一种具有钛钨层的肖特基势垒二极管及其制造方法与流程

1.本发明涉及半导体芯片领域，更具体地说，涉及一种具有钛钨层的肖特基势垒二极管结构及其制造方法。


背景技术：

2.肖特基势垒二极管，它属一种低功耗、超高速半导体器件，目前被广泛应用在各种电源模块中。随着集成电路的技术不断更新进步，电源集成化程度越来越高，采用越来越自动化的smt设备和无铅焊接的工艺。因此，肖特基势垒二极管必须具有高的可靠性和适用于不同封装工艺，焊接工艺才能满足各种应用的需求。为满足这个需求，可以在正面金属与金属硅化物之间需要增加一层扩散阻挡层。扩散阻挡层既能阻碍金属的扩散，又能有效改善金属薄膜与金属硅化物之间的结合强度。钛钨合金由于具有较好的表面附着能力、稳定的热机械性能、较小的体积膨胀效应、低的电子迁移率、高的抗腐蚀性能和化学稳定性等优点，成为金属和硅化物之间扩散的最佳候选薄膜，特别适用于高电流和高温的严苛环境。
3.肖特基二极管是以金属和半导体接触形成的势垒为基础的二极管，简称肖特基二极管(schottky barrier diode)，典型的肖特基整流管的内部电路结构是以n型半导体为基片，在上面形成用磷作掺杂剂的n-外延层。阳极使用银或铝等材料制成电极金属层。用二氧化硅(sio2)来消除边缘区域的电场，提高管子的耐压值。具有正向压降低(0.4
‑‑
0.5v)、反向恢复时间很短(10-40纳秒)，而且反向漏电流较大，耐压低，一般低于200v，多用于低电压场合。肖特基二极管的耐压能常较低，但是它的恢复速度快，可以用在高频场合，故开关电源采用此种二极管作为整流输出用，快恢复二极管是指反向恢复时间很短的二极管(5us以下)，工艺上多采用掺金措施，结构上有采用pn结型结构，有的采用改进的pin结构。从性能上可分为快恢复和超快恢复两个等级。这两种管子通常用于开关电源。肖特基二极管和快恢复二极管区别：前者的恢复时间比后者小一百倍左右，肖特基二极管优点还有低功耗，大电流，超高速。
4.但常规肖特基二极管结构简单，抗外界条件的机械应力和焊接应力弱，从而引起产品较高的失效率，降低产品的使用寿命。另一方面由于产品结构设计上的可靠性偏低，对生产制造工艺提出了很大的挑战，引起产品的重复性较差，并且限制了产品在恶劣环境条件和应用条件下的应用。在肖特基二极管结构中加入钛钨层，有助于解决常规肖特基二极管的缺点。
5.cn201810997251x公开了倒装发光二极管芯片由外延片、阶梯状银基p型电极、第一层sio2绝缘层、dbr绝缘层、中间金属层、第二层sio2绝缘层、n型焊盘和p型焊盘依次组成。引入阶梯状电极结构，通过ag金属反射层与tiw/pt/tiw/pt/tiw/pt金属阻挡层构成银基p型电极，可以有效的提高银薄膜的欧姆接触特性和反射率。


