ISFBR型肖特基芯片开发的关键技术及设计研究

关世瑛

摘要：芯片是高新技术产业发展中一项非常重要的内容，以高新技术为基础对新型电子元器件进行研发，能够为促进我国的电子信息技术发展起到良好的作用。ISFBR型肖特基芯片具有创新结构的电子元器件，更适合应用需求，符合当前我国高新技术成果转化发展要求的项目。本文以ISFBR型肖特基芯片为主要研究对象，着重对ISFBR型肖特基芯片开发的关键技术及设计进行了研究和分析。

关键词：半导体芯片；全桥功能；注入势垒区；芯片设计

前言：从整体上来说，我国的高新技术半导体产业发展较晚，近年来，伴随着科学技术的不断发展，我国对于高新技术的研发设计给予了一定的支持。ISFBR型肖特基芯片项目所应用的核心技术，是符合国家当前重点支持的高新技术领域范围之内的，能够对促进各种新工艺和新产品的诞生起到重要作用。对ISFBR型肖特基芯片开发的关键技术及设计进行分析，能够为我国高新技术领域的研发设计提供借鉴的经验。

一、ISFBR型肖特基芯片

（一）ISFBR型肖特基芯片的立项背景

以高新技术产业的发展来带动我国科技的整体进步，是国家提高对高新技术产业重视程度的主要原因之一。我国当前的高新技术产业发展情况与国外相比仍然具有一定差距[1]。肖特基器件是一种电子元器件，被广泛地应用到整流、续流等高频开关场合当中，因而在物联网、数码产品、电子通讯设备等领域都发挥着重要的作用。随着PoE供电技术的广泛应用，PoE终端设备的普及发展，对器件功耗及小型化封装提出更高的要求，如安防领域，在终端设备的接口处必须使用全桥整流肖特基器件，传统的肖特基全桥整流器，采用4颗单管焊接形成，由于占用PCB板的面积过大，逐渐被淘汰，在PoE终端设备不断普及发展的背景下，原有的肖特基器件在功耗以及封装等方面的缺陷逐渐暴露出来。适应于发展需要的新的肖特基器件以期特定优势，逐渐替代传统肖特基产品，ISFBR型肖特基芯片是一种集成式的肖特基全桥整流器，其具有集成式的肖特基全桥整流芯片的优势，使其在市场上的需求比重逐渐增加，这种芯片不仅能够降低全桥器件的封装难度，提高封装的成品率，而且通过集成芯片结构，器件的可靠性更高。而从我国的安防类产品发展情况来看，在高达2500亿人民币产值的安防类产品中，60%的安防设备都采用的是PoE的供电方式。在这种情况下，集成式的肖特基全桥整流芯片的需求量巨大。但由于当前应用的集成式肖特基全桥整流器件主要由国外企业进行供应，国内要想满足该类型芯片的长期供应，仍然具有一定的难度[2]。

（二）ISFBR型肖特基芯片的研发目标

国外对于肖特基芯片的研究较早，在研发芯片的过程中通常采用封装技术改进以及钝化技术等来实现产品的不断优化和创新。而由于这些技术在实际的应用过程中会对高精设备提出较高的要求，因而对该类型产品生产控制具有一定的难度[3]。当前我国应用的肖特基芯片仍以传统的四颗芯片合封形式为主，在技术层面与国内外的研究存在一定的差距。

ISFBR型肖特基芯片的项目研发目标是利用创新的结构设计及工艺技术，开发设计集成式的肖特基芯片为目标，以满足高可靠性、低功耗以及降低封装难度的特点。该项目在研究和开发的过程中，主要具有两个方面的创新点，在自主的专利技术的前提下，通过采用深沟槽异型外延结构和隔离结构设计，实现产品的集成式结构，实现从传统的SIP全桥整流器件到SOC全桥整流器件的进步，提升芯片产品的可靠性；同时通过新颖的结构结合肖特基势垒注入掺杂技术，使得产品同等技术下具有更低的导通损耗，满足了PoE供电技术对终端设备提出的高效、高速运行的要求。该项目的完成，不仅能够实现代替进口芯片的目的，还能够逐渐推动我国的集成式肖特全桥整流芯片实现国产化。

