肖特基整流二极管介绍

肖特基整流二极管介绍 肖特基整流二极管 介 绍 一、引言 肖特基势垒二极管(Schottky barrier diode简称SBD)是一种金属(或金属硅化物)/ 半导体接触的器件，它是多子器件，主要用其非线性电阻的特性。 SBD是最古老的半导体器件，1904年开始，矿石检波器就得到了应用。SBD在超高频及微波电路中用于检波和混频，都是用其正向非线性电阻的特性。SBD长期用金属与半导体接触进行制作，稳定性差，是可靠性最差的半导体器件之一。八十年代开始对金属硅化物深入研究，用金属硅化物代替金属，获得了可靠而又重复的肖特基势垒，为大规模生产奠定了基础。 各种家用电器、微电脑、汽车电子、通讯设备、仪器、国防军工都电子设备轻量化、小型化，特别是要求采用小型化和高效率的电源。高频开关电源随着工作频率的提高，其体积和重量都会明显减小，同时效率显著提高，高频开关电源越来越受到人们的重视。SBD 有三大特点:(1)速度快(多子器件，无少子储存效应);(2)正向压降低;(3)散热性能好。 SBD与通常的PN结整流器件相比，SBD具有开关速度快(高频)、导通电压低(高效)、抗电流浪涌冲击能力强(大电流)。低输出电压(V??24V)的高频开关电源多采用肖特基整流二0 极管。世界高频开关电源年销售额约为500亿美圆，这是一个巨大的市场!对肖特基整流二极管的规模生产有巨大的拉动力。SBD制作简单、工艺短、成本低、有利于大规模生产。 肖特基整流二极管在高频开关电源电路中起开关作用，是用其正、反向非线性电阻的特性(不再只是用正向非线性电阻的特性)。肖特基整流二极管的名称较多，有功率肖特基二极管、肖特基续流二极管、大电流肖特基二极管、肖特基开关二极管等等。 肖特基势垒与p-n结的比较 肖特基二极管的势垒可以比做在同一种半导体上的p-n结低许多，例如硅，p-n结的内建势V?0.8V;而肖特基结势垒电势为0.5V,0.6V很容易做到。在同一电流密度下，p-n结上的正bi 向压降比肖特基二极管上的电压降至少高0.3V。换句话说，相同电压下肖特基势垒的饱和电流5密度比做在同一半导体上的p-n结的饱和电流密度高10倍或更高(0.06V之差，电流密度差一个数量级)。肖特基二极管特别适用于做低压大电流整流器;反之，也是由于反向电流比较大，肖特基二极管不能像p-n结一样用作高压低电流整流器。 二(原理 关于SBD(肖特基势垒二极管)的理论计算公式很容易从书上找到。这里不进行SBD的电流输运方程的推导、也不进行设计计算，主要围绕势垒高度对SBD的重大影响，作一些简单的计算分析。 1. 电流输运方程 由热离子发射理论，得到电流输运方程: J = J [exp(qV/nkT)-1 ] (1) FSFB*2 J = A Texp(-qφ/kT) (2) SB 式中的符号:J 为正向电流密度;J为饱和电流密度;V为SBD势垒上的压降;q 为元电FSFB 荷;n为理想因子;k为玻耳兹曼常数;T 为绝对温度;φ 为势垒电位; B*,2,2 A = 110A*cm*K为n型硅的里查孙常数、A为电流。 一般理论计算公式的正向压降V，其实是势垒上的压降V，而不是二极管的正向压降FFB V 。二极管压降还包含串联电阻(Rs)上的压降V 。 FDFS V= V+V (3) FD FBFS 对于金属硅化物 / 硅的SBD，n = 1成立。一般V》2.3kT/q , 式(1)方括号中的前面FB 一项远大于10，后面的1可忽略不计。 *2 J = ATexp(-qφ/kT) exp(qV/kT) (4) FBFB 变换一下表示方式: *2 J = ATexp[q(V-φ)/kT] (5) FFB B 第 1 页 共 13 页 肖特基整流二极管介绍 由式(5)看φ的影响就一目了然。SBD势垒上的压降和φ之间是一个简单的相减关系。BB 为保持J不变，当φ 变化时，V必须跟着变相同的值。φ高的～V相应地高。 FBFBBFB 2.正向压降(V)的计算。 FD 考虑到正向电流在外延层和衬底上的压降，还有衬底接触电阻上的压降Jρ 。 FC V= J( ρd+ρd+ρ) (6) FSFeeBBC 由式(5)可算得: *2 V= φ+[(kT/q)ln(J/AT)] (7) FBBF *2 V= φ+[(kT/q)ln(J/AT)]+J( ρd+ρd+ρ) (8) FDBFFeeBBC 其中d为外延层厚度，d为衬底厚度。