RU2488912C2 - Method to manufacture schottky diode - Google Patents
Method to manufacture schottky diode Download PDFInfo
- Publication number
- RU2488912C2 RU2488912C2 RU2011127737/28A RU2011127737A RU2488912C2 RU 2488912 C2 RU2488912 C2 RU 2488912C2 RU 2011127737/28 A RU2011127737/28 A RU 2011127737/28A RU 2011127737 A RU2011127737 A RU 2011127737A RU 2488912 C2 RU2488912 C2 RU 2488912C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- diamond
- doping
- diamond film
- boron
- electrode
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Chemical Vapour Deposition (AREA)
- Internal Circuitry In Semiconductor Integrated Circuit Devices (AREA)
- Electrodes Of Semiconductors (AREA)
Abstract
Description
Настоящее изобретение относится к области электронной техники, в частности к конструированию и технологии изготовления полупроводниковых диодов с барьером Шоттки, и может быть использовано в сильнотоковой высоковольтной и твердотельной высокочастотной электронике. В настоящее время, несмотря на значительные успехи кремниевой электроники, существующие диоды на основе кремния не в состоянии удовлетворить растущие потребности промышленности. Синтетический алмаз по сочетанию важнейших параметров для электронных приборов является одним из самых перспективных широкозонных материалов:The present invention relates to the field of electronic engineering, in particular to the design and manufacturing technology of semiconductor diodes with a Schottky barrier, and can be used in high-current high-voltage and solid-state high-frequency electronics. Currently, despite the significant advances in silicon electronics, existing silicon-based diodes are not able to meet the growing needs of the industry. Synthetic diamond in combination of the most important parameters for electronic devices is one of the most promising wide-gap materials:
- величина критической напряженности электрического поля для алмаза (107 В/см) превышает почти на порядок соответствующие показатели для карбида кремния, что позволяет получать более высокие блокирующие напряжения;- the value of the critical electric field strength for diamond (10 7 V / cm) exceeds almost by an order of magnitude the corresponding indicators for silicon carbide, which allows to obtain higher blocking voltages;
- большая ширина запрещенной зоны приводит к чрезвычайно малым токам утечки в широком диапазоне рабочих температур;- a large band gap leads to extremely small leakage currents in a wide range of operating temperatures;
- высокая теплопроводность снижает тепловое сопротивление кристалла и позволяет уменьшать размеры силовых приборов;- high thermal conductivity reduces the thermal resistance of the crystal and allows you to reduce the size of power devices;
- химическая инертность и механическая твердость алмаза позволяет создавать надежные приборы для жестких условий эксплуатации;- chemical inertness and mechanical hardness of diamond allows you to create reliable devices for harsh operating conditions;
- радиационная стойкость алмаза позволяет использовать приборы на его основе в условиях естественного космического и искусственного излучений без применения специальных защитных корпусов.- radiation resistance of diamond allows the use of devices based on it in natural cosmic and artificial radiation without the use of special protective enclosures.
Известны способы изготовления полупроводникового диода с барьером Шоттки на основе эпитаксиальной слоистой алмазной структуры (патент США №6833027 МПК C30B 25/2, H01L 21/04, дата приоритета 2002.09.26; патент США №5352908 МПК H01L 29/872, H01L 29/16 дата приоритета 1993.11.03). При реализации подобных способов выполняют следующие операции. Подготавливают рабочую подложку p-типа проводимости из синтетического монокристалла алмаз сильно легированного бором. Далее с помощью метода химического осаждения из газовой фазы на одной из сторон алмазной подложки формируют слой (пленку) слабо легированного (или высокочистого) монокристаллического алмаза. На обратной стороне алмазной подложки формируют анод в виде омического контакта, например, с использованием подслоя из карбидообразующих переходных металлов (титан, тантал, молибден, ванадий и т.д.). На выращенной пленке слабо легированного бором алмаза формируют катод в виде контакта с барьером Шоттки, например, с использованием благородных металлов (золото, платина, палладий).Known methods for manufacturing a semiconductor diode with a Schottky barrier based on an epitaxial layered diamond structure (US patent No. 6833027 IPC C30B 25/2, H01L 21/04, priority date 2002.09.26; US patent No. 5352908 IPC H01L 29/872, H01L 29/16 priority date 1993.11.03). When implementing such methods, the following operations are performed. Prepare a working substrate of p-type conductivity from a synthetic single crystal diamond heavily doped with boron. Then, using the method of chemical vapor deposition from a gas phase, a layer (film) of lightly doped (or highly pure) single-crystal diamond is formed on one side of the diamond substrate. An anode is formed on the reverse side of the diamond substrate in the form of an ohmic contact, for example, using a sublayer of carbide-forming transition metals (titanium, tantalum, molybdenum, vanadium, etc.). A cathode is formed on a grown film of lightly doped with boron diamond in the form of contact with a Schottky barrier, for example, using noble metals (gold, platinum, palladium).
Данные способы позволяют получать диоды с барьером Шоттки на основе синтетического алмаза с пробивными напряжениями не выше 20-50 В и величиной токов утечки более 10 мА. Кроме того, падение напряжения в открытом состоянии у подобных диодов составляет десятки вольт, что ограничивает диапазон рабочих прямых токов до десятых долей ампер.These methods make it possible to obtain diodes with a Schottky barrier based on synthetic diamond with breakdown voltages not higher than 20-50 V and leakage currents of more than 10 mA. In addition, the voltage drop in the open state of such diodes is tens of volts, which limits the range of working direct currents to tenths of amperes.
