SE440293B - Schottky-diod och sett att framstella densamma - Google Patents

Description

Formation Kinetics and Structure of Pd2Si Films on Si, av R.W.

Bower et al, Solid State Electronics, 1973, vol. 16, sid. 1461- 1471 och Pt2Si och PtSi Formation with High-Purity Pt Thin Films av Canall et al, Applied Physics Letters, vol. 31, nr. 1, juli 1977, sid. 43-45.

I enlighet med föreliggande uppfinning erhålles ett nytt sätt för framställning av en schottky-övergång med höggradigt förbättrade backströmsegenskaper vid hög temperatur utan att avsevärt påverka andra parametrar för anordningen. Genom uppfinningen erhålles även en ny anordningsstruktur, som förhindrar dess nedbrytning under montering i sitt hölje.

Uppfinningen hänför sig således till en_schottky-diod innefattande ett enkristallint halvledarsubstrat, vilken kännetecknas av att den omfattar en första metall, som är indiffunderad i en ytdel på sub- stratet och bildar en intermetallisk legering av metallen och halv- ledaren, vilken legering är fri från silicider, och en andra metall i kontakt yta-till-yta med den första metallen, varvid den andra metallen uppvisar högt utträdesarbete och varvid den första metal- len är vald från gruppen bestående av palladium och platina.

Sättet att framställa en schottky-diod enligt uppfinningen innefat- tande avsättning av en första metall på ytan av en tunn halvledar- platta, varpå den första metallen sintras in i ytan på halvledar- plattan och kännetecknas av att samtliga spår av den första metal- len och eventuella silicider därav fullständigt avlägsnas från ytan, så att den frilagda ytan uppvisar en backspänningskarakteristika med skarpt knä, då den bringas i kontakt med en wolframsond, och av att en metall med högt utträdesarbete avsättes på den frilagda ytan.

I enlighet med uppfinningen diffunderas således en palladium- el- ler platinasilicid in i en tunn kiselplattas yta eller någon annan halvledaryta genom en sintringsprocess. Under denna process har det visat sig, att ett skikt av okänd sammansättning men med viss intermetallisk sammansättning, möjligen PdSi för fallet av palla- dium-kisel-gränsen, bildas direkt med kiselytan på halvledarsub- stratet. Denna legering synes vara en enkristall, som är kontinu- erlig med enkristallsubstratet och som icke påverkas av etsningen, vilken avlägsnar siliciden från kiselsubstratet.

Enligt tidigare teknik etsades siliciden lätt före avsättning av andra material därpå. I enlighet med uppfinningen avlägsnas där- emot siliciden fullständigt t.ex. genom etsning med kungsvatten tills hela mängden Pd2Si eller PtSi avlägsnats från substratet.

Skiktet av okänd sammansättning blir kvar och kan avkännas genom en wolframsondkontakt, vilken avslöjar ett skarpt knä i backspän- ningskurvan, som bildas mellan skiktet och wolframsonden.

Därefter anbringas en metall med högt utträdesarbete, t.ex. molyb- den, på ytan av det intermetalliska palladium- eller platina-kisel- skiktet för bildning av en schottky-barriär med exceptionella back- strömsegenskaper vid hög temperatur.

Då palladiumsilicid användes och avlägsnas uppvisar den erhållna anordningen en förbättring med ungefär en storleksordning i back- strömsegenskaperna för anordningen. Vid användning av platina i stället för palladium, och efter att platina övertäckts med molyb- den under sintringsprocessen, erhålles en förbättring av tre stor- leksordningar i backströmsläckage. Även om skälet för detta iögon- fallande beteende icke är helt klarlagt, är det sannolikt att den intermetalliska föreningen, som bildas, är i sig själv en halvleda- re, så att anbringande av molybden eller annat material med högt utträdesarbete på denna yta bildar en utmärkt schottky-övergång.

