ДИОД ШОТТКИ

Полезная модель относится к области электронной техники, а более конкретно - к конструкции создания полупроводниковых диодов Шоттки на основе кремния, карбида кремния.
+
Известен диод Шоттки, состоящий из эпитаксиальной n-n - структуры, охранного элемента р-типа проводимости вокруг контакта Шоттки, контакта Шоттки, адгезионного слоя и слоя для соединения с выводом корпуса (см., например, патент США №5888891, H01L 21/34 от 30.03.1999 г., патент US 9627553, H01L 29/872 от 18.04.2017 г.)
В качестве материала для контакта Шоттки используют платину, сплавы платина-никель, платина - палладий на кремниевых диодах Шоттки и титан, молибден, сплав титан-вольфрам на карбидокремниевых диодах.
В качестве адгезионного слоя используют титан, хром, ванадий, толщиной 5-10 нм для обоих полупроводниковых материалов.
В качестве слоя для соединения с выводом корпуса в случае кремния и карбида кремния используют слой алюминия или слои никель-серебро, никель-золото, суммарной толщиной, обычно, от 2 до 7 мкм в зависимости от тока, на который рассчитан диод Шоттки. Эти слои наносят методом напыления и формируют методом фотолитографии, поэтому их толщина не превышает 7 мкм.
Основным недостатком этих аналогов является то, что слои, использующиеся в качестве адгезионного слоя и слоя для соединения с выводом корпуса, могут ухудшить качество контакта Шоттки из-за образования других силицидов.
2
Кроме того, диоды Шоттки на кремнии и карбиде кремния нельзя использовать при напряжении обратного смещения более 100-200 В в изделиях, применяемых в космосе из-за их деградации при воздействии высокоэнергетичных тяжелых заряженных частиц (ТЗЧ), например, ионов ксенона, криптона, железа и т.п. Энергия ТЗЧ характеризуется таким параметром, как линейное поглощение энергии (ЛПЭ), измеряемой в единицах МэВ*см/мг. Самое сильное воздействие на полупроводниковые приборы оказывают ТЗЧ из ионов ксенона.
Степень деградации диодов Шоттки связана с приложенным напряжением смещения, накопленной дозой облучения и типом ТЗЧ.
Физический принцип деградации состоит в том, что происходит импульсный перегрев контакта металл-полупроводник. Выделяющаяся мощность в области трека ТЗЧ определяется уровнем обратного тока, вызванного ионизацией ТЗЧ слаболегированного полупроводника эпитаксиального слоя n-типа и приложенным напряжением обратного смещения. Это, в свою очередь, приводит к повреждению контакта Шоттки в данном месте при напряжениях обратного смещения более 100-200 В.
+
Указанные недостатки частично устранены в наиболее близком к предлагаемому диоду Шоттки, состоящему из эпитаксиальной n-n - структуры, охранного элемента р-типа проводимости вокруг контакта Шоттки, контакта Шоттки, защитного слоя, адгезионного слоя и слоя для соединения с выводом корпуса (см., например, патент США №4408216, H01L 29/48 от 4.10.1983 г.).
В прототипе введен защитный слоя из молибдена, который улучшает качество контакта Шоттки, не допуская образования других силицидов из материалов верхних слоев.
Однако, в описанном выше диоде Шоттки не устранен недостаток, связанный с деградацией диодов Шоттки при воздействии ТЗЧ, которая приводит к повреждению контакта Шоттки в данном месте при напряжениях обратного смещения более 100-200 В. Рабочие напряжения обратного смещения на кремниевых диодах Шоттки составляют не более 200 В, а на карбидокремниевых диодах Шоттки - от 600 до 1700 В. Повреждения, связанные с деградацией диодов Шоттки при воздействии ТЗЧ, на кремниевых диодах Шоттки наблюдаются при напряжениях обратного смещения от 100 до 200 В, а на карбидокремниевых диодах Шоттки - от 150 до 200 В.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является повышение стойкости диодов Шоттки к воздействию ТЗЧ при рабочих напряжениях обратного смещения.
+
Указанный технический результат достигается тем, что в отличие от известного диода Шоттки, состоящего из эпитаксиальной n-n - структуры, охранного элемента р-типа проводимости вокруг контакта Шоттки, контакта Шоттки, защитного слоя, адгезионного слоя и слоя для соединения с выводом корпуса, в предлагаемом слой для соединения с выводом корпуса выполнен из элемента с относительной атомной массой не менее 190 а.е.м. и толщиной от 37 мкм до 47 мкм.
Для того, чтобы ТЗЧ не воздействовали на границу металл-полупроводник контакта Шоттки, в качестве слоя для соединения с выводом корпуса был выбран материал из элемента массой не менее 190 а.е.м. (например, золото, платина, обедненный уран, плутоний) и толщиной от 37 мкм до 47 мкм.
Как показывают расчеты, пробег ТЗЧ (например, ксенона, криптона, железа) в кремнии и карбиде кремния составляют от 60 до 80 мкм. При использовании материалов из элементов массой не менее 190 а.е.м., пробег становится менее толщины слоя для соединения с выводом корпуса, которая составляет не менее 37 мкм, что предотвращает деградацию диодов Шоттки на рабочих напряжениях обратного смещения при воздействии ТЗЧ. Увеличение толщины маски более 47 мкм нецелесообразно.
Сущность предлагаемой полезной модели поясняется фигурами.