正向压降与势垒高度、温度以及器件的结构参数有eB 密切关系。在给定温度下，势垒较高的SBD其正向压降较大。 2对一个1mm的NiSi/Si的SBD进行过计算，对正向压降影响最大的是φ(100mV量级),B其次是外延层(10mV量级)，影响最小的是衬底(mV量级)。接触电阻，做好了的，对正向压降的影响可忽略不计;而接触做不好的，不能容忍。在工艺上必须要把接触做好，ρ至少C-6210Ω-cm量级。 3.反向电流的计算。 *2J(0)? -J =-ATexp[-qφ(0)/kT] (9) RSB 势垒高度随反向偏压变化。 φ(V) = φ(0)-?φ (V)-αE V) (10) BRBBRmax R 式(10)中第二项表示镜像力引起的势垒降低，第三项表示偏压引起的势垒降低。 1/2 ?φ(V)= [qE (V) /(4πε)] (11) BRmax RS 1/2 E(V) = [2qN(V-V-kT/q)/ε] (12) maxRD biRS V = φ(0)-(kT/q)ln (Nc/ N) (13) biBD 0 α=φ / E α一般取1.7 nm = 17A ,,Bmax 193 Nc为导带内的有效态密度，Nc = 2.8×10/cm ，ε为Si的介电常数，E为最Smax大场强，N为施主浓度，V为内建电压。 Dbi 对φ =0.7V的SBD进行过计算(300K) B V = 1V I = 3.4 I(0) RR V = 10V I = 10.2 I(0) RR V = 20V I = 18.6 I(0) RR V = 40V I = 41.3 I(0) RR V = 60V I = 73.8 I(0) RR 理论计算的结果表明，SBD的反向电流随反向电压增加而增大～不饱和。 对进口样管测量I，V在-1V - -3V时I ? -I 。V增大时，I 随V增大而增大。 RRRSRRR 由式(9)，反向电流随温度变化很大～温度越高～I越大。 R 4.正向与反向的关系。 SBD正、反向特性对势垒高度的要求相互制约。为降低正向导通损耗，须选择较低的势垒。然而，势垒高度降低，使反向漏电流增加。由式(4)和式(9)可得 J ? J(0) EXP(qV/kT) FRFB J(0) ? J×EXP(-qV/kT) (14) RFFB I(0) ? I × EXP(-qV/kT) (15) RFFB 在给定温度下，正向压降减小时～反向漏电流急剧增加。正、反向特性之间的折衷～由势垒高度决定。 较大的正向电流要求SBD的有效面积较大，势垒高度较低，外延层电阻率ρ较低，外延e层厚度较薄。然而，欲提高反向击穿电压，要求完全相反。 第 2 页 共 13 页 肖特基整流二极管介绍 对于功率整流应用，对输出电压(V)较低的电路，应选择较低势垒的SBD，整流效率会较0 高;对输出电压(V)较高的电路，特别是在高温场合使用的，应选择较高势垒的SBD。生产0 厂家应有不同势垒高度的产品，适应用户不同的要求。 5.势垒高度φ的测量 B 势垒高度φ已采用I – V、C - V、激活能和光电诸法测量。I - V法较简单、直观，和B SBD的直流参数关系紧密，测量仪器也较简单，采用较多。 用I - V 法测量一系列的正向电流和正向压降，在单对数坐标纸上作图，将电压外推到零，得到零偏压的电流，即饱和电流I 。再测量面积，算得饱和电流密度J 。势垒高度φSSB可由下面的式(16)得到。在单对数坐标纸上也可绘得φ - J的关系直线，已知J就可查得BSSφ。 B *2φ =(kT/q)ln(AT/J) (16) BS 6.相关公式 (a)结电阻 R = V/I =kT/qI (17) ,,JF kT/q = 25.9mv (在300K) (b)整流效率 设输入方波电压，占空比为1/2 .采用高频全波整流。 P = V I (18) 000 P为输出总功率、 V为输出电压、 I为输出电流。 