肖特基二極管的制作方法

專利名稱：：肖特基二極管的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本實(shí)用新型涉及一種半導(dǎo)體二極管器件，特別是涉及一種肖特基二極管。
背景技術(shù)：
：肖特基二極管是基于半導(dǎo)體物理金屬一半導(dǎo)體接觸理論發(fā)展出來的一種雙端半導(dǎo)體器件。肖特基二極管正向壓降低、反向恢復(fù)時(shí)間短、開關(guān)速度快、噪聲系數(shù)小、串聯(lián)電阻小，有良好的高頻特性和開關(guān)特性，利用肖特基二極管的非線性電阻，還可以作為微波混頻器用；作為變?nèi)荻O管可以應(yīng)用于參量放大器；在超高速邏輯電路中可以用其作為快速鉗位二極管；肖特基二極管廣泛應(yīng)用于各種高頻、微波及高速電路中，肖特基二極管還特別適用于開關(guān)電源。由于開關(guān)電源體積小、重量輕、效率高，所以是取代傳統(tǒng)電源的理想選擇，開關(guān)電源廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、雷達(dá)、電視機(jī)、通訊發(fā)射與接收機(jī)、航天器、儀器儀表等方面?，F(xiàn)有的肖特基二極管存在以下缺點(diǎn)l.一般未設(shè)有保護(hù)環(huán)，器件反向偏置時(shí)，由于肖特基結(jié)極淺，空間電荷區(qū)在其拐角處曲率半徑很小，故此處的電場強(qiáng)度很高，可以超過硅的雪崩擊穿強(qiáng)度，產(chǎn)生雪崩擊穿，導(dǎo)致肖特基二極管反向擊穿電壓降低。2.肖特基勢壘通常是通過鋁等金屬材料與半導(dǎo)體接觸形成的，通過這種方式形成的肖特基結(jié)處于半導(dǎo)體的表面，所以半導(dǎo)體表面存在的大量的表面態(tài)使得肖特基結(jié)的特性不穩(wěn)定，另外，多數(shù)導(dǎo)電良好的金屬材料容易發(fā)生氧化反應(yīng)，這也嚴(yán)重影響了肖特基結(jié)的特性。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問題是，克服已有技術(shù)的缺點(diǎn)，提供一種無污染，可降低噪聲、低功耗、超高頻、降低肖特基勢壘的正向壓降和反向漏電流的肖特基二極管。本實(shí)用新型所采用的技術(shù)方案是肖特基二極管，包括硅襯底、硅外延層、二氧化硅、P+保護(hù)環(huán)、金屬硅化物、擴(kuò)散阻擋層和金屬電極層；硅襯底上生長有硅外延層，外延層上沉積有二氧化硅，硅襯底和硅外延層為N型半導(dǎo)體硅材料，在硅外延層中具有P型導(dǎo)電性的保護(hù)環(huán)，P+區(qū)與外延層形成一單邊突變PN結(jié)，與肖特基結(jié)并聯(lián)，金屬硅化物在二氧化硅的窗口內(nèi)，在二氧化硅的窗口上依次覆蓋擴(kuò)散阻擋層和金屬電極層。所述硅外延層的厚度為4-5pm，電阻率pE為0.5-0.6Ohm-cm，管芯面積為12250n)2(0.35X0.35mm)，保證肖特基結(jié)的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)。所述襯底層(1)的摻雜濃度為No-2E19cm-3，艮P3E(-3)Ohm-cm，外延層的摻雜濃度為ND二9E15cm-3，即0.6Ohm-cm，所述金屬硅化物為硅化鈦(TiSi2)，所述擴(kuò)散阻擋層材料為鎳(M)，所述金屬電極的引出材料為銀(Ag)，鎳(Ni)層的厚度為1000A，電極引出層厚度為10000A。本實(shí)用新型的有益效果是由于采用了P+保護(hù)環(huán)、新的金屬硅化物肖特基勢壘形成工藝和綜合管芯設(shè)計(jì)及工藝參數(shù)循環(huán)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了低噪聲、低功耗、超高頻等器件技術(shù)指標(biāo)，具有優(yōu)良的正向和反向特性，提高了肖特基二極管的性能。圖1是本實(shí)用新型肖特基二極管V-I特性圖2是本實(shí)用新型肖特基二極管的管芯結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本實(shí)用新型肖特基二極管的正向壓降特性示意圖；圖4是本實(shí)用新型肖特基二極管的反向壓降特性示意圖。