close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY16468

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
(46) 2012.10.30
(12)
(51) МПК
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
H 01L 29/47 (2006.01)
H 01L 29/872 (2006.01)
ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИЙ ДИОД
(21) Номер заявки: a 20101654
(22) 2010.11.19
(43) 2012.06.30
(71) Заявитель: Открытое акционерное
общество "ИНТЕГРАЛ" (BY)
(72) Авторы: Сарычев Олег Эрнстович;
Голубев Николай Федорович; Соловьев Ярослав Александрович; Дудкин Александр Иванович; Пуцята
Владимир Михайлович (BY)
BY 16468 C1 2012.10.30
BY (11) 16468
(13) C1
(19)
(73) Патентообладатель: Открытое акционерное общество "ИНТЕГРАЛ" (BY)
(56) US 4862229, 1989.
JP 2008282973 A, 2008.
TW 501203 B, 2002.
JP 6151816 A, 1994.
(57)
Высоковольтный быстродействующий диод, содержащий эпитаксиальную структуру с
сильнолегированным и слаболегированным слоями n-типа проводимости, сформированные в слаболегированном слое анод p-типа проводимости, охранное кольцо p-типа проводимости и ограничительное кольцо n-типа проводимости; слой окисла кремния со
вскрытым в нем окном и с защитным диэлектрическим покрытием, металлизацию анода и
катода, отличающийся тем, что анод p-типа проводимости выполнен в виде совокупности параллельных полос, каждая из которых имеет ширину от 2 до 20 мкм, с расстоянием
между полосами от 10 до 30 мкм; вокруг охранного кольца сформированы два слаболегированных потенциальных кольца p-типа проводимости, слой окисла кремния выполнен
толщиной от 0,5 до 2,5 нм, а защитное диэлектрическое покрытие выполнено в виде последовательно нанесенных слоев полуизолирующего поликристаллического кремния
толщиной от 0,05 до 0,5 мкм с концентрацией кислорода от 5 до 15 мас. %, нитрида кремния толщиной от 0,05 до 0,2 мкм и среднетемпературного фосфоросиликатного стекла
толщиной от 0,5 до 2,0 мкм с концентрацией фосфора от 2 до 7 мас. %.
BY 16468 C1 2012.10.30
Изобретение относится к электронной технике, а более конкретно к конструкции кристалла высоковольтного быстродействующего диода (ВБД) и может быть использовано в
изделиях силовой электроники.
Известен полупроводниковый диод [1], содержащий слаболегированный слой n-типа
проводимости, сформированный в слаболегированном слое n-типа проводимости анод pтипа проводимости, слой окисла кремния, вскрытое в слое окисла кремния окно, металлизацию анода и катода.
Слаболегированный слой n-типа проводимости и анод p-типа проводимости образуют
p-n переход. Когда p-n переход находится под прямым смещением, в аноде p-типа проводимости происходит накопление неосновных носителей заряда. В результате при переключении на обратное смещение диод некоторое время сохраняет состояние высокой
проводимости до тех пор, пока не произойдет рекомбинация неосновных носителей. По
этой причине полупроводниковые диоды данного типа характеризуются сравнительно
большим временем переключения (порядка нескольких микросекунд) из проводящего состояния в непроводящее состояние и, соответственно, плохим быстродействием. Кроме
того, использование в качестве материала защитного диэлектрического покрытия окисла
кремния приводит к возникновению зарядовых состояний на поверхности слаболегированного слоя n-типа проводимости и анода p-типа проводимости, что обусловливает появление дополнительных обратных токов, снижение обратного напряжения и низкий выход
годных диодов.
Известен полупроводниковый быстродействующий диод [2], содержащий слаболегированный слой n-типа проводимости, сформированный в слаболегированном слое n-типа
проводимости анод p-типа проводимости, сильнолегированный слой n +-типа проводимости, слой окисла кремния, вскрытое в слое окисла кремния окно, металлизацию анода, металлизацию катода, при этом вся полупроводниковая структура легирована золотом или
платиной.
Легирование диодной структуры золотом или платиной позволяет несколько улучшить быстродействие диода до нескольких десятков наносекунд. Однако отсутствие
охранного кольца р-типа проводимости и ограничительного кольца n-типа проводимости
приводит к снижению обратного напряжения и выхода годных диодов. Кроме того, наличие инжекции неосновных носителей в базу диода не приводит к желаемому улучшению
быстродействия.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является высоковольтный
быстродействующий диод [3], содержащий легированные золотом сильнолегированный и
слаболегированные слои n-типа проводимости, сформированный в слаболегированном
слое n-типа проводимости анод р-типа проводимости, охранное кольцо p-типа проводимости, ограничительное кольцо n-типа проводимости, слой окисла кремния со вскрытым в
нем окном и с защитным диэлектрическим покрытием, выполненным в виде последовательно нанесенных слоев полуизолирующего поликристаллического кремния и нитрида
кремния, металлизацию анода и катода.
