45V肖特基二极管新型结构设计技术

  随着电子科技技术的不断发展，电下产品更加小型化、便携化。整机设计尺寸的变小，要求内部芯片占用比例缩小。传统肖特基二极管阳极和阴极分别位于硅片两侧，芯片厚度较大，同时多个肖特基二极管串并联占用空间较大。因此，在保证设计要求的前提下，采用肖特基二极管裸片封装很有必要。
  本文设计和试制了反向击穿电压45 V和正向导通压降0.45 V的肖特基二极管，提出了利用PN结隔离的方法。在同一个芯片内部集成多个靠近结终端处结构彼此基本相同、远离终端处结构相似的肖特基二极管小单元(称为元胞)，各元胞之间利用结隔离的方法实现电学绝缘。另外，利用穿通光刻工艺将二极管产品的负极引到正面，将正、负两极间隔布置，做在芯片的同一平面上，减小了单个二极管的厚度，也便于多个晶体管连接，实现了整片封装。再通过对比各种终端设计，最终选择了工艺简单利于实现的离子注入保护环的方法来提高击穿电压，减小边缘泄漏电流。
 
  1. 器件结构设计
  传统的肖特基二极管采用金属半导体形成肖特基势垒，如图1所示。(1)阳极和阴极位于硅片两侧，所以肖特基二极管的阴极位于芯片底部，是连成一片的，不能做隔离设计实现裸片封装；(2)大规模集成电路需整个硅片集成上万个二极管，若将各个独立的二极管串联或并联起来，必将占用较大空间。另外，阳极和阴极的金属层增加了芯片的厚底，不利于大规模集成电路最小空间的设计；(3)没有场限环的设计，导致此类结构反向耐压一般不超过20 V，甚至低6~7V。

 
  1.1 隔离结设计
  以P型Si为衬底，设计反向耐压为45 V的肖特基二极管。若两个肖特基二极管或其他两个器件互相毗邻，其会因外延层相同而彼此影响，产生寄生电容、寄生晶体管等，降低了反向耐压，增大了漏电流，甚至会因彼此穿通短路而失效。为了将不同的元器件隔离开，常用的隔离方法有PN结隔离、介电质隔离和沟槽隔离。
  然而，介质隔离和沟槽隔离均要进行表面刻蚀，需要多次光刻，也就需要更多的光刻掩膜板，易导致沟槽表面形貌发生变化。一些原来位于体内的缺陷逐渐显露到硅片表面，造成晶格缺陷，在沟槽表面处电势线较为集中，导致漏电增大，且器件在减薄之后器件厚度小，再进行刻槽工艺会增大碎片率。两种方法均增大了工艺难度，并增加了成本。
  选用P型抛光片，如图2所示。再进行N型扩散。在N型扩散之后，在晶片的表面通过外延生长一层N型的外延层。该埋层作为肖特基二极管的阴极区。为了引出肖特基二极管阴极区，需要通过将N+埋层上推和外延层向下扩散对接形成。外延层生长后，将其氧化并在埋层的两边各光刻一个小孔。同时要进行P型掺杂步骤，并使其达到P型晶片的表面和接通P型衬底。通过以上步骤，每边P型掺杂区和底部P型晶片形成了一个U型包围圈，将外延层孤立成一个“N”型小岛”，同一个芯片上的多个在“孤岛”上所形成的元器件就被相互隔离开了。因连在电路中的PN结处于反向模式状态，实现了电学绝缘。  
  与传统PN结隔离工艺方法相比，该结构工艺简单。在保证击穿电压达到50 V的情况下，这种结构可做到fr≥200 MHz。由于与传统工艺具有较好的兼容性，因而易于实现，是一种较理想的结构。
  由于扩散工艺时间长，存在横向扩散，扩散深度杂质分布较难控制，不能保证阴极是否连通，因此采用穿通光刻和离子注入工艺。本文设计的肖特基二极管是通过离子注入生成阴极区，通过穿通光刻引出阴极引线。
 
  1.2 结终端设计
  由于肖特基势垒结属于浅结，边缘处曲率半径很小，击穿电压很低，在实际测试中击穿电压多为十多伏。为解决这一问题，一般对结的终端进行造型处理，常用的结终端技术主要有：场板、场限环、可变表面掺杂、斜表面和耗尽层腐蚀等。
  由于小尺寸裸片封装要求占用芯片面积小，对寄生参数影响尽可能小，在工艺上并不复杂，所以该器件中采用保护环技术，如图3所示。电极是由多层金属溅射淀积而成。   利用Silvaco Tcad软件模拟在正向导通和反向击穿两种情况，其中外延层厚度为5 μm，掺杂浓度为8 x10¹²cm^-3和5 μm，氧化层厚度为1.6 μm。仿真曲线如图4和图5所示，左图为线性曲线图，右图为相应半对数曲线图。从4图中可看出，当纵坐标I_F=0.1A(电极长度为1500 μm)时，施加阳极电压从0V按步进0.05 V增大至1V，在V_Anocle≈0.425 V时，二极管导通，即器件正向导通压降约为0.425 V。从图5中可以看出、施加阴极电压从0 V按步进2.5 V增大至50V，在V_cathode=48.5 V时，器件电流瞬间增大，表明此时器件已击穿，击穿电压约为50 V，且漏电流几乎为0 V，符合设计要求。   2. 制备工艺
  在P型抛光片生长N⁺埋层；(2)通过二次氧化、二次光刻、腐蚀、扩散形成隔离结；(3)通过三次氧化、三次光刻、腐蚀、扩散形成阴极区；(4)采用四次光刻、腐蚀、B离子注入形成保护环。另外，为了将击穿限定在主结，在芯片其他处不出现击穿点甚至是高场的集中区，提高可靠性，做一次补P场控注入。
 
  3. 结束语
  本文采用N型外延结隔离和离子注入保护环结构试制了一种新型3A/45V的肖特基二极管。Silvaco Tcad软件仿真和实验测试表明击穿电压提高、漏电流明显较小，达到了设计目标。测试和仿真结果基本吻合，适合于裸片封装。提出的器件设计方法、结构和工艺对生产实践有一定的指导意义



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