二、ISFBR型肖特基芯片开发的关键技术及设计具体分析

我国的电子信息技术领域发展较晚，电子器件作为各类设备运行的重要基础，会对当前我国的电子信息技术领域以及其他多个领域的发展产生重要的影响[4]。ISFBR型肖特基芯片，属于一种创新型的半导体器件，该芯片之所以能够具有一定的优势，主要是因为ISFBR型肖特基芯片所应用的关键技术和设计过程具有更大的自主性，一方面不会受到国外专利技术对于专利授权的影响，另一方面也能够更符合国内设备所应用的肖特基芯片的要求[5]。在对ISFBR型肖特基芯片开发的关键技术及设计进行分析时，主要可以从以下几个方面来入手：

（一）ISFBR型肖特基芯片的主要研发内容

ISFBR型肖特基芯片是一种以肖特基芯片技术为基础研发，具有新颖结构设计和创新技术，实现一种集成式肖特基全桥整流芯片，结构示意图如图1所示。芯片结构中通过P型外延形成隔离区分离出4个N-区，其中N-1区与N-3区形成的肖特基结构的阳极金属相连，形成共阳极，此共阳极为全桥结构的负压输出端；N-2区与N-4区形成的肖特基结构的阴极通过N+相连，形成共阴极，此共阴极为全桥结构的正压输出端；N-2区形成的肖特基结构的阳极通过金属连线金属与N-1区形成的肖特基结构的阴极N++重掺层相连，N-4区形成的肖特基结构的阳极通过金属连线金属与N-3区形成的肖特基结构的阴极N++重掺层相连，两个金属区形成全桥结构的两个交流输入端。

图1 IFSBR型肖特基芯片剖面结构示意图

ISFBR型肖特基芯片与采用传统肖特基芯片的全桥器件相比，具有可降低封装难度、提高成品率且更可靠的优点。该芯片之所以能够体现出创新性的特点，最主要的原因是该芯片在开发设计的过程中应用了两种技术：首先采用深沟槽异型双外延结构，通过深沟槽刻蚀、隔离填充、异质双外延及平坦化等技术来满足全桥集成的结构设计要求，并且实现双通道的参数对称性。其次采用掺杂肖特基势垒技术，通过重金属与硅形成硅化物势垒层，势垒层注入掺杂及低温退火等工艺技术，实现器件的低导通压降的优点，降低功耗；以及通过优化保护环及场板的设计实现对于芯片性能的优化。

在ISFBR型肖特基芯片的研发过程中，基于以上两个方面的关键技术，其主要的研发内容包括器件结构和工艺的TCAD仿真技术、实现集成式全桥结构的设计研究。器件结构和工艺的TCAD仿真技术的研究过程具体包括三个方面：首先，建立不同槽深下的不同异质外延浓度和厚度结构、不同异质重掺杂分布、不同的注入掺杂的势垒结的全桥结构参数的各种匹配模型，进行TCAD模拟仿真优化，从理论仿真上确定最佳的槽深和槽宽、一次外延浓度、重掺杂质分布、二次外延浓度和厚度以及全桥结构参数的优值区间，确定结构设计、外延参数、掺杂区及分布的设计方案；其次，对不同势垒金属层厚度、不同的合金工艺条件的设计仿真进行优化，形成优选的金属硅化物层作为势垒层；第三，对势垒层注入掺杂、退火条件设计仿真进行优化 实现肖特基势垒层的掺杂分布的控制；以此来实现对于ISFBR型肖特基芯片理论可行性的验证。集成式全桥结构设计的研究，主要的是在合理的布局设计情况下，实现全桥结构的同时提高芯片利用率的设计目标，以增加10%以上的肖特基势垒区有效面积为主，达到增加器件单位面积功率能力的目标，通过对深沟区、异型双外延区的布局优化设计等研究，能够形成一个全桥集成的结构，并通过保证双通道的参数对称性来确保芯片的应用性能。在项目完成后，以上提到的关键技术被逐项攻克，并在获得专利技术的基础上，得到了该项目综合技术达到国际先进水平的认证。

