КРЕМНИЕВЫЙ ДИОД С БАРЬЕРОМ ШОТТКИ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ Российский патент 2015 года по МПК H01L29/872 H01L21/329 

Предлагаемая группа изобретений относится к области микроэлектроники, в частности к представляющему собой меза-структуру с барьером Шоттки полупроводниковому кремниевому диоду, который может быть использован в качестве выпрямительного диода или сверхвысокочастотного (СВЧ) детектора, и способу его изготовления.

Известны диоды с барьером Шоттки (БШ) на кремнии, которые могут быть использованы в составе конструкций гибридных и интегральных микросхем в качестве одного из активных элементов, интегрированных в схему для улучшения рабочих характеристик детектирования или преобразования частот в устройствах, где необходимы малые СВЧ- потери. Описанный полупроводниковый кремниевый прибор с барьером Шоттки (US 4862244 A, МПК H01L 29/64, опубликовано 29.08.1989 г. - [1]), который состоит из монокристаллического слоя кремния n^--типа электропроводности, в объеме которого сформирована замкнутая охранная область p-типа электропроводности для устранения краевого эффекта. Барьерный контакт образован слоем силицида платины (PtSi₂) с монокристаллическим слоем кремния n^--типа электропроводности. Омический контакт образован силицидом платины с поликристаллическим сильнолегированным слоем кремния.

Как правило, в устройствах, аналогичных [1] при повышенных рабочих температурах, обратный ток диода увеличивается сверх допустимой величины, что ухудшает чувствительность детектора по току, увеличивает СВЧ-потери и допустимый уровень шума. Чтобы компенсировать недостаточную токовую чувствительность при повышенной температуре, обычно используют согласующие цепи из настроечных элементов, что усложняет конструкцию устройства с БШ.

Приведенная в [1] конструкция прибора с БШ обеспечивает низкие токи утечки только при небольших значениях обратного напряжения, поскольку рост обратного напряжения ограничен напряжением пробоя P-N перехода охранного кольца. Воздействие высокотемпературных технологических процессов при создании изолирующих слоев оксида кремния и поликристаллических слоев кремния приводит к отрицательному эффекту уменьшения высоты барьера, тем самым ухудшая термостабильность электрических характеристик диода. В конструкции прибора [1] барьер Шоттки изготавливают из силицидов переходных металлов, получаемых при высокой температуре.

В работе (С. Зи «Физика полупроводниковых приборов», под редакцией д-ра физ.-мат. наук Р.А. Суриса, «Мир», Москва, 1984, том 1, стр.313, 317, рис. 38з - [2]) предлагается конструкция диода Шоттки в виде кремниевой меза-структуры на подложке n⁺-типа электропроводности с эпитаксиальным рабочим слоем n-типа электропроводности, на вершине которой образован металлический барьерный контакт. Для уменьшения краевых токов утечки на боковой поверхности меза-структуры сформирована локальная ступенька защитного слоя оксида кремния, причем периферия барьерного контакта частично находится на защитном слое оксида кремния.

В данной конструкции диода с барьером Шоттки [2] толщина слоя оксида кремния ограничена технологическими возможностями процесса термического окисления, что препятствует получению слоя оксида кремния с толщиной, равной толщине обедненной области эпитаксиального рабочего слоя n-типа электропроводности. Защитный слой оксида кремния создается до напыления металлов, что оказывает негативное влияние на состояние исходной поверхности кремния, на которой в дальнейшем создается локальный барьерный контакт.

Известный способ изготовления полупроводникового кремниевого прибора с барьером Шоттки (US 4862244 A, МПК: H01L 29/64, опубликовано 29.08.1989 г. - [1]) включает формирование на поверхности монокристаллического кремния n^--типа электропроводности защитного покрытия из оксида кремния, при этом для создания локальной ступеньки оксида кремния применяется специальная планарная операция, после чего формируют охранное кольцо ионным легированием бора монокристаллического кремния n^--типа электропроводности по периферийной области защитного покрытия с образованием p-n перехода, затем создают поликристаллический слой кремния, в котором травлением формируют области под барьерный и омический контакты, после чего формируют барьерный контакт силицида платины на монокристаллическом кремнии n^--типа электропроводности и создают омический контакт.

