（微电子学与固体电子学专业论文）退火处理对肖特基二极管反向击穿电压影响的研究.pdf

蹬皋浚理工夫学蔓学硕士学技论文 退火处理对肖特基二极管反向击穿电压影响的研究 摘要 旁特基势袅二极繁( s c h o t t k yb a r r i e rd i o d e 。s a d ) 具毒低功耗、丈毫 流、高频率等优点，被广泛应用于微波通信、i c 电路系统等领域。目前s i 孝料s b d 的反向击穿电压普遍较低，原因有嚣个：一是金璃接触边缘豹曲 率半径小，很强的电场强度导致反向耐迸值降低；二楚势垒的制作过程中， 半导体表面引入的表耐态和界颇层也严重影响s b d 的反向耐压值。针对第 一个阕遂，国内外己掇窭报多获结梅童解决豹方案且缮蜀有效应爱，翔俺减 少表面态和界丽层的影响仍没有找到比较好的解决方法。本文针对该问题进 簿系绞疆论分掇窝实验研究，其磅究络莱对撬蹇器磐魏毙冥露摇导意义。 本文利用国内电子企业现有制备肖特基二极管条件，在电阻率为 2 。s 5 3 1 5 q ，c m 羚延鼷上制作叛秘当特基二极罄嚣晶，其中一耪样品在溅射 c r 和n i 后分别进行追火处理，而另一种样品没有进行退火处理。由于金 属一半导体接触时表麟态和界颟层的存在，实际s b d 器件的势垒商度受表 面态和箨面层的影响徽大。西翁对这两个参数没有禳好的撵联方法。严重麓 碍对器件特性的分析和模型的建立本研究在热电予发射模型的基础上，建 立一释旋取s i 鏊s b d 器舞特经参数鹣理论檬鳌，萋乎这令模墅，辩嚣嵇襻 品的性能进行测试，弗计算出退火和朱退火样品的理想因子分别为1 0 1 和 2 | 3 、零电场势垒毫度分裂建0 。7 0 e v 移0 。7 2 e v 、表嚣态浓度分别为 5 5 1 0 1 5 c m 。2 e v “和4 3 1 0 1 2 c m 2 e v 、界面屡电容分别为9 0 x 1 0 - 4 f c m 也和 5 4 1 0 4 f c m 、表西态中性熊级为0 8 l e v _ 和l 。l e v 、反向蠢穿电摄1 0 1 v 和5 6 v 。结果表明，遐火处理阿以显蔫键高器件反向谢穿电聪。 采用扫描电镜观察两种样品的横断面的微观结构，利用能谱测试元索分 布。结莱表嚼，遐炎群斋的终筵s i 表瑟与金耩c r 屡之闻形成硅纯铬薄膜， 其厚度为5 0 n m ，硅化铬s i 和c r 硅化铬的界面非常平直；朱退火样品势垒 是由癸筵s i 与众震c 壹接接皴稳袋，箕接缎赛瑟弯貔不平，存在一今厚度 为ln m 含氧过渡层；在退火样品的c r 与n i 所组成的金属区域，形成排列 紧密的犍状镶镑会金鼓体；泰退火样赫熬该区域，不磐在拄鹣结构。实验表 明，退火后样晶的微躐结构有利于提高反向击穿电压。 尘尘鋈矍三尘兰二耋堡! ：茎堡篁兰 关键词肖特基势垒二极管；势垒高度；退火处理；表面态；界面层 塞垒篓塞三查耋耋耋至圭茎塞竺三 t h ee f f e c to f a n n e a l i n gt r e a t m e n t o nr e v e r s e b r e a k d o w n v o l t a g eo fs c h o t t k yd i o d e s a b s t r a c t s c h o t t k yb a r r i e rd i o d e s ( s b d ) h a so u t s t a n d i n gp r o p e r t i e s ，s u c ha sl o w p o w e r , l a r g ee l e c t r o n i cc u r r e n t ，h i g hf r e q u e n c y , a n dw h i c hi sw i d e l yu s e di nt h e f i e l do fm i c r o w a v ec o m m u n i c a t i o na n d i cc i r c u i ts y s t e m n e v e r t h e l e s s ，t h e r e v e r s eb r e a k d o w nv o l t a g eo fs i l i c o ns 转di sq u i t el o wa tp r e s e n t 。t h ef i r s t r e a s o ni st h ec u r v a t u r er a d i u so fm e t a lc o n t a c tp e r i p h e r yi ss m a l l t h es t r o n g e l e c t r i cf i e l di n t e n s i t yr e s u l t si nt h eb r e a k d o w nv o l t a g ed e c r e a s i n g 。