Многослойное защитное диэлектрическое покрытие, охранное кольцо p-типа проводимости и ограничительное кольцо n-типа проводимости способствуют увеличению обратного напряжения и повышению выхода годных ВБД. Легирование диодной структуры
золотом увеличивает быстродействие за счет снижения времени жизни неосновных носителей заряда. Однако и в ВБД данной конструкции наблюдается инжекция неосновных
носителей из анода p-типа проводимости, что приводит к снижению быстродействия и
выхода годных. Кроме того, относительно толстый слой окисла кремния характеризуется
наличием встроенного заряда, что способствует росту обратного тока ВБД.
Заявляемое изобретение решает задачу улучшения быстродействия, увеличения обратного напряжения и повышения выхода годных высоковольтных быстродействующих
диодов.
2
BY 16468 C1 2012.10.30
Сущность изобретения заключается в том, что в высоковольтном быстродействующем
диоде, содержащем эпитаксиальную структуру с сильнолегированным и слаболегированным слоями n-типа проводимости, сформированные в слаболегированном слое анод pтипа проводимости, охранное кольцо p-типа проводимости и ограничительное кольцо nтипа проводимости; слой окисла кремния со вскрытым в нем окном и с защитным диэлектрическим покрытием, металлизацию анода и катода, анод p-типа проводимости выполнен в виде совокупности параллельных полос, каждая из которых имеет ширину от 2 до 20
мкм, с расстоянием между полосами от 10 до 30 мкм; вокруг охранного кольца сформированы два слаболегированных потенциальных кольца p-типа проводимости, слой окисла
кремния выполнен толщиной от 0,5 до 2,5 нм, а защитное диэлектрическое покрытие выполнено в виде последовательно нанесенных слоев полуизолирующего поликристаллического кремния толщиной от 0,05 до 0,5 мкм с концентрацией кислорода от 5 до 15 мас. %,
нитрида кремния толщиной от 0,05 до 0,2 мкм и среднетемпературного фосфоросиликатного стекла толщиной от 0,5 до 2,0 мкм с концентрацией фосфора от 2 до 7 мас. %.
Сопоставительный анализ предполагаемого изобретения с прототипом показывает, что
заявляемое устройство отличается от известного тем, что анод p-типа проводимости выполнен в виде совокупности параллельных полос, каждая из которых имеет ширину от 2 до
20 мкм, с расстоянием между полосами от 10 до 30 мкм; вокруг охранного кольца сформированы два слаболегированных потенциальных кольца p-типа проводимости, слой окисла
кремния выполнен толщиной от 0,5 до 2,5 нм, а защитное диэлектрическое покрытие выполнено в виде последовательно нанесенных слоев полуизолирующего поликристаллического кремния толщиной от 0,05 до 0,5 мкм с концентрацией кислорода от 5 до 15 мас. %,
нитрида кремния толщиной от 0,05 до 0,2 мкм и среднетемпературного фосфоросиликатного стекла толщиной от 0,5 до 2,0 мкм с концентрацией фосфора от 2 до 7 мас. %.
Решение поставленной задачи объясняется следующим образом. Из уровня техники
известно, что, в отличие от p-n переходов, где электрический ток обусловлен основными и
неосновными носителями заряда, перенос электрического заряда через контакт металлполупроводник (барьер Шоттки) осуществляется главным образом основными носителями заряда [1]. По этой причине в структурах с барьером Шоттки отсутствует инжекция и
накопление неосновных носителей при прямом смещении. В результате время переключения барьера Шоттки из проводящего в непроводящее состояние составляет единицы
наносекунд, что на порядок меньше, чем время переключения диодных структур на основе p-n перехода, легированных золотом или платиной.
