Высоковольтный биполярный транзистор

Высоковольтный биполярный транзистор

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

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 ли ч а ю щ и и с я тем, что, с целью повышения пробивного напряжёЮЕСОшендн HATEHTJS-TEKi i iBKftil БИБЛИОТЕКА ия с одновременным снижением сопроивления 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

СОЮЗ СОВЕтСНИХ социАлистичесних

РЕСПУБЛИК

ÄÄSUÄÄ 1039413 (g1)g H 01 L 29/72

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н A ВТОРСКОМ,Ф СВИДЕТЕЛЬСТВУ у = где х мин

) ракс

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ пО изОБРетениям и ОтнРытиям

flPH ГКНТ СССР (21) 3375620/18-25 (22) 06.01.82 (46) 30,10.90. Бюл. 9 40 (72) Л.Н.Афонин, Е.З.Иазель и Л.Е.Стесин (53) 621.382 (088.8) (56) New technology advance power

semiconductor State " of — thi—

art "R.Dehning, G.Whate, Solid Staйе

Патент США 11 - 3.391.287 кл. 307-302, опубл. 1968 ° (54)(57) ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ БИПОЛЯРНЫЙ

ТРАНЗИСТОР, содержащий области эмиттера базы и коллектора, в приповерхностиой зоне последней сформированы кольцевые области того же типа проводимости, что и область базы, о т— л и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения пробивного напряжем

Изобретение относится к полупро- ° водниковой технике, в частности к койструкции высоковольтных быстродейст-:. вующих транзисторов.

В настоящее время в промьппленности широко используются высоковольтные полупроводниковые приборы, в частности быстродействующие высоковольтные переключающие транзисторы. Эти приборы должны обладать черезвычайно высоким сочетанием электрических параметров. В том числе, для обеспече- . ния требуемых высоких значений максимального тока, малого значения сопротивления насыщения и высоких частотФ

2 пия с одновременным снижением сопроивления насыщения, области выполнены на разном расстояния (у„) друг от друга, которое монотонно увеличивается к периферии и удовлетворяет следующему соотношению минимальная допустимая глубина кольцевой области, максимально допустимая глубина кольцевой области; коэффициент, равный

0,1 — 0,2; минимальная ширина области пространственного ряда, соответствующая поверхностному пробою; номер кольцевой области.

1О с© ных свойств необходимо, чтобы они обладали достаточно высоким пробивным напряжением при минимально возможном удельном сопротивлении исходного полупроводникового материала.

Известно, что в высоковольтных полулроводниковых приборах пробой р-ипереходов происходит практически а всегда на поверхности. Для того,чтобы увеличить поверхностное пробивное. напряжение существует ряд методов.

Прежде всего, это высоковольтные ме" за-структуры, в которых величина поверхностного пробивного напряжения повьппается за счет специального .фор" мирования поверхности вблизи от выхода на нее границы р-п-перехода.

Известна кснструкция 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 защнтного 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 расстояние от основного р-и-перехода до первой кольцевой области и между последующими кольцевыми областями выбираются меньшими, чем ширина пространственного заряда> соответствующая началу поверхностного пробоя Основного р-и-переходя (при Отсутствии вокруг него кольцевых Областеи), возникает возможность "прокола" между оcíîâíûì переходом и первой кольцевой областью, затем между первой и второй кольцевой областью и т.д.

После того, как прокол возник,элект.рическое поле в "проколотом" зазоре перестает расти при увеличении чапря;кения, 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 чапряжение поверхностного пробоя может повышаться, Недостатком такого устройства является то, что в нем совершенно не учтено наличие неизбежных разбросов таких величин, как глубина р-и-перехода и удельное сопротивление исходного полупроводникового материала в объеме и на поверхности (поверхностное сопротивление может неконтролируемым образом уменьшаться за счет наличия примесей в защитном покры*. тии и иа поверхности полупроводника и быть в несколько раз ниже объемного).

Наличие всех этих недостатков приводит к тому, что такие приборы будут иметь недостаточно высокое пробивное напряжение, далекое От объемного пробивного напряжен:- я.

