Диод Шоттки

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Открытое акционерное общество ИНТЕГРАЛ-управляющая компания холдинга ИНТЕГРАЛ(72) Авторы Турцевич Аркадий Степанович Соловьев Ярослав Александрович Солодуха Виталий Александрович Керенцев Анатолий Федорович Голубев Николай Федорович(73) Патентообладатель Открытое акционерное общество ИНТЕГРАЛ-управляющая компания холдинга ИНТЕГРАЛ(57) Диод Шоттки, содержащий сильнолегированную кремниевую подложку -типа проводимости со сформированным на поверхности окисленным слаболегированным эпитаксиальным слоем того же типа проводимости и охранным кольцом -типа проводимости, в пределах которого сформирована матрица областей -типа проводимости, образующих с эпитаксиальным слоем переходы, а также барьерный слой электрода Шоттки из молибдена, сформированный в выполненном в окисле кремния окне, металлизацию анода и металлизацию катода, отличающийся тем, что охранное кольцо и матрица областей-типа проводимости выполнены с поверхностной концентрацией примеси -типа проводимости от 1018 до 1019 см-3, области -типа проводимости выполнены размером от 3 до 8 мкм и расположены с шагом от 8 до 20 мкм, а барьерный слой электрода Шоттки сформирован в углублении, выполненном в пределах указанного окна на глубину от 0,1 до 0,3 мкм. 18137 1 2014.04.30 Изобретение относится к электронной технике, а более конкретно к конструкции кристалла мощных диодов Шоттки, и может быть использовано в широкой гамме применений в качестве выпрямителей в изделиях силовой электроники, устойчивых к воздействию разрядов статического электричества (РСЭ). Известна конструкция диода Шоттки 1, содержащего сильнолегированную кремниевую подложку -типа проводимости со сформированным окисленным слаболегированным эпитаксиальным слоем того же типа проводимости и охранным кольцом -типа проводимости, образующим переход, вскрытое в окисле кремния окно, барьерный слой электрода Шоттки из молибдена в окне окисла кремния, выполненный с зазором к окислу кремния над охранным кольцом, металлизацию анода, металлизацию катода. Наличие охранного кольца в данном устройстве обеспечивает снижение краевых токов утечки и защищает контакт металл - полупроводник от перенапряжения, в том числе из-за воздействия статического электричества. Однако из-за большого сопротивления охранного кольца -типа проводимости, обусловленного низкой концентрацией акцепторной примеси, не обеспечивается устойчивость диода Шоттки к воздействию РСЭ напряжением более 2 кВ. Известна конструкция диода Шоттки 2, содержащего сильнолегированную кремниевую подложку -типа проводимости со сформированным на поверхности окисленным слаболегированным эиитаксиальным слоем того же типа проводимости и охранным кольцом -типа проводимости с концентрацией акцепторной примеси от 1018 до 1019 см-3, образующим переход, вскрытое в окисле кремния окно, барьерный слой электрода Шоттки из молибдена в окне окисла кремния, выполненный с зазором к окислу кремния над охранным кольцом, металлизацию анода, металлизацию катода. Увеличенная концентрация примеси в охранном кольце -типа проводимости снижает сопротивление охранного кольца и повышает устойчивость структуры к воздействию РСЭ. Однако данная конструкция не может полностью исключить протекание импульса РСЭ через переход металл - полупроводник из-за ограниченного количества возможных путей протекания импульсов РСЭ. Поэтому данное устройство не может обеспечить устойчивость диода Шоттки к воздействию РСЭ напряжением более 4 кВ. Наиболее близким к предлагаемому техническим решением является диод Шоттки 3,содержащий сильнолегированную кремниевую подложку -типа проводимости со сформированным на поверхности окисленным слаболегированным эпитаксиальным слоем того же типа проводимости, охранным кольцом -типа проводимости, матрицей областей типа проводимости в пределах охранного кольца, образующих переходы, вскрытое в окисле кремния окно, барьерный слой электрода Шоттки, металлизацию анода, металлизацию катода, отношение расстояния между областями -типа проводимости и нижней поверхностью слаболегированного эпитаксиалыюго слоя в диапазоне от 11 до 12 обуславливает высокие значения прямого напряжения диода Шоттки и, соответственно, снижает выход годных. Области -типа проводимости увеличивают число возможных путей протекания импульса РСЭ, что повышает устойчивость диода Шоттки к воздействию РСЭ напряжением до 8 кВ. Недостаком данной конструкции также является отсутствие углубления в поверхностном слое полупроводника под барьером Шоттки, что способствует образованию недостаточной чистоты границы раздела металл - кремний за счет естественного окисла кремния,поверхностных органических загрязнений, адсорбированных газов и химических соединений, внесенных на предыдущих операциях. Это обстоятельство, а также присутствие остаточной дефектности на поверхности кремниевой подложки не позволяет стабилизировать высоту барьера Шоттки по площади и