Образование защитного оксида кремния и ионное легирование бора с последующей диффузионной разгонкой являются высокотемпературными процессами, которые могут оказывать негативное влияние на состояние поверхности рабочей области кремния, на которой в дальнейшем создается барьерный контакт, что, в свою очередь, увеличивает дрейф параметров диода, таких как прямое падение напряжения, зависящее от высоты барьера, и ток утечки при повышенной рабочей температуре при увеличении обратного напряжения смещения.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу изготовления кремниевого диода с барьером Шоттки и выбранным в качестве способа-прототипа является способ создания диода с контактом металл-полупроводник (С. Зи «Физика полупроводниковых приборов», под редакцией д-ра физ.-мат. наук Р.А. Суриса, «Мир», Москва, 1984, том 1, стр.313, 317, рис. 38з - [2]), в соответствии с которым на поверхности кремниевой подложки n⁺-типа электропроводности формируют слой кремния n-типа электропроводности, создают травлением рельефную ступеньку (мезу) в слое кремния n-типа электропроводности, после чего формируют защитное покрытие из оксида кремния, при этом для создания локальной ступеньки оксида кремния применяют специальную планарную операцию. После проведения промежуточных операций фотолитографии формируют напылением барьерный металлический контакт на слое кремния n-типа электропроводности, затем на барьерных контактах и с обратной стороны полупроводниковой подложки n+-типа электропроводности создают омические контакты.

Существующие процессы формирования оксида кремния на поверхности кремния не позволяют обеспечить толщину оксида кремния более 1 мкм за один процесс. Как правило, требуется использование специального формирования слоя оксида кремния толщиной более 1 мкм, что увеличивает трудоемкость и требует проведения дополнительных технологических операций и специального оборудования. Меньшая толщина оксида кремния оказывает негативное влияние на сохранение постоянных значений параметров диода, таких как низкое значение обратного тока утечки при максимальном значении обратного напряжения и увеличенное значение прямого падения напряжения при заданной величине плотности тока насыщения.

Задачей, положенной в основу предлагаемой группы технических решений, является создание конструкции и способа изготовления кремниевого диода с барьером Шоттки, позволяющих получить диод с уменьшенным значением токов утечки и высоким значением обратного напряжения при высоких значениях температуры окружающей среды с одновременным улучшением качества защитного диэлектрического покрытия меза-структуры диода.

Техническим эффектом от использования предложенной конструкции диода и технологии его изготовления является:

- повышение термостабильности электрических характеристик диода за счет возможности увеличения значения обратного напряжения до величины напряжения пробоя структуры диода;

- улучшение рабочих электрических характеристик, таких как динамический диапазон, чувствительность по току и др., за счет снижения токов утечки;

- повышение процента выхода годных диодов за счет уменьшения брака из-за нарушения сплошности защитного диэлектрического покрытия.

Поставленная задача решается тем, что в кремниевом диоде с барьером Шоттки, содержащем эпитаксиальный рабочий слой n-типа электропроводности на подложке n⁺-типа электропроводности в виде меза-структуры, боковая поверхность которой защищена диэлектрическим покрытием, причем на вершине меза-структуры сформирован барьерный контакт, который образован металлом, выбранным из группы силицидообразующих, а омические контакты сформированы на барьерном контакте и с обратной стороны подложки n⁺-типа электропроводности, периферийная часть барьерного контакта защищена слоем оксида кремния, а высота меза-структуры превышает толщину эпитаксиального рабочего слоя кремния n-типа электропроводности, при этом защитное диэлектрическое покрытие расположено на боковой поверхности меза-структуры и на поверхности кремниевой подложки n⁺-типа электропроводности и выполнено из алюмосиликатного стекла, толщина которого превышает высоту меза-структуры.