Недостатки, связанные с низкими пробивными напряжениями и высокими обратными токами, частично устраняет способ, выбранный за прототип (заявка на патент США №2009/0050899 A1 МПК H01L 29/15, дата приоритета 2009.02.26). В данном изобретении после формирования анода к алмазной подложке выполняют операции нанесения защитного диэлектрического слоя, формирования с помощью литографии окна в нем, нанесения катода в виде расширенного электрода с контактом с барьером Шоттки к осажденной пленке через окно в защитном слое. Диоды, изготовленные данным способом, имеют большие пробивные напряжения (сотни вольт) и низкие обратные токи (менее одного миллиампера). Однако даже в данном случае полученные значения предельной напряженности электрического поля, при котором происходит пробой диода, гораздо меньше теоретического значения для высококачественного синтетического алмаза.The disadvantages associated with low breakdown voltages and high reverse currents, partially eliminates the method chosen for the prototype (application for US patent No. 2009/0050899 A1 IPC H01L 29/15, priority date 2009.02.26). In the present invention, after forming the anode to the diamond substrate, the operations of applying a protective dielectric layer, forming a window in it by lithography, applying a cathode in the form of an expanded electrode with contact with a Schottky barrier to the deposited film through a window in the protective layer are performed. Diodes manufactured by this method have large breakdown voltages (hundreds of volts) and low reverse currents (less than one milliampere). However, even in this case, the obtained values of the limiting electric field strength at which the breakdown of the diode occurs are much less than the theoretical value for high-quality synthetic diamond.
Задачей настоящего изобретения является создание способа изготовления высокоэффективного полупроводникового диода с барьером Шоттки на основе синтетического алмаза с высоким значением напряжения пробоя, малой величиной токов утечек и низким падением напряжения в прямом направлении.An object of the present invention is to provide a method for manufacturing a high-efficiency Schottky barrier semiconductor diode based on synthetic diamond with a high breakdown voltage, low leakage currents and a low forward voltage drop.
Решение поставленной задачи достигается тем, что подготовленную и отполированную подложку из синтетического монокристалла алмаза с высокой степенью легирования бором перед осаждением алмазной пленки с низкой степенью легирования бором дополнительно подвергают операции ионно-плазменного травления для удаления поверхностного слоя толщиной минимум 10 мкм. Ионно-плазменное травление осуществляют с использованием высокочастотного емкостного разряда в смеси инертного газа и газа окислителя с объемным содержанием инертного газа от 30% до 70% при давлении от 1 до 20 Па. В качестве инертного газа используют аргон, а в качестве газа окислителя - любой из газов: кислород, тетрафторметан, шестифтористая сера, хлор, хлороводород.The solution of this problem is achieved by the fact that a prepared and polished synthetic monocrystal diamond substrate with a high degree of doping with boron is additionally subjected to ion-plasma etching to deposit a surface layer with a minimum thickness of 10 μm before deposition of a diamond film with a low degree of doping with boron. Ion-plasma etching is carried out using a high-frequency capacitive discharge in a mixture of inert gas and an oxidizing gas with a volume content of inert gas from 30% to 70% at a pressure of 1 to 20 Pa. Argon is used as an inert gas, and any of the gases is used as an oxidizing gas: oxygen, tetrafluoromethane, sulfur hexafluoride, chlorine, and hydrogen chloride.
После осаждения алмазной пленки полученную эпитаксиальную слоистую алмазную структуру отжигают с целью удаления связанного водорода, являющегося одной из основных примесей используемого метода химического осаждения из газовой фазы. Отжиг слоистой алмазной структуры производят в газостате в атмосфере инертного газа при температуре от 700°C до 2000°C и давлении от 0,1 до 1 ГПа или в аппарате высокого давления при температуре от 1500°C до 2500°C и давлении от 4 до 6 ГПа.After deposition of the diamond film, the resulting epitaxial layered diamond structure is annealed to remove bound hydrogen, which is one of the main impurities of the chemical vapor deposition method used. The layered diamond structure is annealed in a gas bath in an inert gas atmosphere at temperatures from 700 ° C to 2000 ° C and pressure from 0.1 to 1 GPa or in a high-pressure apparatus at temperatures from 1500 ° C to 2500 ° C and pressure from 4 to 6 GPa.
Увеличение напряжения пробоя и уменьшение токов утечки достигают формированием защитной структуры в виде расширенного электрода специального профиля. Для этого защитный диэлектрический слой формируют из нескольких нанесенных последовательно слоев диэлектриков, отличающихся скоростью травления в процессе формирования окна с помощью литографии, что приводит к формированию расширенного электрода с углом наклона стенки электрода к плоскости алмазной пленки менее 20°.An increase in breakdown voltage and a decrease in leakage currents are achieved by the formation of a protective structure in the form of an expanded electrode of a special profile. For this, a protective dielectric layer is formed from several successively applied layers of dielectrics that differ in etching rate during window formation using lithography, which leads to the formation of an expanded electrode with an angle of inclination of the electrode wall to the plane of the diamond film of less than 20 °.
Сущность изобретения поясняется графическими материалами.The invention is illustrated graphic materials.
На фиг.1 представлена схема полупроводникового диода с барьером Шоттки, в котором используют защитную структуру в виде расширенного электрода с одиночной (а) и тройной (б) ступенькой.Figure 1 presents a diagram of a semiconductor diode with a Schottky barrier, which uses a protective structure in the form of an expanded electrode with a single (a) and triple (b) step.
