RU196936U1

RU196936U1 - TEST ELEMENT FOR QUALITY CONTROL OF PRODUCTION OF HIGH VOLTAGE SILICON CARBIDE SILICA DIODES OF SCHOTKA

Info

Publication number: RU196936U1
Application number: RU2019141916U
Authority: RU
Inventors: Николай Александрович Брюхно; Андрей Александрович Демидов; Иван Владимирович Куфтов
Original assignee: Акционерное общество "ГРУППА КРЕМНИЙ ЭЛ"
Priority date: 2019-12-13
Filing date: 2019-12-13
Publication date: 2020-03-23

Abstract

Областью применения предполагаемой полезной модели является микроэлектроника, а именно может быть использовано для контроля качества при производстве полупроводниковых приборов на основе карбида кремния.Целью предполагаемой полезной модели является повышение оперативности контроля и его качества при изготовлении карбидокремниевых диодов Шоттки.Указанная цель достигается тем, что тестовый элемент для контроля качества высоковольтных карбидокремниевых диодов Шоттки, которые состоят из сформированных на эпитаксиальной структуре одного типа проводимости планарного рабочего перехода и делительных колец другого типа проводимости, при этом тестовый элемент выполнен в виде структуры латерального транзистора с зазором между планарным рабочим переходом (коллектором) и эмиттером, равным расстоянию между делительными кольцами тестируемого диода Шоттки.The field of application of the proposed utility model is microelectronics, namely, it can be used for quality control in the manufacture of silicon carbide-based semiconductor devices. The purpose of the proposed utility model is to increase the control efficiency and its quality in the manufacture of Schottky silicon carbide diodes. for quality control of high-voltage Schottky silicon carbide diodes, which consist of those formed on an epitaxial structure -stand conductivity type planar working transition and separating rings other conductivity type, wherein the test element is a lateral transistor structure with a gap between the planar working junction (collector) and the emitter equal to the distance between the dividing rings test Schottky diode.

Description

Областью применения предполагаемой полезной модели является микроэлектроника, а именно может быть использовано для контроля качества при производстве полупроводниковых приборов на основе карбида кремния.The scope of the proposed utility model is microelectronics, namely, it can be used for quality control in the manufacture of silicon carbide-based semiconductor devices.

Известен тестовый элемент для контроля качества изготовления диодов Шоттки, состоящий из диода Шоттки, сформированного на эпитаксиальной структуре одного типа проводимости (см., например, статью Г.О. Тимофеева «Формирование тестовых ячеек для контроля арсенид-галлиевых микроструктур на пластине» из журнала «Вестник новгородского государственного университета» №75, 2013 г., стр. 39-43).A known test element for quality control of manufacturing Schottky diodes, consisting of a Schottky diode formed on an epitaxial structure of one type of conductivity (see, for example, an article by G.O. Timofeev “Formation of test cells for monitoring gallium arsenide microstructures on a plate” from the magazine “ Bulletin of Novgorod State University ”No. 75, 2013, pp. 39-43).

Основным недостатком этого тестового элемента является то, что токи утечки диода Шоттки завышены из-за повешенной напряженности поля на границе края металлизации контакта Шоттки и полупроводника.The main disadvantage of this test element is that the leakage currents of the Schottky diode are overestimated due to the suspended field strength at the boundary of the metallization edge of the Schottky contact and the semiconductor.

Указанный недостаток устранен в высоковольтном карбидокремниевом диоде Шоттки, состоящем из сформированных на эпитаксиальной структуре одного типа проводимости, планарного рабочего перехода и делительных колец другого типа проводимости (см., например, статью П.А. Иванова «Высоковольтные (1800 В) планарные p-n-переходы на основе 4H-SiC с плавающими охранными кольцами» из журнала «Физика и техника полупроводников» том 43, вып. 4, 2009 г., стр. 527-520).This drawback was eliminated in the high-voltage Schottky carbide-silicon diode, which consists of one type of conductivity formed on the epitaxial structure, a planar working junction and dividing rings of another type of conductivity (see, for example, P.A. Ivanov's article “High-voltage (1800 V) planar pn junctions based on 4H-SiC with floating guard rings ”from the journal“ Physics and Technology of Semiconductors ”Volume 43, Issue 4, 2009, pp. 527-520).

Данная конструкция взята за прототип предлагаемой полезной модели. Оценку качества изготовления диодов Шоттки проводят на тестовом элементе, в качестве которого берут рабочий диод.This design is taken as a prototype of the proposed utility model. Evaluation of the quality of manufacture of Schottky diodes is carried out on a test element, which is taken as a working diode.