приводит к появлению горячих точек, обусловленных преимущественным протеканием электрического тока в местах локального снижения его высоты, вызывая снижение выхода годных и ухудшение устойчивости диодов Шоттки к воздействию РСЭ напряжением более 8 кВ. 2 18137 1 2014.04.30 Заявляемое изобретение решает задачу повышения выхода годных и повышения устойчивости диодов Шоттки к воздействию РСЭ. Сущность изобретения заключается в том, что в конструкции диода Шоттки, содержащего сильнолегированную кремниевую подложку -типа проводимости со сформированным на поверхности окисленным слаболегированным эпитаксиальным слоем того же типа проводимости и охранным кольцом -типа проводимости, в пределах которого сформирована матрица областей -типа проводимости, образующих с эпитаксиальным слоем переходы, а также барьерный слой электрода Шоттки из молибдена, сформированный в выполненном в окисле кремния окне, металлизацию анода и металлизацию катода, охранное кольцо и матрица областей -типа проводимости выполнены с поверхностной концентрацией примеси -типа проводимости от 1018 до 1019 см-3, области -типа проводимости выполнены размером от 3 до 8 мкм, с шагом от 8 до 20 мкм, а барьерный слой электрода Шоттки сформирован в углублении, выполненном в пределах указанного окна на глубину от 0,1 до 0,3 мкм. Сопоставительный анализ предлагаемого изобретения с прототипом показана, что заявляемое устройство отличается от известного тем, что охранное кольцо и матрица областей -типа проводимости выполнены с поверхностной концентрацией примеси -типа проводимости от 1018 до 1019 см-3, области -типа проводимости выполнены размером от 3 до 8 мкм, с шагом от 8 до 20 мкм, а барьерный слой электрода Шоттки сформирован в углублении, выполненном в пределах указанного окна на глубину от 0,1 до 0,3 мкм. Использование идентичной или сходной совокупности отличительных признаков для решения поставленной задачи не обнаружено. Решение поставленной задачи объясняется следующим образом. Установлено, что отказ диодов Шоттки в результате воздействия статического электричества происходит в результате пробоя по наружному периметру охранного кольца -типа проводимости, где наблюдается максимальная напряженность электрического поля. В заявляемом устройстве импульс РСЭ проходит через металлизацию анода и рассеивается через охранное кольцо и локальные области -типа проводимости. Наличие локальных областей -типа проводимости обуславливает дополнительные пути рассеивания импульса РСЭ и позволяет повысить устойчивость диода Шоттки к воздействию РСЭ. Увеличение выхода годных достигается благодаря выбору оптимальной концентрации областей -типа проводимости за счет снижения сопротивления и выравнивания потенциала по периметру охранного кольца и площади диода Шоттки. Если поверхностная концентрация примеси в охранном кольце и локальных областях-типа проводимости будет менее 1018 см-3, то снижается устойчивость диодов Шоттки к воздействию РСЭ. Превышение поверхностной концентрации примеси в охранном кольце-типа проводимости 1019 см-3 экономически нецелесообразно, поскольку не дает дальнейших улучшений. Локальные области -типа в матрице, выполненные размером от 3 до 8 мкм, с шагом от 8 до 20 мкм, фактически определяют оптимальный баланс между обеспечением устойчивости диодов Шоттки к воздействию РСЭ и величиной прямого напряжения. Если размер областей -типа в матрице больше 8 мкм, а шаг меньше 8 мкм, то увеличивается значение прямого напряжения диода Шоттки, что приводит к снижению выхода годных. Если размер областей -типа в матрице меньше 3 мкм, а шаг больше 20 мкм, то из-за уменьшения количества возможных путей рассеивания импульса РСЭ снижается устойчивость диода Шоттки к воздействию РСЭ. Наличие углубления в окне оптимальной величины от 0,1 до 0,3 мкм позволяет улучшить чистоту границы раздела металл - кремний за счет минимизации толщины слоя естественного окисла кремния и удаления с поверхности органических загрязнений, адсорбированных газов и химических соединений, внесенных на предыдущих операциях. Это позволяет стабилизировать высоту барьера Шоттки по площади и исключить появление горячих 3 18137 1 2014.04.30 точек, обусловленных преимущественным протеканием электрического тока в местах локального снижения его высоты. При величине углубления менее 0,1 мкм из-за неоднородности границы раздела, в том числе вследствие остаточной дефектности на поверхности кремниевой подложки, наблюдается снижение выхода годных из-за увеличения обратного тока и, соответственно, снижается устойчивость диодов Шоттки к воздействию РСЭ. При величине углубления более 0,3 мкм также снижается выход годных и ухудшается устойчивость диодов Шоттки к воздействию статического электричества из-за образования так называемых норок и обрывов металлизации анода в области ступеньки. Сущность изобретения поясняется фигурой, на которой приведена структура диода Шоттки согласно формуле изобретения. Изображенная