Полупроводниковый прибор с самозащитой от перенапряжений

Изобретение относится к конструкции полупроводниковых приборов с самозащитой от пробоя при перенапряжениях в закрытом состоянии, а именно к конструкции динисторов и тиристоров, в том числе симметричных. Техническим результатом изобретения является снижение относительного разброса значений напряжения переключения прибора U_ВО, упрощение технологии его изготовления, повышение процента выхода годных приборов. Сущность изобретения: полупроводниковый прибор с самозащитой от перенапряжений выполнен на основе кремниевой пластины n-типа электропроводности с двумя главными поверхностями, расположенными на противоположных сторонах пластины. Прибор содержит со стороны первой главной поверхности эмиттерный n-слой, диффузионный базовый р-слой с вытравленной ямкой, образующий коллекторный р-n-переход в исходной кремниевой пластине и имеющий участок с высоким градиентом концентрации акцепторной примеси, расположенный под вытравленной ямкой, эмиттерный р-слой, сформированный со стороны второй главной поверхности пластины, электроды анода, катода и управляющий электрод. Диффузионный базовый р-слой содержит под вытравленной ямкой акцепторную примесь первого типа, вне ямки - акцепторные примеси как первого, так и второго типа, имеющие разные коэффициенты диффузии, а глубина h [мкм] вытравленной ямки удовлетворяет условию 1,1≥h/(х_j2-х_j1)≥0,8, где х_ji и х_j2 [мкм] - глубина диффузии акцепторных примесей первого и второго типов, соответственно. 4 ил., 1 табл.

 

Изобретение относится к конструкции полупроводниковых приборов с самозащитой от пробоя при перенапряжениях в закрытом состоянии, а именно к конструкции динисторов и тиристоров, в т.ч. симметричных.

Известна конструкция полупроводникового прибора с самозащитой от перенапряжений (заявка Японии №61-247071, кл. H 01 L 29/74, опубл. 04.11.86 г.), содержащая четырехслойную структуру с базовым р-слоем, имеющим вытравленную ямку на его поверхности. Ямку травят после формирования р-слоя. В случае приложения к прибору, находящемуся в закрытом состоянии, перенапряжения область пространственного заряда (ОПЗ) коллекторного перехода достигает боковой поверхности ямки. При этом напряженность электрического поля на боковой поверхности ямки повышается настолько, что возникает лавинный пробой, и прибор включается в окрестности ямки током лавинного пробоя.

Недостатком такой конструкции является высокая чувствительность напряжения переключения прибора U_BO [В], связанная с разбросом глубины ямки, качеством ее травления и последующей пассивации. Следствием этого является большой разброс U_BO от прибора к прибору.

Известна конструкция полупроводникового прибора с самозащитой от перенапряжений (заявка Японии №61-226963, кл. H 01 L 29/74, опубл. 08.10.86 г.), содержащая четырехслойную структуру, в которой n-эмиттер сформирован в базовом р-слое с вытравленной ямкой на его поверхности. Ямку травят до формирования базового р-слоя, поэтому коллекторный переход повторяет своим сечением профиль вытравленной ямки. Напряжение лавинного пробоя коллекторного перехода в области ямки, а следовательно, и U_BO полностью зависят от глубины и диаметра ямки, радиуса кривизны ее боковой поверхности (H.Ohashi, J.Yoshida, Y.Yamaguchi, J.Akagi. Design consideration for high power, overvoltage self-protected thyristor. - Proceedings IPEC, Tokyo, 1983, p.550-558), а процесс ее создания, обеспечивающий заданные значения U_BO, чрезвычайно трудоемок.

Самое близкое решение (заявка Японии №59-009970, кл. H 01 L 29/74, опубл. 19.01.84 г.) относится к конструкции полупроводникового прибора с самозащитой от перенапряжений, выполненного на основе кремниевой пластины n-типа электропроводности с двумя главными поверхностями, расположенными на противоположных сторонах пластины, содержащего со стороны первой главной поверхности эмиттерный n-слой, диффузионный базовый р-слой с вытравленной ямкой, образующий коллекторный р-n-переход в исходной кремниевой пластине и имеющий участок с высоким градиентом концентрации акцепторной примеси, расположенный под вытравленной ямкой, эмиттерный р-слой, сформированный со стороны второй главной поверхности пластины, электроды анода, катода и управляющий электрод.

