（微电子学与固体电子学专业论文）sipos钝化功率晶体管双线击穿现象的研究.pdf

哈尔滨理t 人学t 学硕i j 学位论文 s i p o s 钝化功率晶体管 双线击穿现象的研究 摘要 s i p o s 钝化的平面功率晶体管采用半绝缘掺氧多晶硅和二氧化硅的多层表面 钝化技术。其中半绝缘掺氧多晶硅( s e m i i n s u l a t i n gp o l y c r y s t a l l i n e s i l i c o n ，s i p o s ) 作为 一种新的钝化技术，制备在器件衬底表面能有效的屏蔽外部电场，改善了厚 s i 0 2 直接作钝化层时对n a 等碱金属离子掩蔽能力差、s i 0 2 与硅衬底界面处存在 界面效应和雪崩热载流子容易在s i 0 2 层中贮存等缺点。因此使用s i p o s 薄膜作 功率晶体管的钝化层，稳定器件电学性能，可以使功率器件获得更高的耐压。 在实际生产中，某些批次的s i p o s 钝化平面功率晶体管在“中测”过程 中，发现反向击穿电压曲线为“双线击穿 的异常现象。并且出现这种异常击 穿曲线现象的管芯占整个晶圆的9 0 以上，这种异常击穿的“早期失效”严重 影响了该系列功率晶体管的良品率。 本文针对s i p o s 钝化功率晶体管出现的“双线击穿 曲线现象，分析了 s i p o s 钝化平面功率晶体管的结构和制备工艺，以及s i p o s 层性质与钝化机 理；根据s m 0 s 钝化功率晶体管的纵向结构，对出现“双线击穿 曲线现象的 管芯进行逐层腐蚀和反向击穿电压的测试，发现腐蚀掉s i p o s 层后的管芯， “双线击穿 曲线现象基本消除；通过对s i p o s 层进行元素能谱分析，结果显 示出现“双线击穿”曲线现象管芯的s i p o s 层氧含量为4 5 左右，超过标准约 1 0 ；最后还分析了q t 2 型晶体管特性测试仪本身特性与出现“双线击穿曲 线现象的关系。 结果表明，严重超标的氧含量使s i p o s 层呈现s i 0 2 性质，在s i p o s 与s i 衬底界面会出现界面效应，分析认为这是造成器件出现“双线击穿”曲线现象的 主要原因；同时当界面陷阱饱和时间常数弓小于界面陷阱的泄空时间常数弓，且 都小于q t - 2 型图示仪的扫描时间常数的条件成立时，就会在q t - 2 型晶体管 特性测试仪中观测到稳定的“双线击穿 异常击穿曲线现象。 关键词功率晶体管；半绝缘掺氧多晶硅；钝化层：双线击穿；失效分析 哈尔滨理t 人学t 学硕i ：学位论文 s t u d yo fd o u b l e - l i n eb r e a k d o w n p h e n o m e n o nf o rp o w e rt r a n s i s t o r w i t hs i p o sp a s s i v a t i o nl a y e r a b s t r a c t p o w e rt r a n s i s t o rw i t hs i p o s p a s s i v a t i o nl a y e r u s e s m u l t i l a y e r s u r f a c e p a s s i v a t i o nt e c h n o l o g yw h i c ha r es e m i - i n s u l a t i n go x y g e n - d o p e dp o l y c r y s t a l l i n e s i l i c o na n ds i 0 2p a s s i v a t i o nl a y e r s a san e wp a s s i v a t i o nt e c h n o l o g yu s e do nt h es i s u b s t r a t e ，s e m i i n s u l a t i n go x y g e n d o p e dp o l y c r y s t a l l i n e s i l i c o n ( s i p o s ) f i l mc a n s h i e l de x t e r n a le l e c t r i cf i e l de f f e c t i v e l ya n dp r o t e c te l e c t r i c a ls t a b i l i t yo ft h ed e v i c e s i p o sf i l ma l s oi m p r o v e ss i 0 2f i l m sd i s a d v a n t a g ew h i c hm a s k sn a 十a n do t h e r a l k a l im e t a li o nb a d l y , h a si n t e r f a c ee f f e c tb e t w e e ns i o r s ia n dc a ne a s i l ys t o r e a v a l a n c h eh o tc a r d e r s s op o w e rt r a n s i s t o rc a ng e tah i g h e rb r e a k