CN106057746A - 一种半导体设备及其制作方法 - Google Patents

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艾 珀里亚科夫 西里奥
西里奥艾珀里亚科夫
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Abstract

一种半导体设备，尤其是采用以铝硅酸盐为基本成分，如氧化铅铝硅酸盐氧化玻璃钝化的半导体设备。为了增加该半导体设备在反向偏压和高温热应力下的可靠性，该玻璃钝化覆盖层的表面和0.5μm‑5μm的次表层中常常含有浓度在0.1at%‑0.5at%范围的氟。

Description

一种半导体设备及其制作方法
技术领域
本发明通常应用于半导体设备，尤其是采用以硅酸盐为基本成分的表面钝化半导体设备，如氧化铅（PbO-）铝硅酸盐氧化玻璃保护覆盖层，适用于高压应用。更具体地说，它涉及高可靠性器件，尤其是高温应力（BT-应力）条件下。
背景技术
众所周知，因半导体设备参数对于表面的杂质沾污和可移动电荷在PN结附近的累积的高敏感性，在高要求应用环境，半导体设备的表面钝化技术是获得高可靠性的主要手段之一。在各种各样钝化设计和方法之中，已知的现有技术，玻璃钝化技术，如1965年10月19日，美国专利3212921，已为半导体设备提供良好的化学、机械、电气性能的钝化膜。为进一步改善钝化玻璃的环境、机械、电气性能，2003年3月26日发布的中国专利CN1298029C或者2006年7月5日发布的中国专利CN100589234C，提出对玻璃组份构成进行适当控制。
根据上述现有技术制作的玻璃钝化覆盖层，在一般情况下能够为半导体设备提供一个良好的保护。但是钝化层对于可能出现的沾污非常敏感，如快速扩散的碱性离子，特别是钠离子，以及在后续制造工序中，包括金属接触形成，甚至封装过程中的沾污。沾污带来的结果是：在BT-stress条件下，例如在反向偏置引起的高温和强电场下，钠离子最终累积在半导体设备的反偏电极区附近，在器件表面形成导电通道，这将导致半导体设备的电特性退化，甚至产生永久性的失效。
因此，需要对玻璃钝化技术进一步提高，减缓甚至消除以上描述的玻璃钝化半导体设备特性的退化。
因此，本申请人于2016年6月23日提出申请的中国专利CN 2016104618163，一种半导体器件及其制造方法，在钝化覆盖层中引入浓度为100ppm-1000ppm的氟，用于改进玻璃钝化半导体设备的可靠性。
本发明引入专利CN2016104618163的方法，并基于该方法进行了更深入的阐述，目的是简化玻璃钝化覆盖层的氟化处理，当表面快速扩散的碱性离子的主要沾污，如钠离子，出现在玻璃覆盖层形成之后时，仍然提供钝化半导体设备的高可靠性。
发明内容
本发明基于上述技术问题提供一种半导体设备。
一种半导体设备，包括玻璃钝化覆盖层，其特征在于：所述玻璃钝化覆盖层的表面和0.5μm-5μm厚的次表面层包含浓度在0.1at%-0.5at%（原子百分数）的氟。
作为优选，氟在150℃-400℃温度下，通过直接氟化作用被引入到以铝硅酸盐为基本成分的玻璃钝化层。
作为优选，氟由气相被引入至以铝硅酸盐为基本成分的钝化玻璃层，在堆积玻璃粉的烧结处理期间。
作为优选，氟通过离子束植入被引入到以铝硅酸盐为基本成分的玻璃钝化层，在堆积玻璃粉的烧结处理之后。
作为优选，氟通过等离子源植入被引入到以铝硅酸盐为基本成分的玻璃钝化层，在堆积玻璃粉的烧结处理之后。
本发明还提供一种半导体设备的制作方法，用于制作前述的一种半导体设备，其特征在于：氟在150℃-400℃的温度下，通过直接氟化处理被引入到以铝硅酸盐为基本成分的玻璃钝化层。
一种半导体设备的制作方法，用于制作前述的一种半导体设备，其特征在于：氟由气相被引入至以铝硅酸盐为基本成分的钝化玻璃层，在堆积玻璃粉的烧结处理期间。
一种半导体设备的制作方法，用于制作前述的一种半导体设备，其特征在于：氟通过离子束植入被引入到以铝硅酸盐为基本成分的玻璃钝化层，在堆积玻璃粉的烧结处理之后。
一种半导体设备的制作方法，用于制作前述的一种半导体设备，其特征在于：氟通过等离子源植入被引入到以铝硅酸盐为基本成分的玻璃钝化层，在堆积玻璃粉的烧结处理之后。
在铝硅酸盐玻璃钝化覆盖层的表面上以及次表面中引入一定数量的具有高负电性的氟离子的原因。原则上，导致了其它快速扩散的碱性离子沾污在次表面的堆积，尤其是Na离子。从而阻挡了碱性离子沾污在BT-应力下扩散至钝化玻璃覆盖层以及在随后堆积于PN结附近。使得表面污染快速扩散的碱性离子的表面沾污进一步扩散至所述玻璃中的主要污染途径被大大阻塞。而专利CN2016104618163中描述的更常用的方法，是降低玻璃覆盖层中的所述沾污的移动性，而与沾污源的引入无关。因此，该方法最适合的。
附图说明
图1在没有被氟化的钝化玻璃次表层引入指定剂量的Na沾污以后，23Na（1s）的光谱；
图2 在按照本发明提出的钝化玻璃的次表层引入指定剂量的Na沾污以后，23Na（1s）的光谱。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的实施方式进行详细描述。
实施例一
一种以铝硅酸盐为基本成分，包含氧化铅铝硅酸盐（日本NEG公司产品：GP-200）的玻璃钝化半导体设备。为了增加该半导体设备在反向偏压和高温热应力下的可靠性，在玻璃钝化覆盖层的表面和0.5μm-5μm厚的次表面层包含浓度在0.49at%的氟。
本实施例中，在半导体晶圆的氧化铅铝硅酸盐玻璃钝化表面引入氟为：
首先，晶圆在300℃温度下，F2+N2（2% F2， 5L/min)气氛中处理30分钟；
其次，晶圆在300℃温度下，N2气氛中退火60分钟。
其他前置工艺和后续工艺参照现有的高压半导体的玻璃钝化技术进行。
另外，氟也在堆积玻璃粉的烧结处理过程中，以气相的形式被引入至以铝硅酸盐为基本成分的钝化玻璃层。或者在堆积玻璃粉的烧结处理之后，通过离子束植入的方式被引入到以铝硅酸盐为基本成分的玻璃钝化层。又或者在堆积玻璃粉的烧结处理之后，通过等离子源植入的方式被引入到以铝硅酸盐为基本成分的玻璃钝化层。
将经过表面氟化和未氟化的钝化玻璃样本中引入Na沾污：在0.1M的NaCl溶液中、80℃温度下加热3小时，并随后在350℃温度下退火24小时。
并对引入Na沾污后的钝化玻璃样本的次表层XPS（光电子能谱）分析表明：表面氟化样本中，Na的表面浓度显著增加（“堆积”），如图2；而未氟化样本中，Na无阻碍地扩散至钝化玻璃中，如图1：
然而对于相应的机理，我们没有一个明确的解释。有可能是在铝硅酸盐玻璃钝化覆盖层的表面上以及次表面中引入一定数量的具有高负电性的氟离子的原因。原则上，导致了其它快速扩散的碱性离子沾污在次表面的堆积，尤其是Na离子。从而阻挡了他们在BT-应力下扩散至钝化玻璃覆盖层以及随后堆积在PN结附近。玻璃钝化覆盖层的表面沾污进一步扩散至所述玻璃中的主要污染途径被大大阻塞。而专利CN2016104618163中描述的更常用的方法，是降低玻璃覆盖层中的所述沾污的移动性，而与沾污源的引入无关。
我们也观察到，本发明的半导体设备在BT-stress条件下，电特性的劣化比现有技术的半导体设备的电特性的劣化更小：可以显著地缩小10倍。相比按照现有技术处理的无氟化的半导体设备更小。值得注意的是，按照本发明对半导体设备进行钝化，相比较于无氟化半导体设备，特别是在高达150℃的应力温度下，高达168小时。
应该注意在钝化设计中的一些变化，如在一定的工序步骤和/或在玻璃组分中引入钝化层，或者采用其他对本领域技术人员来讲已知的，或者可通过实验获得的方法。因此，本发明的基本方案简单包括在所述玻璃钝化覆盖层的表面上或者0.5μm至5μm厚的次表层中的浓度为0.1at%-0.5at%的氟的引入。