技术实现要素：

6.针对现有技术中存在的问题，本发明所要解决的技术问题是，提供一种抗应力等
的肖特基二极管结构，来满足不同焊接工艺等级后续制备工艺和使用时的恶劣环境下应用的需求。
7.本发明的目的通过以下技术方案实现，一种肖特基势垒二极管，在肖特基势垒硅化物和正面金属之间有一层钛钨层；二极管从上之下依次为正面金属(电极)7，钛钨层6，肖特基势垒层5，n-外延层2，n 衬底层1，背面金属(电极)8。肖特基势垒可以为n-外延层钛钨层间形成的肖特基势垒。更好的是通过溅射cr，nicr，nipt或pt金属形成肖特基势垒；肖特基势垒位于n-外延层和钛钨层之间；钛钨层下面肖特基势垒层周围还设有氧化层。
8.所述的钛钨层6的厚度为100nm以上。
9.钛钨层8使用的钛钨合金是以钨为基加入钛元素组成的合金，钛钨合金靶中钨和钛的重量比是9:1，纯度是99.99％以上。钛钨层不但导电满足肖特基金属的要求，在物理性能上优于一般的金属电极材料，如优于金、银、铜或其合金等。
10.氧化层即二氧化硅(sio2)来消除sbd结边缘区域的电场，提高管子的耐压值
11.肖特基势垒层，n-外延层，衬底层制备完成后在肖特基势垒硅化物和正面金属电极之间有一层钛钨层，再制备正面电极。其目的一是用于阻挡正面金属向势垒层的扩散，保护肖特基势垒的特性；二是钛钨层因其材质特性可以起到良好的机械匹配性，降低器件内部结构的机械应力以及缓减外来的应力传递到肖特基势垒层。本发明使用的钛钨合金是以钨为基加入钛元素组成的合金。钨的熔点最高，高温强度和抗蠕变性能以及导热、导电和电子发射性能都好。钛具有良好的表面粘附性能及耐腐蚀性。
12.有益效果，相比于现有技术，本发明的优点在于：
13.(1)芯片结构简单，自右往左分为三层结构，易于制造，适应性好，兼容性高；
14.(2)肖特基势垒层和正面金属之间采用钛钨层，用于阻挡正面金属向势垒层的扩散，保护肖特基势垒层，同时，降低正面金属电极制作过程中传递到肖特基势垒层的应力，以后降低了后续制程中有关机械应力外来的应力传递到肖特基势垒层的应力，可以抗更高的高低温的温度应力和焊接应力，提高肖特基势垒二极管的可靠性，延长了二极管的使用寿命；
15.(3)钛钨层采用钛钨靶材溅射工艺来制作，钛钨层厚度更好的在0.1um以上，无需引入特殊的制作工艺和设备，提高了产品的可制造性和工艺的兼容性。
16.(4)钛钨层和肖特基势垒以及正面金属之间的结合性好，有助于散热，提高肖特基势垒二极管的可靠性，延长了二极管的工作寿命；
17.(5)采用正面金属合金和背面减薄的方法，减小了二极管的正向导通电阻，提高了二极管的导通性能，提高了二极管的可靠性；
18.(6)生长的背面金属使用银，使得二极管芯片具有更好的导电性能，可靠性强，能耗低。
附图说明
19.图1为本发明的具有钛钨层的肖特基势垒二极管的截面示意图；
具体实施方式
20.下面结合说明书附图和具体的实施例，对本发明作详细描述。
21.器件包括n 衬底层1，n-外延层2，pn结3，钝化层4，肖特基势垒层5，钛钨层6，正面金属7，背面金属8，芯片截图从上之下依次为正面金属7，钛钨层6，肖特基势垒层5，n-外延层2，n 衬底层1，背面金属8，芯片截图从右到左依次为pn结3芯片，钝化层4，正面金属7。
22.上述一种肖特基势垒二极管的制造方法，包括以下步骤：
23.1.衬底片：n 单晶硅衬底1，n 衬底的电阻率《＝0.005ohm-cm，厚度在300-625um.
24.2.外延层制备：在n 单晶硅衬底区域生产n-外延层2，n-外延层厚度为2μm-30μm，n-外延层电阻率在0.3ohm.cm-10.0ohm.cm；
25.3.氧化层的生长：将步骤2的硅片片置于氧化炉中生长，生成一层氧化层，氧化层厚0.1um，氧化炉温度为800℃-1100℃；
26.4.p 光刻：将步骤3处理完成的硅片进行光刻，光刻制程包括hmds，前烘，涂胶，曝光，显影，坚膜，镜检等一套流程；
27.5.离子注入：将步骤4完成的硅片在60kev-100kev能量下进行硼离子轰击，硼离子注入硅片表面，形成pn结；
28.6.湿刻腐蚀场氧化层：将步骤5处理完成的硅片进行湿刻腐蚀，在p 硼扩散光刻的区域中去除步骤3生长的氧化层；去除p 光刻的光刻胶；
29.7.推进氧化前的表面清洗：将步骤6处理完成的硅片进行表面清洗，清洗采用业内常用的1#液，2#液，hf的清洗；
30.8.推进氧化：将步骤7处理完成的硅片置于扩散炉中，进行推进氧化，激活注入的硼离子，同时pn结的结深增加，生长氧化层；扩散炉温度为1000℃-1200℃；
31.9.接触孔光刻：将步骤8处理完成的硅片进行光刻，重复步骤4的工艺；
32.10.湿刻腐蚀热氧化层：将步骤9处理完成的硅片，使用体积比为6：1-10:1的boe溶液腐蚀掉接触孔中氧化层，并用3#液去除表面的光刻胶；
33.11.肖特基势垒前的表面清洗：使用步骤7的相同方法对上一步骤处理完成硅片进行表面清洗，确保硅片表面的足够的洁净和露出表面无工艺缺陷的硅；
34.12.肖特基势垒形成：将步骤11处理完成的硅片，用磁控溅射仪溅射不同的肖特基势垒(cr，nicr，nipt，pt等)，金属层厚度在0.1um内，然后放入烧结炉管中进行烧结，不同的金属采用不同的烧结温度，用于形成金属硅化物，烧结温度在400-500℃，烧结时间在30min内。并将未反应完的金属用王水去除；肖特基势垒位于n-外延层和钛钨层之间；
35.13.溅射钛钨：将步骤12处理完成的硅片，用磁控溅射仪溅射钛钨层，钛钨厚度在0.1um-0.3um，用于保护底部的金属硅化物；
36.14.蒸发正面金属：将步骤13处理完成的硅片，对硅片进行电子束蒸发，在硅片上淀积正面金属，正面金属可以为银，铝等，取决于后续封装制程的工艺，金属厚度在3um以上；
37.15.金属光刻：对步骤14处理完成的硅片进行光刻，重复步骤4的工艺；
38.16.金属腐蚀：将步骤15处理完成的硅片，使用专用的金属腐蚀液腐(含磷酸，硝酸，冰乙酸)蚀掉正面金属，然后用40-45℃的h2o2溶液腐蚀掉步骤13的钛钨。使用剥离液在常温下去除正面金属光刻时涂覆的光刻胶；
39.17.退火：将步骤16处理完成的硅片置入退火炉管中，用于消除各层金属之间的应力，退火炉管温度为400℃-500℃，时间为20min以上，n2，n2/h2或者真空均可；
40.18.背面减薄：将步骤17处理得到的硅片，进行化学机械抛光，将硅片厚度从背面减薄到260um，并进行背面硅腐蚀，释放减薄工序的机械能力，并去除表面的硅损伤层，采用背面减薄和硅腐蚀工艺，减小了二极管的正向导通电阻，提高了二极管的导通性能，提高了二极管的可靠性；
41.19.蒸发背面金属：对于步骤18处理得到的硅片，对硅片背面进行电子束蒸发，在硅片上淀积背面金属，背属为银，形成背面电极，银的导电性能好，使得芯片具有更好的导电性能，功耗更加低；
42.以上示意性地对本发明创造及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明创造的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。