Эмиттерный n-слой охватывает периферийную область ямки, управляющий электрод целиком расположен на ее дне, сама же ямка образована до формирования диффузионного базового р-слоя.

Лавинный пробой коллекторного р-n-перехода, в случае перенапряжения прибора в закрытом состоянии, начинается под ямкой, т.е. на участке с высоким градиентом концентрации акцепторной примеси в диффузионном базовом р-слое. Однако в решении не указана глубина данной ямки, которая влияет на напряжение лавинного пробоя коллекторного р-n-перехода. Не указано также количество типов акцепторных примесей, формирующих диффузионный базовый р-слой, в том числе на участке, где примесь имеет высокий градиент концентрации.

Техническим результатом предлагаемого решения является снижение относительного разброса значений напряжения переключения прибора U_BO, упрощение технологии его изготовления, повышение процента выхода годных приборов.

Технический результат достигается тем, что в предлагаемой конструкции полупроводникового прибора с самозащитой от перенапряжений, выполненного на основе кремниевой пластины n-типа электропроводности с двумя главными поверхностями, расположенными на противоположных сторонах пластины, содержащего со стороны первой главной поверхности эмиттерный n-слой, диффузионный базовый р-слой с вытравленной ямкой, образующий коллекторный р-n-переход в исходной кремниевой пластине и имеющий участок с высоким градиентом концентрации акцепторной примеси, расположенный под вытравленной ямкой, эмиттерный р-слой, сформированный со стороны второй главной поверхности пластины, электроды анода, катода и управляющий электрод, диффузионный базовый р-слой содержит под вытравленной ямкой акцепторную примесь первого типа, вне ямки - акцепторные примеси как первого, так и второго типа, имеющие разные коэффициенты диффузии, а глубина h [мкм] вытравленной ямки удовлетворяет условию:

где x_j1 и x_j2 [мкм] - глубина диффузии акцепторных примесей первого и второго типов, соответственно.

Признаками, отличающими данное техническое решение от прототипа, являются:

1. Диффузионный базовый р-слой содержит под вытравленной ямкой акцепторную примесь первого типа, а вне ямки - акцепторные примеси первого и второго типа, имеющие разные коэффициенты диффузии.

2. Глубина h вытравленной ямки удовлетворяет условию (1).

Известных технических решений с такими признаками не обнаружено.

Положительный результат достигается тем, что при выполнении условия (1) практически исключается влияние кривизны коллекторного р-n-перехода под ямкой на напряжение переключения прибора U_BO. При этом относительный разброс значений U_BO не превышает 10%. Формирование диффузионного базового р-слоя, содержащего под вытравленной ямкой акцепторную примесь первого типа, а вне ямки - акцепторные примеси первого и второго типов, имеющие разные коэффициенты диффузии, позволяет изготавливать прибор путем одновременной диффузии акцепторных примесей обоих типов. Это упрощает технологию изготовления прибора, что, в свою очередь, приводит к повышению процента выхода годных приборов.

На фиг.1 изображен фрагмент полупроводникового прибора (тиристора) предложенной конструкции, когда диффузионный базовый р-слой содержит под ямкой акцепторную примесь первого типа, а вне ямки - акцепторные примеси первого и второго типа.

На фиг.2 - сечение прибора, когда глубина вытравленной ямки равна оптимальной величине (h=h_опт).

На фиг.3 - сечение прибора, когда глубина вытравленной ямки больше оптимальной величины (h>h_опт).

На фиг.4 - сечение прибора, когда глубина вытравленной ямки меньше оптимальной величины (h<h_опт).

Полупроводниковый прибор выполнен на основе кремниевой пластины 1 n-типа электропроводности с двумя главными поверхностями. Со стороны первой главной поверхности 2 расположены: эмиттерный n-слой 3 и диффузионный базовый р-слой 4 с вытравленной ямкой 5, которая образована до его формирования. Диффузионный базовый р-слой образует в исходной кремниевой пластине коллекторный р-n-переход j_k и имеет участок 6 с высоким градиентом концентрации акцепторной примеси под вытравленной ямкой. С этой же стороны пластины созданы электрод катода 7 и управляющий электрод 8 (фиг.1).

Эмиттерный р-слой, который может быть создан одновременно с диффузионным базовым р-слоем, и электрод анода со стороны второй главной поверхности пластины на фиг.1 не показаны.

