EA027773B1

EA027773B1 - Диод шоттки

Info

Publication number: EA027773B1
Application number: EA201500101A
Authority: EA
Inventors: Аркадий Степанович Турцевич; Ярослав Александрович Соловьев; Олег Эрнстович Сарычев; Николай Федорович Голубев
Original assignee: Открытое акционерное общество "ИНТЕГРАЛ"-управляющая компания холдинга "ИНТЕГРАЛ"
Priority date: 2014-12-23
Filing date: 2014-12-23
Publication date: 2017-08-31
Also published as: EA201500101A1

Abstract

Изобретение относится к электронной технике, а более конкретно к конструкции кристалла диода Шоттки, и может быть использовано в изделиях силовой электроники. В основу изобретения положена задача улучшения устойчивости диодов Шоттки к воздействию разрядов статического электричества, уменьшения их обратного тока и повышения выхода годных диодов Шоттки. Сущность изобретения заключается в том, что в диоде Шоттки, содержащем сильнолегированную кремниевую подложку n-типа проводимости со сформированным на поверхности слаболегированным эпитаксиальным слоем того же типа проводимости и охранным кольцом p-типа проводимости, в пределах которого сформирована матрица областей p-типа проводимости, образующих с эпитаксиальным слоем p-n переходы, защитное диэлектрическое покрытие, вскрытое в защитном диэлектрическом покрытии окно, барьерный слой электрода Шоттки, металлизацию анода, металлизацию катода, причём охранное кольцо и области p-типа проводимости выполнены с поверхностной концентрацией примеси p-типа проводимости от 10до 10см, барьерный слой электрода Шоттки сформирован в углублении, выполненном в пределах указанного окна на глубину от 0,1 до 0,3 мкм; области p-типа проводимости выполнены круглой формы диаметром от 3 до 6 мкм и равноудалены друг от друга на расстояние от 18 до 22 мкм, причём суммарная площадь областей p-типа внутри охранного кольца составляет от 0,05 до 0,15 полной площади внутри охранного кольца.

Description

Изобретение относится к электронной технике, а более конкретно к конструкции кристалла диода Шоттки, и может быть использовано в изделиях силовой электроники.

Известен диод Шоттки (1), содержащий сильнолегированную кремниевую подложку η-типа проводимости со сформированным слаболегированным эпитаксиальным слоем того же типа проводимости, сильнолегированное охранное кольцо р-типа проводимости, защитное диэлектрическое покрытие, вскрытое в защитном диэлектрическом покрытии окно, барьерный слой электрода Шоттки, металлизацию анода, металлизацию катода.

Известно, что наибольшая напряженность электрического поля в диоде Шоттки наблюдается по периметру и в углах охранного кольца. По этой причине, при воздействии разряда статического электричества на обратно смещённый диод Шоттки, именно в этих местах наиболее вероятно возникновение лавинного пробоя (2). В результате, сквозь области с наиболее высокой концентрацией электрического поля, протекает сильный электрический ток. Он вызывает локальный нагрев полупроводника, что приводит к эффекту шнурования электрического тока. При длительности разряда статического электричества более 100 нс, происходит плавление полупроводника в токовом шнуре. В результате, диод Шоттки либо выходит из строя или существенно увеличивается его обратный ток утечки. Поэтому диоды Шоттки данной конструкции характеризуются низкой устойчивостью к воздействию разрядов статического электричества и высокими обратными токами. Кроме того, высокая концентрация электрического поля по периметру и в углах активной структуры Шоттки обусловливает высокий уровень обратного тока и соответственно низкий выход годных диодов Шоттки.

Известен диод Шоттки (3), содержащий сильнолегированную кремниевую подложку η-типа проводимости со сформированным слаболегированным эпитаксиальным слоем того же типа проводимости, сильнолегированное охранное кольцо р-типа проводимости, защитное диэлектрическое покрытие, вскрытое в защитном диэлектрическом покрытии окно, барьерный слой электрода Шоттки, металлизацию анода, причём металлизация анода перекрывает защитное диэлектрическое покрытие, металлизацию катода.

