Диод Шоттки

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Открытое акционерное общество ИНТЕГРАЛ(72) Авторы Турцевич Аркадий Степанович Глухманчук Владимир Владимирович Голубев Николай Федорович Кузик Сергей Владимирович Соловьев Ярослав Александрович(73) Патентообладатель Открытое акционерное общество ИНТЕГРАЛ(57) Диод Шоттки, содержащий 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, углубление в окне, барьерный слой электрода Шоттки в окне окисла кремния, выполненный с зазором к окислу кремния над охранным кольцом, многослойную металлизацию анода из слоев алюминия или сплава алюминийкремний, титана, никеля и серебра, многослойную металлизацию катода, отличающийся тем, что охранное кольцо выполнено с поверхностной концентрацией примеси -типа проводимости от 1018 до 1019 см-3, произведение ширины охранного кольца на его глубину составляет от 30 до 80 мкм 2, отношение глубины охранного кольца к толщине эпитаксиального слоя составляет от 0,16 до 0,32, разность между толщиной эпитаксиального слоя и глубиной охранного кольца составляет от 3,1 до 5,8 мкм, а углубление в окне выполнено величиной от 0,1 до 0,3 мкм. 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 статического электричества. Известна конструкция диода Шоттки 1, содержащего сильнолегированную кремниевую подложку -типа проводимости со сформированным окисленным слаболегированным 14848 1 2011.10.30 эпитаксиальным слоем того же типа проводимости, вскрытое в окисле кремния окно, барьерный слой электрода Шоттки в окне окисла кремния и прилегающей к окну поверхности окисла кремния. Однако из-за отсутствия охранного кольца данное устройство характеризуется высокими краевыми токами утечки по периферии электрода Шоттки при приложении обратного смещения. Поэтому максимальная величина обратного напряжения данного диода Шоттки не превышает 20 В, что обусловливает невозможность изготовления диодов Шоттки с требуемыми характеристиками, устойчивых к воздействию статического электричества. Известна конструкция диода Шоттки 2, 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 позволяет существенно снизить краевые токи утечки и за счет этого уменьшить величину обратного тока и повысить обратное напряжение диода Шоттки, что повышает устойчивость диода Шоттки к воздействию статического электричества напряжением до 2 кВ. Однако данное устройство характеризуется неоднородным протеканием тока по площади из-за наличия локальных неоднородностей барьера Шоттки вследствие невоспроизводимого состояния границы раздела барьерного слоя электрода Шоттки с кремнием, обусловленного наличием естественного окисла кремния, органических загрязнений, адсорбированных газов и химических соединений,что приводит к снижению обратного напряжения и ухудшению устойчивости диодов Шоттки к воздействию статического электричества. Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является диод Шоттки 3,содержащий 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, углубление в окне величиной 0,05-0,5 мкм, барьерный слой электрода Шоттки из молибдена в окне окисла кремния, выполненный с зазором к окислу кремния над охранным кольцом, многослойную металлизацию анода из слоев алюминия или сплава алюминий-кремний, титана, никеля и серебра, многослойную металлизацию катода. Наличие углубления в эпитаксиальном слое позволяет значительно улучшить однородность выпрямляющего контакта барьерного слоя электрода Шоттки с кремнием и тем самым повысить обратное напряжение диода Шоттки и его устойчивость к воздействию статического электричества напряжением до 4 кВ. Однако из-за большого сопротивления охранного кольца -типа проводимости, обусловленного низкой концентрацией акцепторной примеси и малыми размерами его сечения, данное устройство характеризуется недостаточной величиной обратного напряжения, плохой его воспроизводимостью и устойчивостью к воздействию статического электричества. В основу изобретения положена задача повышения обратного напряжения и улучшения устойчивости диодов Шоттки к воздействию статического электричества. Сущность изобретения заключается в том, что в конструкции диода Шоттки, содержащей 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, углубление в окне, барьерный слой электрода Шоттки в окне окисла кремния, выполненный с зазором к окислу кремния над охранным кольцом, многослойную металлизацию анода из слоев алюминия или сплава алюминий-кремний, титана, никеля и серебра, многослойную металлизацию катода, что охранное кольцо выполнено с поверх 2 14848 1 2011.10.30 ностной концентрацией примеси -типа проводимости от 1018 до 1019 см-3, произведение ширины охранного кольца на его глубину составляет от 30 до 80 мкм 2, отношение глубины охранного кольца к толщине эпитаксиального слоя составляет от 0,16 до 0,32, разность между