а

Силовая электроника №4'2005

Применение субмикронной технологии — путь к созданию высокоэффективных силовых диодов Шоттки

Николай Голубев
Владимир Токарев
Сергей Шпаковский


В современных устройствах электропитания выпрямительные блоки выполняются преимущественно с использованием силовых диодов Шоттки. Основное требование к параметрам выпрямительных диодов Шоттки — обеспечение низкого прямого напряжения (VF). Особенно актуальной данная проблема становится в связи с переходом к низковольтному (от 5 к 2 В) питанию больших интегральных схем. Для этих применений желательно иметь выпрямительные диоды с очень низким прямым падением напряжения, высокой скоростью переключения и блокирующей способностью 20-30 В. Вместе с тем постоянно остается предпочтительным уровень предельной температуры перехода (Tj max ) выше +125 °С.

В настоящее время при производстве силовых диодов Шоттки самыми распространенными считаются три конструктивно-технологических исполнения. Наиболее важные конструктивно-технологические и электрофизические характеристики разных вариантов исполнения промышленных диодов Шоттки приведены в таблице.

Разрез типовой структуры таких силовых диодов представлен на рис. 1. Барьер Шоттки на таких структурах формируется на планарной поверхности эпитаксиального cлоя n-типа. По периферии активной области диодной структуры создается замкнутая охранная область p-типа проводимости, чтобы исключить концентрацию силовых линий электрического поля по внешней границе барьера Шоттки и защитить структуры от краевого поверхностного пробоя, который при отсутствии охранной области может происходить уже при достаточно малых обратных напряжениях. Величина обратного пробивного напряжения в такой структуре определяется параметрами эпитаксиального слоя (удельное сопротивление ρ, толщина Н) и глубиной p-области охранного кольца.

Рис. 1. Поперечный разрез структуры стандартного диода Шоттки
Рис. 1. Поперечный разрез структуры стандартного силового диода Шоттки

Для обеспечения высокого обратного пробивного напряжения и низких обратных токов требуется увеличивать удельное сопротивление и толщину эпитаксиального слоя, что приводит к резкому росту прямого напряжения. В качестве альтернативы приведенной на рис. 1 типовой структуры планарного диода Шоттки может рассматриваться структура, в которой сформировано множество близко расположенных узких канавок с МОП-конденсаторами на боковых стенках и на дне, а барьер Шоттки создается на верхней плоской части мезаструктуры [1]. Новая структура выпрямительного диода в литературе получила название «the Trench MOS Barrier Schottky (TMBS) Rectifier» — тренч МОП-диод с барьером Шоттки (Т МОП ДШ).

Поперечный разрез структуры выпрямительного Т МОП ДШ представлен на рис. 2. В этом приборе МОП-структура формируется в основании и на боковых стенках канавки, в то время как верхняя поверхность используется для формирования барьера Шоттки. Заполняющий канавку электрод может быть металлом или поликремнием, он закорачивается с электродом барьера Шоттки.

Рис. 2. Поперечный разрез структуры Т МОП ДШ
Рис. 2. Поперечный разрез структуры Т МОП ДШ

Теоретическое обоснование концепции выпрямительных Т МОП ДШ приведено в работе [1]. Характеристики прямого проводящего состояния и обратные блокирующие характеристики были получены путем использования структуры прибора, показанной на рис. 2. Чтобы изучить влияние физических параметров на характеристики прибора, изменялись следующие параметры: глубина канавки d, ширина мезы s, толщина оксида канавки и уровень легирования эпитакси-ального слоя. В процессе вычислений для области дрейфа использовано время жизни неосновных носителей заряда, равное 1 мкс. Толщина эпитаксиального слоя между основанием канавки и подложкой была выбрана такой, чтобы исключить смыкание обедненных слоев при обратных смещениях.

Для понимания того, как влияет МОП-область канавки на характеристики обратного смещения, необходимо исследовать распределение электрического поля в Т МОП ДШ при обратных смещениях, близких к пробою. Профиль электрического поля вдоль вертикальных линий, проходящих через область Шоттки посередине кремниевой меза-структуры, показан на рис. 3.

