CN106186725B - 一种玻璃钝化半导体器件及其制作方法 - Google Patents

一种玻璃钝化半导体器件及其制作方法 Download PDF

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Abstract

一种以铝硅酸盐为基本成分的，例如氧PbO‑或者ZnO‑铝硅酸盐，氧化玻璃钝化半导体器件，其特征在于：为了增加该半导体器件在反向偏压和高应力下的可靠性，其包含玻璃钝化次表层，所述玻璃钝化次表层构成该玻璃钝化半导体的玻璃厚度的5%，并且含有表面浓度在8*1018cm‑3至9*1019cm‑3范围内的铯。

Description

一种玻璃钝化半导体器件及其制作方法
技术领域
本发明通常应用于半导体器件，尤其是一种采用以铝硅酸盐为基本成分，如PbO-或者ZnO-铝硅酸盐，氧化玻璃保护层的表面钝化器件，适用于高压应用。更具体地说，它涉及高可靠性器件，尤其是在高偏压-高温应力（BT-Stress）条件下。
背景技术
众所周知，因半导体器件参数对于PN结附近的表面的可移动电荷的沾污和累积的高敏感性，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因素之一。在各种各样钝化设计和方法之中，现有的玻璃钝化技术，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，讲述了通过采用ZnO替代PbO，实现具有优良化学、机械、电绝缘性能的对环境安全的玻璃，其基本成分大致包括SiO2(3-12%), B2O3 (24-35%),CeO2 (0.1-1%)和ZnO (50-65%)，以及可选的（起始浓度为0%）添加物Al2O3, Cs2O, MgO,BaO, Bi2O3, MoO3或Sb2O3。
2006年7月5日中国专利CN200589234C，以及2007年1月25日，日本提出的专利IP2007019503，2007年1月11日德国提出的专利DE102005031658A1，2007年12月21日的美国专利US8163392B2所提出的改进的玻璃组成，并没有规定必须要添加铯。因为上述专利讲述是提出一种满足半导体器件机械、化学和电气绝缘特性的无铅钝化玻璃。铯作为可选的添加物的存在，其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提出一种玻璃组成，包含最低6%（mol）的铯，用于将光纤的传输损失减到最少。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。
1979年7月17日，美国另一个专利4161744，2007年11月13日，美国专利7294884，1972年9月2日，美国专利4009483，1992年6月3日，欧洲专利0519268B1均提出为半导体器件的钝化玻璃（或者其他绝缘体）补充添加半绝缘无机（或有机）钝化层。
一般来说，玻璃钝化层能对半导体器件提供良好的保护。但钝化层对可能出现的沾污，如快速扩散的碱性离子，特别是钠离子，非常敏感，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，在高温和反向偏压产生的强电场下，钠离子最终堆积在在半导体器件的反向偏压的阴极区附近，导致器件的表面形成导电通道，这将导致半导体器件的电特性退化，甚至产生灾难性的故障。
因此，对于仍然需要进一步提高玻璃钝化技术，来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玻璃钝化半导体器件，其特征在于：包含玻璃钝化次表层，所述玻璃钝化次表层构成该玻璃钝化半导体的玻璃厚度的5%，并且含有表面浓度在8*1018cm-3至9*1019cm-3范围内的铯。
本发明还提出了一种上述玻璃钝化半导体器件制作方法，铯通过在50℃-100℃的温度下、在铯盐溶液中被引入到钝化玻璃，随后在100℃-400℃的温度下、在受控气氛中退火。
作为优选，铯通过在50℃-100℃下、在铯盐溶液中被引入到钝化玻璃，随后在100℃-400℃的温度下真空退火。