Claims (9)

1.一种半导体设备，包括玻璃钝化覆盖层，其特征在于：所述玻璃钝化覆盖层的表面和0.5μm-5μm厚的次表面层包含浓度在0.1at%-0.5at%的氟。
2.根据权利要求1所述的一种半导体设备，其特征在于：氟在150℃-400℃温度下，通过直接氟化作用被引入到以铝硅酸盐为基本成分的玻璃钝化层。
3.根据权利要求1所述的一种半导体设备，其特征在于：氟由气相被引入至以铝硅酸盐为基本成分的钝化玻璃层，在堆积玻璃粉的烧结处理期间。
4.根据权利要求1所述的一种半导体设备，其特征在于：氟通过离子束植入被引入到以铝硅酸盐为基本成分的玻璃钝化层，在堆积玻璃粉的烧结处理之后。
5.根据权利要求1所述的一种半导体设备，其特征在于：氟通过等离子源植入被引入到以铝硅酸盐为基本成分的玻璃钝化层，在堆积玻璃粉的烧结处理之后。
6.一种半导体设备的制作方法，用于制作如权利要求1所述的一种半导体设备，其特征在于：氟在150℃-400℃的温度下，通过直接氟化处理被引入到以铝硅酸盐为基本成分的玻璃钝化层。
7.一种半导体设备的制作方法，用于制作如权利要求1所述的一种半导体设备，其特征在于：氟由气相被引入至以铝硅酸盐为基本成分的钝化玻璃层，在堆积玻璃粉的烧结处理期间。
8.一种半导体设备的制作方法，用于制作如权利要求1所述的一种半导体设备，其特征在于：氟通过离子束植入被引入到以铝硅酸盐为基本成分的玻璃钝化层，在堆积玻璃粉的烧结处理之后。
9.一种半导体设备的制作方法，用于制作如权利要求1所述的一种半导体设备，其特征在于：氟通过等离子源植入被引入到以铝硅酸盐为基本成分的玻璃钝化层，在堆积玻璃粉的烧结处理之后。
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