張聰 陳守迎 湯德勇

【摘要】 研究了肖特基芯片勢(shì)壘結(jié)構(gòu)與參數(shù)性能的原理，結(jié)果表明利用擴(kuò)散勢(shì)壘和多層金屬化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工藝，使得肖特基勢(shì)壘界面橫向結(jié)構(gòu)十分穩(wěn)定，器件高溫反向特性、低溫正向特性得到提高，反向耐壓與抗浪涌沖擊能力大大增強(qiáng)。多層金屬化結(jié)構(gòu)利用幾種金屬各自的優(yōu)點(diǎn)相互取長(zhǎng)補(bǔ)短，提高了器件的抗熱疲勞性能。在電極金屬和硅化物層之間形成的擴(kuò)散勢(shì)壘可以有效阻止肖特基勢(shì)壘高度ФB值及理想因子n值發(fā)生變化。

【關(guān)鍵詞】 擴(kuò)散勢(shì)壘 多層金屬化 反向耐壓 高溫性能 可靠性

目前國(guó)內(nèi)肖特基1A-3A產(chǎn)品由于芯片穩(wěn)定性問(wèn)題，多用于民品封裝。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證過(guò)去民品生產(chǎn)的肖特基芯片無(wú)法滿足軍工對(duì)高可靠性的要求，應(yīng)用于軍工及航空航天工程的1A-3A玻封肖特基芯片尚屬空白，急需填補(bǔ)，因此需要重新設(shè)計(jì)滿足高可靠性要求的芯片。

一、肖特基基本原理和主要性能

肖特基工作的基本原理是在金屬（例如鉛）和半導(dǎo)體（N型硅片）的接觸面上，用已形成的肖特基來(lái)阻擋反向電壓。

肖特基器件具有開關(guān)特性好、反向恢復(fù)時(shí)間短等特點(diǎn)，主要應(yīng)用于開關(guān)電源、PWM脈寬調(diào)制器、變頻器等電子電路中，作為高頻整流二極管、續(xù)流二極管或阻尼二極管使用。由它制作的電子線路可廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、雷達(dá)、通訊發(fā)射機(jī)、航天飛行器、儀器儀表等方面。

金屬與半導(dǎo)體接觸時(shí)，費(fèi)米能級(jí)的匹配要求，導(dǎo)致了金屬與半導(dǎo)體之間電荷轉(zhuǎn)移的勢(shì)壘，通常叫作肖特基勢(shì)壘，它是由于金屬和半導(dǎo)體功函數(shù)不同而產(chǎn)生的[1]。

肖特基二極管的正向特性如下面（1）式所示，反向特性由（2）式表示，△ФB是由于電場(chǎng)效應(yīng)和鏡像力的作用而引起的勢(shì)壘高度的降低。

IF =IS{exp[q〔VF-IFR〕/nkT]-1} （1）

IR =ISexp（q△ФB/kT） （2）

IS =SA*T2exp（-qФB/kT） （3）

△ФB=（qE/4πεS）1/2+αE （4）

E =[2qND（VR+VD） εS ]1/2 （5）

式中

IF— 正向電流 VF— 正向壓降

IR— 反向電流 VR— 反向電壓

S — 二極管面積 A* — 理查遜常數(shù)

q — 電子電荷 k — 玻爾茲曼常數(shù)

T — 絕對(duì)溫度 n — 理想因子

εS — 半導(dǎo)體的介電常數(shù) ND — 雜質(zhì)濃度

VD — 擴(kuò)散電位 ФB— 勢(shì)壘高度

α — 經(jīng)驗(yàn)參數(shù)

以上幾個(gè)公式是設(shè)計(jì)的基本依據(jù)。由公式可知，器件的正反向參數(shù)與肖特基勢(shì)壘高度ФB、理想因子n及外延層參數(shù)有很密切的關(guān)系。

二、工藝創(chuàng)新設(shè)計(jì)

2.1擴(kuò)散勢(shì)壘的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

近年來(lái)，金屬硅化物在肖特基二極管中得到了廣泛的應(yīng)用，但是上層電極與硅化物層的兼容問(wèn)題仍是一個(gè)值得注意的重要問(wèn)題。硅化物的用途不僅提供一個(gè)合適的肖特基勢(shì)壘，而且還能防止電極金屬和硅之間的反應(yīng)，但是由于電極金屬也和硅化物起反應(yīng)，電極金屬與硅化物的接觸在一定1000526489144的溫度下是不穩(wěn)定的，它們?nèi)菀仔纬山饘倩衔铮谄骷碾妼W(xué)特性上表現(xiàn)為肖特基勢(shì)壘高度ФB值及理想因子n值發(fā)生變化。為了防止以上情況的發(fā)生，通?？梢栽陔姌O金屬和硅化物層之間形成一層擴(kuò)散勢(shì)壘。

選擇擴(kuò)散勢(shì)壘材料的最重要參數(shù)是再結(jié)晶溫度Tc、電阻率及原子擴(kuò)散系數(shù)。目前用作擴(kuò)散勢(shì)壘的材料有：Ta、W、Ti、Mo、Cr和V等難熔金屬。硅化物也可用作擴(kuò)散勢(shì)壘。從原子擴(kuò)散系數(shù)來(lái)說(shuō)，單晶層是最有效的擴(kuò)散勢(shì)壘，但是目前還未能制備出來(lái)。非晶金屬合金是較好的擴(kuò)散勢(shì)壘材料（TC超過(guò)700℃是可能的），非晶與多晶相比較，其擴(kuò)散系數(shù)低一個(gè)數(shù)量級(jí)，因?yàn)槎嗑е杏幸粋€(gè)沿晶粒邊界擴(kuò)散的問(wèn)題。非晶金屬合金的缺點(diǎn)是電阻率較大（典型值為100μΩ·cm ），而難熔金屬作為擴(kuò)散勢(shì)壘時(shí)其電阻率要低得多。