铝硅酸盐玻璃中掺入了一定数量的具有高正电性、低迁移率和较大离子半径的铯，原则上导致了在退火处理过程中形成电子元件的次表导电层，该次表导电层可将侧面的电场强度削弱至最小。从而将半导体器件P-N结附近的正电荷的离子（比如快速扩散的碱性污染离子，尤其是钠离子）的传导和积累减到最小。相应地，在BT-Stress条件下，至少在指定的应变温度范围内，将半导体器件的电特性劣化程度减到最小。
附图说明
图1本发明所形成的钝化玻璃层的体积电阻率和表面电阻率的极化曲线。
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-铝硅酸盐，玻璃钝化保护层的半导体器件。为了增加该玻璃钝化半导体器件在反向偏压和高温热应力下的可靠性，该玻璃钝化半导体器件包含玻璃钝化次表层，该次表层含有浓度在8*1018cm-3至9*1019cm-3范围内的铯，并且该次表层构成玻璃厚度的5%。
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，玻璃覆盖层的次表层的铯浓度与本发明设定的一致，具体为8*1018 cm-3。在氧化铅-（PbO-）铝硅酸盐玻璃钝化层上，例如：来自日本NEG公司的玻璃GP-200，玻璃钝化层的体积电阻率（使用ASTM D-257测量）在2*1015 Ω·cm - 4*1015 Ω·cm范围，而其表面电阻在2*1013 Ω -4*1013 Ω。
我们也观察到，采用本发明的玻璃钝化层的半导体器件在BT-Stress条件下，电特性的劣化比采用现有技术的玻璃钝化层的半导体器件的劣化更小：显著地缩小了10-15倍。换句话说，在BT-Stress试验（150℃，168小时，1000V）前和试验后，漏电流的变化不超过10%。值得注意的是，本发明的玻璃钝化半导体器件，在高于150°C的应力温度范围中，相比现有技术的玻璃钝化半导体器件，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、低迁移率的、以及大离子半径的铯。原则上，导致了在退火处理过程中形成电子元件的次表导电层，该次表导电层可将侧面的电场强度削弱至最小。因此，将半导体器件P-N结附件的正电荷的离子（比如快速扩散的碱性污染离子，尤其是钠离子）的传导和累积减到最少。相应地，在BT-Stress条件下（至少在指定的应变温度范围内），半导体器件的电特性劣化程度将减至最少。我们也观察到引入类似的掺杂剂也有类似的效果。我们推测在提高温度时，特别是到150°C以上时，玻璃基体中的具有较高迁移率的其他碱性离子的效果都不如铯。
本发明的具体实施方案是，在半导体晶圆的氧化铅-（PbO-）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，按如下操作：
第一，在80℃温度下，将晶圆放入氯化铯（1M）水溶液中120分钟；第二，在25°C温度下，用水冲洗晶圆30分钟，然后用离心机甩干；第三，晶圆在可控气氛（N2，5L/min，T=350℃）下退火4小时。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，在某些处理步骤上的变化，例如铯可以通过等离子体的方法、化学/物理气相沉积的方法或者其他已知的可能仍被使用的具有良好结果的熟练工艺，被引入至已形成的玻璃层中。因此本发明的基本方案简单的包含：一种玻璃钝化半导体器件，其特征在于：包含玻璃钝化次表层，所述玻璃钝化次表层构成该玻璃钝化半导体的玻璃厚度的5%，并且含有表面浓度在8*1018cm-3至9*1019cm-3范围内的铯。

Claims (3)

1.一种玻璃钝化半导体器件，其特征在于：包含应用于PN结的玻璃钝化保护层，所述玻璃钝化保护层包括玻璃钝化次表层，所述玻璃钝化次表层构成该玻璃钝化半导体的玻璃厚度的5%，并且含有表面浓度在8*1018cm-3至9*1019cm-3范围内的铯。
2.根据权利要求1所述的一种半导体器件的制作方法，其特征在于：铯通过在50℃-100℃的温度下、在铯盐溶液中被引入到钝化玻璃，随后在100℃-400℃的温度下、在受控气氛中退火。
3.根据权利要求1所述的一种半导体器件的制作方法，其特征在于：铯通过在50℃-100℃下、在铯盐溶液中被引入到钝化玻璃，随后在100℃-400℃的温度下真空退火。
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