（二）ISFBR型肖特基芯片的优势

ISFBR型肖特基芯片是一种新型的半导体元器件，在国外对肖特基芯片形成技术壁垒保护的情况下，ISFBR型肖特基芯片项目的研究，不仅能够满足企业自身发展的需要，还能够为促进我国芯片开发和设计、高新技术产业的发展创造更大的价值。通过前面的介绍可以得知，集成式的全桥芯片封装的器件，较由于传统的四颗肖特基芯片通过封装连接构成的全桥器件，在高成品率、高可靠性及低寄生响应方面具有竞争优势，符合新终端设备越来越高的发展要求。ISFBR型肖特基芯片项目中提出的关键技术和创新点，主要体现在其更能够满足传统封装技术，降低全桥器件封装难度，进而不断提升芯片产品的可靠性和生产效率上；另外ISFBR型肖特基芯片才用的势垒掺杂技术，可提高芯片的性能，使产品更具优势。在PoE供电领域，IEEE802.3bt电功率及数据传输的技术标准的实施，推动了其在IoT、区块链、安防等更高功率的智能终端行业的发展。而802.3bt时供电传输时，不仅需要使用两个100V的全桥器件，还需要能够满足快速传输信号的要求。肖特基全桥整流器能够有效满足这些要求，因此IFSBR型肖特基芯片的研发，能够满足当前我国对于肖特基全桥整流器需求的发展。ISFBR型肖特基芯片之所以能够具备这些优势，最主要的原因就在于其对于传统肖特基芯片的创新。具体来说，首先，独创的深沟槽隔离外延结构和巧妙的结构设计，能够形成全桥集成结构，使得该芯片有利于封装小型化、降低封装难度，提升产品成品率、可靠性；其次，以新颖的结构结合肖特基势垒注入掺杂技术，保证高速特性的同时，降低正向饱和压降，实现低功耗，满足采用PoE供电的终端设备的高速、高效的要求。

（三）ISFBR型肖特基芯片项目存在的难点及解决

在研究开发ISFBR型肖特基芯片的过程中，需要制定好转化项目实施的具体计划。在具体制定的转化计划中，首先明确了该项目应用的主要技术路线、目标及分解实施，为项目研发的持续推进提供了支撑保障。项目实施过程中遇到很多难点技术问题，主要难点有：深槽异质外延和形貌控制工艺开发及实现，沟槽同质重掺埋层外延和表面平坦化工艺开发及实现，以及复合注入掺杂势垒结的全桥集成结构布局设计及实现等技术难点。为了解决这些难点，进行了目标及目标分解实施，首先，通过采用半导体仿真软件Silvaco，建立不同槽深下的不同异质外延浓度和厚度结构、不同异质重掺杂分布、不同的注入掺杂的势垒结的全桥结构参数的各种匹配模型，进行TCAD模拟仿真，从理论仿真上确定最佳的槽深和槽宽、一次外延浓度、重掺杂质分布、二次外延浓度和厚度以及全桥结构参数的优值区间，确定结构设计、外延参数、掺杂区及分布的设计方案及并结合掺杂势垒结技术设计了制造的工艺路线，为产品设计、工艺开发人员提供版图设计方向及工艺开发方向；其次，通过半导体工艺理论与实践经验结合，进行金属硅化物注入掺杂特性研究，并结合单向工艺仿真，确定最优的注入剂量、能量和退火工艺的匹配，实现产品需要的势垒区掺杂的分布要求，实现产品性能提升，完成项目产品关键工艺开发；第三，通过结合产线工艺能力的条件，进行工艺过程涨缩量的评估，进行结构优化布局设计，实现集成全桥结构的版图设计；最终，通过DOE方案实施的结果，优化工艺流程，完成目标产品开发。IFSBR型肖特基芯片产品的关键核心技术已经被掌握，项目实施形成整套产品技术实施流程、工艺菜单及版图文件，经过工艺开发、版图设计及工艺流程整合优化，最终实现了本项目的产品开发。

芯片项目的而研发本身属于高新技术产业中的重要内容，在芯片项目的研发实施过程中，首先需要立足于同类芯片技术的发展背景，从当前同类芯片技术中存在的问题入手，尽可能的从芯片技术和产品结构的角度来考虑是否能够对芯片技术进行创新。创新是芯片项目研发成功的关键核心组成，在创新芯片技术的过程中，不仅需要考虑到以往芯片技术的应用缺陷，还需要以更贴近实际、更符合市场发展要求的原则，提高芯片的适用性。