На фиг.2 представлена схема полупроводникового диода с барьером Шоттки согласно предлагаемому способу, в котором используют защитную структуру в виде расширенного электрода с углом наклона стенки электрода к плоскости алмазной пленки менее 20°.Figure 2 presents a diagram of a semiconductor diode with a Schottky barrier according to the proposed method, which uses a protective structure in the form of an expanded electrode with an angle of inclination of the electrode wall to the plane of the diamond film less than 20 °.
В предлагаемом способе подложку из синтетического монокристалла алмаза с высокой степенью легирования бором перед осаждением алмазной пленки с низкой степенью легирования бором дополнительно подвергают операции ионно-плазменного травления для удаления поверхностного дефектного слоя толщиной минимум 10 мкм. Для достижения наилучшего результата обычно используют высокочастотный емкостной разряд в смеси инертного газа и газа окислителя при низком давлении от 1 до 10 Па. В случае концентрации инертного газа в смеси менее 70% не происходит существенной эрозии поверхности за счет ионной бомбардировки и ухудшения шероховатости поверхности алмазной подложки. Оптимальные скорости обработки достигают при концентрации инертного газа в смеси более 30%.In the proposed method, a synthetic diamond single crystal substrate with a high degree of doping with boron is subjected to an ion-plasma etching operation before the deposition of a diamond film with a low degree of doping with boron to remove a surface defective layer with a minimum thickness of 10 μm. To achieve the best result, a high-frequency capacitive discharge is usually used in a mixture of an inert gas and an oxidizing gas at a low pressure of 1 to 10 Pa. If the inert gas concentration in the mixture is less than 70%, there is no significant surface erosion due to ion bombardment and deterioration of the surface roughness of the diamond substrate. Optimum processing speeds are achieved with an inert gas concentration in the mixture of more than 30%.
После осаждения алмазной пленки полученную эпитаксиальную слоистую алмазную структуру отжигают с целью удаления связанного водорода, являющегося одной из основных примесей используемого метода химического осаждения из газовой фазы. Проведенные исследования показывают, что эффективность удаления водорода из алмазной пленки зависит от температуры отжига. Для достижения разумного времени обработки используют температуры выше 700°C, что ограничивает газовый состав среды для отжига. Это связано с тем фактом, что для алмаза в атмосфере с содержанием кислорода более 20% при данной температуре начинается процесс графитизации и последующего травления. В инертной атмосфере или вакууме алмаз выдерживает температуры до 1500°C без повреждения поверхности. Дальнейшее повышение температуры обработки невозможно без приложения высокого давления. В качестве одного из вариантов используют аппарат высокого давления и температуры (патент РФ №2321450 дата приоритета 2005.11.22), применяющегося для синтеза сверхтвердых материалов и позволяющего прикладывать давления до 10 ГПа при температурах выше 1500°C. Однако производительность данного метода невелика. Более предпочтительным является метод температурной обработки в газостате (аппарате высокого газового давления), который позволяет достичь давления от 100 МПа до 1 ГПа при температуре до 1800°C.After deposition of the diamond film, the resulting epitaxial layered diamond structure is annealed to remove bound hydrogen, which is one of the main impurities of the chemical vapor deposition method used. Studies have shown that the efficiency of hydrogen removal from a diamond film depends on the annealing temperature. To achieve a reasonable processing time, temperatures above 700 ° C are used, which limits the gas composition of the annealing medium. This is due to the fact that for diamond in the atmosphere with an oxygen content of more than 20% at a given temperature, the process of graphitization and subsequent etching begins. In an inert atmosphere or vacuum, a diamond can withstand temperatures up to 1500 ° C without damaging the surface. A further increase in processing temperature is not possible without the application of high pressure. As one of the options, a high-pressure and temperature apparatus (RF patent No. 2321450 priority date 2005.11.22) is used, which is used for the synthesis of superhard materials and allows applying pressures of up to 10 GPa at temperatures above 1500 ° C. However, the performance of this method is small. More preferred is the method of temperature treatment in a gas bath (high gas pressure apparatus), which allows you to achieve a pressure of from 100 MPa to 1 GPa at temperatures up to 1800 ° C.
Решение задачи, связанной с увеличением напряжения пробоя и уменьшения токов утечки, достигают формированием защитной структуры в виде расширенного электрода специального профиля. В реальном диоде с барьером Шоттки величина напряжения пробоя всегда меньше значения предсказанного из теоретических расчетов, что в основном связано с краевыми эффектами усиления электрического поля на границах барьерного электрода. Для решения подобной проблемы в настоящее время для диодов с барьером Шоттки разработано множество вариантов защитной структуры: охранные кольца, расширенные электроды, планарные p-n переходы и т.д. Большинство широко используемых вариантов основано на формировании области с противоположным типом проводимости под кромкой барьерного контакта. Однако для алмаза до сих пор не отработана методика получения n-типа проводимости. Таким образом, единственным доступным вариантом борьбы с утечками является использование расширенного электрода.The solution to the problem associated with an increase in breakdown voltage and a decrease in leakage currents is achieved by the formation of a protective structure in the form of an expanded electrode of a special profile. In a real diode with a Schottky barrier, the breakdown voltage is always lower than the value predicted from theoretical calculations, which is mainly associated with the edge effects of electric field amplification at the boundaries of the barrier electrode. To solve this problem, many options for the protective structure have been developed for diodes with a Schottky barrier: guard rings, expanded electrodes, planar p-n junctions, etc. Most widely used options are based on the formation of a region with the opposite type of conductivity under the edge of the barrier contact. However, the method for obtaining n-type conductivity has not yet been worked out for diamond. Thus, the only available option for dealing with leaks is to use an expanded electrode.