Глубина вытравленной ямки 5 может быть разной, а именно может быть равной оптимальной глубине (фиг.2), больше (фиг.3) или меньше (фиг.4) оптимальной глубины.

Для формирования диффузионного базового р-слоя 4 использованы акцепторные примеси двух типов, имеющие разные коэффициенты диффузии. Поэтому диффузионный базовый р-слой вне вытравленной ямки состоит из двух частей 9, 10, а под ямкой - из одной части 6. Часть 9 базового р-слоя сформирована диффузией бора и алюминия, часть 10 - диффузией алюминия, а часть 6 - диффузией только бора.

Коллекторный р-n-переход j_k в случае, когда глубина вытравленной ямки h=h_опт (фиг.2), состоит из двух частей 11, 12. При глубине ямки h>h_опт (фиг.3) он состоит из трех частей 11, 12, 13, а при h<h_опт - также из трех частей 11, 12, 14.

При работе прибора в случае приложения к нему перенапряжения в закрытом состоянии лавинный пробой всегда происходит на участке 11 коллекторного перехода.

Обусловлено это следующим. Любая примесь, в т.ч. акцепторная, имеющая более высокий коэффициент диффузии, обладает меньшей растворимостью в кремнии, чем примесь с низким коэффициентом диффузии. Вследствие этого всегда можно добиться (путем соответствующего подбора состава диффузанта), чтобы поверхностная концентрация акцепторной примеси первого типа Nsa1 [см^-3] превышала поверхностную концентрацию акцепторной примеси второго типа Nsa2 [см^-3]. С другой стороны, при одновременной диффузии акцепторных примесей обоих типов глубина диффузии акцепторной примеси первого типа x_j1 всегда меньше глубины диффузии акцепторной примеси второго типа х_j2.

Именно выполнение условий Nsa1>Nsa2 и x_j1<x_j2 позволяет обеспечить более высокий градиент примеси первого типа в окрестности коллекторного перехода j_k на участке 6 диффузионного базового р-слоя по сравнению с градиентом примеси второго типа в окрестности коллекторного перехода на участке 10. При этом напряжение лавинного пробоя коллекторного перехода на участке 11 (U_BR11) [В] всегда меньше, чем на участке 12 (U_BR12) [В]. Ток лавинного пробоя коллекторного перехода на участке 11, воздействуя как ток управления, приводит к переключению прибора и тем самым защищает его от необратимого пробоя в закрытом состоянии.

Поверхностные концентрации Nsa1 и Nsa2 акцепторных примесей первого и второго типов целесообразно выбирать в пределах, обеспечивающих разницу в напряжениях лавинного пробоя участков 11 и 12 коллекторного р-n-перехода jk в пределах 5÷10%.

Травление ямки на оптимальную глубину h_опт=X_j2-X_j1 позволяет обеспечить плоскостность коллекторного р-n-перехода j_k по всей площади прибора (фиг.1, 2). В этом случае напряжение лавинного пробоя участка 11 коллекторного перехода зависит только от концентрации доноров в исходной кремниевой пластине 1 n-типа электропроводности Ndo [см^-3] и профиля распределения бора в диффузионном базовом р-слое под вытравленной ямкой.

На значения напряжения лавинного пробоя влияет также кривизна коллекторного р-n-перехода j_k на участках, соответственно, 13 и 14, причем это влияние тем сильнее, чем меньше радиус кривизны. При h>h_опт радиус кривизны коллекторного р-n-перехода определяется глубиной диффузии акцепторной примеси первого типа x_j1, а при h<h_опт - глубиной диффузии акцепторной примеси второго типа x_j2. Поскольку в приборе предложенной конструкции всегда х_j1<х_j2, то радиус кривизны коллекторного р-n-перехода при h>h_опт меньше, чем при h<h_опт. Поэтому отклонения фактической глубины ямки h от оптимальной h_опт следует ограничить условием (1).

В приведенном на фиг.1 варианте конструкции прибора, в отличие от прототипа, эмиттерный n-слой 3 сформирован вне вытравленной ямки, а управляющий электрод 8 простирается за ее пределы.

Такая конструкция прибора является более предпочтительной, так как обеспечивает более равномерное распределение тока лавинного пробоя участка 11 вдоль внутренней границы эмиттерного n-слоя 3 даже в случае, если лавинный пробой участка 11 происходит неоднородно по его площади.