Для достижения того же технического эффекта при решении поставленной задачи в способе изготовления кремниевого диода с барьером Шоттки, включающем формирование с одной стороны кремниевой подложки n⁺-типа электропроводности эпитаксиального рабочего слоя кремния n-типа электропроводности, создание меза-структур, нанесение барьерного контакта на вершины меза-структур, формирование защитного диэлектрического покрытия на боковой поверхности меза-структур, создание омических контактов поверх барьерных контактов и с обратной стороны кремниевой подложки n⁺-типа электропроводности, перед созданием меза-структур со стороны эпитаксиального рабочего слоя кремния n-типа электропроводности на поверхности формируют сплошной слой силицидообразующего металла, на поверхность которого осаждают слой низкотемпературного оксида кремния, а меза-структуры создают путем анизотропного травления эпитаксиального рабочего слоя кремния n-типа электропроводности с утонением кремниевой подложки n⁺-типа электропроводности, после чего наносят на незащищенные участки меза-структуры и кремниевой подложки n⁺-типа электропроводности защитное диэлектрическое покрытие из суспензии алюмосиликатного стекла методом электрофореза с последующим оплавлением стекла при температуре образования силицида металла барьерного контакта, а перед созданием омических контактов поверх барьерных контактов вскрывают окна в слое низкотемпературного оксида кремния на вершинах меза-структур.

В предлагаемом диоде периферийная часть барьерного контакта защищена слоем оксида кремния, а высота меза-структуры превышает толщину эпитаксиального рабочего слоя кремния n-типа электропроводности, при этом защитное диэлектрическое покрытие расположено также и на поверхности кремниевой подложки n⁺-типа электропроводности и выполнено из алюмосиликатного стекла, толщина которого превышает высоту меза-структуры, предотвращая распространение тока утечки к периферийной поверхности кристалла, что позволяет тем самым минимизировать краевые токи утечки.

В предлагаемом способе изготовления кремниевого диода с барьером Шоттки перед созданием меза-структур на поверхности, со стороны эпитаксиального рабочего слоя кремния n-типа электропроводности, формируют сплошной слой силицидообразующего металла, на поверхность которого осаждают слой низкотемпературного оксида кремния, что позволяет защитить границу раздела металл-полупроводник и тем самым снизить токи утечки.

Меза-структуры создают путем анизотропного травления эпитаксиального рабочего слоя кремния n-типа электропроводности и частично кремниевой подложки n⁺-типа электропроводности, после чего наносят на незащищенные участки меза-структур и кремниевой подложки n⁺-типа электропроводности защитное диэлектрическое покрытие из суспензии алюмосиликатного стекла методом электрофореза (с частичным заходом на периферию слоя оксида кремния) с последующим оплавлением стекла при температуре образования силицида металла барьерного контакта, что позволяет увеличить обратное напряжение до величины пробивного напряжения за счет локализации рабочего слоя структуры с барьером Шоттки.

Кроме того, достигается в дальнейшем улучшение фиксации прижимного контакта вывода диода к барьерному металлу структуры, благодаря обеспечению места позиционирования прижимного контакта вывода диода, за счет образования бортика из стекла по периферии вершины меза-структуры.

Сравнение заявленной группы изобретений с уровнем технических решений в известных источниках информации позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемых устройства и способа его изготовления критерию «новизна».

Заявленная группа изобретений характеризуется совокупностью признаков, проявляющих новые качества, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию «изобретательский уровень».

Сущность предлагаемого кремниевого диода с барьером Шоттки и этапы способа его изготовления поясняются на фиг.1-6, где:

на фиг.1 показан этап формирования на кремниевой пластине (подложке) n⁺-типа электропроводности эпитаксиального рабочего слоя кремния n-типа электропроводности;

на фиг.2 показаны этапы последовательного формирования на поверхности эпитаксиального рабочего слоя кремния n-типа электропроводности сплошного слоя силицидообразующего металла, а затем слоев низкотемпературного оксида кремния и алюминия;

на фиг.3 показан этап формирования анизотропным травлением с использованием маски из алюминия, меза-структур с утонением подложки n⁺-типа электропроводности;

на фиг.4 показаны этапы нанесения защитного диэлектрического покрытия на незащищенные участки боковой поверхности меза-структур и кремниевой подложки с последующим формированием окон в слое низкотемпературного оксида кремния на вершинах меза-структур;

на фиг.5 показаны этапы формирования омических контактов поверх барьерных контактов с последующим удалением излишков металла омического контакта, утонения пластины с обратной стороны, формирования сплошного омического контакта на обратной стороне пластины, разделения пластины на отдельные кристаллы;

на фиг.6 показан кристалл кремниевого диода с барьером Шоттки на меза-структуре.

На фиг.1, 2, 3, 4 и 5, иллюстрирующих последовательность изготовления кристаллов кремниевых диодов с барьером Шоттки предлагаемой конструкции, показаны позиции элементов структуры кристалла и позиции на промежуточных этапах его формирования.

