Высоковольтный биполярный транзистор Советский патент 1990 года по МПК H01L29/72 

Изобретение относится к полупро- водниковой технике, в частности к конструкции высоковольтных быстродействующих транзисторов.

В настоящее время в промьшшённости широко используются высоковольтные полупроводниковые приборы, в част-, ности быстродействующие высоковольтные переключающие транзисторы. Эти приборы должны обладать чрезвычайно высоким сочетанием электрических па- раметров. Б том числе, для обеспече-. ния требуемых высоких значений максимального тока, малого значения сопротивления насыщения и высоких частотоосо

ных свойств необходимо, чтобы они обладали достаточно высоким пробивным напряжением при минимально возсоможном удельном сопротивлении исходного полупроводникового материала.

Известно, что в высоковольтных полупроводниковых приборах .пробой р-ппереходов происходит практически

всегда на поверхности. Для того,чтобы ув.еличить поверхностное пробивное, напряжение существует ряд методов. , Прежде всего, это высоковольтные меза-структуры, в которых величина поверхностного пробивного напряжения повьщга.ется за счет специального- формирования поверхности вблизи от выхода на нее границы р-п-лерехода.

Известна конструкция прибора, в котором мезаструктура выполнена в виде кольцевой канавки. Данная конструкция также нетехнологична, так как включает в себя также невоспроизводимые процессы как прецизионное глубинное травление кремния с точностью до долей микрона, а также нанесение многослойного защ)ятного покрытия с заданным в очень узких пределах составом и толщиной слоев и с очень высокими требованиями к чистоте поверхности полупроводника.

Наиболее близким по технической сущности к устройству согласно изобретению является высоковольтный биполярный транзистор, содержащий области эмиттера базы и коллектора, в приповерхностной зоне последней сформированы кольцевые области того же, что и область базы, типа проводимости. Благодаря тому, что ра.сстояние от основного р-п-перехода до первой кольцевой области и между последующими кольцевыми областями выбираются меньшими, чем ширина пространственного заряда, соответствующая начапу поверхностного пробоя основного р-п-перехода (при отсутствии вокруг него кольцевых областей), воз никает возможность прокола между основным переходом и первой кольцевой областью., -затем между первой и второй кольцевой областью и т.д. lioaie того, как прокол возник,электричесхое поле в проколотом зазоре перестает расти при увеличении напряжения, поданного на р-п-переход,и в этом зазоре поверхностного пробоя не происходит,, Затем начинает расти поле .во втором зазоре и т.д. В результате напряжение поверхностного пробоя может повышаться.

Недостатком такого устройства является то, что в нем совершенно не учтено наличие неизбежных разбросов таких величин, как глубина р-п-перехода и удельное сопротивление исходного, полупроводникового материала в объеме и на поверхности (поверхностное сопротивление может неконтролиpye Iым образом уменьшаться за счет наличия примесей в защитном покрыгтии и на поверхности полупроводника к быть в несколько раз ниже объемного) .

На.пичие всех этих недостатков приводит к тому, что такие приборы будут иметь недостаточно высокое пробивное напряжение, далекое от объемного пробивного напряжения.

Целью изобретения является повышение пробивного напряжения с одновременным снижением сопротивления насыщения.

Поставленная цель достигается тем, что в известном высоковольтном биполярном транзисторе, содержащем области эмиттера, базы и коллектора, в

приповерхностной зоне последней сформированы кольцевые области того же, что и область базы, типа проводимости, области выполнены на разном расстоянии (у) друг от друга, которое

монотонно увеличивается к периферии и удовлетворяет следующему, соотношению ;

УП (1ми« - ,кР - где X; - минимальная допустимая

J ЛЛИп

глубина кольцевой области; х} - максимально допустимая

1 Лл к V

глубина кольцевой области; k - коэффициент, равньй О, - 0,2;

d - минимальная ширина области пространственного заряда, соответствующая поверхностному пробою; п - номер кольцевой области. Так как снижение поверхностного удельного сопротивления, вызванное наличием зарядов в защитном окиспе и на поверхности полупроводника5Приводит к соответственному снижению