На фигурах 1-5 приведены этапы изготовления предлагаемого диода Шоттки. На фиг 6 приведен разрез готового диода Шоттки.
Позициями на фиг. 1-6 обозначены:
1 - кремниевая сильнолегированная подложка n-типа проводимости;
2 - слаболегированный эпитаксиальный слой того же типа проводимости, что и подложка;
3 - слой оксида кремния;
4 - материал контакта Шоттки;
5 - защитный слой из молибдена;
6 - адгезионный слой из ванадия;
7 - затравочный слой из золота;
8 - слой фоторезиста;
9 - слой для соединения с выводом корпуса из золота;
10 - металлизация катода
11 - защитный слой из полиимида.
Устройство и процесс изготовления предлагаемого диода Шоттки на основе кремния на рабочие напряжения до 200 В описан ниже.
14
-2
На эпитаксиальной кремниевой сильнолегированной подложке п-типа проводимости 1 (см. фиг. 1), легированной мышьяком до удельного сопротивления 0,003 Ом⋅см, сформирован слаболегированный эпитаксиальный слой 2 того же типа проводимости, что и подложка толщиной 18 мкм с сопротивлением 4 Ом⋅см. Затем поверхность эпитаксиальной пленки легируют бором с дозой 10 см и энергией 40 кэВ методом ионной имплантации. Далее поверхность пластины окисляют при температуре 1100°C в течение 100 минут. При этом происходит образование защитного слоя оксида кремния 3 толщиной 0,4-0,5 мкм.
Затем проводят фотолитографию по слою оксида кремния 3, вскрывая контактное окно.
Далее электронно-лучевым напылением наносят слой платины толщиной 0,007 мкм и слой никеля толщиной 0,02 мкм. Затем проводят термообработку при температуре 470°С в среде аргона, формируя контакт Шоттки 4, и удаление непрореагировавших с кремнием слоев платины и никеля.
Далее электронно-лучевым напылением наносят слой молибдена толщиной 0,15 мкм. Затем проводят фотолитографии для формирования защитного слоя молибдена 5 в контактном окне в слое оксида кремния 3.
Затем методом магнетронного распыления наносится адгезионный слой 6, например, из ванадия толщиной 10-20 нм и затравочный слой из золота 7 толщиной 0,1-0,2 мкм. Выбор золота в качестве материала слоя для соединения с выводом корпуса обусловлен тем, что в полупроводниковом производстве технология локального нанесения золота широко используется и не требует доработки. Кроме того, металлизация из золота легко присоединяется к гибким выводам на основе золота, палладия, меди и т.п.
Для формирования слоя для соединения с выводом корпуса из золота 9, наносится слой негативного фоторезиста 8, например, фоторезист AZnxt-125, толщиной, равной толщине слоя для соединения с выводом корпуса из золота 9 (например, 40 мкм). С помощью метода фотолитографии в слое фоторезиста 8 вскрывают окна для формирования слоя для соединения с выводом корпуса из золота 9.
Далее методом электрохимического осаждения в специальной кассете, обеспечивающей электрический контакт к затравочному слою из золота 7, формируют слой для соединения с выводом корпуса из золота 9 в следующих условиях:
2
-плотность тока 0,5-0,8 А/дм;
- температура 45…55°С;
- время осаждения 45 мин.
Состав электролита:
2
2
- 10 г KAu(CN) на 1 л HO;
2
- 100 г лимонной кислоты на 1 л HO;
2
- 70 г цитрата калия на 1 л HO.
Толщина слоя для соединения с выводом корпуса из золота 9 составляет 40 мкм.
Далее обработкой в снимателе удаляют слой негативного фоторезиста 8.
Затем методом жидкостного травления в течение 60 секунд в смеси
10% р-р тиосульфата натрия: 10% р-р тиомочевины: 10% р-р красной кровяной соли удаляют затравочный слой из золота 9 в местах, где был слой из негативного фоторезиста 8.
2
2
2
4
Далее методом жидкостного травления в течение 40-60 секунд в смеси 6HO:HO:NHOH удаляют адгезионный слой из ванадия 6.
Затем методом пульверизации наносят защитный слой полиимида 11 толщиной 2 мкм, проводят фотолитографию контактных окон к слою для соединения с выводом корпуса из золота 9.
Металлизацию катода 10 формируют последовательным напылением титана толщиной 0,1 мкм, никеля толщиной 0,5 мкм и серебра или золота толщиной 0,5 мкм.
Аналогично изготавливается диод Шоттки на основе карбида кремния, однако в качестве материала для контакта Шоттки 4 используют титан, сплав титан -вольфрам или слои титан - алюминий, толщиной 0,1 мкм, которые наносятся электроннолучевым напылением методом взрывной фотолитографии. Защитный слой из молибдена 5 не наносится. Толщина защитного слоя из полиимида составляет 6-8 мкм.
p
Ниже приведена таблица 1 с результатами моделирования воздействия ТЗЧ с наибольшими показателями ЛПЭ. Толщина маски от ТЗЧ из слоя для соединения с выводом корпуса была рассчитана суммированием средней величины пробега в материале маски (R) и среднеквадратичного отклонения пробега ионов от средней величины - страгглинга
Исходя из данных, приведенных в таблице 1, можно сделать вывод, что использование материалов с меньшей атомной массой нецелесообразно, т.к. толщина маски заметно возрастает (в 2-3 раза), что затрудняет изготовление такой маски.