t ks e c o n d r e a s o ni st h ee x i s t e n c e so fs u r f a c es t a t e sa n di n t e r f a c i a ll a y e ra tt h ei n t e r f a c e w h i c hf o r m e di nt h ep r o c e s so ff a b r i c a t i o n a tp r e s e n t , m a n ye f f e c t i v es o l u t i o n s h a v eb e e ng i v e nf o rt h ef i r s tq u e s t i o n b u t ，t h e r e sn oa n ym e t h o dt or e d u c et h e i n f i u e n c eo fs u r f a c es t a t e sa n di n t c r f a c i a ll a y e ro nb r e a k d o w nv o l t a g e t h e r e f o r e 氆i s s t u d yg i v e s as e r i e sr e s e a r c h e so nt h i s p r o b l e mt h e o r e t i c a l l y a n d e x p e r i m e n t a l l ya n dt h er e s u l t sc a nh e i g h t e np r o p e r t i e so fd e v i c e t h i s s t u d yf a b r i c a t e dt w ok i n d s o fs a m p l e so ne p i t a x i a ll a y e rw h i c h e l e e t r i c a lr e s i s t i v i t vi s2 8 5 3 1 5 q c mu n d e rt h ec u r r e n tf a b r i c a t i o nc o n d i t i o no f n a t i o n a le l e c t r o n i c sc o r p o r a t i o n 。o n eo ft h e mh a sb e e na n n e a l e da f t e rs p u t t e r e d c ra n dn i a n dt h eo t h e rh a s n t a na c t u a ls b di sam e t a l - s e m i c o n d u c t o rc o n t a c t w i t hat h i nf i l ma n ds u r f a c es t a t e sb e t w e e nt h e m ，w h i c hh a sa ne f f e c to nt h e b a r r i e rh e i g h t 。a tp r e s e n tn ow a yc a ne x t r a c tt h e s et w op a r a m e t e r s ，w h i c hh a s s e r i o u s l yh a m p e r e dt h ea n a l y s i so fc h a r a c t e r i s t i c so fd e v i c e sa n dt h eb u i l d i n go f m o d e l 。b a s e do n 氇et h e r m i o n i ce m i s s i o nt h e o r y , am e t h o dt oe x t r a c tp a r a m e t e r s o fs is b di sg i v e ni nt h i ss t u d y u s i n gt h i sm o d e l w et e s t e dt h ec h a r a c t e r i s t i c s o fd e v i c e sa n de x t r a c t e dt h ep a r a m e t e r so ft w ok i n d so fs a m p l e s 。n l ei d e a l i t y f a c t o ri s1 0 la n d2 1 3r e s p e c t i v e l y t h ez e r o f i e l db a r r i e rh e i g h ti s0 7 0 e va n d o 7 2 e v 朝l es u r f a c es t a t ed e n s i t yi s5 5 1 0 i s c m - 2 e v la n d4 。3 x1 0 1 2 9 i n 。2 e v 一。 t h ei n t e r f a c eo x i d ec a p a c i t a n c ei s9 。o l o f c m 2a n d5 4 xl o a f c m 4 m n e u t r a ll e v e io ft h es u r f a c es t a t e si s0 。