ITMI962098A1 - Dispositivo a semiconduttori di sic - Google Patents

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Description

DESCRIZIONE
a corredo di una domanda di Brevetto d’invenzione dal titolo:
‘DISPOSITIVO A SEMIOONDUTTORI DI SIC"
FONDAMENTI DELL’INVENZIONE
Campo dell ’invenzione
Quest’invenzione si riferisce ai dispositivi a semiconduttori . In particolare quest’invenzione si riferisce ai dispositivi a semiconduttori per alta tensione. Più specificamente, quest’invenzione si riferisce ai dispositivi a semiconduttori che richiedono elevata conduttività e elevate tensioni di guasto.
Descrizione del la tecnica correlata
Il carburo di silicio (SiC) ha un intervallo di banda superiore a quello del silicio (Si ) e pertanto il Sic ha un campo elettrico a valanga critico superiore rispetto al Si con un potenziale di prestazione 100 volte superiore se raffrontato con il silicio per dispositivi di elevata tensione. In particolare il composto 3C-SiC ha circa un campo elettrico a valanga critico 4 volte superiore rispetto al silicio; il composto 6H-SiC ha circa un campo elettrico a valanga critico 8 volte superiore rispetto al silicio; e il composto 4H-SiC ha circa un campo elettrico a valanga critico 10 volte superiore rispetto al silicio. Il campo elettrico critico elevato del SiC permette un maggiore drogaggio e regioni di deriva più sottili, in tal modo riducendo la resistenza di inserzione dei dispositivi di potenza al Sic quando raffrontata con quella dei dispositivi di potenza al Si convenzionali .
Tuttavia un problema si verifica solitamente con i dispositivi di SiC, vale a dire che è difficile diffondere i droganti nel materiale di SiC. In particolare la diffusione dei droganti nel SiC richiede temperature nel campo di 1800°C. Un altro problema con l ’uso del Sic è che il . materiale presenta una bassa mobilità del collegamento portante dei canali MOS e, pertanto, quando viene usato il SiC come un materiale dei canali in un dispositivo a semiconduttori, la conduttività del canale può degradarsi .
SOMMARIO DELL’INVENZIONE
La presente invenzione supera le deficienze della tecnica precedente dettagliate sopra fornendo una struttura a semiconduttori che include uno strato epitassiale sottile di Si su un corpo di materiale SiC. E’ preferito che lo strato epitassiale sottile abbia circa uno spessore di 3 /jm. La struttura della presente invenzione può essere usata in un MOSFET di potenza, in un MOSFET di potenza a trincea, in un diodo e in altri dispositivi a semiconduttori .
Per ridurre il costo, lo strato di SiC può essere depositato su un substrato di Si fortemente drogato (il 3C-SiC è stato indicato nella letteratura come un materiale che si deposita facilmente sul Si ). Queste strutture, per esempio un MOSFET di potenza avente uno strato di silicio a crescita epitassiale, possono essere prodotte in un impianto esistente di fabbricazione di MOSFET di potenza di silicio utilizzando i processi esistenti .
Le regioni di deriva dei dispositivi che utilizzano la struttura della presente invenzione (come i MOSFET di potenza) comprendono principalmente SiC e, dato che il drogaggio del SiC può essere molto più elevato di quello del Si (mentre sopporta la stessa tensione di un dispositivo al Si convenzionale), le nuove strutture del dispositivo della presente invenzione presentano minori resistenze di inserzione quando raffrontate con i dispositivi di potenza al Si convenzionali . Si deve notare, tuttavia, che le tensioni di guasto delle strutture del dispositivo della presente invenzione sono ancora determinate dal campo critico nella giunzione di regione di deriva N-/corpo P formata almeno parzialmente nel Si . Per i dispositivi ad alta tensione (per esempio superiore a 60 volt), le strutture del dispositivo della presente invenzione possono avere resistenze di inserzione di 20-90% inferiori quando raffrontate con i dispositivi al Si convenzionali.
Nelle nuove strutture della presente invenzione la giunzione di regione di deriva N-/corpo P può essere formata sia completamente nel Si sia nella giunzione eterogenea Si/SiC. Per un maggiore perfezionamento si preferisce che lo strato di Si sia più sottile e le diffusioni del corpo P siano realizzate in modo che le giunzioni di regione di deriva N-/corpo P siano formate nel SiC.
Tuttavia, tali strutture richiedono la diffusione di droganti nel SiC ad alte temperature e per lunghi periodi di tempo quando raffrontata con la diffusione dei droganti nel Si .