000 正向导通损耗 P = IV = (P /V)V (19) F0F00F *2 P =(P /V)[φ+ (kT/ q)ln(J/A T)+J(ρd+ρd+ ρ) ] (20) F00BFFeBB ec 反向功耗 *2 P = IV = 2VI = 2(P/J)J =2(P/J) A T exp[-qφ(V)/kT] (21) RRR0R 0 FR0FBR-1 η = P/(P+P+P) = [1+P/P+P/P ] (22) 00FRF0 R 0 *2 η = {1+[φ+(kT/q)ln(J/AT)+J(ρ d+ρd+ ρ) ] /V BFFee BBc0*2-1 + [(2A T)/ J] exp[-qφ(V)/kT] } (23) FBR 肖特基整流二极管的设计是追求最大整流效率 η 的前提下，综合考虑， 折衷选取φ 、BN、外延层厚度d和有源区面积。 De 整流效率η与温度有密切的关系。SBD的最佳势垒高度随输出电压变化不明显;随工作温度有较显著的变化,这是因为漏电流急剧增加的主要原因是工作温度而不是输出电压。在低温阶段，低势垒SBD由于正向压降低，效率较高;随温度上升，尽管漏电流有所增加，但正向压降V随温度升高而下降，故η略有上升;在某一临界温度以上，漏电流急剧增大，使反向损耗F 增大，致使η随之急剧下降。势垒较高的SBD，η下降点对应的温度亦较高。在输出电压较低(V??24V), 工作温度不高的场合，选用低势垒的SBD，这种使用状态是较普遍的;而需要0 工作温度较高(芯片温度?100?)的场合，应选用高势垒的SBD。生产厂家必须生产低势垒的SBD;在有高温用户时，也要生产较高势垒的SBD。 7. 实际肖特基结的伏安特性和理想因子(对微波肖特基二极管更适合) 以上考虑的是理想的肖特基结的伏安特性，但实际肖特基二极管的伏安特性则受到各种非理想因素的影响而偏离理想状态。为了补偿各种非理想因素的影响，实际肖特基结的伏安特性要用一个特殊的参数n，来进行修正: I(V) = I[exp(qV/nkT)-1] (24) F0d 参数n一个接近于1.0的数，通常在1.0到1.25之间，称之为斜率参数或理想因子。当n增大时二极管的非线性度减小。通过测量理想因子可以判断生产中制作的肖特基结的质量，以发现工艺中的问题。 计算电流参数I是非常复杂的，而且没有必要，因为漏电流、电荷产生和隧道效应等对S I(V)的影响要比I大得多。 S 假设全部电流都是热离子发射的传导电流，能导出I的理想表达式: S 第 3 页 共 13 页 肖特基整流二极管介绍 *2 I = ATS exp(-qφ/kT) (25) Sb**-2-2其中A是有效理查荪(Richardson)常数,对于n,Si A大约是110 AcmK。 S是结面积，φ是势垒电位。 b 表面不完美通常是肖特基二极管的伏安特性不理想的主要原因。因为肖特基结制作在半导体的表面上，所以半导体表面必须非常清洁。然而，尽管在制造中非常当心，对于结的少量污染还是不可避免的。淀积势垒金属表面的晶体结构可能被破坏，特别是用溅射技术时更是如此。在势垒金属和半导体表面间也可能形成不需要的化合物。这些都会增大理想因子和反向漏电流。 在大电流密度下，R的影响显著，考虑了R影响的公式 SS qV,I，Rs,qV,I，Rs()() (1) I,I，，,exp[]{1exp[]}0nkTkT *2I,A，A，T，exp(,q,/kT)其中 (2) 0b 上式已考虑了非理想因素和串联电阻的影响。 当外加电压大于3kT/q时，将公式(1)简化为 qV,I，Rs() (3) I,I，exp[]0nkT 对公式(3)两边取自然对数，变成公式(4) qqRs (4) LnI,LnI，，V,，I0nkTnkT 利用微机，根据公式(4),对实验数据做最小二乘法拟合，可分别算得势垒高度值φ、理b想因子n和串联电阻Rs。 8.肖特基二极管测试 如果半导体掺杂分布是均匀的，能用人工测量肖特基二极管的以下参数:内建电压V，零bi偏压结电容C，理想因子n，电流参数I，和串联电阻R(见附图的直流伏安特性和计算方法汇00S 总)，以及结电容。 A( 直流伏安特性 直流伏安特性能用半导体图示仪或人工逐点测量，仪器要能测量小于1.0微安的电流以便检测反向漏电流，电压要能测量小于1毫伏，即能在低电流和电压范围内测量伏安特性。要能记录多个数量级的电流和电压值，以便计算各参数。把数据画在单对数坐标纸上，在低电流范围内数据点应在一直线上，而在伏安特性的高电流范围内，曲线将偏离直线。