На фиг.1 показаны: подложка (пластина) кремния n⁺-типа электропроводности - 1; полированная поверхность - 2 подложки (пластины) кремния n⁺-типа электропроводности 1; эпитаксиальный рабочий слой кремния n-типа электропроводности - 3, выращенный со стороны полированной поверхности 2.

На фиг.2 показаны: слой металла из группы силицидообразующих - 4, который нанесен на всю поверхность эпитаксиального рабочего слоя кремния n-типа электропроводности 3 для последующего формирования барьерных контактов (например, на основе силицида ванадия); слой низкотемпературного оксида кремния - 5 на слое металла из группы силицидообразующих - 4 для формирования барьерных контактов; слой алюминия - 6 на поверхности оксида кремния 5.

На фиг.3 показано: использование полученной с помощью фотолитографии маски из алюминия 6 для формирования меза-структур с частичным травлением пластины кремния n⁺-типа электропроводности 1, после чего маску удаляют (не показано).

На фиг.4 показано: защитное диэлектрическое покрытие - 7, которое расположено на боковой поверхности меза-структур и на поверхности подложки (пластины) кремния n⁺-типа электропроводности 1 и выполнено из алюмосиликатного стекла (например, марки GP) толщиной, превышающей высоту меза-структур.

На фиг.5 показаны: локальный омический контакт - 8 (например, слои молибдена и алюминия) поверх барьерного контакта 4 из силицидообразующего металла; омический контакт - 9 (например, слоя титан - никель) с обратной стороны подложки кремния n⁺-типа электропроводности 1 и область разделения - 10 подложки 1 с меза-структурами на отдельные кристаллы.

Наиболее оптимальный способ создания показанного на фиг.6 термостабильного кремниевого диода с барьером Шоттки на основе меза-структуры реализован следующим образом.

На поверхность кремниевого эпитаксиального рабочего слоя n- типа электропроводности 3 толщиной ~6 мкм с ρ=0,9…1,5 Ом·см, расположенного на полированной поверхности 2 кремниевой подложки (пластины) 1 n⁺-типа электропроводности диаметром 60 мм и толщиной ~380 мкм (см. фиг.1), наносят сплошной слой металла 4 из группы металлов, образующих силициды (например, ванадия), для формирования в дальнейшем барьерного контакта. После этого проводят низкотемпературное формирование слоя оксида кремния (SiO₂) 5 на поверхности металла 4 для барьерного контакта. Дальнейшие технологические операции включают в себя нанесение на слой оксида кремния 5 с полированной стороны 2 кремниевой подложки 1 маскирующего слоя из алюминия 6 (см. фиг.2) и фоторезиста ФП-25 (не показано), а после операции фотолитографии по слою алюминия формирование меза-структур со стороны кремниевого эпитаксиального рабочего слоя n-типа электропроводности 3 по всей поверхности подложки 1 с заходом в кремниевую подложку 1 n⁺-типа проводимости на глубину ~10…15 мкм (см. фиг.3) и, например, с созданием областей разделения пластины на отдельные кристаллы 10 (см. фиг.5). Затем проводят нанесение на незащищенные боковые поверхности меза-структур и на поверхность утоненной кремниевой пластины n⁺-типа электропроводности диэлектрического покрытия 7 с частичным покрытием по периферии слоя оксида кремния 5. Защитное диэлектрическое покрытие 7, например, из суспензии алюмосиликатного стекла наносят методом электрофореза (см. фиг.4). В процессе последующего оплавления стекла (диэлектрического покрытия 7) при Т~850°C образуются барьерные контакты из силицида металла 4 на кремниевом эпитаксиальном рабочем слое n-типа электропроводности 3 на вершинах меза-структур. После операции фотолитографии на поверхности барьерного контакта из силицида металла 4 создают омические контакты 8 известными методами (см. фиг.5). Далее проводят утонение кремниевой подложки 1 с ее обратной стороны известными методами, обеспечивая суммарную толщину подложки 1 с меза-структурами порядка 180±10 мкм. Затем, после операции утонения, с обратной стороны кремниевой подложки 1 с меза-структурами наносят омический контакт 9, например, методом магнетронного напыления слоя титан-никель (TiNi) (см. фиг.5) и разделяют на отдельные кристаллы (см. фиг.6), например по области разделения 10 подложки 1 с меза-структурами на отдельные кристаллы (см. фиг.5), используя алмазный режущий диск. Проводят контроль электрических параметров, которые в конкретном примере реализации имеют следующие значения:

