Диод Шоттки

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Производственное республиканское унитарное предприятие Завод Транзистор(72) Авторы Турцевич Аркадий Степанович Глухманчук Владимир Владимирович Ануфриев Дмитрий Леонидович Карпов Иван Николаевич Соловьев Ярослав Александрович(73) Патентообладатель Производственное республиканское унитарное предприятие Завод Транзистор(57) 1. Диод Шоттки, содержащий сильнолегированную кремниевую подложку первого типа проводимости со сформированным окисленным слаболегированным эпитаксиальным слоем того же типа проводимости и охранным кольцом противоположного типа проводимости, образующим переходы, вскрытое в окисле кремния окно, платиносодержащий первый барьерный слой в окне, второй барьерный слой из тугоплавкого металла, многослойную металлизацию анода из слоев титана, никеля и серебра, многослойную металлизацию катода из слоев титана, никеля и серебра, отличающийся тем,что второй барьерный слой выполнен из ванадия толщиной от 0,1 мкм до 0,3 мкм в окне с зазором с окислом кремния над охранным кольцом, поверх второго барьерного слоя выполнен буферный слой из алюминия или его сплавов толщиной от 0,5 мкм до 5,0 мкм. 2. Диод Шоттки по п. 1, отличающийся тем, что платиносодержащий первый барьерный слой содержит от 10 до 45 ат.никеля. 3. Диод Шоттки по пп. 1, 2, отличающийся тем, что приповерхностная область охранного кольца содержит от 51019 см-3 до 11020 см-3 бора. 10252 1 2008.02.28 Изобретение относится к электронной технике, а более конкретно к конструкции кристалла мощных диодов Шоттки, и может быть использовано в изделиях силовой электроники. Известна конструкция диода Шоттки 1, содержащая сильнолегированную кремниевую подложку первого типа проводимости со сформированным окисленным слаболегированным эпитаксиальным слоем того же типа проводимости, вскрытое в окисле кремния окно, спейсеры по периметру окна из поликристаллического кремния, легированного бором, охранное кольцо противоположного типа проводимости, образующее переходы с эпитаксиальным слоем, платиносодержащий барьерный слой в окне, металлизацию анода из алюминия, металлизацию катода. Однако из-за отсутствия второго барьерного слоя из тугоплавкого металла данный диод Шоттки характеризуется плохим качеством, поскольку наблюдается диффузия и твердофазные реакции между металлизацией анода и барьерным слоем из силицида платины в процессе его формирования, что приводит к деградации барьерного слоя, и обусловливает рост обратных токов и снижение выхода годных диодов Шоттки данной конструкции. Так как в данном устройстве барьерный слой не содержит никель, то диод Шоттки характеризуется плохим качеством, что также обусловливает рост величины обратных токов, приводящий к снижению выхода годных. Также в данной конструкции диода Шоттки малая степень легирования приповерхностной области охранного кольца обусловливает высокое контактное сопротивление платиносодержащего барьерного слоя к -области охранного кольца, что приводит к увеличению прямого напряжения и снижению выхода годных диодов Шоттки. Известна конструкция диода Шоттки 2, содержащая сильнолегированную кремниевую подложку первого типа проводимости со сформированным окисленным слаболегированным эпитаксиальным слоем того же типа проводимости, вскрытое в окисле кремния окно, спейсеры по периметру окна из поликристаллического кремния, легированного бором, охранное кольцо противоположного типа проводимости, образующим переходы с эпитаксиальным слоем, платиносодержащий первый барьерный слой в окне, второй барьерный слой из молибдена, металлизацию анода из алюминия, металлизацию катода. Благодаря наличию второго барьерного слоя из молибдена в данной конструкции диода Шоттки предотвращается диффузия и твердофазные реакции между металлизацией анода и платиносодержащим первым барьерным слоем. Однако и данная конструкция не лишена недостатков. Поскольку второй барьерный слой выполнен из молибдена, который характеризуется плохой адгезией к окислу кремния и большой величиной остаточных механических напряжений, то происходит отслоение второго барьерного слоя от окисла кремния, означающее деградацию полевой обкладки, ухудшается качество, наблюдается увеличение обратных токов и снижение выхода годных диодов Шоттки данной конструкции. Кроме того, в данном устройстве первый барьерный слой также не содержит никель,поэтому и здесь диод Шоттки слоя характеризуется плохим качеством, что обуславливает рост величины обратных токов, и приводит к снижению выхода годных. В данной конструкции диода малая степень легирования приповерхностной области охранного кольца также обуславливает высокое контактное сопротивление барьерного слоя к -области охранного кольца, что приводит к увеличению прямого напряжения и снижению выхода годных диодов Шоттки. Наиболее близким к предлагаемому 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 переходы, вскрытые в окисле кремния окна, платиносодержащий первый барьерный слой в окне, второй барьерный слой из тугоплавкого металла, многослойную металлизацию анода из титана, никеля и серебра, многослойную металлизацию катода из титана, никеля и серебра. 