Пример реализации. Для примера реализации взяли тиристор на импульсный ток 25 А, напряжение переключения U_BO≈2500 В. При этом напряжение лавинного пробоя участка 11 коллекторного перехода U_BR11 должно быть равным U_BO, а напряжение лавинного пробоя участка 12 коллекторного перехода U_BR12 должно превышать U_BO примерно на 7,5%, т.е. U_BR12≈2690 В. Акцепторными примесями послужили бор и алюминий, имеющие разные коэффициенты диффузии, для обеспечения разной глубины диффузии примесей и формирования нужного профиля диффузионного базового р-слоя 4. Типичная глубина диффузии алюминия x_j2 составляет 70÷80 мкм. Для нашего случая выбрали значение x_j2=75 мкм. Расчетная глубина диффузии бора равна 32 мкм, а оптимальная глубина вытравленной ямки - 43 мкм. Удельное сопротивление кремния n-типа электропроводности, обеспечивающее необходимое значение U_BR11 при х_j2=75 мкм, равно 90 Ом·см (Ndo=5,1·10¹³ см^-3).

Диаметр вытравленных ямок был равным 1 мм, диаметр внутренней границы эмиттерного n-слоя 3 - равным 1,5 мм, а диаметр тиристора - равным 6,3 мм. Чтобы установить разницу в напряжениях переключения тиристоров с вытравленными ямками (U_BO11) [В] и без них (U_BO12) [В], часть приборов изготовили без вытравленных ямок. На пластине диаметром 76 мм и толщиной 500 мкм разместили 60 тиристоров, половина из которых была без вытравленных ямок. Тиристоры с вытравленными ямками и без них чередовались друг с другом.

Из патента РФ №1715124, кл. Н 01 L 21/22, опубл. 15.12.93 г., известно, что при диффузии в открытой трубе из раствора-диффузанта, содержащего бор и алюминий, в шлифованные кремниевые пластины с локальными травлеными участками алюминий не диффундирует в травленые участки. Именно это обстоятельство позволяет изготавливать приборы предложенной конструкции путем одновременной диффузии бора и алюминия.

Исходные пластины, шлифованные с обеих сторон микропорошком с размером зерна 12 мкм, отмывали по стандартной технологии. Используя фотолитографию, на пластине кислотным травителем вытравливали ямки глубиной h=(0,75÷1,15)·h_опт. Затем на обе поверхности пластин наносили раствор-диффузант и проводили термообработку в открытой трубе при температуре 1250°С в течение 22 ч.

После обработки в плавиковой кислоте и отмывки по стандартной технологии пластины термически окисляли для получения пленки SiO₂ толщиной 0,6 мкм. Фотолитографией в пленке SiO₂ вскрывали кольцевые площадки для формирования эмиттерного n-слоя путем селективной диффузии фосфора с загонкой из газовой фазы и последующей разгонкой с одновременным окислением пластин. Фотолитографией в пленке SiO₂ вскрывали площадки для электродов катода и управляющих электродов, а с противоположной стороны пластин пленку SiO₂ удаляли полностью, после чего проводили химическое никелирование пластин. Далее проводили механическую вырезку приборов, профилирование, травление, очистку и пассивацию их фасок.

Измеренные на контрольных шлифованных и травленых пластинах значения x_j1=(32±1) мкм и x_j2=(75±2) мкм действительно соответствовали вышепринятым. Сопротивления растекания диффузионных базовых р-слоев на шлифованных (R_S1) [Ом/□] и травленых (R_S2) [Ом/□] пластинах были равны, соответственно, (29±0,3) Ом/□ и (30,2±0,3) Ом/□. Поверхностная концентрация алюминия Nsa2 в соответствии с [5] равна 2·10¹⁶ см^-3. Поверхностная концентрация бора Nsa1, рассчитанная из полученных значений x_j1, x_j2, R_S1 и R_S2, с погрешностью не более ±5% соответствовала значению 2·10¹⁸ см^-3.

Известно, что некачественные профилирование, травление, очистка и/или пассивация фаски тиристоров приводят к снижению блокируемого ими напряжения. Поэтому результаты испытаний приборов, вышедших из строя вследствие пробоя по фаске (поверхностного пробоя), не засчитывались. Значительная часть тиристоров без вытравленной ямки (около 45%) при измерениях напряжения переключения U_ВО12 выходила из строя вследствие объемного пробоя. Объясняется это тем, что такие тиристоры по существу не являются приборами с самозащитой от перенапряжений, но результаты измерений U_BO12 этих тиристоров засчитывались.