8 1 e va n d1 1 e v t h er e v e r s eb r e a k d o w n - l n 鐾耋篓矍三查耋王耋譬：耋基篓三 v o l t a g ei s 1 0 1 va n d5 6 v t h er e s u l t si n d i c a t et h a ta n n e a l i n gt r e a t m e n tc a l l h e i g h t e nb r e a k d o w nv o l t a g eo fs b dr e m a r k a b l y w eo b s e r v e dm i c r o s t r u c t u r eo fc r o s s s e c t i o n so ft w os a m p l e su s i n gs e m a n dt e s t e de l e m e n td i s t r i b u t i o nu s i n ge n e r g ys p e c t r o m e t e r 曩撑r e s u l t si n d i c a t e t h a tt h e r ei sal a y e ro fs i l i c i d eo fc rb e t w e e ns ia n dc rf o ra n n e a l e ds a m p l e t h e t h i c k n e s si s5 0 n m 。d l 口i n t e r f a e e so fs i c r s ia n dc r s i c ra r ev e r yf l a ta n d s t r a i g h t n l eb a r r i e rr e g i o no fu n a r m e a l e ds a m p l ei sc o m p o s e do fs ic o n t a c t i n g w i t hc rd i r e c t l y , a n dt h ei n t e r f a c ei sc u r v ea n dr o u g h t h e r ei sa no x y g e n - c o n t a i n i n gi n t e r f a c el a y e rb e t w e e nt w ol a y e r s t h et h i c k n e s si sl n m 骶持f e 缸e a l l o yc o l u m nc r y s t a l so fn i c ri nt h er e g i o no fm e t a lc ra n dn if o ra n n e a l e d s a m p l e ，b u tt h e r ea r en oc r y s t a l sa tt h es a m er e g i o nf o ru n a n n e a l e ds a m p l e ，露豫 e x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h em i c r o s t r u c t u r eo fa n n e a l e ds a m p l ei sf a v o u r a b l et o i m p r o v i n gr e v e r s eb r e a k d o w nv o l t a g e 。 k e y w o r d ss c h o t t k yb a r r i e rd i o d e ( s b d ) ，b a r r i e rh e i g h t ，a n n e a l i n gt r e a t m e n t , s u r f a c es t a t e s ，i u t e r f a e i a ll a y e r r v - 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文退火处理对肖特基二极管反 向击穿电压影响的研究，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学 位期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外 不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集 体，均己在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名：南研霸日期：和。7 年3 月1 6 日 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 退火处理对肖特基二极管反向击穿电压影响的研究系本人在哈尔滨理 工大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成 果归哈尔滨理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本 人完全了解哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向有关部门提交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理 工大学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或 部分内容。