改善肖特基二极管高温工作性能的技术研究

  1. 前言
  一直以来，我厂生产的肖特基二极管高温反偏温度只能达到100℃，但航天、航空等科技领域对半导体器件可靠性和稳定性要求越来越高，为满足更多用户的需要，迫切要求我们提供出具有良好高温性能、稳定和高可靠性的半导体器件。因此我们进行了工艺攻关: 改善肖特基二极管高温性能工艺攻关。攻关目标为: 肖特基二极管高温反偏试验温度由100℃提高到125℃。
 
  2. 存在问题的机理分析
  2.1 技术攻关前产品状态说明
  随机抽取肖特基二极管SBD1、SBD5、SBD10三种产品各三批，攻关前选取100℃高温反偏试验合格的产品，再在125℃时进行高温反偏试验。
  对试验数据进行分析，在125℃时高温反偏试验后，部分产品高温漏电流超标、有一部分高温漏流接近规范值、有一部分产品在125℃时对器件加反偏电压测试, 漏电流随时间不断增大，在3小时内,SBD1、SBD5、SBD10分别有25%、30%、25%热击穿，造成整批报废。将高温反偏后的三种产品分别剔除不合格品后，在125℃时重新进行第二次、第三次高温反偏，淘汰率如表1所示:

 
  2.2 失效机理分析
  为使势垒金属-硅接触面达到紧密接触， 形成稳定的金属硅化物-硅势垒结构，必须进行热处理，但热处理温度的高低将直接影响肖特基产品特性。未经热处理: 界面态密度很高，在金属-硅的界面形成复合中心，反向漏电流较大（见图1中的实线曲线）; 热处理温度低: 此时金属-硅界面中的空键部分已与金属形成共价键，由于温度较低， 尚有一部分硅未形成共价键，界面态密度较高， 漏电流也稍大（见图2 - 1 中的点划线曲线）; 热处理温度适合: 此时大部分空键已形成共价键，也就是形成的金属的硅化物界面态密度很小，漏电流也很小（见图1中的双点划线曲线）; 热处理温度过高: 此时部分金属已成合金点，势垒结构遭到破坏，正向显现结的特性，反向变成欧姆接触曲线（见图1中的虚线曲线）。   由于肖特基二极管是低压大电流表面势垒器件, 外延片背面吃硅、表面出现亮点和雾状缺陷、外延层均匀性差，位错、层错等缺陷严重也能造成漏电流增大。
 
  3. 攻关采取的措施及途径
  3.1 势垒结构的确定
  我厂生产的大电流肖特基二极管是用硅与金属硅化物形成的，在势垒金属的选取上: 一是要求此金属与Si/SiO₂浸润性好、不易氧化、热膨胀系数与Si相近。二是必须从势垒高度、正向压降、反向漏电流等各项参数进行综合考虑。通过对各金属元素的性能比较并查找相关技术资料认为金属Cr、Mo、Ti比较符合要求。通过对它们势垒高度和金属硅化物的势垒高度的比较，热处理以后形成的金属硅化物的热稳定性以及我厂现有设备状况等因素，进行多次试验，综合考虑 ，最终确定采用Ti势垒。
  隔离层的作用是阻挡上、下粘附层之间的相互扩散，从相关资料显示Ni的膨胀系数为13×10^-6/℃、Ti 的膨胀系数为8.5×10^-6/℃、Al的膨胀系数为25×10^-6/℃, Ni介于Ti、Al之间，且热匹配性能良好，是作为隔离层的最佳材料。
  由于焊接层属于芯片最外层，所以要求它性能稳定、不易氧化、容易焊接且具有良好的导电性和导热性。根据上述要求, Ag、Al两种材料比较合适，但从长期可靠性及我厂现有成熟超声键合工艺，选择Al为焊接层。
  最终势垒结构确定为Ti - Ni -Al。
 
  3.2 优化热处理工艺
  为使势垒金属- 半导体接触面达到紧密接触， 形成稳定的势垒结，对热处理温度进行了优化，经过大量、反复的试验，最终确定了最佳的工艺条件。在保证正向压降满足工艺要求的同时，漏电流也较小，并有良好的高温性能。
 
  3.3 加强LPCVD工序掺氧多晶硅及氮化硅复合钝化膜工艺质量的控制，进一步减少钠离子、有机物和水汽及氧气的沾污。
  为解决器件的反向蠕动、漂移、高温反向漏电等现象，LPCVD方法连续生长掺氧多晶硅和氮化硅，取代热氧化生长的SiO₂。因为钝化层中的掺氧多晶硅与热氧化生长的SiO₂相比有以下五大优点：
  (1)掺氧多晶硅是淀积形成的，成分与硅衬底相近，不存在热氧化生长的SiO₂- Si系统固有的固定电荷。
  (2)掺氧多晶硅是在600℃～650℃的低温下形成的，与Na+离子沾污的几率低于热氧化生长的SiO₂。
  (3)掺氧多晶硅是半绝缘膜，能克服势垒区雪崩击穿引起的电压蠕变现象。
  (4)掺氧多晶硅能屏蔽外电场和离子沾污，从而使器件的稳定性和可靠性得到提高。
  (5)掺氧多晶硅的微弱导电性， 可消弱表面势垒区的电场强度，从而提高由于受表面限制时的击穿电压值。从而提高由于受表面限制时的击穿电压值。掺氧多晶硅的致密性比SiO₂ 好，在硅片表面生长一层掺氧多晶硅后，原来的SiO₂-Si界面成为现在的O-SiPOS-Si界面，能更有效地阻止表面上各种离子的沾污。在掺氧多晶硅层上再继续生长一层更为致密、更稳定的氮
化硅膜，对硅片表面的钠离子、有机物和水汽及氧气形成更致密的屏蔽层，大大减小漏电流，改善了表面漏电现象，器件稳定性和可靠性得到更进一步提高。
 
  3.4 加强外延材料入厂检验
  进一步加强外延材料入厂检验。进厂检验测外延片时，入厂复验规范质量要求严于国家标准，以保证产品质量。
 
  4. 产品质量与可靠性的提高情况分析
  攻关前， 肖特基系列产品在125℃下进行多批次的高温反偏试验，但均未通过。部分产品热击穿、部分产品高温漏流分别高于各自产品规范值。
  技术攻关后，在125℃下做高温反偏试验后，肖特基系列产品高温漏电流远远低于产品规范值的要求。高温反偏筛选后没有发现热击穿，高温反偏淘汰率为零。达到了工艺攻关目标。通过筛340小时高温反偏试验，产品全部合格。说明产品质量和可靠性得到了很大提高。
 
  5. 技术成果水平及应用条件范围
  本攻关通过了由权威联合专家组成员、联合机构和使用单位专家组成的鉴定委员会的技术鉴定。鉴定委员会一致认为: 该项目攻关有效提高了肖特基二极管高温反偏性能，使反偏温度从100℃提高到125℃，并使常温和高温漏电流均得到改善，该项目攻关提高了肖特基二极管系列产品高温工作可靠性的整体水平，提高了产品的质量和可靠性。



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