Вертикальный биполярный транзистор

 

Использование: изобретение относится к полупроводниковому производству, а именно к конструкции вертикальных биполярных транзисторов с низким уровнем обратного тока и повышенной стабильностью параметров I_кэо и I_кэ Сущность: вертикальный биполярный транзистор содержит канальный ограничитель и пассивирующее покрытие, препятствующее попаданию подвижных зарядов в приповерхностную часть области пространственного заряда коллекторного перехода. В базовой области транзистора между эмиттерной областью и поверхностной границей коллекторного перехода имеется по крайней мере одна дополнительная область, охватывающая кольцом указанную эмиттерную область и препятствующая попаданию неосновных носителей в приповерхностную часть области пространственного заряда коллекторного перехода. Причем глубина указанной дополнительной области больше или равна глубине эмиттерной области указанного биполярного транзистора. 1 ил.

Изобретение относится к области полупроводникового производства, а именно к конструкции вертикального биполярного транзистора с низким уровнем обратного тока. Целью изобретения является уменьшение аномально высокого уровня и дрейфа обратных токов l_кэ и l_кэо транзистора. Указанная цель достигается тем, что в известной конструкции вертикального биполярного транзистора с канальным ограничителем и пассивирующим покрытием, препятствующим попаданию подвижных зарядов в приповерхностную часть области пространственного заряда коллекторного перехода, базовая область транзистора между его эмиттерной областью и поверхностной границей коллекторного перехода содержит по крайней мере одну дополнительную область, охватывающую кольцом эмиттерную область, в которой дефектность кристаллической решетки полупроводникового материала выше дефектности кристаллической решетки базовой области, причем минимальное расстояние от границы дополнительной области до любого участка коллекторного перехода не менее ширины области пространственного заряда в базовой области на соответствующем участке коллекторного перехода при обратном смещении базовой области. Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемый транзистор отличается тем, что базовая область между эмиттерной областью и поверхностной границей коллекторного перехода содержит по крайней мере одну дополнительную область, охватывающую кольцом эмиттерную область, в которой дефектность кристаллической решетки полупроводникового материала выше дефектности кристаллической решетки базовой области, причем минимальное расстояние от границы дополнительной области до любого участка коллекторного перехода не менее ширины области пространственного заряда в базовой области на соответствующем участке коллекторного перехода при обратном смещении базовой области. Следует подчеркнуть, что в настоящее время не существует других технических решений, кроме предложенного авторами, позволяющих устранить проблему дрейфа и аномально больших значений обратных токов I_кэo и I_кэ у вертикального биполярного транзистора с "нормальным" значением обратного тока I_кбо, поэтому необходимо сделать некоторые пояснения. Специалистам известно, что ток утечки (обратный ток)I_кбо биполярного транзистора обусловлен в основном двумя составляющими: током поверхностной утечки I_s, определяемым неоднородностью поверхностного заряда на границе раздела фаз кремний-диэлектрик и током локального лавинного умножения, обусловленным неоднородным распределением по поверхности полупроводника адсорбированной примеси, а также включений второй фазы (для кремния это SiO₂ и SiC, возникающие в процессе высокотемпературной обработки). При этом уровень "нормального" обратного тока для высоковольтных транзисторов составляет обычно 1 100 мкА. В свою очередь, из названных двух составляющих основной обычно является составляющая обратного тока I_s. Также известно, что уровень обратного тока I_s определяется четырьмя основными факторами: зарядом быстрых состояний, обусловленным нарушениями периодически кристаллической решетки на поверхности полупроводника, так называемыми "собственными" дефектами: постоянным зарядом а пассивирующем покрытии, обусловленным видом покрытия и способом его получения: медленно релаксирующим зарядом. обусловленным в основном дрейфом ионов металлов и поляризацией диэлектрика, в том числе ориентацией молекул, имеющих электрический дипольный момент: захватом электронов ловушками в диэлектрическом покрытии на границе раздела фаз кремний-диэлектрик. Указанные факторы приводят к возникновению электрического поля на поверхности полупроводника, которое в определенных неконтролируемых условиях может обусловить генерацию носителей заряда на поверхности ОПЗ и так называемую "канальную" проводимость. При этом неравновесные носители заряда, генерируемые на поверхности ОПЗ. затягиваются в канал и значительно (на порядки) увеличивают ток утечки, так что канал может разогреться протекающим током вплоть до локализованного пробоя. Авторы предложили, что аномально большой уровень обратных токов I_кэ и I_кэо при "нормальном" уровне обратного тока I_кбо обусловлен попаданием избыточных неравновесных носителей заряда в приповерхностную часть ОПЗ "со стороны", когда электрического потенциала на поверхности ОПЗ еще недостаточно для генерации носителей заряда в самой ОПЗ, но вполне достаточно для обеспечения канальной