Типичный вид конструкции диодов с барьером Шоттки с защитной структурой приведен на фиг.1а. В данном варианте на поверхность осажденной слабо легированной алмазной пленки наносят защитное диэлектрическое покрытие, например, диоксид кремния, толщиной около 2 мкм. Затем литографией формируют окно до алмазной пленки, через которое наносят барьерный электрод. Размер данного контакта задают дополнительной маской таким образом, чтобы он перекрывал слой диэлектрика. В итоге получают электрод с профилем в виде ступеньки. На краях подобного электрода обедненный носителями слой получается тоньше (за счет слоя дополнительного диэлектрика), что предотвращает нерезкий пробой диода и уменьшает утечку на краях контакта. Также на практике распространено использование более сложного профиля расширенного электрода в виде трех последовательных ступенек, как показано на фиг.1б.A typical design of diodes with a Schottky barrier with a protective structure is shown in figa. In this embodiment, a protective dielectric coating, for example, silicon dioxide, about 2 microns thick, is applied to the surface of the deposited lightly doped diamond film. Then, lithography forms a window to the diamond film, through which a barrier electrode is applied. The size of this contact is set by an additional mask so that it overlaps the dielectric layer. As a result, an electrode with a profile in the form of a step is obtained. At the edges of such an electrode, the carrier depleted layer is thinner (due to the layer of an additional dielectric), which prevents unsharp breakdown of the diode and reduces leakage at the contact edges. Also in practice, it is common to use a more complex profile of the expanded electrode in the form of three consecutive steps, as shown in figb.
Обычно для оценки качества используемой защитной структуры диода с барьером Шоттки применяют безразмерный показатель эффективности, который определяется как отношение напряжения пробоя реальной структуры к напряжению пробоя в идеальном случае, например, рассчитанному теоретическим способом. Для расширенного электрода в виде одиночной ступеньки данный параметр редко превышает 60%, а для структуры с тремя ступеньками он обычно составляет 70-75%. Для дальнейшего повышения качества диодов необходимо применение более сложных защитных структур.Usually, to measure the quality of the protective structure of a Schottky diode used, a dimensionless efficiency indicator is used, which is defined as the ratio of the breakdown voltage of the real structure to the breakdown voltage in the ideal case, for example, calculated theoretically. For an expanded electrode in the form of a single step, this parameter rarely exceeds 60%, and for a structure with three steps, it usually amounts to 70-75%. To further improve the quality of diodes, the use of more complex protective structures is necessary.
Согласно результатам моделирования высокой эффективностью должна обладать защитная структура в виде расширенного электрода, профиль которого будет наклонен к плоскости алмазной пленки. Вид конструкции диода с барьером Шоттки с подобной защитной структурой приведен на фиг.2. Следует отметить, что показатель эффективности подобной структуры зависит от угла наклона профиля практически линейно и растет с уменьшением угла. Наивысшее значение эффективности (равное 97% от теоретической) соответствует углу наклона менее 4°. Однако подобный наклон получить современными методами формирования полупроводниковых структур достаточно сложно. Кроме того, уменьшение угла приводит к увеличению размера области, необходимой для создания расширенного электрода. Согласно расчетам для достижения показателя эффективности лучше имеющихся аналогов достаточно угла менее 20°.According to the simulation results, the protective structure in the form of an expanded electrode, the profile of which will be inclined to the plane of the diamond film, should have high efficiency. A design view of a Schottky barrier diode with a similar protective structure is shown in FIG. It should be noted that the efficiency indicator of such a structure depends on the angle of inclination of the profile almost linearly and increases with decreasing angle. The highest value of efficiency (equal to 97% of theoretical) corresponds to an inclination angle of less than 4 °. However, it is quite difficult to obtain such a slope using modern methods of forming semiconductor structures. In addition, a decrease in the angle leads to an increase in the size of the region necessary to create an expanded electrode. According to calculations, an angle of less than 20 ° is sufficient to achieve an efficiency indicator better than existing analogues.
Формирование подобного профиля расширенного электрода на практике осуществляют одним из ниже перечисленных способов. Базовая идея заключается в использовании в качестве защитного диэлектрического покрытия многослойной структуры из диэлектриков, скорость травления каждого слоя которой может варьироваться в зависимости от используемого химического реагента.The formation of such a profile of the expanded electrode in practice is carried out by one of the following methods. The basic idea is to use a multilayer structure of dielectrics as a protective dielectric coating, the etching rate of each layer of which can vary depending on the chemical reagent used.
К примеру, для формирования защитного покрытия может быть использовано последовательное нанесение трех слоев диоксида кремния. Первый слой представляет собой чистый диоксид кремния, второй содержит примесь фосфора на уровне 1013 см-3, а третий на уровне 1013 см-3. Скорость травления оксида кремния в буферном растворе HF увеличивается в случае наличия примесей в последнем. Таким образом, помещая подобную структуру в травитель, скорости травления каждого слоя будут различными, что приведет к получению структуры с малым углом наклона. Последующее нанесение слоя металла позволит получить расширенный электрод с профилем, составляющим угол в 11° к поверхности.For example, the sequential deposition of three layers of silicon dioxide can be used to form a protective coating. The first layer is pure silicon dioxide, the second contains an admixture of phosphorus at a level of 10 13 cm -3 , and the third at a level of 10 13 cm -3 . The etching rate of silicon oxide in the HF buffer solution increases if there are impurities in the latter. Thus, placing a similar structure in the etchant, the etching rates of each layer will be different, which will lead to a structure with a small angle of inclination. Subsequent deposition of a metal layer will make it possible to obtain an expanded electrode with a profile comprising an angle of 11 ° to the surface.