Целью изобретения является повышение пробивного напряжения с одновременным снижением сопротивления

10 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, тига проводимости, области выполнены на разном расстоянии (у„) друг от друга, которое монотонно у в еличив аеч ся к Г сриферии и удовлетворяет следующему соотношению:

30 у, = (4х,„„„ 1 8х,„ ) + с пэ где х — минимальная допустимая

j мин глубина кольцевой области; х — максимально допустимая глубина кольцевой области, коэффициент, равный

О,! — 0,2;

Л вЂ” миннмальная ширина области пространственного заряда, соответствующая поверхностному пробою;

35 n — номер кольцевой области.

Так как стяжение поверхностного удельного сопротивления, вызванное наличием зарядов в защитном окиспе и на поверхности полупроводника,при40 водит к соответственному снижению поверхностного пробивного напряжения, то и размеры расстояния между кольцевыми Областями также должны быть уменьшены по сравнению с тем, что бы45 ло бы 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 снижение поверхностного сонротивлечия. Если бы снижение поверхностного . сопротивления всегда было бы в полне определенным, то для обеспечения д поверхностного гробоя на уровне Не ниже объемного„ надо соответствукнцим образом уменьшить расстояние между кольцевыми областями (по сравнению с -,åì расстоянием между кольцевыми

39413 б сопротивления. Так, например, среднему снижению поверхностного удельногбсопротивления до 10 Ом см, как пока5 зывает эксперимент, соответствует шаг, равный 30 мкм. Если в структуре создать кольцевые области с постоянно увеличивающимся шагом от 9 до

36 мкм, выбрав I< = 0,1, то подобная

10 система кольцевых областей обеспечит высокое поверхностное напряжение и для резкого и для небольшого снижения поверхностного удельного сопротивления. Если поверхностное удель15 нее сопротивление снизилось до

5 Ом-см, то на первых 5 кольцевых .областях падение напряжения составит

1100 В, между 5 и 6 кольцевыми областями произойдет поверхностный

20 пробои, что сравнительно близко к объемному пробивному напряжению,равному Ф 1200 В. Если же снижение поверхностного удельного сопротивле25 . ния будет небольшим (м до 40 Ом- см) ю то падение напряжения на всех 9 кольцевых областях составит 600 В,,а падение напряжения за последней кольцевой областью в момент начала поверхностного пробоя составит около

30 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

40 кольцевыми областями не должно быть постоянным, а должно увеличиваться к периферии по закону у = А + kdn, 5 l0 областями, которое требуется обеспе-

I чивать в случае отсутствия снижения поверхностного сопротивления). Кроме того, потребуется соответственно уве- личить число кольцевых областей. Как. показывает эксперимент, если в крем-: нии и-типа с удельным сопротивлением порядка 50 Ом см требуется получить максимально высоковольтные планарные р-п-переходы, то для этого достаточно вокруг основного р-и-перехода создать две кольцевые области, располо- женные 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, пространственный заряд будет расширяться, но поверхностного пробоя не наступит, так как до этого произойдет объемный пробой при напряжении порядка 1200 В. При снижении поверхностного удельного сопротивления в 5 раз, т.е. до 10 Ом, ширина пространственного заряда,при которой произойдет паверхностньй пробой, снизится до,примерно, 30 мкм,. а напряжение поверхностного пробоя

:упадет до 400 В. В соответствии с этим для обеспечения поверхностного пробивного напряжения свьппе объемного, т.е. свьппе 1200 В, необходимо вокруг основного перехода создавать не менее 3 кольцевых областей на расстоянии не более 30 мкм друг от друга.

Однако в связи с тем, что снижение поверхностного сопротивления происходит неконтролируемым образом, то нельзя выбирать одинаковые расстояния между кольцевыми областями.