поверхностного пробивного напряжения, тс и размеры расстояния между кольцевыми областями также должны быть уменьшены по сравнению с тем, что было бь при отсутствии снижения поверхностного сопротивления. По экспериментальным данным, снижение удельного сопротивления в среднем по сравнению с объемным наблюдается в 5 - 10 раз, но возможно и более сильное сш-Ежение поверхностного сопротивления. Если бы снижение поверхностного сопротивления всегда бьшо бы в полне определенным, то для обеспечения поверхностного пробоя на уровне ре низке объемного,, надо соответствующим образом уменьшить расстояние между кольцевыми областями (по сравнению с тем расстоянием между кольцевыми. областями, которое требуется обеспечивать в случае отсутствия снижения поверхностного сопротивления). Кроме того, потребуется соответственно уве личить число кольцевых областей. Как показывает эксперимент, если в кремНИИ п-типа с удельным сопротивлением порядка 50 Ом. см-требуется максимально высоковольтные пленарные р-п-пёреходы, то для этого достаточно вокруг основного р-п-перехода соз дать две кольцевые областиj расположенные на расстоянии порядка 70 мкм друг от друга. При этом в двух образовавшихся зазорах будет падать напряжение примерно по 500 В, а на поверхности, расположенной за второй кольцевой областью, пространственньй заряд будет расширяться, но поверхностного пробоя не наступит, так как до этого произойдет объемный пробой при напряжении порядка 1200 3. При снижении поверхностного удельного сопротивления в 5 раз, т.е. до 10 Ом ширина пространственного заряда,при которой произойдет паверхностный пробой, снизится до,примерно, 30 MKM а напряжение поверхностного пробоя упадет до 400 В. 3 соответствии с этим для обеспечения поверхностного пробивного напряжения свьше объемного, т.е. свьппе 1200 В, необходимо вокруг основного перехода создавать не менее 3 кольцевых областей на рас стоянии не более 30 мкм друг от друОднако в связи с тем, что снижение поверхностного сопротивления про исходит неконтролируемым образом, то нельзя выбирать одинаковые расстояния между кольцевыми областями. Если расстояние между кольцевыми областями вьтолнить монотонно увеличивающимся от основного р-п-перехода к периферии кристалла, то тем мен ше будет изменение шага между сосед .ними кольцевыми областями, тем на;дежнее выбранная система кольцевых областей будет обеспечивать повышение поверхностного пробоя даже в слу чае большого разброса поверхностного удельного сопротивления. Согласно результатам проведенных эксперимен:Тов, изменение шага между кольцевыми областями целесообразно выбрать равным 0,1 - 0,2 от того шага, который соответствует наиболее вероятному снижению поверхностного удельного опротивления. Так, например, среднеу снижению поверхностного удельног(5опротивления до 10 , как покаывает эксперимент, соответствует | аг, равный 30 мкм. Если в структуре оздать кольцевые области с постояно увеличивающимся шагом от 9 до . 36 мкм, выбрав К 0,1, то подобная система кольцевых областей обеспечит высокое поверхностное напряжение и для редкого и для небольшого снижения поверхностного удельного сопротивления. Если поверхностное удельна сопротивление снизилось до 5 Ом-см, то на первых 5 кольцевых областях падение напряжения составит i 1100 В, между 5 и 6 кольцевыми областями произойдет поверхностный пробой, что сравнительно близко к объемному пробивному напряжению,равному «1200 В. Если же снижение поверхностного удельного сопротивления будет небольшим (лгдо 40 Ом-см), то падение напряжения на всех 9 кольцевых областях составит cs 600 В, а падение напряжения за последней кольцевой областью в момепт начала поверхностного пробоя составит около 1100 В, что достаточно близко к объемному пробою. Уменьшая изменение расстояния между кольцевыми областями и число кольцевых областей, можно усилить достигаемый эффект. Таким образом, учет того обстоятельства, что поверхностное удельное сопротивление полупроводника меняется неконтролируемым образом, приводит к тому, что расстояние между кольцевыми областями не должно быть постоянным, а должно увеличиваться к периферии по закону у А + kdn, где п - номер кольцевой области; d - минимальная ширина области пространственного заряда, соответствующая поверхностному пробою при наиболее вероятном снижении поверхностного удельного сопротивления ; k - коэффициент, лежащий в пределах 0., I - 0,2. При изготовлении транзисторов известно, что для создания основной и кольцевой областей используется дн гфузия в отверстия в маскирующем слое окисла. Известно также, что в процес, се диффузии 4eiie3 отверстия в маскирующем окисле примесь проникает как вглубь, так и в боковом направлении. Отношение глубины диффузии примеси в боковом направлении и вглубь полупроводника точно неизвестно, но как показывает эксперимент, оно может лежать в пределах от 0,7 до 0,9. Кроме того, сама диффузия вглубь мо жет происходить на.