Также используют в качестве защитного покрытия многослойной структуры из диэлектрических пленок разного состава. К примеру, для формирования защитного покрытия может быть использовано нанесение трех последовательных слоев диоксида кремния, нитрида кремния и оксида гафния. Возможно также использование в качестве последнего слоя оксида алюминия или диоксида титана. Используя метод реактивного ионного травления в смеси SF6/O2, возможно получить окно с плавным профилем границы, за счет разницы в скоростях травления материалов. Последующее нанесение слоя металла позволит получить расширенный электрод с профилем, составляющим угол в 18° к поверхности.Also used as a protective coating of a multilayer structure of dielectric films of different compositions. For example, the deposition of three successive layers of silicon dioxide, silicon nitride and hafnium oxide can be used to form a protective coating. It is also possible to use alumina or titanium dioxide as the last layer. Using the method of reactive ion etching in an SF 6 / O 2 mixture, it is possible to obtain a window with a smooth boundary profile, due to the difference in the etching rates of the materials. Subsequent deposition of a metal layer will make it possible to obtain an expanded electrode with a profile constituting an angle of 18 ° to the surface.
Примеры реализации предлагаемого способаExamples of the implementation of the proposed method
Пример 1Example 1
В качестве подложки использовали плоскопараллельную пластину из высококачественного синтетического монокристалла алмаза типа IIb с высокой степенью легирования бором, выращенную методом температурного градиента в условиях высоких давлений и температур. Плоскую пластину подготавливали с помощью лазерной резки кристалла алмаза и последующей операции шлифования до достижения параллельности граней. Толщина пластины составляла от 0,1 до 0,2 мм. Поперечные размеры пластины (диагональ) составляли от 2,5 до 5 мм.As a substrate, we used a plane-parallel plate made of high-quality synthetic diamond type IIb single crystal with a high degree of doping with boron, grown by the temperature gradient method under conditions of high pressures and temperatures. A flat plate was prepared by laser cutting a diamond crystal and the subsequent grinding operation until parallel faces were achieved. The plate thickness ranged from 0.1 to 0.2 mm. The transverse dimensions of the plate (diagonal) ranged from 2.5 to 5 mm.
Затем алмазную пластину подвергали процедуре химической обработки поверхности для удаления различного рода загрязнений и примесей. В качестве основного компонента для химической очистки использовали хромовая смесь, в которую входят 70-80 г/л двухромовокислого калия (K2Cr2O7) и 20-25 мл/л серной кислоты. Обработку осуществляли при комнатной температуре 15-25°C в течение 15-20 секунд, а затем алмазную пластину промывали в дистиллированной воде и высушивали чистым воздухом.Then the diamond plate was subjected to a chemical surface treatment to remove various kinds of contaminants and impurities. As the main component for chemical purification, a chromium mixture was used, which contains 70-80 g / l of potassium dichromate (K 2 Cr 2 O 7 ) and 20-25 ml / l of sulfuric acid. The treatment was carried out at room temperature 15-25 ° C for 15-20 seconds, and then the diamond plate was washed in distilled water and dried with clean air.
После этого алмазную пластину помещали в реактор установки ионно-плазменного травления. Для травления поверхности алмазной пластины использовали высокочастотный емкостной разряд мощности 50 Вт на частоте 13,56 МГц. Обработку проводили в смеси аргона с кислородом с содержанием аргона равным 50% при давлении 3 Па. Скорость обработки алмаза в данной конфигурации составляла 2 мкм/час, общее время обработки было около 5 часов.After that, the diamond plate was placed in the reactor of the ion-plasma etching unit. To etch the surface of the diamond plate, a high-frequency capacitive discharge of 50 W at a frequency of 13.56 MHz was used. The treatment was carried out in a mixture of argon with oxygen with an argon content of 50% at a pressure of 3 Pa. The processing speed of diamond in this configuration was 2 μm / hour, the total processing time was about 5 hours.
После травления алмазную пластину помещали в реактор установки для осаждения алмаза из газовой фазы на обработанную сторону. Процесс синтеза алмазной пленки с низкой степенью легирования бором происходил при следующих параметрах: температура алмазной подложки 850°C, рабочее давление смеси метана с водородом 110 мБар, доля метана в газовой смеси составляла 4,5%. При этом суммарный расход рабочих газов составлял около 30 л/ч, при мощности подводимой к реактору порядка около 3 кВт. Скорость роста алмазной пленки составляла 1 мкм/час, общее время осаждения 10 часов.After etching, the diamond plate was placed in the reactor of the installation for the deposition of diamond from the gas phase on the treated side. The process of synthesis of a diamond film with a low degree of doping with boron occurred at the following parameters: temperature of the diamond substrate was 850 ° C, the working pressure of the mixture of methane and hydrogen was 110 mbar, the proportion of methane in the gas mixture was 4.5%. In this case, the total consumption of working gases was about 30 l / h, with a power supplied to the reactor of about 3 kW. The growth rate of the diamond film was 1 μm / hour, the total deposition time of 10 hours.
Далее полученную эпитаксиальную слоистую алмазную структуру подвергали процедуре высокотемпературного отжига в аппарате высокого газового давления (газостате) в атмосфере аргона при температуре 1500°C и давлении 200 МПа. Время отжига составляло 30 минут.Next, the obtained epitaxial layered diamond structure was subjected to high temperature annealing in a high gas pressure apparatus (gas thermostat) in an argon atmosphere at a temperature of 1500 ° C and a pressure of 200 MPa. The annealing time was 30 minutes.
