沟槽肖特基二极管工艺研究 - 学兔兔 www.bzfxw.com .pdf

P r 。c e s san dF ab r ；c a t ；。nI 工艺与制造 沟槽肖特基二极管工艺研究 周卫平，陈惠明，王西政( 上海先进半导体制造有限公司。邮编2 0 0 2 3 3 ) 摘要：随着国家对新能源电子产品的大力扶持。各种节能型电子产品日益壮大。其中沟槽型肖特 基二极管相比于平面型具有不可比拟的优势，最近备受青睐。结合六英寸生产线的工艺能力，通 过设计沟槽，优化多晶回刻，引入O N O 层间介质和控制P l 基势垒金属合金，创新地建立一套沟槽 S B D T 艺平台。生产出沟槽型肖特基二极管，其参数性能已经达到或超过业内同类产品水平。 关键词：侧墙；多晶回刻；O N O 结构；P t 基势垒金属合金 中图分类号：T N 3 8 6 3 文献标识码：A 文章编号：16 7 4 2 5 8 3 ( 2 0 16 ) 0 8 0 0 2 5 0 4 D O I ：10 19 3 3 9 j 。i s s n 16 7 4 - 2 5 8 3 2 0 16 0 8 0 0 5 中文引用格式：周卫平，陈惠明，王西政沟槽肖特基二极管工艺研究【J 】集成电路应用，2 0 1 6 ，3 3 ( 8 ) ：2 5 - 2 8 S t u d y f o rT r e n c hS c h o t t k yD i o d eP r o c e s s Z H O UW e i p i n g ，C H E NH u i m i n g ，W A N GX i z h e n g ( A d v a n c e dS e m i c o n d u c t o rM a n u f a c t u r i n g C o r p L t d ，S h a n g h a i2 0 0 2 3 3 ，C h i n a ) A b s t r a c t ：W i t hC h i n e s eg o v e r n m e n t Ss t r e n g t h e n e ds u p p o r tf o rn e we n e r g ye l e c t r o n i cp r o d u c t s ， av a r i e t yO fe n e r g y s a v i n ge l e c t r o n i cp r o d u c t sa r eg r o w i n g A m o n gt h e m ，c o m p a r e dw i t hp l a n a r S c h o R k yd i o d e 。t r e n c hS c h o R k yd i o d eh a sm u c hm o r ea d v a n t a g e s A tp r e s e n t ，t h e r ei S n Oi n d e p t hs t u d yo ni t sm a n u f a c t u r i n gp r o c e s s 1 nt h i sp a p e r ，b a s e do np r o c e s sc a p a b i l i t yo fs i xi n c h p r o d u c t i o nI i n e a ni n n o v a t i v ep l a t f o r mo ft r e n c hS B Dt e c h n o l o g yi S e s t a b l i s h e d I tc o n s i s t so f g r o o v ep r o c e s s ，o p t i m i z e dp o l ye t c hb a c ki nt r e n c h ，O N Od i e l e c t i ca n dw e l Ic o n t m l l e da l l o yo