RU156549U1

RU156549U1 - POWERFUL BIPOLAR TRANSISTOR BASED ON SILICON CARBIDE

Info

Publication number: RU156549U1
Application number: RU2015111039/08U
Authority: RU
Inventors: Николай Александрович Брюхно; Владимир Иванович Громов; Иван Владимирович Куфтов; Юрий Николаевич Севастьянов
Original assignee: Зао "Группа Кремний Эл"
Priority date: 2015-03-26
Filing date: 2015-03-26
Publication date: 2015-11-10

Abstract

Мощный биполярный транзистор на основе карбида кремния, содержащий эпитаксиально выращенные коллекторный, базовый и эмиттерный слои, эмиттер, сформированный травлением эпитаксиального слоя до достижения базового слоя, пассивирующий слой оксида кремния, нанесённый на эмиттерный слой, его боковую стенку и базовый слой, контактное окно в нанесённом слое оксида кремния над базой, в котором сформирована подконтактная сильнолегированная область того же типа проводимости, что и база, отличающийся тем, что подконтактная сильнолегированная область в базовом слое граничит с боковой стенкой эмиттера.Powerful silicon carbide-based bipolar transistor containing epitaxially grown collector, base, and emitter layers, an emitter formed by etching the epitaxial layer to reach the base layer, a passivating silicon oxide layer deposited on the emitter layer, its side wall and base layer, a contact window in the deposited a silicon oxide layer above the base, in which a contact-free highly doped region of the same type of conductivity is formed as the base, characterized in that the contact-strongly doped region of domain in the base layer is bordered by a side wall of the emitter.

Description

Полезная модель относится к области электронной техники, а более конкретно - к конструкции мощного биполярного транзистора на основе карбида кремния и может быть использована для создания элементной базы преобразовательных устройств.The invention relates to the field of electronic technology, and more specifically to the design of a high-power silicon carbide-based bipolar transistor and can be used to create an element base for converter devices.

Известна конструкция мощного биполярного транзистора на основе карбида кремния, содержащего эпитаксиально выращенные коллекторный, базовый и эмиттерный слои, эмиттер, сформированный травлением эпитаксиального слоя до достижения базового слоя (см. патент US 8378390 B2, опубл. 19.02.2013). Между эмиттерной и базовой областями формируется отрицательно заряженный диэлектрический слой или дополнительный электрод, к которому прикладывается отрицательный электрический потенциал. Концентрация электронов в приповерхностной базовой области уменьшается за счет создания отрицательного электрического потенциала на поверхности по отношению к потенциалу в объеме. Так как электроны отталкиваются друг от друга, концентрация электронов в приповерхностном слое уменьшается, следовательно, уменьшается поверхностная рекомбинация. Коэффициент усиления по току увеличивается, т.к. данные варианты позволяют уменьшить поверхностную рекомбинацию на границе раздела эмиттер-база.The known design of a powerful bipolar transistor based on silicon carbide containing epitaxially grown collector, base and emitter layers, an emitter formed by etching the epitaxial layer to reach the base layer (see patent US 8378390 B2, publ. 02.19.2013). A negatively charged dielectric layer or an additional electrode is formed between the emitter and base regions, to which a negative electric potential is applied. The concentration of electrons in the near-surface base region decreases due to the creation of a negative electric potential on the surface with respect to the potential in the volume. Since electrons repel each other, the concentration of electrons in the surface layer decreases, therefore, surface recombination decreases. The current gain increases as These options make it possible to reduce surface recombination at the emitter-base interface.

Недостатком данной конструкции является то, что из-за относительно высокого удельного сопротивления базы p-типа проводимости повышается переходное сопротивление омического контакта и потенциальный барьер, что увеличивает потери мощности и ухудшает частотные характеристики транзистора.The disadvantage of this design is that, due to the relatively high resistivity of the p-type base, the transient resistance of the ohmic contact and the potential barrier increase, which increases the power loss and degrades the frequency characteristics of the transistor.

Указанный недостаток устранен в конструкции мощного биполярного транзистора на основе карбида кремния, который содержит эпитаксиально выращенные коллекторный, базовый и эмиттерный слои, эмиттер, сформированный травлением эпитаксиального слоя до достижения базового слоя, пассивирующий слой оксида кремния нанесенный на эмиттерный слой, его боковую стенку и базовый слой, контактное окно в нанесенном слое оксида кремния над базой в котором сформирована подконтактная сильнолегированная область того же типа проводимости, что и база. (См. статью 4H-SiC Power Bipolar Junction Transistor with a Very Low Specific On-resistance of 2.9 mΩ.cm², Jianhui Zhang; Petre Alexandrov; Terry Burke; Jian H. Zhao, 12 APR. 2006.)This drawback was eliminated in the design of a high-power silicon carbide-based bipolar transistor, which contains epitaxially grown collector, base, and emitter layers, an emitter formed by etching the epitaxial layer to reach the base layer, a passivating silicon oxide layer deposited on the emitter layer, its side wall, and base layer , a contact window in the deposited layer of silicon oxide above the base in which a contactless highly doped region of the same type of conductivity is formed as the base. (See article 4H-SiC Power Bipolar Junction Transistor with a Very Low Specific On-resistance of 2.9 mΩ.cm ² , Jianhui Zhang; Petre Alexandrov; Terry Burke; Jian H. Zhao, 12 APR. 2006.)