После этого на обратной стороне алмазной пластины (противоположной стороне, где осаждали алмазную пленку) формировали анод в виде омического контакта. Процедура изготовления контактов заключалась в предварительном нанесении с помощью установки вакуумного напыления тонкого (10 нм) слоя титана, последующего отжига структуры в вакууме при температуре 700°C в течение 1 часа для образования переходного слоя карбида титана, напыления слоя платины толщиной 50 нм и заключительного напыления слоя золота толщиной 250 нм. Описанная выше процедуру выполняли непрерывно (без удаления из вакуумной камеры).After that, an anode in the form of an ohmic contact was formed on the reverse side of the diamond plate (the opposite side where the diamond film was deposited). The contact manufacturing procedure consisted of preliminary deposition of a thin (10 nm) titanium layer by means of a vacuum deposition unit, followed by annealing of the structure in vacuum at 700 ° C for 1 hour to form a transition layer of titanium carbide, deposition of a 50 nm thick platinum layer, and final deposition a layer of gold 250 nm thick. The procedure described above was performed continuously (without removal from the vacuum chamber).
Затем слоистую алмазную структуру с нанесенным анодом помещали в установку плазмохимического осаждения диэлектриков из газовой фазы наращенным слабо легированным алмазным слоем вверх. В процессе плазмохимического осаждения структуру располагали на прогреваемом электроде, который электрически соединен с корпусом камеры. Высокочастотное напряжение частотой 13,56 МГц подавали к верхнему электроду установки, который оборудован газовым душем для подачи и распределения смеси реакционных газов. При зажигании емкостного разряда, происходит разложение газовой смеси на электроны, ионы и активные радикалы. Радикалы и ионы, поступая на поверхность подложки, вступают в поверхностную реакцию с образованием аморфного диэлектрического слоя требуемого материала. Свойства и состав получаемого слоя контролируются составом газовой смеси, температурой подложки и условиями ионной бомбардировки.Then, a layered diamond structure with an anode deposited was placed in a plasma-chemical deposition of dielectrics from the gas phase with the extended lightly doped diamond layer upward. In the process of plasma chemical deposition, the structure was placed on a heated electrode, which is electrically connected to the chamber body. A high-frequency voltage of 13.56 MHz was applied to the upper electrode of the installation, which is equipped with a gas shower for supplying and distributing a mixture of reaction gases. When a capacitive discharge is ignited, the gas mixture decomposes into electrons, ions and active radicals. Radicals and ions entering the substrate surface enter into a surface reaction with the formation of an amorphous dielectric layer of the desired material. The properties and composition of the resulting layer are controlled by the composition of the gas mixture, the temperature of the substrate and the conditions of ion bombardment.
Для формирования защитного диэлектрического покрытия использовали последовательный рост трех слоев диоксида кремния с различной степенью легирования фосфором. Первый слой толщиной 0,8 мкм был сделан из высокочистого диоксида кремния, для осаждения использовалась смесь моносилана (SiH4) и кислорода в соотношении 1:1, суммарный поток газов составлял 100 л/мин, температура подложки составляла 350°C, рабочее давление 60 Па. Далее в рабочую камеру было добавлено малое количество фосфина (PH3), наличие которого приводило к легированию оксидной пленки. Для создания второго слоя толщиной 0,8 мкм использовали поток фосфина равный 10 мл/мин, что приводило к уровню легирования диоксида кремния на уровне 1012 см-3. Далее поток подачи фосфина в реакционную камеру увеличивали до 20 мл/мин для формирования третьего слоя легированного диоксида кремния толщиной 0,8 мкм. Уровень легирования для него составил 1013 см-3.To form a protective dielectric coating, the sequential growth of three layers of silicon dioxide with varying degrees of doping with phosphorus was used. The first layer with a thickness of 0.8 μm was made of high-purity silicon dioxide. A mixture of monosilane (SiH 4 ) and oxygen in a 1: 1 ratio was used for deposition, the total gas flow was 100 l / min, the substrate temperature was 350 ° C, and the working pressure was 60 Pa Next, a small amount of phosphine (PH 3 ) was added to the working chamber, the presence of which led to the doping of the oxide film. To create a second layer with a thickness of 0.8 μm, a phosphine stream of 10 ml / min was used, which led to a level of doping of silicon dioxide at a level of 10 12 cm -3 . Further, the flow of phosphine into the reaction chamber was increased to 20 ml / min to form a third layer of doped silicon dioxide with a thickness of 0.8 μm. The doping level for it was 10 13 cm -3 .
После нанесения защитного диэлектрического покрытия на поверхности структуры выполняли фотолитографию для последующего формирования окна к алмазной пленке. Для травления диэлектрического слоя использовали буферный раствор фтороводородной кислоты HF. Скорость травления оксида кремния в буферном растворе HF увеличивается в случае наличия примесей в последнем. Таким образом, поместив алмазную структуру в травитель, изменяли скорости травления каждого слоя, что привело к получению окна с малым углом наклона стенки к поверхности алмазной пленки. Угол наклона стенки составил примерно 11° по результатам АСМ измерений.After applying a protective dielectric coating on the surface of the structure, photolithography was performed for the subsequent formation of a window to the diamond film. To etch the dielectric layer, a buffer solution of hydrofluoric acid HF was used. The etching rate of silicon oxide in the HF buffer solution increases if there are impurities in the latter. Thus, by placing the diamond structure in the etchant, the etching rates of each layer were changed, which resulted in a window with a small angle of inclination of the wall to the surface of the diamond film. The angle of inclination of the wall was approximately 11 ° according to the results of AFM measurements.