Рис. 3. Профиль электрического поля вдоль вертикальной линии, проходящей через барьер Шоттки для стандартного диода и Т МОП ДШ с различными глубинами канавок.
Рис. 3. Профиль электрического поля вдоль вертикальной линии, проходящей через барьер Шоттки для стандартного силового диода и Т МОП ДШ с различными глубинами канавок. Уровень легирования: 3х1016 см-3 для стандартного силового диода Шоттки и 1х1017 см-3 дпяТМОПДШ

Для сравнения также показан профиль электрического поля в случае стандартного силового диода Шоттки с концентрацией легирующей примеси в области дрейфа 3x1016 см–3. Здесь электрическое поле имеет обычную треугольную форму. Для структуры Т МОП ДШ отрицательный потенциал электрода МОП-конденсатора канавки индуцирует области обеднения в полупроводнике, примыкающем к вертикальным стенкам и основанию канавок, что приводит к существенному изменению профиля распределения поля под барьером Шоттки в мезаструктуре. Существует два отличающихся эффекта: первый — электрическое поле на поверхности в зоне барьера Шоттки сильно уменьшается, второй — пик электрического поля смещается от поверхности во внутреннюю область полупроводника. Уменьшенное электрическое поле на поверхности в зоне барьера Шоттки вызывает экспоненциальное уменьшение обратных токов утечек, поскольку снижение высоты барьера Шоттки исключено. Так как пик электрического поля смещен от поверхности, мезаструктура способна блокировать большее напряжение, чем плоскопараллельная протяженная структура. Величина напряженности электрического поля в области максимума в структуре Т МОП ДШ намного ниже поверхностного поля плоскопараллельного стандартного силового диода Шоттки.

Даже для глубины канавки 0,5 мкм уменьшение электрического поля на границе является значительным, и этот эффект усиливается с увеличением глубины канавки, однако он ограничен напряженностью электрического поля вокруг острых углов в основании канавок. Пик электрического поля возникает на углах канавки, что ограничивает улучшение напряжения пробоя выше оптимальной глубины канавки. Следовательно, напряжение пробоя первоначально быстро возрастает с глубиной канавки, как показано на рис. 4, но не улучшается после глубины канавки = 1 мкм. Так как увеличение глубины канавки вызывает повышение последовательного сопротивления, представленного сопротивлением дрейфа, это противоположным образом влияет на прямое напряжение силового диода.

Рис. 4. Зависимость напряжения пробоя Т МОП ДШ от глубины канавки
Рис. 4. Зависимость напряжения пробоя Т МОП ДШ от глубины канавки. Уровень легирования — 1 х1017 см-3, топщина эпитаксиального слоя - Н = 3 мкм, ширина канавки—0,5 мкм, толщина оксида—0,05 мкм

Другим критическим параметром, непосредственно управляющим зарядовой связью между электродом МОП-конденсатора канавки и объемом полупроводника в мезаструктуре, является толщина оксида. Меньшая толщина оксида приводит к образованию обедненного слоя уже при достаточно низком напряжении. Однако необходимо обеспечить пробивное напряжение оксида не ниже максимального обратного напряжения силового диода. Поэтому было изучено влияние толщины оксида на способность обратного блокирования. На рис. 5 приведена полученная из результатов моделирования зависимость пробивного напряжения Т МОП ДШ от толщины оксида кремния. Расчеты показали, что для заданного уровня легирования эпитаксиального слоя 1x1017см–3 при ширине мезаструктуры 0,5 мкм и глубине канавки 2 мкм оптимальная толщина оксида составляет 0,05-0,07 мкм.

Рис. 5. Зависимость напряжения пробоя Т МОП ДШ от толщины оксида кремния МОП-конденсатора
Рис. 5. Зависимость напряжения пробоя Т МОП ДШ от толщины оксида кремния МОП-конденсатора для уровня легирования 1 х1017 см-3 при ширине меза-структуры 0,5 мкм и глубине канавки 2 мкм

Чтобы установить влияние ширины области с барьером Шоттки (ширины мезаструктуры) на величину обратного пробивного напряжения, проводились расчеты распределения электрического поля в структурах с расстояниями между канавками от 0,1 мкм до ∞. Расчеты показали, что очень тонкая мезаструктура имеет низкое напряжение пробоя. Это происходит из-за пробоя вблизи основания канавки, где наблюдается максимальная напряженность электрического поля. При большой ширине мезаструктуры области обеднения противоположных боковых стенок не перекрываются, и напряжение пробоя приближается к случаю плоскопараллельного диода Шоттки. Для уровня легирования эпитаксиального слоя 1x1017см-3, толщины оксида 0,05 мкм и глубины канавки 2 мкм моделирование показало оптимальную ширину мезаструктуры 0,5 мкм, как представлено на рис. 6.