толщиной эпитаксиального слоя и глубиной охранного кольца составляет от 3,1 до 5,8 мкм, а углубление в окне выполнено величиной от 0,1 до 0,3 мкм. Сопоставительный анализ предлагаемого изобретения с прототипом показал, что заявляемая конструкция диода Шоттки отличается от известной тем, что охранное кольцо выполнено с поверхностной концентрацией примеси -типа проводимости от 1018 до 1019 см-3,произведение ширины охранного кольца на его глубину составляет от 30 до 80 мкм 2, отношение глубины охранного кольца к толщине эпитаксиального слоя составляет от 0,16 до 0,32, разность между толщиной эпитаксиального слоя и глубиной охранного кольца составляет от 3,1 до 5,8 мкм, а углубление в окне выполнено величиной от 0,1 до 0,3 мкм. Решение поставленной задачи объясняется следующим образом. Анализ диодов Шоттки, отказавших в результате воздействия статического электричества, показал, что пробой происходит по наружному периметру охранного кольца -типа проводимости. Кроме того, в устройстве-прототипе низкая концентрация бора в охранном кольце обусловливает обеднение и даже инверсию типа проводимости в его приповерхностной части из-за наличия встроенного положительного заряда в окисле кремния, что также приводит к снижению пробивного напряжения диода Шоттки. Поверхностная концентрация примеси в охранном кольце -типа проводимости, составляющая 1018-1019 см-3, снижает вероятность пробоя перехода охранного кольца в приповерхностной части. Если поверхностная концентрация примеси в охранном кольце -типа проводимости будет менее 1018 см-3, то приповерхностная часть -области охранного кольца будет обедняться основными носителями вследствие положительного заряда в окисле кремния, что ухудшает устойчивость диодов Шоттки к воздействию статического электричества. Превышение поверхностной концентрации примеси в охранном кольце -типа проводимости 1019 см-3 экономически нецелесообразно, поскольку не дает дальнейших улучшений. Произведение ширины охранного кольца на глубину его залегания фактически определяет его электрическое сопротивление. Чем меньше сопротивление поперечного сечения охранного кольца, тем лучше происходит выравнивание потенциала по его наружному периметру, что повышает устойчивость диода Шоттки к воздействию статического электричества. Если произведение ширины охранного кольца на глубину его залегания составляет менее 30 мкм 2, то сопротивление охранного кольца будет сравнительно большим, что не позволит заметно улучшить устойчивость диода Шоттки к воздействию статического электричества. Превышение произведения ширины охранного кольца на глубину его залегания более 80 мкм 2 не приводит к дальнейшим улучшениям, что экономически нецелесообразно. При отношении глубины охранного кольца к толщине эпитаксиального слоя в диапазоне от 0,16 до 0,32 обеспечивается равномерное протекание ударного тока по площади перехода охранного кольца, что обеспечивает устойчивость всего диода Шоттки к воздействию статического электричества. Кроме того, в указанном диапазоне отношений глубины охранного кольца к толщине эпитаксиального слоя достигается максимальное обратное напряжение, лимитируемое цилиндрической частью перехода охранного кольца. При отношении глубины охранного кольца к толщине эпитаксиального менее 0,16 глубина перехода охранного кольца недостаточна для обеспечения высоких обратных напряжений диода Шоттки. Кроме того, в указанном случае наблюдается, в основном, поверхностный пробой перехода охранного кольца, что снижает устойчивость диода Шоттки к воздействию статического электричества. При отношении глубины охранного кольца к толщине эпитаксиального более 0,32 требуется существенное увеличение глубины охранного кольца, что экономически нецелесообразно. 14848 1 2011.10.30 Разность между толщиной эпитаксиального слоя и глубиной охранного кольца в диапазоне от 3,1 до 5,8 мкм также является оптимальной. При разности между толщиной эпитаксиального слоя и глубиной охранного кольца менее 3,1 мкм наблюдается существенное снижение обратного напряжения вследствие ограничения данной величиной максимальной ширины области обеднения перехода охранного кольца. Для обеспечения разности между толщиной эпитаксиального слоя и глубиной охранного кольца более 5,8 мкм необходимо увеличивать толщину эпитаксиального слоя, что нецелесообразно экономически. Наличие углубления в окне составляет величиной от 0,1 до 0,3 мкм позволяет улучшить чистоту границы раздела металл-кремний за счет минимизации толщины слоя естественного окисла кремния, 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 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 обратного напряжения и ухудшение устойчивости диодов Шоттки к воздействию статического электричества. При величине углубления более 0,3 мкм также снижается обратное