Если расстояние между кольцевыми областями выполнить монотонно увеличивающимся от основного р-п-перехода к периферии кристалла, то тем меньше будет изменение шага между сосед,ними кольцевыми областями, тем на:дежнее выбранная система кольцевых областей будет обеспечивать повьппение поверхностного пробоя даже в слу чае большого разброса поверхностно-- го удельного сопротивления; Согласно: результатам проведенных экспериментов, изменение шага между кольцевыми : областями целесообразно выбрать рав- . ным О,1 - 0,2 от того шага, который .соответствует наиболее вероятному снижению поверхностного удельного

45 . где n — номер кольцевой области

В

d — - минимальная ширина области пространственного заряда, соответствующая II0Bерхностному пробою при наиболее вероятном снижении поверхностного удельного сопротивления;

k — коэффициент, лежащий в пределах 0,1 — 0,2.

При изготовлении транзисторов известно, что для создания основной и кольцевой областей используется диффузия в отверстия в маскирующем слое окисла. Известно также, что в процес1039413 се диффузии через 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 может происходить на разное расстояние, что приведет к разбросу глубины создаваемых областей. В какой-той мере этот разброс не подцается контролю„ но помимо этого может существовать еще больший допустимый разброс глубины создаваемых областей, ограниченный допустимыми значениями различных параметров прибора. В рассматриваемом классе приборов глубина создаваемых областей может лежать в пределах от 8 до 17 мкм. Таким образом, задавая определенную ширину кольцевых отверстий в маскирующем окисле и определенные расстояния между ниии, 25 установили, что расстояние между. создаваемыми кольцевыми областями, должно быть, во-первых, уменьшено на удвоенную величину проникновения примеси в боковом направлении, а во- щ0 вторых, должен быть учтен разброс, связанный с разбросом глубины создаваемых областей и с разбросом глубины диффузии в боковом направлении.

Следовательно, если расстояние между кольцевыми отверстиями в окисле равно х, то расстояние между кольцевыми областями, создаваемыми путем .диффузии в эти отверстия без учета разбросов будет равно у = х — 2 х х (0,7-0,9)х, где х — глубина кольцевой области, а с учетом разброса оно будет лежать в пределах от умакс = х 2 0 7 х3мимдо у1 Ф.„ы = х — 2 0,9 х „с. Учет этого разбро- 45 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 размера кольцевого отверстия в окисле.Иначе говоря, А = 2,0,7 xj „,1,- 2 х )цакс a y = (4 x j мин

1,8х а«) + kdn °

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-и-переходом в момент, соответствующий началу объемного пробоя, Иначе

n=N

> — — -- U

«111 п оБ н соотв

Ч 3n) О где в правой части приведено выражение для ширины пространственного заряда резкого р-и-перехода в момент начала объемного пробоя. В этом выражении Я вЂ” относительная диэлектрическая проницаемость; Яо — диэлектрическая проницаемость вакуума; заряд электрона; U роо — объемное пробивное напряжение, При суммировании величины у — учли величины у только для неперекрывающихся кольце- вых областей, что видно из записи соответственно у„) 0 в нижней части знака cymar.

Пример. Были изготовлены кремниевые биполярные высоковольтные быстродействующие п-р-п-транзисторы, в коллекторной области которых были сформированы кольцевые области р-типа. Расстояния межцу ними были выбраны с предлагаемым соотношением при следующих значениях, входящих в него величин: х „щ,= 8 мкм, х „„,„

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 N = 12 выбиралось для наихудшего случая х 1 „,ц„„ = 1 7 мкм.

Полученные образцы транзисторов. имели пробивное напряжение в диапазоне 950-1150 В. Для получения транзисторов с аналогичными пробивными напряжениями любыми другими известньг ми методами необходимо использова ние исходного высокоомного кремния с удельным сопротивлением менее

60 Ом см, что вызовет. увеличение соп ротивления насыщения не менее чем в 1,5 раза.

Использование изобретения позволяет создать высоковольтные биполяр10

1039413

ТехРед Л.Олийнык

Редактор Е.Иесропова

Корректор В.Гирняк

Заказ 4352 Тирай 446 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r.Óæãîðîä, ул. Гагарина, 101 ные транзисторы с пробивным напряжением до 1000-1200 В при сопротивлении насыщения порядка 1,3 Ом на то-

I ках до 4-5 А, которые могут быть ис-, пользованы в бестрансформаторных источниках питания телевизоров.