这种偏离显示出在串联电阻上的电压降。 B( 理想因子n 在低电流范围内，在串联电阻上要产生一个小电压降，在电流的每个数量级范围内电压的改变是常数。简单地处理(24)式可得到理想因子n的表达式: n = (q/kT)??V?log(e) (26) 其中?V是每数量级电流范围内的结电压变化，e是2.7183。在27?，理想因子为: n = ?V/0.05952 (27) *不同温度下理想的( n=1)每数量级电流差额的压降?V可由有关资料查出。 C. I S 已知理想因子n，可由伏安特性的符合直线上任一点通过(24)式得到I: S I= I(V)exp(-qV/nkT) (28) S 第 4 页 共 13 页 肖特基整流二极管介绍 (24)式中的(-1)被忽略了，因为对于任何可测量的电流来说，它与exp(qV/nkT)项相比都是不重要的。 D. 串联电阻R S 直流伏安特性曲线在高电流范围偏离直线是由在串联电阻R上的电压降引起的。如果在S 电流I时直线与直流伏安特性曲线间的偏离为?V，则R可简单地得到: ddS R = ?V/ I (29) Sdd 在高电流密度下，结的发热可能引起R直流测量值偏低。误差的发生是由于在高电流范围S 内当温度上升时二极管的伏安特性曲线向左移动，使得?V太低。对于直径大于3 - 4微米的d 大直径二极管，结发热效应通常是不重要的。 E( 结电容C和内建电压V jbi 结电容C可用电容电桥或自动C-V测试仪测试。如果半导体中的掺杂是均匀的，在反jj222向电压下1/C的曲线是直线,曲线在1/C处与1/C轴相交，外推曲线则与V轴在V=V处相jj0bi交。可得到内建电压V。 bi F.截止频率f C 截止频率f为二极管的优值: C f= 1/ (2πRC) (30) C Sj0 由于没有少数载流子寿命的影响，由截止频率可估算二极管的最高工作频率及开关时间。 电流, μA 1000 100 -4 A I = 10?V = 0.017V d I = I exp(-qV/nkT) S-13R = ?V/ I = 17Ω Sd = 3.84x10 A 10 ?V = 0.062V n = ?V/0.05952 = 1.04 1 0(40 0(60 二极管电压 Vd 图1 .SBD正向I - V特性 Fd 三.反设计的分析方法。 肖特基整流二极管不是新发明的器件，它已大规模生产多年。肖特基整流二极管能方便地买得到。仿制比研制要简单得多。 走仿制的路，可以防止走弯路。最主要的是仿制低势垒的 SBD。 从式(15)估算正向电流是反向电流的100,000倍[因为I(V)约为I(0)的100倍，也RBR就是正向电流是最大反向电流的1,000倍]， 对于室温应用V = 300mV(一个数量极约为FB*260mV,5个数量级为300mV)已够。 φ?V [从式(7)(kT/q)ln(J/AT)的数值总是负的，因BFBF 第 5 页 共 13 页 0 . 肖特基整流二极管介绍 *22*2为J<< AT , J?250A/cm, (kT/q)ln(J/AT)= -126mV ], φ? 426mV已足够高。再考FFFB 虑高温下的应用，T=125?下比T=25?下的I大二个数量级，φ?546mV就足够用。这样jjSB 500mV<φ<600mV较合适。各种金属硅化物/硅的势垒高度列于附录二。许多稀土金属硅化物，B 势垒高度低于0.5eV,不适用。目前难熔金属硅化物SBD的势垒较低(难熔金属主要为Mo 、W、Ti、Cr 、Ta、Co等)，势垒高度正好在较合适的范围，它们的成品率高、可靠性也好。从整流效率虑，希望选择势垒高度在合适范围的低端，由势垒高低选择金属的顺序应该是Mo、 Zr、 Cr、 Ta 、Ti。硅化物中二硅化物较稳定、可靠，规模生产选择金属硅化物的重点是成品率高、可靠性好，国外采用得较多的是MoSi。 2 1. 首先搜集资料。目前通讯发达，在Internet网上可以查到有关资料。 2. 样管的测量与分析 (1)电参数的测量。对于要仿制的样管,首先测量全面电参数，电学测量一般是非破坏性的。用 I - V法测量电流 - 电压特性， 改变温度可测量电参数随温度的变化， V - T 、FI- T 。等。还可测定势垒高度。