d o w nv o l t a g e b e c a u s eo ft h eu s eo fs i p o s p a s s i v a t i o nl a y e r s o m eb a t c h e so fp o w e rt r a n s i s t o r 、析t 1 1s i p o sp a s s i v a t i o nl a y e rw a sf o u n dt h a t t h ec u r v eo fb r e a k d o w nv o l t a g ew a sa b n o r m a lp h e n o m e n o nd u r i n gt e s t i n gp h a s e w h i c hw a s “d o u b l e l i n e ”b r e a k d o w nv o l t a g ec a l v e t h et r a n s i s t o r s 、析t 1 1t h i s a b n o r m a lp h e n o m e n o nt o o k9 0 o ft h ew h o l ew a f e ra n dt h i sa b n o r m a lp h e n o m e n o n c a u s e de a r l yf a i l u r ew h i c hs e r i o u s l ya f f e c t e dp r o d u c t sy i e l d a i m i n ga t “d o u b l e - l i n e b r e a k d o w nv o l t a g ec u r v e sp h e n o m e n o no fp o w e r t r a n s i s t o r 、析ms i p o sp a s s i v a t i o nl a y e r , t h i sp a p e ra n a l y z e ds t r u c t u r ea n dp r e p a r a t i o n p r o c e s so fp o w e rt r a n s i s t o rw i t hs i p o sp a s s i v a t i o nl a y e r ，a sw e l la ss i p o sf i l m s c h a r a c t e r i s t i c sa n dm e c h a n i s mo fp a s s i v a t i o n e r o d ee a c hl a y e ro fp o w e rt r a n s i s t o r w i t hs i p o sp a s s i v a t i o nl a y e ra n dt e s ti t sb r e a k d o w nv o l t a g ei na c c o r d a n c e 、析t ht h e s t r u c t u r eo f p o w e rt r a n s i s t o nf i n dt h er e s u l to f t e s tw i t h o u t “d o u b l e - l i n e b r e a k d o w n v o l t a g ec u r v e sp h e n o m e n o na f t e re r o d i n gs i p o sf i l m g e tar e s u l tt h a to x y g e n c o n t e n ti sa b o u t4 5 i ns i p o sl a y e re x c e e d i n gt h es t a n d a r da p p r o x i m a t e l y10 t h r o u g he l e m e n t ss p e c t r u ma n a l y s i st os i p o sl a y e r ，a n da l s od i s c u s st h er e l a t i o n s h i p - i i - 哈尔滨理丁人学t 学顺i ：学位论文 b e t w e e nq t - 2t r a n s i s t o rc h a r a c t e r i s t i c st e s t b e n c ha n d “d o u b l e 1 i n e b r e a k d o w n v o l t a g ec u r v e sp h e n o m e n o n t h er e s u l t ss h o wt h a ts e r i o u s l ye x c e e d i n go x y g e nc o n t e n ti ns i p o sl a y e rc a l l m a k es i p o sl a y e rc o m eo u ts i 0 2 sc h a r a c t e r i s t i c s ，a n dc a u s ei n t e r f a c ee f f e c t sa t s i