Способ изготовления диода Шоттки

(51) МПК (2009) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДИОДА ШОТТКИ(71) Заявитель Открытое акционерное общество Интеграл(72) Авторы Турцевич Аркадий Степанович Глухманчук Владимир Владимирович Солодуха Виталий Александрович Кузик Сергей Владимирович Соловьев Ярослав Александрович Довнар Николай Александрович Мильчанин Олег Владимирович Комаров Фадей Фадеевич(73) Патентообладатель Открытое акционерное общество Интеграл(57) 1. Способ изготовления диода Шоттки, включающий окисление сильнолегированной кремниевой подложки первого типа проводимости со сформированным слаболегированным эпитаксиальным слоем того же типа проводимости, формирование в эпитаксиальном слое охранного кольца второго типа проводимости, вскрытие в окисле кремния контактных окон, формирование барьерного слоя, содержащего платину и никель, термообработку в инертной или восстановительной среде при температуре от 525 до 575 С в течение интервала времени, составляющего от 15 до 60 минут, удаление непрореагировавших остатков, нанесение слоя ванадия с последующей фотолитографией, формирование металлизации анода последовательным нанесением слоев алюминия или его сплавов, титана,никеля и серебра с последующей фотолитографией, создание металлизации катода последовательным нанесением слоев титана, никеля и серебра, отличающийся тем, что барьерный слой формируют нанесением из многокомпонентной мишени, содержащей ванадий, платину и никель при следующем соотношении компонентов, мас. 14452 1 2011.06.30 ванадий - от 4,0 до 6,0 платина - от 10,0 до 30,0 никель - от 64,0 до 86,0,затем проводят дополнительную термообработку при температуре от 200 до 300 С в течение интервала времени, составляющего от 60 до 240 минут, в инертной или восстановительной среде. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что перед нанесением барьерного слоя в эпитаксиальном слое создают углубление величиной от 0,05 до 0,5 мкм, а металлизацию анода формируют последовательным нанесением слоев ванадия, алюминия или его сплавов,титана, никеля, серебра с последующей фотолитографией. Изобретение относится к электронной технике, а более конкретно к технологии изготовления мощных диодов Шоттки, и может быть использовано в производстве изделий силовой электроники. Известен способ изготовления диода Шоттки 1, включающий окисление сильнолегированной кремниевой подложки первого типа проводимости со сформированным слаболегированным эпитаксиальным слоем того же типа проводимости, вскрытие в окисле кремния контактных окон, нанесение слоя поликристаллического кремния, легированного бором, формирование спейсеров по периметру контактных окон плазмохимическим травлением слоя поликристаллического кремния, легированного бором, формирование охранного кольца второго типа проводимости, формирование в окне барьерного слоя нанесением платины с последующей термообработкой, удаление остатков непрореагировавшей платины, формирование второго барьерного слоя из молибдена, создание металлизации анода нанесением алюминия с последующей фотолитографией, создание металлизации катода. В известном способе образующийся в процессе термообработки силицид платины имеет низкое качество, что приводит к увеличению обратного тока диодов Шоттки и снижению процента выхода годных. Наличие второго барьерного слоя из молибдена предотвращает диффузию и твердофазные реакции между металлизацией анода и первым барьерным слоем из силицида платины. Однако молибден характеризуется плохой адгезией к окислу кремния. Его использование в качестве второго барьерного слоя снижает процент выхода годных и качество диодов Шоттки по причине отслоения молибдена от окисла кремния и деградации полевой обкладки. Кроме того, диоды Шоттки изготовленные по известному способу, имеют увеличенное прямое напряжение, обусловленное последовательным сопротивлением кремниевой подложки, что также снижает их качество. Известен способ изготовления диода Шоттки 2, включающий окисление сильнолегированной кремниевой подложки первого типа проводимости со