Si deve notare che le strutture che utilizzano altri materiali semiconduttori ad elevato intervallo di banda possono essere usati al posto del materiale SiC indicato e ancora essere incluse nella presente invenzione.
BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI
Altre caratteristiche e vantaggi della presente invenzione diverranno evidenti dalla descrizione seguente dell ’invenzione, che si riferisce ai disegni allegati , nei quali :
- La Figura 1 illustra una sezione trasversale di un dispositivo a DMOSFET di potenza che utilizza una struttura della presente invenzione;
- La Figura 2 illustra una sezione trasversale di un dispositivo a diodi a barriera Schottky che utilizza una struttura della presente invenzione;
- La Figura 3 illustra una sezione trasversale di un dispositivo a MOSFET di potenza a trincea che utilizza una struttura della presente invenzione;
- La Figura 4 illustra una sezione trasversale di una forma di realizzazione alternativa di un dispositivo a DMOSFET di potenza che utilizza una struttura della presente invenzione;
- La Figura 5 illustra una sezione trasversale di una forma di realizzazione alternativa di un dispositivo a MOSFET di potenza a trincea che utilizza una struttura della presente invenzione; e - La Figura 6 illustra una sezione trasversale di una giunzione di silicio di tipo P e di carburo di silicio di tipo N e una corrispondente distribuzione di campo elettrico fra le estremità della giunzione in accordo con il dispositivo della Figura 4 della presente invenzione;
- La Figura 7 illustra una sezione trasversale di una giunzione della struttura del dispositivo della Figura 1 resistente ad una tensione maggiore e della corrispondente distribuzione del campo elettrico.
DESCRIZIONE DETTAGLIATA DELLE FORME DI REALIZZAZIONE PREFERITE
Nei disegni allegati la Figura 1 illustra una nuova struttura a DMOSFET di potenza di Sic in accordo con la presente invenzione, nella quale una regione di deriva di Sic di tipo N 11 è depositata su un substrato di Si N+ 10 del tipo convenzionale. La regione di Sic 11 è drogata maggiormente rispetto al Si e, pertanto, la regione di Sic 11 è meno resistiva delle regioni di deriva di Si della tecnica precedente, mentre ancora si mantiene un’elevata tensione di guasto. Uno strato epitassiale N- 12 con spessore di tre micron viene depositato sopra la regione di deriva del SiC 11. Le giunzioni di MOSFET di potenza convenzionali (come le regioni di canale P- 13, 14; le regioni di corpo P+ 15, 16; le source N+ 17, 18; la gate di poi isil icone 19; l ’ossido di gate 20; l ’ossido dello strato intermedio 21 ; e il contatto di source superiore 22) sono disposti sullo strato epitassiale N~ 12. Un contatto di drain 23 è disposto sul fondo del substrato 10.
Con riferimento alla Figura 6 verrà illustrato che la quantità di carica nella regione di SiC 11 è molto superiore a 3 volte quella presente nel silicio per la stessa tensione di guasto (corto circuito). La Figura 6 illustra una giunzione 50 del Si di tipo P 51 e del SiC di tipo N 52 nei quali viene alimentato anche il corrispondente campo elettrico. Per ottenere una resistenza di inserzione inferiore nella regione di deriva se raffrontata con il MOSFET di Si , il drogaggio della regione di deriva (ND ) per resistere alla tensione elevata dovrebbe essere elevato e lo spessore della regione di deriva (W) per resistere alla tensione elevata dovrebbe essere limitato. In altre parole la regione di deriva dovrebbe essere adatta per sopportare la tensione di bloccaggio con elevato drogaggio (No) e spessore minimo (W).
Nella giunzione 50, la legge di Gauss prevede che siano valide le seguenti equazioni :
lo spessore della regione di deriva, W, è proporzionale a E · La suddetta equazione indica che perché il campo elettrico si riduca a zero nella distanza più breve (per uno spessore di regione di deriva minimo W), la costante dielettrica del materiale della regione di deriva ( ε ) dovrebbe essere la più bassa possibile.
Pertanto, per un maggiore drogaggio della regione di deriva, la regione di deriva dovrebbe essere realizzata di materiale con campo elettrico a valanga critico maggiore se raffrontato con quel lo del si 1 icio.
Per un minore spessore della regione di deriva, la regione di deriva dovrebbe essere realizzata di materiale con minore costante dielettrica se raffrontata con quella del silicio.