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用授权书。 不保密团。 ( 请在以上相应方框内打) 作者签名：柏酌厕 导师签名：逋咩 日期：伊。7 年3 月日 日期：z 却7 年3 月l9t ：t 1 1 课题背景 第1 章绪论 肖特基势垒二极管，简称肖特基二极管( s c h o t t k yb a r r i e rd i o d e ，s b d ) 是一 种优良的低功耗、大电流、超高速半导体器件。随着电力电子技术的蓬勃发 展，s b d 以其优良的性能为其赢得了广阔的发展前景。被广泛地应用于开关电 源、变频器、驱动器等电路，作高频、低压、大电流整流二极管、续流二极 管、保护二极管使用，或在微波通信等电路中作整流二极管、小信号检波二极 管使用1 ，在i c 电路中也常使用s b d ，像s b d 一兀l 集成电路早已成为t r l 电路的主流，在高速计算机中被广泛采用。 s b d 是以贵金属为正极，以半导体材料为负极，利用二者接触面所形成的 势垒具有整流作用而进行工作的器件。与普通的p n 结二极管相比，s b d 的势 垒高度低于p n 结势垒高度，故其正向导通电压比p n 结二极管低( 约低 o 2 v ) 具有很高的整流电流，可以提高整流( 续流) 电流的效率。而且，s b d 是一种多数载流子输送电荷的器件，在势垒外侧无过剩少数载流子的积累，不 存在少数载流子寿命和反向恢复问题，因而，s b d 的反向恢复时间只是肖特基 势垒电容的充、放电时间，最短能够缩短到几纳秒，故开关速度非常快，开关 损耗也特别小，尤其适合于高频应用，是用来制作高频快速开关的理想器件 6 1 1 ”。这些优良特性是普通p n 结二极管和快恢复二极管所无法比拟的。 随着移动通讯技术和军事高科技的发展，市场对微波器件的需求越来越 大，人们对它们的速度和性能的要求也越来越高。高质量的材料是制作高性能 器件的关键，高性能的硅肖特基二极管对材料尤其是外延片具有更高的要求： 外延片过渡区要窄，缺陷密度要低，外延层为亚微米超薄层。除了对材料的较 高要求之外，对器件制作的相关工艺也提出了特殊要求，如在掺杂、氧化及金 属一半导体接触方面都需要更好的技术突破。目前，我国移动通讯用的关键 s b d 基本都依赖进口，而崮产s b d 的反向耐压值较低，工作频率不高，可靠 性也不好，极大的限制了肖特基二极管的实际应用。为了摆脱这种被动局面， 我们必须努力研究改进相关材料的生长工艺和器件的制作工艺，希望能为实现 高频微波器件的陶产化迈出了峰实的一步。 哈尔演理下人学t 学硕i 学位论文 1 2s b d 的发展现状 1 2 1s b d 的结构及等效电路 金属一半导体器件的应用最早可以追溯到1 9 0 0 年，在国内，肖特基势垒二 极管的研制和生产也已经有二十多年的历史了。 硅是最早被人们利用的半导体材料，也是目前应用最广泛的半导体材料。 在结构上，原始的s b d 采用的是点接触式的结构一金属线和半导体接触，如 图1 1 ( a ) 所示。但是，实践证明，这种结构的机械性能非常差，经常需要重新 配置金属线来保证正常工作。因此，这种结构不可避免地被面接触式一金属层 和半导体接触所代替，如图1 - 1 ( b ) 所示，如今的s b d 都采用这种面接触式的结 构。 一s i 属盛l懑 ( a ) 点接触式结构 ( b ) 面接触式结构 ( a ) t h es t r u c t u r eo f p o i n tc o n t a c t( b ) t h es t r u c t u r eo f s u r f a c ec o n t a c t 图1 1s b d 的两种典型结构 f i g 1 it w ot y p i c a ls t r u c t u r g so f s b d 传统的s b d 面接触式结构分为两类：一是欧姆电极与肖特基电极位于有源 层的两侧，将欧姆电极做在很厚的半导体衬底的背面( 如图1 2 ( a ) 所示) ：二是 将欧姆电极与肖特基电极做在有源层的同侧( 如图卜2 ( b ) 所示) 。第一类在载流 子传输的过程中引入了半导体衬底的电阻，第二类则在载流子的传输过程中引 入了有源层的横向附加电阻，两者都导致了肖特基二极管串联电阻的增大，对 器件的高频响应都是不利的。鉴于这种情况，浙江大学的李蓓等人用a l 薄膜作 为z n o 沉积的直接衬底( 如图1 3 所示) ，即将欧姆电极与肖特基电极制作在有源 层( z n o 薄膜) 的两侧，从根本上克服了半导体衬底附加电阻的影响。一个封装 好的肖特基二极管的等效电路如图1 4 所示。 