В данной конструкции по периферии структуры диода Шоттки формируется полевая обкладка. Поэтому при обратном смещении диода Шоттки, на поверхности эпитаксиального слоя формируется область, обедненная носителями заряда. В результате, уменьшается напряженность электрического поля по периметру и в углах активной структуры. Соответственно возрастает устойчивость диода Шоттки к лавинному пробою и к воздействию разрядов статического электричества. Однако полевая обкладка недостаточно эффективна из-за относительно большой толщины защитного диэлектрического покрытия. Поэтому в данном устройстве существенного улучшения устойчивости диодов Шоттки к воздействию разрядов статического электричества не наблюдается. По этой же причине диоды Шоттки данной конструкции также характеризуются высоким уровнем обратного тока и низким выходом годных диодов Шоттки.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является диод Шоттки (4), содержащий сильнолегированную кремниевую подложку η-типа проводимости со сформированным на поверхности слаболегированным эпитаксиальным слоем того же типа проводимости и охранным кольцом р-типа проводимости, в пределах которого сформирована матрица областей р-типа проводимости, образующих с эпитаксиальным слоем р-η переходы, защитное диэлектрическое покрытие, вскрытое в защитном диэлектрическом покрытии окно, барьерный слой электрода Шоттки, металлизацию анода, металлизацию катода, причём охранное кольцо и области р-типа проводимости выполнены с поверхностной концентрацией примеси р-типа проводимости от 10¹⁸ до 10¹⁹ см^-3, барьерный слой электрода Шоттки сформирован в углублении, выполненном в пределах указанного окна на глубину от 0,1 до 0,3 мкм.

При приложении к диоду Шоттки данной конструкции обратного напряжения, в эпитаксиальном слое вокруг областей р-типа проводимости, образующих вместе с эпитаксиальным слоем р-η переходы, возникают области обеднения, которые при смыкании друг с другом увеличивают ширину области обеднения, что соответственно снижает обратный ток. Кроме того, наличие матрицы областей р-типа проводимости обеспечивают более равномерное рассеяние обратного тока по площади структуры.

Однако в диоде Шоттки данной конструкции области р-типа расположены не равноудалено друг от друга. Поэтому, когда к диоду Шоттки данной конструкции приложено обратное напряжение, полное перекрытие областей, обеднённых носителями заряда, не происходит, а значит, остаются области контакта металл-полупроводник с уменьшенной толщиной зоны обеднения, которые будут обусловливать преимущественное протекание обратного тока через них. Это обусловливает недостаточно высокую устойчивость диодов Шоттки данной конструкции к воздействию разрядов статического электричества, сравнительно высокий их уровень обратного тока и относительно низкий выход годных диодов Шоттки.

Заявляемое изобретение решает задачу улучшения устойчивости диодов Шоттки к воздействию разрядов статического электричества, уменьшения их обратного тока и повышения выхода годных диодов Шоттки.

Сущность изобретения заключается в том, что в диоде Шоттки, содержащем сильнолегированную кремниевую подложку η-типа проводи-мости со сформированным на поверхности слаболегированным эпитаксиальным слоем того же типа проводимости и охранным кольцом р-типа проводимости, в пределах которого сформирована матрица областей р-типа проводимости, образующих с эпитаксиальным сло- 1 027773 ем р-η переходы, защитное диэлектрическое покрытие, вскрытое в защитном диэлектрическом покрытии окно, барьерный слой электрода Шоттки, металлизацию анода, металлизацию катода, причём охранное кольцо и области р-типа проводимости выполнены с поверхностной концентрацией примеси р-типа проводимости от 10¹⁸ до 10¹⁹ см^-3, барьерный слой электрода Шоттки сформирован в углублении, выполненном в пределах указанного окна на глубину от 0,1 до 0,3 мкм; области р-типа проводимости выполнены круглой формы диаметром от 3 до 6 мкм и равноудалены друг от друга на расстояние от 18 до 22 мкм, причём суммарная площадь областей р-типа внутри охранного кольца составляет от 0,05 до 0,15 полной площади внутри охранного кольца.

Сопоставительный анализ предполагаемого изобретения с прототипом показал, что заявляемое устройство отличается от известного тем, что области р-типа проводимости выполнены круглой формы диаметром от 3 до 6 мкм и равноудалены друг от друга на расстояние от 18 до 22 мкм, причём суммарная площадь областей р-типа внутри охранного кольца составляет от 0,05 до 0,15 полной площади внутри охранного кольца.

Решение поставленной задачи объясняется следующим образом. В заявляемой конструкции кристалла диода Шоттки, области р-типа проводимости равноудалены друг от друга и поэтому при приложении обратного напряжения, происходит полное перекрытие областей обеднения и формируется сплошная, однородная по площади, область обеднения. Это обеспечивает лучшую устойчивость диодов Шоттки к воздействию разрядов статического электричества, меньший их обратный ток и соответственно более высокий выход годных диодов Шоттки.