Анод p-типа проводимости, выполненный в виде совокупности параллельных полос, и
металлизация анода формируют совокупность барьеров Шоттки. При подаче на диодную
структуру прямого смещения электрический ток проходит преимущественно через барьеры Шоттки между параллельными полосами p-типа проводимости. Поэтому в базе диода
не происходит накопление неосновных носителей. В результате существенно улучшается
быстродействие ВБД. При подаче на диодную структуру обратного смещения в слаболегированном слое n-типа между параллельными полосами p-типа проводимости возникают
области обеднения, которые при увеличении обратного напряжения перекрываются друг с
другом. В результате компенсируется снижение обратного напряжения, обусловленное
наличием диодов Шоттки. При ширине параллельных полос менее 2 мкм и расстоянии
между ними более 30 мкм обедненные области не перекрываются друг с другом. В результате наблюдается снижение обратного напряжения, обусловленное наличием диодов
Шоттки, рост обратного тока и снижение выхода годных ВБД. При ширине параллельных
полос более 20 мкм и расстоянии между ними менее 10 мкм доля электрического тока,
протекающего через параллельные полосы p-типа проводимости, существенно увеличивается. В результате происходит накопление неосновных носителей в базе высоковольтного
диода, что приводит к ухудшению его быстродействия.
3
BY 16468 C1 2012.10.30
Два слаболегированных потенциальных кольца p-типа проводимости вокруг охранного кольца p-типа проводимости позволяют расширить область обеднения обратносмещенного p-n-перехода на поверхности структуры. Это, в свою очередь, позволяет уменьшить
напряженность электрического поля и, соответственно, увеличить обратное напряжение и
выход годных ВБД.
Слой окисла кремния толщиной от 0,5 до 2,5 нм позволяет заполнить оборванные связи на поверхности кремния кислородом, тем самым защитить поверхность кремния от адсорбированных газов, химических соединений и органических загрязнений, а значит,
избежать неконтролируемого увеличения его поверхностной проводимости. При этом сохраняется электрический контакт кремния и пленки полуизолирующего поликристаллического кремния (ППК) за счет туннельного эффекта и обеспечивается эффективная работа
пленки ППК в качестве резистивной полевой обкладки.
Слой ППК в составе защитного диэлектрического покрытия выполняет функцию резистивной полевой обкладки, обеспечивающей равномерное распределение напряжения
обратного смещения по площади структуры. При толщине слоя ППК менее 0,05 мкм
ухудшается равномерность распределения напряжения обратного смещения, что приводит
к уменьшению обратного напряжения. При толщине слоя ППК более 0,5 мкм в защитном
диэлектрическом покрытии наблюдаются существенные внутренние механические
напряжения, которые могут привести к ухудшению адгезии и отслаиванию слоя ППК.
При концентрации кислорода менее 5 мас. %, поверхностное сопротивление слоя ППК
становится чрезмерно низким, что приводит к существенному увеличению обратного тока, обусловленному поверхностной утечкой через слой ППК, уменьшению обратного
напряжения и снижению процента выхода годных ВБД. При концентрации кислорода более 15 мас. % поверхностное сопротивление слоя ППК становится слишком большим, что
приводит к ухудшению равномерности распределения напряжения обратного смещения и,
соответственно, к уменьшению обратного напряжения ВБД.
Слой нитрида кремния обеспечивает эффективную защиту слоя ППК против диффузии влаги, подвижных ионов и молекул кислорода, азота, водорода, которые могут существенно изменять его электрофизические свойства. При толщине слоя нитрида кремния
менее 0,05 мкм не обеспечивается эффективная защита слоя ППК против диффузии влаги,
подвижных ионов и молекул кислорода, азота, водорода, что приводит к увеличению обратных токов и снижению обратного напряжения ВБД. При толщине слоя нитрида кремния более 0,2 мкм в структуре будут наблюдаться значительные внутренние механические
напряжения, приводящие к нарушению сплошности защитных слоев вследствие их растрескивания, что обусловливает снижение выхода годных ВБД.
Слой среднетемпературного фосфоросиликатного стекла (СТФСС), сформированный
поверх слоя нитрида кремния, обеспечивает дополнительную защиту против диффузии влаги к нижележащим слоям, а также исключает попадание загрязнений на поверхность нитрида кремния. При толщине слоя СТФСС менее 0,5 мкм не будет обеспечиваться
эффективная защита нижележащих слоев от диффузии влаги. Нанесение слоя СТФСС толщиной слоя более 2,0 мкм нецелесообразно экономически. При содержании фосфора в слое
СТФСС менее 2 мас. %, данный слой будет характеризоваться механической напряженностью и склонностью к растрескиванию, что ухудшает качество защиты и снижает выход
годных ВБД. При содержании фосфора в слое СТФСС более 7,0 мас. %, при взаимодействии с атмосферной влагой будет образовываться ортофосфорная кислота, приводящая к
коррозии и отказам металлизации, что обусловливает снижение выхода годных ВБД.
