陳艷明

摘 要 隨著我國國民經(jīng)濟實力的增長，科學技術(shù)水平的提高，在大好的外部環(huán)境帶動下，半導體研發(fā)、生產(chǎn)、制造等技術(shù)也隨之得到良好的發(fā)展機會。在半導體生產(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)，筆者就半導體分離器件的制造工藝進行了深入研究，對工藝的可靠性加以分析，指出生產(chǎn)過程中影響半導體分立器可靠性的關(guān)鍵工藝步驟，同時提出了可以有效提高半導體分離器可靠性的相關(guān)措施，希望對我國半導體事業(yè)的發(fā)展起到積極作用。

關(guān)鍵詞 半導體分立器件；工藝制造；影響與措施；可靠性；控制

中圖分類號 TN3

文獻標識碼 A

文章編號 1674-6708（2016） 154-0041-01

在我國，半導體分離器使用最多、最廣泛的是Si和GaAs這兩種器件，但在現(xiàn)實使用中，這兩種半導體分離器會時常出現(xiàn)器件分離失靈的現(xiàn)象。造成這種現(xiàn)象的原因有很多，但主要原因是半導體分離器的質(zhì)量不過關(guān)，影響半導體分離器質(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，本文詳細介紹了這些因素對生產(chǎn)半導體分離器質(zhì)量的影響機理及應對措施。

1 工藝制造過程中的缺陷對器件與材料的可靠性與質(zhì)量影響

在半導體分離器生產(chǎn)過程中，每一個工藝控制點都有可能是造成器件缺陷，尤其在材料的切割和加工過程中，包括拋光、單晶排列、光刻及擴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在后期使用過程中，受到電磁場、溫濕度和受力沖擊不均勻等因素的影響，加速老化導致分立器件失靈。以擴散工藝舉例分析，在型號為P的Si矩陣中進行磷擴散工藝操作，在擴散過程中，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，這就導致了在磷的擴散過程中，排擠、壓縮影響到硅的點陣排列，造成硅點陣排列錯配。出現(xiàn)這種點陣錯配之后，還會造成一系列后續(xù)影響，例如點陣排列不緊密會引入其他雜質(zhì)分子的擴散并進入點陣，進一步加劇點陣的排列錯配，嚴重時引發(fā)基區(qū)陷落效應，使半導體分離器的擊穿電壓大幅度減小；點陣錯配造成內(nèi)部產(chǎn)生應力，在后期使用中，受溫度和電流變化影響，老化速度加劇，影響半導體器件的使用壽命。

2 關(guān)鍵工藝對半導體器件工藝的可靠性影響

半導體的分離器的關(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重要指標，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 光刻工藝對器件工藝的可靠性影響

光刻工藝屬于一項籠統(tǒng)的概括說法，可細分為五項工序：曝光、涂膠、堅膜、顯影和腐蝕。在光刻過程中容易出現(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)生會對半導體分離器件的后期使用造成不良影響，對半導體器件工藝的可靠性造成負面影響。

2.2 材料金屬化工藝對器件工藝的可靠性影響

在對生產(chǎn)材料進行金屬化加工時，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，就一定會出現(xiàn)半導體器件氧化層Na+污染的情況，當Na+污染的濃度達到5×1011～21013/cm2時，會嚴重影響到半導體器件的穩(wěn)定性，表現(xiàn)為電壓漂移及漏電等，對半導體分立器的使用造成不良影響。

2.3 物理干法腐蝕工藝對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，在等離子體碰撞過沖，完成對半導體材料的精細加工，這種物理干法腐蝕包括兩種常用方法：反應離子刻蝕法和化學物理干法腐蝕。反應離子刻蝕對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；化學物理干法腐蝕對不同的材料表現(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體材料的機理是使用離子轟擊材料，這種處理方法會改變絕緣材料的絕緣性能，對被腐蝕的半導體材料同樣造成損傷影響，如果等離子體中混有高能光子，這種影響將會被擴大加重。因此，控制物理干法腐蝕對材料的不良影響，重點在于控制等離子體的能量流，在科研工作人員的長期研究中發(fā)現(xiàn)了兩種應對措施：1）對于因稼元素擴散導致的接觸失效問題，有一種很好的應對措施就是在半導體金屬化層中增添一種可以阻止稼元素擴散的金屬層，起到保護半導體金屬化層的作用；2）對于因界面反應引起柵下沉、基區(qū)塌陷，進而導致半導體分立器失效問題，可以采用Ti、Pt、Au代替Al，Ti、W、Au代替Au，并加強對半導體金屬化層的厚度的控制。

2.4 引線鍵合工藝對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、引線長度、引線數(shù)量與鍵合位置等標準，在引線鍵合工藝中，不管采用哪種工藝，都會對半導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容易對管芯造成損傷，因此要嚴格控制超聲波的輸出功率及振動頻率，采用超聲熱壓鍵合時還應注意控制芯片的鍵合溫度，該工藝對鍵合時間的控制要求較高。

3 半導體分立器件制造過程中的質(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

在半導體分立器生產(chǎn)過程中，對工作環(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，對潔凈室凈化的要求就越高，通過調(diào)查研究和統(tǒng)計總結(jié)，得出潔凈室等級與半導體分立器件的芯片合格率的對應關(guān)系如下：萬級潔凈室的合格率為68%，千級潔凈室的合格率為75%，百級潔凈室的合格率為98%，由此可見，潔凈室的凈化等級越高，半導體器件合格率越高，因此，應嚴格控制潔凈室的空氣凈化級別。

3.1.2 化學試劑的質(zhì)最控制

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

3.1.3 超純氣體的質(zhì)量控制

在實際的電子器件生產(chǎn)過程中，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：氮氣、氫氣和氧氣等。這些氣體的純度對生產(chǎn)半導體分立器件的質(zhì)量和可靠度都有著很大的影響。一般在氧化、外延、CVD、擴散、刻蝕、封裝等加工工藝中的氣體純度要求達到99. 99995%以上。

3.2 防靜電措施

在半導體生產(chǎn)制造過程中靜電釋放是損傷分立器件的重要原因之一，通過靜電釋放造成的器件輕微損傷，沒有明顯的外觀表征，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在日后的使用中，受電流刺激和溫度變化等影響，會使隱形損傷進一步擴大，縮短了分立器件的使用壽命。為減小生產(chǎn)過程中的靜電影響，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）操作臺要陪有防靜電桌墊；4）在開始工作前，員工要做靜電釋放，確認自身與大地的零電勢差；5）對操作工具也應進行靜電測試或靜電釋放，確保工具不攜帶靜電。

4 結(jié)論

綜上所述，在半導體分立器件的制造過程中，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，提高半導體分立器件制造工藝的可靠性，應重點從這幾方面入手，做好生產(chǎn)制造防范工作，嚴格控制工藝要點，規(guī)范生產(chǎn)操作，把好半導體分立器的每一個生產(chǎn)環(huán)節(jié)的關(guān)口，進而提高半導體分立器的整體水平，增加器件的可靠性，為我國半導體行業(yè)的發(fā)展做出新的突破。