CN106298593A - 高可靠性玻璃钝化半导体设备 - Google Patents
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Abstract
一种高可靠性半导体设备，在终止于表面的PN结设有硅酸盐，如PbO‑（氧化铅‑）或ZnO‑（氧化锌‑）铝硅酸盐玻璃钝化层。为了减弱半导体设备在高反向偏置和高温应力条件下的暂时的电特性的退化，所述玻璃钝化层包含掺杂Cs的玻璃层。
Description
技术领域
本发明通常涉及半导体设备，尤其是一种以硅酸盐为基本成分的表面钝化设备，如氧化铅（PbO-）或者氧化锌（ZnO-）铝硅酸盐玻璃保护覆盖层，适用于高压应用。更具体地说，它涉及高可靠性设备，尤其是在高偏温应力条件下。
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。
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N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 2016104090307，一种半导体器件的钝化方法及半导体器件，在钝化覆盖层中引入浓度范围在最小20ppm至最大200ppm的铯（Cs），用于改进玻璃钝化半导体设备的可靠性。
本发明引入了专利申请CN2016104090307的技术方案，并基于该技术方案描述铯掺杂的钝化玻璃的在设计高可靠性半导体设备方面的应用。
发明内容
本发明基于上述技术问题提供一种高可靠性玻璃钝化半导体设备，包括终止于半导体设备表面的PN结、覆盖在所述PN结上的玻璃钝化层，其特征在于：至少在反向偏置的所述PN结的玻璃钝化层中设有掺杂CS的玻璃层。
作为优选，所述玻璃层中Cs的浓度为100ppm-400ppm。
作为优选，所述浓度的Cs通过扩散作用被引入至所述玻璃层中。
作为优选，所述浓度的Cs被引入至钝化玻璃组分。
作为优选，所述半导体器件具有台面结构。
作为优选，所述半导体器件具有平面结构。
在高反向偏置和高温应力条件下，本发明的半导体器件的电参数特性的短暂退化被大大减弱，提高了半导体设备的可靠性。
附图说明
图1本发明高可靠性台面型二极管的反向偏置 视图；
图2本发明高可靠性晶闸管浪涌保护器的剖视图。
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
如图1，一种高可靠性高压台面二极管，其组成是N型硅片1-1，P（磷）掺杂，电阻率约为30Ω·cm的单晶硅，厚度约为280μm。阳极区1-2由表面的Al（铝）和B（硼）杂质同时扩散形成，其扩散条件为1275℃，30小时，深度90μm-95μm。以保证在PN结3附近的Al的浓度梯度在1.5*1019至2.5*1019cm-4范围之间，B的表面浓度1*1020…2*1020cm-3之间。硅片1-1的底部形成阴极，在阳极形成的同时，进行底部表面P（磷）杂质的扩散，使得相邻于底面部分1-4附近的电导率提高，P扩散深度为55μm-65μm，以保证阴极区域的Rs（sheet resistance，方块电阻）不高于0.5Ω，并且P的表面浓度不低于1*1020cm-3。接下来对硅片的两面进行机械处理（如打砂），化学清洗来自于扩散过程中形成的化学化合物。再将清洗后的硅片在1100℃下进行热氧化3个小时，确保SiO2（二氧化硅）的厚度约为0.6μm。然后利用光刻技术，保护底面和顶面被定义为独立器件的每个大约1mm2的矩形区域，在后续的硅化学腐蚀中腐蚀未被保护的区域，因此在硅片1-1上形成“台面”结构阵列。下一步，在适当的清洗后，在台面结构未被保护区域进行电泳（直流250V）沉积，形成厚度约为40-50μm的玻璃覆层，其来源是在丙酮中的氧化铅-（PbO-）铝硅酸盐玻璃粉末悬浮物（散度约1μm）。接下来玻璃覆层在其特定的转变温度以上，如820℃，进行熔融、致密化和退火，最终形成厚度大概为23μm-35μm的钝化玻璃层1-5。接下来，在350℃下，对沉积在表面的铯源进行24小时扩散，使得铯在上述玻璃层中均匀分布，其浓度大约为300ppm。适当的清洗后，金属化，例如：Ni-P，在阳极1-6和阴极1-7形成接触区。首先，使用化学镀镍技术淀积Ni（镍），厚度0.2μm-0.5μm，然后利用标准工业方法进行合成，最后，为防止钻蚀，使用化学镀，淀积0.1μm -0.2μm厚的Au（金）作为顶层金属。最后，通过标准的方法，单个台面结构的二极管被制作出来，例如，通过刀划或激光划片，然后单个二极管被组装和封装，例如根据标准的工业方法进行的轴向引线封装。
