CN106129019B - 一种半导体器件及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
一种半导体器件，尤其涉及一种铝硅酸盐玻璃钝化半导体器件，如铅或氧化锌，氧化铝铝硅酸盐玻璃玻璃层，适用于高压应用。为了增加该半导体器件在反向偏压和高应力下的可靠性，该铝硅酸盐玻璃钝化层常常含有浓度在20ppm（mol，摩尔百分数）到200ppm（mol，摩尔百分数）的铯。
Description
技术领域
本发明通常应用于半导体器件，尤其是采用铝硅酸盐玻璃钝化的半导体器件，如氧化铅（PbO）或氧化锌（ZnO）铝硅酸盐，金属氧化物玻璃保护层，适用于高压应用。更具体地说，它涉及高可靠性器件，尤其是在反向偏压和高温应力下。
背景技术
众所周知，因半导体器件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，半导体器件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，已为半导体器件提供良好的化学、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。上述CN100589234C专利中，讲述了具有优良化学、机械、电绝缘性能的环保安全玻璃，可用ZnO替代PbO来实现，其基本成分SiO2(3-12%), B2O3 (24-35%), CeO2 (0.1-1%)和ZnO (50-65%)，可选添加物Al2O3, Cs2O, MgO, BaO, Bi2O3, MoO3 或Sb2O3，详见表1：
2006年7月5日提出的中国专利CN200589234C（以及2007年1月25日提出的日本专利IP2007019503，2007年1月11日提出的德国专利DE102005031658A1，2007年12月21日提出的美国专利US8163392B2）中提出的先进的玻璃组分中并没有要求一定要有铯元素的存在。因为上述专利讲述是满足半导体器件机械、化学和电气绝缘特性的无铅钝化环保玻璃的工艺方法。铯元素作为添加物的存在是可选的。使用铯添加剂的主要目的是改善钝化玻璃的粘性。
1984年9月18日，另一个美国专利4472030，提出一种包含最低6%（摩尔浓度）铯元素的玻璃组分，旨在最小化光纤的传输损失。然而，所述玻璃的化学、机械和电气特性不适用于半导体器件的钝化。
一般来说，玻璃钝化层能对半导体器件提供良好的保护。但是钝化层对可能出现的沾污，如快速扩散的碱金属离子非常敏感，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器件的反偏电极区附近，在器件表面形成导电通道，这将导致半导体器件的电特性退化，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器件特性的退化。
发明内容
本发明基于上述技术问题提供一种半导体器件。
一种半导体器件，包括铝硅酸盐玻璃钝化层，其特征在于：所述铝硅酸盐玻璃钝化层含有浓度在20ppm（mol，摩尔百分数）到200ppm（mol，摩尔百分数）的铯。
本发明还提出了一种上述半导体器件制作方法，所述铯通过在50℃-100℃的温度下、在铯盐溶液中被引入到所述铝硅酸盐玻璃钝化层，随后在100℃-400℃的温度下真空退火。
作为优选，所述铯通过在50℃-100℃的温度下、在铯盐溶液中被引入到所述铝硅酸盐玻璃钝化层，随后在100℃-400℃的温度下、在受控气氛中退火。
作为优选，所述铯通过在50℃-100℃的温度下、在铯盐溶液中被引入到分散性从10nm到100nm的纳米级铝硅酸盐钝化玻璃粉，随后在100℃-400℃的温度下真空退火。
作为优选，所述铯被引入到以铝硅酸盐为基本成分的钝化玻璃，以原始玻璃配合料中的其他成分的氧化铯添加剂或铯化合物添加剂的形式，所述原始玻璃配合料包含Al2O3，SiO2和PbO。
铝硅酸盐玻璃中掺入了一定数量的具有高正电性和比钠离子半径更大的铯离子，原则上减少了其它高扩散性的碱性杂质的移动，尤其是钠离子。因此，在半导体器件PN结附近的正电荷的累积也随之减少。相应地，在BT-stress条件下，电特性的劣化程度被降低。
附图说明
图1现有技术及本发明所形成的钝化玻璃层的体积电阻率的极化曲线。
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。
