Диод Шоттки

(51)01 29/872, 29/47 НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Производственное республиканское унитарное предприятие Завод Транзистор(72) Авторы Ануфриев Леонид Петрович Баранов Валентин Владимирович Глухманчук Владимир Владимирович Турцевич Аркадий Степанович Тарасиков Михаил Васильевич Соловьев Ярослав Александрович(73) Патентообладатель Производственное республиканское унитарное предприятие Завод Транзистор(57) 1. 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, барьерный слой электрода Шоттки из молибдена в окне окисла кремния, выполненный с зазором к окислу кремния над охранным кольцом, и многослойный электрод из титана, никеля и серебра, отличающийся тем, что в окне под барьерный слой выполнено углубление величиной 0,05-0,5 мкм, многослойный электрод в качестве материала нижнего слоя содержит алюминий или сплав алюминийкремний с содержанием кремния 0,8-1,6 мас.толщиной 0,8-5,0 мкм, а слой титана выполнен толщиной 0,07-0,15 мкм. 2. Диод Шоттки по п. 1, отличающийся тем, что барьерный слой выполнен из сплава молибден-рений с содержанием рения 2-50 мас. 8380 1 2006.08.30 Изобретение относится к электронной технике, а более конкретно - к конструкции кристалла мощных диодов Шоттки, и может быть использовано в широкой гамме электронных устройств, например, в качестве выпрямителей в изделиях силовой электроники. Известна конструкция диода Шоттки 1, содержащего сильнолегированную кремниевую подложку первого типа проводимости со сформированным слаболегированным эпитаксиальным слоем того же типа проводимости, на поверхности которого имеется пленка окисла кремния, вскрытое в окисле кремния окно, слой металла в окне (электрод барьера Шоттки) и на прилегающей к окну поверхности окисла кремния. Однако по причине отсутствия охранного кольца имеет место наличие высоких краевых токов утечки по периферии электрода Шоттки при приложении обратного смещения диода, что обусловливает низкий процент выхода приборов такой конструкции и невозможность изготовления диодов Шоттки с требуемыми характеристиками. В другой известной конструкции 2 содержится окисленная сильнолегированная подложка -типа со слаболегированным эпитаксиальным слоем, охранное кольцо -типа, окно в окисле кремния, находящийся в пределах окна молибденовый барьер Шоттки, и многослойный электрод. В данной конструкции выпрямляющие свойства диода Шоттки сильно зависят от состояния границы раздела молибден-кремний и существует высокая вероятность того, что тонкий слой естественного окисла кремния, химические соединения или адсорбированные газы будут содержаться на границе раздела. Кроме того, молибден используется как для создания выпрямляющего контакта, так и для невыпрямляющего контакта в области охранного кольца. В результате при реализации данной конструкции не обеспечивается достаточная чистота границы раздела молибден-кремний. Это приводит к неоднородному распределению высоты потенциального барьера как по площади кристалла, так и по всей пластине, а следовательно, к повышенным значениям токов утечки и их значительному разбросу от кристалла к кристаллу, невысокому проценту выхода годных диодов Шоттки. Наиболее близким к предлагаемому устройству техническим решением является конструкция диода Шоттки 3, содержащая сильнолегированную кремниевую подложку первого типа проводимости со сформированным окисленным слаболегированным эпитаксиальным слоем того же типа проводимости и охранным кольцом противоположного типа проводимости, образующим вскрытые в окисле окна переходы, барьерный слой электрода Шоттки из молибдена в окне, выполненном с зазором по отношению к окислу кремния над охранным кольцом, и многослойный электрод из титана, никеля и серебра. При этом контакт к охранным областям создается из титана, который имеет хорошую адгезию к молибдену, кремнию и окислу кремния. Однако из-за высокой вероятности наличия на границе раздела кремний-молибден естественного окисла кремния, органических загрязнений, адсорбированных газов и химических соединений данная конструкция также не лишена недостатков, а именно повышенных токов утечки и их значительным разбросом по поверхности пластины, а также низкого процента выхода годных диодов Шоттки. В основу настоящего изобретения положена задача снижения токов утечки, уменьшения их разброса, повышения процента выхода диодов Шоттки. Сущность изобретения заключается в том, что в диоде Шоттки, содержащем 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, и многослойный электрод из титана,никеля и серебра в окне под барьерный слой выполнено углубление величиной, 0,05-0,5 мкм,2 8380 1 2006.08.30 многослойный электрод в качестве материала нижнего слоя содержит алюминий или сплав алюминий-кремний с содержанием кремния 0,8-1,6 мас.