проводимости. Необходимо отметить, что, подавляющего большинства конструкций современных вертикальных биполярных транзисторов область базы охватывает область эмиттера кольцевым участком с шириной, определяемой в основном шириной кольцевой базовой металлизации, которая в свою очередь обусловлена уровнем базового том, на который рассчитан полупроводниковый прибор. На практике ширина кольцевой области базы составляет 50-200мкм. До настоящего времени влияние боковой инжекции эмиттера на стабильность и величину обратных токов I_кэо и I_кэ вертикального транзистора не принималось во внимание. Считалось, что концентрация неосновных носителей (например, электронов для n-р-n-транзисторов),инжектированных боковой поверхностью эмиттера, уменьшается до нуля на расстоянии, равном толщине пассивной базы вертикального транзистора, так как на этом расстоянии коллектор эффективно собирает электроны (Полупроводниковые приборы/Под редакцией В.А.Лабунцева. с. 141). Авторы установили, что даже при ширине кольцевой области базы 170 мкм с поверхностной концентрацией 5 · 10¹⁸ Вт/см³ коллекторный переход "чувствует" неосновные носители, попадающие в приповерхностную часть ОПЗ, причем указанное влияние боковой инжекции отмечалось не только для планарных конструкций, но и для меза-планарных. Более того, оказалось, что меза-планарные конструкции еще более склонны к указанному аномально большому уровню и дрейфу токов I_кэо и I_кэ, так как инжектированные в боковом направлении неосновные носители отклоняются от поверхности поупроводникового кристалла полем базы, обусловленным градиентом концентрации примеси в базе, и "забрасываются" в место выхода ОПЗ на поверхность меза-канавки. Указанные аномальные явления с обратными токами I_кэc и I_кэ вертикального биполярного транзистора можно предотвратить тремя основными способами: удалив поверхностную границу коллекторного перехода от области эмиттера на расстояние, гарантирующее непопадание неосновных носителей заряда в место выхода ОПЗ на поверхность полупроводника: подавив боковую инжекцию эмиттера: создав препятствие на пути прохождения неосновных носителей, инжектированных в боковом направлении. Каждый из названных способов имеет свои недостатки и достоинства. Конструкция биполярного транзистора, изготовленного согласно первому способу, наиболее надежна и проста в изготовлении, однако требует весьма значительного увеличения расхода полупроводникового материала, так как ширина кольцевой базовой области должна составлять 300-5000 мкм (для N_sб-10¹⁷-10¹⁸ ат/cм³), что на практике не применимо. Конструкция биполярного транзистора с подавленной боковой инжекцией в полупроводниковом производстве давно известна-это конструкция с так называемым "пинч-резистором" (см. акцептированную заявку Японии N 50-1632, 1975). Известная конструкция имеет вокруг эмиттерной области замкнутую область того же типа проводимости, повторяющую конфигурацию эмиттера и изолированную от электродов эмиттера и базы. Она была предложена с целью повышения коэффициента усиления по току биполярного транзистора в режиме малого сигнала, а также для уменьшения уровня его шума. В дальнейшем известная конструкция использовалась с целью повышения устойчивости биполярного транзистора к вторичному пробою при прямом смещении его базы. Понятно, что применение известной конструкции с целью получения небольших и стабильных токов I_кэо, I_кэ позволяет получить положительный эффект. Однако ее основным недостатком являются значительное увеличение значения параметра U_бэн транзистора, а также заметное снижение его коэффициента усиления по току в режиме большого сигнала по понятным специалистам причинам. В одной из конструкций, реализующих предложенное авторами изобретение, используется известный принцип подавления боковой инжекции эмиттера, однако используется для выполнения новой цели обеспечения стабильности и низкого уровня обратных токов I_кэо и I_кэ транзистора. Поэтому, нет необходимости подавлять боковую инжекцию вдоль всего периметра эмиттера - достаточно подавить указанную инжекцию в местах наиболее приближенных к границе коллекторного перехода для каждой стороны кристалла. Таким образом, дополнительная область не повторяет конфигурации эмиттера, а "кольцом" охватывает его по периферии. Понятно, что при гребенчатой форме эмиттерной области указанная дополнительная область может быть не сплошной, а дискретной. Предложенная авторами дополнительная кольцевая область может представлять собой либо диффузионную область с высокой концентрацией примеси, близкой к предельной растворимости, противоположного типа проводимости по сравнению с эмиттерной областью, диффузионную область того же типа проводимости, что и эмиттерная область, причем произвольной степени легирования, либо углубление в полупроводниковом материале, как правило, заполненное пассивирующих материалом, либо область, легированная элементами, снижающими время жизни (Аu, Сu, Fе и т.д.), либо область с заметными нарушениями кристаллической решетки полупроводника в результате какого-нибудь воздействия (ионная, ионно-плазменная обработка, лазерная обработка, облучение в "жестком" диапазоне длин волн и т.