p o s s i ，w h i c ha r ep r i m a r yc a u s e so f “d o u b l e 1 i n e b r e a k d o w nv o l t a g ec u r v e s p h e n o m e n o n a n dt h e r ei sas t a b l e “d o u b l e 1 i n e ”b r e a k d o w nv o l t a g ec u r v ei nt h e q t - 2 sd i s p l a yw h e nt h ee m p t i n gt i m eo fi n t e r f a c et r a p si sl o n g e rt h a nt h es a t u r a t i o n t i m eo fi n t e r f a c et r a p sa n dt h es c a n n i n gt i m e o fq t - 2i sl o n g e rt h a nb o t h o ft h e m k e y w o r d sp o w e rt r a n s i s t o r , s e m i - i n s u l a t i n gp o l y c r y s t a l l i n e - s i l i c o n ( s i p o s ) ， p a s s i v a t i o nl a y e r , d o u b l e - l i n eb r e a k d o w n , f a i l u r ea n a l y s i s l a y e r , d o u b l e 1 i n e b r e a k d o w n ，f a i l u r ea n a l y s i s - i i i 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文( ( s i p o s 钝化功率晶体管双线击穿 现象的研究，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间独立进 行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人已发表 或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名宅嗽 、- ，矿r 日期嘞少 月习日 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 s o s 钝化功率晶体管双线击穿现象的研究系本人在哈尔滨理工大学攻读 硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈尔滨理工 大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解哈尔滨理 工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门提交论文和电 子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大学可以采用影印、缩印或 其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。 本学位论文属于 保密， 在年解密后适用授权书。 不保密团。 ( 请在以上相应方框内打4 ) 作者签名：避 日期： ：营十 啸 日 日 吖fq 叫 亏 年 年 叫1 哈尔滨理t 人学_ 下学硕i ：学位论文 1 1 课题背景 第1 章绪论 纵观人类社会发展的文明史，一切生产方式和生活方式的重大变革都是由 于新的科学发现和新技术的产生而引发的，科学技术作为革命的力量，推动着 人类社会向前发展。从5 0 多年前晶体管的发明到目前微电子技术成为整个信息 社会的基础和核心，其发展历史充分证明了“科学技术是第一生产力 。1 9 4 7 年1 1 月底美国贝尔实验室的巴丁( b r a d e n ) 、布拉顿( b r i t a i n ) 和肖克莱( s h o c k l e y ) 发明了点接触晶体管，之后又发明了结型双极晶体管和结型场效应晶体管。在 短短的十几年间，晶体管电子学从幼年步入成熟，一些重大的发明相继出现： 单晶硅( 1 9 5 2 年) 、平面型晶体管( 1 9 5 9 年) 、m o s 晶体管( 1 9 6 0 年) 、肖特基势垒二 极管( 1 9 6 0 年) u 1 。电子器件从原来的较大体积、较慢速度、较小的耐压等特性 发展到今天平面工艺硅技术的各种分立器件和集成电路，仅用了5 0 多年的时 间，而且整个电子行业仍然遵循着“摩尔定律在飞速的发展，时刻影响着人 们的生活。 随着微电子技术的发展，各种新型器件和大规模集成电路不仅体积和功耗 变得更小，而且采用了更多的新技术，实现更多的新功能，也扩展到更多的应 用领域。在技术的演变过程中，人们发现大功率器件容易发生失效，而且其本 身的电参数受外界影响较大，尤其是长时间工作在恶劣的环境中更容易引起功 率器件失效【2 】。