Диод Шоттки

Полезная модель относится к полупроводниковым приборам, в частности к смесительным, детекторным, импульсным и другим диодам Шоттки (диодам с барьером Шоттки).
Известно, что для уменьшения негативного влияния краевых эффектов, увеличения напряжения пробоя диодов Шоттки (ДШ), уменьшения паразитной периферийной емкости, используется меза-технология создания особой конструкции (мезы) активного элемента, предусматривающей удаление (вытравливание) полупроводника вокруг барьерообразующей металлизации барьера Шоттки на достаточно большую глубину (более 1 мкм).
К недостаткам данного метода можно отнести сложность защиты боковой (периферийной, торцевой) поверхности мезы и невозможность использование конструкции ДШ с расширенным контактом.
Защиту боковой поверхности меза-структуры диэлектриком используют для улучшения параметров ДШ, выполненной по этой меза-технологии, повышения надежности, стабильности и воспроизводимости электрофизических параметров диодов. Однако известные (например, [1]) конструктивно-технологические приемы сложны в реализации и эффективны только для ДШ, у которых диаметр анодного контакта (контакта металл-полупроводник) достаточно большой для того, чтобы к нему (этому контакту) можно было приварить (с помощью термокомпрессии) анодный вывод (как правило, золотую проволоку диаметром более 10 мкм).
В настоящее время в СВЧ-электронике, особенно в производстве ДШ КВЧ диапазона, используются диаметры менее 10 мкм. Для того чтобы осуществить приварку вывода к таким маленьким контактам, при проектировании диодов предусматривают создание расширенного контакта. В этом случае контакт металл-полупроводник формируется в окне диэлектрической пленки, предварительно нанесенной на поверхность полупроводниковой структуры. Затем на всю поверхность диэлектрической пленки со сформированными контактами металл-полупроводник наносится слой металлизации (как правило, это несколько слоев металла с определенными свойствами), после чего над контактом металл-полупроводник формируется область, размер которой значительно больше контакта металл-полупроводник [2] и к которой в дальнейшем осуществляется приварка вывода (золотой проволоки или золотой полосы). Остальная часть металлизации, нанесенной на поверхность диэлектрика за областью расширенного контакта, удаляется. Основное условие для реализации ДШ с расширенным контактом является наличие плоской (планарной) поверхности кристалла, на которой формируется расширенный контакт.
Однако, в случае использования традиционного расширенного контакта, изготовленного по планарной технологии невозможно применение меза-технологии, т.к. конструкция мезы изначально предполагает нарушение планарности и удаления поверхностного слоя полупроводника на глубину превышающую область пространственного заряда (ОПЗ) потенциального барьера (барьера Шоттки) при подаче обратного напряжения, т.е. на глубину нескольких микрометров.
Целью предлагаемого технического решения является создание конструкции ДШ, позволяющей совместить преимущества меза-структуры и расширенного контакта. Поставленная цель достигается с помощью специальной конструкции кристалла, которую можно охарактеризовать как квазимезовую конструкцию с расширенным контактом. Суть квазимезовой конструкции с расширенным контактом в следующем.
Перед нанесением диэлектрика, на поверхности которого предполагается сформировать расширенный контакт, вокруг контакта металл-полупроводник, который предварительно сформирован на поверхности полупроводника одним из известных способов (напыление барьерообразующего металла термическим распылением в вакууме, электрохимическое осаждение металла и т.п.), удаляют тонкий приповерхностный слой полупроводника, в котором может формироваться повышенная напряженность поля барьера Шоттки и за счет этого снижаться напряжение пробоя. Глубина этого слоя меньше ОПЗ и толщины диэлектрика (это особенно важно), поэтому после нанесения диэлектрика рельеф на его (диэлектрика) поверхности остается почти плоским (планарным), достаточным для того, чтобы нанести металлизацию расширенного контакта, к которому можно осуществить приварку выводов. При этом чем больше будет разница межу глубиной удаленного слоя и толщиной диэлектрика, тем более планарной будет поверхность диэлектрика и тем легче (и качественней) будет сформирован расширенный контакт.
Для электрического соединения расширенного контакта с барьерообразующей металлизацией в слое диэлектрика перед нанесением металлизации расширенного контакта формируется окно, т.е. вытравливается диэлектрик до БШ, диаметр которого (окна) меньше диаметра контакта металл-полупроводник.
Эффект такой квазимезы аналогичен эффекту глубокой мезы, хотя в отличие от нее представленная конструкция не дает возможность полностью избавиться от периферийной емкости и снизить напряженность поля до минимального значения, т.к. величина ОПЗ, которая отвечает за периферийную емкость и максимальное значение напряженности поля, приводящее к снижению напряжения пробоя, может значительно превосходить толщину удаленного приповерхностного слоя полупроводника.
Однако, несмотря на то, что эффект увеличения напряжения пробоя в предлагаемой конструкции не так ярко выражен как в конструкции с глубокой мезой, предлагаемое решение все-таки позволяет повысить это значение (значение напряжения пробоя) и сформировать расширенный контакт на поверхности диэлектрика, который в этом случае остается достаточно плоским. Таким образом, предложенная конструкция позволяет изготовить ДШ с расширенным контактом и контактом металл-полупроводник малого (менее 10 мкм) диаметра и при этом заметно улучшить параметры ДШ по сравнению с обычным планарным ДШ с расширенным контактом.
Пример выполнения.
В качестве примера показан технологический маршрут кремниевого детекторного диода Шоттки сантиметрового диапазона длин волн (фиг. 1).
+
+
На поверхность кремниевого эпитаксиального рабочего слоя n-типа сопротивление (1), выращенного на высоколегированной кремниевой подложке n-типа (2), был нанесен слой диоксида кремния. Затем со стороны подложки n-типа был сформирован невыпрямляющий (омический) контакт (3). С помощью процессов фотолитографии и жидкостного травления диоксида кремния в слое диэлектрика были сформированы окна диаметром 6 мкм. После электроннолучевого напыления барьерообразующей металлизации (4) на всю поверхность пластины, слои фоторезистивной маски и напыленного на нее металла были удалены с помощью lift-off процесса. Затем пластина подвергалась высокотемпературному отжигу. После удаления слоя диоксида кремния осуществлялось формирование квазимезы (5) посредством удаления приповерхностного слоя полупроводника вокруг барьерообразующей металлизации. Глубина квазимезы в данном конструктивном исполнении много меньше, чем толщина кремниевого эпитаксиального рабочего слоя n-типа. Затем на всю поверхность пластины был нанесен слой диэлектрика (6). Далее в диэлектрике были вскрыты окна над барьеробразующей металлизацией диаметром 2 мкм. Чтобы сформировать расширенный контакт диаметром 30 мкм, на всю поверхность пластины был нанесен слой металлизации (7), обладающий адгезией к диэлектрику. Далее с помощью фотолитографии были сформированы окна для электрохимического осаждения дополнительного слоя золота (8), предназначенного для повышения качества приварки выводов с помощью термокомпрессии. После удаления фоторезистивной маски и гравировки металлизации расширенного контакта технологический процесс завершался разделением пластины на кристаллы и контролем электрических параметров. Приварка выводов золотой проволокой диаметром 20 мкм к расширенному контакту была проведена без брака. Дополнительных специальных мер и усилий для проведения этой операции не потребовалось.
Источники информации
1. Патент RU 2550374 С1, МПК H01L 29/872, H01L 21/329 опубликовано 10.05.2015 г.
2. Патент US 3813762 А, H01L 7/00, H01L 7/50 опубликовано 04.06.1974 г.