半导体分立器件制造工艺的可靠性研究

陈艳明

摘 要 随着我国国民经济实力的增长，科学技术水平的提高，在大好的外部环境带动下，半导体研发、生产、制造等技术也随之得到良好的发展机会。在半导体生产制造领域不断涌现出新工艺、新技术、新器件的突破成果，呈现出快速发展的良好势头。在快速发展的现象背后必然伴随着新的技术挑战，笔者就半导体分离器件的制造工艺进行了深入研究，对工艺的可靠性加以分析，指出生产过程中影响半导体分立器可靠性的关键工艺步骤，同时提出了可以有效提高半导体分离器可靠性的相关措施，希望对我国半导体事业的发展起到积极作用。

关键词 半导体分立器件；工艺制造；影响与措施；可靠性；控制

中图分类号 TN3

文献标识码 A

文章编号 1674-6708（2016） 154-0041-01

在我国，半导体分离器使用最多、最广泛的是Si和GaAs这两种器件，但在现实使用中，这两种半导体分离器会时常出现器件分离失灵的现象。造成这种现象的原因有很多，但主要原因是半导体分离器的质量不过关，影响半导体分离器质量的因素主要有生产材料、生产工艺和生产环境等，本文详细介绍了这些因素对生产半导体分离器质量的影响机理及应对措施。

1 工艺制造过程中的缺陷对器件与材料的可靠性与质量影响

在半导体分离器生产过程中，每一个工艺控制点都有可能是造成器件缺陷，尤其在材料的切割和加工过程中，包括抛光、单晶排列、光刻及扩散等工艺中很容易出现生产上的器件缺陷，除此之外，有些隐形缺陷可能会在后期使用过程中，受到电磁场、温湿度和受力冲击不均匀等因素的影响，加速老化导致分立器件失灵。以扩散工艺举例分析，在型号为P的Si矩阵中进行磷扩散工艺操作，在扩散过程中，虽然磷的立体结构与硅的立体结构同为四面体构型，但不同之处是磷的四面体结构半径要稍小于硅，这就导致了在磷的扩散过程中，排挤、压缩影响到硅的点阵排列，造成硅点阵排列错配。出现这种点阵错配之后，还会造成一系列后续影响，例如点阵排列不紧密会引入其他杂质分子的扩散并进入点阵，进一步加剧点阵的排列错配，严重时引发基区陷落效应，使半导体分离器的击穿电压大幅度减小；点阵错配造成内部产生应力，在后期使用中，受温度和电流变化影响，老化速度加剧，影响半导体器件的使用寿命。

2 关键工艺对半导体器件工艺的可靠性影响

半导体的分离器的关键生产工艺同样是考察器件制造工艺是否可靠的一项重要指标，关键生产工艺主要包括：光刻工艺、材料金属化工艺、物理干法腐蚀工艺和引线键合工艺。

2.1 光刻工艺对器件工艺的可靠性影响

光刻工艺属于一项笼统的概括说法，可细分为五项工序：曝光、涂胶、坚膜、显影和腐蚀。在光刻过程中容易出现的器件缺陷一般都是在材料的金属化层面及金属氧化层面，在这两个层面出现的缺陷一般表现为毛刺、凸起（小岛）、凹陷（针孔）和钻蚀等，这些缺陷的产生会对半导体分离器件的后期使用造成不良影响，对半导体器件工艺的可靠性造成负面影响。

2.2 材料金属化工艺对器件工艺的可靠性影响

在对生产材料进行金属化加工时，一般使用NaOH模具尖端作为加工工具，因此在拉丝模具中很容易造成Na+污染情况的发生，一旦出现Na+污染，那么在采用钨丝加热真空蒸发性金属时，就一定会出现半导体器件氧化层Na+污染的情况，当Na+污染的浓度达到5×1011～21013/cm2时，会严重影响到半导体器件的稳定性，表现为电压漂移及漏电等，对半导体分立器的使用造成不良影响。