C - V法或扩展电阻法，可获得外延层内的杂质分布。 R (2)形貌分析。用光学显微镜或电子显微镜观察形貌，还可照相。用光学测量显微镜观察测量横向尺寸。多层金属的厚度可用α-step仪或干涉显微镜测量。介质膜用光学膜厚测试仪。 (3)化学组分分析。对于SBD反设计最感兴趣的是金属化。有哪些金属薄膜,各有多厚,势垒金属与硅的反应如何,等等。上述问题用俄歇谱仪(AES)一般能解决。利用离子枪溅射逐层剥离样品，一边剥离、一边分析，用AES可以获得元素的纵向分布。一般AES只作点的纵向分析。新型俄歇谱仪可以进行线扫描和面扫描分析，即扫描俄歇分析仪(SAM)。对SBD分析，用SAM比用AES节省时间，同时节省了费用。样品经磨角加工成下图形状。对SBD芯片的表面磨角，清洗干净。注意样品上、下表面都要接地。分析前用离子枪将研磨面大面积轰击剥离表面层，露出新鲜表面。沿一条线扫描分析(如图2)，在角度已知的情况下，可获得元素的纵向分布。X光电子能谱分析(XPS)能直接分析元素间的化学状态，可分析化合物，也就可分析硅化物。一般俄歇谱仪中带有XPS。 金属 线扫描 n- Si外延层 n+ Si 接 地 图2. SAM分析样品横截面示意图 四〃金属化 。 金属化是半导体工业生产中的重要组成部分，它为半导体器件及集成电路提供电的和热的通路。金属化对可靠性的影响重大，至今仍是微电子研究的热门课题。对于SBD的金属化，除了做欧姆接触外，还要做一个最重要的肖特基接触，它直接主宰了器件的电特性，同时对其可靠性有决定性的影响。 1. 金属硅化物 初期的SBD稳定性不好是出了名的。过去SBD通常是金属与半导体接触形成的，界面上有污染物、氧化物等，另外在后续工艺过程中,经受各种温度处理，界面层间相互作用，发生扩散、化学反应等，在半导体表面有高密度的表面态，结果导致SBD的性能不稳定。大多数硅化物的研究是从1960年代开始的。近20年来深入的研究了金属硅化物薄膜用在集成电路中作导 第 6 页 共 13 页 肖特基整流二极管介绍 体(肖特基势垒、导体、互联金属)的可能性。它与金属相似的电阻率及高温稳定性很吸引人。利用金属硅化物制作SBD，成品率提高到了90 % 以上，可靠性也大大提高了。元素周期表中的大部分金属与硅接触，经适当热处理(温度比共熔点低很多，因而不是合金过程)后，均能形成化学配比的金属硅化物。一般金属硅化物的形成温度在此种金属硅化物熔点的1/3到1/2处(以K为单位)。通常直接淀积金属在硅上，再高温退火形成硅化物，这是一种固 - 固反应，反应中的运动元素多为硅。因为这种接触界面在原始硅表面下一定的距离，接触界面位于硅内部，不再暴露在环境中，避免了表面沾污，也避开了悬挂键引起的本征界面态，因而获得的是一种更为清洁的界面,而又是每次能重复的界面。这样形成的接触，一般显示出稳定的电学和机械性能，非常接近于理想的情况(理想因子n? 1.02，非常接近于1)。这种接触的机械粘附性能也很好。原则上，只要掌握好适当的制作工艺，各种金属都能与硅形成好的金属硅化物;而实际上，从冶金结构、电学设计、工艺难度及市场竞争力多方面考虑，能够选择的金属种类还是很有限的。而实际工作中选择金属硅化物，需要根据文献报导和工作中积累的经验，应选择最有把握的金属;同时要从现有条件出发，选择最合适的金属。只有IVA、VA、VIA族即难熔金属和VIII族近贵金属硅化物对我们有用。它还要能承受900?或更高的硅工艺温度，而这只有富硅的硅化物才可以。由于共晶温度低，Pd、Pt、和Ni的硅化物分别不适用于超过700、800、和900?的工艺温度。 硅化物有两种形成方法:(1)金属膜与衬底反应，(2)用蒸发、溅射或CVD直接淀积硅化物膜。制造肖特基二极管多用第一种。在大多数情况下，是通过扩散-限制生长过程形成硅化物。中间金属的形成和金属-硅反应动力学强烈取决于金属膜的性质(厚度、晶粒尺寸、纯度、和缺陷)，衬底制备，界面氧化层厚度和薄膜淀积参数(如能量、温度、和环境压力等)。硅和金属之间的界面氧化层可妨碍金属和硅的相互反应，因而改变了中间金属的形成，成核相只能首先发生在没有界面氧化层处。对于与氧没有或很小亲和力的金属(如Pt、Co、Ni、Pd)，硅和金属之间薄的界面氧化层可能阻止或完全阻止形成硅化物。