Il Sic ha un maggiore campo elettrico a valanga critico e una minore costante dielettrica se raffrontati con quelli del silicio. Pertanto il Sic è adatto come un materiale di regione di deriva e per ridurre la resistenza della regione di deriva, la regione di deriva dovrebbe essere realizzata sostanzialmente di un materiale simile al Sic.
Con riferimento alla Figura 1 , una qualsiasi tipologia desiderata può essere usata per realizzare le giunzioni nello strato epitassiale N- 12, in tal modo ottenendo altri dispositivi a gate MOS in accordo con la presente invenzione.
La Figura 2 illustra un diodo a barriera di tipo Schottky che utilizza una struttura in accordo con la presente invenzione.
Gli elementi simili a quelli della Figura 1 hanno gli stessi numeri di identificazione. Le maggiori differenze fra le strutture della Figura 1 e della Figura 2 sono che ( i ) la regione 12 non ha giunzione (invece può essere usato un anello di -protezione convenzionale); e (ii ) il catodo' 22a è preferibilmente un materiale con funzionamento di alta prestazione, come il molibdeno o simili . Come discusso sopra, il valore della carica del materiale di SiC è molto superiore a quello del Si per la stessa tensione di guasto e, pertanto, la conduttività del dispositivo viene migliorata rispetto ai dispositivi convenzionali aventi la stessa tensione di guasto.
La Figura 3 illustra un MOSFET di potenza a trincea che utilizza una struttura in accordo con la presente invenzione.
In particolare uno strato di silicio P 30 estendentesi da un corpo P+ 31 è disposto contro un ossido di gate 32 che delimita la trincea attaccata chimicamente entro il silicio. La trincea viene riempita con una gate di polisilicio 33. Una regione di diffusione di source N+ 34 viene diffusa nelle regioni P 30, 31 ed un contatto di source 22 è disposto sulle regioni 31 e 34 e sull ’ossido di gate 32. Come discusso sopra, il valore della carica contenuta nel materiale Sic è molto superiore a quello del Si per la stessa tensione di guasto.
Il dispositivo della Figura 4 è una forma di realizzazione alternativa di un MOSFET in accordo con la presente invenzione ed è simile a quello della Figura 1 . Nel dispositivo della Figura 4, le basi P+ 15 e 16 sono in contatto diretto con la regione di deriva di Sic 11 , lasciando uno strato epitassiale comparativamente più sottile 12.
Il dispositivo della Figura 5 è simile a quello della Figura 3, eccetto che la giunzione fra la regione P+ 31 , la regione P 30 e la regione di tipo N 11 è realizzata nella giunzione eterogenea di Si/SiC.
Sebbene la presente invenzione sia stata descritta in relazione alle sue forme di realizzazione particolari , sarà chiaro alle persone esperte della tecnica che molte altre varianti e modifiche e altri usi possono essere realizzati. Pertanto è preferito che la presente invenzione non sia limitata dalla specifica rivelazione illustrata qui , ma solo dalle rivendicazioni allegate.

Claims (27)

  1. RIVENDICAZIONI 1. Un dispositivo a semiconduttori , comprendente: - un substrato semiconduttore; - un materiale con elevato intervallo di banda che forma una regione di deriva disposta sul substrato semiconduttore; e - uno strato epitassiale di materiale semiconduttore disposto sul materiale di intervallo di banda elevato.
  2. 2. Il dispositivo a semiconduttori della rivendicazione 1 , nel quale il materiale di intervallo di banda elevato che forma la regione di deriva è un materiale con costante dielettrica bassa ed elevata mobilità del collegamento portante.
  3. 3. Il dispositivo a semiconduttori della rivendicazione 1 , nel quale lo strato epitassiale del materiale semiconduttore ha uno spessore di circa tre μm (micron).
  4. 4. Il dispositivo a semiconduttori della rivendicazione 1 , nel quale il materiale del substrato semiconduttore è silicio.
  5. 5. Il dispositivo a semiconduttori della rivendicazione 1 , nel quale il materiale di intervallo di banda elevato che forma la regione di deriva è il carburo di silicio.
  6. 6. Il dispositivo a semiconduttori della rivendicazione 1 , nel quale lo strato epitassiale del materiale semiconduttore è il silicio.
  7. 7. Il dispositivo a semiconduttori della rivendicazione 1 , nel quale il materiale del substrato a semiconduttori è il silicio, il materiale a intervallo di banda elevato che forma una regione di deriva è il carburo di silicio, e lo strato epitassiale del materiale semiconduttore è il silicio.