因此，对于功率晶体管的研究一直在发展，为了得到频率和功 率处理能力较优的功率晶体管，研究人员不断探求新技术和新工艺，来提高功 率晶体管的耐压能力，同时也增加了对功率晶体管的可靠性研究。 硅平面工艺的发展，开辟了高频大功率晶体管的广阔前景，使得长期以来 在制作高频大功率晶体管这一难题上出现了新的曙光。由于使用硅材料做晶体 管的一系列优点( 能工作在较高温度，具有小的反向电流和耐压特性等) ，使 得近几十年来硅功率管的发展速度加快。理论研究的深入，制作半导体器件用 的各种超纯材料质量的提高和制备工艺的不断更新，大功率晶体管的功率容 量，耐压和大电流特性，频率特性和应用的可靠性都有了极为显著的提蒯3 1 。 作为大功率晶体管，它的最大特点是： ( 1 ) 在大的耗散功率或输出功率条件下工作； 哈尔滨理t 人学_ t 学顾。l ：学位论文 ( 2 ) 在大电流下需要保证足够的放大能力和能承受较高的集电极电压； ( 3 ) 还必须要有良好的散热能力。 另外工作的稳定性和可靠性，也是大功率晶体管重要的性能和质量指标之 一【4 1 。 为了提高大功率晶体管的耐压性能和器件的可靠性，现在常采用多层表面 钝化技术，并且对每一个钝化层的质量要求都很高。随着新技术的应用，一些 新的可靠性问题也会随之出现。尤其是在使用半绝缘掺氧多晶硅( s i p o s ) 这样 的新型钝化技术时【5 1 ，虽然优点很多，但是对于出现的可靠性问题更需要深入 研究，指导半导体器件生产企业生产出质量更好、可靠性更高的产品。 1 2 国内外研究现状及发展趋势 1 2 1 钝化技术研究现状 信息科技的发展在很大程度上依赖于微电子半导体技术的发展水平。集成 电路中随着集成度的提高和特征尺寸的减小，布线密度的增加，用于器件之间 以及布线之间电气隔离的绝缘钝化膜的作用体现的更加重要。此外，由于半导 体表面只要有微量的沾污物( 如有害的杂质离子n a + 、水汽、尘埃等) ，就会 对器件电学性质造成影响。为提高器件性能的稳定性和可靠性，需要使用各种 表面钝化技术增强器件对外来离子沾污的阻挡能力，控制和稳定半导体器件的 特征，保护器件内部，提高器件的耐压水平。因此对半导体器件钝化技术提出 了更高的要求。 为提高器件的稳定性，早期是在半导体器件的表面敷以适当的涂料作为保 护剂，同时在管壳进行气密封时抽真空或充入惰性气体。1 9 5 9 年以后，由于平 面型器件采用了s i 0 2 作钝化膜，大大地改善了表面效应的影响，成为在半导体 器件表面钝化方面的第一次重大突破。但由于在s i 0 2 中以及s i 0 2 和s i 界面处存 在着界面电荷，会引起双极型晶体管的特性变化，因此其钝化作用并不十分理 想。从6 0 年代中期开始，国内外对各种新的钝化薄膜的研究成果也不断地涌现 出来，目前国内外芯片制造企业常用的钝化材料主要有s i 0 2 、s i 3 n 4 、a 1 2 0 3 、 磷硅玻璃、硼硅玻璃、半绝缘多晶硅以及金属氧化物和有机聚合物等【6 1 。 s i 0 2 薄膜是半导体器件最常用的器件钝化膜。s i 0 2 薄膜的制备方法多种多 样，如热氧化、热分解淀积、溅射、真空蒸发、阳极氧化、外延淀积等等，不 同方法制备的薄膜具有不同的特点，其具体用途也有所差别。例如，热氧化制 哈尔滨理t 人学丁学颀i ：学位论文 备的s i 0 2 薄膜广泛应用于s i c j - 延表面晶体管、双极型和m o s 集成电路中扩散掩 蔽膜，作为器件表面和p n 结的钝化膜以及集成电路的隔离介质和绝缘栅等； 直流溅射制备的s i 0 2 膜可用于不宜进行高温处理器件的表面钝化，而射频溅射 的s i 0 2 膜则可在集成电路中用作多层布线和二次钝化。尽管s i 0 2 膜在器件钝化 方面具有广泛的用途，但也存在一些不足，其最明显的缺点就是薄膜结构相对 疏松，针孔密度较高，因此s i 0 2 膜的防潮和抗金属离子沾污能力相对较差，易 被污染。为此，开发了一系列掺杂的s i 0 2 膜，如磷硅玻璃( p s g ) 、硼硅玻璃 ( b s g ) 以及掺氯氧化硅等。 p s g 是s i 0 2 同五氧化二磷( p 2 0 s ) 的混合物，它可以用低温沉积的方法覆盖 于s i 0 2 上面，也可在高温下对热生长的s i 0 2 通磷( p ) 蒸汽处理而获得。与s i 0 2 相 比，p s g 针孔密度低，膜内应力小，特别是p s g 对n a + 具有提取和阻挡作用，同 时因为n a 的分配系数在p s g 中比s i 0 2 层中要大三个数量级以上，所以n a + 几乎 集中固定在远离s i s i 0 2 界面的p s g 层中 7 1 。但采用p s g s i 0 2 钝化层时必须适 当控制p s g 中p 含量和p s g 层的厚度。若p 原子太少则达不到足够的钝化效果； 相反，p 浓度过高或p s g 太厚，则p s g 要发生极化现象，而且p 浓度大时还会产 生耐水性差的问题，导致器件性能的恶化。p s g 主要用作器件的二次( 中间和 最终) 钝化膜和多层布线中的绝缘介质。为获得优质的氧化层，在硅热氧化 时，在干氧的气氛中添加一定数量的含氯物质可以制备掺氯氧化硅，这种膜对 n a + 具有吸收和钝化作用【8 】。