I en ytterligare utföringsform av uppfinningen bildas ett titan- skikt mellan molybdenen eller annan metall med högt utträdesarbete och kontaktmetallerna, som t.ex. nickel och silver. Det har visat sig att användningen av detta titanskikt förbättrar backläckaget i värme för anordningen och förhindrar nedbrytning av schottky- -övergången under lödning av plattan i sitt hölje. Det antages att titanet infângar eller förhindrar migrering av silver-, guld- och nickelatomer eller atomer av andra kontaktmaterial genom molybde- net och in i övergången under fastlödningen och att det infângar rörliga atomer, inklusive syreatomer närvarande i molybdenet. Den nya titanbarriären mellan schottky-övergången och kontaktmetaller kan användas för samtliga schottky-konstruktioner inklusive så- dana, vilka icke utnyttjar palladium- eller platinasilicid-kontakt- systemet.

Till följd av det nya sättet har samma anordning med användning av den nya processen för bildning av övergången förbättrats från 50 ampere till 75 ampëre utan någon annan förändring.

Med hänvisning till ritningarna visar fig. 1 ett schematiskt tvärsnitt av en del av en halvledarplatta, som kan användas vid utförande av föreliggande uppfinning, och där en skyddsring har diffunderats, fig. 2 visar den tunna plattan i fig. 1 efter bildning av ett mas- kerande oxidskikt och efter att ett palladiumskikt utfällts på sub- stratytan, fig. 3 visar den tunna plattan i fig. 2 efter sintring av ett pal- ladiumskikt in i kiselytan, fig. 4 visar plattan i fig. 3 efter att palladium och palladiumsi- licid har etsats bort från ytan, så att en palladiumdiffunderad kiselyta kvarstår, fig. 4A och 4B visar backspänningskurvorna mellan en wolframsond och ytan på den tunna plattan i fig. 4 för både ofullständigt res- pektive fullständigt avlägsnande av silicidskiktet, fig. 5 visar den tunna plattan i fig. 4 efter att ett molybdenskikt har utfällts på plattans yta, fig. 6 visar plattan i fig. 5 efter att kontaktmetaller anbringats på plattan och uppvisar ett titanskikt placerat mellan schottky- -barriären och de övre kontaktmetallerna, fig. 7 visar schematiskt en andra utföringsform av uppfinningen med användning av platina i stället för palladium, vid det stadium av tillverkning, som visas i fig. 3 för palladium, fig. 8 visar en sprängskiss av en hopmonterad schottky-diod enligt uppfinningen med det yttre höljet avlägsnat för att visa de inre delarna, fig. 9 visar backströmsläckaget vid 125°C för fyra olika schottky- -barriärer inklusive de tvâ enligt uppfinningen, fig. 10 visar framspänningssänkningen vid 25°C för schottky-barri- ärerna enligt fig. 9 och fig. 11 visar backströmsläckaget vid olika temperaturer för plati- na-kisel-utföringsformen av denna uppfinning.

Med hänvisning först till fig. 1 visas däri ett kiselsubstrat, vil- ket kan vara en liten del av en större kiselbricka, varpå en mångfald anordningar samtidigt bildas. Substratet 20 beskrives i fortsättningen som ett monokristallint kiselsubstrat, men det är underförstått att andra halvledarmaterial kan användas. Substrat 20 kan vara Czochralsky-odlat kisel med en tjocklek av ca 0,23 mm med ledningsförmåga av n-typ med användning av ett arsenikdopningsmedel.

Resistiviteten för plattan kan vara 0,001 - 0,004 ohm-cm. Plattans tvärsnitt visas schematiskt i fig. 1 som en rektangulär chipssektion, vilkenär en fyrkant med kantlängden ca 5,08 mm. Det torde noteras att tjockleken för kiselbrickan är mycket förstorad av tydlighets- skäl.

Ett epitaxiellt skikt 21 odlas över skiktet 20 till en tjocklek av 5,0 - 6,0 pm. Skiktet 21 uppvisar en ledningsförmåga av n-typ och kan vara fosfordopat till en resistivitet av 0,9 - 1,1 ohm-cm.