Так как основной технологией получения планарных р-n переходов на карбиде кремния является имплантация примесей, и глубина залегания переходов составляет обычно 0,5-1,5 мкм, то напряжение пробоя планарного перехода определяется концентрацией примеси в эпитаксиальном слое, толщиной эпитаксиального слоя и радиусом скругления переходов, определяемых их глубиной залегания. Напряжение пробоя планарных переходов в 3-5 раз меньше, чем напряжение пробоя плоского перехода.Since the main technology for producing planar p-n junctions on silicon carbide is the implantation of impurities, and the depth of the junction is usually 0.5-1.5 μm, the breakdown voltage of the planar junction is determined by the concentration of the impurity in the epitaxial layer, the thickness of the epitaxial layer and the radius of rounding transitions determined by their depth. The breakdown voltage of planar transitions is 3-5 times less than the breakdown voltage of a planar transition.

Для повышения напряжения пробоя планарного перехода на карбиде кремния применяют систему делительных колец, которая повышает радиус скругления планарного перехода при подаче обратного напряжения.To increase the breakdown voltage of a planar transition on silicon carbide, a system of dividing rings is used, which increases the rounding radius of the planar transition when applying reverse voltage.

Зазоры между основным переходом и первым кольцом, а также между кольцами выбирают одинаковыми и подбираются таким образом, чтобы область пространственного заряда (ОПЗ) основного и делительных переходов последовательно смыкалась по мере увеличения напряжения на аноде диода. Для полупроводниковых приборов на карбиде кремния зазоры между делительными кольцами выбирают одинаковыми от 0,5 до 5 мкм. Если в качестве легирующей примеси используется алюминий, то ширина зазора составляет от 0,5-1 мкм, если легирующей примесью является бор, то значение зазора лежит в диапазоне от 2 до 5 мкм, в зависимости от концентрации примеси. На карбиде кремния ширина обедненной области составляет 6-7 мкм при напряжении 600В и 15-16 мкм при напряжении 1700В.The gaps between the main junction and the first ring, as well as between the rings, are chosen the same and are selected so that the space charge region (SCR) of the main and dividing junctions is successively closed as the voltage across the anode of the diode increases. For silicon carbide semiconductor devices, the gaps between the dividing rings are the same between 0.5 and 5 μm. If aluminum is used as the dopant, the gap width is from 0.5-1 μm, if the dopant is boron, then the value of the gap is in the range from 2 to 5 μm, depending on the concentration of the impurity. On silicon carbide, the width of the depletion region is 6–7 μm at a voltage of 600 V and 15–16 μm at a voltage of 1700 V.

Из-за разброса параметров режимов отжига, концентрации примеси в эпитаксиальном слое и технологических погрешностей фотолитографий, фактические значения напряжений пробоя могут быть меньше расчетных, т.к. области пространственного заряда делительных колец могут не смыкаться на расчетных напряжениях, так, например при температуре -60°С, пробивное напряжение может понизиться на 300-400В, из-за того, что ОПЗ нескольких колец не сомкнулась. ОПЗ может также смыкаться при напряжениях меньше расчетного из-за заряженных ионов группы ОН в защитном слое термически выращенного оксида кремния (SiO₂).Due to the variation in the parameters of the annealing regimes, the concentration of the impurity in the epitaxial layer, and the technological errors of the photolithographs, the actual values of the breakdown voltages can be lower than the calculated ones, because the space charge regions of dividing rings may not close at the calculated voltages, for example, at a temperature of -60 ° C, the breakdown voltage may drop by 300-400V, due to the fact that the SCR of several rings does not close. The SCR can also close at voltages lower than the calculated one due to charged ions of the OH group in the protective layer of thermally grown silicon oxide (SiO ₂ ).

При наличии заряда в оксиде кремния также увеличиваются обратные токи, и сложно определить, какова причина повышения обратных токов, чтобы принять оперативные меры по устранению причины.When there is a charge in silicon oxide, reverse currents also increase, and it is difficult to determine what is the reason for the increase in reverse currents in order to take prompt measures to eliminate the cause.

Эти отклонения в параметрах пробивного напряжения можно обнаружить только в конце процесса изготовления диода после формирования контакта Шоттки.These deviations in the breakdown voltage parameters can be detected only at the end of the diode manufacturing process after the Schottky contact is formed.