吸收作用是由于氧化气氛中的氯通过形成挥发性的 氧化物而阻止n a + 进入生长的氧化膜中，而钝化作用是由于氯在氧化时被结合 进s i 0 2 中，并分布在靠近s i s i 0 2 界面附近，进入氧化膜中的c l _ 可以把n a + 固 定，或n a + 穿过氧化层后，被s i s i 0 2 界面附近的氯捕获而变中性，使s i 器件的 特性保持稳定。此外，氯掺入氧化层后可以同界面附近的过剩s i 相结合，形成 s i c l 键，减少氧空位和s i 悬挂键，从而减少氧化层的固定电荷和界面态密 度；同时由于掺氯氧化层的缺陷密度有所降低，使得氧化层的击穿电压提高。 a 1 2 0 3 膜是针对s i 0 2 膜的缺点而发展的一种钝化膜，它具有较强的抗辐射 能力，n a + 在其中的迁移率也比较低，所以适宜作为抗钠沾污和抗辐射的二次 钝化膜，但a 1 2 0 3 膜不能用通常的光刻技术，需用s i 0 2 或金属膜作腐蚀掩蔽 膜，在高温磷酸中进行蚀刻，而且由于a 1 2 0 3 硬度大且带韧性，因而划片也比 较困删9 1 。a 1 2 0 3 钝化膜的制备大体上可分为两类：物理气相沉积( p v d ) 和化学 气相沉积( c v d ) 。作为钝化膜，a 1 2 0 3 必须淀积在热生长的s i 0 2 上面，因为在 a 1 2 0 3 与s i 0 2 的界面以及在a 1 2 0 3 层中存在一些电子陷阱能级，如果将a 1 2 0 3 直接 淀积在s i 表面，则形成的是s i 一天然氧化层a 1 2 0 3 的结构。因为天然的氧化层 哈尔滨理t 人学t 学顶i ：学位论文 很薄，a 1 2 0 3 一s i 0 2 界面陷阱同半导体之间可以由隧道效应透过天然氧化层交 换电子，因而在界面处会出现负电荷效应而造成不稳定性，而热生长的s i 0 2 层 厚度都在几百埃以上，a 1 2 0 3 一s i 0 2 界面陷阱同s i 之间不再能直接交换电子，从 而克服了不稳定性【10 1 。 为了弥补s i 0 2 钝化膜的不足，在6 0 年代中期开始了大量有关s i 3 n 4 钝化薄膜 的生产工艺及其应用的研究，进一步提高了器件的可靠性和稳定性。与s i 0 2 膜 相比，s i 3 n 4 膜在抗杂质扩散( 如n a + ) 和水汽渗透能力方面具有明显的优势 f 1 1 1 ，而且由于其高度的化学稳定性，在6 0 0 时不会与a 1 发生反应，而s i 0 2 在 5 0 0 时与a l 的反应已比较显著，使用s i 3 n 4 膜可提高对电极反应的惰性，当然 s i 3 n 4 膜也有其不足s i 3 n 4 - - s i 结构界面应力大且界面态密度高。总的来说， s i 3 n 4 薄膜介电常数大，抗热震性好，化学稳定性高，致密性好，抗杂质扩散和 水汽渗透能力强，而且具有良好的力学性能和绝缘性能，以及抗氧化、抗腐蚀 和耐摩擦等性能，因而s i 3 n 4 薄膜是半导体集成电路中应用前景较好的钝化材料 之一【1 2 】。s i 3 n 4 膜的制备大体上可分为p v d 和c v d 两种。由于c v d 具有更多的 优点，因此发展低温的热c v d t 艺来沉积s i 3 n 4 表面绝缘钝化膜是集成电路发 展的必然趋判1 3 】。 s i p o s 是半绝缘多晶硅膜的简称。用s i p o s 进行硅钝化是近些年发展的大 有前途的新工艺，国内外学者都在实验室和实际生产过程中应用了这种钝化技 术。它除具有一般钝化膜的优点外，最突出的长处是它的电中性性质，能有效 地屏蔽外加电场的作用，以保证器件的电学稳定性f 1 4 1 。众所周知，普通钝化膜 有下列问题不能解决：第一，s i 0 2 表面电位容易受外加电场的影响，加在钝化 层上的引线上的工作电压容易在硅衬底表面附近感应出可动载流子，而使晶片 中每个元件的电隔离失效；第二，在s i 0 2 一s i 界面有固定正电荷，将在n 型硅 中引起电子堆集，在p 型硅中引起反型层，降低器件的击穿电压；第三，平面 器件的特性因雪崩p n 结而发生退化。这是由于其e b 结附近的表面复合速度增 加，使e b 结发生雪崩击穿，使小电流厅甩下降。p n 结反向击穿电压的退化则是 由于注入至l j s i 0 2 类钝化膜中的热载流子的贮存和长期停留改变了器件表面的电 导率所致【”】。 用s i p o s 钝化膜可以改善常用钝化膜出现的问题。由于s i p o s 呈电中性， 它既可作n 型硅钝化又可作p 型硅钝化。硅表面直接用s i p o s 钝化时，钝化层表 面的离子沾污在硅表面附近所感应的相反极性的电荷将漂移到钝化层里面【1 6 1 ， 并和外表面的电荷中和，或者在钝化层内形成一个空间电荷区作为硅表面与外 电荷的静电屏蔽。此外，注入钝化层的热载流子不会因p n 结雪崩击穿而发生 哈尔滨理t 人学t 学硕l ：学位论文 贮存效应，因为热载流子不可能长时间停留在s i p o s 层内。 s i p o s 作为迄今最完善的一种硅钝化材料，已受到广泛关注，成为当前大 规模和超大规模集成电路生产过程中的一项重要钝化工艺手段。发展低温的热 c v d i 艺来沉积半绝缘掺氧多晶硅表面钝化膜是集成电路发展的必然趋势，同 时随着最小尺寸和新技术的发展，要求可靠性更高钝化技术的研究和发展。 1 2 2 电子器件可靠性研究现状 可靠性技术是2 0 世纪5 0 年代发展起来的一门综合性技术，它包括可靠性 数学、可靠性试验、失效分析、可靠性管理以及设计、生产和维护使用中的质 量控制及可靠性保证等方面。