RU160937U1

RU160937U1 - INTEGRATED SCHOTKI p-n DIODE

Info

Publication number: RU160937U1
Application number: RU2015152458/28U
Authority: RU
Inventors: Николай Александрович Брюхно; Виктория Викторовна Стрекалова; Алина Юрьевна Фроликова
Original assignee: Зао "Группа Кремний Эл"
Priority date: 2015-12-07
Filing date: 2015-12-07
Publication date: 2016-04-10

Abstract

Интегрированный Шоттки p-n диод, состоящий из эпитаксиальной структуры, рабочая сторона которого покрыта слоем диэлектрика, охранного кольца, выполненного методом диффузии, типа проводимости противоположного типу проводимости эпитаксиальной структуры, контактного окна анода в слое диэлектрика, распределенных рядов полос локальных p-n-переходов, выполненных одновременно с охранным кольцом, и переходов Шоттки, выполненных в углублениях в контактном окне анода, отличающийся тем, что локальные p-n-переходы выполнены на выступах, сформированных в контактном окне анода высотой h, выбираемой из соотношения 0,15x≤h≤0,5x, где x- глубина диффузии охранного кольца.The Schottky integrated pn diode, consisting of an epitaxial structure, the working side of which is covered with a dielectric layer, a guard ring made by diffusion, the type of conductivity opposite to the type of conductivity of the epitaxial structure, the contact window of the anode in the dielectric layer, distributed rows of bands of local pn junctions made simultaneously with security ring, and Schottky junctions made in the recesses in the contact window of the anode, characterized in that the local pn junctions are made on the protrusions, formed in the contact window of the anode of height h, selected from the ratio of 0.15x≤h≤0.5x, where x is the diffusion depth of the guard ring.

Description

Полезная модель относится к области электронной техники, а именно - к конструкции создания высоковольтных полупроводниковых диодов, и может быть использована для создания интегрированных Шоттки p-n диодов.The utility model relates to the field of electronic technology, namely, to the design of creating high-voltage semiconductor diodes, and can be used to create integrated Schottky p-n diodes.

Диоды с барьером Шоттки имеют то преимущество, что способны блокировать большое обратное напряжение при относительно высоком уровне легирования базы, а высокий уровень легирования, в свою очередь, обеспечивает небольшое сопротивление в прямом направлении. Технические решения при изготовлении диодов Шоттки (ДШ) различными фирмами-производителями во многом сходны. В рабочей области ДШ могут применяться интегрированные системы типа JBS (Junction Barrier Schottky diode, JBS-диод), в которых локальные p-n-переходы перемежаются с контактами Шоттки (см., например, статью S.J. Kim, S. Kim, S.С. Kim, I.H. Kang, K.H. Leeand, Т. Matsuoka // MaterialsScienseForum. Vol. 556-557, 2007, p. 869 и патент США WO 2006122252, класс H01L 29/872, опубл. 16.11.06 г.).Schottky barrier diodes have the advantage of being able to block a large reverse voltage at a relatively high level of doping of the base, and a high level of doping, in turn, provides little resistance in the forward direction. Technical solutions in the manufacture of Schottky diodes (DS) by various manufacturers are largely similar. Integrated systems of the JBS type (Junction Barrier Schottky diode, JBS diode) in which local pn junctions are interspersed with Schottky contacts (see, for example, SJ Kim, S. Kim, S.C. Kim , IH Kang, KH Leeand, T. Matsuoka // MaterialsScienseForum. Vol. 556-557, 2007, p. 869 and U.S. Patent No. WO 2006122252, class H01L 29/872, publ. 11.16.06).

