Кремниевый диод Шоттки

1. Физико-химические основы процесса

2. Основные стадии формирования структуры кремниевого диода Шоттки

3. Классификация типов обработки поверхности

4. Особенности жидкостного травления функциональных слоёв Заключение Список использованных источников

Диод Шоттки — полупроводниковый диод с малым падением напряжения при прямом включении. Назван в честь немецкого физика Вальтера Шоттки. Диоды Шоттки используют переход металл-полупроводник в качестве барьера Шоттки (вместо p-n-перехода, как у обычных диодов). Допустимое обратное напряжение промышленно выпускаемых диодов Шоттки ограничено 1200 В (CSD05120 и аналоги), на практике большинство диодов Шоттки применяется в низковольтных цепях при обратном напряжении порядка единиц и нескольких десятков вольт.

Диоды Шоттки — составные части современных дискретных полупроводниковых приборов:

МОП-транзисторы со встроенным обратным диодом Шоттки (впервые выпущены компанией International Rectifier под торговой маркой FETKY в 1996) — основной компонент синхронных выпрямителей. В отличие от обычного МОП-транзистора, обратный диод которого отличается высоким прямым падением напряжения и посредственными временными характеристиками (так как представляет из себя обычный диод на p-n переходе, образуемый областями стока и подложкой, объединённой с истоком), использование обратного диода Шоттки позволяет строить силовые синхронные выпрямители с частотой преобразования в сотни кГц и выше. Существуют приборы этого класса со встроенными драйверами затворов и устройствами управления синхронным выпрямлением.

1. Физико-химические основы процесса

Диодами Шоттки называют структуры, использующие выпрямляющие свойства контакта металл — полупроводник. По сравнению с обычными p-n-переходами диоды Шоттки отличаются рядом преимуществ: высокое быстродействие, обусловленное переносом заряда только электронами, а также меньшее падение напряжения при прямом смещении, обусловливающее меньшие потери мощности. По данным причинам диоды Шоттки нашли широкое распространение, как в качестве быстродействующих элементов цифровых интегральных микросхем, так и в качестве выпрямительных структур.

Для получения диода Шоттки с заданными характеристиками (падение напряжения при прямом смещении, максимальная температура эксплуатации) необходимо подобрать пару металл — полупроводник с требуемой высотой потенциального барьера. Кроме того, максимальное обратное напряжение определяется концентрацией примесей в полупроводнике. Как правило, выпрямительные диоды Шоттки формируют на основе контактов тугоплавких металлов (ванадий, хром, молибден) с кремнием n-типа проводимости. Для исключения краевых утечек и улучшения обратных характеристик по периметру контакта располагают охранное кольцо p-типа проводимости (рисунок 1).

Рисунок 1 — Структура диода Шоттки с охранным кольцом p-типа проводимости

2. Основные стадии формирования структуры кремниевого диода Шоттки

Основные стадии формирования структуры кремниевого диода Шоттки с молибденовым барьером приведены на рисунке 2, а — ж.

Формирование диода Шоттки с обратным напряжением 45 В осуществляют в следующей последовательности:

— формирования партии пластин с эпитаксиальной структурой 4,5 КЭФ 0,6/ 460 КЭМ 0,003(111) (рисунок 2, а).

— химическая обработка, термическое окисление до получения толщины слоя SiO2 0,4 мкм (рисунок 2, б).

— фотолитография «Охранное кольцо», травление SiO2, ионное легирование бором, разгонка бора до глубины p-n-перехода 1,0 мкм и поверхностного сопротивления 1000 Ом/? (рисунок 2, в).

— фотолитография «Контакт», травление SiO2 (рисунок 2, г).

— нанесение плёнки молибдена толщиной 0,3 мкм магнетронным распылением, фотолитография «Металл-1», травление плёнки молибдена (рисунок 2, д).

— последовательное нанесение слоёв алюминия, титана, сплава никель-ванадий, серебра магнетронным распылением, фотолитография «Металл-2», травление многослойной структуры Al/Ti/Ni-V/Ag (рисунок 2, е).