具體實(shí)施方式以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)說明。如圖1和圖2所示，本實(shí)用新型肖特基二極管，包括硅襯底l、硅外延層2、開有窗口的二氧化硅3、P+保護(hù)環(huán)4、金屬硅化物5、擴(kuò)散阻擋層6和金屬電極層7;硅襯底1上生長有硅外延層2，外延層2上沉積有二氧化硅3，在硅外延層2中形成有保護(hù)環(huán)4，所述保護(hù)環(huán)擴(kuò)散是由環(huán)繞肖特基勢壘區(qū)外部的P+區(qū)域構(gòu)成。P+是通過硼擴(kuò)散形成的。由P+區(qū)與『外延層形成了一個(gè)單邊突變PN結(jié)，與肖特基結(jié)并聯(lián)。PN結(jié)的正向?qū)妷?或稱正向壓降)為0.6V，遠(yuǎn)高于肖特基結(jié)，故并聯(lián)PN結(jié)的存在不會(huì)影響整個(gè)器件的肖特基特性。加入保護(hù)環(huán)后，由于P+區(qū)的深度較大，而其底部呈球形，故使得空間電荷區(qū)在拐角處的曲率半徑增大，降低了此處的電場強(qiáng)度。這不僅提高了器件的反向擊穿特性，而且降低了器件的噪聲。從以上分析不難看出，保護(hù)環(huán)所形成柱狀PN結(jié)的反向擊穿電壓BVRPN大于肖特基結(jié)的反向擊穿電壓BVRS，艮卩萬^w〉sr^。金屬硅化物5在二氧化硅3的窗口內(nèi)，在二氧化硅3的窗口上依次覆蓋擴(kuò)散阻擋層6和金屬電極層7。所述金屬硅化物5為硅化鈦(TiSi2)，所述擴(kuò)散阻擋層6材料為鎳(Ni)，所述金屬電極7引出材料為銀(Ag)。肖特基勢壘是肖特基二極管的核心器件，也是本實(shí)用新型的發(fā)明點(diǎn)之一，現(xiàn)以金屬與N型半導(dǎo)體接觸形成肖特基勢壘為例進(jìn)行詳細(xì)說明。肖特基勢壘的電流一電壓關(guān)系(I-V)可以用下式表達(dá)<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>(2)式中:J:肖特基結(jié)電流密度V:電壓q:電子電荷k:玻爾茲曼常數(shù)T:絕對溫度Dn:電子擴(kuò)散系數(shù)Nc:導(dǎo)帶有效狀態(tài)密度ND:施主濃度(VS)。表面勢介電常數(shù)Sr:相對介電常數(shù)Ons:勢壘高度(1)式可以看出，電流主要由因子etr—l所決定。當(dāng)加正向電壓時(shí)(V>0)，qV遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于kT,貝^i遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1，于是(1)式可以簡化為下面的(3)式，用來描寫肖特基勢壘的正向伏安特性<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>(3)從(3)式可以看出，肖特基結(jié)在正向偏置下(正偏)，電流與電壓呈指數(shù)關(guān)系，即正向電流隨肖特基勢壘上所加的正向電壓增加呈指數(shù)增長。當(dāng)肖特基結(jié)施加反向電壓時(shí)(反偏)，V<0，1《"遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于kT，e^遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于l，可以略去。則可以獲得肖特基勢壘的反向伏安特性表達(dá)式如下<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>(4)將上述G)(4)兩式綜和，可以得出如圖l所示的肖特基結(jié)的典型I-V(電流-電壓)特性曲線圖。金屬材料的選擇是影響肖特基二極管特性的關(guān)鍵。金屬材料的選擇應(yīng)符合下述幾個(gè)條件具有良好的導(dǎo)電性能(即低的電阻率)，且微區(qū)徑向分布均勻；具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和溫度穩(wěn)定性；與半導(dǎo)體接觸后具有較低的勢壘高度，因?yàn)閯輭靖叨仍诤艽蟪潭壬蠜Q定了肖特基二極管的正向壓降。金屬硅化物具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和溫度穩(wěn)定性，電阻率較低，選擇不同的金屬硅化物可以獲得不同的肖特基勢壘高度，最重要的是金屬硅化物的形成工藝與半導(dǎo)體器件制備工藝完全兼容。