При включении диода в прямом смещении через него протекает ток большой плотности. При приложении обратного напряжения носители заряда, которые находятся в базе диода, могут стягиваться в шнуры. Плотность тока в шнурах может значительно превышать рабочую плотность, что приводит к локальному повышению температуры и выгоранию областей диода. Для предотвращения теплового разрушения внедряют по всей площади диода Шоттки полосы р+ областей. Эти области выполняют в виде сплошных концентрических или линейных полос, чередующихся с полосами контакта Шоттки. При повышении температуры сопротивление легированных полупроводников между р+ областями растет до температуры вырождения. Так как сопротивление участка, где проходит шнур тока, повышается, то величина тока в шнуре уменьшается. То есть происходит отрицательная обратная связь между локальным шнурованием тока и сопротивлением участка шнурования. И таким образом значительно повышается устойчивость диода к высоким плотностям тока и высоким скоростям переключения. Чтобы увеличить предельную энергию лавинного пробоя, вводят несколько тысяч этих р+ полос. р+ полосы делят шнур обратного тока на множество мелких. Это снижает мгновенную температуру полупроводника и увеличивает устойчивость к вторичному пробою.When the diode is turned on in direct bias, a current of high density flows through it. When applying reverse voltage, the charge carriers that are in the base of the diode can be pulled together in cords. The current density in the cords can significantly exceed the working density, which leads to a local temperature increase and burnout of the diode. To prevent thermal damage, strips of p + regions are introduced over the entire area of the Schottky diode. These areas are made in the form of continuous concentric or linear strips alternating with Schottky contact strips. With increasing temperature, the resistance of doped semiconductors between p + regions increases to degeneracy. Since the resistance of the portion where the current cord passes increases, the amount of current in the cord decreases. That is, there is a negative feedback between local current lacing and the resistance of the lacing portion. And thus, the diode resistance to high current densities and high switching speeds is significantly increased. To increase the ultimate energy of avalanche breakdown, several thousand of these p + bands are introduced. p + bands divide the reverse current cord into many small ones. This reduces the instantaneous temperature of the semiconductor and increases the resistance to secondary breakdown.

Расстояния между p-n-переходами выбирают исходя из глубины залегания p-n-перехода. Например, при глубине p-n-перехода 5 мкм расстояние между полосами p-n-переходов может быть от 8 мкм до 19 мкм так, чтобы обеспечивалась необходимая устойчивость к воздействию энергии лавинного пробоя при обратном смещении, см. патент США 7071525 В2 U.S. C.L. 257/471 от 4.07.06 г.The distances between the pn junctions are selected based on the depth of the pn junction. For example, at a pn junction depth of 5 μm, the distance between the pn junction bands can be from 8 μm to 19 μm so as to provide the necessary resistance to the effect of avalanche breakdown energy at reverse bias, see U.S. Patent 7,071,525 B2 U.S. C.L. 257/471 from 07/07/06

Недостатком данных устройств является повышенное падение напряжения при работе диодов в прямом направлении из-за уменьшения эффективной площади контакта Шоттки и повреждение контакта Шоттки при проведении сварки гибких выводов к его металлизации.The disadvantage of these devices is the increased voltage drop when the diodes work in the forward direction due to a decrease in the effective Schottky contact area and damage to the Schottky contact when welding flexible leads to its metallization.

Наиболее близким к предлагаемой полезной модели по технической общности и достигаемому результату является устройство по патенту республики Беларусь BY 18137, класс H01L 29/872, в котором описан интегрированный Шоттки p-n диод, состоящий из эпитаксиальной структуры, рабочая сторона которого покрыта слоем диэлектрика, охранного кольца, выполненного методом диффузии, типа проводимости противоположного типу проводимости эпитаксиальной структуры, контактного окна анода в слое диэлектрика, распределенных рядов полос локальных планарных p-n-переходов, выполненных одновременно с охранным кольцом, и переходов Шоттки, выполненных в углублениях в контактном окне анода.The closest to the proposed utility model in technical generality and the achieved result is the device according to the patent of the Republic of Belarus BY 18137, class H01L 29/872, which describes an integrated Schottky pn diode consisting of an epitaxial structure, the working side of which is covered with a layer of dielectric, guard ring, made by diffusion, the type of conductivity opposite to the type of conductivity of the epitaxial structure, the contact window of the anode in the dielectric layer, the distributed rows of bands of local planar pn junction s made simultaneously with the guard ring, and Schottky transitions made in the recesses in the contact window of the anode.

Недостатки предыдущих аналогов в прототипе частично устранены, однако, при формировании рядов полос локальных планарных p-n-переходов для уменьшения последовательного сопротивления в интегрированном Шоттки p-n диоде, их линейные размеры в плоскости контакта Шоттки должны быть минимальными. Величина минимальных размеров определяется разрешающей способностью фотолитографии и боковой диффузии p-примеси при формировании p-n-переходов. Боковая диффузия увеличивает минимальные размеры. Особенно сильно этот эффект сказывается в p-n-переходах интегрированных Шоттки p-n диодов при рабочих напряжениях до 100-120 В.The disadvantages of the previous analogues in the prototype were partially eliminated, however, when forming rows of bands of local planar p-n junctions to reduce the series resistance in the integrated Schottky p-n diode, their linear dimensions in the Schottky contact plane should be minimal. The minimum size is determined by the resolution of photolithography and lateral diffusion of p-impurities during the formation of p-n junctions. Lateral diffusion increases the minimum size. This effect is especially pronounced in the p-n junctions of integrated Schottky p-n diodes at operating voltages up to 100-120 V.

