半導(dǎo)體分立器件制造工藝的可靠性研究

陳艷明

摘 要 隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)實(shí)力的增長(zhǎng)，科學(xué)技術(shù)水平的提高，在大好的外部環(huán)境帶動(dòng)下，半導(dǎo)體研發(fā)、生產(chǎn)、制造等技術(shù)也隨之得到良好的發(fā)展機(jī)會(huì)。在半導(dǎo)體生產(chǎn)制造領(lǐng)域不斷涌現(xiàn)出新工藝、新技術(shù)、新器件的突破成果，呈現(xiàn)出快速發(fā)展的良好勢(shì)頭。在快速發(fā)展的現(xiàn)象背后必然伴隨著新的技術(shù)挑戰(zhàn)，筆者就半導(dǎo)體分離器件的制造工藝進(jìn)行了深入研究，對(duì)工藝的可靠性加以分析，指出生產(chǎn)過(guò)程中影響半導(dǎo)體分立器可靠性的關(guān)鍵工藝步驟，同時(shí)提出了可以有效提高半導(dǎo)體分離器可靠性的相關(guān)措施，希望對(duì)我國(guó)半導(dǎo)體事業(yè)的發(fā)展起到積極作用。

關(guān)鍵詞 半導(dǎo)體分立器件；工藝制造；影響與措施；可靠性；控制

中圖分類號(hào) TN3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A

文章編號(hào) 1674-6708（2016） 154-0041-01

在我國(guó)，半導(dǎo)體分離器使用最多、最廣泛的是Si和GaAs這兩種器件，但在現(xiàn)實(shí)使用中，這兩種半導(dǎo)體分離器會(huì)時(shí)常出現(xiàn)器件分離失靈的現(xiàn)象。造成這種現(xiàn)象的原因有很多，但主要原因是半導(dǎo)體分離器的質(zhì)量不過(guò)關(guān)，影響半導(dǎo)體分離器質(zhì)量的因素主要有生產(chǎn)材料、生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)環(huán)境等，本文詳細(xì)介紹了這些因素對(duì)生產(chǎn)半導(dǎo)體分離器質(zhì)量的影響機(jī)理及應(yīng)對(duì)措施。

1 工藝制造過(guò)程中的缺陷對(duì)器件與材料的可靠性與質(zhì)量影響

在半導(dǎo)體分離器生產(chǎn)過(guò)程中，每一個(gè)工藝控制點(diǎn)都有可能是造成器件缺陷，尤其在材料的切割和加工過(guò)程中，包括拋光、單晶排列、光刻及擴(kuò)散等工藝中很容易出現(xiàn)生產(chǎn)上的器件缺陷，除此之外，有些隱形缺陷可能會(huì)在后期使用過(guò)程中，受到電磁場(chǎng)、溫濕度和受力沖擊不均勻等因素的影響，加速老化導(dǎo)致分立器件失靈。以擴(kuò)散工藝舉例分析，在型號(hào)為P的Si矩陣中進(jìn)行磷擴(kuò)散工藝操作，在擴(kuò)散過(guò)程中，雖然磷的立體結(jié)構(gòu)與硅的立體結(jié)構(gòu)同為四面體構(gòu)型，但不同之處是磷的四面體結(jié)構(gòu)半徑要稍小于硅，這就導(dǎo)致了在磷的擴(kuò)散過(guò)程中，排擠、壓縮影響到硅的點(diǎn)陣排列，造成硅點(diǎn)陣排列錯(cuò)配。出現(xiàn)這種點(diǎn)陣錯(cuò)配之后，還會(huì)造成一系列后續(xù)影響，例如點(diǎn)陣排列不緊密會(huì)引入其他雜質(zhì)分子的擴(kuò)散并進(jìn)入點(diǎn)陣，進(jìn)一步加劇點(diǎn)陣的排列錯(cuò)配，嚴(yán)重時(shí)引發(fā)基區(qū)陷落效應(yīng)，使半導(dǎo)體分離器的擊穿電壓大幅度減??；點(diǎn)陣錯(cuò)配造成內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力，在后期使用中，受溫度和電流變化影響，老化速度加劇，影響半導(dǎo)體器件的使用壽命。

