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1、第9卷第5期1999年济南大学学报JOURNAL OF JINAN UNIVERSITYVol . 9 No. 51999肖特基二极管多层金属化技术孙卯秋(济南市半导体研究所,山东 济南250013)摘 要:本文讨论了肖特基二极管多层金属的设计原则,介绍了多层金属的制备方法、 注 意问题及应用结果。 关键词:肖特基二极管;粘附层;阻挡层;导电层1 引言在一般的器件制造中,如电流密度小,结温较低的器件,铝是单独作为电极的好材料。 由于 肖特基二极管(SBD)为芯片面积较大的功率器件,其电流密度较大,结温较高。而在大电流(105A?cm2)和结温较高(150以上)的情况下,势垒金属有明显的迁移现象
2、,使电极金属、 势 垒金属及Si之间相互扩散和反应,从而改变二极管的性能。为了使它们之间的扩散反应降至最低的限度,必须在电极金属与势垒金属之间加上一层防止扩散的阻挡层叫作扩散势垒。 为了 解决SBD的热疲劳问题以及焊料焊接时的熔蚀作用,背面也采用多金属结构。图1 芯片多层金属结构示意图2 多层金属的性能及设计原则对于SBD除了正面采用多层金属结构外,背面常由多层金属组成,且它们的金属由类似 或相同材料组成。在这种结构中它们分别称为 粘附层、 阻挡层(过滤层)和导电层如图1。多层 金属材料应共同满足下列条件:(1)有良好的导电性; (2)易于淀积成薄 膜; (3)易于刻蚀。 此外各层金属应由表1
3、根据下面的原则来 设计。211 粘附层 它直接与Si或Si O2接触,要求与Si或Si O2粘附良好,性能稳定,它本身不与上、 下两层金属形成高阻化合物,还要求能阻挡导电层、 过渡层与势垒金属形成高阻化合物,并阻止导电 层过渡层与Si形成化合物。此外,要求粘附层与Si形成良好的低阻欧姆接触,其热膨胀系数 与Si相近且与Si的欧姆接触系数小。由表1可知与Si或Si O2粘附性良好的金属有A l、Cr、T i、V、W、M。等。但A l与Si的膨胀系数相差较大,并且Si在A l中有较大的固熔度和较快的 扩散速率,故A l不适合作粘附层。74对SBD来说,此层起到扩散势垒的作用,它能阻挡各层金属之间以
4、及金属与Si之间的相 互扩散和反应,防止由此引起的SBD性能的变化,因此,应选择难熔金属Cr、T i、V等比较合 适,要求此层比较厚一般20003000 。212 阻挡层(过渡层) 要求此层与上、 下两层金属粘附良好,性能稳定。 此层用作焊料的阻挡层,能抗焊料焊接时 的熔蚀作用,通常选用抗铅锡熔蚀好的金属如N i、Pt、Pd等。从表1可知N i、Pt等材料的热膨 胀系数界于A u、A g与Cr、T i之间,这样使得各金属的热膨胀系数依次递增,可以改善多层金 属化系统的热匹配性能。213 导电层 这是多层金属结构的最外层,要求电阻率低、 抗电迁移能力强、 性能稳定、 不易氧化,易与 焊料焊接且导
5、热性能良好,通常采用A u、A g。由于A u价格昂贵,A g还能改善焊料的流散性, 因此,普遍采用A g为导电层,此层厚度较厚一般要求900018000,以利于上、 下电极的焊 接,并能充分保护过渡层不被氧化。表1 半层体器件常用的金属材料的主要性质金属蒸发温度10- 2乇热膨胀系数10- 6? 热导率W?cm电阻率10- 68cm与Si的欧姆接触系数10- 68cmN - Si= 10- 38cm- SiP210- 38cm与Si?Si O浸润性可焊性光刻可能性A l1148252. 372. 65910- 2310- 2很好很难可以Cr12056. 70. 9112. 9310- 241
6、0- 2很好很难可以A u146514. 23. 152. 24-很差很好可以Pb718290. 34620. 65-很差不很容易可以M o253351. 45. 2810- 2610- 2较好可以N i1566130. 8996. 84210- 2210- 2较好不很容易可以Pt2090901731016-很差很好困难A g1049194. 271. 59-很差很好可以T i17378. 50. 242110- 2110- 2很好很难可以W33094. 51. 785. 56-较好很难困难V184780. 625- 26-很好-3 三层金属的制备及注意事项311 三层金属的制备 我们用的是由