Значения U_BO12 тиристоров без вытравленной ямки как не вышедших, так и вышедших из строя вследствие объемного пробоя, лежали в интервале 2650÷2710 В. Среднее значение U_BO12ср [В] было равно, таким образом, 2680 В, что близко к его расчетному значению, если принять, что U_BO12≈U_BR12=2690 В. Наблюдавшийся разброс значений U_BO12 обусловлен, очевидно, соответствующим разбросом удельного сопротивления исходного кремния.

Для тиристоров с вытравленной ямкой конкретные значения U_BO12 невозможно измерить. Для оценки относительной разности между их напряжениями переключения U_BO11 и U_BO12 значения U_BO12 были приняты равными U_BO12ср. Данные образцы тиристоров были подразделены на 8 групп, отличающихся глубиной ямки. Внутри каждой группы глубина ямки колебалась в пределах 0,05·h_опт. Результаты измерений приведены ниже в таблице, где Ku - относительная разность значений U_BO2ср и U_BO11, т.е. Ku=100·(U_BО12cp-U_ВО11)/U_BO12ср, %

h/hопт	0,75÷0,8	0,8÷0,85	0,85÷0,9	0,9÷0,95	0,95÷1,0	1,0÷1,05	1,05÷1,1	1,1÷1,15
UBO11, B	2405÷2280	2415÷2460	2440÷2580	2460÷2495	2480÷2520	2470÷2510	2410÷2460	2400÷2260
Ku, %	10,3÷14,9	9,89÷8,21	8,96÷7,46	8,21÷6,90	7,46÷5,97	7,84÷6,34	10,0÷8,21	10,4÷15,7

Из таблицы видно, что при 0,9<h/h_опт<1,05 значения U_BO11 близки к расчетному значению 2500 В. Некоторый разброс значений U_BO11 объясняется при этом разбросом удельного сопротивления исходного кремния. С дальнейшим увеличением отклонения значений h от h_опт разность между U_BO12cp и U_BO11 возрастает и при 0,8·h_опт>h>1,1·h_опт относительное уменьшение значений U_BO11 превышает 10%.

Очевидно, что данное изобретение может быть использовано и для создания симметричного (пятислойного) прибора с самозащитой от перенапряжений.

Полупроводниковые приборы с самозащитой от перенапряжений могут найти применение в преобразователях электрической энергии как самостоятельные изделия или как элементы защиты мощных тиристоров от пробоя при перенапряжениях в закрытом состоянии.

Источники информации

1. Заявка Японии №61-247071, кл. H 01 L 29/74, опубл. 04.11.86 г.

2. Заявка Японии №61-226963, кл. H 01 L 29/74, опубл. 08.10.86 г.

3. H.Ohashi, J.Yoshida, Y.Yamaguchi, J.Akagi. Design consideration for high power, overvoltage self-protected thyristor. - Proceedings IPEC, Tokyo, 1983, p.550-558.

4. Заявка Японии №59-009970, кл. H 01 L 29/74, опубл. 19.01.84 г. (прототип).

5. Патент РФ №1715124, кл. Н 01 L 21/22, опубл. 15.12.93 г.

Полупроводниковый прибор с самозащитой от перенапряжений, выполненный на основе кремниевой пластины n-типа электропроводности с двумя главными поверхностями, расположенными на противоположных сторонах пластины, содержащий со стороны первой главной поверхности эмиттерный n-слой, диффузионный базовый р-слой с вытравленной ямкой, образующий коллекторный р-n-переход в исходной кремниевой пластине и имеющий участок с высоким градиентом концентрации акцепторной примеси, расположенный под вытравленной ямкой, эмиттерный р-слой, сформированный со стороны второй главной поверхности пластины, электроды анода, катода и управляющий электрод, отличающийся тем, что диффузионный базовый р-слой содержит под вытравленной ямкой акцепторную примесь первого типа, вне ямки - акцепторные примеси как первого, так и второго типа, имеющие разные коэффициенты диффузии, а глубина h [мкм] вытравленной ямки удовлетворяет условию

1,1≥h/(х_j2-х_j1)≥0,8,

где х_j1 и х_j2 [мкм] - глубина диффузии акцепторных примесей первого и второго типов соответственно.