на фигуре структура может быть изготовлена следующим образом. В исходной эпитаксиалыюй/-структуре стандартными методами фотолитографии и диффузии формируется область охранного кольца и локальных областей -типа проводимости. При помощи фотолитографии вскрывается контактное окно требуемой конфигурации, и травлением формируется углубление в эпитаксиальном слое. Методами вакуумного напыления наносится слой молибдена, а последующей фотолитографией формируется конфигурация электрода Шоттки. Далее на полученную структуру последовательно наносятся слои алюминия или его сплава, титана, никеля и серебра с последующей фотолитографией, формирующей конфигурацию анода. Обратная сторона пластины со сформированными структурами диодов Шоттки подвергается шлифовке, после чего на нее последовательно наносятся слои титана, никеля и серебра металлизации катода. Работает предлагаемый диод Шоттки следующим образом. Барьерный слой электрода Шоттки (6) образует с эпитаксиальным слоем (3), нанесенным на подложку (2), выпрямляющий контакт, определяющий основные параметры диода Шоттки обратный ток, прямое напряжение. Углубление (7) под барьерным слоем электрода Шоттки (6) повышает чистоту границы раздела металл-кремний за счет минимизации толщины слоя естественного окисла кремния, что позволяет стабилизировать высоту барьера Шоттки но площади и исключить появление горячих точек, обусловленных преимущественным протеканием электрического тока в местах локального снижения его высоты. Охранное кольцо -типа проводимости (8) и локальные области -типа проводимости (9) служат для устранения краевых токов утечки по периметру барьерного электрода Шоттки (6), снижения максимальной напряженности электрического поля и выравнивания потенциала по периметру охранного кольца (8) и площади диода Шоттки и, следовательно, обеспечивают повышение стойкости к воздействию РСЭ. Поскольку молибден имеет плохую адгезию к окислу кремния, то между краями барьерного электрода Шоттки (6) и окном в окисле (4) имеется зазор, расположенный над охранным кольцом -типа проводимости (8). Многослойная металлизация анода (5), состоящая из слоев алюминия или его сплава, титана, никеля и серебра, служит для создания полевой обкладки по наружному периметру охранного кольца,предотвращающей поверхностный пробой перехода при обратном смещении, обеспечения однородного распределения прямого тока по всей площади контакта Шоттки, а также для создания возможности подсоединения внешнего вывода с планарной стороны кристалла диода Шоттки. Многослойная металлизация катода (1) служит для формирования омического контакта к подложке (2) и обеспечивает возможность пайки кристалла диода Шоттки к основанию корпуса. Результаты сравнительных испытаний диодов Шоттки заявляемой конструкции в сравнении с прототипом представлены в таблице. Как видно из таблицы, оптимальный диапазон поверхностной концентрации бора в охранном кольце и локальных областях -типа проводимости лежит в пределах от 1018 до 1019 см-3, размер областей -типа проводимости от 3 до 8 мкм, шаг матрицы областей-типа проводимости от 8 до 20 мкм, а величина углубления в пределах вскрытого в окисле кремния окна от 0,1 до 0,3 мкм. При выходе за нижние пределы указанных диапазонов 4 18137 1 2014.04.30 поверхностной концентрации бора в охранном кольце, размера областей -типа проводимости, шага матрицы областей -типа проводимости, величины углубления в окне и при выходе за верхний предел наблюдается уменьшение выхода годных и ухудшение устойчивости диодов Шоттки к воздействию РСЭ. Анализ таблицы показывает, что предлагаемое изобретение в сравнении с прототипом позволяет увеличить выход годных диодов Шоттки на 5,2-23,2 и обеспечить их устойчивость к воздействию РСЭ напряжением 14 кВ. Таким образом, предложенное изобретение позволяет решить задачу повышения выхода годных и улучшения устойчивости диодов Шоттки к воздействию РСЭ. Сравнительные характеристики диодов Шоттки Поверхност- Размер обВеличиШаг обланая конценластей на углубстей -типап/п трация бора в Стойкость к воздействию Пристатического мечаэлектричение ства 2) нет есть есть есть нет протонет тип- параметр ВГ/ВГП определяли как отношение выхода годных диодов Шоттки на пластине, изготовленной в соответствии с описываемым примером, к выходу годных диодов Шоттки согласно способу-прототипу. 2)- стойкость к воздействию РСЭ определяли согласно методике ЕС 1000-4-2 (емкость цепи разряда 150 пФ, сопротивление цепи разряда 330 Ом, напряжение разряда 14 кВ) путем подачи на каждый из выводов диода Шоттки, собранного в корпус КТ-28, 5 импульсов РСЭ. Критерием годности являлось отсутствие деградации электрических характеристик диода Шоттки после воздействия РСЭ на всех приборах от выборки из 50 штук. Источники информации 1. Патент РБ 8380 1, МПК 01 21/872, 2006. 2. Патент РБ 14848 1, МПК 01 29/47, 2011. 3. Патент 6307244 1, МПК 01 27/095, 2001. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5