2 10252 1 2008.02.28 Увеличение концентрации бора в приповерхностной области охранного кольца несколько уменьшает контактное сопротивление первого барьерного слоя к -области охранного кольца. Однако и в данной конструкции диода Шоттки второй барьерный слой сформирован не только в пределах контактного окна, но и на поверхности окисла кремния. Поскольку молибден характеризуется плохой адгезией к окислу кремния, то диод Шоттки в устройстве-прототипе отличается плохим качеством, так как происходит деградация полевой обкладки из-за отслоения второго барьерного слоя от окисла кремния, что приводит к росту величины обратных токов и снижению выхода годных диодов Шоттки. Далее в устройстве-прототипе слой титана металлизации анода сформирован непосредственно поверх второго барьерного слоя из молибдена, что также ухудшает качество диодов Шоттки данной конструкции, поскольку на границе титан - молибден концентрируются значительные механические напряжения, приводящие к отслаиванию металлизации анода и снижению выхода годных диодов Шоттки. В данном устройстве первый барьерный слой также не содержит никель, поэтому диод Шоттки характеризуется плохим качеством, что обуславливает рост величины обратных токов и снижение выхода годных. Несмотря на увеличение степени легирования приповерхностной области охранного кольца, устройство-прототип все равно характеризуется высоким контактным сопротивлением барьерного слоя к -области охранного кольца, что приводит к увеличению прямого напряжения и снижению выхода годных диодов Шоттки данной конструкции. В основу изобретения положена задача улучшения качества, уменьшения обратных токов и прямого напряжения, повышения выхода годных диодов Шоттки данной конструкции. Сущность изобретения заключается в том, что в конструкции диода Шоттки, содержащей сильнолегированную кремниевую подложку первого типа проводимости со сформированным окисленным слаболегированным эпитаксиальным слоем того же типа проводимости и охранным кольцом противоположного типа проводимости, образующим переходы, вскрытые в окисле кремния окна, платиносодержащий первый барьерный слой в окне, второй барьерный слой из тугоплавкого металла, многослойную металлизацию анода из титана, никеля и серебра, многослойную металлизацию катода из титана,никеля и серебра, второй барьерный слой выполнен из ванадия толщиной 0,1-0,3 мкм в окне с зазором между барьерным слоем и окислом кремния над охранным кольцом, поверх второго барьерного слоя выполнен буферный слой из алюминия или его сплавов толщиной 0,5-5,0 мкм, платиносодержащий первый барьерный слой содержит 10-45 ат.никеля, приповерхностная область охранного кольца содержит 51019 - 11020 см-3 бора. Сопоставительный анализ предлагаемого изобретения с прототипом показал, что заявляемое устройство отличается от известного тем, что второй барьерный слой выполнен из ванадия толщиной 0,1-0,3 мкм в окне с зазором между барьерным слоем и окислом кремния над охранным кольцом, поверх второго барьерного слоя выполнен буферный слой из алюминия или его сплавов толщиной 0,5-5,0 мкм, платиносодержащий первый барьерный слой содержит 10-45 ат.никеля, приповерхностная область охранного кольца содержит 51019 - 11020 см-3. Решение поставленной задачи объясняется следующим образом. Второй барьерный слой из тугоплавкого металла в окне с зазором между барьерным слоем и окислом кремния над охранным кольцом необходим для защиты платиносодержащего первого барьерного слоя от внешних воздействий. Использование в качестве материала второго барьерного слоя ванадия позволяет кроме обеспечения защитных свойств улучшить также адгезию второго барьерного слоя к платиносодержащему первому барьерному слою. Кроме того, в пленках ванадия наблюдается меньшая величина механических напряжений по сравнению с молибденом. Поэтому, если второй барьерный слой выполняется из ванадия,то не наблюдается его отслаивания от платиносодержащего первого барьерного слоя,приводящего к резкому увеличению обратных токов и снижению выхода годных. Если 3 10252 1 2008.02.28 зазор между вторым