这种二极管的击穿电压为1500V，反向漏电流在1000V下小于100nA，正向压降在1A下小于1V。
上述二极管在接下来的可靠性试验中，反向电压1000V（阳极6和阴极7之间）、温度150℃条件下，最短168小时。在应力测试前后，在平均失效时间（在应力条件超出条件下，至少20000小时）下，反向漏电的差异不超过10%。在上述应力条件下反向电流的微小变化因为存在发生热逃逸效应的可能性，保证了二极管的高可靠性，因此，随后的致命失效，显著降低。
实施例二
如图2，一种晶闸管浪涌保护器件（TSPD）的flip-chip版本。其组成是N型硅片2-1，P（磷）掺杂，电阻率约为3Ω·cm的单晶硅，厚度约为210μm。即对硅片2-1的两个表面利用掩膜、光刻图形、扩散的标准工业方法。首先，形成15μm厚的P型区2-2、2-3、2-4、2-5，接下来形成8μm厚的N型区2-6、2-7、2-8、2-9、2-10。接下来，在技术性掩膜2-11（二氧化硅）的光刻图形后，含有铯（铯的浓度大约150ppm）的氧化铅-（PbO-）铝硅酸盐的玻璃粉悬浮物，混在光刻胶中，涂在正表面上，并光刻出图形。下一步，硅片按照标准的工业方法进行玻璃化、熔融（820°C）和退火，形成8μm厚的玻璃钝化层2-12。然后在两个个主要的终端2-13和2-14，以及硅片的另一边的短路平面2-15上形成金属（1μm厚铝层）接触。接下来，在硅片的两边涂上2.5μm厚的BCB（苯丙环丁烯）层16，随后光刻出图形，紧接着淀积0.4um厚的UBM（under-bump-metal）层17（铜/铬合金）。接下来光刻图形后，共晶焊料合金（铅/锡）的电解沉积，清洗，在230°C下，在链式炉中焊料回流，于主要终端13和14上分别形成焊料突起18和19。接下来将硅片切割成单个芯片，完成高可靠性的flip-chip版本的TSPD的制作。
这些器件的双向开关电压为120V，当stand-off电压为80V时，反向电流小于100nA。在可靠性试验中，这些TSPD表现出与前述台面二极管相近的特性：在应力测试前后，反向电流的差异不超过10%。这个特性因为假开关的可能性导致在反向电流下的时序变化显著减少，保证了TSPD关键任务的高可靠性。
可以理解的是一些工艺步骤的变化，例如：玻璃的铯掺杂或玻璃淀积技术，可能由于技术的成熟等原因被省略或替代。例如：玻璃层中的铯掺杂可以通过玻璃烧结后的离子束或等离子源的离子注入实现，可以通过纳米玻璃粉淀积前的扩散掺杂来实现，或者通过将铯引入铝硅酸盐玻璃来实现。类似的，不同的玻璃淀积技术，例如：旋转涂覆法，喷雾法，油墨打印法，甚或机械性的刀刮法淀积合适的玻璃悬浮物，可以成功地用于相同的目的。因此本发明的基本方案，简单的包含在半导体器件中，确保包含铯的玻璃层进入钝化覆层并终止于p-n结区域。
Claims (6)
1.一种高可靠性玻璃钝化半导体设备，包括终止于半导体设备表面的PN结、覆盖在所述PN结上的玻璃钝化层，其特征在于：至少在反向偏置的所述PN结的玻璃钝化层中设有掺杂CS的玻璃层。
2.根据权利要求1所述的一种高可靠性半导体设备，其特征在于：所述玻璃层中Cs的浓度为100ppm-400ppm。
3.根据权利要求2所述的一种高可靠性玻璃钝化半导体设备，其特征在于：所述浓度的Cs通过扩散作用被引入至所述玻璃层中。
4.根据权利要求2所述的一种高可靠性玻璃钝化半导体设备，其特征在于：所述浓度的Cs被引入至钝化玻璃组分。
5.根据权利要求1或2或3或4所述的一种高可靠性半导体设备，其特征在于：所述半导体器件具有台面结构。
6.根据权利要求1或2或3或4所述的一种高可靠性半导体设备，其特征在于：所述半导体器件具有平面结构。
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