1 9 5 7 年a g r e e 发表的报告中把可靠度定义为 “在规定的时间和给定的条件下，无故障完成规定功能的概率”。我国军标 g j b 4 1 5 9 0 把可靠性定义为“产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定 功能的能力”。进入2 0 世纪9 0 年代后，可靠性的概念有了新的发展，1 9 9 1 年 美国国防部指令d o d l 5 0 0 0 2 国防采办管理政策和程序把可靠性定义为 “系统及其组成部分在无故障、无退化或不要求保障系统的情况下执行其功能 的能力”。在无线电工业开始发展的早期阶段，设备简单，使用环境也不太恶 劣，产品的可靠性问题并不十分尖锐。后来随着科学技术的发展，对电子设备 的可靠性要求也越来越高。这些高可靠性要求和产品本身质量低劣的矛盾就显 得越来越突出。为了解决这个矛盾，许多国家从2 0 世纪5 0 年代开始先后开展 了电子设备和元器件可靠性问题的全面研究。2 0 世纪5 0 年代是可靠性技术兴 起和形成的年代，7 0 年代是可靠性技术步入成熟的阶段，8 0 年代初期，美国 空军经过认真的调查研究之后，提出了“r & m 2 0 0 0 行动计划 ，并成立了专门 改进空军系统的可靠性和维修性( r & m ) 的办公室。随后f s g o o d e l l 和 w j w i l l o u g h l o y 以及陆军装备部的s j 洛伯携手制定d o d d 有关的r & m 的政 策和指南【1 7 】。 从可靠性技术的发展及其发挥的作用来看，可靠性的重要性不应忽略。从 美国军方来讲，可靠性是实现其经济承受性和战备完好性目标的关键。当今可 靠性在微电子和电子行业发挥着至关重要的作用。可靠性技术之所以首先在电 子工业中得到蓬勃发展，并受到越来越多的重视，有两个方面的原因：电子产 品的复杂程度不断增长和电子设备的使用环境日益残酷。 要想提高电子器件的可靠性，并有效的控制失效，首先必须了解失效原 因、失效机理及其规律。经过大量的使用和实验，人们发现大多数电子元器件 哈尔滨理t 人学t 学倾i ：学位论文 产品的总体失效规律是一个两头高，中间低的“浴瓮曲线” i g l 。产品的失效主 要分为三个阶段，即早期失效期，偶然失效期和损耗失效期。 对于产品的失效问题，大多将产品的失效控制在早期失效阶段，所以在电 子产品出厂之前做大量的测试和失效分析，提高产品的可靠性，尽量减少偶然 失效的发生。在对产品可靠性技术发展的过程中，人们研究和开发了很多测试 方法和试验方法，例如可靠性实验，以及失效分析等对电子器件的可靠性问题 和失效问题进行分卡斤【1 9 】。 随着技术的进步，半导体器件从无到有，从分离走向集成，从s s i 发展到 u l s i 。由于器件尺寸不断缩小是器件数量不断增加，改进了电路功能，使电路 日趋复杂，同时在特殊领域，航天和电力电子领域，高可靠性器件和高耐压功 率器件也在不断的发展，而可靠性问题也显得尤为重要。半导体器件和i c 的 应用已经渗入到国民经济各部分的发展中去，相应的可靠性也日益显得迫切与 重要。因此电子器件的可靠性分析和失效分析对于现代化发展进程有着深远的 影响【2 0 1 。 可靠性工作不仅要了解、预计所讨论对象的可靠性水平，更重要的是要提 高其可靠性。失效分析是对失效器件进行分析检查，找出失效发生的原因，从 而为改进、提高器件可靠性指明方向。所以失效分析在可靠性工程中有重要的 作用。可靠性工作的目的不仅是了解、评价微电子器件的可靠性水平，更重要 的是要改进、提高微电子器件的可靠性。所以在从使用现场或可靠性试验中获 得失效器件后，必须对它进行测试、分析，寻找、确定失效原因，将分析结果 反馈给设计、制造、管理等有关部门，采取针对性强的有效纠正措施，以改 进、提高器件的可靠性【2 ij 。测试分析，寻找失效原因或机理的过程，就是失效 分析的过程。 一 电子产品和电子技术正在飞速的发展，按照“摩尔定律 的说法，集成度 的提高和技术的更新都在快速变化，与此同时，一些新的可靠性问题也会随之 出现，因此就要根据现有的知识和技术，通过实验测试分析和理论分析，对新 出现的失效问题加以研究，找到失效原因和机理，为电子器件可靠性和失效机 理的研究做出一些努力。 1 3 本课题研究的目的和意义 功率半导体器件的主要应用领域是开关电源、电机驱动与调速、u p s 等。 因为这些装置都需输出一定的功率给予用电器，所以电路中必须使用功率半导 哈尔滨理丁大学t 学硕i ：学位论文 体器件。功率半导体器件的另一重要应用领域是发电、变电与输电，这就是原 本意义上的电力电子。任何电器设备都需要电源，任何用电机的设备都需要电 机驱动。 本课题研究的s i p o s 钝化平面功率晶体管主要应用在节能灯、电子整流 器、高频开关电源、高频功率变换和一般功率放大电路等。由于采用了多层表 面钝化技术，使得该功率晶体管获得了更好的电性能。基于半绝缘掺氧多晶硅 ( s i p o s ) 钝化技术本身的优点，该器件使用s i p o s 钝化膜与硅衬底直接接触的 结构，提升了该功率晶体管的耐压水平和稳定性。 本文研究的s i p o s 钝化平面功率晶体管在“中测过程中出现了“双线击 穿异常击穿曲线现象的可靠性问题。