ДИОД ШОТТКИ С КАНАВОЧНОЙ СТРУКТУРОЙ

Полезная модель относится к области электронной техники, а именно к полупроводниковым приборам, в частности к конструкции выпрямительных диодов с барьером Шоттки и может быть использована в качестве дискретного прибора в различной электротехнической аппаратуре бытового и промышленного назначения.
Известен диод Шоттки [1] на рельефной структуре, состоящий из полупроводникового материала с двумя противоположными гранями, включающий полупроводниковую дрейфовую область первого типа проводимости с низкой концентрацией легирующей примеси, смежную первой грани, полупроводниковую катодную область первого типа проводимости с высокой концентрацией легирующей примеси, смежную второй грани, множество пересекающихся канавок в дрейфовой области с оксидным изолирующим слоем на дне и нижней части боковых стенок, множество меза структур (гребней с плоскими вершинами) между указанными канавками. В канавках над оксидным слоем расположен слой поликремния, зоны пересечения канавок и зона, окружающая дрейфовую область, закрыты диэлектрическим слоем. Электрод анода и выпрямляющий контакт Шоттки созданы на мезаструктурах в дрейфовой области и имеют электрический контакт с поликремнием.
Описанная конструкция не является оптимальной, так как диод Шоттки создается не на всей доступной для этого площади, потому что канавки создаются вдоль двух направлений и зоны пересечения канавок закрыты диэлектрическим слоем. Из-за неэффективного использования площади дрейфовой области на диодах с такой конструкцией не достигаются оптимальные низкие значения прямого напряжения.
Известна [2] конструкция диода Шоттки на рельефной структуре, включающая сформированную в кремниевой пластине первого типа проводимости активную область, состоящую из множества канавок, заполненных проводящим поликремнием, и окруженную ограничительной канавкой, диффузионное охранное кольцо второго типа проводимости между канавками активной области и ограничительной канавкой с глубиной диффузии меньшей, чем глубина канавок, электрод анода, электрически соединенный с проводящим поликремнием в канавках активной области, с плоской поверхностью диффузионного охранного кольца и с барьером Шоттки на плоских вершинах меза структур между канавками активной области.
Данная конструкция не является оптимальной по технологии изготовления, так как для формирования диффузионного охранного кольца необходимо выполнять дополнительные технологические операции: дополнительная фотолитография, легирование примесью, создающей второй тип проводимости, диффузия примеси на заданную глубину. Проведение указанных дополнительных технологических операций увеличивает себестоимость изделий.
Наиболее близким техническим решением по технической сущности к предлагаемой полезной модели является диод Шоттки [3], содержащий:
- низкоомную полупроводниковую подложку первого типа проводимости;
- полупроводниковый слой первого типа проводимости с меньшей концентрацией примеси, чем в подложке;
- множество канавок внутри полупроводникового слоя, каждая из которых имеет противоположные боковые стенки и дно, и смежна по крайней мере одной меза структуре с плоской вершиной, имеющей первый тип проводимости, каждая канавка имеет первый слой изоляции первой толщины на каждой боковине и второй слой изоляции второй толщины в нижней части (на дне), вторая толщина должна быть больше, чем первая толщина;
- электрод, расположенный в каждой из указанных канавок и примыкающий к первому и второму слоям изоляции;
- ограничительную канавку той же глубины, как множество внутренних канавок, имеющую нижнюю часть и внутренние боковые стенки, внутренняя боковина является боковиной меза структуры и имеет изоляционный слой первой толщины, нижняя часть ограничительной канавки имеет изоляционный слой второй толщины;
- электрод, расположенный на слое изоляции внутренней боковой стенки и на слое изоляции нижней части ограничительной канавки;
- барьер Шоттки в контакте металла на горизонтальной стороне меза структуры;
- первый электрический контакт с электродами во внутренних канавках и с электродом на слое изоляции внутренней боковины и нижней части ограничительной канавки;
- второй электрический контакт на противоположной стороне полупроводниковой подложки.
Однако описанная конструкция диода с барьером Шоттки на рельефной структуре имеет следующие недостатки:
1. Изолирующие слои на боковых стенках и на нижней части канавок должны иметь разную толщину и поэтому их нельзя создать в одном технологическом процессе. Для создания на боковых стенках и на нижней части канавок изолирующих слоев разной толщины требуется дополнительно формировать специальную нитридную маску только на вертикальных боковых стенках канавок, что является сложным трудоемким процессом, требует применения сложного дорогостоящего оборудования и снижает рентабельность производства приборов.
пр
2. Электрод, расположенный на слое изоляции внутренней боковой стенки и на слое изоляции нижней части ограничительной канавки в конструкции диода Шоттки является полевой обкладкой, предназначенной для расширения области пространственного заряда за пределы активной области диода и повышения пробивного напряжения прибора U. На данной известной конструкции не достигаются оптимальные значения обратного пробивного напряжения из-за того, что указанный электрод расположен на дне ограничительной канавки, где толщина полупроводникового слоя с низкой концентрацией примеси уменьшена на глубину травления канавки и лавинный пробой в данной конструкции происходит при меньших значениях обратного напряжения, чем это происходило бы при толщине полупроводникового слоя с низкой концентрацией примеси, равной исходному значению (до травления канавок).