сформированным слаболегированным эпитаксиальным слоем того же типа проводимости, формирование в эпитаксиальном слое охранного кольца второго типа проводимости, вскрытие в окисле кремния контактных окон, формирование в окне первого барьерного слоя нанесением платины и слоя тугоплавкого металла с последующей термообработкой двухслойной структуры и удалением непрореагировавших остатков, формирование второго барьерного слоя нанесением тугоплавкого металла, создание металлизации анода последовательным нанесением титана, никеля и серебра с последующей фотолитографией, создание металлизации катода последовательным нанесением титана, никеля и серебра. В известном способе перед термообработкой производится защита поверхности слоя платины слоем тугоплавкого металла. Однако большая величина механических напряжений на границе силицид платины - тугоплавкий металл приводит к увеличению обратного тока диодов Шоттки и снижению процента выхода. Кроме того, диоды Шоттки, изготовленные и по этому известному способу, имеют увеличенное прямое напряжение, обусловленное последовательным сопротивлением кремниевой подложки, что также снижает их качество. 2 14452 1 2011.06.30 Наиболее близким техническим решением является способ изготовления диода Шоттки 3, включающий окисление сильнолегированной кремниевой подложки первого типа проводимости со сформированным слаболегированным эпитаксиальным слоем того же типа проводимости, формирование в эпитаксиальном слое охранного кольца второго типа проводимости, вскрытие в окисле кремния контактных окон, формирование в окне барьерного слоя нанесением платины и слоя никеля толщиной 20-100 нм, термообработку в инертной или восстановительной среде при температуре 525-575 С в течение 15-60 мин,удаление непрореагировавших остатков, нанесение слоя ванадия толщиной 0,1-0,3 мкм с последующей фотолитографией, создание металлизации анода нанесением буферного слоя алюминия или его сплавов толщиной 0,5-5,0 мкм, последовательным нанесением титана, никеля и серебра с последующей фотолитографией, создание металлизации катода последовательным нанесением титана, никеля и серебра. Известный способ обладает следующими недостатками. 1. На поверхности пластины во вскрытых в окисле кремния окнах могут присутствовать остаточные загрязнения химическими реагентами, способствующие образованию окислительных дефектов упаковки. Кроме того, на поверхности окна всегда присутствует естественный окисел. Указанные причины приводят к чрезмерным токам утечки, ограничивают выход годных и приводит к последующим отказам диодов при эксплуатации. 2. Платиносодержащий слой формируют путем последовательного проведения двух технологических процессов нанесения слоя платины, затем защитного слоя никеля. После этого термообработкой нанесенных слоев в инертной или восстановительной среде создают платиносодержащий первый барьерный слой. Указанные причины удлиняют технологический цикл изготовления силицида платины, увеличивают расход платины и других материалов, удорожают производство. 3. Чистый никель, используемый для защиты слоя платины, обладает магнитными свойствами, что в процессе его нанесения вызывает замыкание катодом мишени силовых линий магнитного поля, приводят к разогреву мишени и подложек электрическим пробоем,ухудшает качество наносимых слоев и, как следствие, контактные свойства силицидов. 4. Платиносодержащий слой, образовавшийся в процессе термообработки в инертной или восстановительной среде последовательно нанесенных слоев платины и никеля, содержит значительное количество (55-90 ат. ) дорогостоящей платины, что ухудшает экономические показатели производства и снижает конкурентоспособность диодов Шоттки по цене. 5. Использование для формирования слоя ванадия отдельной операции фотолитография увеличивает расход материалов и удлиняет технологический цикл изготовления диодов Шоттки. В основу изобретения положена задача повышения процента выхода годных, снижения расхода платины и других материалов, упрощения технологического процесса изготовления диодов Шоттки. Сущность изобретения