— утонение пластин шлифовкой обратной стороны связанным абразивом до остаточной толщины 300 мкм, последовательное нанесение слоёв титана, сплава никель-ванадий, серебра магнетронным распылением на обратную сторону кремниевой пластины (рисунок 2, ж).

Рисунок 2. Структура диода Шоттки на различных стадиях изготовления: а — формирование партии пластин; б — термическое окисление; в — фотолитография и формирование охранного кольца; г — травление диоксида кремния под нанесение молибдена; д — формирование контакта; е — формирование многослойного анода; ж — формирование многослойного анода

3. Классификация типов обработки поверхности

кремниевый диод полупроводниковый травление

Обработку поверхности полупроводниковых пластин подразделяют на очистку и травление. При очистке удаляют только загрязнения поверхности. При травлении происходит удаление поверхностных слоёв пластины либо технологических слоёв. Травлением в жидких средах (или химическим травлением) называется процесс переноса вещества из твёрдой фазы в жидкую, т. е. растворение вещества подложки или технологических слоев химическими реактивами (щелочами, кислотами и их солями), называемыми травителями.

Основными целями процессов химического травления являются:

— удаление с поверхности полупроводниковой подложки механически нарушенного слоя;

— снятие с полупроводниковой подложки слоя исходного материала определённой толщины;

— локальное удаление материала подложки или технологического слоя с определённых участков поверхности;

— создание определённых электрофизических свойств обрабатываемой поверхности подложки;

— выявление структурных дефектов кристаллической решётки полупроводниковой подложки;

— получение мезаструктур.

Известны следующие методы травления полупроводников:

Изотропное травление — растворение полупроводника происходит с одинаковой скоростью травления по всем направлениям монокристаллической подложки. Применяют для удаления нарушенного поверхностного слоя и полирования поверхности.

Анизотропное травление — растворение полупроводника происходит с различной скоростью по разным направлениям монокристаллической подложки. Используют для структурных поверхностных и объёмных дефектов.

Селективное травление — растворение полупроводника происходит с различной скоростью на разных участках поверхности с одной и той же кристаллографической ориентацией (либо с различными скоростями травления слоёв разного химического состава в избирательных травителях). Позволяет выявлять дефекты и несовершенства кристаллической структуры подложек (дислокации, дефекты упаковки, границы зерен и др.), а также p-n-переходы и различные фазовые включения;

Локальное травление — удаление материала происходит лишь со строго ограниченных и заданных участков подложки. Обеспечивает получение элементов требуемой конфигурации и заданного рельефа на поверхности подложек. Позволяет создавать необходимый рисунок микросхемы (создавать заданную конфигурацию технологических слоёв, проводить мезатравление). Для локального химического травления используют изотропные и анизотропные травители.

Послойное травление — равномерное последовательное снятие тонких поверхностных слоёв полупроводника. Применяют для изучения поверхностных и объёмных дефектов кристаллической структуры подложек и эпитаксиальных слоёв. Используют полирующие травители с малой скоростью травления (менее 0,1 мкм/мин).

4. Особенности жидкостного травления функциональных слоёв

Операции химического травления можно разделить на 2 группы: химическое травление через маску (трафаретное травление) и травление по всей поверхности (открытое травление). Трафаретное травление используют для прорисовки диффузионных масок в слое SiO2, удаления материала через окна в диэлектрике при формировании металлических контактов, формирования изолирующих или проводящих областей, удаления вспомогательных технологических слоев. При выборе травителя необходимо учитывать клин травления, неравномерность края травления, скорость и технологичность процесса. Очевидно, что факторы, влияющие на качество локального травления, можно также перенести на процессы полного травления.

В качестве материалов, наиболее часто подвергаемых травлению «мокрыми» процессами, выступают различные функциональные слои ИМС из диоксида кремния, алюминия и его сплавов, а также вспомогательные технологические слои из нитрида кремния и резиста. Слои диоксида кремния, полученные термическим окислением кремния либо химическим осаждением из газовой фазы выполняют функции электрических изоляторов в структуре функциональных слоев ИМС, барьеров для диффузии и ионной имплантации, подзатворного диэлектрика МОП-транзисторов, защитно-пассивирующих покрытий. Для химического травления слоев SiO2 используют, как правило, травители на основе плавиковой кислоты. Однако в технологии ИМС водные растворы HF используются, как правило, только для процессов открытого травления SiO2: полное или частичное стравливание слоя SiO2, удаление с поверхности кремния тонкого естественного слоя оксидов кремния непосредственно перед нанесением слоев металлизации (так называемое освежение контактов). Это обусловлено интенсивным газовыделением SiF4, приводящим к отслаиванию маски фоторезиста и искажению геометрии функциональных слоев ИМС.