- постоянное обратное напряжение Uобр. при нормальных условиях, Т=25±10°C (при токе 10 µА) - не менее 50 В;

- постоянное обратное напряжение Uобр. при Т=125±5°C (при токе 10 µA) - не менее 40 В;

- постоянное прямое напряжение Uпр. при Т=25±10°С…125±5°С (при токе 1 мА) - не более 0,4 В;

- постоянное прямое напряжение Uпр. при Т=-60±3°С (при токе 1 мА) - не более 0,5 В.

Дальнейшие операции, включающие монтаж кристалла в корпус или устройство, не описаны и отвечают маршруту сборки диода аналога.

Изобретение относится к области микроэлектроники, в частности к представляющему собой меза-структуру с барьером Шоттки полупроводниковому кремниевому диоду, который может быть использован в качестве выпрямительного диода или сверхвысокочастотного детектора, и способу его изготовления. Изобретение обеспечивает создание конструкции и способа изготовления кремниевого диода с барьером Шоттки, позволяющих получить диод с уменьшенным значением токов утечки и высоким значением обратного напряжения при высоких значениях температуры окружающей среды с одновременным улучшением качества защитного диэлектрического покрытия меза-структуры диода. В выполненном в виде меза-структуры кремниевом диоде с барьером Шоттки периферийная часть барьерного контакта защищена слоем оксида кремния, а высота меза-структуры превышает толщину эпитаксиального рабочего слоя кремния n-типа электропроводности, при этом защитное диэлектрическое покрытие, толщина которого превышает высоту меза-структуры, выполнено из алюмосиликатного стекла и расположено на боковой поверхности меза-структуры и на поверхности кремниевой подложки n⁺-типа электропроводности. 2 н.п. ф-лы, 6 ил.

1. Кремниевый диод с барьером Шоттки, содержащий эпитаксиальный рабочий слой n-типа электропроводности на подложке n⁺-типа электропроводности в виде меза-структуры, боковая поверхность которой защищена диэлектрическим покрытием, причем на вершине меза-структуры сформирован барьерный контакт, который образован металлом, выбранным из группы силицидообразующих, а омические контакты сформированы на барьерном контакте и с обратной стороны подложки n⁺-типа электропроводности, отличающийся тем, что периферийная часть барьерного контакта защищена слоем оксида кремния, а высота меза-структуры превышает толщину эпитаксиального рабочего слоя кремния n-типа электропроводности, при этом защитное диэлектрическое покрытие расположено и на поверхности кремниевой подложки n⁺-типа электропроводности и выполнено из алюмосиликатного стекла, толщина которого превышает высоту меза-структуры.

2. Способ изготовления кремниевого диода с барьером Шоттки, включающий формирование с одной стороны кремниевой подложки n⁺-типа электропроводности эпитаксиального рабочего слоя кремния n-типа электропроводности, создание меза-структур, нанесение барьерного контакта на вершины меза-структур, формирование защитного диэлектрического покрытия на боковой поверхности меза-структур, создание омических контактов поверх барьерных контактов и с обратной стороны кремниевой подложки n⁺-типа электропроводности и разделение подложки с меза-структурами на отдельные кристаллы, отличающийся тем, что перед созданием меза-структур со стороны эпитаксиального рабочего слоя кремния n-типа электропроводности на поверхности формируют сплошной слой силицидообразующего металла, на поверхность которого осаждают слой низкотемпературного оксида кремния, меза-структуры создают путем анизотропного травления эпитаксиального рабочего слоя кремния n-типа электропроводности с утонением кремниевой подложки n⁺-типа электропроводности, после чего на незащищенные участки меза-структур и кремниевой подложки n⁺-типа электропроводности наносят защитное диэлектрическое покрытие из суспензии алюмосиликатного стекла методом электрофореза с последующим оплавлением стекла при температуре образования силицида металла барьерного контакта, а перед созданием омических контактов поверх барьерных контактов вскрывают окна в слое низкотемпературного оксида кремния на вершинах меза-структур.