напряжение 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 чертежом, на котором приведена структура диода Шоттки согласно формуле изобретения. Изображенная на чертеже структура может быть изготовлена следующим образом. В исходной эпитаксиальной /-структуре стандартными методами фотолитографии и диффузии формируется область охранного кольца -типа проводимости. При помощи фотолитографии вскрывается контактное окно требуемой конфигурации. Методами вакуумного напыления наносится слой молибдена, а последующей фотолитографией формируется конфигурация электрода Шоттки. Также барьерный слой электрода Шоттки может формироваться путем отжига пленки силицидообразующего материала (например, платины и сплава никель-платина) при температуре формирования переходного слоя силицида с последующим удалением непрореагировавших остатков и нанесением диффузионно-барьерного слоя ванадия. 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 (5) образует с эпитаксиальным слоем (2), нанесенным на подложку (1), выпрямляющий контакт, определяющий основные параметры диода Шоттки обратный ток, прямое напряжение. Охранное кольцо -типа проводимости (4) служит для устранения краевых токов утечки по периметру барьерного электрода Шоттки (5) и определяет обратное напряжение диода Шоттки и, следовательно, его стойкость к воздействию статического электричества. Поскольку молибден имеет плохую адгезию к окислу кремния, то между краями барьерного электрода Шоттки (5) и окном в окисле (3) имеется зазор, расположенный над охранным кольцом -типа проводимости (4). Многослойная металлизация анода (6), 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 (7) служит для формирова 4 14848 1 2011.10.30 ния омического контакта к подложке (1) и обеспечивает возможность пайки кристалла диода Шотки к основанию корпуса. Результаты сравнительных испытаний диодов Шоттки заявляемой конструкции в сравнении с прототипом представлены в таблице. Сравнительные характеристики диодов Шоттки Отноше- Разность Произвение глумежду дение бины толщиной Велиширины Обратохранно- эпитакси- чина охранноное го кольца ального углуб 1) го кольца ВГ/ВГп напряк толслоя и ления на глужение,щине глубиной в окне,бину его В 2) эпитак- охранного мкм залегакольца,2 сиальнония, мкм го слоя мкм 20 0,12 6,3 0,08 0,78 64 30 0,16 5,8 0,1 1,05 66 60 0,24 4,5 0,2 1,09 69 80 0,32 3,1 0,3 1,08 68 100 0,41 2,5 0,4 1,02 66 20 0,21 3,8 0,25 1,0 65 Стойкость к воздейПриствию мечастатичение ского электричества 3) нет есть есть есть есть нет- 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- обратное напряжение измеряли при обратном токе 10 мА. 3- стойкость к воздействию статического электричества определяли, согласно методике 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 разряда статического электричества. Критерием годности являлось отсутствие деградации электрических характеристик диода Шоттки после воздействия разрядов статического электричества на всех приборах от выборки из 50 штук. Как видно из таблицы, оптимальный диапазон поверхностной концентрации бора в охранном кольце -типа проводимости лежит в пределах от 1018 до 1019 см-3, произведения ширины охранного кольца на глубину его залегания - от 30 до 80 мкм 2, отношения глубины охранного кольца к толщине эпитаксиального слоя - от 0,16 до 0,32, разности между толщиной эпитаксиального слоя и глубиной охранного кольца - от 3,1 до 5,8 мкм, а величины углубления в окне - от 0,1 до 0,3 мкм. При выходе за нижние пределы указанных диапазонов поверхностной концентрации бора в охранном кольце, произведения ширины охранного кольца на глубину его залегания, разности между толщиной эпитаксиального слоя и глубиной охранного кольца и выходе за верхний предел разности между толщиной эпитаксиального слоя и глубиной охранного кольца наблюдается уменьшение обратного напряжения и отсутствует устойчивость диодов Шоттки к воздействию статического электричества. При выходе за нижний предел разности между толщиной эпитаксиального слоя и глубиной охранного кольца и за верхние пределы остальных параметров не наблюдается дальнейших улучшений. Анализ таблицы показывает, что предлагаемое изобретение в сравнении с прототипом позволяет повысить обратное напряжение диодов Шоттки на 1,5-4,6 , увеличить выход годных на 5-14 и улучшить их устойчивость к воздействию статического электричества до 14 кВ. 5 14848 1 2011.10.30 Таким образом, предложенное изобретение позволяет решить задачу повышения обратного напряжения и улучшения устойчивости диодов Шоттки к воздействию статического электричества. Источники информации 1. Зи С. Физика полупроводниковых приборов Пер. с англ. Кн. 1. - М. Мир, 1984. 456 с. 2. Патент 2341276 , МПК 01 21/329, 2000. 3. Патент 8380 1, МПК 01 21/872, 2006. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 6