坠! ：堡矍三查兰三兰堡! ：兰堡篁三 ( a ) 电极位于有源层的两侧( b ) 电极位于有源层的同侧 ( a ) e l e c t r o d e ss i t u a t e do nb o t hs i d e so f a c t i v el a y e r c o ) e l e c t r o d e ss i t u a t e do nt h es a m es i d eo f a c t i v el a y e r 图1 2 面接触式的两种典型结构 f i g a - 2t w ot y p i c a ls t r u c t u r e so f s u r f a c ec o n t a c t 6 - - - p t 或a u 肖特基接触电极 欧姆电极 a l ( 欧姆接触电极) s i 图1 - 3 电极位于有源层( z n o ) 的两侧 f i g 1 - 3e l e c t r o d e ss i t u a t e do nb o t hs i d e so f z n o 图1 - 4 肖特基势垒二极管的等效电路 f i g 1 - 4e q u i v a l e n tc i r c u i to f s b d 其中：r j 为二极管的结电阻；e 为二极管的结电容；冠为串联电阻；t 为弓 - 3 一 哈尔演理t 大学t 学硕l 。学位论文 线电感：e 为管壳电容 b = 冠+ + r + 足= n 竿+ p 2 号+ p 2 丢+ 鲁( 1 - 1 ) 式中，t 为耗尽区宽度，为外延层厚度，d 为衬底厚度。, o l 和p ：为非耗尽 外延层和衬底的电阻率。a 为结面积。，为势垒接触的半径。r 为未耗尽外延 层电阻，为衬底电阻，r 为扩展电阻，足为欧姆接触电阻。 肖特基二极管的频率特性可用截至频率z 表征t 它表b , q - - 极管所能应用的 频率极限 上2 芴1 河 l - 2 ) 由( 可知，降低二极管的串联电阻只，和结电容c ，是肖特基二极管设计的基本 出发点和关键。由式( 1 - 2 ) 可以看出，未耗尽外延层电阻尼对足的影响最为 突出，必须尽可能的减小冠，使用超薄外延层便可以实现这一点。结电容c ， 受外延层掺杂浓度及势垒面积的影响，减小外延层掺杂浓度及势垒面积就可以 减小结电容c 。 1 2 2s i f 延技术 目前，化学气相沉积是生长s i 衬底材料的最主要技术。 化学气相外延生长时最早应用于半导体领域的一种比较成熟的外延生长技 术。它在半导体科学的发展中起着很重要的作用，半导体科学所经历的飞跃发 展有许多是由它促成的。没有气相外延生长技术，也就没有今天许多精巧奇妙 的半导体器件。 化学气相沉积( c v d ) 实质上是一种气象物质在高温下通过化学反应而生 成固态物质并淀积在基板上的成膜方法。具体地说，氢化物、卤化物或挥发性 的金属卤化物和金属有机化合物等与运载气体混合后，均匀地送到反应室内的 高温基板上，通过热解、还原、氧化水解、歧化或聚合等反应，在基板上形成 薄膜。 目前c v d 技术主要应用于半导体集成电路生产中制造硅、金属、氧化物等 外延膜和绝缘保护膜，特别是由于淀积过程中放射线损伤小，故以成为m o s ( 金属氧化物半导体) 生产的关键技术。 晴尔演理t 人学t 学硕i 学位论文 1 2 2 1 常温常压c v d 常温常压c v d 技术有许多优点：装置简单，生产率高， 用途广泛，几乎可以淀积任何薄膜：膜层均匀性好，具有台阶覆盖性能，适宜 于复杂形状的基板；淀积速率高，一般可达1 0 5 0 9 m m i n ；膜层针孔少，附着 力强，延展性强。 常温常压c v d 外延，虽然在生长上以被广泛应用，但是由于生长温度在 1 1 0 0 左右，自掺杂严重，而且难以生长薄层材料，于是研究者丌始不断发展 新的c v d 技术。 1 2 2 2 极低压c v d 极低压c v d 也叫做超 t 抠c v d ，它是在低压外延基础上 发展起来的，于1 9 8 3 年才被确立的一种新的外延生长技术。 在c v d # 睫e e ，生长压力是一个关键的参数。低压外延与常压下的生长相 比，有点很多，主要有以下几点： 1 在低压下，由衬底逸出的杂质能较快的穿过边界层而被排除系统，因此 大大降低了它重新进入外延层的机会，从而减少自掺杂，且杂质分布界面较陡 峭： 2 降低生长温度( 在4 2 4 6 5 0 c ) ； 3 改善外延层厚度均匀性，适合大面积生长： 4 图形漂移减小，外延质量提高： 瓦。为所获得的外延生长的最低温度。如不考虑影响生长温度的其他因 素，随着压力的降低，瓦。降低。比常压下低很多的压力( 低压力范围) ，对于 实现低温外延是十分有利的。 低压c v d 在反应机理上也与常压c v d 不同。生长速度不是由质量传输过程 决定，而是由衬底表面反应速率决定，即受表面氢的解析限制，低压c v d 不需 要携带气体可减少杂质的引入。 1 2 2 3 超高真空化学气相沉积( u h v - c v d ) 生长技术u h v - c v d 系统是是 人们在研究低j 匝c v d 的基础上，把超高真空技术，与c v d 技术结合起来，发展 起来的。 u h v - c v d 系统的雏形出现于1 9 8 6 年，是d o n a h u e 等人建立。同年i b m w a t s o n 研究中心的m e y e r s o n 正式建立了一套u h v - c v d 系统。 对于u c v d 外延来说，除了具有极低c v d 的优点外，还具有更优越的 特性。对于硅基材料的外延，必须在衬底表面创造一个无氧硅表面，根据 b s m e y e r s o n 的计算可知，若在8 0 04 c 下外延生长必须使生长气氛中的h 2 0 分压 低于1 0 4 p a ，0 2 分压低于l o _ 4 p a 。