一种采用以铝硅酸盐为基本成分，如氧化铅（PbO）或（ZnO）氧化锌硅酸铝，玻璃钝化层的半导体器件。为了增加该半导体器件在反向偏压和高温热应力下的可靠性，该铝硅酸盐玻璃钝化层含有浓度在20ppm（mol，摩尔百分数）到200ppm（mol，摩尔百分数）的铯。
采用XPS（ X-ray photoelectron spectroscopy, X射线光电子能谱分析）技术测量的结果显示，玻璃钝化层次表层的铯的浓度与本发明设定的一致，具体为5*1018 cm-3。我们在氧化铝硅酸盐玻璃钝化层，例如：来自日本NEG公司的玻璃GP-200，玻璃钝化层的电阻率（使用ASTM D-257测量）相比较于现有技术的2*1011 Ω·cm - 3*1011 Ω·cm范围，提升到了1.5*1014 Ω·cm -2*1014 Ω·cm。
在观察到玻璃钝化层电阻率不同之后，我们也观察到，本发明的半导体器件的玻璃钝化层在BT-stress条件下，电特性的劣化比现有技术的半导体器件的玻璃钝化层的劣化更小：显著地缩小了10-15倍。值得注意的是，按照本发明实施例制作的半导体器件的玻璃钝化层，在高达175°C的温度环境下，相比通过现有技术制作的半导体器件的玻璃钝化层，具有更高的平均失效时间(为现有技术的100%-150%)。
然而对于相应的机理，我们没有一个明确的解释。有可能是因为铝硅酸盐玻璃中掺入了指定数量的具有高正电性、低扩散性的、以及离子半径比钠更大的铯。原则上，导致了其它快速扩散的碱金属离子沾污的扩散性的降低，尤其是钠离子，因此减少了在半导体器件PN结附近的正电荷的累积减少。相应地，在BT-stress条件下（至少在指定的应变温度范围内），电特性劣化程度明显降低。我们也观察到引入类似的碱掺杂剂也有类似的效果，例如钾。我们推测在提高温度时，特别是到150°C以上时，玻璃基体中的较低正电性，较小离子半径，以及特别是较高扩散性的其他碱的效果都不如铯。
本发明的具体实施方案是，在半导体晶圆的氧化铅-铝硅酸盐（日本NEG公司产品：GP-200）玻璃钝化表面（按照现有技术的工艺流程制造到这一步）引入铯离子，按如下操作：
第一，在80℃温度下，将晶圆放入氯化铯（0.25mol/L）水溶液中120分钟；第二，在25°C温度下，用水冲洗晶圆30分钟，然后用离心甩干；第三，晶圆在可控气氛下退火24小时（N2，5L/min，T=350℃）。或者，所述退火也可以在≦1mTorr的真空环境下进行。晶圆接下来的工艺过程按照现有的玻璃钝化高压半导体器件的制作方法进行。
应该注意的是，引入铯离子的方法可以有多种。如在一定的工序步骤 和/或在玻璃组份中引入。例如，经/未经后续退火处理，在铯盐溶液中处理被转换成高BET（比表面积）因子（纳米测量值在10nm到100nm之间）的玻璃粉。它也可以通过等离子体的方法，或者化学/物理气相沉积的方法，进入已形成的玻璃层中。它还可以一个合适的形式（例如氧化铯）作为一个添加剂引入由Al2O3,SiO2,PbO等构成的原始玻璃配合料中，或者以现有已知的熟练掌握的技术引入。
因此本发明的基本方案简单的包含引入半导体器件表面玻璃层的铯的浓度在20ppm（mol，摩尔百分数）至200ppm（mol，摩尔百分数）之间。
Claims (5)
1.一种半导体器件，包括设于表面终端的PN结上的铝硅酸盐玻璃钝化层，其特征在于：所述铝硅酸盐玻璃钝化层含有摩尔百分数在20ppm到200ppm的铯。
2.根据权利要求1所述的一种半导体器件，其特征在于：所述铯通过在50℃-100℃的温度下、在铯盐溶液中被引入到所述铝硅酸盐玻璃钝化层，随后在100℃-400℃的温度下真空退火。
3.根据权利要求1所述的一种半导体器件，其特征在于：所述铯通过在50℃-100℃的温度下、在铯盐溶液中被引入到所述铝硅酸盐玻璃钝化层，随后在100℃-400℃的温度下、在受控气氛中退火。
4.根据权利要求1所述的一种半导体器件，其特征在于：所述铯通过在50℃-100℃的温度下、在铯盐溶液中被引入到分散性从10nm到100nm的纳米级铝硅酸盐钝化玻璃粉，随后在100℃-400℃的温度下真空退火。
5.根据权利要求1所述的一种半导体器件，其特征在于：所述铯被引入到以铝硅酸盐为基本成分的钝化玻璃，以原始玻璃配合料中的其他成分的铯化合物添加剂的形式，所述原始玻璃配合料包含Al2O3，SiO2和PbO。
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