增強芯片可靠性的方法研究

張聰 陳守迎 湯德勇

【摘要】 研究了肖特基芯片勢壘結構與參數性能的原理，結果表明利用擴散勢壘和多層金屬化結構設計工藝，使得肖特基勢壘界面橫向結構十分穩(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。多層金屬化結構利用幾種金屬各自的優(yōu)點相互取長補短，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散勢壘可以有效阻止肖特基勢壘高度ФB值及理想因子n值發(fā)生變化。

【關鍵詞】 擴散勢壘 多層金屬化 反向耐壓 高溫性能 可靠性

目前國內肖特基1A-3A產品由于芯片穩(wěn)定性問題，多用于民品封裝。經過實驗驗證過去民品生產的肖特基芯片無法滿足軍工對高可靠性的要求，應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，因此需要重新設計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）和半導體（N型硅片）的接觸面上，用已形成的肖特基來阻擋反向電壓。

肖特基器件具有開關特性好、反向恢復時間短等特點，主要應用于開關電源、PWM脈寬調制器、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用于計算機、雷達、通訊發(fā)射機、航天飛行器、儀器儀表等方面。

金屬與半導體接觸時，費米能級的匹配要求，導致了金屬與半導體之間電荷轉移的勢壘，通常叫作肖特基勢壘，它是由于金屬和半導體功函數不同而產生的[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是由于電場效應和鏡像力的作用而引起的勢壘高度的降低。

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

q — 電子電荷 k — 玻爾茲曼常數

T — 絕對溫度 n — 理想因子

εS — 半導體的介電常數 ND — 雜質濃度

VD — 擴散電位 ФB— 勢壘高度

α — 經驗參數

以上幾個公式是設計的基本依據。由公式可知，器件的正反向參數與肖特基勢壘高度ФB、理想因子n及外延層參數有很密切的關系。

二、工藝創(chuàng)新設計

2.1擴散勢壘的創(chuàng)新設計

近年來，金屬硅化物在肖特基二極管中得到了廣泛的應用，但是上層電極與硅化物層的兼容問題仍是一個值得注意的重要問題。硅化物的用途不僅提供一個合適的肖特基勢壘，而且還能防止電極金屬和硅之間的反應，但是由于電極金屬也和硅化物起反應，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，它們容易形成金屬化合物，在器件的電學特性上表現為肖特基勢壘高度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，通常可以在電極金屬和硅化物層之間形成一層擴散勢壘。

選擇擴散勢壘材料的最重要參數是再結晶溫度Tc、電阻率及原子擴散系數。目前用作擴散勢壘的材料有：Ta、W、Ti、Mo、Cr和V等難熔金屬。硅化物也可用作擴散勢壘。從原子擴散系數來說，單晶層是最有效的擴散勢壘，但是目前還未能制備出來。非晶金屬合金是較好的擴散勢壘材料（TC超過700℃是可能的），非晶與多晶相比較，其擴散系數低一個數量級，因為多晶中有一個沿晶粒邊界擴散的問題。非晶金屬合金的缺點是電阻率較大（典型值為100μΩ·cm ），而難熔金屬作為擴散勢壘時其電阻率要低得多。

根據以上所述及我們的設備條件，決定采用難熔金屬Ti作為本器件的擴散勢壘。我們的實驗結果表明：當溫度在420℃以下，將器件的芯片退火20分鐘，其勢壘的電特性較穩(wěn)定，勢壘高度φB值和理想因子n值基本不變，在此溫度以上退火，勢壘開始失效。我們也同樣做了在沒有Ti層作為擴散勢壘時的實驗，將芯片在380℃以下退火20分鐘，肖特基勢壘的電特性較穩(wěn)定，在此溫度以上退火，勢壘開始失效。這就說明Ti作為肖特基二極管的擴散勢壘，對阻擋電極金屬與勢壘金屬之間的擴散反應，效果是顯著的。

2.2多層金屬化結構的設計

在一般器件的制造中，如電流密度較小、結溫較低的器件，鋁是單獨作為電極使用的好材料，但是對電流密度大、結溫高以及可靠性、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。多層金屬結構是利用幾種金屬各自的優(yōu)點相互取長補短[2]。

本器件為芯片面積較大的功率器件，要求電流密度較大，結溫較高，除了芯片正面采用多層金屬結構外，背面也采用多層金屬層。下面討論本器件多層金屬化系統的設計。

多層金屬之間的接觸應該是穩(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程中，形成氧化物是一個相當普遍的現象，因此，在多層金屬化的工藝流程中，應嚴格操作規(guī)程，并注意層與層之間的清潔，避免氧化現象，同時也應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，還要求能阻擋導電層、過渡層與勢壘金屬形成高阻化合物，并阻止導電層、過渡層與Si形成化合物。

過渡層要求這層金屬與上下兩層金屬都不產生高阻化合物，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為過渡層。下面將要提到導電層的常用金屬為Au、Ag等。但是不能將Au、Ag 膜直接與粘附層Cr 、Ti 、V等接觸，因為Au、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導電層與Cr、Ti、V粘附層之間需要設置過渡層。

導電層是多層金屬結構的最外層，要求電阻率低，抗電遷移能力強，性能穩(wěn)定，不易氧化，易與過渡層粘接且導熱性能良好，通常采用Au或Ag。由于Au價格昂貴，Ag還能改善焊料的流散性，因此，本器件選用Ag為導電層。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，并能充分保護過渡層不被氧化。

三、試驗結果

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

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家科學技術部名為“高可靠功率玻封肖特基器件封裝技術研究”的科技成果。

四、致謝

感謝濟南市半導體元件實驗所芯片生產線的同事們對本次試驗所提供的幫助。

參 考 文 獻

[1]楊碧梧.肖特基二極管保護環(huán)結構的研究[J].山東電子，1997，1，：39-40.

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

[3]<德>H.-G.翁格，W.哈特，《高頻半導體電子學》.