Рис. 6. Зависимость напряжения пробоя Т МОП ДШ от ширины мезаструктуры
Рис. 6. Зависимость напряжения пробоя Т МОП ДШ от ширины мезаструктуры для уровня легирования 1х1017см-3 при глубине канавки 2 мкм

Таким образом, математическое моделирование ячейки Т МОП ДШ продемонстрировало, что напряжения пробоя 25 В можно достичь при уровне легирования эпитаксиального слоя 1x1017 см–3. Это в 3 раза больше, чем напряжение резкого плоскопараллельного p+–n-перехода для такого уровня легирования.

Для подтверждения результатов математического моделирования были изготовлены экспериментальные образцы приборов. Чтобы упростить технологию изготовления, применялся самосовмещенный процесс окисления с двумя фотолитографиями. В качестве базовой выбрана конструкция со следующими геометрическими параметрами: глубина канавки 0,5 мкм, ширина мезаструктуры 0,5 мкм и толщина оксида в канавке 0,05 мкм. Эпитаксиальный слой толщиной 3 мкм с концентрацией основных носителей (0,8-1,2) 1017 см–3 выращивался на подложке N +-типа ориентации <100> с удельным сопротивлением 0,004 Ом•см. Маска для травления канавок и самосовмещенного окисления создавалась выращиванием термического оксида кремния толщиной 0,02 мкм с последующим осаждением нитрида кремния толщиной 0,06 мкм и низкотемпературного оксида кремния толщиной 0,3 мкм. Фотолитографическим методом формировался рисунок канавок, и удалялись защитные слои с последующим травлением канавок в кремнии. Оставшийся в зазоре между канавками слой нитрида кремния делает возможным самосовмещенное окисление стенок и основания канавок. После удаления маски нитрида кремния открывается верхняя плоская часть мезаструктуры, на которой формируется барьер Шоттки напылением Ti. Омический контакт на обратной стороне создан напылением металлизации Ti-Ni-Ag. Такой маршрут позволяет изготавливать кристаллы диодов Шоттки с использованием двух фотолитографий.

Прямые и обратные вольтамперные характеристики (ВАХ) изготовленных по описанному выше маршруту Т МОП ДШ и аналогичных по площади и используемым материалам стандартных плоскопараллельных диодов Шоттки приведены на рис. 7 и 8.

Рис. 7. Прямые ВАХ экспериментальных Т МОП ДШ и стандартны); диодов Шоттки
Рис. 7. Прямые ВАХ экспериментальных Т МОП ДШ и стандартных силовых диодов Шоттки
Рис. 8. Обратные ВДХ экспериментальных Т МОП ДШ и стандартных диодов Шоттки
Рис. 8. Обратные ВДХ экспериментальных Т МОП ДШ и стандартных силовых диодов Шоттки

Благодаря высокому легированию эпитак-сиального слоя прямое напряжение VF при плотности тока 100 А/см2 имеет значение 0,23 В. При одинаковой площади кристалла, по понятным причинам, для стандартного силового диода Шоттки VF должно быть несколько ниже, чем для Т МОП ДШ. Однако, как видно из рис. 8, для Т МОП ДШ обратное пробивное напряжение имеет значение 15-17 В, тогда как по стандартной технологии при выбранном уровне легирования эпитаксиального слоя невозможно получить силовые диоды, обеспечивающие блокирование напряжения при обратном включении.

Меньшая величина экспериментально полученного напряжения пробоя по сравнению с моделированием, вероятно, возникла из-за неполного заполнения боковых стенок канавок металлом, как наблюдалось на поперечном сечении микрофотографии, полученной с помощью сканирующего электронного микроскопа. Эта проблема возникает из-за очень узких канавок с большим отношением сторон и может быть решена с помощью улучшения методики конформного осаждения металла, такой как нагревание подложки в процессе осаждения металла.