  8. 8. Un dispositivo a semiconduttori MOSFET, comprendente: - un substrato semiconduttore drogato; - un materiale con elevato intervallo di banda drogato che forma una regione di deriva disposta sul substrato semiconduttore drogato; e - uno strato epitassiale drogato di materiale semiconduttore disposto sul materiale di intervallo di banda elevato.
  9. 9. Il dispositivo a semiconduttori MOSFET della rivendicazione 8, nel quale il materiale di intervallo di banda drogato che forma una regione di deriva è un materiale con costante dielettrica bassa ed elevata mobilità del collegamento portante.
  10. 10. Il dispositivo a semiconduttori MOSFET della rivendicazione 8, nel quale lo strato epitassiale del materiale semiconduttore ha uno spessore di circa tre μm (micron).
  11. 11. Il dispositivo a semiconduttori MOSFET della rivendicazione 8, nel quale il materiale del substrato semiconduttore è il silicio.
  12. 12. Il dispositivo a semiconduttori MOSFET della rivendicazione 8, nel quale il materiale di intervallo di banda elevato che forma una regione di deriva è il carburo di silicio.
  13. 13. Il dispositivo a semiconduttori MOSFET della rivendicazione 8, nel quale lo strato epitassiale del materiale semiconduttore è il si 1 icio.
  14. 14. Π dispositivo a semiconduttori MOSFET della rivendicazione 8, nel quale il materiale del substrato a semiconduttori è il silicio, il materiale a intervallo di banda elevato che forma una regione di deriva è il carburo di silicio, e lo strato epitassiale del materiale semiconduttore è il silicio.
  15. 15. Un diodo a semiconduttori , comprendente: - un substrato semiconduttore drogato; - un materiale con elevata intervallo di banda drogato che forma una regione di deriva disposta sul substrato semiconduttore drogato; e - uno strato epitassiale drogato di materiale semiconduttore disposto sul materiale di intervallo di banda elevato.
  16. 16. Il diodo a semiconduttori della rivendicazione 15, nel quale il materiale di intervallo di banda elevato drogato che forma una regione di deriva è un materiale con costante dielettrica bassa ed elevata mobilità del collegamento portante.
  17. 17. Il diodo a semiconduttori della rivendicazione 15, nel quale 10 strato epitassiale del materiale semiconduttore ha uno spessore di circa tre μm (micron).
  18. 18. Il diodo a semiconduttori della rivendicazione 15, nel quale 11 materiale del substrato semiconduttore è il silicio.
  19. 19. Il diodo a semiconduttori della rivendicazione 15, nel quale il materiale di intervallo di banda elevato che forma una regione di deriva è il carburo di silicio.
  20. 20. Il diodo a semiconduttori della rivendicazione 15, nel quale 10 strato epitassiale del materiale semiconduttore è il silicio.
  21. 21. Il diodo a semiconduttori della rivendicazione 15, nel quale 11 materiale del substrato a semiconduttori è il silicio, e il materiale a intervallo di banda elevato che forma una regione di deriva è il carburo di silicio.
  22. 22. Il dispositivo a semiconduttori della rivendicazione 1 , nel quale il semiconduttore è un MOSFET di potenza a trincea.
  23. 23. Il dispositivo a semiconduttori della rivendicazione 1 , inoltre comprendente giunzioni di MOSFET di potenza disposte sopra lo strato epitassiale e comprendenti regioni di corpo P+ , source N+ ; una gate di poli silicio; ossido di gate e un contatto di source superiore, tutti disposti sopra lo strato epitassiale.
  24. 24. Il dispositivo a semiconduttori della rivendicazione 21 , inoltre comprendente un contatto di drain disposto sotto il substrato semiconduttore.
  25. 25. Il dispositivo a semiconduttori della rivendicazione 8, nel quale la giunzione di corpo P/deriva N- resistente all ’alta tensione è formata nella giunzione eterogenea di strato epitassiale/materiale di intervallo di banda elevato.
  26. 26. Il dispositivo a semiconduttori della rivendicazione 8, nel quale la giunzione di corpo P/deriva N- resistente all ’alta tensione è formata nello strato epitassiale con materiale di intervallo di banda elevato disposto a profondità dalla superficie maggiore rispetto alla giunzione.
  27. 27. Il dispositivo a semiconduttori della rivendicazione 8, nel quale la giunzione di corpo P/deriva N- resistente all ’alta tensione è formata nel materiale a intervallo di banda elevato con la giunzione eterogenea di strato epitassiale/intervallo di banda elevato disposta ad una profondità dalla superficie minore rispetto alla distanza della giunzione del corpo P/deriva N<- >.
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