半導(dǎo)體材料硅與不同的金屬硅化物接觸所形成的肖特基勢壘高度如表1所示表l.不同金屬硅化物與硅接觸肖特基勢壘高度二硅化物(MSi2)勢壘高度(eV)其他硅化物(MxSiv)勢壘高度(eV)TiSi20.6HfSi0.53VSi20.65MnSi0.76CrSi20.57CoSi0.68ZrSi20.55NiSi0.7MoSi20.55Ni2Si0.7TaSi20.59RhSi0.74WSi20.65Pd2Si0.74CoSi20.64Pt2Si0.78NiSi20.7PtSi0.87IrSi0.93Ir2Si0.85IrSi30.94根據(jù)本實(shí)用新型所涉及器件的技術(shù)指標(biāo)要求和表1所列出的各種金屬硅化物的肖特基勢壘高度，本實(shí)用新型選擇硅化鈦(TiSi2)作為肖特基勢壘接觸材料。其金屬層可以采用真空蒸發(fā)、磁控濺射或電子束蒸發(fā)來制備。根據(jù)我們所擁有的技術(shù)手段，本產(chǎn)品采用先進(jìn)的電子束蒸發(fā)來形成Ti層，Ti層的厚度為3000A。金屬硅化物與電極材料之間設(shè)置一層導(dǎo)電金屬阻擋層；所述擴(kuò)散阻擋層6材料為鎳(Ni)，所述金屬電極7引出材料為銀(Ag)，所述Ni阻擋層及Ag電極引出層均采用電子束蒸發(fā)工藝進(jìn)行制備，M層的厚度為1000A，電極引出層厚度為10000A。使用金屬硅化物雖然可以制備具有良好肖特基特性的二極管，但是一般金屬硅化物的可焊性較差，不能直接作為電極材料使用，因此，必須采用可焊性能良好的其它導(dǎo)電金屬材料來制備引出電極，換言之，必須使用多層材料進(jìn)行器件的金屬化。當(dāng)電極引出材料與金屬硅化物接觸后，在一定的溫度下會(huì)與其發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成多元金屬復(fù)合硅化物，多元金屬硅化物的存在會(huì)產(chǎn)生器件性能不穩(wěn)定的情形，表現(xiàn)為肖特基勢壘高度。sn和理想因子n(n的理想值為l)的改變，從而導(dǎo)致器件電學(xué)參數(shù)的退化。為了克服這一問題，必須在金屬硅化物與電極材料之間加入一層導(dǎo)電金屬阻擋層。選擇阻擋層材料的主要參數(shù)是再結(jié)晶溫度Tc、材料的電阻率和硅化物及電極材料原子在其材料內(nèi)的擴(kuò)散系數(shù)。常用的材料有Ta、Ni、W、Ti、Mo、Cr、V等難熔金屬。此外，還可以采用金屬合金作為阻擋層，如Nb-Ni、Mo-Ni、Si-Ni、Si-W、Mo-Si、Ir-Ta、Ni-W、TiN等。在本實(shí)用新型所涉及的產(chǎn)品中，采用鎳(Ni)材料做為阻擋層，采用銀(Ag)做為電極的引出材料。Ni阻擋層及Ag電極引出層均采用電子束蒸發(fā)工藝進(jìn)行制備，M層的厚度為1000A，電極引出層厚度為10000A。在電極引出層的上面使用銀球作為最后接觸電極。這種帶有阻擋層的多層金屬化設(shè)計(jì)較好的實(shí)現(xiàn)了器件的各項(xiàng)電學(xué)和可靠性指標(biāo)。如圖3和圖4所示，肖特基二極管的正向壓降Vf主要取決于肖特基勢壘的正向壓降Vj和串聯(lián)電阻RF。即肖特基勢壘正向壓降Vj與正向電流lF在串聯(lián)電阻Rp上的壓降之和<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>5)Vj主要取決于肖特基勢壘高度化n，Osn越大，則Vj越大。當(dāng)肖特基勢壘高度Om在外延層電阻率為0.15-20Ohm-cm之間時(shí)，與外延層的電阻率無關(guān)。因此，當(dāng)金屬硅化物材料選定后，Vj的數(shù)值便決定了。串聯(lián)電阻Rp為襯底層電阻Rs、外延層電阻RE、金屬化層電阻RM之和，艮P:(6)式中，由于襯底電阻率很低，為nE(-3)Ohm-cm，且在器件制造中經(jīng)過減薄處理，故Rs很?。籖M為金屬化層電阻，在設(shè)計(jì)中通過調(diào)整電阻率和厚度，可使Rm很小。忽略不計(jì)襯底層電阻Rs和金屬化層電阻RM有:從(7)式可以看出，串聯(lián)電阻re與外延層的電阻率Pe、外延屋的厚度Te和管芯的面積s有關(guān)，增加管芯面積s，不僅可以增加肖特基二極管的最大正向電流指標(biāo)，而且可以降低器件的正向壓降。