д.). Понятно, что для получения максимального эффекта глубина указанной дополнительной области должна быть по крайней мере не меньше глубины эмиттера биполярного транзистора. Если в качестве дополнительной кольцевой области используется диффузионная область того же типа проводимости, что и эмиттерная область транзистора, то кольцевая базовая металлизация должна быть изолирована от указанной области (в противном случае транзистор может быть нестабилен при обратном смещении базы, особенно в режиме I_кбо), а указанная дополнительная область должна быть отделена от эмиттерной области. Однако расстояние ее от эмиттерной области не должно быть слишком велико (в противном случае дополнительная область не выполнит своей функции по понятным причинам), на практике оптимальным является расстояние 5-30 мкм. Во всех других случаях дополнительная область может контактировать с периферией эмиттерной области, а кольцевая базовая металлизация может контактировать с самой дополнительной областью. В том случае, когда по каким-либо причинам нельзя воздействовать на периферию эмиттерной области (например, при необходимости обеспечения конкретного значения пробивного напряжения "эмиттер-база", или обеспечения определенного уровня шума и т.д.) наиболее оптимальной является конструкция биполярного транзистора, имеющего в базовой области между эмиттером и коллекторным переходом дополнительную область, препятствующую прохождению неосновных носителей заряда к поверхностной границе ОПЗ. Такой дополнительной областью могут служить все варианты, описанные в предыдущем пункте, кроме варианта, когда дополнительная область имеет тот же тип проводимости, что и эмиттерная область, так как в этом случае указанная область будет "прозрачна" для неосновных носителей заряда по понятным специалистам причинам. Следует подчеркнуть, что для всех предлагаемых вариантов наличие контакта с кольцевой базовой металлизацией не представляет опасности. Особенностью конструкций этого варианта является требование к повышенной глубине дополнительной области, особенно для меза-планарного транзистора, что необходимо для эффективного улавливания 'паразитных" неосновных носителей. Изобретение поясняется чертежом, на котором изображено поперечное сечение одного из вариантов транзистора предлагаемой конструкции. Сплошными стрелками показано движение неосновных носителей в базе у предлагаемой, а пунктирными стрелками у известной конструкции. Меза-планарный биполярный транзистор содержит коллектор, состоящий из высокоомного слоя 1 n-типа проводимости с ρ=25 Ом. см толщиной 65 мкм и сильнолегированного n⁺-слоя 2 толщиной 280 мкм, базовую область 3 глубиной 22 мкм, легированную галлием с поверхностным сопротивлением 86 Ом/□ и эмиттерную область 4 глубиной 7 мкм, легированную фосфором, с поверхностным сопротивлением 0,7 Ом/□,, состоящую из четырнадцати гребенок. Поверхностная граница коллекторного перехода указанного транзистора выходит на боковую стенку 9 меза-канавки глубиной 60 мкм и защищена пассивирующим покрытием 11 на основе алюмосиликатного стекла. Вдоль периферии полупроводникового кристалла имеется противоканальное кольцо 6n⁺-типа проводимости глубиной 7мкм с поверхностным сопротивлением 0,7 Ом/□. Эмиттерная область транзистора окружена дополнительной областью 5 n⁺-типа, охватывающей кольцом указанную эмиттерную область и предотвращающей попадание неосновных носителей 6 приповерхностную часть ОПЗ коллекторного перехода, в результате чего подавляется проявление эффекта канальной проводимости. При этом минимальное расстояние между эмиттерной и дополнительной областями 10 мкм, а максимальное 2810 мкм (соответствует длине эмиттерных гребенок). Глубина указанной дополнительной области равна 7 мкм, а поверхностное сопротивление 0,7 Ом/□.. Указанная дополнительная область и поверхностная граница эмиттерного перехода изолированы окислом 10 толщиной 0,7 мкм. На поверхности эмиттера создана алюминиевая металлизация 7, а на поверхности базы алюминиевая металлизация 8 толщиной 5 мкм. На сильнолегированной поверхности коллектора создана металлизация 12 Ni-Au толщиной 1,5 мкм. Транзистор предлагаемой конструкции при уровне обратного тока I_кбo 14,0 мА имеет уровень обратного тока I_кэо 170 мкА, при Т 25^oС и I_кэо=1,2 мкА, при Т=125^oС. При этом транзистор известной конструкции, изготовленный в одном технологическом цикле с предлагаемым транзистором, имеет уровень обратного тока I_кэо 1,6 мА, при Т 25^oС и I_кэо 16 мкА при Т 125^oС (U_кэ= 100 В). Способ изготовления указанного транзистора является стандартным трехстадийным способом с применением известных диффузионных и технологических процессов. Дополнительная n⁺-область 5 создается одновременно с созданием эмиттерной области транзистора, для чего на поверхности маскирующего покрытия перед процессом диффузии фосфора в эмиттер известным способом вскрывается дополнительная кольцевая область. При этом указанная дополнительная область может создаваться как с помощью отдельного процесса фотолитографии, так и c помощью модернизированного фотошаблона для диффузии легирующей примеси в эмиттер. Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет значительно повысите качество и надежность изготавливаемого вертикального биполярного транзистора, а также повысить процент выхода годных на контроле электрических параметров в процессе его производства. Понятно, что предложенное техническое решение применимо для любого полупроводникового прибора, имеющего в своем составе вертикальную транзисторную структуру (например, стабилитрон с "плавающей" базой, тиристоры и т.д.).