Fig. 1 visar en skyddsring 22, vilken är en rektangulär ring av p- typ diffunderad in i ytan 21 för att fungera som en zener-klämma och förhindra kanteffekter. För att bilda ring 22 bildas en oxid- mask 23 på ytan av skikt 21 och en ringformad öppning bildas i oxid- skiktet. Bor eller något annat störämne av p-typ utfälles därefter i det öppna fönstret och diffunderas in i skikt 21 till önskat djup.

Skyddsring 22 kan uppvisa ett djup av ca 0,5 pm och en bredd av ca 0,10 mm. Den centrala öppningen i ring 22 kan vara ca 4,47 mm.

Under diffusionen av skyddsring 22 växer ett oxidskikt över det öpp- na skyddsringsfönstret. Ett fönster öppnas i oxidskiktet 23, såsom visas i fig. 2, vilket sträcker sig ungefär till centrum av bred- den på skyddsring 22, med användning av konventionella fotolito- grafiska och etsningstekniker.

Efter att fönstret öppnats i oxidskiktet 23 ångavsättes en metall, -som visas i fig. 1-6 som palladium, på ytan av skikt 21 vid en substrattemperatur av ca 250°C till en tjocklek av ca 1000 Å. Det torde noteras att platinametall kan avsättas i stället för palladi- um. Andra metaller kan även användas, om de bildar en lämplig si- licid med kisel 21.

Efter avsättningen av palladiummetallen sintras palladium och kisel vid en temperatur av ca 500°C under ett gastäcke, som innefattar ca 15% vätgas och 85% kvävgas. Det torde noteras att då platina användes i stället för palladium, anbringas ett tunt skikt av mo- lybden 24, såsom visas i fig. 7, över platinaskiktet 23 för att inkapsla översidan av platina före sintring.

Efter sintringen föreligger en silicid Pd2Si i fig. 3 och rent pal- ladium ovanpå Pd2Si. Vid fallet av utföringsformen där platina an- vändas, fig. 7, ger sintringen siliciden PtSi täckt av platiname- tall.

Tidigare etsades platina- eller palladiummetallerna bort och kon- takter gjordes med silicidskikten. Det ansågs väsentligt att sili- cisskiktet förblev intakt för att bilda en riktig övergång. I en- lighet med föreliggande uppfinning avlägsnas avsiktligt silicid- skiktet, vare sig detta består av Pd2Si eller PtSi, fullständigt, så att ett undre skikt 25 exponeras, vilket är diffunderat in i översidan av kisel och bildar en intermetallisk legering av palla- dium (eller platina) och kisel, vilken ännu icke är känd. Då skik- tet 25 nås, kan emellertid dess närvaro avkännas genom att plattans yta bringas i kontakt med en wolframsond. De erhållna värdena från wolframsonden kommer att förändras från den rundade knäkurvan i fig. 4A, (som tyder på att silicid fortfarande är närvarande vid ytan) till den i fig. 4B, där siliciden är fullständigt avlägsnad och det diffunderade kiselmetallskiktet 25 är exponerat.

Skikt 25 antages vara en enkristallin utvidgning av dess substrat 21 och kan vid fallet av palladium bestå av PdSi. Det kan även an- tagas att skikt 25 är en halvledare, som bildar en utmärkt schottky- -övergång med en metall med högt utträdesarbete, som t.ex. molybden.

För att exponera skikt 25 användes följande etsningsprocess vid fallet av palladiummetallen. En liknande etsningsprocess kan an- vändas för platina. a) Hela kiselbrickan eller plattan nedsänkes först i kungsvatten (ca 3 delar HCl per 1 del HNO3) vid rumstemperatur under ca 30 se- kunder. Detta avlägsnar palladium från oxidskiktet. b) Efter sköljning nedsänkes plattan i en 5%-ig HF-lösning under ca 30 sekunder. Detta är ett nytt steg och användes för att avlägs- na Si02 från palladium- (eller platina-)ytan, som skall etsas bort. c) Plattan sköljes och nedsänkes därefter åter i kungsvatten vid rumstemperatur under ca 30 sekunder för avlägsnade av palladium- metall och Pd2Si från fönstren ned till ytan på skiktet 25. Det torde emellertid noteras att ytterligare etsning utföres senare.

