RU2019894C1

RU2019894C1 - High-voltage planar p-n junction

Info

Publication number: RU2019894C1
Authority: RU
Inventors: А.И. Гордеев; В.О. Насейкин; А.Ф. Королев; Н.М. Сандина; В.А. Куц; Е.Е. Андреева
Original assignee: Государственное предприятие - Особое конструкторское бюро "Искра"
Priority date: 1991-11-21
Filing date: 1991-11-21
Publication date: 1994-09-15

Abstract

FIELD: production of semiconductor devices. SUBSTANCE: planar p-n junction has two conduction regions of different types, p-n junction has a closed configuration. Annular zones of the same conduction are arranged about the internal zone in the form of a spiral connected with the internal zone and developing towards periphery, with the distances between the spiral turns being less than the space charge in the semiconductor surface layer at surface break-down voltage. EFFECT: enhanced quality. 2 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к изготовлению полупроводниковых приборов, в частности высоковольтных диодов, транзисторов, тиристоров. The invention relates to the manufacture of semiconductor devices, in particular high-voltage diodes, transistors, thyristors.

К широко используемым в настоящее время в промышленности высоковольтным полупроводниковым приборам прдъявляются весьма противоречивые требования, например требование высокого значения максимального тока и низкого сопротивления насыщения (в мощных транзисторах) сочетаются с требованием высоких напряжений пробоя. Получение максимально возможных значений напряжений пробоя при заданных остальных параметрах структуры и материала характерно и для других полупроводниковых приборов. Highly used semiconductor devices that are widely used in industry today have very conflicting requirements, for example, the requirement for a high maximum current and low saturation resistance (in high-power transistors) are combined with the requirement for high breakdown voltages. Obtaining the maximum possible values of breakdown voltages for other parameters of the structure and material given is also characteristic of other semiconductor devices.

Известно несколько способов повышения пробивного напряжения планарного р-n-перехода. В одном из таких способов повышение напряжения пробоя достигается за счет создания вокруг базовой области транзистора кольцевых областей того же типа проводимости, который имеет данная базовая область. Для устранения эффекта поверхностного снижения удельного сопротивления исходного материала из-за наличия зарядов в защитном окисле и на поверхности полупроводника описанные кольцевые области располагаются на определенном расстоянии друг от друга, которое монотонно увеличивается к периферии. Several methods are known for increasing the breakdown voltage of a planar pn junction. In one of these methods, an increase in the breakdown voltage is achieved by creating around the base region of the transistor ring regions of the same type of conductivity that this base region has. To eliminate the effect of surface reduction in the resistivity of the starting material due to the presence of charges in the protective oxide and on the surface of the semiconductor, the described ring regions are located at a certain distance from each other, which monotonically increases to the periphery.

Недостатком данного способа является то, что данная система колец не обеспечивает достаточный равномерности напряженности электрического поля по поверхности, нет ограничения микроплазменных пробоев и лавинной ионизации и применение этого метода предусматривает использование дополнительных методов стабилизации поверхности. Следует отметить, что подвижные заряды, присутствующие в приповерхностном слое при распространении области пространственного заряда вдоль поверхности полупроводника в зоне кольцевых областей начинают дрейфовать в соответствии с электрическим полем. Такое положение вызывает значительное снижение (до нескольких сотен вольт) первоначального значения напряжения пробоя, которое с течением времени (от долей до десятков секунд) по мере перераспределения поверхностного заряда принимает максимальное значение, как если бы данного нежелательного эффекта не было. Это так называемая зарядовая нестабильность. Этот недостаток описанного способа может привести к получению очень низких напряжений пробоя по сравнению с ожидаемыми. The disadvantage of this method is that this ring system does not provide sufficient uniformity of electric field strength over the surface, there is no restriction of microplasma breakdowns and avalanche ionization, and the use of this method involves the use of additional methods of surface stabilization. It should be noted that the mobile charges present in the near-surface layer during the propagation of the space-charge region along the surface of the semiconductor in the zone of annular regions begin to drift in accordance with the electric field. This situation causes a significant decrease (up to several hundred volts) of the initial value of the breakdown voltage, which, over time (from fractions to tens of seconds), as the surface charge is redistributed, takes on the maximum value, as if this undesirable effect were not. This is the so-called charge instability. This disadvantage of the described method can lead to very low breakdown voltages compared to expected.

Целью изобретения является повышение пробивного напряжения и устойчивости р-n-перехода к электрическому пробою. The aim of the invention is to increase the breakdown voltage and the stability of the pn junction to electrical breakdown.

Поставленная цель достигается тем, что в планарном р-n-переходе, имеющем две области различного типа проводимости, одна из которых (базовая область) замкнута и образована на поверхности первой области (коллектора), вокруг базовой области создаются кольцевые зоны одинакового с ней типа проводимости в виде соединенной с базовой областью и развивающейся к периферии спирали. Расстояние между витками спирали должно быть меньше длины распространения области пространственного заряда в приповерхностном слое полупроводника при напряжении поверхностного пробоя, имеющего меньшее удельное сопротивление за счет зарядов в окисле. This goal is achieved by the fact that in a planar pn junction having two regions of different conductivity types, one of which (the base region) is closed and formed on the surface of the first region (collector), ring zones of the same conductivity type are created around the base region in the form of a spiral connected to the base region and developing to the periphery. The distance between the turns of the spiral should be less than the propagation length of the space charge region in the surface layer of a semiconductor at a surface breakdown voltage having a lower resistivity due to charges in the oxide.