толщиной 0,8-5,0 мкм, а слой титана выполнен толщиной 0,07-0,15 мкм, барьерный слой выполнен из сплава молибден-рений с содержанием рения 2-50 мас. . Сопоставительный анализ изобретения с прототипом показал, что заявляемое устройство отличается от известного тем, что в окне под барьерный слой выполнено углубление величиной 0,05-0,5 мкм, многослойный электрод в качестве материала нижнего слоя содержит алюминий или сплав алюминий-кремний с содержанием кремния 0,8-1,6 мас.толщиной 0,8-5,0 мкм, а слой титана выполнен толщиной 0,07-0,15 мкм, барьерный слой выполнен из сплава молибден-рений с содержанием рения 2-50 мас.Решение поставленной в изобретении задачи объясняется следующим образом. Анализ вольт-амперных характеристик диодов Шоттки, согласно прототипу и заявляемому способу, при обратном смещении показывает, что величина токов утечки определяется высотой барьера Шоттки и его снижением из-за влияния сил изображения и дополнительного статического понижения из-за наличия промежуточного слоя между металлом и полупроводником. Реализация углубления в эпитаксиальном слое 0,05-0,5 мкм позволяет улучшить чистоту границы раздела металл-кремний за счет сведения к минимуму толщины слоя естественного окисла (т.е. слоя толщиной 5-9 нм, который образуется на поверхности кремния при комнатной температуре в период межоперационного хранения или загрузки пластин в вакуумную камеру перед нанесением пленок), удаления с поверхности органических загрязнений, адсорбированных газов и химических соединений, внесенных на предыдущих операциях, что эквивалентно стабилизации высоты потенциального барьера и ведет к уменьшению влияния статического понижения ее величины 1. При величине углубления менее 0,05 мкм из-за невоспроизводимости свойств границы раздела, в том числе вследствие остаточной дефектности на поверхности кремниевой подложки, не обеспечивается высокий выход годных диодов Шоттки, а при величине углубления более 0,5 мкм увеличивается разброс по величине токов утечки и отбраковка кристаллов по данному параметру из-за образования так называемых норок и обрывов пленки алюминия или его сплава с кремнием в области ступеньки. При наличии слоя из алюминия или его сплавов в диапазоне толщин 0,8-5,0 мкм не происходит обрыва металлизации на ступеньке окисла и, как следствие, не наблюдается рост краевых токов утечки по периметру охранного кольца из-за потери полевой обкладки. Кроме того, слой из алюминия или его сплавов в указанном диапазоне толщин позволяет обеспечить демпферную прослойку, которая улучшает характеристики диодов Шоттки при сборке приборов в корпус. Применение чистого алюминия стабилизирует поверхность раздела, уменьшает концентрацию поверхностных состояний. Использование алюминия или сплава алюминийкремний в диапазоне толщин 0,8-5,0 мкм особенно важно для мощных силовых диодов Шоттки, работающих при большом прямом токе, что существенно позволяет улучшить равномерность его протекания по площади. Замена алюминия на сплав алюминийкремний с содержанием кремния 0,8-1,6 мас.позволяет снизить интенсивность процессов взаимной диффузии на границе / в области охранного кольца, приводящих к его деградации. Использование в качестве материала барьерного электрода сплава молибден-рений с содержанием рения 2-50 мас.позволяет снизить механические напряжения на границе металл-кремний 4 и снизить ток утечки за счет способности рения раскислять естественный 2 с образованием проводящих оксидов рения, стабилизирующих границу раздела. Кроме того, сплав - обладает по сравнению сболее высокой прочностью при сохранении относительно высокой пластичности 5. 