因为衬底表面h 2 0 的压强，0 2 的压强越低， 晴尔演理t 人学t 学顶j + 学位论文 外延生长温度越低。所以在超高真空的环境下生长，生长温度可以很低，同时 衬底逸出的杂质能较快的从衬底表面排出，大大降低了重新进入外延层的机 会。杂质玷污大大减少，有利于生长缺陷少的单晶层。 在硅低温外延方面，浙江大学于1 9 9 4 年建立了国内第一台超高真空c v d 系 统，随后进行了硅低温外延方面的研究，取得了良好的成果。我国中科院半导 体所也建立了超高真空c v d 系统，进行了锗硅材料的生长及在光电子方面的应 用。清华大学微电子所也在这方面开展了研究，并自行研制了高真空 c v d ( h c v d ) 系统。 1 2 3s b d 反向击穿特性的研究进展 随着科技的不断进步，对s b d 的各方面性能也提出了更高的要求，尤其是 对反向击穿电压越来越高的要求。因为在众多表征s b d 特性的指标中，肖特基 势垒高度( s b h ) 是最重要的特征指标之一，是决定肖特基器件反向击穿电压特 性的关键参数，如s b d 红外探测器的截止波长完全决定于s b h i ”3 i 。异质结场 效应晶体管( h f e t ) 也希望提高势垒高度来增大器件的击穿电压。 硅材料以其优良的物理特性、成熟的平面工艺以及低廉的成本成为目前最 重要的半导体材料。但传统工艺制作的s i 基s b d 的耐压值都普遍不高，在4 0 v 左右，很难满足某些极端领域的具体要求。 采用传统工艺制作的s i 基s b d 的耐压值都普遍不高，主要有两个原因，一 是在接触金属的边缘，由于此处的曲率半径小，电力线比较集中，电场强度会 急剧增加，使势垒减薄，因而隧道效应明显，导致反向漏电流增加，反向特性 变“软”，使击穿电压大大低于平面结，导致了击穿电压的降低。二是在接触 势垒的制作过程中，与金属接触的硅片表面存在着复杂的表面态，而且，由于 热处理过程中氧的污染等原因，使接触部分形成了粗糙的界面层，导致了肖特 基势垒的不均匀性1 1 4 - 1 6 i ，使反向漏电流增加，结漏电严重7 i i ”】，引起势垒高度 的降低，从而影响了反向耐压值。 为了降低以至消除金属电极的边缘效应，提高结边缘的击穿电压，研究人 员考虑到采用新理论、新结构的方式来改善s b d 的反向击穿性能。针对第一个 问题，提出了多种旨在改变耗尽层边缘的曲率效应的终端结构。目前，有效的 解决方案有几种9 1 1 2 “，1 9 9 8 年，t n o d e r 和c c t i n 等人i “i 就尝试通过局部氧 化的平面工艺，在金属电极边缘处形成一层二氧化硅。此基础上，在肖特基势 垒金属的边缘扩散p 型的保护环，器件的结构如图1 5 所示，该场环明显减小边 缘处电场强度，很大幅度地提升了s b d 的反向击穿性能。1 9 9 9 年，v s a x e n a 和 哈尔滨理丁人学t 学硕i 。学位论文 j n s u 等人1 2 2 - 2 4 1 又将会属场板的结构引入尹j s b d 中，这种结构的特点是将势垒 金属扩展到金属边缘的氧化层上。由于场板所加电压的作用，电场力迫使表面 耗尽层扩展到场板边缘之外，大大减小了耗尽层的曲率，并使高电场点远离肖 特基结。如图1 - 6 所示，同样也大幅度地提升了s b d 的反向击穿性能，这两种 结构也是目前最常用的有效方法。 簟哳 一 图1 - 6 金属场板结构的s b d 的剖面图 f i g 1 - 6 s e c t i o ns t r u c t u r e o f s b d 、v i t l l m e t a l f i e l d b o a r d 由于通常采用的保护环结构和金属场板结构引入的附加电容大，而且器件 面积大，不利于在集成电路中使用。2 0 0 5 年5 月，北京大学微电子研究所的张 慧等人口1 又在s b d 的结构中引入了深槽结构，器件结构如图1 7 所示，在肖特基 结的周围刻蚀深槽，采用一定厚度的s i 0 2 制作槽壁，槽内用掺杂的多晶硅填 充。这种深槽结构器件的结接近于平行平面结，大电场被转移到深槽侧壁拐 角，因而表面不存在电场集中，从而进一步提高了器件的反向击穿电压，反向 击穿电压比保护环结构的高出大约3 0 v 。 哈尔演理丁人学丁学硕i 学位论文 势垒金属 多品 s i 0 2 s i 片 图1 - 7 深槽结构s b d 的剖面图 f i g 1 - 7s e c t i o ns t r u c t u r eo f s b dw i t hd e e p g r o o v e 为了降低表面态和界面层的影响，研究人员也采取了相应的改进措施。除 了采用不使用电荷积累的表面工艺外，对接触表面也采取了相应的物理和化学 措施进行处理i “】，罗小蓉等人1 2 7 1 采用缓慢氧化稀释的h f 亥i j 蚀沸水浸泡法( b w 法1 对半导体的接触表面进行了处理，表面的平整度明显提高，表面态密度大 大降低，界面层的厚度也有明显的减小，因而一定程度上提升了势垒高度。 q w a h a b 也报道过对接触表面在3 0 0 的环境下，采用h 2 退火的处理方法，因h 饱和了金属半导体界面的悬挂键而是表面态降低，也一定程度上提升了势垒 高度，提高了反向击穿性能。 虽然表面处理的方法一定程度上提高了s b d 的反向击穿性能，但结果仍然 不是很理想。