рйзное расстояние что приведет к разбросу глубины создаваемых областей. В какой-той мере этот разброс не поддается контролю, но помимо этого может существовать еще больший допустимьй разброс глуби ны создаваемых областей, ограничен- ный допустимыми значениями различных параметров прибора. В рассматриваемом классе приборов глубина создаваемых областей может лежать в пределах от 8 до 1 мкм. Таким образом, задавая определенную ширину кольцевых отверстий в маскирующем окисле и определенные расстояния между ними установили, что расстояние между создаваемыми кольцевыми областями, должно быть, во-первых, уменьшено на удвоенную величину проникновения примеси в боковом направлении, а вовторьк, должен быть учтен разброс, связанньй с разбросом глубины создаваемых областей и с разбросом глубины диффузии в боковом направлении. Следовательно, если расстояние между кольцевыми отверстиями в окисле равно X, то расстояние между коль цевыми областями, создаваемы1Ш путем -диффузии в эти отверстия без учета разбросов будет равно у х - 2 к X (0,7-0,9)xj, гд х1 - Глубина кольцевой области, а с учетом разброса оно будет лежать в пределах от У. 2-0.7 ,flo X - ,9 xj . Учет atoro разбро са и приводит к появлению в выражении для шага между кольцевыми областями составляющей А, равной разности между максимальной и минимальной величиной шага между этими областями, при условии фиксированного разме ра 1 ольцевого отверстия в окисле.Ина че говоря, А 2,0,7 xi м«кс УП 0,4 jS iwatic ) + . Для того, чтобы пробивные напряжения стали близкими к объемному,необходимо, чтобы суммарная ширина .всех зазоров между кольцевыми областями была больше ширины пространственного заряда под основным р-п-переходом в момент, соответствующий началу объемного пробоя. Иначе Л чйГ П,СООТБ 1 где в правой части приведено выражение для ширины пространственного заряда резкого р-п-перехода в момент начала объемного пробоя. В этом выражении - относительная диэлектрическая проницаемость; 5 - диэлектрическая проницаемость вакуума; q заряд электрона; U „„Qg - объемное пробивное напряжение. При суммирова- . НИИ величины у j - учли величины у только для неперекрывающихся кольцевых областей, что видно из записи соответственно Уй О в нижней части знака суммы. Пример. Были изготовлены кремниевые биполярные высоковольтные быстродействующие п-р-п-транзисторы, в коллекторной области которых были сформированы кольцевые области р-типа. Расстояния между ними бьти выбраны с предлагаемым соотношением при следующих значениях, входящих в него величин: 8 мкм, xj „ 17 мкм, что обеспечивает требуемые значения остальных параметров для транзисторов данного класса, d - 20 мкм, что соответствует наблюдавшемуся снижению поверхностного удельного сопротивления в среднем до величины порядка 5 Ом«см (при удельном сопротивлении исходного эпитаксиального п-слоя, равного 40±10 Ом.см), коэффициент К, учитывающий неравномерность снижения поверхностного удельного сопротивления, был взят равным 0,15, количество кольцевых областей Ы 12 выбиралось для наихудшего случая XJ дко 17 мкм. Полученные образцы транзисторов имели пробивное напряжение в диахтазоне 950-1150 В. Для получения транзисторов с аналогичными пробивными напряжениями любыми другими известными методами необходимо использова ние исходного высокоомного кремния с удельным сопротивлением менее 60 Ом «см, что вызовет увеличение con-t; ротивления насыщения не менее чем в 1,5 раза. Использование изобретения позволяет создать высоковольтные биполяр- .

91039413.10

ные транзисторы с пробивным напряже- ках до 4-5 А, которые могут быть иснием до 1000-1200 В при сопротивле- пользованы в бестрансформаторных НИИ насыщения порядка 1,3 Ом на то- источниках питания телевизоров.

ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ БИПОЛЯРНЫЙ ТРАНЗИСТОР, содержащий области эмиттера, базы и коллектора, в приповерхностной зоне последней сформированы кольцевые области того же типа проводимости, что и область базы, о т л- и ч а ю щ и и с я тем, что, с целью повышения пробивного напряжёЮЕСОшендн HATEHTJS-TEKi i iBKftil БИБЛИОТЕКА ия с одновременным снижением сопро- ивления насьщения, области выполнецы на разном расстояния (у„) друг от друга, которое монотонно увеличивается кпериферии и удовлетворяет следующему соотношению УП 0.4XJ ,- ..J + kdn. 1МИИ iMaKc где X : минимальная допустимая } мин глубина кольцевой области; максимально допустимая X J макс глубина кольцевой области; k коэффициент, равньй 0,1 - 0,2; (О d минимальная ширина облас(Л ти пространственного ряда, соответствующая поверхностному пробою; номер кольцевой области. n