заключается в том, что в способе изготовления диода Шоттки,включающем окисление сильнолегированной кремниевой подложки первого типа проводимости со сформированным слаболегированным эпитаксиальным слоем того же типа проводимости, формирование в эпитаксиальном слое охранного кольца второго типа проводимости, вскрытие в окисле кремния контактных окон, формирование первого барьерного слоя, содержащего платину и никель, термообработку в инертной или восстановительной среде при температуре 525-575 С в течение 15-60 мин, удаление непрореагировавших остатков, нанесение слоя ванадия с последующей фотолитографией, создание металлизации анода нанесением буферного слоя алюминия или его сплавов, затем слоев титана, никеля и серебра с последующей фотолитографией, создание металлизации катода последовательным нанесением титана, никеля, серебра, барьерный слой формируют нане 3 14452 1 2011.06.30 сением из многокомпонентной мишени, содержащей ванадий, платину и никель при следующем соотношении компонентов, мас.ванадий от 4,0 до 6,0 платина от 10,0 до 30,0 никель от 64,0 до 86,0, затем проводят дополнительную термообработку при температуре от 200 до 300 С в течение интервала времени от 60 до 240 мин в инертной или восстановительной среде перед нанесением барьерного слоя в эпитаксиальном слое создают углубление величиной от 0,05 до 0,5 мкм, а металлизацию анода формируют последовательным нанесением слоев ванадия, алюминия или его сплавов, титана, никеля, серебра с последующей фотолитографией. Сопоставительный анализ предлагаемого изобретения с прототипом показывает, что заявляемый способ отличается от известного тем, что барьерный слой формируют нанесением из многокомпонентной мишени, содержащей ванадий, платину и никель при следующем соотношении компонентов, мас.ванадий от 4,0 до 6,0 платина от 10,0 до 30,0 никель от 64,0 до 86,0, затем проводят дополнительную термообработку при температуре от 200 до 300 С в течение интервала времени от 60 до 240 мин в инертной или восстановительной среде перед нанесением барьерного слоя в эпитаксиальном слое создают углубление величиной от 0,05 до 0,5 мкм, а металлизацию анода формируют последовательным нанесением слоев ванадия, алюминия или его сплавов, титана, никеля, серебра с последующей фотолитографией. Использование идентичной или сходной последовательности действий для решаемой задачи не обнаружено. Решение поставленной задачи объясняется следующим образом. Барьерный слой формируют нанесением из многокомпонентной мишени, содержащей ванадий, платину и никель, в одном вакуумном технологическом цикле. Таким образом,по сравнению с прототипом, в заявляемом техническом решении процесс формирования барьерного слоя упрощается и сокращается на одну технологическую операцию. Кроме того, отсутствие у наносимого слоя магнитных свойств исключает воздействие силовых линий магнитного поля на поверхность кремния в контактных окнах в процессе нанесения барьерного слоя. Тем самым улучшаются контактные свойства барьера Шоттки, повышаются воспроизводимость электрофизических параметров и выход годных диодов Шоттки. Кроме этого, дополнительное введение ванадия в состав барьерного слоя позволяет уменьшить содержание в нем дорогостоящей платины и снизить ее потребление при изготовлении диодов Шоттки. Содержание платины в барьерном слое менее 10 мас.недостаточно для получения качественной пленки силицида, обеспечения заданных вольтамперных характеристик диода, повышения процента выхода годных. Увеличение содержания платины в барьерном слое более 30 мас.не приводит к дальнейшему улучшению заданных характеристик обратного тока и прямого напряжения диода, процента выхода годных при возрастании затрат на платину, что экономически нецелесообразно. Содержание никеля в барьерном слое менее 64,0 мас. , а соответственно, увеличение платины и ванадия, повышает расход дорогостоящей платины, снижает процент выхода годных диодов. Увеличение содержания никеля в барьерном слое более 86,0 мас.