Фактически одновременная подача потенциала обратного смещения на базу и на все витки спирали приведет к тому, что в зоне между соседними витками область пространственного заряда распространяется на смыкание одновременно с двух сторон, и имеющиеся в приповерхностной области заряды оказываются связанными. Таким образом, развивая спираль кольцевых областей (в дальнейшем просто спираль) на достаточное расстояние от базы к периферии, можно резко снизить вероятность поверхностного пробоя. Кроме того, создание кольцевых областей в виде соединенной с базой и развивающейся к периферии спирали эквивалентно включению дополнительного резистора между коллекторной и базовой областями р-n-перехода. Регулируя величину этого сопротивления путем уменьшения ширины витков спирали, созданием встроенных в витки спирали дополнительных последовательных резисторов с более низким уровнем легирования или другими известными способами, можно в широких пределах изменять уровни обратных токов при подаче запирающего напряжения на планарный р-n-переход. In fact, the simultaneous supply of the reverse bias potential to the base and to all the turns of the spiral will lead to the fact that in the zone between adjacent turns the region of space charge extends to the closure simultaneously from two sides, and the charges in the near-surface region are connected. Thus, by developing a spiral of annular regions (hereinafter simply a spiral) to a sufficient distance from the base to the periphery, the probability of surface breakdown can be sharply reduced. In addition, the creation of annular regions in the form of a spiral connected to the base and developing to the periphery is equivalent to the inclusion of an additional resistor between the collector and base regions of the pn junction. By adjusting the value of this resistance by reducing the width of the spiral coils, by creating additional series resistors built into the spiral coils with a lower doping level or by other known methods, it is possible to widely vary the levels of reverse currents when applying a blocking voltage to the planar pn junction.

На фиг. 1 изображен внешний вид кольцевых областей в виде спирали; на фиг. 2 - виток спирали, разрез. In FIG. 1 shows the appearance of the helical annular regions; in FIG. 2 - spiral coil, section.

Структура содержит область первого типа проводимости 1 (коллекторная область), область второго типа проводимости 2 (базовая область), образующую с первой областью замкнутый р-n-переход, кольцевые области 3 того же типа проводимости, что и вторая область, в виде соединенной со второй областью и развивающейся к периферии спирали, замыкающейся на себя с внешней стороны. Структура защищена термическим окислом 4, образованным во время диффузии базовой примеси, и содержит встроенные резисторы 5, с пониженной концентрацией примеси, дающей второй тип проводимости, образованные за счет смыкания боковых фронтов диффузии этой примеси в коллекторной области. The structure contains a region of the first conductivity type 1 (collector region), a region of the second conductivity type 2 (base region), forming a closed pn junction with the first region, annular regions 3 of the same conductivity type as the second region, in the form of the second area and developing to the periphery of the spiral, locked on itself from the outside. The structure is protected by thermal oxide 4, formed during the diffusion of the base impurity, and contains built-in resistors 5, with a reduced concentration of the impurity, giving a second type of conductivity, formed by closing the lateral diffusion fronts of this impurity in the collector region.

При приложении запирающего напряжения между базовой 2 и коллекторной 1 областями структуры это напряжение одновременно подается и на все витки спирали 3, растягивая границу области пространственного заряда к внешним виткам спирали и снижая тем самым напряженность электрического поля на границе. В коллекторной области между витками спирали область пространственного заряда распространяется от каждого витка и смыкается, образуя одну границу у внешних витков спирали. When a locking voltage is applied between the base 2 and collector 1 regions of the structure, this voltage is simultaneously applied to all turns of the spiral 3, stretching the boundary of the space charge region to the external turns of the spiral and thereby reducing the electric field strength at the boundary. In the collector region between the turns of the spiral, the space charge region extends from each turn and closes, forming one border at the external turns of the spiral.

П р и м е р. Используя спираль кольцевых областей, занимающих ту же площадь, что и кольца используемые в прототипе, получена конструкция мощного биполярного транзистора, который при использовании эпитаксиальных структур с удельным сопротивлением 45 Ом˙ см и толщиной высокоомного слоя 90 мкм имеет пробивное напряжение коллекторного перехода 1200 В, уровень обратного тока при напряжении 1150 В - 0,5 мА. При этом наблюдалось значительное подавление дрейфа обратного тока по сравнению с конструкцией, изготовленной согласно прототипу. PRI me R. Using a spiral of annular regions occupying the same area as the rings used in the prototype, a powerful bipolar transistor is constructed which, using epitaxial structures with a resistivity of 45 Ohm cm and a high resistance layer thickness of 90 μm, has a breakdown collector voltage of 1200 V, level reverse current at a voltage of 1150 V - 0.5 mA. In this case, there was a significant suppression of reverse current drift compared with the design made according to the prototype.

Использование данного изобретения позволит стабильно получать максимально возможные пробивные напряжения, перейдя от поверхностного пробоя к пробою в объеме полупроводника с одновременным повышением устойчивости планарного р-n-перехода к электрическому пробою, повысив тем самым выход годных и надежность получаемых высоковольтных полупроводниковых приборов. The use of this invention will allow to stably obtain the maximum possible breakdown voltages, moving from surface breakdown to breakdown in the semiconductor volume while increasing the stability of the planar pn junction to electrical breakdown, thereby increasing the usability and reliability of the obtained high-voltage semiconductor devices.

Claims

1. HIGH-VOLTAGE PLANAR pn junction containing a region of one type of conductivity and a region of the second type of conductivity, the p - n junction having a closed configuration, ring zones of the same conductivity are formed around the inner region, characterized in that the ring zones are formed in the form of a connected with the inner region and developing to the periphery of the spiral with distances between the turns of the spiral smaller than the region of space charge in the surface layer of the semiconductor at a voltage of surface breakdown.

2. p - n-junction according to claim 1, characterized in that the annular regions of the spiral are divided into many islands interconnected by built-in resistors with a lower level of dopant.