fP t b a s e db a r r i e rm e t a l T h ep a r a m e t e rp e r f o r m a n c eo ft h ep r o d u c th a sr e a c h e do re x c e e d e dt h e l e v e lo fs i m i l a rp r o d u c t si nt h ei n d u s t 吖 K e yw o r d ：S i d ew a l l ，p o l ye t c hb a c k ，O N Os t r u c t u r e ，P tb a s e db a r r i e rm e t a Ia l l o y D O I ：1 0 1 9 3 3 9 j i s s n 1 6 7 4 - 2 5 8 3 。2 0 1 6 0 7 0 0 5 1 引言 肖特基二极管是以其发明人肖特基博士 ( S c h o t t k y ) 命名的，s B D 一般是指平面型肖特基势垒 二极管，其是( S c h o t t k yB a r r i e rD i o d e 缩写成S B D ) 的 简称。自从平面肖特基二极管产生以来，就受到了人 们的关注。平面肖特基二极管具有优异的高频特性和 较低的正向开启电压，这些独特的性质使得其在太阳 能电池、开关电源、汽车以及手机等多个领域都有着 较大的应用潜力。但是，在反向偏压下，镜像力使 势垒降低的效应，导致了平面肖特基二极管存在阻断 能力差的缺点。沟槽型肖特基二极管是在平面型二极 管的基础上，利用了金属半导体硅的M O S 效应( 见 图1 ) 而发明出来的沟槽型M O S 肖特基势垒二极管。 其主要特点是随着反向电压升高，通过M O S 效应， 沟槽之间提前夹断，电场强度在到达硅表面之前，降 为零，避免在表面击穿，提高了阻断能力2 1 。另外， 其相对于平面二极管还有着其它不可比拟的优势，主 要表现在E S D 和抗浪涌电流能力增强，更小的芯片面 。! 汀专l 严f 卧j 二j jj ： _ L 兰：二罩丁 I 一 图1 沟槽型S B DM O S 效应示意图 集成电路应用第3 3 卷第8 期( 总第2 7 5 期) 2 0 16 年8 月l2 5 万方数据 工艺与制造lP r 。c e s san dF ab r ；c a t ；。n 接触盖属层 势垒舍盒层，_ | 再一职I 蚪+ 衬底 平面S B D H E P I 肿衬底 一 沟槽S B D r 【P 。1 y I 一 图2 平面S B D 和沟槽S B D 的差异截面示意图( 仅截取C E L L 区和终端区比较) 积，相同的衬底和金属条件下，反向漏电流较低，V f 较 低等。本文在此做一个针对沟槽型肖特基二极管的工 艺介绍。 引人沟槽设计，产品结构从平面变成了垂直( 见 图2 ) ，不但需要考虑到生产工厂是否有刻蚀沟槽的能 力，还要考虑到前后工艺是否可以兼容。本文正是围 绕这个课题来阐述沟槽型肖特基二极管的工艺流程及 为了满足静态参数要求所作的工艺修正。 2 沟槽型S B D 工艺介绍 沟槽型肖特基二极管工艺流程如下：生长氧化层 掩蔽层沟槽光刻沟槽刻蚀多晶填充多晶回刻接触孔 光刻接触孔刻蚀势垒金属溅射势垒金属合金势垒金 属去除接触金属淀积接触金属光刻接触金属刻蚀。 工艺主要有以下四个难点： ( 1 ) 沟槽刻蚀。8 英寸以上工 厂的沟槽刻蚀能力都是比较强的， 可以很好地控制沟槽形貌，很好地 控制深宽选择比。但是一般的5 、6 英寸工厂就没有很好的沟槽刻蚀能 力。沟槽型肖特基二极管对沟槽的 具体要求是：侧壁光滑，有一定的 倾斜角，底部槽最好是圆的，沟槽 的宽度尽可能小。 ( 2 ) 多晶回刻。沟槽刻蚀后， 需要填充多晶，而多晶反刻时，对 核心技术，肖特基二极管最重要参数V f 的值是由它起 决定作用的。目前有钛、镍、铂、铬、钼或者金作为 势垒金属的原材料。