Целью полезной модели является увеличение эффективной площади контакта Шоттки для снижения прямого падения напряжения.The purpose of the utility model is to increase the effective Schottky contact area to reduce direct voltage drop.

Указанная цель достигается тем, что в отличие от известного устройства в предлагаемой полезной модели интегрированного Шоттки p-n диода, состоящего из эпитаксиальной структуры, рабочая сторона которого покрыта слоем диэлектрика, охранного кольца, выполненного методом диффузии, типа проводимости противоположного типу проводимости эпитаксиальной структуры, контактного окна анода в слое диэлектрика, распределенных рядов полос локальных планарных p-n-переходов, выполненных одновременно с охранным кольцом, и переходов Шоттки, выполненных в углублениях в контактном окне анода, локальные планарные p-n переходы выполнены на выступах, сформированных в контактном окне анода, высотой h, выбираемой из соотношения 0,15x_j≤h≤0,5x_j, где x_j - глубина диффузии охранного кольца.This goal is achieved in that, in contrast to the known device in the proposed utility model of an integrated Schottky pn diode consisting of an epitaxial structure, the working side of which is coated with a dielectric layer, a protection ring made by diffusion, the type of conductivity opposite to the type of conductivity of the epitaxial structure, the contact window of the anode in the dielectric layer, distributed rows of bands of local planar pn junctions made simultaneously with the guard ring, and Schottky junctions made in recesses in the contact window of the anode, local planar pn junctions are performed on the protrusions formed in the contact window of the anode with a height h selected from the relation 0.15x _j ≤h≤0.5x _j , where x _j is the diffusion depth of the guard ring.

Новым в предлагаемой полезной модели является то, что локальные планарные p-n-переходы выполнены на выступах, сформированных в контактном окне анода, высотой h, выбираемой из соотношения 0,15x_j≤h≤0,5x_j, где x_j - глубина диффузии охранного кольца.New in the proposed utility model is that local planar pn junctions are made on the protrusions formed in the contact window of the anode with a height h selected from the relation 0.15x _j ≤h≤0.5x _j , where x _j is the diffusion depth of the guard ring .

При изготовлении интегрированных Шоттки p-n диодов с локальными планарными p-n-переходами, выполненными на выступах, влияние боковой диффузии p-примеси при формировании p-n-переходов несущественно, и минимальные размеры определяются только разрешающей способностью фотолитографии.In the manufacture of Schottky integrated p-d diodes with local planar p-n junctions made on protrusions, the influence of lateral diffusion of the p-impurity during the formation of p-n junctions is insignificant, and the minimum dimensions are determined only by the resolution of photolithography.

Наименьшая высота выступов обусловлена тем, что практически 90% легирующей примеси находится в приповерхностном участке толщиной 0,15x_j. При меньшей высоте выступов влияние боковой диффузии p-примеси на последовательное сопротивление в интегрированном Шоттки p-n диоде усиливается и эффект не достигается.The minimum height of the projections due to the fact that almost 90% of the dopant in the surface portion is thick 0,15x _j. At a lower height of the protrusions, the influence of the lateral diffusion of the p-impurity on the series resistance in the integrated Schottky pn diode is enhanced and the effect is not achieved.

Наибольшая высота выступов обусловлена тем, что при большей высоте выступа эффективность работы интегрированных Шоттки p-n диодов при обратном смещении, подаваемом на диод, снижается, что приводит к увеличению обратных токов.The greatest height of the protrusions is due to the fact that with a greater height of the protrusion, the efficiency of the integrated Schottky p-n diodes decreases with the reverse bias supplied to the diode, which leads to an increase in reverse currents.

