CN115411099A - 一种纯铂金势垒肖特基二极管的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种纯铂金势垒肖特基二极管的制备方法，首先在钼大盘上沉积一层铂金属，然后将硅片放置在钼大盘上，通过高纯氩离子轰击硅片表面，去掉硅片表面的自然氧化层，同时氩离子轰击硅片外的大盘，将大盘上的铂金属轰击后沉积到硅片表面；接着在硅片铂层表面沉积一层TiW层。沉积TiW层硅片后纯铂金势垒肖特基二极管的制备，衬底片用n+单晶硅衬底；n+单晶硅衬底产生n‑外延层；按区氧化、离子注入形成PN结，场氧化形成钝化层；光刻、腐蚀露出Si的外延层；制备肖特基势垒前表面清洗使硅片表面的足够的洁净和露出表面无工艺缺陷的硅片。
Description
技术领域
本发明涉及半导体芯片领域，更具体地说，涉及肖特基二极管纯铂金势垒工艺方法。
背景技术
肖特基二极管由于其相对较低的导通电压(低正向压降)和相对较快的开关时间的特点，在电源管理中被广泛使用，常见于开关电源以及高频场合。典型的肖特基二极管通常采用低势垒高度金属(例如钛(Ti)、镍(Ni)、铬(Cr)等)，或者采用高势垒高度金属(例如铂(Pt)等)，在N型硅上形成接触。在很多应用中，低势垒高度金属肖特基二极管比高势垒高度金属肖特基二极管具有更低的正向压降，具有更大的反向漏电流。但在某些应用中，需要肖特基二极管保持肖特基的低正向压降性能，同时具有相对较小的反向漏电流。而肖特基二极管的整流性能(正向压降和反向漏电)主要由肖特基势垒金属决定，当金属与硅密切接触时，形成一个势垒，其势垒高度为ΦB，不同的ΦB产生不同的整流特性。ΦB值越高，反向漏电流越低。针对低反向漏电流的应用，需要采用高ΦB的势垒金属材料。铂金势垒的ΦB：0.80-0.90eV，它是金属材料中ΦB最高的材料，这种材料也在半导体制造中被广泛应用。如何形成良好的铂硅化层势垒，是本文主要研究的内容。一般而言，由钛、铂和钯等贵金属形成的肖特基势垒所具有的稳定性和重复性。
西安微电子技术研究所202110287682.9公开了一种NiPt15合金的肖特基二极管及其制备方法，该制备方法包括在衬底上依次制备外延层、P+环，肖特基势垒层、铝合金层和正极导电层，在衬底的下表面上制备负极导电层，该制备方法使用LPCVD设备完成NiPt15合金，可获得较高真空度，使得合金过程气体压力可控，有效优化合金工艺过程。由于采用NiPt15合金渗入到第一导电类型的外延层中形成肖特基势垒层，生成的金属硅化物包括镍硅和铂硅成分可以形成良好的肖特基接触，铂金属的加入可以提高镍硅薄膜的热稳定性。
传统铂金势垒工艺，就是在N<111>硅表面沉积一层铂，然后通过炉管的烧结(退火)，形成铂硅化物，铂和硅的反应速率快，对烧结(退火)的温度和时间控制很严，容易出现片内或者批内的均匀性不好，导致该工艺重复性不好的现象，主要的不良是肖特基产品的反向漏电大，同时漏电的偏差大。采用本发明中研究的工艺，对于肖特基二极管的制造，找到一种可重复生产的工艺方法。
发明内容
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，提供一种肖特基二极管的纯铂金势垒工艺，来实现工艺的重复性，适用于较宽的炉管烧结(退火)的工艺。降低制品的反向漏电率，而且稳定性好。
本发明的目的通过以下技术方案实现，一种纯铂金势垒肖特基二极管的制备方法，首先在钼大盘上沉积一层铂金属，然后将硅片放置在钼大盘上，通过高纯氩离子轰击(半成品)硅片表面，去掉硅片表面的自然氧化层，同时氩离子轰击硅片外的大盘，将大盘上的铂金属轰击后沉积到硅片表面，这个方式可以在硅片表面形成很薄的均匀性很好的铂层；接着在(半成品)硅片铂层表面沉积一层TiW层；可在TiW层上再沉积一层铂层，该铂层为下一次运行提供了一个良好的起点。其中TiW层的作用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。
其中该溅射制程用到主材：钛钨合金靶中钨和钛的重量比是9:1，纯度是99.99％。铂靶材金属的纯度是99.99％，氩气的纯度是99.999％，均是高纯材料。
将大盘上的铂金属轰击后沉积到硅片表面10nm以下；溅射一层势垒保护层TiW20nm，再溅射一层铂层20-60nm。(半成品)硅片以下方式制备，衬底片可选用n+单晶硅衬底；n+单晶硅衬底生产n-外延层；按区氧化、离子注入形成PN结，场氧化形成钝化层；光刻、腐蚀露出Si的外延层(即肖特基孔区)；肖特基势垒前的表面清洗使硅片表面的足够的洁净和露出表面无工艺缺陷的(半成品)硅片；
沉积TiW层硅片后纯铂金势垒肖特基二极管的制备，衬底片可选用n+单晶硅衬底；n+单晶硅衬底生产n-外延层；按区氧化、离子注入形成PN结，场氧化形成钝化层；光刻、腐蚀露出Si的外延层；制备肖特基势垒前表面清洗使硅片表面的足够的洁净和露出表面无工艺缺陷的硅片。
制备得到的器件包括n+衬底层1，n-外延层2，pn结3，氧化层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芯片，氧化层4，正面金属7。所述的肖特基势垒层5是常规的肖特基结。
有益效果，相比于现有技术，本发明的优点在于：
(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；
(2)在整个肖特基制造过程中，最重要的是势垒的形成。由于肖特基二极管是一种表面效应器件，硅表面的清洁是至关重要的。任何残留的光刻胶和其他污染物都会严重影响肖特基势垒的形成。必须特别小心，以确保硅表面的清洁。在沉积之前，对晶圆进行氩+的反向溅射清洗，以清除任何可能影响硅化物形成的残留氧化物。实现了重复性生产，确保批次之间的均匀性；