根據(jù)以上所述及我們的設(shè)備條件，決定采用難熔金屬Ti作為本器件的擴(kuò)散勢(shì)壘。我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)溫度在420℃以下，將器件的芯片退火20分鐘，其勢(shì)壘的電特性較穩(wěn)定，勢(shì)壘高度φB值和理想因子n值基本不變，在此溫度以上退火，勢(shì)壘開始失效。我們也同樣做了在沒(méi)有Ti層作為擴(kuò)散勢(shì)壘時(shí)的實(shí)驗(yàn)，將芯片在380℃以下退火20分鐘，肖特基勢(shì)壘的電特性較穩(wěn)定，在此溫度以上退火，勢(shì)壘開始失效。這就說(shuō)明Ti作為肖特基二極管的擴(kuò)散勢(shì)壘，對(duì)阻擋電極金屬與勢(shì)壘金屬之間的擴(kuò)散反應(yīng)，效果是顯著的。

2.2多層金屬化結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

在一般器件的制造中，如電流密度較小、結(jié)溫較低的器件，鋁是單獨(dú)作為電極使用的好材料，但是對(duì)電流密度大、結(jié)溫高以及可靠性、穩(wěn)定性要求較高的器件，用單一的金屬層作為電極不太合適，通常采用性能更好的多層金屬化系統(tǒng)。多層金屬結(jié)構(gòu)是利用幾種金屬各自的優(yōu)點(diǎn)相互取長(zhǎng)補(bǔ)短[2]。

本器件為芯片面積較大的功率器件，要求電流密度較大，結(jié)溫較高，除了芯片正面采用多層金屬結(jié)構(gòu)外，背面也采用多層金屬層。下面討論本器件多層金屬化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

多層金屬之間的接觸應(yīng)該是穩(wěn)定的、緊密的和粘附良好的，在硅化物的形成及多層金屬的淀積過(guò)程中，形成氧化物是一個(gè)相當(dāng)普遍的現(xiàn)象，因此，在多層金屬化的工藝流程中，應(yīng)嚴(yán)格操作規(guī)程，并注意層與層之間的清潔，避免氧化現(xiàn)象，同時(shí)也應(yīng)包括清除氧化物的工藝步驟。

粘附層直接與Si/SiO2接觸，要求與Si/SiO2粘附良好，性能穩(wěn)定，它本身不與上下兩層金屬形成高阻化合物，還要求能阻擋導(dǎo)電層、過(guò)渡層與勢(shì)壘金屬形成高阻化合物，并阻止導(dǎo)電層、過(guò)渡層與Si形成化合物。

過(guò)渡層要求這層金屬與上下兩層金屬都不產(chǎn)生高阻化合物，而且接觸電阻小、針孔少，常用金屬有Pt、Pd、W、Mo、Ni以及NiCr。本器件選用Ni為過(guò)渡層。下面將要提到導(dǎo)電層的常用金屬為Au、Ag等。但是不能將Au、Ag 膜直接與粘附層Cr 、Ti 、V等接觸，因?yàn)锳u、Ag 膜很易熔于Pb、Sn等焊料，造成焊料直接與Cr 、Ti 、V等金屬膜接觸，而這些金屬都是難焊金屬，影響了器件上下電極的焊接性能，所以在Au、Ag導(dǎo)電層與Cr、Ti、V粘附層之間需要設(shè)置過(guò)渡層。

導(dǎo)電層是多層金屬結(jié)構(gòu)的最外層，要求電阻率低，抗電遷移能力強(qiáng)，性能穩(wěn)定，不易氧化，易與過(guò)渡層粘接且導(dǎo)熱性能良好，通常采用Au或Ag。由于Au價(jià)格昂貴，Ag還能改善焊料的流散性，因此，本器件選用Ag為導(dǎo)電層。此層厚度較厚，一般要求在0.9～1.8μm，以利于上下電極的焊接，并能充分保護(hù)過(guò)渡層不被氧化。

三、試驗(yàn)結(jié)果

用這兩種工藝改良后的芯片制作的玻封產(chǎn)品能夠滿足GJB33A-1997《半導(dǎo)體分立器件總規(guī)范》中的相關(guān)要求。最大結(jié)溫TjM=150℃，存儲(chǔ)溫度Tstg在-55～150℃之間，穩(wěn)定的通過(guò)了熱沖擊、引出端強(qiáng)度、耐濕、掃頻震動(dòng)、恒定加速度和鹽霧試驗(yàn)。

用此工藝制作的系列芯片制作成的功率玻封肖特基器件獲得國(guó)家科學(xué)技術(shù)部名為“高可靠功率玻封肖特基器件封裝技術(shù)研究”的科技成果。

四、致謝

感謝濟(jì)南市半導(dǎo)體元件實(shí)驗(yàn)所芯片生產(chǎn)線的同事們對(duì)本次試驗(yàn)所提供的幫助。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]楊碧梧.肖特基二極管保護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)的研究[J].山東電子，1997，1，：39-40.

[2]陳明華，成巨華.肖特基二極管結(jié)構(gòu)解剖與分析[J]微電子技術(shù)，1999，27（4）：35-37.

[3]<德>H.-G.翁格，W.哈特，《高頻半導(dǎo)體電子學(xué)》.