приводит к уменьшению содержания платины и ванадия, увеличению магнитных свойств сплава, ухудшению качества наносимых слоев и контактных свойств силицида, снижению процента выхода годных. Содержание ванадия в барьерном слое менее 4 мас.не обеспечивает создания немагнитного многокомпонентного слоя, увеличения процента выхода годных, а содержание ванадия в барьерном слое более 6,0 мас.приводит к уменьшению содержания платины и никеля, ухудшению качества, контактных свойств наносимого слоя и снижению процента выхода годных. 14452 1 2011.06.30 В процессе дополнительной термообработки нанесенного барьерного слоя происходит образование силицида платины твердофазной реакцией платины с кремниевой подложкой. В этом режиме термообработки ванадий и никель не образуют силицидов. Формируется структурно однородный силицидный слой, что обуславливает снижение обратных токов диодов Шоттки и повышение процента выхода. Таким образом, получается качественный контактный барьерный слой. Уменьшение времени термообработки менее 60 мин, а температуры менее 200 С не позволяет сформировать качественный барьерный слой. Увеличение времени термообработки более 240 мин, а температуры более 300 С нецелесообразно из соображений экономии энергоресурсов и времени. Таким образом, заявляемое техническое решение позволяет легко получить качественный и стабильный токопроводящий контакт на основе силицидов. Перед нанесением барьерного слоя в эпитаксиальном слое создают углубление величиной от 0,05 до 0,5 мкм. Таким образом, непосредственно перед нанесением барьерного слоя поверхность кремниевой пластины очищается от остаточных загрязнений и естественного окисла кремния. Тем самым образуется качественный барьер Шоттки, обеспечиваются заданные электрические свойства диодов Шоттки и процент выхода годных. Углубление величиной менее 0,05 мкм не обеспечивает воспроизводимость границы раздела в окне между барьерным слоем и эпитаксиальным слоем и повышения выхода годных диодов Шоттки. Углубление величиной более 0,5 мкм приводит к обрывам многослойной металлизации и норкам по периметру окна в окисле кремния и, как следствие, к снижению выхода годных диодов Шоттки. Формирование металлизации анода последовательным нанесением слоев ванадия,алюминия или его сплавов, титана, никеля и серебра с последующей фотолитографией позволяет исключить из технологического процесса изготовления диодов Шоттки одну технологическую операцию - фотолитография, упростить технологический процесс и уменьшить расход материалов, используемых при их изготовлении. Сущность изобретения поясняется на фиг. 1-6, где на фиг. 1 показана структура, полученная окислением сильнолегированной кремниевой подложки первого типа проводимости (1) со сформированным слаболегированным эпитаксиальным слоем того же типа проводимости (2) после формирования в эпитаксиальном слое охранного кольца второго типа проводимости (4) и вскрытия в окисле кремния (3) контактных окон (5), на фиг. 2 после формирования барьерного слоя (6) нанесением из многокомпонентной мишени, содержащей ванадий, платину и никель при следующем соотношении компонентов, мас.ванадий от 4,0 до 6,0 платина от 10,0 до 30,0 никель от 64,0 до 86,0, дополнительной термообработки при температуре от 200 до 300 С в течение интервала времени, составляющего от 60 до 240 мин, в инертной или восстановительной среде с последующей термообработкой в инертной или восстановительной среде при температуре от 525 до 575 С в течение интервала времени от 15 до 60 мин, удаления непрореагировавших остатков,нанесения слоя ванадия (7) и последующей фотолитографии, на фиг. 3 - после формирования металлизации анода последовательным нанесением слоя из алюминия или его сплавов (8), слоев титана (9), никеля (10) и серебра (11) с последующей фотолитографией, на фиг. 4 - после создания металлизации катода нанесением слоев титана (12), никеля (13),серебра (14). На фиг. 5-6 показана структура согласно п. 2. заявляемого способа, где на фиг. 5 показана структура, изображенная на фиг. 1, после создания в эпитаксиальном слое углублений (15) величиной от 0,05 до 0,5 мкм, на фиг. 6 - после формирования барьерного слоя(6) нанесением из многокомпонентной мишени, содержащей ванадий, платину и никель при следующем соотношении компонентов, мас.