Далее, используя метод магнетронного напыления в вакууме, был нанесен катод в виде барьерного электрода. В качестве материала для катода использовали платину в силу ее хорошей адгезии к алмазу. Формирование катода требуемой формы осуществлялось с помощью процедуры взрывной литографии. Общая площадь катода составила 2 мм2, катод перекрывал слой диэлектрика на 20 мкм. Толщина катода составила 300 нм.Further, using the method of magnetron sputtering in vacuum, a cathode in the form of a barrier electrode was deposited. Platinum was used as the material for the cathode because of its good adhesion to diamond. The formation of the cathode of the required shape was carried out using the explosive lithography procedure. The total area of the cathode was 2 mm 2 , the cathode overlapped the dielectric layer by 20 μm. The cathode thickness was 300 nm.
Пример 2Example 2
Аналогично примеру 1 за исключением того, что эпитаксиальную слоистую алмазную структуру подвергали процедуре высокотемпературного отжига в аппарате высокого давления при давлении 6 ГПа и температуре 1700°C. Время отжига составляло 30 минут.Analogously to example 1 except that the epitaxial layered diamond structure was subjected to high-temperature annealing in a high-pressure apparatus at a pressure of 6 GPa and a temperature of 1700 ° C. The annealing time was 30 minutes.
Пример 3Example 3
Аналогично примеру 1 за исключением того, что в качестве защитного покрытия применяли трехслойную структуру из диэлектрических пленок разного состава. Первый слой толщиной 0,2 мкм получали методом химического осаждения из газовой фазы диоксида кремния. Второй толщиной 0,6 мкм - из нитрида кремния. А третий толщиной 0,8 мкм - из оксида гафния. Далее, используя метод реактивного ионного травления в смеси газов шестифтористая сера (SF6) и кислород (O2) в соотношении 1:1, получали окно с плавным профилем границы, за счет разницы в скоростях травления используемых материалов. Последующее нанесение слоя металла привело к получению расширенного электрода с профилем, составляющим угол в 18° к поверхности.Analogously to example 1 except that a three-layer structure of dielectric films of different compositions was used as a protective coating. The first layer with a thickness of 0.2 μm was obtained by chemical vapor deposition of silicon dioxide. The second thickness of 0.6 microns - from silicon nitride. And the third is 0.8 microns thick - from hafnium oxide. Further, using the reactive ion etching method in a mixture of gases, sulfur hexafluoride (SF 6 ) and oxygen (O 2 ) in a 1: 1 ratio, a window with a smooth boundary profile was obtained due to the difference in the etching rates of the materials used. Subsequent deposition of a metal layer resulted in an expanded electrode with a profile making an angle of 18 ° to the surface.
У изготовленных по разработанному способу полупроводниковых диодов с барьером Шоттки на основе синтетического алмаза исследовали электрические характеристики. Проведенные измерения показали наличие явно выраженного эффекта выпрямления с коэффициентом выпрямления (отношения прямого тока к обратному) больше чем 106. Максимально достижимый уровень плотности прямого тока превысил 20 А/см2, что минимум на порядок выше, чем наблюдается для известных аналогов.The synthetic characteristics of semiconductor diodes with a Schottky barrier based on synthetic diamond were studied. The measurements showed the presence of a pronounced rectification effect with a rectification coefficient (ratio of forward current to reverse) of more than 10 6 . The maximum achievable level of direct current density exceeded 20 A / cm 2 , which is at least an order of magnitude higher than that observed for known analogues.
Падение напряжения в прямом направлении составило менее 10 В при плотности прямого тока 10 А/см2. Максимальное пробойное напряжение составило 1500 В, а ток утечки - менее 1 мкА.The voltage drop in the forward direction was less than 10 V at a direct current density of 10 A / cm 2 . The maximum breakdown voltage was 1500 V, and the leakage current was less than 1 μA.
Таким образом, предложенный способ позволяет изготавливать высокоэффективные диоды с барьером Шоттки на основе синтетического алмаза с высоким значением напряжения пробоя, малой величиной токов утечек и низким падением напряжения в прямом направлении.Thus, the proposed method makes it possible to produce highly efficient diodes with a Schottky barrier based on synthetic diamond with a high breakdown voltage, low leakage currents and a low voltage drop in the forward direction.