3 8380 1 2006.08.30 Слой титана в многослойном электроде толщиной 0,07-0,15 мкм является адгезионным и служит для улучшения адгезии между никелем и алюминием или сплавом алюминийкремний, во-вторых структура / устойчива к электромиграции и шипообразованию из-за образования интерметаллического соединения 3. Толщина титанового слоя 0,070,15 мкм выбрана как из приведенных выше соображений, так и из условия минимизации механических напряжений в многослойной структуре /////. Сущность изобретения поясняется фиг. 1, 2, где на фиг. 1 изображен поперечный разрез диода Шоттки - прототипа, содержащего сильнолегированную кремниевую подложку-типа проводимости 1 со сформированным окисленным слаболегированным эпитаксиальным слоем того же типа проводимости 2 и охранным кольцом -типа проводимости 3,образующим переход, вскрытое в окисле 4 окно, барьерный слой электрода Шоттки из молибдена 5 в окне окисла кремния, выполненный с зазором к окислу кремния над охранным кольцом и многослойный электрод из титана 6, никеля 7 и серебра 8 на фиг. 2 - поперечный разрез диода Шоттки в соответствии с предлагаемым техническим решением,содержащий сильнолегированную кремниевую подложку -типа проводимости 1 со сформированным окисленным слаболегированным эпитаксиальным слоем того же типа проводимости 2 и охранным кольцом -типа проводимости 3, образующим переходы,вскрытое в окисле 4 окно, барьерный слой электрода Шоттки из молибдена 5 в окне окисла кремния, выполненный с зазором к окислу кремния над охранным кольцом, и многослойный электрод из алюминия или сплава алюминий-кремний 6, титана 7, никеля 8 и серебра 9. Данная структура может быть изготовлена следующим образом в исходной эпитаксиальной /-структуре стандартными методами фотолитографии и диффузии формируется область охранного кольца -типа проводимости. Затем при помощи фотолитографии вскрывается контактное окно требуемой конфигурации. Далее, после соответствующей подготовки поверхности, методами вакуумного напыления наносится металл барьера Шоттки, а последующей фотолитографией формируется конфигурация барьерного электрода. После чего на полученную структуру последовательно наносятся слои алюминия(сплава алюминий-кремний), титана, никеля и серебра с последующей фотолитографией,формирующей конфигурацию многослойного электрода. Работает предлагаемый диод Шоттки следующим образом. Слой контактирующего с кремнием 2 металла 5, образующего барьер Шоттки, обеспечивает его заданные электрические свойства - форму вольт-амперной характеристики обратные токи, падение напряжение при прямом смещении, коэффициент неидеальности и др. На величину некоторых из указанных параметров влияет также степень легирования эпитаксиального слоя кремния. Охранное кольцо 3 служит для устранения краевых токов утечки по периметру барьерного электрода 5. Поскольку молибден имеет плохую адгезию к 2, то между краями барьерного электрода 5 и окном в окисле 2 имеется зазор, расположенный над охранным кольцом. Многослойный электрод, состоящий из алюминиевого 6, титанового 7, никелевого 8 и серебряного 9 слоев, служит для создания полевой обкладки по наружному периметру охранного кольца, предотвращающей поверхностный пробой перехода при обратном смещении, обеспечения однородного распределения тока по всей площади контакта Шоттки и для создания необходимых условий для подсоединения внешнего вывода с планарной стороны кристалла. В табл. 1 приведены электрические параметры диодов Шоттки для различной величины углубления, с различной толщиной алюминия (или сплава - с различным содержанием кремния) и титана. 8380 1 2006.08.30 Таблица 1 Сравнительные данные по величине обратного тока диодов Шоттки с различными значениями величины углубления, толщины слоя алюминия и содержания в нем кремния, толщины слоя титана Конструктивные особенности Измеренные параметры Слой А 1 или СКО ПримеУглуб Толщи- 45 В,45 В,(45),ВГ/ВГп,чание ление 1), Тол- Содер на тита- 25 С 2),125 С 3),25 С,отн. ед. мкм щина, жание , на, мкм мкА мА мкА мкм мас.0,025 0,6 0,05 465 121 114 1,236 0,025 0,6 0,5 0,05 459 128 118 1,348 0,05 0,8 0,07 443 114 109 1,476 0,05 0,8 0,8 0,07 441 118 111 1,523 0,25 3,0 0,12 364 86 105 2,770 0,25 3,0 1,0 0,12 358 91 101 2,835 0,5 5,0 0,15 448 105 108 1,354 0,5 5,0 1,6 0,15 439 101 103 1,462 0,6 6,0 0,2 478 112 114 1,016 0,6 6,0 3,0 0,2 474 107 110 1,023 0,2 483 117 107 1,0 Прототип величина углубления измерялась профилометром , погрешность измерения - 0,01 мкм 2) значения обратных токов при напряжении 45 В и температуре 25 С измерялись по всем кристаллам на пластине