(3)铂势垒由(磁控)溅射工艺来制作，厚度在60nm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。
(4)一次溅射可以作业8片，在溅射工艺中铂溅射层为下一次运行提供了一个良好的起点，降低了成本；
(5)采用炉管的烧结(退火)窗口范围较宽400-500C，20-60min，工艺的适应性强，容易实现重复性生产。
附图说明
图1为本发明的肖特基势垒二极管的截面示意图；
图2为本发明钼大盘13(铂金属轰击后沉积到钼大盘)与硅片制备的示意图；
图3是本发明工艺与现有技术比较(成品的参数比较)分布图。
具体实施方式
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。
图1中，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芯片，钝化层4，正面金属7。
图2所示，钼大盘13(铂金属轰击后沉积到钼大盘)，钼大盘上设有用于装卸硅片的圆孔11、用于放置硅片12。
首先在钼大盘上沉积一层铂金属，然后将硅片放置在钼大盘上，通过高纯氩离子轰击(半成品)硅片表面，去掉硅片表面的自然氧化层，同时氩离子轰击硅片外的大盘，将钼大盘上的铂金属轰击后沉积到硅片表面，这个方式可以在硅片表面形成很薄的均匀性很好的铂层；接着在(半成品)硅片铂层表面沉积一层TiW层；可在TiW层上再沉积一层铂层。
上述一种铂势垒工艺的开发制造肖特基二极管，包括以下步骤：
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.
2.外延片：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-30.0ohm.cm；
3.氧化，离子注入形成PN结3，场氧化形成钝化层4
4.光刻，腐蚀露出Si的外延层(即肖特基孔区)；
5.肖特基势垒前的表面清洗：清洗采用业内常用的1#液，2#液，HF的清洗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；
6.肖特基势垒形成：通过磁控溅射仪，在钼大盘上沉积一层铂膜，厚度50nm。然后，将步骤5处理完成的硅片，装载在表面沉积了一层铂膜(50nm)的钼大盘上，如图2，在高真空下通过氩+反溅射清洗，目的是将硅表面的自然氧化层去掉，同时将大盘上的铂层溅射到硅片上，形成很薄的一层铂膜，这层铂膜在5nm，然后溅射一层势垒保护层TiW(20nm)，再溅射一层铂层(50nm)，形成了肖特基势垒层5。
7.金属光刻，腐蚀，去胶：先进行金属光刻，然后用王水和H2O2金属分别腐蚀铂和TiW，腐蚀结束将光刻胶去除。
8.烧结和合金：将完成步骤7的硅片放入炉管中进行烧结，用于形成金属硅化物，烧结温度在400-500℃，烧结时间在20-60mins内，气体是N2；
9.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，形成钛钨层6；
10.金属化：根据不同需求可以蒸发TiAl或者TiNiAg等不同正面金属，通过金属光刻和金属腐蚀，去胶，形成正面金属7；
11.退火：将步骤10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；
12.背面减薄：将步骤11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；
13.蒸发背面金属：对于步骤12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，形成背面金属8。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；表1是新工艺和传统工艺的反向漏电均匀性对比(以70mil/200V,25度测试数据为例)
图3本发明工艺与现有技术比较(成品的参数比较，主要是漏电参数)分布图。以上可以直观的看出新的铂金工艺的漏电偏差值小，从而说明新的工艺给的稳定性，重复性要好，更适用于大规模的生产。
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。
Claims (5)
1.一种纯铂金势垒肖特基二极管的制备方法，其特征是，首先在钼大盘上沉积一层铂金属，然后将硅片放置在钼大盘上，通过高纯氩离子轰击硅片表面，去掉硅片表面的自然氧化层，同时氩离子轰击硅片外的大盘，将大盘上的铂金属轰击后沉积到硅片表面；接着在硅片铂层表面沉积一层TiW层。
2.根据权利要求1所述的纯铂金势垒肖特基二极管的制备方法，其特征是，在TiW层上再沉积一层铂层；其中TiW层的作用是用于阻挡正面金属向势垒层的扩散，保护肖特基势垒。
3.根据权利要求1所述的纯铂金势垒肖特基二极管的制备方法，其特征是，溅射制程用到主材：钛钨合金靶中钨和钛的重量比是9:1，纯度是99.99％。铂靶材金属的纯度是99.99％，氩气的纯度是99.999％。
4.根据权利要求1-3之一所述的纯铂金势垒肖特基二极管的制备方法，其特征是，将大盘上的铂金属轰击后沉积到硅片表面10nm以下；溅射一层势垒保护层TiW20nm，再溅射一层铂层20-60nm。
5.根据权利要求1-4任一所述的纯铂金势垒肖特基二极管制备方法，其特征是，沉积TiW层硅片后纯铂金势垒肖特基二极管的制备，衬底片选用n+单晶硅衬底；n+单晶硅衬底产生n-外延层；按区氧化、离子注入形成PN结，场氧化形成钝化层；光刻、腐蚀露出Si的外延层；制备肖特基势垒前表面清洗使硅片表面的足够的洁净和露出表面无工艺缺陷的硅片。
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