（四）ISFBR型肖特基芯片项目依托的专利内容

ISFBR型肖特基芯片项目是一种典型的成果转化项目，该项目在自主研发的过程中应用的核心技术已经获得了国家规定的知识专利授权，其中主要包括“一种掺杂的肖特基势垒器件及其制备方法”的发明专利授权，“一种用于全桥整流的新型肖特基器件”的实用新型专利授权，还有一项已经进入实质审核阶段的“一种用于全桥整流的新型肖特基器件及制造方法”的发明专利。这些专利的授权能够对ISFBR型肖特基芯片项目应用的关键技术，形成核心技术的保护作用。

具体来说，“一种掺杂的肖特基势垒器件及其制备方法”的专利权利要求主要是指一种掺杂的肖特基势垒器件，这种器件能够形成器件势垒结的金属硅化物势垒层的表层通过注入掺杂源，在经过快速退火之后，形成具有掺杂磷的肖特基势垒层。在这个过程中，掺杂的杂质非均匀的分布于金属硅化物的势垒层中，掺杂杂质的浓度峰值靠近势垒区表面。在这种情况下，掺杂杂质会随着势垒层的深度递减；而在势垒层接近底部区域，无额外磷杂质掺杂，肖特基器件的势垒层上部能够由掺杂金属硅化物层和底部未掺杂的金属硅化物层共同形成。而在这种专利技术内容的指导下，制作出具有掺杂的肖特基势垒器件，能够让肖特基器件体现出可形成掺磷的金属硅化物势垒结，器件具有更低的正向压降，具有低导通损耗的优势。

“一种用于全桥整流的新型肖特基器件”的专利权利内容中，这种新型的肖特基器件结构，具有四个独立的N-外延岛，在四个N-外延岛的上表面分别都有一个肖特基势垒结，而在每个势垒区边缘处，都分别有四个P+保护环，在每个保护环的外侧，都拥有绝缘介质层，每个肖特基势垒区上都有由金属层形成器件的电极。在这四个电极中，第一电极能够与第三电极相连，构成整流器件的共阳输出极，其他各个具体的组成部分也能够为实现肖特基器件的相关性能发挥作用。这种具有全桥整流功能的新型肖特基器件结构，是在一个集成式全桥肖特基芯片上，通过采用隔离沟槽刻蚀分区、双异型外延层及平坦化技术结合，形成四个独立的N-外延岛，而每个隔离岛上都分别独立肖特基势垒结，通过金属电极和高浓度掺杂区进行布线连接，从而形成一个具有全桥整流功能的肖特基器件。

在芯片研发的过程中，需要立足于以往技术研究的弱势和问题，将关键技术及时以专利的形式保护起来，才能够更好的为项目的后续开发和研究提供保障。而这些已经取得授权的专利权利内容，已经成为ISFBR型肖特基芯片项目能够顺利研发的主要技术支撑，在对ISFBR型肖特基芯片项目起到保护作用的同时，也为芯片项目的研发和高新技术产业的发展提供了一定的研发经验和技术沉淀积累。

结论：综上所述，ISFBR型肖特基芯片是符合当前我国高新技术产业发展趋势的，对我国高新技术产业发展起到一定促进作用。从当前我国高新技术产业发展的实际情况来看，越来越多的高新技术的研发项目对促进我国高新技术行业和领域的发展起到了举足轻重的作用。在对ISFBR型肖特基芯片项目进行研究之后可以发现，高新技术的开发和设计，不仅需要满足科学研究和技术开发的要求，同时也需要能够克服一定的问题和风险。

参考文献：

[1]钟伟军,任翔,赵鑫.异构集成芯片关键技术研究[J].信息技术与标准化,2021(07):6-10.

[2]梁世维. 基于4H-SiC BJT的单片集成智能功率芯片关键技术的研究[D].湖南大学,2020.

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[4]常皓. 基于硅工艺的Ka波段多功能芯片关键技术研究[D].电子科技大学,2020.

[5]国产北斗芯片关键技术已全面突破[J].电子世界,2019(11):4.