只有钛可以在8 英寸及以上工厂使 用，其它重金属都不允许，有重金属玷污的风险。怎 样使沟槽s B D 工艺和现有生产线兼容是需要考虑的。 针对以上技术难点，逐一阐述并提出解决方案。 2 1 生产工艺设计 ( 1 ) 沟槽及刻蚀工艺设计。理想的沟槽形貌类似 图3 a ，顶部大，底部小，有一定的斜度，如果底部能圆 润些就更好，图3 a 可以接受。像图3 b 就不能接受，一 是沟槽太宽，牺牲了有源区，并且也没有形成斜角沟 槽。A S M C 仓J 新引入侧墙工艺，可以使沟槽宽度缩小 N o 5 u m ，弥补了沟槽过宽的问题，更接近8 英寸工厂的 工艺能力( 见图3 c ) ，虽然不能实现斜度，但也可以 bc 图3 ( a ) 理想的沟槽截面( b ) Y _ V i E 常工艺的沟槽截面 ( C ) 引入侧墙工艺后的沟槽截面 过刻的控制要求比较高，多晶刻蚀过深，会增加后续 工艺难度，导致金属的台阶覆盖变差；刻蚀量不够， 有多晶残留，会造成后面的接触孑L 刻蚀不净。 ( 3 ) 接触孔刻蚀。这是很多工厂都面临的问题， 怎样控制接触孑L 过刻，是决定工艺成败的关键。刻 蚀不干净，会有正向导通压降v f 开路的问题：刻蚀过 度，V f 容易短路。 ( 4 ) 势垒金属。势垒金属的选择和合金是工艺的 2 6l 集成电路应用第3 3 卷第8 期( 总第2 7 5 期) 2 0 1 6 年8 月 硅片中心硅片边缘 图4 多晶刻蚀后的硅片中心和边缘的沟槽截面 服1 撇蝴 万方数据 a P r 。c e s san dF ab r ；c a t ；。nI 工艺与制造 b 图5 ( a ) 没有采用O N O 结构的接触子L 刻蚀后截面 ( b ) 采用O N O 结构的接触子L 刻蚀后截面 M a l c l1 , 1 lf e 、l审R W 伯V A l - Ij l 0J j T I39 9 06 1 ( I45 2【I6 0 N l4j 106 6 M oJ2 9 O6 S P t53 909 l 图6 金属功函数以及正向导通压降V f 的公式3 基本满足应用需要。 ( 2 ) 多晶回刻工艺设计。多晶填充沟槽后，需要 将沟槽外的多晶去除，但由于H a r dm a s k 的厚度太薄， 怎样控制回刻需要特殊处理。工艺开发初始，常常出 现中心刻蚀干净、边缘有残留，或边缘干净、中心过 刻的问题。通过调整刻蚀工艺气体比例，可以很好地 改进中心和边缘的刻蚀速率的一致性( 见图4 ) 。 ( 3 ) 接触孔刻蚀。由于沟槽里会生长一层薄的 栅氧化层，其与后续工艺的层间介质( I L D ) 是一样的物 质，在接触孔刻蚀时，如果刻蚀速率稍快，沟槽侧壁 的氧化层会很容易被过度刻蚀，影响器件参数性能。 但如果简单地减少刻蚀时间或速率，接触孔内的氧化 层会有残留，V 侩偏大。这么小的工艺窗口，导致产 品的合格率波动非常大。于是，我们对工艺作了较大 改进，发明了在沟槽S B D 工艺里加入O N O 结构。所谓 O N O 结构，就是淀积层间介质之前，先生长一层氧化 层，再生长一层薄氮化硅。这样做的好处是氮化硅可 以作为刻蚀终止薄膜，在它的帮助下，可以更精确地 控制刻蚀，不但使沟槽侧壁的栅氧化层减少5 0 的过 刻深度( 见图5 ) ，同时又能保证接触孔处的氧化层被 全部刻蚀干净。 ( 4 ) 势垒金属。势垒金属的 选取和工艺是S B D 的技术核心，目 前只有几家制造商掌握了整套工艺 技术。我们通过理论研究，查找相 关文献，并通过前期的实验分析， 找到了一种合适的5 铂基的合金材 料，实现了较低正向导通V f 的工艺 能力。另外，合金条件也是工艺实 现的关键所在。 实验得出这种5 P t 基的复合金 属在5 0 0 。C 的合金温度下可以实现低 V 珀勺能力。 通过解决以上几处工艺难点， 沟槽工艺框架基本完成。但是为了 更客制化地实现客户的具体参数要 求，还需通过更多的D O E ! 来实现。 2 2 沟擅型S B D 静态参数及工艺 修正方