристаллы
Таблица 2
Характеристики экспериментальных структур
Вариант
Серия
Группа
Доза имплантации фосфора (D), мкКл/см<sup>2</sup>
Глубина р-n-перехода «база-слаболегированный слой» Xj, мкм
Глубина более легированного слоя n-типа проводимости Xd, мкм
Uc br, В
Uc sat, В
А
-
-
4,8
-
1580-1760 <1740>*
2,9-3,2 <3,05>
Б
Б-1
1
1,9
4,5
4,4
550-640 <620>
2,46-2,66 <2,51>
Б
Б-1
2
1,7
4,5
4,4
610-700 <680>
2,51-2,68 <2,60>
Б
Б-1
3
1,3
4,6
4,6
680-720 <710>
2,59-2,73 <2,69>
Б
Б-1
4
0,7
4,7
4,7
730-780 <760>
2,65-2,86 <2,75>
Б
Б-1
5
0,45
4,8
4,8
780-845 <810>
2,73-2,95 <2,82>
Б
Б-2
1
1,7
4,3
6,5
370-410 <390>
2,05-2,19 <2,15>
Б
Б-2
2
1,4
4,3
6,6
550-690 <660>
2,15-2,29 <2,2>
Б
Б-2
3
1,0
4,4
6,7
640-720 <700>
2,15-2,37 <2,27>
Б
Б-2
4
0,6
4,5
6,9
690-760 <745>
2,32-2,40 <2,35>
Б
Б-2
5
0,4
4,7
7,3
720-810 <790>
2,38-2,59 <2,49>
В
В-1
1
1,9
4,5
5,9
1150-1230 <1215>
2,19-2,32 <2,27>
В
В-1
2
1,7
4,5
5,9
1350-1420 <1390>
2,24-2,39 <2,32>
В
В-1
3
1,3
4,6
6,0
1495-1570 <1540>
2,28-2,42 <2,39>
В
В-1
4
0,7
4,7
6,1
1600-1690 <1660>
2,45-2,59 <2,52>
В
В-1
5
0,45
4,8
6,3
1680-1725 <1700>
2,57-2,71 <2,65>
В
В-2
1
1,7
4,3
6,5
470-500 <490>
2,08-2,17 <2,13>
B
В-2
2
1,4
4,3
6,6
850-900 <870>
2,12-2,25 <2,18>
B
В-2
3
1,0
4,4
6,7
1150-1230 <1210>
2,17-2,35 <2,25>
B
В-2
4
0,6
4,5
6,9
1470-1550 <1525>
2,30-2,42 <2,38>
B
В-2
5
0,4
4,7
7,3
1590-1700 <1650>
2,45-2,58 <2,52>
в
В-3
3
0,55
4,3
8,1
560-600 <590>
2,08-2,22 <2,16>
B
В-3
4
0,3
4,5
8,5
1160-1250 <1220>
2,20-2,35 <2,28>
B
В-3
5
0,2
4,7
9,5
1420-1510 <1490>
2,36-2,49 <2,41>
B
В-3
6
0,1
4,9
11,0
1520-1600 <1590>
2,44-2,6 <2,53>
B
В-4
3
0,33
4,1
11,5
420-500 <460>
2,08-2,21 <2,15>
B
В-4
4
0,2
4,2
12,2
650-720 <690>
2,08-2,29 <2,21>
B
В-4
5
0,15
4,3
12,7
820-910 <880>
2,15-2,40 <2,33>
B
В-4
6
0,07
4,5
13,0
990-1080 <1050>
2,38-2,53 <2,46>
* в угловых скобках приведены усредненные по группе значения