该可靠性问题是在对s i p o s 钝化功率晶 体管进行封装前的反向击穿电压电特性测试时发现的。对于良好功率晶体管的 反向击穿电压测试中，反向击穿曲线在满足击穿电压的要求下为一条较硬的击 穿曲线，但是在使用q t - 2 晶体管特性测试仪对某些批次生产的s i p o s 钝化平 面功率晶体管反向击穿电压电特性测试中，观测到这些批次晶体管的反向击穿 曲线是两条较近的击穿曲线，俗称“双线击穿 曲线。 “双线击穿 曲线为异常击穿曲线现象，在功率晶体管的早期测试中即发 现，这种异常击穿曲线现象属于s i p o s 钝化功率晶体管早期失效。本文分析这 种异常击穿曲线“双线击穿曲线现象的早期失效现象和研究造成该现象 的失效原因，对于提高s i p o s 钝化功率晶体管的良品率和可靠性有很大的意 义。 从一个设计、生产、测试、封装的整体过程来看，电子元器件的质量和可 靠性显得尤其重要。本课题也是来源于半导体器件生产企业在生产过程中发现 的s i p o s 钝化平面功率晶体管的可靠性问题。而且微电子行业的惊人发展从来 都是与可靠性的提高同步并进的。因此，很有必要分析和研究造成s i p o s 钝化 的平面功率晶体管“双线击穿早期失效的失效原因和机理，以此改进制造工 艺或是设计方案，提高产品的良品率和经济效益。 1 4 本课题主要研究内容 工业生产中，使用q t - 2 型晶体管特性测试仪对某些批次的s i p o s 钝化的 平面功率晶体管管芯进行电特性测试，在测试反向击穿电压曲线时，出现异常 击穿曲线“双线击穿”曲线现象。由于出现这种异常击穿曲线现象的晶体 管管芯占整个晶圆的9 0 以上，且这种异常击穿引起的早期失效严重影响了该 哈尔滨理t 人学t 学顾i ：学位论文 系列功率晶体管的产品良品率，因此本文将分析研究造成这种双线击穿现象早 期失效的原因。具体研究内容如下： 1 通过分析s i p o s 钝化平面功率晶体管的结构和制备工艺，以及分析半绝 缘掺氧多晶硅薄膜的性能和钝化机理，对于s i p o s 钝化平面功率晶体管有一个 整体了解； 2 结合生产企业中发现的“双线击穿 异常击穿曲线早期失效现象，搭建 实验室测试平台，测试这些问题批次s i p o s 钝化的平面功率晶体管反向击穿电 压，在实验中观测“双线击穿”异常击穿曲线现象发生的过程和具体情况； 3 根据s i p o s 钝化平面功率晶体管的结构，进行逐层腐蚀实验，并使用 q t - 2 型晶体管特性测试仪进行逐层电特性测试，同时对膜层结构进行微测 试，分析和对比测试结果的异同，确定失效问题点； 4 分析s i p o s 钝化功率晶体管出现“双线击穿 曲线现象的机理与原因， 提出去除“双线击穿异常击穿曲线的办法，以及工艺中预防该现象出现的方 法。 坠尘篓堡三查兰! ! 兰竺：! 兰竺篁兰 第2 章s i p o s 钝化功率晶体管结构与制备工艺 本章介绍出现“双线击穿”异常击穿曲线现象的s i p o s 钝化平面功率晶体 管管芯的结构，分析了s i p o s 钝化的平面功率晶体管的制各工艺，以及s i p o s 钝化技术的钝化机理及特点。 2 1 s i p o s 钝化功率晶体管结构 211 s i p o s 钝化功率晶体管管芯纵向结构 s i p o s 钝化的平面功率晶体管为n p n 型的双极型大功率晶体管，其外观结 构和电气符号如图2 1 所示。 圈2 1s i p o s 钝化功率品体管外观及i 乜气符号 f i g2 1 a p p e a r a n c ea n de l e c t r i cs y m b o lo f p o w e r t r a n s i s t o r w i t hs i p o sp a s s i v a t i o n s i p o s 钝化的平面功率晶体管管芯为典型的取极型功率晶体管结构，在n 型半导体上丌窗制作p 型基区，同时在器件边缘制作高掺杂的p _ 的分压环，之 后在p 区中再开窗制作高掺杂的n + 发射区。结构和工艺过程都与传统的平面功 率晶体管相似。 与传统的双极型功率晶体管不同的是采用了半绝缘掺氧多晶硅( s i p o s ) 和 s i 0 2 的多层表面钝化技术。传统的双极型功率晶体管多采用s i 0 2 层作为器件的 钝化层，而s i p o s 钝化的平面功率晶体管结构特殊性则是在器件衬底之上直接 淀积s i p o s 薄膜作钝化层，在s i p o s 薄膜之上为s i 0 2 层，s i 0 2 层之上为a l 电极 哈尔滨理f t 人学j r 学硕i ：学位论文 层，外表面则使用聚酰亚胺作钝化。 s i p o s 钝化膜本身固有的优点使得其作为器件衬底钝化层，可以提高器件 耐压。s i p o s 钝化膜上面再制备s i 0 2 层是为了保护s i p o s 层，防止s i p o s 薄膜出 现介电击穿i 2 2 1 ，这样的纵向结构也是为了进一步提高功率晶体管的击穿电压。 s i p o s 钝化的平面功率晶体管管芯结构层次示意图如图2 2 所示，在硅衬底 上面依次覆盖有半绝缘掺氧多晶硅( s i p o s ) 薄膜层、s i 0 2 层、铝电极和聚酰亚 胺层。 