Vidare torde noteras att enligt tidigare teknik avlägsnades endast palladiummetallen, varvid åtgärder vidtogs för att kvarlämna Pd2Si intakt. d) Plattan sköljes därefter och nedsänkes i 5%-ig HF under ca 30 sekunder för avlägsnade av eventuell kvarstående SiO2- e) Plattan sköljes därefter och rotationstorkas. f) Ovanstående steg utföres samtliga under en icke-kritisk kåpa.

Efter att steg e) fullföljts, överföres plattan till ett ultrarent område och tvättas med 18 megohm, avjoniserat vatten. g) Därefter nedsänkes plattan i en lösning av 1 del HCl per 1 del HNO3 och kokas i denna lösning vid 60-70°C under 30 minuter. Detta kritiska steg avlägsnar hela mängden återstående Pd2Si. h) Plattan sköljes därefter i 18 megohm vatten och nedsänkes där- efter i 5%-ig HF under ca 30 sekunder. i) Plattan sköljes åter i 18 megohm vatten och rotationstorkas.

Plattan är nu färdig för att mottaga en metall med högt utträdes- arbete, som bringas i kontakt med skikt 25. I fig. 5 ångavsättes sålunda ett molybdenskikt 26 på ytan av plattan, medan plattan upp- visar en temperatur vid 250OC. Skikt 26 kan uppvisa en tjocklek av ca 3000 Å. En utmärkt schottky-övergång bildas då mellan molybden- skiktet 26 och skikt 25. Det torde noteras att andra material med högt utträdesarbete, som t.ex. wolfram eller tantal eller liknande, kan användas i stället för molybden.

Det är nu nödvändigt att placera kontaktmetaller på de motsatta Sidorna av plattan i fig. 6. I enlighet med ett viktigt kännetec- ken hos uppfinningen avsättes först ett titanskikt 30 ovanpå mo- lybdenskiktet 26. Titanskikt 30 uppvisar en en tjocklek av ca 2000 Å.

Titanskikt 30 antages fungera som en barriär för att förhindra mig- rering av atomer av kontaktmetallerna till schottky-barriären mel- lan skikt 25 och 26 på grund av de höga temperaturer, som förekom- mer under lödning av den färdiga plattan i sitt hölje. Denna effekt har förorsakat nedbrytning av anordningen under dess hopmontering tidigare, men förhindras nu genom titanskiktet. Titanbarriären kan med fördel användas i andra schottky-anordningar inklusive sådana som bildar en övergång direkt mellan en kiselyta och ett högt ut- trädesarbete samt även sådana där en avlägsnad silicid ingår i anordningen.

Kontaktmetaller tillsättes därefter till anordningen, såsom visas i fig. 6. Sålunda tillföres ett titanskikt 31 med en tjocklek av ca 1000 Å på botten av plattan och nickelskikt 32 och 33 anbringas upptill och nedtill med tjocklekar av ca 1000 Å. Därefter anbrin- gas tjocka silverskikt 34 och 35 med tjocklekar av ca 35 000 Å.

Det torde noteras att vilken som helst annan av de konventionella kontaktmetallerna, t.ex. guld, även kan användas.