Также возможны отказы приборов из-за пробоя в области делительных колец при быстром нарастании обратного смещения (больше 20 В/нс) (эффект dU/dt), вызванные как раз «обрывом» ОПЗ (см. статью из журнала «Силовая электроника», №2 за 2018, стр. 58-60). Пробой карбидокремниевого прибора наступает из-за резкого нарастания электрических полей за пределами металлизации в районе делительных колец.Failures of devices due to breakdown in the field of dividing rings during a rapid increase in reverse bias (more than 20 V / ns) (dU / dt effect) caused by just a “breakdown" of the SCR (see article from the journal Power Electronics, No. 2 2018, p. 58-60). The breakdown of a silicon carbide device occurs due to a sharp increase in electric fields outside of metallization in the region of dividing rings.

Целью предполагаемой полезной модели является повышение оперативности контроля и его качества при изготовлении карбидокремниевых диодов Шоттки.The purpose of the proposed utility model is to increase the efficiency of control and its quality in the manufacture of silicon carbide Schottky diodes.

Указанная цель достигается тем, что тестовый элемент для контроля качества высоковольтных карбидокремниевых диодов Шоттки которые состоят из сформированных на эпитаксиальной структуре одного типа проводимости планарного рабочего перехода и делительных колец другого типа проводимости, при этом тестовый элемент выполнен в виде структуры латерального транзистора с зазором между планарным рабочим переходом (коллектором) и эмиттером, равным расстоянию между делительными кольцами тестируемого диода Шоттки.This goal is achieved by the fact that the test element for quality control of high-voltage Schottky silicon carbide diodes which consist of a planar working junction type and dividing rings of another conductivity type formed on the epitaxial structure, while the test element is made in the form of a lateral transistor structure with a gap between the planar working transition (collector) and emitter equal to the distance between the dividing rings of the tested Schottky diode.

Прикладывая напряжение между планарным рабочим переходом (коллектором) и эмиттером, можно определить потенциал смыкания кольца сразу после формирования делительных колец еще до формирования контакта Шоттки. Исходя из значения потенциала кольца, можно сделать выводы о правильности выбора зазора и режима отжига, что повышает оперативность контроля.By applying voltage between the planar working junction (collector) and the emitter, it is possible to determine the ring closure potential immediately after the formation of the dividing rings even before the Schottky contact is formed. Based on the value of the ring potential, we can draw conclusions about the correct choice of the gap and the annealing mode, which increases the efficiency of control.

Таким образом, если напряжение смыкания велико (более 150 В) можно разогнать примесь путем импульсного отжига, так как при высокотемпературном отжиге примесь распространяется не только вглубь, но и в боковые стороны.Если напряжение смыкания мало (менее 70 В), можно отбраковать приборы, до формирования контакта Шоттки и последующих технологических операций, что уменьшает издержки при производстве этого прибора.Thus, if the clamping voltage is high (more than 150 V), the impurity can be dispersed by pulsed annealing, since during high-temperature annealing, the impurity propagates not only deep but also to the sides. If the clamping voltage is small (less than 70 V), you can reject before the formation of Schottky contact and subsequent technological operations, which reduces the cost of manufacturing this device.

Качество изготовления диода Шоттки обеспечивается смыканием всех делительных колец на максимальном рабочем напряжении, что исключает отказ диодов из-за эффекта dU/dt.The manufacturing quality of the Schottky diode is ensured by closing all dividing rings at the maximum operating voltage, which eliminates the failure of the diodes due to the dU / dt effect.

Сущность полезной модели поясняется фигурами. На фиг. 1 приведен вид сверху тестового элемента, на фиг. 2 - структура тестового элемента в разрезе, где:The essence of the utility model is illustrated by figures. In FIG. 1 is a top view of a test element, FIG. 2 - the structure of the test element in the context, where:

1 - подложка n+-типа;1 - n + -type substrate;

2 - эпитаксиальный слой n-типа;2 - n-type epitaxial layer;

3 - планарный рабочий переход р-типа (коллектор);3 - planar working transition p-type (collector);

4 - эмиттер р-типа;4 - p-type emitter;

5 - слой оксида кремния SiO₂;5 - layer of silicon oxide SiO ₂ ;

6 - контактные окна;6 - contact windows;

d - зазор между эмиттером и коллектором.d is the gap between the emitter and the collector.