图2 2s i p o s 钝化功率晶体管管芯结构层次图 f i g 2 2s t r u c t u r ed r a w i n go fp o w e rt r a n s i s t o rw i t hs i p o sp a s s i v a t i o n s i p o s 钝化的平面功率晶体管衬底以上的纵向层次结构厚度为，s i p o s 钝 化的平面功率晶体管的s i p o s 层厚度在3 0 0 0 + 4 0 0 a 一9 0 0 0 1 0 0 0 a ；s i 0 2 层厚度 为9 0 0 0 10 0 0 a ：a 1 层厚度为4 5 9 m 。 在发射极与基极，也就是e b 结上的层次结构略有不同。从图2 2 中可以看 到在e b 结上的层次结构为在器件衬底上依次覆盖有s i 0 2 层、s i p o s 层、s i 0 2 层。s i 0 2 层制备在s i 器件衬底上面的目的主要是为了防止电极之间的漏电，进 而影响功率晶体管的放大能力。如果直接淀积s i p o s 层，由于s i p o s 层是半绝 缘的，会导致电流放大能力减弱，但可以改善击穿曲线。在器件生产过程中， 根据具体情况来调节产品的制备工艺与参数，按照功能要求，经过多次实验和 生产，选择性能良好产品的工艺进行批量生产。 咕尔演理t 人学工学瑚i 学位论立 2 12s i p o s 钝化功率晶体管管芯横向结构 对s i p o s 钝化的平面功率晶体管管芯表面形貌如图2 3 所示。其中区域a 为 s i p o s 钝化功率晶体管的基极焊盘区，区域b 为s i p o s 钝化功率晶体管的发射极 焊盘区，s i p o s 钝化的平面功率晶体管的集电极设计在管芯的底部，通过电极 与封装壳的引脚连接，因此在s i p o s 钝化的平面功率晶体管管芯表面形貌照片 所看到的只有基极和发射极以及一些弯曲的金属互连线和e b 结上的隔离线 条。 图2 3s i p o s 钝化功率晶体管管芯表面 f i g 2 - 3s u r f a c eo f p o w e r t r a n s i s t o r w i t hs i p o sp a s s i v a t i o n 平面晶体管的横向结构一般包括单元图形的几何形状、排列方式以及尺寸 等参数。s i p o s 钝化的平面功率晶体管管芯为正方形，边长为d = l3 2 m m 。 s i p o s 钝化的平面功率晶体管管芯的版图，如图2 4 所示。 图2 3 中左上角的a 区域为s i p o s 钝化的平面功率晶体管的基极焊盘，对应 图2 4 版图中左上角的区域，多个基区通孔通过互连线与该区域相连；图2 3 中 右下角的b 区域为s i p o s 钝化的平面功率晶体管的发射极焊盘区域，对应图2 4 版图中的右下角区域，通过金属互连线将焊盘区与器件表面中间大部分的匾形 小区域相连，每个圆形小区域都是个小发射区，从图2 - 4 版图中可以看到表 面较宽的线条连接多个小圆区域。 哈尔滨理丁 学t 学瑚l ：学位论上 幽2 - 4s i p o s 钝他功幸品悼菅昔，凸版幽 f i 9 2 - 4l a y o u to f p o w e r t r a n s i s t o r w i t hs i p o sp a s s i v a t i o n s i p o s 钝化的平面功率晶体管的器件表面排列方式和布局方式在平面晶体 管设计过程中很重要，通常会根据器件的性能要求和可靠性要求对器件的表面 进行布局和排列。如果排列和布局的不当，很容易引起可靠性问题和造成早期 失效”i 。 s i p o s 钝化的平面功率晶体管采用在基区上做多发射区的设计，同时在基 极区域开多个基区通孔，并把多个通孔相连，可以提升s i p o s 钝化的平面功率 晶体管的速度和耐压水平。这就是在图2 3 中看到的金属互连线将基极焊盘区 域和很多基极通孔相连。 s i p o s 钝化的平面功率晶体管将电极焊盘分布在正方形的两个对角处，发 射极焊盘连接多个小发射区，基极焊盘连接多个基极通孔区域，金属电极线呈 现插指状，电极之间由e - b 结上的s i 0 2 一s i p o s s i 0 2 复合层次结构隔离开。 s i p o s 钝化的平面功率晶体管金属电极线长度不长，不易产生局部热量集中的 现象。 分析s i p o s 钝化平面功率晶体管纵向结构时，e b 结上的隔离结构比较特 殊，从管芯表面的横向结构来看e - b 结上的结构为图2 - 3 中表面所见最长的一条 弯曲线条，其目的是隔离基极和发射极之间的电极。该线条为s i 0 2 一s i p o s s i 0 2 复合层次结构。在图2 4 版图中也表现为较长的、蜿蜒多曲的线条。 为了提高s 1 p o s 钝化的平面功率晶体管的耐压能力，除了使用多发射区设 计之外，还要考虑s i p o s 钝化的平面功率晶体管“分压环”的设计。由于多个 哈尔滨理t 人学t 学硕i l ：学位论文 发射区在表面处于基本相同的电位，它们之间不会出现提前击穿的情况，但受 工艺水平影响则会表现不同。由于平面型p n 结在表面的曲率半径小，尤其是 在器件的边缘处存在着强电场，做“分压环目的就是降低平面结终止区局部 强电场，以提高器件的耐压能力。s i p o s 钝化的平面功率晶体