Сущность изобретения поясняется фигурой, где изображена структура заявляемого
ВБД, содержащего эпитаксиальную структуру с сильнолегированным слоем n-типа проводимости (1), слаболегированным слоем n-типа проводимости (2), анод p-типа проводимости (3), выполненный в виде совокупности параллельных полос, охранное кольцо pтипа проводимости (4), два слаболегированных потенциальных кольца p-типа проводимо4
BY 16468 C1 2012.10.30
сти (5), ограничительное кольцо n-типа проводимости (6), слой окисла кремния (7) и
сформированное на нем защитное диэлектрическое покрытие, выполненное в виде последовательно нанесенных слоев полуизолирующего поликристаллического кремния (8),
нитрида кремния (9), среднетемпературного фосфоросиликатного стекла (10), металлизацию анода (11), металлизацию катода (12).
Изображенная на фигуре структура может быть изготовлена следующим образом. В
исходной эпитаксиальной структуре, содержащей сильнолегированный слой n-типа проводимости (1) и слабо легированный слой n-типа проводимости (2), стандартными методами окисления, фотолитографии, ионной имплантации и диффузии формируют анод pтипа проводимости (3) в виде совокупности параллельных полос, охранное кольцо p-типа
проводимости (4), два слаболегированных потенциальных кольца p-типа проводимости
(5). Далее при помощи фотолитографии и диффузии по периметру структуры формируют
ограничительное кольцо n-типа проводимости (6) и полностью удаляют с поверхности
структуры окисел кремния. Затем, химическим окислением формируют слой окисла кремния (7). После этого формируют защитное диэлектрическое покрытие последовательным
нанесением слоев полуизолирующего поликристаллического кремния (8), нитрида кремния (9) и среднетемпературного фосфоросиликатного стекла (10) с последующей фотолитографией. Далее магнетронным распылением алюминия с последующей фотолитографией формируют металлизацию анода (11). После этого подложку утоняют до
заданной толщины и наносят металлизацию катода (12) последовательным напылением на
обратную сторону подложки слоев титана, никеля или сплава никель-ванадий и серебра.
Работает предлагаемое устройство следующим образом. Сильнолегированный слой nтипа проводимости (1) является несущим основанием диодной структуры с минимальным
последовательным электрическим сопротивлением. Слаболегированный слой n-типа проводимости (2) является катодом диодной структуры и определяет ее максимальное обратное напряжение. Охранное кольцо p-типа проводимости (4) и анод p-типа проводимости
(3) в виде совокупности параллельных полос обеспечивают формирование области обеднения при обратном смещении. Контакты металл-кремний между металлизацией анода
(11) и слаболегированным слоем n-типа проводимости (2) образуют барьеры Шоттки. При
подаче на диодную структуру обратного смещения области обеднения параллельных полос объединяются, и ширина области обеднения возрастает на величину глубины pобластей. Это приводит к уменьшению напряженности электрического поля барьеров
Шоттки и обусловливает увеличение их максимального обратного напряжения, уменьшение обратного тока и повышение выхода годных ВБД. Потенциальные кольца (5) обеспечивают расширение области обеднения в латеральном направлении таким образом, чтобы
основные характеристики обратно смещенной диодной структуры определялись процессами, протекающими в объеме эпитаксиального слоя, а не на его поверхности. Ограничительное кольцо n-типа проводимости (6) обеспечивает выравнивание поверхностного
потенциала по периметру диодной структуры, определяя характер ее ВАХ в предпробойной области, а также формирует геттер для примесных и структурных дефектов активной
структуры ВБД. Слой окисла кремния (7) обеспечивает заполнение оборванных связей на
поверхности кремния кислородом и тем самым защищает поверхность кремния от адсорбированных газов, химических соединений и органических загрязнений, что позволяет
избежать неконтролируемого увеличения его поверхностной проводимости. При этом сохраняется электрический контакт кремния и слоя ППК (8) за счет туннельного эффекта, а
также обеспечивается эффективная работа пленки ППК в качестве резистивной полевой
обкладки. Защитное диэлектрическое покрытие, состоящее из последовательно нанесенных слоев ППК (8), нитрида кремния (9) и СТФСС (10) обеспечивает защиту p-n-перехода
и поверхностной части его области обеднения. Металлизация анода (11) служит для обеспечения омического контакта к областям p-типа проводимости (3), (4) и выпрямляющего
контакта к слаболегированному слою n-типа проводимости (2), а также возможности под5
BY 16468 C1 2012.10.30
соединения внешних выводов при дальнейшей сборке кристаллов. Металлизация катода
(12) обеспечивает омический контакт к сильнолегированному слою n-типа проводимости
(1), а также возможность монтажа кристалла ВБД на основание корпуса при его сборке.