Технический результат полезной модели - улучшение технико-экономических показателей приборов путем исключения из технологического процесса трудоемких технологических операций, повышение пробивного напряжения диодов Шоттки, уменьшение обратных токов утечек.
Технический результат достигается тем, что диод с барьером Шоттки на рельефной структуре, содержит полупроводниковую подложку первого типа проводимости с первой концентрацией примеси, полупроводниковый слой первого типа проводимости со второй концентрацией примеси, причем, первая концентрация примеси выше, чем вторая концентрация примеси, множество канавок внутри полупроводникового слоя, образующих активную область диода, имеющих противоположные боковые стенки и дно, покрытые слоем изоляции, хотя бы одну ограничительную замкнутую канавку, окружающую активную область и имеющую такую же глубину, как множество внутренних канавок, причем, ограничительная канавка имеет внутреннюю и внешнюю боковые стенки и дно, покрытые слоем изоляции, множество гребней между соседними канавками, имеющих горизонтальную поверхность и первый тип проводимости; электрод, расположенный в каждой из канавок активной области и в ограничительной канавке, барьер Шоттки в контакте металла на горизонтальной поверхности гребней в активной области диода, первую контактную площадку, имеющую электрическое соединение с барьером Шоттки и с электродами в каждой канавке активной области и в ограничительной канавке, вторую контактную площадку, имеющую электрическое соединение с противоположной стороной полупроводниковой подложки, ограничительная канавка имеет ширину не менее ширины внутренней канавки активной области и не более половины ширины области пространственного заряда при напряжении лавинного пробоя диода, слой изоляции на боковых стенках и дне канавок активной области, внутренней и внешней стенках и дне ограничительной канавки имеет первую толщину, часть горизонтальной поверхности полупроводникового слоя первого типа проводимости, расположенная за пределами внешней боковой стенки ограничительной канавки, покрыта вторым изолирующим слоем второй толщины, причем, вторая толщина больше первой толщины, электрод в ограничительной канавке расположен на слое изоляции первой толщины и примыкает к внутренней и внешней боковым стенкам и дну, часть первой контактной площадки за пределами внешней боковой стенки ограничительного кольца расположена на втором изолирующем слое второй толщины и распространяется за пределы внешней боковой стенки последней ограничительной канавки на расстояние не менее ширины области пространственного заряда в полупроводниковом слое при напряжении лавинного пробоя, а также в том, что содержит одну первую и несколько дополнительных ограничительных замкнутых канавок, имеющих такую же глубину, как множество внутренних канавок, причем, каждая дополнительная ограничительная канавка имеет внутреннюю и внешнюю боковые стенки и дно, покрытые слоем изоляции первой толщины, и электрод на изолирующем слое первой толщины, примыкающий к внутренней и внешней боковым стенкам и дну, горизонтальная поверхность гребней, смежных с дополнительными ограничительными канавками покрыта изолирующим слоем второй толщины, и в том, что содержит множество поперечных канавок, соединяющих соседние ограничительные канавки, имеющих такую же глубину, как множество внутренних канавок, причем, каждая поперечная канавка имеет противоположные боковые стенки и дно, покрытые слоем изоляции первой толщины, и электрод на изолирующем слое первой толщины, примыкающий к боковым стенкам и дну.
Сущность полезной модели поясняется фиг.1 и заключается в том, что:
- в заявляемой конструкции изолирующий слой на боковых стенках и нижней части канавок создается в едином окислительном процессе;
- формирование канавок активной и охранной области выполняется в едином технологическом цикле;
- охранная область включает как минимум одно первое ограничительное кольцо, ширина которого должна быть не менее ширины внутренней канавки активной области и не более половины ширины области пространственного заряда при напряжении лавинного пробоя диода, и полевой электрод, длина которого должна быть не менее ширины области пространственного заряда в полупроводниковом слое при напряжении лавинного пробоя;
- ширина гребней подобрана оптимально для обеспечения минимальных обратных токов утечек.
Диоды с барьером Шоттки на рельефной структуре (trench диоды Шоттки) имеют ряд преимуществ по сравнению с классическими планарными диодами Шоттки [4], а именно меньше токи утечки, ниже значения прямого напряжения при одинаковых геометрических размерах и режимах измерений.
На фиг.1 изображена конструкция диода Шоттки на рельефной структуре в разрезе.
На чертеже введены следующие обозначения.