但是，管芯面積s的增加將導(dǎo)致結(jié)電容Cj的增加，從而影響器件的頻率特性，因而需要綜合考慮。在本實(shí)用新型中選取BVRPN=60V，根據(jù)半導(dǎo)體物理中的單邊突變結(jié)理論，可以計(jì)算出外延層的施主雜質(zhì)濃度為ND=9E15cm—3，即0.6Ohm-cm。又，可以計(jì)算出此結(jié)在60V反偏下空間電荷區(qū)寬度為3um，外延層的厚度要大于此值，考慮到充分的余量，外延層可設(shè)計(jì)為4-5"m，由此可以決定硅外延片的基本參數(shù)如下電阻率pE=0.5-0.6Ohm-cm外延層厚度TE=4-5,管芯面積為1225(pm)2(0.35X0.35mm)。保護(hù)環(huán)采用二步硼擴(kuò)散(固態(tài)源沉積和再擴(kuò)散)工藝完成。通過本實(shí)用新型制作的肖特基二極管的主要性能指標(biāo)如表2。表2.本實(shí)用新型所涉及的肖特基二極管的主要性能指標(biāo)<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>本實(shí)用新型所涉及的肖特基二極管采用DO-35標(biāo)準(zhǔn)封裝。值得指出的是，本實(shí)用新型的保護(hù)范圍并不局限于上述具體實(shí)例方式，根據(jù)本實(shí)用新型的基本技術(shù)構(gòu)思，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員無需經(jīng)過創(chuàng)造性勞動(dòng)，即可聯(lián)想到的實(shí)施方式，均屬于本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。權(quán)利要求1.一種肖特基二極管，包括硅襯底(1)、硅外延層(2)、二氧化硅(3)、P+保護(hù)環(huán)(4)、金屬硅化物(5)、擴(kuò)散阻擋層(6)和金屬電極層(7)；其特征在于硅襯底(1)上生長有硅外延層(2)，外延層(2)上沉積有二氧化硅(3)，硅襯底(1)和硅外延層(2)為N型半導(dǎo)體硅材料，在硅外延層(2)中具有P型導(dǎo)電性的保護(hù)環(huán)(4)，P+區(qū)與外延層(2)形成一單邊突變PN結(jié)，與肖特基結(jié)并聯(lián)，金屬硅化物(5)在二氧化硅(3)的窗口內(nèi)，在二氧化硅(3)的窗口上依次覆蓋擴(kuò)散阻擋層(6)和金屬電極層(7)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的肖特基二極管，其特征在于所述硅外延層(2)的厚度為4-5jun，電阻率向?yàn)?.5-0.6Ohm-cm，管芯面積為1225nm20.35X0.35mm。3.根據(jù)權(quán)利要求l所述的肖特基二極管，其特征在于所述襯底層(1)的摻雜濃度為Nc^2E19cnr3，即3E-3Ohm-cm，外延層(2)的摻雜濃度為ND=9E15cm—3，即0.6Ohm-cm，所述金屬硅化物(5)為硅化鈦TiSi2，所述擴(kuò)散阻擋層(6)材料為鎳Ni，所述金屬電極(7)的引出材料為銀Ag，鎳Ni層的厚度為1000A，電極引出層厚度為10000A。專利摘要本實(shí)用新型公開了一種肖特基二極管，包括硅襯底、硅外延層、二氧化硅、P⁺保護(hù)環(huán)、金屬硅化物、擴(kuò)散阻擋層和金屬電極層；硅襯底上生長有硅外延層，外延層上沉積有二氧化硅，硅襯底和硅外延層為N型半導(dǎo)體硅材料，在硅外延層中具有P型導(dǎo)電性的保護(hù)環(huán)，P⁺區(qū)與外延層形成一單邊突變PN結(jié)，與肖特基結(jié)并聯(lián)，金屬硅化物在二氧化硅的窗口內(nèi)，在二氧化硅的窗口上依次覆蓋擴(kuò)散阻擋層和金屬電極層。有益效果是由于采用了P⁺保護(hù)環(huán)、新的金屬硅化物肖特基勢壘形成工藝和綜合管芯設(shè)計(jì)及工藝參數(shù)循環(huán)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了低噪聲、低功耗、超高頻等器件技術(shù)指標(biāo)，具有優(yōu)良的正向和反向特性，提高了肖特基二極管的性能。文檔編號(hào)H01L29/66GK201126822SQ20072010011公開日2008年10月1日申請日期2007年10月24日優(yōu)先權(quán)日2007年10月24日發(fā)明者韓建軍申請人:天津市立正科技發(fā)展有限公司