Claims (7)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2011127737/28A RU2488912C2 (en) | 2011-07-07 | 2011-07-07 | Method to manufacture schottky diode |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2011127737/28A RU2488912C2 (en) | 2011-07-07 | 2011-07-07 | Method to manufacture schottky diode |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2011127737A RU2011127737A (en) | 2013-01-20 |
| RU2488912C2 true RU2488912C2 (en) | 2013-07-27 |
Family
ID=48804911
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2011127737/28A RU2488912C2 (en) | 2011-07-07 | 2011-07-07 | Method to manufacture schottky diode |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2488912C2 (en) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2585311C1 (en) * | 2014-12-11 | 2016-05-27 | Российская Федерация, в лице Министерства промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) | Method of producing carbon films with boron-doped diamond |
| EA027773B1 (en) * | 2014-12-23 | 2017-08-31 | Открытое акционерное общество "ИНТЕГРАЛ"-управляющая компания холдинга "ИНТЕГРАЛ" | Schottky diode |
| RU174126U1 (en) * | 2016-12-27 | 2017-10-03 | Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Технологический институт сверхтвердых и новых углеродных материалов" (ФГБНУ ТИСНУМ) | Diamond Schottky Barrier Diode |
| RU207357U1 (en) * | 2021-06-09 | 2021-10-25 | Акционерное общество "Научно-исследовательский институт полупроводниковых приборов" (АО "НИИПП") | Schottky diode |
| RU212525U1 (en) * | 2022-03-04 | 2022-07-28 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") | LOW DROP SMD DIODE |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0445998A1 (en) * | 1990-03-07 | 1991-09-11 | Sumitomo Electric Industries, Ltd. | Diamond semiconductor devices |
| US5086014A (en) * | 1989-09-19 | 1992-02-04 | Kabushiki Kaisha Kobe Seiko Sho | Schottky diode manufacturing process employing the synthesis of a polycrystalline diamond thin film |
| US5285084A (en) * | 1992-09-02 | 1994-02-08 | Kobe Steel Usa | Diamond schottky diodes and gas sensors fabricated therefrom |
| RU2197767C1 (en) * | 2001-06-13 | 2003-01-27 | Бляшко Юрий Руфинович | Schottky-barrier diode manufacturing process |
| US6833027B2 (en) * | 2001-09-26 | 2004-12-21 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy | Method of manufacturing high voltage schottky diamond diodes with low boron doping |
-
2011
- 2011-07-07 RU RU2011127737/28A patent/RU2488912C2/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5086014A (en) * | 1989-09-19 | 1992-02-04 | Kabushiki Kaisha Kobe Seiko Sho | Schottky diode manufacturing process employing the synthesis of a polycrystalline diamond thin film |
| EP0445998A1 (en) * | 1990-03-07 | 1991-09-11 | Sumitomo Electric Industries, Ltd. | Diamond semiconductor devices |
| US5285084A (en) * | 1992-09-02 | 1994-02-08 | Kobe Steel Usa | Diamond schottky diodes and gas sensors fabricated therefrom |
| RU2197767C1 (en) * | 2001-06-13 | 2003-01-27 | Бляшко Юрий Руфинович | Schottky-barrier diode manufacturing process |
| US6833027B2 (en) * | 2001-09-26 | 2004-12-21 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy | Method of manufacturing high voltage schottky diamond diodes with low boron doping |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2585311C1 (en) * | 2014-12-11 | 2016-05-27 | Российская Федерация, в лице Министерства промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) | Method of producing carbon films with boron-doped diamond |
| EA027773B1 (en) * | 2014-12-23 | 2017-08-31 | Открытое акционерное общество "ИНТЕГРАЛ"-управляющая компания холдинга "ИНТЕГРАЛ" | Schottky diode |
| RU174126U1 (en) * | 2016-12-27 | 2017-10-03 | Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Технологический институт сверхтвердых и новых углеродных материалов" (ФГБНУ ТИСНУМ) | Diamond Schottky Barrier Diode |
| RU207357U1 (en) * | 2021-06-09 | 2021-10-25 | Акционерное общество "Научно-исследовательский институт полупроводниковых приборов" (АО "НИИПП") | Schottky diode |
| RU212525U1 (en) * | 2022-03-04 | 2022-07-28 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") | LOW DROP SMD DIODE |
| RU2816671C1 (en) * | 2023-12-04 | 2024-04-03 | Общество с ограниченной ответственностью "Индустриальные Углеродные Технологии" | Method of making diamond schottky diode |
| RU2820283C1 (en) * | 2024-02-29 | 2024-06-03 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. Н.Л. Духова" (ФГУП "ВНИИА") | Method of protecting silicon wafer |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2011127737A (en) | 2013-01-20 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP5453045B2 (en) | Substrate on which graphene layer is grown and electronic / optical integrated circuit device using the same | |
| TWI428474B (en) | Diamond electrode and fabricating method thereof | |
| JP6967238B2 (en) | Schottky barrier diode | |
| US20120214309A1 (en) | Method and apparatus of fabricating silicon carbide semiconductor device | |
| KR20100110295A (en) | Semiconductor device and semiconductor device manufacturing method | |
| RU2488912C2 (en) | Method to manufacture schottky diode | |
| JP2002329670A (en) | Semiconductor device and its manufacturing method | |
| CN112038408A (en) | Vertical aluminum nitride metal oxide semiconductor field effect transistor based on silicon carbide substrate and preparation method | |
| CN106868596A (en) | Growing method of gallium nitride and gallium nitride lasers based on ald aluminium nitride | |
| Chen et al. | Progress in Electrochemical Etching of Third-Generation Semiconductors | |
| CN112234117B (en) | Self-driven ultra-wide spectrum photoelectric detector based on n-GaN/p-GaSe/graphene heterojunction and preparation method | |
| JP5705322B2 (en) | Method for producing silicon-containing film | |
| CN108611680B (en) | High-speed high-quality single crystal diamond growth method | |
| JP2006500778A (en) | Two-layer LTO back seal for wafers | |
| JP6156814B2 (en) | Method for manufacturing silicon carbide semiconductor element | |
| CN114725220A (en) | Heterojunction trench T-shaped gate power MOSFET device and preparation method thereof | |
| CN111710750B (en) | Deep ultraviolet photoelectric detector based on hexagonal boron nitride thick film and preparation method | |
| CN101114678A (en) | Nano silicon heterojunction backward diode and method for making same | |
| CN113838817A (en) | Preparation method of diamond-based gallium nitride heterojunction diode device | |
| CN113643970A (en) | Manufacturing method of silicon carbide semiconductor device | |
| CN104900701B (en) | Silicon carbide UMOSFET devices and production method with two-region floating junction | |
| US11373857B2 (en) | Semiconductor surface smoothing and semiconductor arrangement | |
| CN115552630A (en) | SiC laminate, method for producing same, and semiconductor device | |
| CN107346733A (en) | The preparation method of groove-shaped Schottky diode | |
| JP4575745B2 (en) | Manufacturing method of semiconductor device in which upper layer is laminated on GaN-based semiconductor layer |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20140708 |