Den färdiga anordningen skäres därefter bort från sin huvudbricka för montering i ett hölje, såsom visas i fig. 8. Höljet kan vara ett sådant med en standard JEDEC kontur DO-203AB(DO-5). Den färdi- ga schottky-övergången, vilken utgör en fyrkant med 5,08 mm kant- längd, visas som organ 40. Bly-silver-indium-lödplattor 41 och 42 placeras på motsatta sidor av övergång 40 och molybdenplattor 43 och 44 placeras på de motsatta sidorna av plattorna 41 resp. 42, Plattorna 43 och 44 uppvisar tjocklekar av ca 0,508 mm och diamet- rar av ca 3,81 mm resp. 8,255 mm. En bly-silver-indium-lödplatta 45 placeras mellan platta 43 och den C-böjda ledaren 46. En tunn guld- lödplatta 47 placeras mellan molybdenplatta 44 och en kopparbas 48 av standardtyp. En kåpa, icke visad, innesluter hela anordningen, Anordningen lödes samman genom att man först upphettar den så att lödplattorna 41, 42, 45 och 47 smälter, och därefter kyles hela an- ordningen. Titanskiktet 30 (fig. 6) förhindrar migrering av silver- och nickelatomer till schottky-övergången under denna sammanlödning.

Den erhållna anordningen (med användning av palladiumprocessen) uppvisar därefter ett effektivt övergångstemperaturområde av -65°C till 175°C, uppvisar ett backspänningsområde av 15-45 volt, och en maximal genomsnittlig framström vid 180°C av 75 ampêre för en rek- tangulär vågform eller 67,5 ampëre för en sinusformad vågform.

Anordningen uppvisar backläckström från 15-150 milliampêre för ett område av övergångstemperaturer av 100-150°C vid en backspän~ ning av ca 45 volt.

Fig. 9-11 visar några av anordningens egenskaper och demonstrerar den anmärkningsvärda förbättringen i backläckström vid hög tempe- ratur, som erhålles genom uppfinningen. Sålunda visar fig. 9 läck- ström på en logaritmisk vertikal axel avsatt mot backspänning på den horisontella axeln för fyra olika anordningar, samtliga vid en övergângstemperatur av 125°C. Den översta kurvan 50 visar en kon- ventionell schottky-övergång med användning av en kromkontakt på en kiselyta. Det framgår att backströmmen närmar sig 1 ampëre vid 50 volt. Den andra kurvan 51 visar en konventionell molybdenkontakt på kisel, vilken har en bättre backströmskarakteristika än den ek- vivalenta kromkontaktanordningen. Emellertid är backströmmen för anordningen fortfarande ca 90 milliampëre vid full backspänning.

Det torde framgå att anordningen enligt uppfinningen, med använd- ning av palladiumprocessen, och användning av ett eventuellt PdSi- område 25 i kontakt med molybdenskiktet 26 (fig. 6), ger en drama- tisk förbättring i backström vid full backspänning, såsom visas ge- nom kurva 52. Sålunda är vid 50 volt backströmmen endast ca 15 mil- liampère, en förbättring av nästan en storleksordning jämfört med molybden-kisel-övergången enligt tidigare teknik.

Användningen av platinaprocessen (fig. 7) ger en anordning med ännu bättre backströmsegenskaper, såsom visas i kurva 53. Det torde no- teras att vid full backspänning är anordningens backström endast ca 2,9 milliampère, vilket är anmärkningsvärt mindre än anordnin- garna enligt tidigare teknik, som visas i kurvorna 50 och 51.

Den signifikanta förbättringen i läckström vid hög temperatur med- ger användning av anordningen enligt uppfinningen vid mycket högre övergångstemperatur än för anordningar enligt tidigare teknik, och ger sålunda den avsevärda förbättringen hos en given anordning.

Sålunda kan, såsom visas i fig. 11, en övergång framställd med pla- tinaprocessen, såsom visas i fig. 7, och med kurvan 53 vid 1250C enligt fig. 9, användas vid en övergångstemperatur av 17500 och fort- farande uppvisa en bättre karakteristisk kurva 54 än den konventio- nella molybden-kisel-övergången (kurva 51, fig. 9) vid 125OC. I själ- va verket är till och med vid 200°C (kurva 55, fig. 11) anordning- ens egenskaper mycket bättre än för krom-kisel-anordningen (kurva so, fig. 9) vid 125%.