барьерным слоем и окислом кремния не выполняется, то второй барьерный слой будет выходить на окисел кремния, где его адгезия ухудшается по сравнению с кремнием или силицидом платины, что приводит к отслаиванию от окисла кремния второго барьерного слоя и обуславливает рост обратных токов и снижение выхода годных диодов Шоттки. Если зазор между вторым барьерным слоем и окислом кремния выходит за пределы охранного кольца, то над активной областью диода Шоттки не будет обеспечиваться защита первого платиносодержащего барьерного слоя от внешних воздействий,что приведет к росту обратных токов и снижению выхода годных диодов Шоттки. Оптимальным диапазоном толщины второго барьерного слоя из ванадия является 0,1-0,3 мкм. Три толщине второго барьерного слоя ванадия менее 0,1 мкм не обеспечивается достаточная защита первого барьерного слоя от внешних воздействий и происходит увеличение обратных токов и снижение выхода годных диодов Шоттки. При толщине второго барьерного слоя ванадия более 0,3 мкм происходит увеличение в нем механических напряжений, приводящее к росту обратных токов и снижению выхода годных диодов Шоттки. Наличие между вторым барьерным слоем и металлизацией анода относительно толстого буферного слоя алюминия или его сплавов толщиной 0,5-5,0 мкм позволяет повысить качество металлизации анода диода Шоттки за счет улучшения ее адгезии к окислу кремния, а также ко второму барьерному слою. Это происходит благодаря согласованию механических напряжений, сосредотачивающихся на границе раздела со вторым барьерным слоем в слое высокопластичного материала, каковым является алюминий и его сплавы. При толщине слоя алюминия или его сплавов менее 0,5 мкм не достигается значительного улучшения качества металлизации анода диода Шоттки, поскольку толщины буферного слоя недостаточно для согласования механических напряжений, что приводит к росту обратных токов и прямого напряжения, снижению выхода годных диодов Шоттки. При толщине буферного слоя алюминия или его сплавов более 5,0 мкм дальнейшего повышения выхода годных диодов Шоттки не происходит. Введение в платиносодержащий первый барьерный слой 10-45 ат.никеля обеспечивает улучшение качества диодов Шоттки за счет уменьшения механических напряжений в первом барьерном слое, величина которых может превышать 1 ГПа. Никель также блокирует диффузию кислорода в силицид платины и обеспечивает формирование платиносодержащего первого барьерного слоя диода Шоттки с однородными свойствами, что, в свою очередь, приводит к снижению обратных токов, улучшению качества диодов Шоттки и повышению выхода годных. Кроме того, никель снижает высоту барьера барьерного слоя к кремнию эпитаксиального слоя на 20-40 мВ, что приводит к уменьшению прямого напряжения. При содержании никеля в платиносодержащем первом барьерном слое менее 10 ат.не наблюдается заметного улучшения качества, уменьшения обратных токов и прямого напряжения, повышения выхода годных, поскольку никеля недостаточно для блокирования диффузии кислорода в платиносодержащий первый барьерный слой и снижения высоты барьера Шоттки. При содержании никеля в платиносодержащем первом барьерном слое более 45 ат.наблюдается рост обратных токов и снижение выхода годных, обусловленное слишком большим снижением высоты потенциального барьера. Прямое напряжение диода Шоттки определяется вольтамперными характеристиками выпрямляющего контакта платиносодержащего первого барьерного слоя с эпитаксиальным слоем и перехода охранного кольца. Поскольку высота барьера Шоттки выпрямляющего контакта составляет 0,8-0,83 В и сравнима с контактной разностью потенциалов перехода, то область охранного кольца вносит существенный вклад в вольтамперную характеристику диода Шоттки. Легирование бором приповерхностной области охранных колец до концентрации 51019 - 11020 см-3 снижает контактное сопротивление платиносодержащего первого барьерного слоя к области р-типа охранного кольца, что способствует снижению прямого напряжения и повышению выхода годных диодов Шоттки данной конструкции. Если 4 10252 1 2008.02.28 концентрация бора в приповерхностной области охранных колец менее 51019 см-3, то заметного эффекта не достигается. Если концентрация бора в приповерхностной области охранных колец более 11020 см-3, то дальнейших улучшений не достигается. Сущность изобретения поясняется на фиг. 1-3, где на фиг. 1 изображен поперечный разрез структуры диода Шоттки -прототипа, содержащего сильнолегированную кремниевую подложку первого типа проводимости (1) со сформированным окисленным слаболегированным эпитаксиальным слоем того же типа проводимости (2) и