Для локального травления функциональных слоев ИМС через фоторезистивную маску используют так называемые буферные травители, получаемые добавлением в растворы HF фторида аммония NH4 °F. Травление слоев SiO2 в буферном травителе описывается следующими реакциями:

6HF + SiO2 > H2SiF6 + 2H2O, (1)

H2SiF6 + NH4 °F > (NH4)2SiF6 + HF. (2)

Добавление NH4 °F к HF приводит к увеличению скорости травления благодаря образованию бифторид ионов HF2Ї, обладающих более высокой реакционной способностью по сравнению с HF.

Слои нитрида кремния, сформированные химическим осаждением из газовой фазы, в технологии ИМС используют в качестве защитной маски при локальном окислении, межслойного диэлектрика при формировании конденсаторов и защитно-пассивирующего покрытия ИМС. Химическое травление применяют для полного удаления слоев Si3N4 после процессов локального окисления. С данной целью используют плавиковую и ортофосфорную кислоты либо их смеси. Химические реакции при удалении нитрида кремния данными травителями описываются следующими уравнениями:

Si3N4 + 18HF > H2SiF6 + 2(NH4)2SiF6, (3)

3Si3N4 + 27H2O + H3PO4 > 4(NH4)3PO4 + 9H2SiO3.(4)

Тонкие пленки алюминия и его сплавов (Al-Si, Al-Si-Cu, Al-Si-Cu-Ti) широко применяются в качестве материалов для слоев, выполняющих функции невыпрямляющих контактов к областям кремния n и p типа, токопроводящих соединений элементов ИМС, а также монтажных площадок. Жидкостное химическое травление алюминиевых слоев осуществляют, как правило, в травителе, состоящем из концентрированной азотной и ортофосфорной кислот, ледяной уксусной кислоты и воды. Процесс травления состоит из двух стадий — формирования Al+3 и образования AlPO4 согласно следующей схеме:

(5)

Вода в ортофосфорной кислоте препятствует растворению Al2O3 и способствует растворению AlPO4. Скорость процесса ограничена скоростью растворения Al2O3 в H3PO4. В качестве конечных продуктов реакции выделяется газ, состоящий из смеси H2, NO и NO2. Пузырьки выделяющегося газа, адсорбированные на поверхности металлической пленки, способны замедлить травление — под ними образуются островки недотравленного металла, которые могут замыкать соседние токопроводящие дорожки. Для решения данной проблемы могут использоваться такие приемы как: прерывание травления, ультразвуковое перемешивание, добавление ПАВ, вакуумирование кюветы травления.

Удаление, или снятие резиста является завершающей стадией литографического процесса. Жидкофазное удаление резиста может осуществляться составами на основе органических растворителей, а также средствами на основе водных растворов, включающих как кислотные, так и щелочные составы. Выбор метода снятия резиста и параметров процесса определяется исходя из следующих факторов:

1) чувствительности поверхности нижележащего слоя к воздействию растворителя (окисление, коррозия, загрязнение ионами, полное растворение);

2) стоимости удаления;

3) типа резиста;

4) предшествующей последовательности операций формирования слоя резиста, включая характеристики нижележащего слоя, параметры термообработки после экспонирования, задубливания, травления, ионной имплантации.

Для большинства применений в технологии ИМС используются позитивные фоторезисты, представляющие собой полимерную пленку светочувствительного материала. На стадиях формирования активной структуры ИМС в фотолитографическом процессе участвуют химически неактивные слои: монокристаллический кремний, диоксид кремния, нитрид кремния, поликристаллический кремний. Поэтому для снятия фоторезиста в данном случае используют кислотные составы. Кислотные составы для удаления фоторезиста, содержащие сильные кислоты и сильные окислители, преобразуют полимерную пленку фоторезиста в эмульгированную или растворимую форму. Наиболее широкое распространение для снятия фоторезиста получила смесь серной кислоты и перекиси водорода (10:1), травитель КАРО. Механизм удаления фоторезиста в смеси КАРО аналогичен механизму удаления органических загрязнений.