金属膜厚度、烧结条件也可使中间金属的浓度改变。作为硅化物的一例，下图为Ni-Si系统硅化物各相形成的顺序，及其与厚度、时间、和温度的关系。对于大多数金属，最终相是二硅化物，虽然其中一些是单硅化物，如对Ir其最终相是IrSi。控制硅化物成核和生长的最重要的因素是: 3 (1) 金属-硅界面清洁度， (2) 膜和衬底材料的纯度， (3) 金属原子在硅中的扩散率，反之亦然， (4) 各种相形成的相对自由能， (5) 反应温度。 最好的形成硅化物的生产工艺是自对准工艺。前面提到Co、Ni、Pd、Pt、Ti对于900?以下工艺温度的VLSI技术很有用。是因为它们仅能在硅上形成而导致了自对准工艺。是自对准工艺是先淀积金属到刻好氧化层窗口的硅上，为了重复性好，淀积前要在溅射室内用反溅射等方法对硅片进行原位清洗。淀积金属后，在要求的环境和温度下退火形成硅化物。最后，用选择性湿腐蚀除去未反应的金属而不损伤硅化物和硅。 Ni tNi Si t Si T?280? Ni NiSi 2 Si >t tt>t SiNiNiSi 第 7 页 共 13 页 肖特基整流二极管介绍 镍耗尽 硅耗尽 Ni2Si Ni NiSi 2Si T?400? T?350? Ni NiSi NiSi 52 Si T?750? T?450? NiSi2 Ni NiSi 3 Si 最终相 最终相 Ni-Si相变图 在硅上的氧化膜窗口中形成硅化物的自对准硅化物工艺示意图如下: 1(刻硅上的氧化层 SiO 2 Si 2(淀积Pt Pt 第 8 页 共 13 页 肖特基整流二极管介绍 3(低温烧结 Pt的硅化物 4(腐蚀金属 由硅化物形成的观点而言，Pt和Pd是最好的。它们的形成温度低于CoSi和TiSi。然而它们22的电阻率较高，并在高于700?(PdSi)和800?(PtSi)的温度下聚集成团。在450?以上所有2 的硅化物膜都与Al起反应。当用Al作顶部金属时需要用一种有低电阻率的金属作扩散壁垒。 做好金属硅化物的工艺关键在于镀膜前硅表面没有SiO 。通常的化学腐蚀、清洗方法制备2 的硅表面，由于硅非常活泼，暴露在大气中仅1mS时间就能生成一个单分子层的SiO。通常硅2 表面总有1nm - 2nm厚的SiO ，还有水汽和其他蒸汽的吸附。即使硅表面开始没有SiO ，但22当把这样品放入样品室中，并把样品室抽到最后要求的真空度以前，在这段时间内，硅表面已形成一个薄的氧化层。镀膜前硅表面很薄的氧化层能够严重地抑制硅化物的形成。若氧化物不均匀，可能因此生成不平的界面。甚至只是形成硅化物的小斑点(某些区域SiO隔断了金属与2硅接触)，极浅的肖特基结，边缘的曲率半径很短，会形成低击穿。一系列不同曲率半径，就会造成反向的软击穿。硅表面的氧化层，也造成实际的有效面积减小，正向压降增大。硅表面有薄层SiO是造成正、反向I - V特性不好，成品率低的主要原因。这样为了将硅表面的氧化2 层彻底清除，就要将硅样品抽到高真空后，在真空室内剥离掉2nm – 4nm的表面层。并在露出新的硅表面后，尽快镀上金属膜，这才能保证金属和理想清洁的硅表面接触。为此专门制造了这类设备，带离子枪的电子束蒸发台和带反溅射的(射频)磁控溅射台。有了这两种设备中的一种，就能保证Si表面没有SiO了。在真空中剥离掉2nm - 10nm的一层时，会造成表面2 层的损伤，希望热处理形成金属硅化物时，能将该损伤层消耗掉。如没有上述两种设备，只能采用特殊的清洗方法及选择对硅表面薄SiO不太敏感的金属Pt、Ti等极少数的金属;或者清2 洗后立即进行金属的化学镀等等方法。 较低势垒硅化物研究得较清楚的有:钼(Mo)、钛(Ti)、铬(Cr)、钽(Ta)、钴(Co)等高熔点金属。TiSi是电阻率最低的金属硅化物，集成电路已有应用。TiSi的工艺成熟。 TiSi的222致命弱点是在HF中的腐蚀速率特快，幸好SBD在做好TiSi后的工序中可避免TiSi与HF接22触。CrSi的工艺成熟，有生产的经验。MoSi是国外普遍采用的高可靠的金属硅化物，分析的22 国外样品多数为MoSi/Si接触，其势垒较低，电流密度较大，市场竞争力强。MoSi的工艺难22度较高，对设备的要求也较高。 镀合金膜做金属硅化物的也有，例如PtNi、NiCr合金，其实质都是NiSi,别的金属在其中2有减少应力的作用或起到自对准的作用。 