2 關(guān)鍵工藝對(duì)半導(dǎo)體器件工藝的可靠性影響

半導(dǎo)體的分離器的關(guān)鍵生產(chǎn)工藝同樣是考察器件制造工藝是否可靠的一項(xiàng)重要指標(biāo)，關(guān)鍵生產(chǎn)工藝主要包括：光刻工藝、材料金屬化工藝、物理干法腐蝕工藝和引線鍵合工藝。

2.1 光刻工藝對(duì)器件工藝的可靠性影響

光刻工藝屬于一項(xiàng)籠統(tǒng)的概括說(shuō)法，可細(xì)分為五項(xiàng)工序：曝光、涂膠、堅(jiān)膜、顯影和腐蝕。在光刻過(guò)程中容易出現(xiàn)的器件缺陷一般都是在材料的金屬化層面及金屬氧化層面，在這兩個(gè)層面出現(xiàn)的缺陷一般表現(xiàn)為毛刺、凸起（小島）、凹陷（針孔）和鉆蝕等，這些缺陷的產(chǎn)生會(huì)對(duì)半導(dǎo)體分離器件的后期使用造成不良影響，對(duì)半導(dǎo)體器件工藝的可靠性造成負(fù)面影響。

2.2 材料金屬化工藝對(duì)器件工藝的可靠性影響

在對(duì)生產(chǎn)材料進(jìn)行金屬化加工時(shí)，一般使用NaOH模具尖端作為加工工具，因此在拉絲模具中很容易造成Na+污染情況的發(fā)生，一旦出現(xiàn)Na+污染，那么在采用鎢絲加熱真空蒸發(fā)性金屬時(shí)，就一定會(huì)出現(xiàn)半導(dǎo)體器件氧化層Na+污染的情況，當(dāng)Na+污染的濃度達(dá)到5×1011～21013/cm2時(shí)，會(huì)嚴(yán)重影響到半導(dǎo)體器件的穩(wěn)定性，表現(xiàn)為電壓漂移及漏電等，對(duì)半導(dǎo)體分立器的使用造成不良影響。

2.3 物理干法腐蝕工藝對(duì)器件工藝的可靠性影響

物理干法腐蝕是一種非選擇性的定向刻蝕，在等離子體碰撞過(guò)沖，完成對(duì)半導(dǎo)體材料的精細(xì)加工，這種物理干法腐蝕包括兩種常用方法：反應(yīng)離子刻蝕法和化學(xué)物理干法腐蝕。反應(yīng)離子刻蝕對(duì)器件工藝可靠性影響主要表現(xiàn)在加劇分立器的反向漏電；化學(xué)物理干法腐蝕對(duì)不同的材料表現(xiàn)為不同的影響情況，存在較大差別。采用物理干法腐蝕處理半導(dǎo)體材料的機(jī)理是使用離子轟擊材料，這種處理方法會(huì)改變絕緣材料的絕緣性能，對(duì)被腐蝕的半導(dǎo)體材料同樣造成損傷影響，如果等離子體中混有高能光子，這種影響將會(huì)被擴(kuò)大加重。因此，控制物理干法腐蝕對(duì)材料的不良影響，重點(diǎn)在于控制等離子體的能量流，在科研工作人員的長(zhǎng)期研究中發(fā)現(xiàn)了兩種應(yīng)對(duì)措施：1）對(duì)于因稼元素?cái)U(kuò)散導(dǎo)致的接觸失效問(wèn)題，有一種很好的應(yīng)對(duì)措施就是在半導(dǎo)體金屬化層中增添一種可以阻止稼元素?cái)U(kuò)散的金屬層，起到保護(hù)半導(dǎo)體金屬化層的作用；2）對(duì)于因界面反應(yīng)引起柵下沉、基區(qū)塌陷，進(jìn)而導(dǎo)致半導(dǎo)體分立器失效問(wèn)題，可以采用Ti、Pt、Au代替Al，Ti、W、Au代替Au，并加強(qiáng)對(duì)半導(dǎo)體金屬化層的厚度的控制。

2.4 引線鍵合工藝對(duì)器件工藝的可靠性影響

常用的引線鍵合工藝有3種：超聲鍵合、熱壓鍵合以及超聲熱壓鍵合。引線鍵合工藝的質(zhì)量高低主要參考引線粗細(xì)、引線長(zhǎng)度、引線數(shù)量與鍵合位置等標(biāo)準(zhǔn)，在引線鍵合工藝中，不管采用哪種工藝，都會(huì)對(duì)半導(dǎo)體分立器的可靠性產(chǎn)生一定程度的不良影響，在采用超聲鍵合工藝時(shí)容易對(duì)管芯造成損傷，因此要嚴(yán)格控制超聲波的輸出功率及振動(dòng)頻率，采用超聲熱壓鍵合時(shí)還應(yīng)注意控制芯片的鍵合溫度，該工藝對(duì)鍵合時(shí)間的控制要求較高。

