ИНТЕГРИРОВАННЫЙ ШОТТКИ p-n ДИОД

Полезная модель относится к области электронной техники, а именно - к конструкции создания высоковольтных полупроводниковых диодов, и может быть использована для создания интегрированных Шоттки p-n диодов.
Диоды с барьером Шоттки имеют то преимущество, что способны блокировать большое обратное напряжение при относительно высоком уровне легирования базы, а высокий уровень легирования, в свою очередь, обеспечивает небольшое сопротивление в прямом направлении. Технические решения при изготовлении диодов Шоттки (ДШ) различными фирмами-производителями во многом сходны. В рабочей области ДШ могут применяться интегрированные системы типа JBS (Junction Barrier Schottky diode, JBS-диод), в которых локальные p-n-переходы перемежаются с контактами Шоттки (см., например, статью S.J. Kim, S. Kim, S.С. Kim, I.H. Kang, K.H. Leeand, Т. Matsuoka // MaterialsScienseForum. Vol. 556-557, 2007, p. 869 и патент США WO 2006122252, класс H01L 29/872, опубл. 16.11.06 г.).
При включении диода в прямом смещении через него протекает ток большой плотности. При приложении обратного напряжения носители заряда, которые находятся в базе диода, могут стягиваться в шнуры. Плотность тока в шнурах может значительно превышать рабочую плотность, что приводит к локальному повышению температуры и выгоранию областей диода. Для предотвращения теплового разрушения внедряют по всей площади диода Шоттки полосы р+ областей. Эти области выполняют в виде сплошных концентрических или линейных полос, чередующихся с полосами контакта Шоттки. При повышении температуры сопротивление легированных полупроводников между р+ областями растет до температуры вырождения. Так как сопротивление участка, где проходит шнур тока, повышается, то величина тока в шнуре уменьшается. То есть происходит отрицательная обратная связь между локальным шнурованием тока и сопротивлением участка шнурования. И таким образом значительно повышается устойчивость диода к высоким плотностям тока и высоким скоростям переключения. Чтобы увеличить предельную энергию лавинного пробоя, вводят несколько тысяч этих р+ полос. р+ полосы делят шнур обратного тока на множество мелких. Это снижает мгновенную температуру полупроводника и увеличивает устойчивость к вторичному пробою.
Расстояния между p-n-переходами выбирают исходя из глубины залегания p-n-перехода. Например, при глубине p-n-перехода 5 мкм расстояние между полосами p-n-переходов может быть от 8 мкм до 19 мкм так, чтобы обеспечивалась необходимая устойчивость к воздействию энергии лавинного пробоя при обратном смещении, см. патент США 7071525 В2 U.S. C.L. 257/471 от 4.07.06 г.
Недостатком данных устройств является повышенное падение напряжения при работе диодов в прямом направлении из-за уменьшения эффективной площади контакта Шоттки и повреждение контакта Шоттки при проведении сварки гибких выводов к его металлизации.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели по технической общности и достигаемому результату является устройство по патенту республики Беларусь BY 18137, класс H01L 29/872, в котором описан интегрированный Шоттки p-n диод, состоящий из эпитаксиальной структуры, рабочая сторона которого покрыта слоем диэлектрика, охранного кольца, выполненного методом диффузии, типа проводимости противоположного типу проводимости эпитаксиальной структуры, контактного окна анода в слое диэлектрика, распределенных рядов полос локальных планарных p-n-переходов, выполненных одновременно с охранным кольцом, и переходов Шоттки, выполненных в углублениях в контактном окне анода.
Недостатки предыдущих аналогов в прототипе частично устранены, однако, при формировании рядов полос локальных планарных p-n-переходов для уменьшения последовательного сопротивления в интегрированном Шоттки p-n диоде, их линейные размеры в плоскости контакта Шоттки должны быть минимальными. Величина минимальных размеров определяется разрешающей способностью фотолитографии и боковой диффузии p-примеси при формировании p-n-переходов. Боковая диффузия увеличивает минимальные размеры. Особенно сильно этот эффект сказывается в p-n-переходах интегрированных Шоттки p-n диодов при рабочих напряжениях до 100-120 В.
Целью полезной модели является увеличение эффективной площади контакта Шоттки для снижения прямого падения напряжения.
j
j
j
Указанная цель достигается тем, что в отличие от известного устройства в предлагаемой полезной модели интегрированного Шоттки p-n диода, состоящего из эпитаксиальной структуры, рабочая сторона которого покрыта слоем диэлектрика, охранного кольца, выполненного методом диффузии, типа проводимости противоположного типу проводимости эпитаксиальной структуры, контактного окна анода в слое диэлектрика, распределенных рядов полос локальных планарных p-n-переходов, выполненных одновременно с охранным кольцом, и переходов Шоттки, выполненных в углублениях в контактном окне анода, локальные планарные p-n переходы выполнены на выступах, сформированных в контактном окне анода, высотой h, выбираемой из соотношения 0,15x≤h≤0,5x, где x - глубина диффузии охранного кольца.
j
j
j
Новым в предлагаемой полезной модели является то, что локальные планарные p-n-переходы выполнены на выступах, сформированных в контактном окне анода, высотой h, выбираемой из соотношения 0,15x≤h≤0,5x, где x - глубина диффузии охранного кольца.