ванадий от 4,0 до 6,0 платина от 10,0 до 30,0 никель от 64,0 до 86,0, дополнительной термообработки при температуре от 200 до 300 С в течение интервала времени, составляющего от 60 до 240 мин, в инертной или 5 14452 1 2011.06.30 восстановительной среде с последующей термообработкой в инертной или восстановительной среде при температуре от 525 до 575 С в течение интервала времени, составляющего от 15 до 60 мин, удаления непрореагировавших остатков, формирования металлизации анода последовательным нанесением слоев ванадия (7), алюминия или его сплавов (8),слоев титана (9), никеля (10) и серебра (11) с последующей фотолитографией, создания металлизации катода последовательным нанесением слоев титана (12), никеля (13), серебра (14). Пример изготовления на примере диода Шоттки КДШ 2140. Исходную структуру, состоящую из легированной мышьяком кремниевой подложки (1) с ориентацией (111) и удельным сопротивлением 0,003 Омсм со сформированным эпитаксиальным слоем (2) толщиной 4,5-5,0 мкм и удельным сопротивлением 0,65-0,75 Омсм, окисляют в диффузионной системе Оксид 3 ПО при температуре 950 С до толщины окисла кремния (3) 0,350,41 мкм. Фотолитографией вскрывают окна в окисле для формирования охранных колец. Затем проводят диффузию бора из твердых источников бора (загонку бора). После этого с пластин удаляют боросиликатное стекло в водном растворе плавиковой кислоты. Далее пластины в потоке азота загружают в кварцевый реактор термодиффузионной системы ОКСИД - 3 ПО с первоначальным уровнем температуры 850 С, повышают температуру реактора до заданной, проводят отжиг при данной температуре в среде азота в течение требуемого времени, понижают температуру и проводят пирогенное окисление (окисление в среде кислорода, увлажненного сжиганием в нем водорода) в течение требуемого времени, снижают температуру до первоначального уровня и выгружают пластины из реактора. В результате формируются охранные кольца -типа проводимости (4) с глубиной залегания 1,0-1,5 мкм и поверхностным сопротивлением 50-90 Ом/кв., а толщина сформировавшегося окисла составляет 0,3-0,5 мкм. После этого фотолитографией вскрываются окна (5) в окисле кремния (3) и в эпитаксиальном слое создают углубления (15) величиной от 0,05 до 0,5 мкм. Затем магнетронным распылением мишени, содержащей ванадий, платину и никель при следующем соотношении компонентов, мас.ванадий от 4,0 до 6,0 платина от 10,0 до 30,0 никель от 64,0 до 86,0, формируют барьерный слой (6), проводят дополнительную термообработку при температуре от 200 до 300 С в течение интервала времени, составляющего от 60 до 240 мин, в инертной или восстановительной среде и термообработку в инертной или восстановительной среде при температуре от 525 до 575 С в течение интервала времени, составляющего от 15 до 60 мин, затем формируют металлизацию анода последовательным нанесением слоев из алюминия или его сплавов(8), титана (9), никеля (10) и серебра (11) с последующей фотолитографией. После этого на обратной стороне подложки (1) создают металлизацию катода нанесением слоев титана(12), никеля (13) и серебра (14). В табл. 1 приведены сравнительные данные по выходу годных диодов Шоттки в зависимости от содержания компонентов барьерного слоя и режимов дополнительной термообработки. Как видно из табл. 1, если содержание компонентов в барьерном слое не соответствует (мас. ) ванадий от 4,0 до 6,0 платина от 10,0 до 30,0 никель от 64,0 до 86,0, температура дополнительного отжига выходит за пределы диапазона от 200 до 300 С, время отжига - за пределы интервала времени, составляющего от 60 до 240 мин, то наблюдается снижение выхода годных. Из таблицы также видно, что изготовление диодов Шоттки по заявляемому способу позволяет в 1,34-1,37 раз увеличить выход годных, в 3,01-9,1 уменьшить содержание платины. В табл. 2 приведены сравнительные данные по выходу годных диодов Шоттки в зависимости от размеров углубления в эпитаксиальном слое, содержания компонентов барьерного слоя, режимов дополнительной термообработки и упрощения технологического процесса. 