3 半導(dǎo)體分立器件制造過(guò)程中的質(zhì)量控制

3.1 工藝環(huán)境控制

3.1.1 潔凈室空氣凈化控制

在半導(dǎo)體分立器生產(chǎn)過(guò)程中，對(duì)工作環(huán)境的要求和控制很重要，分立器件的光刻寬度越窄、有源區(qū)面積越大，對(duì)潔凈室凈化的要求就越高，通過(guò)調(diào)查研究和統(tǒng)計(jì)總結(jié)，得出潔凈室等級(jí)與半導(dǎo)體分立器件的芯片合格率的對(duì)應(yīng)關(guān)系如下：萬(wàn)級(jí)潔凈室的合格率為68%，千級(jí)潔凈室的合格率為75%，百級(jí)潔凈室的合格率為98%，由此可見(jiàn)，潔凈室的凈化等級(jí)越高，半導(dǎo)體器件合格率越高，因此，應(yīng)嚴(yán)格控制潔凈室的空氣凈化級(jí)別。

3.1.2 化學(xué)試劑的質(zhì)最控制

在加工半導(dǎo)體分立器件過(guò)程中，化學(xué)試劑的純度對(duì)器件工藝可靠性的影響很大，因此需要嚴(yán)格控制化學(xué)試劑的純度和雜質(zhì)含量，主要方法有：1）采用干法加工工藝，減少化學(xué)試劑的使用；2）注重化學(xué)試劑的儲(chǔ)存條件，防止在儲(chǔ)存過(guò)程中混入其他雜質(zhì)；3）采用顆粒在線檢測(cè)技術(shù)，嚴(yán)格控制亞微米、深亞微米工藝加工中的顆粒含量，提高半導(dǎo)體分立器件的質(zhì)量水平。

3.1.3 超純氣體的質(zhì)量控制

在實(shí)際的電子器件生產(chǎn)過(guò)程中，超純氣體的環(huán)境是很有必要的，我們最常用的超純氣體主要有：氮?dú)?、氫氣和氧氣等。這些氣體的純度對(duì)生產(chǎn)半導(dǎo)體分立器件的質(zhì)量和可靠度都有著很大的影響。一般在氧化、外延、CVD、擴(kuò)散、刻蝕、封裝等加工工藝中的氣體純度要求達(dá)到99. 99995%以上。

3.2 防靜電措施

在半導(dǎo)體生產(chǎn)制造過(guò)程中靜電釋放是損傷分立器件的重要原因之一，通過(guò)靜電釋放造成的器件輕微損傷，沒(méi)有明顯的外觀表征，因此在老化篩選中很難檢查排除，但這種隱形的器件損傷會(huì)在日后的使用中，受電流刺激和溫度變化等影響，會(huì)使隱形損傷進(jìn)一步擴(kuò)大，縮短了分立器件的使用壽命。為減小生產(chǎn)過(guò)程中的靜電影響，可以采取防靜電措施：1）穿戴防靜電或?qū)щ姷墓ぷ鞣托?）使用防靜電手環(huán)；3）操作臺(tái)要陪有防靜電桌墊；4）在開(kāi)始工作前，員工要做靜電釋放，確認(rèn)自身與大地的零電勢(shì)差；5）對(duì)操作工具也應(yīng)進(jìn)行靜電測(cè)試或靜電釋放，確保工具不攜帶靜電。

4 結(jié)論

綜上所述，在半導(dǎo)體分立器件的制造過(guò)程中，影響工藝可靠性的主要因素有生產(chǎn)材料、生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)環(huán)境等，因此，提高半導(dǎo)體分立器件制造工藝的可靠性，應(yīng)重點(diǎn)從這幾方面入手，做好生產(chǎn)制造防范工作，嚴(yán)格控制工藝要點(diǎn)，規(guī)范生產(chǎn)操作，把好半導(dǎo)體分立器的每一個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的關(guān)口，進(jìn)而提高半導(dǎo)體分立器的整體水平，增加器件的可靠性，為我國(guó)半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展做出新的突破。