При изготовлении интегрированных Шоттки p-n диодов с локальными планарными p-n-переходами, выполненными на выступах, влияние боковой диффузии p-примеси при формировании p-n-переходов несущественно, и минимальные размеры определяются только разрешающей способностью фотолитографии.
j
Наименьшая высота выступов обусловлена тем, что практически 90% легирующей примеси находится в приповерхностном участке толщиной 0,15x. При меньшей высоте выступов влияние боковой диффузии p-примеси на последовательное сопротивление в интегрированном Шоттки p-n диоде усиливается и эффект не достигается.
Наибольшая высота выступов обусловлена тем, что при большей высоте выступа эффективность работы интегрированных Шоттки p-n диодов при обратном смещении, подаваемом на диод, снижается, что приводит к увеличению обратных токов.
Сущность предлагаемой полезной модели поясняется фигурами. На фиг. 1 приведен разрез предлагаемого интегрированного Шоттки p-n диода. На фиг. 2 приведено увеличенное изображение p-n перехода на выступе.
Позициями на фиг. 1, 2 обозначены:
+
1 - подложка n-типа проводимости;
2 - эпитаксиальная пленка n-типа проводимости;
3 - охранное кольцо;
2
4 - защитный слой SiO;
5 - выступы;
6 - локальные p-n-переходы (JBS-структуры);
7 - контактное окно анода;
8 - углубления в контактном окне анода;
9 - молибденовый Шоттки контакт;
10 - слой алюминиевой металлизации;
11 - металлизация катода;
12 - конфигурация p-n-перехода интегрированного Шоттки p-n диода, выполненного методом диффузии в планарную часть анода;
А - минимальная разрешающая способность фотолитографии.
Устройство и процесс изготовления предлагаемого полупроводникового прибора описан ниже.
+
14
-2
2
j
На эпитаксиальной n подложке 1 (см. фиг. 1), легированной мышьяком до удельного сопротивления 0,003 Ом·см сформирована эпитаксиальная пленка 2 n-типа проводимости толщиной 10 мкм с сопротивлением 2 Ом·см. Затем поверхность эпитаксиальной пленки легируют бором с дозой 10 см и энергией 40 кэВ методом ионной имплантации. Далее проводят операцию маскирования областей охранных колец 3 и локальных p-n-переходов 6, например, с помощью фоторезиста и изотропнго травления в плазме на глубину 0,3 мкм. Затем поверхность пластины окисляют при температуре 1100°C в течение 100 минут. При этом происходит образование защитного слоя SiO 4 толщиной 0,3 мкм и локальная диффузия областей охранных колец 3 и локальных p-n-переходов 6 на глубину x 1,7 мкм. Затем вскрывают контактное окно анода 7 до эпитаксиального слоя с p-n-переходами. Далее электронно-лучевым напылением наносят слой молибдена 9 толщиной 0,15 мкм и слой алюминия 10 толщиной 2,5 мкм. Затем проводят фотолитографии по металлу для формирования металлизации анода и контакта Шоттки и термообработку при температуре 450°C в среде аргона. Локальные p-n-переходы контакта Шоттки локализуются на выступах 5, а в углублениях 8 образуется контакт Шоттки кремний - молибден. Металлизацию катода 11 формируют последовательным напылением титана толщиной 0,1 мкм, никеля толщиной 0,5 мкм и серебра или золота толщиной 0,5 мкм.
На фиг. 2 приведено увеличенное изображение области локального p-n-перехода на выступе. При использовании позитивного фоторезиста область локального перехода маскируется светонепроницаемыми участками, с размером А, определяющимся минимальной разрешающей способностью фотолитографии. Например, при контактной фотолитографии с использованием нефильтрованного излучения ртутной лампы размер А составляет около 2,5 мкм. Затем при травлении углублений 8 размер выступа 5, легированного бором, уменьшается за счет бокового подтрава на величину порядка 0,6-0,9 мкм, а при проведении диффузии бора область локального p-n-перехода уменьшается по ширине из-за наличия стенок выступа 5. Для сравнения на фиг. 2 приведена конфигурации локального p-n-перехода 12 в плоскую поверхность эпитаксиального слоя. Как видно из фигуры 2, при проведении технологических операций в указанных выше режимах ширина локального перехода на выступе будет составлять примерно 1,6-1,9 мкм, а при диффузии в плоскую поверхность эпитаксиального слоя - 5-5,2 мкм.
Таким образом, эффективная площадь контакта Шоттки увеличится за счет уменьшения размеров локальных p-n-переходов.
2
2
В таблице 1 приведены экспериментальные данные по определению влияния высоты выступа на остаточное напряжение интегрированных Шоттки p-n диодов, конструкция которого описана выше. Площадь анода (включая JBS-структуру) составляла 1 мм, плотность тока - 1 А/мм.
ост
обр
Как видно из таблицы, что оптимальные параметры диода по U и I достигаются при высоте выступа 0,24-0,85 мкм.
Следует отметить, что формирование углублений в контакте анода можно проводить не только травлением, но и локальным окислением с маскированием нитридом кремния участков охранных колец и локальных p-n-переходов внутри контакта Шоттки.