при помощи измерительной системы КАШС установки зондового контроля ЭМ 610 с записью в ПЭВМ каждого измеренного значения, в таблице приведены среднее значение параметра и его СКО для всех кристаллов, в которых отсутствуют дефекты типа обрыв и короткое замыкание, погрешность измерения 1 мкА 3) значения обратных токов при напряжении 45 В и температуре 125 С измерялись в импульсном режиме на установке зондового контроля с подогревом рабочего столика выборочно в 10 точках по пластине с последующим усреднением, погрешность измерения 5 мА. Как видно из табл. 1, оптимальным интервалом величины углубления является 0,050,5 мкм, ибо если она менее 0,05 мкм, то на границе раздела молибден-кремний все еще остается достаточно высокая плотность поверхностных состояний и дефектов, а также загрязнений различной природы - органических, остатков естественного окисла кремния,адсорбированных атомов и т.п. При этом не наблюдается существенных различий по величине обратных токов, как при комнатной, так и при повышенной температурах, равно как и по их разбросу. Отношение выхода годных исследованных вариантов к выходу годных по варианту прототипа (ВГ/ВГп) при углублениях менее 0,05 мкм также подтверждает низкую эффективность подобных технических решений. В случае превышения величины углубления 0,5 мкм наблюдается рост токов утечки и их разброс по пластине, что связано с уменьшением поверхностной концентрации примеси в области охранного кольца, и большой высотой ступеньки, что приводит к образованию норок и обрывов пленки алюминия даже при превышении его толщины диапазона оптимальных значений 0,8-5,0 мкм. Замена алюминия на сплав алюминий-кремний с содержанием кремния 0,8-1,6 мас.дает небольшое увеличение процента выхода годных из-за снижения интенсивности диф 5 8380 1 2006.08.30 фузионных процессов между алюминием и кремнием в области охранного кольца. Однако превышение содержания кремния в алюминии 1,6 мас.нежелательно вследствие ухудшения качества алюминиевой пленки и снижения технологичности. Толщина слоя титана в диапазоне 0,07-0,15 мкм также является оптимальной, поскольку данной величины достаточно для создания барьера против диффузии алюминия в вышележащие слои, а механические напряжения в многослойной структуре///// минимальны на границе молибден-кремний. В табл. 2 приведены значения обратных токов диодов Шоттки в конструкциях с барьерным электродом из сплава молибден-рений при различном содержании рения, величина углубления 0,25 мкм, толщина слоя А 1 - 1- 3 мкм, толщина слоя- 0,12 мкм. Таблица 2 Сравнительные данные по значению обратного тока диодов Шоттки с различным содержанием рения в материале барьерного электрода Содержание Измеренные параметры рения, 45,СКО ( 45),45,мас.25 С, мкА 25 С, мкА 125 С, мА 2 367 75 98 20 343 65 94 50 338 69 89 Пленки сплава молибден-рений наносились магнетронным методом из составных мишеней с различным соотношением площадей молибдена и рения. Содержание рения контролировалось на электронном Оже-спектрометре -600 (ф., США). Введение в барьерный электрод из молибдена 2-50 мас.рения позволяет снизить обратные токи и их разброс вследствие снижения величины механических напряжений на границе раздела металл-кремний, а также за счет увеличения высоты потенциального барьера к кремнию. Однако содержание в молибдене рения менее 2 мас.не дает заметного улучшения по сравнению с чистым молибденом. Содержание рения в молибдене в диапазоне 2-50 мас.является оптимальным. Содержание рения более 50 мас.не приводит к существенному снижению тока утечки, но обусловливает значительное удорожание материала, т.е. не является экономически оправданным. Таким образом, предлагаемая конструкция по сравнению с прототипом позволяет решить задачу снижения токов утечки и уменьшения их разброса, повышения процента выхода годных диодов Шоттки в 2-3 раза. Источники информации 1. Зи С. Физика полупроводниковых приборов Кн. 1 / Пер. с англ. - М. Мир, 1984.С. 456. 2.//. - 1984. - . 8-9. 3. Патент США 4899199, МПК Н 01 29/48, 1990. 4. Баранов В.В., Достанко А.П., Лесникова В.П., Сакович Е.Л., Холенков В.Ф. Поверхность // Физика, химия, механика. - 1989. -2. - С. 84-90. 5 Савицкий Е.М., Тылкина М.А., Левин Сплавы рения в электронике. - М. Энергия, 1980. - С. 216. 6 Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 7