Промышленный выпуск высокоэффективных силовых диодов Шоттки по новой технологии освоила компания International Rectifier. Прибор изготавливается в корпусе ТО247 под наименованием 80CPT015. В процессе разработки и освоения массового производства компания провела оптимизацию конструкции [2]. В результате проведенных работ были определены основные требования к конструкции:

  1. Для уменьшения прямого напряжения силовых диода и поддержания низких обратных токов предпочтительна комбинация низкобарьерного металла, малой ширины мезаструктуры (0,5 мкм), тонкого оксида кремния(0,05 мкм) и сопротивления эпитаксиального слоя ≥0,2 Ом•см.
  2. Обратное пробивное напряжение управляется с помощью параметра De, который определяется как расстояние между основанием канавки и границей раздела «эпитаксиальный слой — подложка».
  3. Снизить прямое напряжение силового диода, поддерживать необходимое напряжение пробоя и не увеличить токи утечки можно, выбрав глубину канавки от 1,5 до 2,0 мкм.

Результаты исследования характеристик нового прибора в сравнении с параметрами стандартного прибора 65PQ015 опубликованы в работе [2]. Сравниваемые приборы имеют одинаковую площадь кристалла и корпусируются по идентичной технологии.

Вольтамперные характеристики приборов 80СРТ015 и 65PQ015 приведены на рис. 9.

Рис. 9. Прямые и обратные ВАХ ТМОПДШ80СРТ015 и стандартного диода Шоттки 65PQ015
Рис. 9. Прямые и обратные ВАХ ТМОПДШ80СРТ015 и стандартного силового диода Шоттки 65PQ015

При прямом токе IF = 40 А и TJ = 25 °C на приборах 80СРТ015 прямое напряжение на 36 мВ ниже, чем на 65PQ015. Токи утечек при VR = 15 В и TJ = 25 °C для Т МОП ДШ в 4 раза ниже, чем для стандартного силового диода Шоттки. Подобное снижение наблюдается и при повышенной температуре, что позволяет использовать приборы 80СРТ015 при ТJ= 125 °C.

В импульсных источниках питания, где силовой диод Шоттки используется как выходной выпрямитель, прибор может подвергаться кратковременным перегрузкам по обратному напряжению в случае аварийных ситуаций или индустриальных помех. В таких условиях к диоду Шоттки предъявляются требования по устойчивости к лавинному пробою, которая характеризует способность прибора поглощать энергию в режиме лавинного пробоя. На рис. 10 сравнивается способность поглощения энергии в широком интервале индуктивных нагрузок. Прибор 80CPT015 способен рассеивать без разрушения вдвое большую энергию, чем планарный прибор. Это можно объяснить с помощью различного распределения электрического поля при пробое, как наблюдалось при моделировании прибора. В то время как в обычном планарном приборе напряженность электрического поля накапливается в ограниченной области около края Р+ охранного кольца, в Т МОП ДШ максимальная напряженность электрического поля локализуется вблизи основания канавки каждой индивидуальной ячейки. Следовательно, вся активная область рассеивает лавинную энергию и полная поглощающая способность увеличивается.

Рис. 10. Энергетические характеристики ТМОПДШ80СРТО15 и стандартного диода Шоттки 65Р0015 в режиме лавинного пробоя
Рис. 10. Энергетические характеристики ТМОПДШ80СРТО15 и стандартного силового диода Шоттки 65Р0015 в режиме лавинного пробоя

Заключение

1. Применение субмикронной тренч-техно-логии позволило компании International Rectifier освоить производство низковольтных высокоэффективных диодов Шоттки 80CPT015 с существенно улучшенными характеристиками по сравнению со стандартными планарными приборами 65PQ015.

  1. Новый прибор обеспечивает снижение прямого напряжения на 40 мВ и уменьшение в 4 раза обратного тока утечки по сравнению эталонным планарным прибором с таким же пробивным напряжением и прямым током.
  2. Достигнуто двукратное увеличение устойчивости к лавинному пробою.
  3. Максимальная температура перехода увеличивается от 100 до 125 °С.

Литература

  1. Mehrotra M., Baliga B. J. Solid-State Electronics. Vol. 38, 1995. N. 4. P 801-806.
  2. Chiola D., Oliver S., Soldano M. International Rectifier. As presented at PCIM Europe. 2002.

Скачать статью в формате PDF

Скачать статью в формате PDF 2005_04_4.pdf  

 
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

Оцените, пожалуйста, удобство и практичность (usability) сайта:
Хорошо
Нормально
Плохо