БЫСТРОВОССТАНАВЛИВАЮЩИЙСЯ ДИОД НА СТРУКТУРЕ "КРЕМНИЙ НА ИЗОЛЯТОРЕ" Российский патент 2024 года по МПК H01L29/861 

Изобретение относится к области микроэлектроники, а именно к изготовлению диодов на структурах «кремний на изоляторе» (КНИ) с субмикронной толщиной приборного слоя.

Быстровосстанавливающиеся диоды это диоды, с малым временем обратного восстановления положения носителей заряда [А. Писарев. А. Сурма, А. Черников, мощные диоды для высокоэффективных инверторных систем, Электронные компоненты, №8, 2014, с. 77-82]. Так как подвижность дырок значительно ниже подвижности электронов, обычно время обратного восстановления приравнивается к «времени возвращения дырок».

Известна конструкция диода, описанная в заявке на выдачу патента на изобретение «Мощный силовой высоковольтный быстровостанавливающийся диод с малыми значениями прямовключенного напряжения» RU 2012106481, опубл. 27.08.2013, бюл. №24.

Такой диод формируют на высоколегированной монокристаллической GaAs подложке, что неприменимо для кремниевой технологии изготовления (кремниевых интегральных схем).

Также известен патент US 6699775 B2 «Manufacturing process for fast recovery diode, I. Bol, I. Ahmed, опубл.02.03.2004, описывающий конструкцию быстровосстанавливающегося диода, сформированного на кремниевой пластине.

Недостатком такого диода является диффузия дырок в n-область диода, что приводит к увеличению времени восстановления при изменении полярности приложенного напряжения на контакты.

Прототипом предложенной конструкции является патент US 20020008246 A1 «Диод с быстрым восстановлением и способ его изготовления» Р.Френсис, Ч. Нг опубл. 24.01.2002, где предлагается кремниевый диод с мягким восстановлением. В этом патенте при изготовлении проводится имплантация гелия в матрицу р-n перехода. Недостатком такого метода является большое время обратного восстановления, так как время восстановления определяется временем возврата дырок. Также недостатком этого патента является отрицательные последствия имплантации гелия в область диода. Так как имплантация приведет к увеличению дефектов в области диода и увеличению времени восстановления этого диода.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание диода на структуре КНИ с уменьшенным временем восстановления.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является уменьшение временем восстановления диода на структуре «кремний на изоляторе» с субмикронной толщиной приборного слоя и как следствие увеличение его быстродействия, а также расширение области применения.

Технический результат достигается тем, что быстровосстанавливающийся диод на структуре «кремний на изоляторе» с приборным слоем толщиной 0,2 мкм, включает два слоя кремния, легированные примесями разного типа проводимости и разделенные барьерным слоем из оксида кремния, при этом один из слоев легированного кремния сформирован в приборном слое структуры «кремний на изоляторе», затем выполнен барьерный слой из оксида кремния, туннельно-прозрачный для электронов и непрозрачный для дырок, толщина d которого определена из соотношения: , где J - плотность тока, ϕ_B - высота барьера, m* - эффективная масса, h - постоянная Планка, V - напряжение, q - элементарный заряд, на барьерном слое из оксида кремния выполнен второй легированный слой кремния, к которому сформированы пристенки из оксида кремния до барьерного слоя.

Изобретение поясняют следующие фигуры.

На фигуре 1 показана структура предлагаемого диода на основных этапах способа изготовления:

а - структура на этапе формирования барьерного (изолирующего) слоя из оксида кремния;

б - структура на этапе формирования легированного примесью первого типа проводимости слоя кремния в приборном слое КНИ;

в - структура на этапе формирования легированного примесью второго типа проводимости эпитаксиального слоя кремния;

г - структура на этапе формирования протравленного эпитаксиального слоя кремния;

д - структура на этапе формирования пристенков из оксида кремния к эпитаксиальному слою кремния.

На фигуре 1 приняты следующие обозначения:

1 - кремневая подложка;

2 - захороненный оксид кремния;

3 - приборный слой структуры КНИ;

4 - барьерный (изолирующий) слой из оксида кремния;

5 - слой кремния, легированный примесью первого типа проводимости;

6 - второй (эпитаксиальный) слой кремния, легированный примесью второго типа проводимостью;

7 - пристенки из оксида кремния.

На фигуре 2 приведены зависимости тока туннелирования от напряжения на этипаксиальном слое кремния для разных носителей заряда: электронов (а) и дырок (b).

Изобретение осуществляется следующим образом (на примере диода, где один кремниевый (приборный) слой легирован примесью n-типа, второй (этипаксиальный) слой кремния примесью р-типа).

На пластине КНИ, состоящей из кремниевой подложки 1, захороненного оксида кремния 2, приборного слоя кремния 3, формируют барьерный слой оксида кремния 4 методом высокотемпературного термического окисления в среде кислорода (фиг. 1а).

Далее методом ионной имплантации примеси и последующего отжига приборного слоя 3 формируют слой кремния 5, легированный примесью n-типа, например фосфором (фиг. 1б).

Далее посредством эпитаксиального осаждения и последующего ионного легирования формируют слой кремния 6, легированный примесью р-типа, например бором (фиг. 1в).

Потом формируют анод диода посредством реактивного ионного травления по маске анода эпитаксиального слоя кремния (фиг. 1г).

Далее формируют пристенки 7 путем осаждения слоя оксида кремния и безмасочного травления (фиг. 1д).

Процесс завершается формированием контактов посредством силицидирования не закрытых оксидом кремния областей.