2.3 物理干法腐蚀工艺对器件工艺的可靠性影响

物理干法腐蚀是一种非选择性的定向刻蚀，在等离子体碰撞过冲，完成对半导体材料的精细加工，这种物理干法腐蚀包括两种常用方法：反应离子刻蚀法和化学物理干法腐蚀。反应离子刻蚀对器件工艺可靠性影响主要表现在加剧分立器的反向漏电；化学物理干法腐蚀对不同的材料表现为不同的影响情况，存在较大差别。采用物理干法腐蚀处理半导体材料的机理是使用离子轰击材料，这种处理方法会改变绝缘材料的绝缘性能，对被腐蚀的半导体材料同样造成损伤影响，如果等离子体中混有高能光子，这种影响将会被扩大加重。因此，控制物理干法腐蚀对材料的不良影响，重点在于控制等离子体的能量流，在科研工作人员的长期研究中发现了两种应对措施：1）对于因稼元素扩散导致的接触失效问题，有一种很好的应对措施就是在半导体金属化层中增添一种可以阻止稼元素扩散的金属层，起到保护半导体金属化层的作用；2）对于因界面反应引起栅下沉、基区塌陷，进而导致半导体分立器失效问题，可以采用Ti、Pt、Au代替Al，Ti、W、Au代替Au，并加强对半导体金属化层的厚度的控制。

2.4 引线键合工艺对器件工艺的可靠性影响

常用的引线键合工艺有3种：超声键合、热压键合以及超声热压键合。引线键合工艺的质量高低主要参考引线粗细、引线长度、引线数量与键合位置等标准，在引线键合工艺中，不管采用哪种工艺，都会对半导体分立器的可靠性产生一定程度的不良影响，在采用超声键合工艺时容易对管芯造成损伤，因此要严格控制超声波的输出功率及振动频率，采用超声热压键合时还应注意控制芯片的键合温度，该工艺对键合时间的控制要求较高。

3 半导体分立器件制造过程中的质量控制

3.1 工艺环境控制

3.1.1 洁净室空气净化控制

在半导体分立器生产过程中，对工作环境的要求和控制很重要，分立器件的光刻宽度越窄、有源区面积越大，对洁净室净化的要求就越高，通过调查研究和统计总结，得出洁净室等级与半导体分立器件的芯片合格率的对应关系如下：万级洁净室的合格率为68%，千级洁净室的合格率为75%，百级洁净室的合格率为98%，由此可见，洁净室的净化等级越高，半导体器件合格率越高，因此，应严格控制洁净室的空气净化级别。

3.1.2 化学试剂的质最控制

在加工半导体分立器件过程中，化学试剂的纯度对器件工艺可靠性的影响很大，因此需要严格控制化学试剂的纯度和杂质含量，主要方法有：1）采用干法加工工艺，减少化学试剂的使用；2）注重化学试剂的储存条件，防止在储存过程中混入其他杂质；3）采用颗粒在线检测技术，严格控制亚微米、深亚微米工艺加工中的颗粒含量，提高半导体分立器件的质量水平。

3.1.3 超纯气体的质量控制

在实际的电子器件生产过程中，超纯气体的环境是很有必要的，我们最常用的超纯气体主要有：氮气、氢气和氧气等。这些气体的纯度对生产半导体分立器件的质量和可靠度都有着很大的影响。一般在氧化、外延、CVD、扩散、刻蚀、封装等加工工艺中的气体纯度要求达到99. 99995%以上。

3.2 防静电措施

在半导体生产制造过程中静电释放是损伤分立器件的重要原因之一，通过静电释放造成的器件轻微损伤，没有明显的外观表征，因此在老化筛选中很难检查排除，但这种隐形的器件损伤会在日后的使用中，受电流刺激和温度变化等影响，会使隐形损伤进一步扩大，缩短了分立器件的使用寿命。为减小生产过程中的静电影响，可以采取防静电措施：1）穿戴防静电或导电的工作服和鞋；2）使用防静电手环；3）操作台要陪有防静电桌垫；4）在开始工作前，员工要做静电释放，确认自身与大地的零电势差；5）对操作工具也应进行静电测试或静电释放，确保工具不携带静电。

4 结论

综上所述，在半导体分立器件的制造过程中，影响工艺可靠性的主要因素有生产材料、生产工艺和生产环境等，因此，提高半导体分立器件制造工艺的可靠性，应重点从这几方面入手，做好生产制造防范工作，严格控制工艺要点，规范生产操作，把好半导体分立器的每一个生产环节的关口，进而提高半导体分立器的整体水平，增加器件的可靠性，为我国半导体行业的发展做出新的突破。