Сущность предлагаемой полезной модели поясняется фигурами. На фиг. 1 приведен разрез предлагаемого интегрированного Шоттки p-n диода. На фиг. 2 приведено увеличенное изображение p-n перехода на выступе.The essence of the proposed utility model is illustrated by figures. In FIG. 1 shows a section of the proposed integrated Schottky p-n diode. In FIG. 2 shows an enlarged image of the pn junction on the protrusion.

Позициями на фиг. 1, 2 обозначены:With reference to FIG. 1, 2 are indicated:

1 - подложка n⁺-типа проводимости;1 - substrate of n ⁺ type conductivity;

2 - эпитаксиальная пленка n-типа проводимости;2 - epitaxial film of n-type conductivity;

3 - охранное кольцо;3 - a guard ring;

4 - защитный слой SiO₂;4 - a protective layer of SiO ₂ ;

5 - выступы;5 - protrusions;

6 - локальные p-n-переходы (JBS-структуры);6 - local p-n junctions (JBS structures);

7 - контактное окно анода;7 - contact window of the anode;

8 - углубления в контактном окне анода;8 - recesses in the contact window of the anode;

9 - молибденовый Шоттки контакт;9 - Schottky molybdenum contact;

10 - слой алюминиевой металлизации;10 - a layer of aluminum metallization;

11 - металлизация катода;11 - metallization of the cathode;

12 - конфигурация p-n-перехода интегрированного Шоттки p-n диода, выполненного методом диффузии в планарную часть анода;12 is a p-n junction configuration of an integrated Schottky p-n diode made by diffusion into the planar part of the anode;

А - минимальная разрешающая способность фотолитографии.A is the minimum resolution of photolithography.

Устройство и процесс изготовления предлагаемого полупроводникового прибора описан ниже.The device and manufacturing process of the proposed semiconductor device is described below.

На эпитаксиальной n⁺ подложке 1 (см. фиг. 1), легированной мышьяком до удельного сопротивления 0,003 Ом·см сформирована эпитаксиальная пленка 2 n-типа проводимости толщиной 10 мкм с сопротивлением 2 Ом·см. Затем поверхность эпитаксиальной пленки легируют бором с дозой 10¹⁴ см^-2 и энергией 40 кэВ методом ионной имплантации. Далее проводят операцию маскирования областей охранных колец 3 и локальных p-n-переходов 6, например, с помощью фоторезиста и изотропнго травления в плазме на глубину 0,3 мкм. Затем поверхность пластины окисляют при температуре 1100°C в течение 100 минут. При этом происходит образование защитного слоя SiO₂ 4 толщиной 0,3 мкм и локальная диффузия областей охранных колец 3 и локальных p-n-переходов 6 на глубину x_j 1,7 мкм. Затем вскрывают контактное окно анода 7 до эпитаксиального слоя с p-n-переходами. Далее электронно-лучевым напылением наносят слой молибдена 9 толщиной 0,15 мкм и слой алюминия 10 толщиной 2,5 мкм. Затем проводят фотолитографии по металлу для формирования металлизации анода и контакта Шоттки и термообработку при температуре 450°C в среде аргона. Локальные p-n-переходы контакта Шоттки локализуются на выступах 5, а в углублениях 8 образуется контакт Шоттки кремний - молибден. Металлизацию катода 11 формируют последовательным напылением титана толщиной 0,1 мкм, никеля толщиной 0,5 мкм и серебра или золота толщиной 0,5 мкм.On an epitaxial n ⁺ substrate 1 (see Fig. 1) doped with arsenic up to a resistivity of 0.003 Ω · cm, an n-type epitaxial film 2 of 10 μm thickness with a resistance of 2 Ω · cm is formed. Then the surface of the epitaxial film is doped with boron with a dose of 10 ¹⁴ cm ^-2 and an energy of 40 keV by ion implantation. Next, an operation is performed to mask the areas of the guard rings 3 and local pn junctions 6, for example, using photoresist and isotropic etching in a plasma to a depth of 0.3 μm. Then the surface of the plate is oxidized at a temperature of 1100 ° C for 100 minutes. In this case, the formation of a protective layer of SiO ₂ 4 with a thickness of 0.3 μm and local diffusion of the regions of the guard rings 3 and local pn junctions 6 to a depth of x _j 1.7 μm. Then open the contact window of the anode 7 to the epitaxial layer with pn junctions. Next, a layer of molybdenum 9 with a thickness of 0.15 μm and a layer of aluminum 10 with a thickness of 2.5 μm are applied by electron beam spraying. Then photolithography on metal is carried out to form the metallization of the anode and Schottky contact and heat treatment at a temperature of 450 ° C in argon. Local pn junctions of the Schottky contact are localized on the protrusions 5, and in the recesses 8 a Schottky silicon-molybdenum contact is formed. The metallization of the cathode 11 is formed by sequential sputtering of titanium with a thickness of 0.1 μm, nickel with a thickness of 0.5 μm and silver or gold with a thickness of 0.5 μm.