7、美国引进的电子速蒸发台,装硅片的行星架是旋转式的,里面有4个钳锅分 别装有不同的金属,金属层的厚度由微机系统自动显示,其制备过程: a.在超净工作台内将待 蒸发的Si片放置行星架上。b.启动电子束蒸发台,使系统进入工作状态。c.衬底预加热,当直 空抽到2. 9410- 4Pa时,温度自动升至100120。d.真空达到112010- 4Pa时系统按蒸 发的工艺条件进行三层金属膜的淀积。e.蒸发结束后取出行星架在超净工作台内取片子。312 注意事项a.硅片表面的洁净情况将直接影响薄膜的质量及金属与硅片的粘接情况,因此在制备金84属膜前硅片必须进行认真有效的清洁处理,注意层与层之间的清洁,避免氧化现
8、象。b.在开始 淀积金属膜前,将硅片在真空中加热到100- 120以去除衬底表面吸附空气的杂质气体。c.为了减小淀积金属膜过程中对Si片表面上的几何阴影的影响,淀积金属膜时,行星架应旋转;另外蒸发背面多层金属膜时,要求硅片背面有合适的光洁度,否则将影响金属膜与硅衬底的粘 附力。4 应用结果411 势垒结反向抗烧毁能力由于采用多层金属化技术,我们的SBD反向抗烧毁能力明显得到改善,势垒结可承受300- 400mA的反向浪涌电流而不被烧毁。以2DK10100为例,可承受反向电压140V ,脉宽为10m s的反向浪涌电流200300mA而确保回路安全。412 正向浪涌电流IFS M 其正向浪涌电流的
9、承受能力也已达到美国IR公司器件的水平,例如我们生产的2DK10100和2DK1640,正向浪涌电流IFS M分别为100A和300A ,对应IR公司的同类产品10CTQ 140和16CTQ 060其IFSM分别为100A和255A。413 可靠性能考核试验 由于认真地考虑了正面、 背面的多层金属结构以及焊料、 管壳等热膨胀的匹配,我们将2DK14C和2DK10100送交航天部511所可靠性试验中心按Q ZJ840611“七专” 技术条件进行可靠性考核试验,两种样品都进行了功率老化1000小时与高温1000小时,还作了环境试验与 开帽检查,我们生产的SBD已顺利通过了可靠性考核试验。 试验表明
10、:通过采用多层金属化技术,我们生产的肖特基二极管在正向、 反向抗烧毁能力、 高温性能、 抗热疲劳等可靠性获得明显改善,产品质量已经达到Q ZJ84601“七专” 技术标准,已 获得了显著的经济效益。参 考 文 献:1贾松良 1 功率半导体器件芯片背面多层金属化技术 1 半层体技术, 1990, 4: 26292厦门大学物理教研室编 1 半导体器件工艺原理 1 北京:人民教育出版社, 1979, 2512703M. Bartur andM. N icolet. Chrom iuni as diffusion barrier between N isi, Pdsior Ptsi and A l .
11、 J. Electroch.soc, 1984, 5:119THE TECHNOLOGY OFM ULTIPLE-LAYER M ETALL IZING FOR SBDSUN M ao2qiu(Institute of sem iconductor, Jinan 250013,China)Abstract: This paper, Jinan discusses the design principle of many laryermetals for SBDand introduces the manufacture methods, notice questions and application results.KeyW ords: SBD; A dhere layer; Stop layer; Conduct layer94