Для достижения лучшего омического контакта, путем имплантации ионов примеси с высокой энергией (0,5-1 МэВ) под контактом формируется область того же, что и база типа проводимости, но с гораздо большим уровнем легирования по сравнению с активной базой. Область подлегирования контакта находится на расстоянии не менее 5 мкм от боковой стенки эмиттерного слоя. Недостатком описанной конструкции является то, что не устраняется влияние последовательного базового сопротивления (сопротивление от базового контакта до края эмиттера), т.к остается значительная слаболегированная область между базовым контактом и краем эмиттера. При протекании базового тока падение напряжения в области базы, граничащей с краем эмиттера способствует эффекту оттеснения эмиттерного тока. Таким образом, если даже средняя плотность тока не велика, на краях эмиттерного перехода она может превысить критическую.To achieve a better ohmic contact, by implanting high-energy impurity ions (0.5-1 MeV) under the contact, a region is formed under the contact that is the same as a base of the conductivity type, but with a much higher doping level compared to the active base. The contact fitting region is at least 5 μm from the side wall of the emitter layer. A disadvantage of the described construction is that the influence of a consistent base resistance (resistance from the base contact to the edge of the emitter) is not eliminated, because there remains a significant lightly doped region between the base contact and the edge of the emitter. When the base current flows, the voltage drop in the base region adjacent to the edge of the emitter contributes to the effect of pushing the emitter current. Thus, even if the average current density is not large, at the edges of the emitter junction it can exceed the critical one.

Целью данной полезной модели является снижение эффекта оттеснения эмиттерного тока, уменьшение площади транзисторной структуры и снижение базового контактного сопротивления.The purpose of this utility model is to reduce the effect of displacing the emitter current, reducing the area of the transistor structure and reducing the base contact resistance.

Указанная цель достигается тем, что мощный биполярный транзистор на основе карбида кремния содержит эпитаксиально выращенные коллекторный, базовый и эмиттерный слои, эмиттер, сформированный травлением эпитаксиального слоя до достижения базового слоя, пассивирующий слой оксида кремния, нанесенный на эмиттерный слой, его боковую стенку и базовый слой, контактное окно в нанесенном слое оксида кремния над базой, в котором сформирована подконтактная сильнолегированная область того же типа проводимости, что и база, подконтактная сильнолегированная область в базовом слое граничит с боковой стенкой эмиттера.This goal is achieved by the fact that a powerful bipolar transistor based on silicon carbide contains epitaxially grown collector, base and emitter layers, an emitter formed by etching the epitaxial layer to reach the base layer, a passivating silicon oxide layer deposited on the emitter layer, its side wall and base layer , a contact window in the deposited layer of silicon oxide above the base, in which a contactless highly doped region of the same type of conductivity is formed as the base, which is contacted strongly Rowan region in the base layer is bordered by a side wall of the emitter.

Подконтактная сильнолегированная область в базовом слое граничащая с краем эмиттера снижает эффект оттеснения эмиттерного тока. Уменьшение базового контактного сопротивления, улучшает частотные характеристики транзистора.The highly contacted doped region in the base layer bordering the edge of the emitter reduces the effect of the displacement of the emitter current. Reducing the base contact resistance improves the frequency response of the transistor.

В предлагаемой конструкции подконтактная сильнолегированная область, сформированная у края эмиттера, изменяет величину последовательного базового сопротивления, т.е. сопротивление от базового контакта до края эмиттера, что способствует значительному снижению сопротивления растекания базы и, следовательно, снижению перекоса в смещении эмиттерного перехода. Также сокращение расстояния от края эмиттера до базового контакта уменьшает площадь кристалла, но при этом не изменяются размеры области подлегирования и контактов, что позволяет не уменьшать разрешающую способность литографии.In the proposed design, the contact-contact highly doped region formed at the edge of the emitter changes the value of the sequential base resistance, i.e. resistance from the base contact to the edge of the emitter, which contributes to a significant decrease in the spreading resistance of the base and, therefore, to reduce the bias in the offset of the emitter junction. Also, reducing the distance from the edge of the emitter to the base contact reduces the area of the crystal, but at the same time, the dimensions of the region of fitting and contacts do not change, which allows not to reduce the resolution of lithography.