第 9 页 共 13 页 肖特基整流二极管介绍 2.欧姆接触金属化系统的选择。 要生产功率SBD，金属化方面，首先要根据使用要求，选用势垒高度恰当的金属硅化物，制备稳定可靠的肖特基结;其次要同时考虑高可靠的欧姆接触。 上表面金属化有Ag系统和Al系统。Ag系统需要Ni隔离，例如:Al/Ni/Ag,Al/Ti/Ni/Ag,Ti/Ni/Ag,Cr/Ni/Ag等，可避免钎焊时脱落。(例如:Ti/Ag、Ti/Mo/Ag、Ti/W/Ag等，因Ti、Mo、W的不可焊性，软钎焊时会脱落);上电极不钎焊的，可用Ti/Ag. Al系统可以有多种选择:1)AI;2)Ti/Ni/Al;3)Ti/TiN/Al;4)TiW/Al;5)Ti/TiWN/Al 。TiW可以既当接触金属又当阻挡层金属，隔离Al、Au、Ag穿透效果好，可靠性高。TiN，TiWN隔离效果更好。上 电极也有用金(Au)电极的，如Ti/Ni/Au,Cr/Ni/Au,Ti/Pt/Au等，优点是不易氧化、化学稳定性好(耐腐蚀)，易焊接;缺点是成本高。上电极用Al/Ni/Ag有其优点，Al不和硅形成硅化物，可以隔断硅向上电极运动，提高可靠性。下电极有用金(或金砷合金、金锑合金)，利用金硅共金进行硬钎焊。 欧姆接触的比接触电阻应当重视，背面的比接触电阻ρ 受衬底电阻率ρ的影响很大。cB我用Ti接触，测量过n,Si上的比接触电阻ρ 。 c 表一. 比接触电阻的测量结果 2样品 ρ(Ω?cm) ρ (Ω?cm) Bc#-3-71 1.2×10 1.4×10 #-3-42 5.9×10 2.0×10 -3如果衬底用 5.9×10Ω?cm ，对于边长1mm的SBD(有效边长0.7mm)，I = 1A计F算: 2-42 V=J×ρ ? (200A/cm) ×2×10Ω?cmFRCFc-2V?4×10V FRC 这样接触电阻产生附加的正向压降达到40mV以上;如果ρ再增大，接触电阻将更迅速地B -3-3增大，这是不能容忍的。衬底掺As是必要的，ρ?2×10 cm是必须的。[许多高频器件，B 用掺锑(Sb)的衬底，背面要蒸发Au -Sb或Au-As合金。利用合金、再结晶使硅表面Sb或As掺杂浓度大大提高，从而降低了接触电阻。所以蒸发金銻合金或金砷合金是降低衬底接触电阻的好方法。] 另外，上欧姆接触也应注意，金属硅化物上表面不能被氧化，否则也会引入大的接触电阻。 溅射台要注意的问题:1)真空系统最好连续运行，有利维护、保养，不停电为好。2)Ar气减压阀不能用国产的，几乎100% 漏气。3)慎用粉末冶金的靶材，会掉粉末(这是向下溅射的缺点，侧向溅射就可避免此问题。) 3.热处理。 淀积后要进行热处理。热处理的温度多数在200?-750?，少数高于750?。根据金属种类和二极管结构要求来确定。研究多采用快速热退火(减少杂质再分布)，用Ar、N或真空环2境。管式炉用H(30%)、N(70%)混合气，Ar和N都有，尽可能避免气氛参与反应(只有222 Pt处理的最后阶段，希望氧的参与是个例外)，管式炉芯片升到设定温度需要一段时间，热处理时间一般为20’ - 30‘。生产用管式炉为多。石英管要配石英大厢,防止热处理前、后芯片被氧化。目前许多退火温度远大于金属硅化物的形成温度，有些还是因为Si表面有薄SiO ，2不得已而为之。如果确保Si表面无SiO ，退火温度略高于形成温度就可以了。 2 第 10 页 共 13 页 肖特基整流二极管介绍 表二 金属硅化物形成温度 金属硅化物 NiSi NiSi2 TiSi TiSi2 Cr MoSi2 形成温度(?) 350~750 750 500 650 450 525 φ (V) 0.7 0.7 / 0.6 0.57 0.55 B 五(结构 肖特基势垒结近似于理想的单边突变结，其击穿特性应该只取决于硅外延层的掺杂浓度和厚度;但其边缘处的耗尽层弯曲，存在一个高电场，产生低击穿。为降低或消除金属锐边效应，已经采取了多种方法，提出了许多器件结构。采取的结构有:扩散保护环、金属场板电极(金属覆盖在周边SiO上)、双扩散保护环、金属保护环(环区采用高势垒金属)、高阻保护2 层等结构，扩散保护环结构最为实用，肖特基整流二极管用得最多的为扩散保护环结构。扩散保护环结构的横截面如图3。 