Den avsevärda förbättringen i backströmsegenskaper, som erhålles ge- nom uppfinningen, minskas icke genom någon drastisk förlust av and- ra egenskaper. Såsom visas i fig. 10 erhålles endast en lätt ökning 10 i framspänningsminskning vid låg ström i anordningar enligt före- liggande uppfinning, jämfört med anordningar enligt tidigare tek- nik. Sålunda visar kurvorna 60 och 61 i fig. 10 den relativt låga framspänningsminskningen, i synnerhet vid låg framström för krom- och molybdenkontakterna enligt tidigare teknik till kisel. Anord- ningar framställda genom palladium- och platinaprocesserna enligt uppfinningen uppvisar framspänningsegenskaperna enligt kurvorna 62 resp. 63. Samtliga kurvor i fig. 10 hänför sig till 25°C. Det tor- de noteras att vid hög strömstyrka är skillnaderna försumbara. Även om föreliggande uppfinning har beskrivits i samband med en fö- redragen utföringsform därav, är många variationer och modifikatio- ner uppenbara för fackmannen. Uppfinningen är sålunda icke begrän- sad genom den här angivna specifika beskrivningen, utan endast ge- nom bifogade patentkrav.

Claims (13)

10 15 20 25 30 35 Patentkrav

1. Schottky-diod innefattande ett enkristallint halvledar- substrat. k ä n n e t e c k n a d av att den omfattar en första metall. som är indiffunderad i en ytdel på substratet och bildar en intermetallisk legering av metallen och halv- ledaren. vilken legering är fri från silicider. och en andra metall i kontakt yta-till-yta med den första metallen, varvid den andra metallen uppvisar högt utträdesarbete och varvid den första metallen är vald från gruppen bestående av palladium och platina.

2. Anordning enligt krav l, k ä n n e t e c k n a d av att halvledarsubstratet är ett epitaxiellt kiselsubstrat.

3. Anordning enligt krav 2, k ä n n e t e c k n a d av att den första metallen är palladium och legeringen är PdSi.

4. Anordning enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d av att den andra metallen är molybden.

5. Anordning enligt krav 1, 2 eller 4. k ä n n e t e c k - n a d av att den innefattar ett skikt av titan. avsatt på den andra metallen, och en kontaktmetall avsatt på titanskiktet.

6. Anordning enligt krav 5. k ä n n e t e c k n a d av att kontaktmetallen innefattar silver och nickel.

7. Sätt att framställa en schottky-anordning innefattande av- sättning av en första metall på ytan av en tunn halvledarplat- ta. varpå den första metallen sintras in i ytan på halvledar- plattan, k ä n n e t e c k n a t av att samtliga spår av den första metallen och eventuella silicider därav fullständigt avlägsnas från ytan. så att den frilagda ytan uppvisar en backspänningskarakteristika med skarpt knä då den bringas i kontakt med en wolframsond. och att en metall med högt utträ- desarbete avsättes på den frilagda ytan. 10 15 20 25

8. B. Sätt enligt krav 7. k ä n n e t e c k n a t av att det dessutom innefattar avsättning av ett titanskikt ovanpå metal- len med högt utträdesarbete och avsättning av en kontaktmetall ovanpå títanskíktet. samt fastlödning av anordníngen i ett nölje.

9. Sätt enligt krav 7 eller 8. k ä n n e t e c k n a t av att halvledarplattan består av kisel och att den första metallen är vald från gruppen bestående av palladium och platina.

10. Sätt enligt krav 9. k ä n n e t e c k n a t av att den första metallen och silicíderna därav avlägsnas genom etsning i kungsvatten under en längre tidsperiod.

11. ll. Sätt enligt krav 9. k ä n n e t e c k n a t av att den första metallen är palladium och att ytan göres fri från alla spår av Pdzsi.

12. Sätt enligt krav 9, k ä n n e t e c k n a t av att den första metallen är platina och att ytan göres fri från alla spår av Ptsi.

13. Sätt enligt krav 12. k ä n n e t e c k n a t av att platinametallen övertäckes med molybden under sintring.