6 Таблица 1 Сравнительный анализ выхода годных диодов Шоттки в зависимости от содержания компонентов в материале барьерного слоя,режимов дополнительной термообработки Содержание Режимы допол- Обрат- Обрат- Прямое компонентов нительной тер- ный ток ный ток напряжеСп/С ВГ/ВГп барьерного мообработки в (45 В, (45 В, ние (15 А,Примеч. слоя (мас. ) инертной среде 25 С) 125 С) 25 С)отн. ед. (мин) (С) (мкА) (мА)(В) отн. ед. барьерный 3 9 88 9,11 50 190 25 14,2 0,687 1,08 слой нано 4 10 86 9,1 60 200 9,1 3,5 0,669 1,34 сился рас 5 20 75 6,24 150 250 0,79 0,6 0,662 1,36 пылением 6 30 64 3,01 240 300 0,85 0,7 0,659 1,37 многоком 7 31 62 3,02 250 310 1,8 2,3 0,648 1,1 понентный мишени в одном вакуумном технологическом цикле прототип 1,0 25,3 15,1 0,688 1,0- параметр ВГ/ВГп определяется как отношение выхода годных диодов Шоттки на пластине, изготовленной в соответствии с описываемым примером, к выходу годных диодов Шоттки согласно способу-прототипу параметр Сп/С определяется как отношение расчетного содержания платины в тысяче диодов Шоттки, изготовленных по прототипу, к содержанию платины в тысяче диодов Шоттки, изготовленных по заявляемому варианту. Таблица 2 Сравнительный анализ выхода годных диодов Шоттки в зависимости от размеров углубления в эпитаксиальном слое, содержания компонентов барьерного слоя, режимов дополнительной термообработки. ПряСодержание Режимы до- Обрат- Обратмое компонентов полнительной ный ныйРазмер напряпервого ба- Сп/С термообработ- ток ток ВГ/ВГп п/п углубл. жение рьерного ки в инертной (45 В, (45 В,Примеч. нентной мишени в одном вакуумном технологическом цикле 14452 1 2011.06.30 В табл. 3 приведен анализ создания токопроводящей системы анода диодов Шоттки по способу-прототипу и заявляемому способу. Таблица 3 Сопоставление данных по созданию металлизации анода диодов Шоттки по способу-прототипу и заявляемому способуСравнительный перечень основных технологических операций по созданию токоп/п проводящей системы анода диодов Шоттки по способу прототипу по заявляемому способу Нанесение барьерного слоя. Нанесение барьерного слоя. Операцию провели в одном технологичеОперацию провели за два последователь- ском цикле распылением многокомпонент 1 ных технологических цикла ной мишени, содержащей ванадий, платину напылениеи никель при следующем соотношении напылениекомпонентов, мас.от 4,0 до 6,0 от 10,0 до 30,0 от 64,0 до 86,0 2 Термообработка Термообработка 3 Удаление непрореагировавших остатков Удаление непрореагировавших остатков 4 Нанесение слоя изНанесение слоя изФотолитография (травлениечерез мас 5 ку фоторезиста) 6 Нанесение слоя А Нанесение слоя А 7 Нанесение слояНанесение слоя 8 Нанесение слояНанесение слоя 9 Нанесение слояНанесение слояФотолитография (травление слоев , , Фотолитография (травление слоев , ,10, , ) Как видно из табл. 1, 2, создание в эпитаксиальном слое углубления величиной от 0,05 до 0,5 мкм перед нанесением барьерного слоя позволяет в 1,34-1,37 раз увеличить выход годных. Из табл. 2 также видно, что если размер углубления выходит за пределы диапазона от 0,05 до 0,5 мкм, то наблюдается снижение выхода годных. Пооперационный анализ создания токопроводящей системы анода диодов Шоттки в способе-прототипе и заявляемом способе изготовления диодов Шоттки (табл. 3) показывает,что предлагаемый способ изготовления диода Шоттки позволяет упростить технологический процесс их изготовления за счет нанесения барьерного слоя в одном вакуумном технологическом цикле распылением многокомпонентной мишени совмещения операции по формированию барьерного слоя с операцией по созданию металлизации анода, что позволяет снизить расход фоторезиста и других материалов. Таким образом, предложенное техническое решение позволяет решить задачу повышения процента выхода годных, снижения расхода материалов, упрощения технологического процесса изготовления диодов Шоттки. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 10