Высоколегированная базовая область также снижает потенциальный барьер омического контакта, что обеспечивает туннельное прохождение границы раздела электронами.A highly doped base region also reduces the potential barrier of ohmic contact, which ensures tunneling of the interface through electrons.

На фиг. 1 приведен разрез карбид кремниевой эпитаксиальной структуры с маской из поликремния для ионного легирования.In FIG. Figure 1 shows a section of a silicon carbide epitaxial structure with a polysilicon mask for ion doping.

На фиг. 2 приведен разрез карбид кремниевой эпитаксиальной структуры с ионноимплантированной областью.In FIG. Figure 2 shows a section of a silicon carbide epitaxial structure with an ion implanted region.

На фиг. 3 приведен разрез мощного биполярного транзистора на основе карбида кремния.In FIG. Figure 3 shows a section through a high-power silicon carbide bipolar transistor.

Позициями на фиг. 1-3 обозначены:With reference to FIG. 1-3 are indicated:

1 - низкоомная n+ подложка;1 - low resistance n + substrate;

2 - коллекторный слой толщиной 16 мкм легированный азотом с концентрацией 7∗10¹⁵ см^-3;2 - a collector layer with a thickness of 16 μm doped with nitrogen with a concentration of 7 * 10 ¹⁵ cm ^-3 ;

3 - базовый слой толщиной 700 нм легированный алюминием с концентрацией 4∗10¹⁷ см^-3;3 - base layer 700 nm thick alloyed with aluminum with a concentration of 4 * 10 ¹⁷ cm ^-3 ;

4 - эмиттерный слой толщиной 1 мкм легированный азотом с концентрацией 4∗10¹⁹ см-³;4 - an emitter layer 1 μm thick doped with nitrogen with a concentration of 4 * 10 ¹⁹ cm- ³ ;

5 - пассивирующий слой оксида кремния (SiO₂) толщиной 50 нм;5 - passivating layer of silicon oxide (SiO ₂ ) with a thickness of 50 nm;

6 - слой поликремния толщиной 2,5 мкм;6 - a layer of polysilicon with a thickness of 2.5 microns;

7 - слой позитивного фоторезиста;7 - layer of positive photoresist;

8 - ионноимплантированная область;8 - ion implanted region;

9 - подконтактная сильнолегированная p+ область;9 - highly contacted doped p + region;

10 - омический контакт к базе;10 - ohmic contact to the base;

11 - омический контакт к эмиттеру;11 - ohmic contact to the emitter;

12 - омический контакт к коллектору.12 - ohmic contact to the collector.

Устройство и процесс изготовления предлагаемого полупроводникового прибора описан ниже.The device and manufacturing process of the proposed semiconductor device is described below.

На фиг. 1 изображен разрез карбид кремниевой эпитаксиальной структуры с маской для ионного легирования. В эмиттерном слое 4 вытравлено окно путем сухого реактивно-ионного траления с использованием соединений фтора SF₆. Пассивирующий слой оксида кремния (SiO₂) 5 толщиной 50 нм сформирован сухим термических окислением поверхности при температуре 1100°C.In FIG. 1 shows a section of a silicon carbide epitaxial structure with a mask for ion doping. A window was etched in the emitter layer 4 by dry reactive ion trawling using fluorine compounds SF ₆ . A passivating layer of silicon oxide (SiO ₂ ) 5 with a thickness of 50 nm is formed by dry thermal surface oxidation at a temperature of 1100 ° C.

В качестве маски для ионного легирования нанесен слой поликремния 6 толщиной 2,5 мкм методом пиролиза моносилана при пониженном давлении и температуре 650°С.Затем на пластину наносят слой позитивного фоторезиста 7, проводят фотолитографию вскрывая область фоторезиста в местах, где необходимо провести ионное легирование примеси.As a mask for ionic doping, a layer of polysilicon 6 with a thickness of 2.5 μm was applied by pyrolysis of monosilane under reduced pressure and a temperature of 650 ° C. Then a layer of positive photoresist 7 was applied, photolithography was performed revealing the area of the photoresist in places where it is necessary to conduct ion doping of the impurity .