При диаметре области р-типа проводимости менее 3 мкм не формируется сплошная однородная по площади область обеднения, что приводит к снижению устойчивости диодов Шоттки к воздействию разрядов статического электричества и к увеличению их обратного тока.

При диаметре области р-типа проводимости более 6 мкм уменьшается площадь, занятая барьерами Шоттки, что приводит к росту прямого напряжения диодов Шоттки и, как следствие, к уменьшению их выхода годных.

При расстоянии между соседними областями р-типа проводимости менее 18 мкм также уменьшается полезная площадь, занятая барьерами Шоттки, что приводит к нежелательному возрастанию прямого напряжения диодов Шоттки и, как следствие, к уменьшению их выхода годных.

При расстоянии между соседними областями р-типа проводимости более 22 мкм не происходит полного перекрытия областей обеднения, что приводит к снижению устойчивости диодов Шоттки к воздействию разрядов статического электричества и к увеличению их обратного тока.

При суммарной площади областей р-типа внутри охранного кольца менее 0,05 полной площади внутри охранного кольца не обеспечивается полное перекрытие областей обеднения, что приводит к снижению устойчивости диодов Шоттки к воздействию разрядов статического электричества и к увеличению их обратного тока.

При суммарной площади областей р-типа внутри охранного кольца более 0,15 полной площади внутри охранного кольца уменьшается полезная площадь, занятая барьерами Шоттки, что приводит к росту прямого напряжения диодов Шоттки и соответственно к уменьшению выхода годных диодов Шоттки.

Сущность изобретения поясняется на фиг. 1-2, где на фиг. 1 изображена структура диода Шоттки согласно формуле заявляемого устройства, содержащего сильнолегированную кремниевую подложку ηтипа проводимости (1) со сформированным на поверхности слаболегированным эпитаксиальным слоем того же типа проводимости (2), охранное кольцо р-типа проводимости (3), в пределах которого сформирована матрица областей р-типа проводимости (4), образующих с эпитаксиальным слоем р-η переходы, защитное диэлектрическое покрытие (5), вскрытое в защитном диэлектрическом покрытии окно, барьерный слой электрода Шоттки (6), металлизацию анода (7), металлизацию катода (8). На фиг. 2 показан фрагмент топологии кристалла диода Шоттки согласно формуле заявляемого устройства, в плане после формирования в эпитаксиальном слое (2) охранного кольца р-типа проводимости (3) с равноудалёнными областями р-типа проводимости (4) круглой формы в пределах охранного кольца (3).

Изображенная на фиг. 1 и 2 структура может быть изготовлена следующим образом. В исходной сильнолегированной кремниевой подложке (1) η-типа проводимости со сформированным слаболегированным эпитаксиальным слоем (2) того же типа проводимости стандартными методами термического окисления, фотолитографии и термодиффузии формируют охранное кольцо р-типа проводимости (3) и равноудалённые друг от друга области р-типа проводимости (4), защитное диэлектрическое покрытие (5), в котором фотолитографией с последующим травлением вскрывают окно, в котором методом жидкостного травления формируют углубление от 0,1 до 0,3 мкм. Далее, магнетронным распылением с последующим отжигом в инертной среде формируют барьерный слой (6), формируют металлизацию анода (7). Затем структуру утоняют до заданной толщины и магнетронным распылением формируют металлизацию катода (8).

Работает предлагаемое устройство следующим образом. Высоколегированная подложка (1) является несущим основанием диодной структуры с малым последовательным электрическим сопротивлением. Низколегированный эпитаксиальный слой (2) является катодом диодной структуры и обеспечивает тре- 2 027773 буемый уровень его обратного напряжения. Охранное кольцо (3) и равноудалённые друг от друга области р-типа проводимости (4) образуют одну часть анода, ответственную за формирование областей обеднения при обратном смещении. Другую часть анода составляет барьер Шоттки, образуемый контактом металл-кремний между барьерным слоем электрода Шоттки (6) и низколегированным эпитаксиальным слоем (2). При подаче на диодную структуру обратного смещения, области, обеднённые носителями заряда, вокруг областей р-типа проводимости (4) смыкаются между собой. Области р-типа проводимости обеспечивают равномерное протекание импульса тока при разряде статического электричества по площади структуры. В результате обеспечивается улучшение устойчивости диодов Шоттки к воздействию разрядов статического электричества, уменьшается их обратный ток и соответственно увеличивается процент выхода годных диодов Шоттки. Испытания диодов Шоттки на устойчивость к воздействию разрядов статического электричества проводились по методу 1ЕС61000-4-2 с разрядными цепями: К1=330 Ом, С1=150 пФ на установке типа Μΐηΐζαρ.