图3. SBD扩散保护环结构横截面图 其特点是工艺简单成熟，成品率高，有近理想的V-I 特性。其实质是一个环状的PN结二极管和SBD并联，利用PN结保护了SBD的边缘，防止了曲率击穿又减少了反向漏电流。PN结有电荷存贮效应，但I的绝大部分通过肖特基结，反向恢复时间比普通PN结二极管短得多。F 对高频开关应用，还是足够用了。目前扩散保护环结构最现实，肖特基整流二极管都采用扩散保护环结构。扩散保护环结构是用一深扩散保护环将肖特基结包围起来，使肖特基结周边的耗尽层向着边缘电场减小的方向弯曲，将肖特基边缘过度到PN结边缘，反向击穿特性由PN结决定。(扩散保护环结构也是有缺点的，它的寄生电容大，反向恢复时间较长，微波器件不能采用。) 六(工艺途径 肖特基整流二极管的工艺流程和平面二极管大同小异，除金属化较特殊外，其他基本相同。肖特基整流二极管的芯片工艺流程如下: 1( 外延 2( 氧化 3( 光刻 1 4( 离子注入+推进(或浓硼扩散) 5( 光刻 2 6( 势垒金属镀膜(溅射或蒸发) 7( 热处理(快速热处理或管式炉热处理) 第 11 页 共 13 页 肖特基整流二极管介绍 8( 蒸发上电极金属 9( 光刻 3 10( 硅片背面减薄 11( 背面蒸发金属 12( 合金 ( 中测打点 13 14( 划片 上述工艺流程列出了主要工艺，各工艺的准备工作(例如清洗)未列入。平面二极管工艺，内行人都会做，此不赘述。下面讲一些肖特基整流二极管的特殊之处: 1(外延材料: -3a)衬底:电阻率ρ? 2×10Ω?cm, 掺砷(As)，晶向〈111〉。 B 由于As在Si中的固溶度最高，As的原子半径和Si的最接近，所以掺As可以达到体电阻率最低、晶格缺陷最少。由于As的掺杂浓度最高，将来其接触电阻也最小。掺砷衬底的质量对外延层的质量有决定性的影响，对SBD的成品率有重大影响。衬底在外延前最好在背面制造软损伤，进行背面吸除，还要SiO、SiN或多晶硅进行包封。 234 b)外延: 由于掺砷衬底的作用，外延自掺杂效应严重。需采用平板式外延炉，衬底要进行包多晶硅处理。SBD是表面效应器件，要求外延层表面缺陷少。另外要考虑氧化过程中，n型杂质在硅表面的积累，会降低SBD的击穿电压，增大漏电流;这样要增大外延层的电阻率(或增大外延层表面的电阻率)。可以和单边突变的PN结一样,由击穿电压选择外延层的浓度和厚16-3度，但表面浓度要小于1×10cm。 2. 金属硅化物: a) 前清洗。和别的工艺要求相同的是:无有机物沾污、无金属沾污:SBD特殊的要求是有源区表面无SiO。高温工艺的重点是无金属沾污;而SBD的重点是无SiO . 22 b) 镀膜。镀金属膜或镀金属硅化物膜。镀膜的工艺可以是真空镀膜、化学镀，也可以是MOCVD(金属氧化物化学气相沉积)，多数采用真空镀膜。真空镀膜是关键工艺，要求真空系统无油沾污，真空中剥离硅表面层形成的表面损伤浅。膜厚能在线监控，厚度每次重复而又均匀。真空镀膜可以是电子束蒸发，也可以是磁控浅射。MoSi可以镀Mo再热处理形成，也可以2 用MOCVD直接生长MoSi 。工艺途径是多种多样的，要根据设备的能力、再根据现有的经验，2 选择最佳路径。 c) 热处理。不热处理，就不能形成金属硅化物～可见其重要。SBD的电性能随热处理的温度的变化是很灵敏的。金属膜的种类、厚度及热处理的温度、时间，对金属硅化物的形成、各层之间的应力等等有决定性的影响，硅化物是硅上外延出的单晶还是多晶，晶粒尺寸的大小，形成哪些缺陷，对SBD 的电性能有巨大的影响，对成品率及可靠性也是影响非凡。还有热处理前、后要防止氧化也是很重要的。 上述的特殊点是对工艺的要求，具体工艺如何做，请看工艺文件。 七.关键设备 1.外延炉 平板式(可不要，外购外延片) 2.高温炉 用于氧化、扩散、再分布， 退火(配石英大厢) 3.光刻生产线 4.离子注入机 5.LPCVD 分解SiN 、MoSi 342 6.反应离子刻蚀机(RIE) 7.溅射台 带反溅射 8.电子束蒸发台 带离子枪、厚度监控、冷凝泵真空系统 第 12 页 共 13 页 肖特基整流二极管介绍 9.快速退火炉 10. 硅片减薄机 11. 中测(打点)台 12. 砂轮划片机 茅保华、吴允弘 2000.9.18 第 13 页 共 13 页