Затем вытравливают слой поликремния 6 (см. фиг. 2), удаляют фоторезист и проводят имплантацию ионами бора энергией 350 КэВ. В результате в базе транзистора формируется ионноимплантированная область 8. После термического отжига при температуре 1100°C в вакууме происходит активация примеси, также примесь диффундирует как в глубь базового слоя так и в боковые грани образуя подконтактную сильнолегированную p+ область 9 (см. фиг. 3). Контакты к базе, эмиттеру и коллектору 10, 11, 12 сформированы из Ti/Al при нагреве до 800-1000°C образуется соединение Ti₃SiC₂, значительно уменьшающие высоту барьера металл-полупроводник. Описанную структуру можно будет создавать, не изменяя цикла изготовления мощных карбид кремниевых транзисторов.Then, a polysilicon layer 6 is etched (see Fig. 2), the photoresist is removed, and boron ions are implanted with an energy of 350 keV. As a result, an ion-implanted region is formed in the base of the transistor 8. After thermal annealing at a temperature of 1100 ° C in a vacuum, an impurity is activated, and the impurity diffuses both deep into the base layer and to the side faces, forming a contactless highly doped p + region 9 (see Fig. 3) . The contacts to the base, emitter and collector 10, 11, 12 are formed of Ti / Al when heated to 800-1000 ° C, a Ti ₃ SiC ₂ compound is formed, which significantly reduces the height of the metal-semiconductor barrier. The described structure can be created without changing the manufacturing cycle of high-power silicon carbide transistors.

Устройство работает следующим образом. Оттеснение тока вызывается базовым током, протекающим в базовой области 3 транзистора по направлению от периферии эмиттера 4 к центру, что приводит к падению напряжения в базе вдоль перехода эмиттер - база. С увеличением базового тока различие в падениях прямого напряжения в центре эмиттера и на его периферии увеличивается, в результате чего увеличивается и эффект оттеснения тока. Уменьшение сопротивления между базовым контактом и краем эмиттера путем формирования у края эмиттера сильнолегированной подконтактной области 9 компенсирует падение напряжения на краю эмиттера, следовательно снижается эффект оттеснения эмиттерного тока.The device operates as follows. The current is pushed aside by the base current flowing in the base region 3 of the transistor in the direction from the periphery of the emitter 4 to the center, which leads to a voltage drop in the base along the emitter-base junction. With an increase in the base current, the difference in the drops in the forward voltage in the center of the emitter and on its periphery increases, as a result of which the effect of current displacement increases. The decrease in resistance between the base contact and the emitter edge by forming a heavily doped contact area 9 at the emitter edge compensates for the voltage drop at the emitter edge, therefore, the effect of pushing the emitter current off is reduced.

Ниже приведены результаты измерений биполярных транзисторов на основе карбида кремния изготовленных на одинаковых эпитаксиальных структурах. Омические контакты сформированы из Ti/Al при температуре отжига 1000°C. В образце 1 база выполнена с сильнолегированной подконтактной областью граничащей с краем эмиттера.Below are the results of measurements of silicon carbide-based bipolar transistors fabricated on the same epitaxial structures. Ohmic contacts are formed from Ti / Al at an annealing temperature of 1000 ° C. In sample 1, the base is made with a heavily doped contact area bordering the edge of the emitter.

В образце 2 область дополнительное легирование подконтактной области отсутствует. В образце 3 область подлегирования сформирована на расстояние 5 мкм от края эмиттера.In sample 2, there is no additional doping of the contact area. In sample 3, the region of fitting is formed at a distance of 5 μm from the edge of the emitter.

Коэффициент усиления лимитируется, в основном, рекомбинацией носителей в области пространственного заряда эмиттерного перехода, поверхностной рекомбинацией, а при больших плотностях тока расширением базы. Все перечисленные процессы усиливаются оттеснением тока к краю эмиттера.The gain is limited mainly by carrier recombination in the space charge region of the emitter junction, surface recombination, and, at high current densities, expansion of the base. All of these processes are amplified by the displacement of current to the edge of the emitter.

Экспериментально подтверждено, что у структуры с дополнительной сильнолегированной подконтактной областью базы граничащей с эмиттером коэффициент усиления выше из-за меньшего последовательного базового сопротивления. Так же сопротивление базового контакта значительно ниже за счет большей концентрации легирующей примеси.It has been experimentally confirmed that for a structure with an additional highly doped contact area of the base adjacent to the emitter, the gain is higher due to the lower sequential base resistance. The resistance of the base contact is also significantly lower due to the higher concentration of the dopant.

Преимуществом данной структуры является, устойчивость к большим плотностям тока, при уменьшении площади транзистора. Уменьшение площади транзистора увеличивает процент выхода годных приборов и уменьшает издержки при производстве.The advantage of this structure is resistance to high current densities, while reducing the area of the transistor. Reducing the area of the transistor increases the percentage of usable devices and reduces production costs.

Claims

Powerful silicon carbide-based bipolar transistor containing epitaxially grown collector, base and emitter layers, an emitter formed by etching the epitaxial layer to reach the base layer, a passivating silicon oxide layer deposited on the emitter layer, its side wall and base layer, a contact window in the deposited a silicon oxide layer above the base in which a contact-free highly doped region of the same type of conductivity is formed as the base, characterized in that the contact-strongly doped region of domain in the base layer is bordered by a side wall of the emitter.