1 - полупроводниковая подложка;
2 - полупроводниковый слой;
3 - множество канавок, образующих активную область;
4 - противоположные боковые стенки канавок активной области;
5 - дно канавок активной области;
6 - слой изоляции на боковых стенках и дне канавок активной области;
7 - первая ограничительная канавка;
8 - дополнительные ограничительные канавки;
9 - внутренняя боковая стенка ограничительной канавки;
10 - внешняя боковая стенка ограничительной канавки;
11 - дно ограничительной канавки;
12 - слой изоляции на внутренней и внешней стенках и дне ограничительных канавок;
13 - гребень между канавками;
14 - горизонтальная поверхность на гребне;
15 - электрод в канавке;
16 - барьерный металл;
17 - барьер Шоттки в контакте металла с полупроводниковым слоем;
18 - второй изолирующий слой;
19 - первая контактная площадка;
20 - вторая контактная площадка;
21 - часть первой контактной площадки за пределами внешней боковой стенки первого ограничительного кольца;
22 - длина полевого электрода.
На фиг.2 показано сечение trench диода Шоттки в соответствии с известным техническим решением [3].
Способ изготовления заявленной структуры диода Шоттки в соответствии с настоящей полезной моделью пояснен фигурами 3а-3з.
На фиг.3а показана исходная структура с эпитаксиальным слоем. Фиг.3б показывает структуру после создания маскирующего слоя для травления канавок. На фиг.3в - структура после фотолитографии и вытравленными канавками в эпитаксиальном слое. Фиг.3г показывает структуру со сформированным подзатворным окислом и электродами внутри канавок в активной и охранной области. Фиг.3д показывает нитридную маску по которой будет выращиваться полевой окисел. Структура с полевым окислом на фиг.3е. Фиг.3ж - структура после удаления нитридной маски. На фиг.3з - структура после формирования барьерного и контактного металла.
Для изготовления диода Шоттки используются кремниевые подложки n-типа проводимости 1 с низким удельным сопротивлением (например, КЭМ 0,003) и с определенной ориентацией (например, <100>). На указанных кремниевых подложках известными стандартными методами наращивается эпитаксиальный слой 2 заданной толщины и с заданным удельным сопротивлением (например, толщина 8 мкм, удельное сопротивление 2,3 Ом×см) (Фиг.3а).
2
На поверхности полупроводникового слоя известными методами создается маскирующий слой (например, SiO) необходимой толщины (Фиг.3б) и методом фотолитографии в маскирующем слое формируется заданный топологический рисунок для травления множества канавок. Затем известным методом плазмо-химического травления создаются множество канавок заданной глубины (1,5…2,5 мкм) (Фиг.3в). После создания множества канавок маскирующий слой удаляется известными способами со всей поверхности полупроводникового слоя. Затем методом термического окисления на боковых стенках и дне множества канавок, а также на горизонтальных поверхностях гребней между канавками и на части поверхности полупроводникового слоя за пределами ограничительных колец создается первый изолирующий слой 12 толщиной от 60 нм до 250 нм. Для создания электродов 15 в канавках на всю поверхность полупроводникового слоя, на боковые стенки и дно канавок известными методами осаждается слой низкоомного поликремния, а затем известными методами удаляется поликремний, который был осажден на горизонтальную поверхность гребней и за пределами ограничительных колец, но не удаляется поликремний, который осажден на боковые стенки и дно множества канавок (Фиг.3г).
Затем на всю поверхность полупроводникового слоя осаждается маскирующий слой нитрида кремния и методом фотолитографии создается нитридная маска над активной областью диода (Фиг.3д) и методом термического окисления формируется второй изолирующий слой 20 второй толщины от 350 нм до 900 нм(Фиг.3е).
После создания второго изолирующего слоя удаляется нитридная маска, стравливается первый изолирующий слой с горизонтальной поверхности гребней в активной области, производится тщательная очистка горизонтальрьер Шоттки на горизонтальной поверхности гребней и создается первая контактная площадка (Фиг.3з). Затем известными методами создается вторая контактная площадки на противоположной стороне низкоомной подложки.
Технико-экономические показатели улучшаются за счет того, что не требуется создание на боковых стенках и на нижней части канавок изолирующих слоев разной толщины для которых требуется дополнительно формировать специальную нитридную маску только на вертикальных боковых стенках канавок, что является сложным трудоемким процессом, требует применения сложного дорогостоящего оборудования и снижает рентабельность производства приборов. Увеличение пробивного напряжения достигается за счет того что полевая обкладка, предназначенная для расширения области пространственного заряда за пределы активной области диода и повышения пробивного напряжения прибора, находится на оптимальном расстоянии от границы раздела подложка-эпитаксия. Низкие значения токов утечки достигаются за счет варьирования расстояния между канавками и их глубины.
Источники информации
1. Патент US 6420768 B1 Int. сl. H01L 27/095 16.07.2002
2. Патент US 7466005 B2 Int. сl. H01L 27/095 16.12.2008
3. Патент US 6977208 B2 Int. сl. H01L 21/28 20.12.2005
4. Mehrotra M., Baliga B.A. Solid-State Electronics Vol.38, No.4, pp.801-806. 1995