电子回旋共振等离子体在超高频大功率芯片表面沉积si

电子回旋共振等离子体在超高频大功率芯片表面沉积si

1gs3n4薄膜自半主导产品出版以来，表面问题一直是研究的重要课题。半导体表面对外界气氛极为敏感,因而严重地影响半导体器件的特性。为了提高器件的可靠性和稳定性,必须采用表面钝化技术对表面进行有效的保护。Si3N4薄膜是一种很好的钝化薄膜,目前在很多的半导体器件中已经获得应用,但是要应用在超高频大功率晶体管浅结芯片中还必须采用特定的薄膜沉积设备。因为制备Si3N4薄膜的技术通常采用的是化学气相沉积(CVD),激光诱导等离子体化学气相沉积(LPECVD)和射频等离子体增强化学气相沉积(RF-PECVD)等技术。前两种技术中存在沉积温度高,不可能用于超高频大功率晶体管的表面钝化;RF-PECVD技术虽然沉积温度比较低,但射频激励的等离子体存在高能离子(几百电子伏特甚至上千电子伏特)。高能离子对芯片的Si表面晶格产生轰击,破坏表面晶格的结构,会产生很多原子替位损伤,从而引入大量的电荷陷阱,或引起不带电的空位,使界面的有效电荷密度增大约10倍左右,表面出现漏电现象,使器件失效。因此,射频等离子体增强化学气相沉积(RF-PECVD)技术也不能用于超高频大功率晶体管的表面钝化。电子回旋共振等离子体增强化学气相沉积(ECR-PECVD)技术是近来发展起来的新技术,它的等离子体密度高、电离度高、无内电极放电、易于在较低温度下沉积大面积均匀Si3N4薄膜。特别是无高能离子(离子能量在20～40eV)的优点,使ECR-PECVD用于超高频大功率晶体管浅结芯片的钝化膜成为可能。本文利用ECR-PECVD技术对超高频大功率晶体管浅结芯片进行了Si3N4钝化膜的制备,取得了一些有意义的结果。2等离子体密度的空间分布制备Si3N4钝化膜的ECR-PECVD装置如图1所示。它主要由涡轮分子泵和机械泵的真空系统,SiH4、N2气源及双路流量计配气系统,600W功率可调的微波系统,直流电流1.3×75～1.5×75A的励磁线圈,反应室,基片加热和偏心静电单探针系统组成。其中反应室由φ12×10cm的共振区和φ14.5×70cm反应区的不锈钢圆筒组成;基片放置在轴向可移动,温度可调节的基片架上。利用偏心静电单探针诊断得到的等离子体反应室等离子体密度的空间分布如图2所示。由图2可见,当运行气压8×10-3Pa,微波功率240W时,在反应室轴线Z为70cm的共振区附近,径向R为0cm的中心位置等离子体密度为8.2×1010cm-3。从微波窗口向抽气口方向过渡,等离子体密度减小;在轴线位置50cm处,径向从0cm到6cm的范围内等离子体密度分布均匀,平均约为1.79×1010cm-3。这说明在轴线50cm处的等离子体密度在直径φ为12cm的范围内分布均匀,有利于制备表面均匀的各种薄膜。在ECR-PECVD装置上制备Si3N4钝化膜的主要工艺过程如下:在本底真空2×10-3Pa,运行气压8×10-2Pa,沉积温度280℃的工艺条件下,对SLPT1和SLPT2系列超高频大功率晶体管浅结芯片沉积Si3N4钝化薄膜,并对钝化后的器件电特性进行了分析和研究。3结果与讨论3.1si3n4水相插装过滤技术为了提高超高频大功率晶体管的使用寿命和可靠性,对SLPT1和SLPT2超高频大功率晶体管要求有Si3N4表面钝化保护,以期能长期可靠稳定工作。另外SLPT2芯片面积大(一块大片中有300多个芯片),后工序磨片、划片、裂片等加工过程中,容易对芯片划伤,在工艺过程中划伤造成的损耗约占合格芯片的20%。Si3N4薄膜具有很高的硬度,作为该产品的表面钝化保护可将芯片的划伤减少到最低限度,能提高该产品的全线成品率。为了检验Si3N4钝化膜对超高频大功率晶体管的作用,我们采用SLPT1和SLPT2次品芯片进行了二批Si3N4钝化膜的钝化试验。第一批为SLPT1芯片,该芯片的反向电流ICEO较大,均在10mA以上。实验中使用了四个大片,其中芯片均为次品。通过Si3N4钝化膜试验后,经测试该四个大片中的部分芯片的反向电流有了降低,并且一些芯片的电特性变好,达到了正品芯片的电特性参数指标,成为正品芯片。试验前测试,ICEO(Vc=20V)>10mA。经Si3N4钝化试验后,ICEO(Vc=20V)≤5mA,符合正品参数要求,从四个大次品芯片中获得了40多个正品芯片。第二批为SLPT2芯片。在钝化前芯片的电特性参数测试时,当反向击穿电压BVCEO低于35V时,该芯片为报废状态。通过Si3N4钝化试验后,BVCEO击穿电压有所好转,其结果可用反向电流的减少来衡量。利用JT-1图示仪测试了SLPT2芯片钝化前后的电特性曲线,如图3所示。从特性曲线中可以看出来,Si3N4钝化试验前,BVCEO在35V时,反向漏电流ICEO在20mA左右,故该芯片属次品。通过Si3N4钝化后,反向漏电流已成下降趋势,BVCEO在35V时,反向漏电流ICEO在5mA以下,该芯片可作为合格芯片使用。由ECR-PECVD技术对超高频大功率晶体管的初步试验表明,ECR-PECVD技术制备的氮化硅薄膜能有效地对这种器件进行表面钝化,使芯片的电特性参数有所变好,而且使一些次品芯片成为合格芯片。3.2重新对号测试经过上面实验后,进一步对SLPT2的正品芯片进行了Si3N4薄膜的表面钝化处理,使用的SLPT2样品共有三批。第一批氮化硅钝化试验前对随机抽样选取的24个芯片测试,其中12个芯片为合格品,合格率为50%。经氮化硅钝化后,重新对号测试,有14个为合格品。其中钝化前不合格的第6号和第20号芯片变好,成为合格品,使合格率提高到58%。第二批氮化硅钝化试验前对随机抽样选取的24个芯片测试,其中8个芯片为合格品,合格率为33.3%。经氮化硅钝化后,重新对号测试,有9个为合格品。其中钝化前不合格的第19号芯片变好,成为合格品,使合格率提高到37.5%。第三批氮化硅钝化试验前对随机抽样选取的24个芯片测试,其中10个芯片为合格品,合格率为41.6%。经氮化硅钝化后,重新对号测试,有11个为合格品。其中钝化前不合格的第1号芯片变好,成为合格品,使合格率提高到45.8%。上述三批芯片经Si3N4钝化前后的合格率情况列于表1。4si3n4薄膜对芯片电特性的影响利用ECR-PECVD技术在超高频大功率晶体管浅结芯片上制备了Si3N