Предлагаемый тестовый элемент имеет следующую конструкцию: на карбидокремниевой подложке n+-типа проводимости 1 политипа 4Н формируют эпитаксиальный слой n--типа 2 толщиной 13 мкм с концентрацией примеси 5⋅10¹⁵ см^-3. Для повышения напряжения пробоя двухстадийной имплантацией ионами бора с дозами 3⋅10¹⁵ см^-2 и 6⋅10¹⁵ см^-2 с энергиями 150 КэВ и 350 КэВ соответственно на глубине ≈0,67 мкм формируют - планарный рабочий переход р-типа 3 и эмиттер р-типа 4 с последующим отжигом при температуре 1580°С. Затем формируют слой оксида кремния SiO₂ 5 и в нем вытравливают контактные окна 6.The proposed test element has the following construction: on an n + -type silicon carbide substrate of 1 polytype 4H, an n - type 2 epitaxial layer 13 μm thick with an impurity concentration of 5 × 10 ¹⁵ cm ^{-3 is formed} . To increase the breakdown voltage by two-stage implantation with boron ions with doses of 3 × 10 ¹⁵ cm ^-2 and 6 × 10 ¹⁵ cm ^-2 with energies of 150 keV and 350 keV, respectively, a p-type planar working transition 3 and p-type emitter 4 followed by annealing at a temperature of 1580 ° C. Then, a silicon oxide layer SiO ₂ 5 is formed and contact windows 6 are etched therein.

Пробивное напряжение диода (Uпроб) складывается из напряжения пробоя планарного рабочего перехода (Uпл.п) и напряжения смыкания (Uсмыкания), умноженного на количество эмиттеров (N):The breakdown voltage of the diode (Uprob) is the sum of the breakdown voltage of a planar working junction (Upl.p) and the closing voltage (Ucircuit), multiplied by the number of emitters (N):

Uпроб=Uпл.п+Uсмыкания*N.На тестовом элементе контролируют Uпл.п замеряя напряжения между подложкой 1 и планарным рабочим переходом 3 (коллетором). Далее замеряется Uсмыкания между планарным рабочим переходом р-типа (коллектором) 3 и эмиттером р-типа 4. При увеличении обратного тока более 10 мкА происходит смыкание ОПЗ эмиттера и коллектора.Uprobe = Upl.p + Ucircuits * N. On the test element, Upl.p is controlled by measuring the voltage between the substrate 1 and the planar working transition 3 (collector). Next, U-junctions are measured between the p-type planar working junction (collector) 3 and the p-type emitter 4. With an increase in the reverse current of more than 10 μA, the SCR of the emitter and collector are closed.

В таблице 1 приведены результаты измерений трех тестовых элементов и диодов Шоттки и с различными зазорами d, изготовленных на одинаковых эпитаксиальных структурах с одинаковыми технологическими режимами.Table 1 shows the measurement results of three test elements and Schottky diodes with different gaps d made on the same epitaxial structures with the same technological conditions.

При проверке пробивного напряжения обратно смещенного перехода диода использовался высоковольтный генератор напряжения с регулируемым фронтом нарастания напряжения в пределах 5-200 В/нс.When checking the breakdown voltage of the reverse biased junction of the diode, we used a high-voltage voltage generator with an adjustable voltage rise front in the range of 5-200 V / ns.

Таким образом экспериментально подтверждено, что при оптимальном зазоре d, равном расстоянию между эмиттерами данного рабочего диода Шоттки (2,5 мкм), Uпроб совпадает с расчетным 900+130*5=1550 В. При большем зазоре d между эмиттерами (5 мкм) напряжение смыкания одного эмиттера составляет 300 В, но при t=-60°С подключился лишь один эмиттер 1200-900=300 В также возможен пробой при быстром нарастании обратного смещения. При меньшем зазоре подключаются все эмиттеры в диапазоне температур 900+50*5=1150 В, но пробивное напряжение диода значительно меньше предельно возможного.Thus, it was experimentally confirmed that with an optimal gap d equal to the distance between the emitters of a given Schottky working diode (2.5 μm), the U-test coincides with the calculated 900 + 130 * 5 = 1550 V. With a larger gap d between the emitters (5 μm), the voltage the closure of one emitter is 300 V, but at t = -60 ° C only one emitter is connected 1200-900 = 300 V, breakdown is also possible with a rapid increase in the reverse bias. With a smaller gap, all emitters are connected in the temperature range 900 + 50 * 5 = 1150 V, but the breakdown voltage of the diode is much less than the maximum possible.

Claims

Test element for quality control of high-voltage Schottky silicon carbide diodes, consisting of a planar working transition formed on an epitaxial structure of one type of conductivity and another conductivity dividing rings, characterized in that the test element is made in the form of a lateral transistor structure with a gap between the planar working transition (collector) and an emitter equal to the distance between the dividing rings of the tested Schottky diode.