На фиг. 2 приведено увеличенное изображение области локального p-n-перехода на выступе. При использовании позитивного фоторезиста область локального перехода маскируется светонепроницаемыми участками, с размером А, определяющимся минимальной разрешающей способностью фотолитографии. Например, при контактной фотолитографии с использованием нефильтрованного излучения ртутной лампы размер А составляет около 2,5 мкм. Затем при травлении углублений 8 размер выступа 5, легированного бором, уменьшается за счет бокового подтрава на величину порядка 0,6-0,9 мкм, а при проведении диффузии бора область локального p-n-перехода уменьшается по ширине из-за наличия стенок выступа 5. Для сравнения на фиг. 2 приведена конфигурации локального p-n-перехода 12 в плоскую поверхность эпитаксиального слоя. Как видно из фигуры 2, при проведении технологических операций в указанных выше режимах ширина локального перехода на выступе будет составлять примерно 1,6-1,9 мкм, а при диффузии в плоскую поверхность эпитаксиального слоя - 5-5,2 мкм.In FIG. 2 shows an enlarged image of the local pn junction region on the protrusion. When using positive photoresist, the local transition region is masked by opaque areas with size A, which is determined by the minimum resolution of photolithography. For example, in contact photolithography using unfiltered radiation from a mercury lamp, size A is about 2.5 microns. Then, when etching the recesses 8, the size of the protrusion 5 doped with boron decreases due to lateral etching by an amount of the order of 0.6-0.9 μm, and when conducting diffusion of boron, the region of the local pn junction decreases in width due to the walls of the protrusion 5. For comparison, in FIG. Figure 2 shows the configuration of the local pn junction 12 into the flat surface of the epitaxial layer. As can be seen from figure 2, when carrying out technological operations in the above modes, the width of the local transition on the protrusion will be approximately 1.6-1.9 microns, and when diffused into the flat surface of the epitaxial layer - 5-5.2 microns.

Таким образом, эффективная площадь контакта Шоттки увеличится за счет уменьшения размеров локальных p-n-переходов.Thus, the effective Schottky contact area will increase due to a decrease in the size of local pn junctions.

В таблице 1 приведены экспериментальные данные по определению влияния высоты выступа на остаточное напряжение интегрированных Шоттки p-n диодов, конструкция которого описана выше. Площадь анода (включая JBS-структуру) составляла 1 мм², плотность тока - 1 А/мм².Table 1 shows the experimental data for determining the influence of the height of the protrusion on the residual voltage of the integrated Schottky pn diodes, the design of which is described above. Anode area (including JBS-structure) was 1 mm ^2, the current density - 1 A / mm ^2.

Как видно из таблицы, что оптимальные параметры диода по U_ост и I_обр достигаются при высоте выступа 0,24-0,85 мкм.As can be seen from the table, the optimal parameters of the diode for U _ost and I _{arr are} achieved with a protrusion height of 0.24-0.85 microns.

Следует отметить, что формирование углублений в контакте анода можно проводить не только травлением, но и локальным окислением с маскированием нитридом кремния участков охранных колец и локальных p-n-переходов внутри контакта Шоттки.It should be noted that the formation of depressions in the anode contact can be carried out not only by etching, but also by local oxidation with masking with silicon nitride of the guard ring sections and local p-n junctions inside the Schottky contact.

Claims

An integrated Schottky pn diode consisting of an epitaxial structure, the working side of which is coated with a dielectric layer, a guard ring made by diffusion, the type of conductivity opposite to the type of conductivity of the epitaxial structure, the contact window of the anode in the dielectric layer, distributed rows of local pn junction bands made simultaneously with security ring, and Schottky transitions made in the recesses in the contact window of the anode, characterized in that the local pn junctions are made on the protrusions, formed h anode contact window height h, the ratio selected from 0,15x _{_j} ≤h≤0,5x _j, where x _j - diffusion depth of the guard ring.