В таблице представлены сравнительные характеристики электрических параметров диодов Шоттки, изготовленных в соответствии с предлагаемым изобретением с электрическими параметрами прототипа.

Сравнительные электрические параметры диодов Шоттки, изготовленных в соответствии с предлагаемым изобретением с электрическими параметрами прототипа после сборки кристаллов в корпус ТО-220

№ п/п	о, МКМ	ь, 2) МКМ ⁷	5р/3 ^{2 3)}	ирсэ/ ирсэ пр⁴⁾	1обр/ 1обр пр⁵⁾	Вг/Вг пр ⁶⁾
1	2,0	16	0,03	2,0	0,76	1,02
2	3,0	18	0,05	4,0	0,34	1,15
з	4,5	20	0,10	7,0	0,17	1,17
4	6,0	22	0,15	3,0	0,42	1,12
5	8,0	25	0,2	2,0	0,63	1,06
6	Прототип	1,0	1,0	1,0

¹⁾ Ώ - диаметр областей р-типа проводимости, мкм;

²⁾ Ь - расстояние между областями р-типа проводимости, мкм;

³⁾ 8р/8 - отношение суммарной площади областей р-типа внутри охранного кольца к полной площади внутри охранного кольца;

⁴⁾ и_рсэ/и_рсэ пр - отношение максимальной величины напряжения РСЭ (которое диоды Шоттки выдерживают без ухудшения своих электрических параметров) диодов Шоттки, изготовленных в соответствии с предлагаемым изобретением, к максимальной величине напряжения РСЭ диодов Шоттки-прототипов;

⁵⁾ 1_об_р/1_об_р пр - отношение максимальной величины обратного тока диодов Шоттки, изготовленных в соответствии с предлагаемым изобретением, к максимальной величине обратного тока диодов Шоттки-прототипов;

⁶⁾ В_г/В_г пр - отношение выхода годных диодов Шоттки, изготовленных в соответствии с предлагаемым изобретением, к выходу годных диодов Шоттки-прототипов.

Из таблицы видно, что, по сравнению с прототипом у диодов Шоттки предлагаемой конструкции устойчивость к воздействию разрядов статического электричества улучшается в 3-4 раза, их обратные токи уменьшаются в 2,9-2,4 раза, а выход годных диодов Шоттки повышается в 1,12-1,15 раз.

Таким образом, предлагаемая конструкция позволяет решить задачу улучшения устойчивости диодов Шоттки к воздействию разрядов статического электричества, уменьшения их обратного тока и повышения выхода годных диодов Шоттки.

Источники информации

1. Патент США 4110775, МПК Н01Б 29/66, опубл. 29.08.1978 г.

2. ЕК. Ьагосйе, Р. Кеп, Κ.\Υ. Ва1к, 8.1. Реайоп, В.8. 8йе11оп, В. Реге§. Эезщп о£ Ейде Тегштайоп ίοτ ΘαΝ Ро^ег 8сЬоНку Пюйе§/.Гоита1 о£ Е1ес1готс Ма1епаИ, уо1. 34, Ш. 4, 2005.

3. Патент США 4899199, МПК Н01Ь 29/66, опубл. 06.02.1990 г.

4. Патент РБ 18137, МПК Н01Б 29/872, опубл. 30.04.2014 г.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Диод Шоттки, содержащий сильнолегированную кремниевую подложку η-типа проводимости со сформированным на поверхности слаболегированным эпитаксиальным слоем того же типа проводимости и охранным кольцом р-типа проводимости, в пределах которого сформирована матрица областей ртипа проводимости, образующих с эпитаксиальным слоем р-η переходы, защитное диэлектрическое покрытие, вскрытое в защитном диэлектрическом покрытии окно, барьерный слой электрода Шоттки, металлизацию анода, металлизацию катода, причём охранное кольцо и области р-типа проводимости выполнены с поверхностной концентрацией примеси р-типа проводимости от 10¹⁸ до 10¹⁹ см^-3, барьерный слой электрода Шоттки сформирован в углублении, выполненном в пределах указанного окна на глубину от 0,1 до 0,3 мкм, отличающийся тем, что области р-типа проводимости выполнены круглой формы диаметром от 3 до 6 мкм и равноудалены друг от друга на расстояние от 18 до 22 мкм, причём суммарная площадь областей р-типа внутри охранного кольца составляет от 0,05 до 0,15 полной площади внутри охранного кольца.