近年来，人们把研究的热点逐渐转移到另一个角度，即用溅射 退火的方法来制作s b d 的接触势垒，如北京大学微电子研究所的陈金凌等人口8 】 就采用了这种方法并引入金属保护层结构制作了反向击穿特性非常好的s b d 。 一系列的研究说明退火处理对s b d 的反向击穿特性具有重要的影响，这也是我 们的立题依据之一。 1 3 本文主要研究内容 本课题来自教育部春晖计划v d m o s 器件可靠性研究项目，项目编号 为( z 2 0 0 5 2 1 5 0 0 1 ) 。 本课题针对目前国产s i 肖特基二极管击穿电压低的问题，对器件的材 料、结构、性能以及纯度、加工工艺等影响因素进行研究，以期达到提高肖特 基二极管反向耐压值的目的。具体研究内容如下： 1 根据器件结构特点分析各部分材料的结构特点、性能以及纯度与器件可 靠性的关系，主要包括半导体衬底以及外延层的材料的掺杂浓度、厚度以及半 导体与金属接触界面的分析； 2 从可靠性角度分析器件可靠性与工艺过程的关系，确定相应的工艺条件 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 和工艺参数，提出高耐压值s b d 的工艺制备条件和工艺参数； 3 结合肖特基二极管的性能测试，采用扫描电镜观察s b d 的横断面形貌 和接触界面的结构，确定影响反向击穿电压最主要的因素，以微观表征与宏观 性能分析相结合的方法，确定提高产品质量的方法。 哈尔演理t 人学t 学硕j 。学位论文 第2 章s b d 器件工作原理 早在1 8 7 4 年，b r a u n 就发现了金属与半导体接触之间导电性能的非对称 性，由此揭开了人们对金属和半导体接触研究的序幕。虽然金属与半导体接触 作为检波器早已得到广泛应用，然而人们对其整流机理并不了解，直到1 9 3 8 年，肖特基( s c h o t t k y ) 首先指出，由于金属一半导体之间存在稳定，均匀分布的 空间电荷层而形成势垒，即肖特基势垒。并在量子力学基础上，提出了扩散理 论，较好的解释了这种电流一电压的非对称性。b e t h e l 2 9 i 在1 9 4 2 年提出的热发 射理论使人们对金属一半导体接触整流机理的认识产生了一个飞跃。此后有很 多关于肖特基势垒物理研究的报道1 3 0 - 3 2 i ，进入8 0 年代，由于器件工艺技术的发 展，肖特基二极管的发展逐步走向成熟p ”。 本章详细讲述了肖特基二极管的器件原理，着重说明了肖特基势垒的形成 及电流输运理论，这是用电流一电压法测试肖特基二极管电学特性的理论基 础。也简单介绍了测试势垒高度的方法，讨论了影响电流一电压特性和势垒高 度的可能因素，为s b d 的特性研究提供理论依据。 2 1 肖特基势垒的形成 金属一半导体接触之所以能形成势垒，根本原因是它们有着不同的功函 数。金属的功函数定义为将金属中处于费米能级的电子拉到体外静止状态( 所 谓真空能级) 所需要的能量，一般用w ，用表示，这个能量一方面用来克服被拉电 子与会属晶格和其他电子之间的互作用，另一方面用来克服金属表面上可能存 在的偶极矩。所以，功函数的大小反映着电子被物体束缚的强弱。 半导体的功函数也定义为费米能级与真空能级之l s j 的能量差，以。表示。 由于半导体的费米能级一般处于禁带之中，上面并无电子，所以这个功函数的 定义可以看成是将电子从价带或从导带移到真空能级所需能量的统计平均。 对于半导体，还有一个表面参数是很重要的，这就是电子亲和能，以g z 表示。它定义为一个电子在导带底与在表面外静止状态的能量差，z 称为电子 亲和势。在平坦能带情况下( 即半导体内无电场) 半导体的功函数与电子亲和能 之自j 有如下关系： w = q z + 辨 ( 2 1 ) 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 这里的g “是半导体导带底与费米能级之间的能量差。 图2 - 1 ( a ) 是一块金属和一块半导体，它们彼此分开各自保持电中性。假设 半导体是n 型的，且其功函数嗽小于金属的功函数。同时还假设半导体表 面没有表面态，其能带直到表面都是平直的。用某种方法使金属和半导体接 触，由于w 。 3 t t q 咖= 了k t 掣c l v g ( 2 - 1 7 b ) 方程( 2 1 7 b ) 普遍用于求解理想因子疗。另外复合电流及由于载流子隧道效 应穿透氧化层引起的电流降低会导致肖特基二极管偏离理想行为。其中复合电 流在高势垒低寿命的材料如g a a s ，s i c 中，低温正向偏压时对疗的影响很大。 坠! ：童矍三尘兰三兰堡! ：兰竺丝兰 2 2 2 其他形式电流输运机理 电子除了越过势垒发射形成电流之外，还会通过隧穿效应及在空间电荷 区、中性区的复合产生电流。 电子隧道穿越势垒的方式主要有场发射和热场发射。在低温下，很重掺杂 的半导体( 简并半导体) 的正向电流，由能量处于半导体费米能级附近电子的隧 道效应产生。这种情况称为“场发射”。如果温度升高，电子被激发到较高的 能量，由于此时电子“遇到”一个比较薄而低的势垒，隧穿几率很快的增加； 另一方面，激发的电子数目随着能量的增加很快减少，因而在导带底上的某一 个能量e 处电子对电流的贡献最大。这种情况称为“热场发射”。