На заключительных стадиях изготовления ИМС (формирование металлических слоев, вскрытие контактных окон в межслойном диэлектрике и пассивирующем покрытии) использование для снятия фоторезиста в кислотных составах неприемлемо. Это обусловило использование органических растворителей для снятия фоторезиста на данных этапах. Как правило, в данных случаях используют процесс снятия фоторезиста в растворе диметилформамида при температуре 130 -150 °С.

Следует отметить, что использование органических растворителей для снятия фоторезиста заключает в себе ряд недостатков: высокая стоимость растворителей, необходимость сбора и обезвреживания отходов, высокая взрывои пожароопасность, токсичность.

К недостаткам жидкостного химического травления относятся:

— капиллярные процессы в тонких щелях и проколах;

— проблемы адгезии фоторезистивных масок и их стойкости к травителям;

— ускоренный характер травления по границам зерен;

— необходимость применения различных травителей для травления многослойных и многоуровневых структур;

— трудность контроля в процессе травления и др.

Поэтому наиболее перспективными для травления функциональных слоёв ИМС являются ионные, ионно-плазменные и плазмохимические методы.

Заключение

Достоинства В то время, как обычные кремниевые диоды имеют прямое падение напряжения около 0,6−0,7 вольт, применение диодов Шоттки позволяет снизить это значение до 0,2−0,4 вольт. Столь малое прямое падение напряжения присуще только диодам Шоттки с максимальным обратным напряжением порядка десятков вольт, выше же падение напряжения становится сравнимым с аналогичным параметром кремниевых диодов, что ограничивает применение диодов Шоттки.

Барьер Шоттки также имеет меньшую электрическую ёмкость перехода, что позволяет заметно повысить рабочую частоту. Это свойство используется в интегральных микросхемах, где диодами Шоттки шунтируются переходы транзисторов логических элементов. В силовой электронике малое время восстановления позволяет строить выпрямители на частоты в сотни кГц и выше. Например, диод MBR4015 (15 В, 40 А), оптимизированный под высокочастотное выпрямление, нормирован для работы при dV/dt до 10 кВ/мкс.

Благодаря лучшим временным характеристикам и малым ёмкостям перехода выпрямители на диодах Шоттки отличаются от традиционных диодных выпрямителей пониженным уровнем помех, поэтому они предпочтительны в традиционных трансформаторных блоках питания аналоговой аппаратуры.

Недостатки При кратковременном превышении максимального обратного напряжения диод Шоттки необратимо выходит из строя (КЗ — короткое замыкание), в отличие от обычных кремниевых p-n диодов, которые переходят в режим обратимого[1] пробоя, и, при условии непревышения рассеиваемой на диоде максимальной мощности после падения напряжения, диод полностью восстанавливает свои свойства.

Диоды Шоттки характеризуются повышенными (относительно обычных кремниевых p-n диодов) обратными токами, возрастающими с ростом температуры кристалла. Для 30CPQ150 обратный ток при максимальном обратном напряжении изменяется от 0,12 мА при +25 °C до 6,0 мА при +125 °C. У низковольтных диодов в корпусах ТО220 обратный ток может превышать сотни миллиампер (MBR4015 — до 600 мА при +125 °C). При неудовлетворительных условиях теплоотвода положительная обратная связь по теплу в диоде Шоттки приводит к его катастрофическому перегреву.

Список использованных источников

1. В. П. Василевич, А. М. Кисель «Химическая обработка в технологии интегральных схем»

2. Черняев В. Н. Технология производства интегральных микросхем и микропроцессоров: Учебник для вузов. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Радио и связь, 1987. — 464 с.: ил.

3. Коледов Л. А. Технология и конструкции микросхем, микропроцессоров и микросборок: Учебник для вузов. — М.: Радио и связь, 1989. — 400 с., ил.