В табл. 1 представлены сравнительные характеристики быстродействия ВБД с различными соотношениями ширины параллельных полос p-типа проводимости и расстоянии
между ними.
Таблица 1
Сравнительные характеристики быстродействия ВБД в корпусе ТО-220
с различными соотношениями ширины параллельных полос
и расстояний между ними
Ширина параллельРасстояние между Скорость переключения
№ п/п ных полос p-типа
Примечание
полосами, мкм
(быстродействие), нс
проводимости, мкм
Уровни
1
1,5
50
40
Iобр > N
2
2,0
30
42
3
10
20
50
4
20
10
55
5
30
5
150
Анод сплошной, структура легирована
6
55
Прототип
золотом
Примечание
Вг/Вп 2)
Обратное напряжение,
B 1)
Наличие двух потенциальных колец
Концентрация
фосфора,
мас. %
Толщина, мкм
Толщина слоя
нитрида кремния,
мкм
Концентрация
кислорода,
мас. %
Толщина, мкм
№ п/п
Толщина слоя SiO2 нм
Как видно из табл. 1, при ширине параллельных полос более 20 мкм и расстоянии
между ними менее 10 мкм наблюдается ухудшение быстродействия, обусловленное
накоплением неосновных носителей в базе ВБД.
При ширине полос менее 2 мкм и расстоянии между ними более 30 мкм дальнейшего
ухудшения быстродействия не наблюдается, однако при этом происходит значительный
рост обратного тока, приводящий к снижению выхода годных ВБД.
В табл. 2 представлены сравнительные характеристики диодов с различной структурой, собранных в пластмассовый корпус ТО-220.
Таблица 2
Сравнительные характеристики ВБД с различной структурой после сборки
в корпус ТО-220
Структура защитного диэлектрического покрытия, мкм
ППК
СТФСС
0
0,02
3
0,03
0,2
1
нет 565 1,03
0,5
0,05
5
0,05
0,5
2
есть 640 4,8
1,5
0,1
10
0,1
0,85
5
есть 680 5,7
2,5
0,5
15
0,2
2,0
7
есть 665 5,2
8
0,8
20
0,5
3,0
9
нет 590 1,06
1200Слой SiO2 толщиной
прото6
0,8
20
0,22
нет 480 1,00
5000
1,0 мкм
тип
1)
Обратное напряжение измерялось на измерителе типа Л2-56 при обратном токе 1 мА.
1
2
3
4
5
6
BY 16468 C1 2012.10.30
2)
Вг/Вп определялось как отношение выходов годных ВБД испытуемой конструкции
относительно выхода годных прототипа.
Как видно из табл. 2, оптимальным диапазоном толщины слоя диоксида кремния является 0,5-2,5 нм, толщины ППК 0,05-0,5 мкм с концентрацией кислорода от 5 до 15 мас. %,
толщины слоя нитрида кремния 0,05-0,2 мкм, толщины СТФСС 0,5-2 мкм с концентрацией фосфора от 2 до 7 мас. %. При выходе из указанного диапазона толщин наблюдается
уменьшение обратного напряжения и выхода годных ВБД. При меньших толщинах слоев
защитного диэлектрического покрытия ухудшается равномерность распределения обратного смещения, не обеспечивается эффективная защита слоя ППК против диффузии влаги, подвижных ионов и молекул газов. При больших толщинах слоев защитного
диэлектрического покрытия пропадает электрический контакт кремния и слоя ППК,
ухудшается адгезия ППК к диоксиду кремния, возрастают механические напряжения в
защитном диэлектрическом покрытии.
Из таблиц 1 и 2 видно, что, по сравнению с прототипом, скорость переключения диодов увеличилась от 55 до 42 нс (в 1,18-1,54 раза), обратное напряжение возросло с 480 В
до 640-680 В, а выход годных ВБД увеличился в 4,8-5,7 раз.
Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет решить задачу увеличения быстродействия, обратного напряжения и повышения выхода годных высоковольтных быстродействующих диодов.
Источники информации:
1. Зи С. Физика полупроводниковых приборов. Кн. 1. - М.: Мир, 1984. - С. 70.
2. Патент US 4594602, МПК H 01L 29/66, 1986.
3. Патент US 5677562, МПК H 01L 29/02, 1997.
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
7
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
208 Кб
Теги
by16468, патент
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа