两种增强肖特基二级管芯片稳定性的设计方法

张聪，李东华，陈守迎

（济南市半导体元件实验所,山东　济南　250014）



两种增强肖特基二级管芯片稳定性的设计方法

张聪，李东华，陈守迎

（济南市半导体元件实验所,山东济南250014）

摘要：首先,介绍了肖特基二极管的基本原理和主要性能；然后,利用扩散势垒和多层金属化结构设计工艺对肖特基二极管进行了改进。结果表明,上述两种工艺能够使得肖特基势垒界面横向结构十分稳定,器件高温反向特性、低温正向特性得到提高,反向耐压与抗浪涌冲击能力大大增强,因而建议大力推广使用。

关键词：肖特基二级管；扩散势垒；多层金属化；反向耐压；高温性能；可靠性

0　引言

目前,国内肖特基1A-3A产品的芯片的稳定性较差,多用于民用行业,无法满足军工对高可靠性的要求,应用于军工及航空航天工程的1A-3A玻封肖特基芯片尚属空白,急需填补,因此,需要重新设计可以满足高可靠性要求的芯片。

在金属-半导体界面中,界面态起着关键的作用。肖特基二极管的特点是其电参数性能和可靠性对势垒接触的界面条件相当敏感,此界面上的沾污物、氧化物和合金反应都能引起二极管性能的明显变化。例如:界面态可以决定势垒高度ΦB。为了提高器件参数性能、工作结温和抗浪涌冲击能力,本工艺采用了扩散势垒和多层金属化结构。

1　肖特基二极管的基本原理和主要性能

肖特基二极管是以贵金属（金、银、铝和铂等）为正极,以N型半导体为负极,利用二者接触面上形成的势垒具有整流特性而制成的金属-半导体器件。

肖特基二极管具有开关特性好、反向恢复时间短等特点,因而其常作为高频整流二极管、用续流二极管或阴尼二极管而被用于开关电源、PWM脉宽调制器和变频器等电路中。此外,由它制作的电路还可广泛地应用在计算机、雷达、通讯发射机和航天飞行器,以及仪器仪表等系统中。

金属与半导体接触时,由于金属和半导体的功函数的不同,金属与半导体两端的电荷会相互转移,当两端的费米能级一样时,便会在半导体表面形成肖特基垫垒[1]。

肖特基二极管的正向特性如式（1）所示,反向特性如式（2）所示,△ΦB是由于电场效应和镜像力的作用而引起的势垒高度的降低。

式（1）-（5）中: IF—正向电流；

VF——正向压降；

IR——反向电流；

VR——反向电压；

S——二极管的面积；

A*——理查逊常数；

q——电子电荷；

k——玻尔兹曼常数；

T——绝对温度；

n——理想因子；

εS——半导体的介电常数；

ND——杂质浓度；

VD——扩散电位；

ΦB——势垒高度；

α——经验参数。

以上几个公式是设计的基本依据。由公式可知,器件的正反向参数与肖特基势垒高度ΦB、理想因子n和外延层参数有着密切的关系[2]。

2　工艺创新设计

为了提高二极管的正向性能、反向耐压、结温和抗浪涌冲击能力,设计器件时采用了扩散势垒和多层金属化结构设计这2项新工艺技术。

2.1扩散势垒的创新设计

近年来,金属硅化物在肖特基二极管中得到了广泛的应用,但是,肖特基二极管的上层电极与硅化物层的兼容问题仍是一个值得注意的重要问题。硅化物不仅能够提供一个合适的肖特基势垒,而且还能防止电极金属和硅之间发生反应,但是,事实上电极金属也和硅化物发生反应,因而电极金属与硅化物的接触在一定的温度下是不稳定的,它们容易形成金属化合物,在器件的电学特性上表现为肖特基势垒高度ΦB值及理想因子n值发生变化。为了防止以上情况的发生,通常可以在电极金属和硅化物层之间形成一层扩散势垒。

选择扩散势垒材料的最重要的参数为材料的再结晶温度Tc、电阻率和原子扩散系数。目前,用作扩散势垒的材料有: Ta、W、Ti、Mo、Cr和V等难熔金属。另外,还有非晶金属合金,例如: Nb-Ni、Mo-Ni、Si-W、Mo-Si、Ir-Ta、Ni-W和TiN等。硅化物也可用作扩散势垒。从原子扩散系数来看,单晶层是最有效的扩散势垒,但是目前还未能制备出来。非晶金属合金是较好的扩散势垒材料（Tc可以超过700℃）,与多晶金属合金相比,非晶金属合金的扩散系数要低一个数量级,这是由于多晶金属合金中有一个沿晶粒边界扩散的问题。非晶金属合金的缺点是电阻率较大（典型值为100 μΩ·cm）,而难熔金属作为扩散势垒时其电阻率要低得多[3]。

根据以上所述,以及我们的设备条件的限制,决定采用难熔金属Ti作为本器件的扩散势垒,并对采用Ti作为扩散垫垒的器件的肖特基电特性进行了检验,实验结果表明:当温度在420℃以下时,将器件的芯片退火20 min,其势垒的电特性较稳定,势垒高度B值和理想因子n值基本不变,在此温度以上退火,势垒开始失效。同样,我们也对没有选用Ti层作为扩散势垒的器件的肖特基电特性进行了检验,结果表明:将芯片在380℃以下退火20 min,其肖特基势垒的电特性较稳定,在此温度以上退火,势垒开始失效。说明选用Ti作为肖特基二极管的扩散势垒,的确能够有效地阻挡电极金属与势垒金属之间的扩散反应。

2.2多层金属化结构的设计

在一般器件的制造中,例如:电流密度较小、结温较低的器件,铝是单独作为电极使用的好材料,但是,对于电流密度大、结温高、可靠性和稳定性要求较高的器件,用单一的金属层作为电极则不太合适,通常采用性能更好的多层金属化系统。多层金属结构是利用几种金属各自的优点相互取长补短[4]。

本器件为芯片面积较大的功率器件,要求电流密度较大,结温较高,除了芯片正面采用多层金属结构外,背面也采用多层金属层,芯片的多层金属结构如图2所示。下面讨论本器件多层金属化系统的设计。

多层金属之间的接触应该是稳定的、紧密的和粘附良好的,在硅化物形成和多层金属淀积的过程中,经常会形成氧化物,因此,在多层金属化的工艺流程中,应严格地按照操作规程进行操作,并注意层与层之间的清洁,避免氧化现象的出现,同时也应包括清除氧化物的工艺步骤。

图2　芯片的多层金属结构示意图

表2　半导体器件工艺中常用金属的性能[5]

粘附层直接与Si/SiO2接触,要求与Si/SiO2粘附良好,性能稳定,它本身不与上下两层金属形成高阻化合物,还要求其能够阻挡导电层、过渡层与势垒金属形成高阻化合物,并阻止导电层、过渡层与Si形成化合物。此外,还要求粘附层与Si能形成良好的低阻欧姆接触,并且其膨胀系数应该与Si相近。半导体器件工艺中常用金属的性能如表2所示,由表2可知,与Si/SiO2粘附良好的金属有Al、Cr、Ti、V、W和Mo等。Al与Si的膨胀系数相差太大,所以一般选择Cr、Ti、V、W和Mo作为粘附层。由于此层起到了扩散阻挡层的作用,因此要有足够的厚度,一般应在0.2～0.5 μm之间。本器件选用Ti为粘附层,由于Ti的电阻率较高（42×10-6Ω·cm）,因此粘附层不宜过厚。

要求过渡层金属与上下两层金属都不产生高阻化合物,而且接触电阻小、针孔少,常用的金属有Pt、Pd、W、Mo、Ni和NiCr。本器件选用Ni作为过渡层。下面将要提到的导电层的常用金属为Au、Ag等,但是不能将Au、Ag膜直接与粘附层Cr、Ti和V等接触,因为Au、Ag膜很易熔于Pb、Sn等焊料,造成焊料直接与Cr、Ti和V等金属膜接触,而这些金属都是难焊金属,会影响器件上下电极的焊接性能,所以在Au、Ag导电层与Cr、Ti 和V粘附层之间需要设置过渡层。

导电层是多层金属结构的最外层,要求其电阻率低、抗电迁移能力强、性能稳定、不易氧化、易与过渡层粘接并且导热性能良好,通常采用Au或Ag。由于Ag的价格相对较低,且Ag还能改善焊料的流散性,因此,本器件选用Ag作为导电层。此层厚度较厚,一般要求在0.9～1.8 μm之间,以利于上下电极的焊接,并能充分保护过渡层,使其不被氧化。

3　结束语

用这两种工艺改良后的芯片制作的玻封产品能够满足GJB 33A-1997《半导体分立器件总规范》中的相关要求,最大结温为TjM=150℃,存储温度Tstg在-55～150℃之间,并且能够稳定地通过热冲击、引出端强度、耐湿、扫频震动和恒定加速度,以及盐雾试验,因而可以大力地推广使用。

参考文献：

[1]杨碧梧.肖特基二极管保护环结构的研究[J] .山东电子, 1997（1）: 39-40.

[2]三洋电机株式会社.肖特基势垒二极管及其制造方法: 02141455.6 [P] . 2003-04-02.

[3]白藤纯嗣.半导体物理基础[M] .北京:高等教育出版社, 1982.

[4]陈明华,成巨华.肖特基二极管结构解剖与分析[J] .微电子技术, 1999, 27（4）: 35-37.

[5] UNGER H G, HARTH W.高频半导体电子学[M] .北京:科学出版社, 1981.

Two Design Methods of Enhancing the Stability of the Chip of Schottky Diode

ZHAGN Cong, LI Dong-hua, CHEN Shou-ying
（Institute of Jinan Semiconductor Component Experiment, Jinan 250014, China）

Abstract:Firstly, the basic principle and main performance of schottky diode are introduced. And then, the diffusion barrier and multi-layer metal structure design process are adopted to improve the schottky diode. The results show that the two design methods can make the lateral structure of the schottky barrier interface very stable, improve the high temperature reverse characteristic and low temperature positive characteristic of the device, and greatly enhance reverse voltage endurance capability and anti surge impact capability, which are worthy to be popularized.

Key words:schottky diode；diffusion barrier；multiple-layer metallization；reverse voltage endurance capability；high temperature performance；reliablility

作者简介：张聪（1982-），女，山东聊城人，济南市半导体元件实验所工程师，从事肖特基芯片的设计制造工作。

收稿日期：2015-06-24修回日期：2015-06-29

doi:10.3969/j.issn.1672-5468.2016.01.009

中图分类号：TN 302；TN 311+.7

文献标志码：A

文章编号：1672-5468（2016）01-0040-04