如果温度进 一步增加，实际上所有的电子最终都能达到能越过势垒顶部的能量，隧道效应 可以忽略，因而出现纯粹的热发射。如果半导体掺杂浓度足够高，电子通过 “场发射”隧穿势垒变得很容易，则此时肖特基势垒对电子不再起阻挡作用， 这就形成了欧姆接触最重要的一种制备条件。 电子还会在耗尽区及中性区内通过复合产生电流。复合电流密度近似由下 式给出： j r = 以。 e x p ( q v 2 k t ) 一1 ( 2 1 8 ) 其中l ，。= q r 1 w 2 r ，此处r ，是耗尽区的电子寿命，w 是耗尽区的厚度。 复合电流在高势垒低寿命的材料中和低温正向偏压下相对来说更重要。如在 s i c 和g a a s 中。 另外，界面层的存在使电子必须穿过绝缘层造成的势垒，因此在一定偏压 下电流降低，其情况相当于a 降低。 2 2 3 反向电流特性 根据热电子发射理论，理想的肖特基二极管的反向电流密度，应该在 以= a t 2 e x p ( 一日机k v l 时达到饱和。有几种原因可以使其偏离这一理想性 能，这些原因包括势垒高度对电场的依赖关系、隧道效应作用以及耗尽区中电 子空穴对的产生。 从2 1 节我们知道，有几种原因导致势垒高度机随反向电场强度的增大而 减小，反向特性就不会饱和。反向电流随e x p ( q a 妒s k t l 成比例地增加，其中 “是电场引起的势垒降低。低掺杂水平下，穿越势垒的隧道效应反向比正向 哈尔滨理t 人学t 学硕f 学位论文 明显，是因为反向所加的偏压比正向大得多，而且加中等大小的反向偏压，就 足以让势垒减薄到使大量电子由于隧道效应而从金属进入半导体。如果采用低 施主浓度，使镜象力降低和隧道效应减小到可以忽略的程度，由于在耗尽区中 产生电子空穴对，也可能出现可观的反向电流，这其实是正向情况下复合电流 的一个反过程。产生电流j 。= q n ，w 2 r ，其中形与( 。+ 1 ) _ 成正比，因 而，。随反向偏压增加。同复合电流一样，产生电流在高势垒、低寿命的半导体 中更重要，并且低温下比高温下明显。 2 3 肖特基二极管的i v 特性模型 目前，各种材料的肖特基二极管的i v 特性的模型总结如下： 1 界面热电子发射模型( i t 模型) j l r = a t 2 t ze x p ( 一百q d p bj 、c 弋( 一学 唧( 苦) 一，c z 郴， a 是r i c h a r d s o n 常数，a 是传输系数，是界面层上的电压降，九是肖 特基势垒高度； 2 热电子发射模型( t 模型) j r = a t 2 e x p ( 一剖h 静 3 界面扩散模型( i d 模型) = 孵v 。e x 一( _ 警) e x p ( 一警) e x p ( 警) 一 c z 埘， 坼是导带底电子有效状态密度，是肖特基空间电荷区电子有效扩散速 度； 4 扩散模型( d 模型) 厶= 号笋 盟 堡卜v 2 l ( 一盟k z 慨) j l ( 舒 ( 2 _ z z ， 见是电子扩散系数，d 是半导体旌主浓度，k ，是m s 自建电势； 哈尔滨理t 人学t 学硕l 岸位论文 5 热电子发射扩散模型( t d 模型) = 而q n c v r i e 冲( 一监k t1 ) e x p ( 一警 e x p ( 筹 一t 其中，热运动速度v r 是 = a t 2 q n c f 2 2 3 ) f 2 - 2 4 ) 6 界面热电子发射扩散模型( i t d 模型) = 而q n c v r o te x 一( 一等 e x p ( 一普) e x p ( 警 一 c z 彩， 7 隧穿模型 ，= 譬广e x p 愕3 q - 孤阮s - i 犯叫h 正斗弘z s ， 妒是势垒高度的降低量，加。是电子的有效质量，k 是m s 界面的电场 强度极值； 这些模型都不考虑空间电荷内载流子的碰撞电离产生的电流，以及复合电 流等。对于s i 材料、g a a s 材料的肖特基二极管的i v 特性，常用以上前六种 模型，后一种模型常用于s i c 材料的肖特基二极管的反向i v 特性的分析。 2 4 肖特基势垒电容 若半导体是均匀掺杂的，其施主浓度为d ，可由泊松方程解得耗尽层的 宽度 堡：二型( 2 - 2 7 ) 一 j d x s ， 式中 p ( x ) = + g d p ( o ) = 0 0 x 工 哈尔演理t 人学t 学硕1 学位论文 其边界条件为x ：处，_ d v ：0 ；x ：0 处，v = - v b ，。解式( 2 2 7 ) 得 n x 卟) = e n n ( w x 一舟 ( 2 _ z s ) 工= 0 和x = t 间的电位差简单地为，因此 k ，= 矿( j ) l 。一矿( x ) i ，：。( 2 - 2 9 ) 由式( 2 2 9 ) ，解t ，得零偏压下耗尽层的宽度为 t _ ( 等广 s 。， 若对金属一半导体结外加偏压匕，金属和半导体的相对费米能级将发生变 化，其变化的大小为圪，这将改变。负偏下，z = 0 和x = t 间的电位差为 k ，+ l 圪l ；正偏下，电压差为k ，一i k l 。所谓j 下偏，即金属相对于半导体为正； 反之，为负偏。用k ，一代替式( 2 3 0 ) 中的，可精确地求得耗尽层宽度与 偏置电压的函数关系式为 叱，= 驾r 浯。， 注意，正向偏置时e 为正。由式( 2 3 2 ) 可知