охранным кольцом противоположного типа проводимости (4), образующим переходы, вскрытые в окисле кремния (3) окна (5), платиносодержащий первый барьерный слой (6) в окне (5), второй барьерный слой из тугоплавкого металла (7), многослойную металлизацию анода из титана (8), никеля (9) и серебра (10), многослойную металлизацию катода из титана (11), никеля (12) и серебра (13). На фиг. 2 изображена структура диода Шоттки согласно пп. 1, 2 формулы заявляемого устройства, содержащего сильнолегированную кремниевую подложку первого типа проводимости (1) со сформированным окисленным слаболегированным эпитаксиальным слоем того же типа проводимости (2) и охранным кольцом противоположного типа проводимости (4), образующим переходы, вскрытые в окисле кремния (3) окна (5), платиносодержащий первый барьерный слой (6) в окне (5), второй барьерный слой (7) из ванадия в окне (5) с зазором между барьерным слоем (7) и окислом кремния (3) над охранным кольцом (4), буферный слой из алюминия или его сплавов (8),многослойную металлизацию анода из титана (9), никеля (10) и серебра (11), многослойную металлизацию катода из титана (12), никеля (13) и серебра (14). На фиг. 3 изображена структура диода Шоттки согласно п. 3 формулы заявляемого устройства, содержащего сильнолегированную кремниевую подложку первого типа проводимости (1) со сформированным окисленным слаболегированным эпитаксиальным слоем того же типа проводимости (2) и охранным кольцом противоположного типа проводимости (4), образующим -переходы, легированную бором приповерхностную область охранного кольца (5), вскрытые в окисле кремния (3) окна (6), платиносодержащий первый барьерный слой (7) в окне(6), второй барьерный слой (8) из ванадия в окне (6) с зазором между барьерным слоем (8) и окислом кремния (3) над охранным кольцом (4), буферный слой из алюминия или его сплавов (9), многослойную металлизацию анода из титана (10), никеля (11) и серебра (12),многослойную металлизацию катода из титана (13), никеля (14) и серебра (15). Изображенная на фиг. 2 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 последовательно наносятся слои платины и никеля, производится термообработка полученной структуры с целью получения платиносодержащего первого барьерного слоя с требуемой концентрацией никеля, сопровождающаяся образованием силицидов платины и никеля. После удаления непрореагировавших остатков двухслойной структуры платина - никель наносится слой ванадия, а последующей фотолитографией формируется конфигурация второго барьерного слоя. На полученную структуру последовательно наносятся слои алюминия или его сплавов, 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. При изготовлении структуры, изображенной на фиг. 3 после формирования охранного кольца производится ионное легирование бором приповерхностной области охранного кольца. При глубине перехода охранного кольца 1,0-1,0 мкм оптимальная глубина дополнительно легированной приповерхностной области охранного кольца должна быть 0,3-0,5 мкм. Работает предлагаемый диод Шоттки следующим образом. Платиносодержащий первый барьерный слой (7) (см. фиг. 3) образует выпрямляющий контакт с эпитаксиальным слоем (2) -типа проводимости и обеспечивает заданные электрические свойства диода Шоттки - форму вольтамперной характеристики обратный ток, прямое напряжение, коэффициент неидеальности и др. Охранное кольцо (4) служит для устранения краевых токов утечки по периметру выпрямляющего контакта. С областью -типа охранного кольца(4) платиносодержащий первый барьерный слой образует омический контакт. Дополнительно легированная бором приповерхностная область охранного кольца (5) обеспечивает уменьшение контактного сопротивления первого барьерного слоя (7) к области -типа охранного кольца (4) за счет снижения высоты барьера Шоттки и увеличения туннельной компоненты прямого тока в данной области. Второй барьерный слой (8) предотвращает диффузию и твердофазные реакции между вышележащими слоями металлизации анода и платиносодержащим первым барьерным слоем (7) в области выпрямляющего контакта. Поскольку ванадий отличается худшей адгезией к окислу кремния, то второй барьерный слой формируется в окне (6) с зазором между вторым барьерным слоем (8) и окислом кремния (3) над охранным кольцом (4). Буферный слой (9) и металлизация анода титан(10) - никель (11) и серебро (12), сформированные поверх окисла кремния (3), служат полевой обкладкой по наружному периметру охранного кольца и предотвращают поверхностный пробой перехода при обратном смещении, а также обеспечивают однородное распределение тока по всей площади диода Шоттки