Предложенный вариант диода содержит барьерный слой из оксида кремния туннельнопрозрачный только для электронов в необходимом для работы диода интервале напряжений. Таким образом, при приложении достаточного для туннелирования только электронов напряжения, дырки не туннелируют в область диода, легированную примесью n-типа, а накапливаются вблизи барьерного слоя из оксида кремния. При приложении обратного напряжения на такой диод, расстояние, проходимое дырками для полного восстановления диода мало, так как дыркам не нужно диффундировать из области n-типа, что значительно уменьшает время восстановления такого диода.

Разное значение напряжения туннелирования для электронов и дырок подтверждается литературными данными (С. Зи, Физика полупроводниковых приборов: В 2-х книгах. Кн. 1. Пер. с англ. - 2 перераб. и доп.изд. - М.: Мир, 1984. - 456 с, ил.), где указано, что при туннельном механизме переноса носителей заряда через изолятор, плотность тока зависит от эффективной массы носителя заряда по экспоненциальной зависимости. Причем, чем больше масса, тем меньше плотность тока.

Так как эффективная масса дырок больше эффективной массы электронов (Прахова М.Ю., Ишинбаев Н.А., Электротехнические материалы: Учеб. Пособие. - Уфа: Изд-во УГНТУ, 2000. - 139 с), то туннелирование электронов начнется при меньшей напряженности электрического поля, чем для туннелирования дырок.

Толщина барьерного слоя из оксида кремния, расположенного между двумя слоями кремния легированными примесями разных типов проводимости должна позволять прямое туннелирование электронов при используемых значениях напряженности электрического поля и препятствовать туннелированию дырок.

Известно соотношение, описывающее туннельную эмиссию - механизм проводимости диэлектриков:

, (1)

где J - плотность тока, ϕ_B - высота барьера, m* - эффективная масса, ε - электрическое поле, h - постоянная Планка, q - элементарный заряд (Зи. С, Физика полупроводниковых приборов: в 2-х книгах. Кн. 1. Пер. с англ. - 2-е перераб. и доп. изд. - М.: Мир, 1984. - 456 с).. Так как структуру диода можно представить как плоский конденсатор, то справедлива следующая зависимость напряжения (V) электрического поля от толщины изолятора d (d - расстояние между обкладками в плоском конденсаторе):

V=ε⋅d (2).

Толщина барьерного слоя из оксида кремния d определяется заданным диапазоном рабочих напряжений согласно формуле, полученной из выражений (1) и (2):

.

На фигуре 2 приведены вольтамперные характеристики - зависимости тока туннелирования носителей заряда через оксид кремния от напряжения на эпитаксиальном слое кремния 6, легированного бором, где кривая а - для электронов, b - для дырок, полученные численным моделированием для структуры, приведенной как пример, где анод сформирован над катодом диода и разделены изолирующим слоем оксида кремния.

Из анализа вольтамперных характеристик видно, что электроны через барьерный слой оксида кремния толщиной 25 А начитают туннелировать при напряжении на эпитаксиальном слое U=0,01 В, дырки начинают туннелировать при напряжении U=0,25 В. При напряжении U=0,6 В ток туннелирования дырок имеет порядок 10-13 А, что на восемь порядков меньше тока туннелирования электронов. Таким образом, для диода с барьерным слоем толщиной 25 А рабочим напряжением можно считать диапазон от 0,01 до 0,25 В. Так как ток туннелирования зависит от толщины изолирующего диэлектрика и напряженности электрического поля (Першенков B.C., Попов В.Д., Шальнов А.В., Поверхностные радиационные эффекты в элементах интегральных микросхем. - М: Электроатомиздат, 1988. - 256 с), то изменение толщины изолирующего слоя оксида кремния приведет к сдвигу диапазона рабочих напряжений. Рабочий интервал напряжений таких диодов - напряжение, при котором изолирующий слой оксида кремния является туннельно-прозрачным только для электронов, что приводит к уменьшению времени восстановления диода.

Таким образом, в настоящей заявке предложена структура быстровосстанавливающегося диода на структуре КНИ, где время обратного восстановления определяется временем возврата электронов, что приводит к уменьшению времени восстановления и к увеличению быстродействия диода.

Изобретение относится к области микроэлектроники, а именно к изготовлению диодов на структурах «кремний на изоляторе» (КНИ) с субмикронной толщиной приборного слоя. Быстровосстанавливающийся диод на КНИ включает два слоя кремния, легированные примесями разного типа проводимости и разделенные барьерным слоем из оксида кремния, при этом один из слоев легированного кремния сформирован в приборном слое структуры «кремний на изоляторе», затем выполнен барьерный слой из оксида кремния, туннельно-прозрачный для электронов и непрозрачный для дырок, толщина d которого определена из соотношения , где J - плотность тока, ϕ_B - высота барьера, m* - эффективная масса, h - постоянная Планка, V - напряжение, q - элементарный заряд, на барьерном слое из оксида кремния выполнен второй легированный слой кремния, к которому сформированы пристенки из оксида кремния до барьерного слоя. Технический результат - уменьшение временем восстановления диода, увеличение его быстродействия, а также расширение области применения. 2 ил.

Быстровосстанавливающийся диод на структуре «кремний на изоляторе» с приборным слоем толщиной 0,2 мкм, отличающийся тем, что включает два слоя кремния, легированные примесями разного типа проводимости и разделенные барьерным слоем из оксида кремния, при этом один из слоев легированного кремния сформирован в приборном слое структуры «кремний на изоляторе», затем выполнен барьерный слой из оксида кремния, туннельно-прозрачный для электронов и непрозрачный для дырок, толщина d которого определена из соотношения , где J - плотность тока, ϕ_B - высота барьера, m* - эффективная масса, h - постоянная Планка, V - напряжение, q - элементарный заряд, на барьерном слое из оксида кремния выполнен второй легированный слой кремния, к которому сформированы пристенки из оксида кремния до барьерного слоя.