Формула изобретения

1. Вертикальный биполярный транзистор, содержащий в полупроводниковой подложке коллекторную область типа проводимости с канальным ограничителем, базовую область противоположного типа проводимости, эмиттерную область первого типа проводимости и пассивирующее покрытие по крайней мере на части поверхности базовой и коллекторной областей, отличающийся тем, что, с целью уменьшения аномально высокого уровня и дрейфа обратных токов I_кэо и I_кэ транзистора благодаря предотвращению попадания избыточных неосновных носителей заряда базовой области в приповерхностную часть области пространственного заряда коллекторного перехода, базовая область транзистора содержит по крайней мере одну дополнительную область, в которой дефектность кристаллической решетки выше дефектности кристаллической решетки базовой области, расположенную между эмиттерной областью и поверхностной границей коллекторного перехода и охватывающую кольцом эмиттерную область, причем минимальное расстояние от границы дополнительной области до любого участка коллекторного перехода не менее ширины области пространственного заряда в базовой области на соответствующем участке коллекторного перехода при обратном смещении базовой области. 2. Транзистор по п.1, отличающийся тем, что минимальное расстояние от границы дополнительной области до границы коллекторного перехода больше диффузионной длины неосновных носителей заряда в базовой области. 3. Транзистор по пп.1 и 2, отличающийся тем, что дополнительная область имеет первый тип проводимости. 4. Транзистор по п.3, отличающийся тем, что расстояние между дополнительной и эмиттерной областями не превышает 30 мкм. 5. Транзистор по пп.1 и 2, отличающийся тем, что дополнительная область имеет второй тип проводимости, а ее степень легирования не менее 5·10¹⁹ат/см³. 6. Транзистор по пп.1 5, отличающийся тем, что дополнительная область легирована элементами, снижающими время жизни неосновных носителей заряда в базовой области. 7. Транзистор по пп. 1 6, отличающийся тем, что ширина дополнительной области не менее диффузионной длины неосновных носителей заряда базовой области в дополнительной области. 8. Транзистор по п. 1, отличающийся тем, что дополнительная область выполнена в виде углубления в базовой области. 9. Транзистор по п. 8, отличающийся тем, что углубление заполнено пассивирующим материалом. 10. Транзистор no пп. 1 9, отличающийся тем, что дополнительная область выполнена дискретной. 11. Транзистор по пп. 1 10, отличающийся тем, что глубина дополнительной области не менее глубины эмиттерной области.

РИСУНКИ

Рисунок 1