и создают необходимые условия для подсоединения внешнего вывода с планарной стороны кристалла диода Шоттки. Металлизация катода титан (13) - никель (14) - серебро (15) обеспечивает омический контакт к обратной стороне и создает необходимые условия для монтажа кристалла диода Шоттки к кристаллодержателю. Как показали экспериментальные исследования, электрические параметры заявляемого диода Шоттки существенно лучше по сравнению с прототипом. В табл. 1 приведены сравнительные данные по электрическим параметрам и выходу годных диодов Шоттки в зависимости от толщины и расположения второго барьерного слоя, а также в зависимости от материала и толщины буферного слоя. Таблица 1 Сравнительные данные по электрическим параметрам и выходу годных диодов Шоттки в зависимости от расположения и толщины второго барьерного слоя,материала и толщины буферного слоя(второй барьерный слой из молибдена)- показатель ВГ / ВГП определялся как отношение выхода годных диодов Шоттки после сборки в корпус ТО-220, полученного для данного варианта, к выходу годных устройства-прототипа. Как видно из табл. 1, наилучшие результаты при решении поставленной задачи достигаются при формировании второго барьерного слоя из ванадия толщиной 0,1-0,3 мкм в окне с зазором между барьерным слоем и окислом кремния над охранным кольцом. Также из табл. 1 видно, что оптимальный диапазон толщин буферного слоя из алюминия или его сплавов 0,5-5,0 мкм. Кроме того, из табл. 1 следует, что нет принципиальной разницы между использованием в качестве материала буферного слоя алюминия или его сплавов. В табл. 2 приведены сравнительные данные по электрическим параметрам диодов Шоттки и выходу годных в зависимости от содержания никеля в платиносодержащем первом барьерном слое. Таблица 2 Сравнительные данные по электрическим параметрам и выходу годных диодов Шоттки с различным содержанием никеля Содержание Обратный ток Обратный ток Прямое напря ВГ/ВГП,никеля,(45 В, 25 С), (45 В, 175 С),жение Примечание п/п отн. ед. 1 ат.мкА мА(15 А, 25 С), В 1. 5 25 14,2 0,687 1,08 второй барьерный слой 2. 10 9,1 3,5 0,669 2,14 из ванадия 3. 35 0,79 0,6 0,662 4,29 толщиной 4. 45 0,85 0,7 0,659 3,97 0,15 мкм,буферный слой из спла 5. 48 1,8 2,3 0,648 2,71 ва А-1 толщиной 3,0 мкм 1- содержание никеля в платиносодержащем первом барьерном слое определялась Оже - спектрометром- 660 (ф., США) Как видно из табл. 2, диапазон значений концентрации никеля в платиносодержащем первом барьерном слое 10-45 ат.является оптимальным. При содержании никеля менее 10 ат.наблюдается рост обратного тока и снижение выхода годных. При содержании никеля более 45 ат.также наблюдается рост обратного тока и уменьшение выхода годных, из-за снижения высоты барьера Шоттки первого барьерного слоя к кремнию. В табл. 3 представлены сравнительные данные по электрическим параметрам и выходу годных диодов Шоттки в зависимости от степени легирования бором приповерхностной области охранных колец. 7(45 В, 175 С), мА Прямое напряжение (15 А, 25 С),В Таблица 3 Сравнительные данные по электрическим параметрам и выходу годных диодов Шоттки в зависимости от режимов ионного легирования бором приповерхностной области охранных колец Содержание никеля в платиносодержащем барьерном слое 35 ат. ,второй барьерный слой из ванадия толщиной 0,15 мкм, буферный слой из сплава -толщиной 3,0 мкм Как видно из табл. 3, наилучшие результаты при решении поставленной задачи достигаются в диапазоне концентрации бора в приповерхностной области охранного кольца 5,01019 - 1,01020 см-3. При концентрации бора в приповерхностной области охранного кольца менее 5,01019 см-3 заметных улучшений не наблюдается. При концентрации бора в приповерхностной области охранного кольца более 1,01020 см-3 наблюдается снижение выхода годных, связанное со снижением обратного напряжения перехода охранного кольца. Анализ табл. 1-3 показывает, что предлагаемая конструкция диода Шоттки в сравнении с прототипом позволяет улучшить качество диодов Шоттки, уменьшить обратный ток в 1,9-23,6 раза, уменьшить прямое напряжение диода Шоттки в 1,03-1,05 раза и увеличить выход годных диодов Шоттки, более чем в 2,14-4,35 раза. Таким образом, предлагаемое устройство по сравнению с прототипом позволяет решить задачу улучшения качества, уменьшения обратных токов и прямого напряжения, повышения выхода годных диодов Шоттки данной конструкции. Источники информации 1. Патент 4414737, МПК 01 21/225, опубл. 15.11.1983. 2. Патент 4796069, МПК 01 29/48, опубл. 03.01.1989. 3. Патент 4408216, МПК Н 01 29/48, опубл. 04.10.1983. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 8