半導(dǎo)體橋芯片性能影響因素的研究

劉忠山，劉國(guó)應(yīng)，莫元玲

（貴州久聯(lián)民爆器材發(fā)展股份有限公司，貴州 貴陽(yáng)，550001）

半導(dǎo)體橋（SCB）雷管是國(guó)外20世紀(jì)80年代較受重視的新型火工裝置。SCB具有發(fā)火能量低、鈍感、作用時(shí)間迅速以及抗靜電和電磁（射頻）干擾的特點(diǎn)，在軍事及民爆領(lǐng)域均有應(yīng)用。然而，半導(dǎo)體橋在實(shí)際工程應(yīng)用上出現(xiàn)各種故障[1-3]，如瞎火、電阻值不穩(wěn)定、發(fā)火時(shí)間延長(zhǎng)等，本研究針對(duì)這些故障并結(jié)合SCB制造工藝，分析了影響其性能的因素，并提出改進(jìn)措施。

1 SCB的作用機(jī)理及制造工藝

1.1 SCB的作用機(jī)理

半導(dǎo)體橋雷管作用過(guò)程是：來(lái)自儲(chǔ)能系統(tǒng)的電流脈沖流經(jīng)半導(dǎo)體橋使其加熱、汽化直至擊穿，形成高溫高壓等離子體；灼熱的硅等離子體顆粒通過(guò)微對(duì)流運(yùn)動(dòng)滲入到與其相鄰的藥劑中，并在藥劑顆粒上凝結(jié)，把能量傳遞給藥劑顆粒進(jìn)而誘發(fā)化學(xué)反應(yīng)，使其發(fā)火[4]。

1.2 半導(dǎo)體橋的制造工藝

半導(dǎo)體橋的原材料為硅基片，厚度約0.5mm，采用電子行業(yè)生產(chǎn)半導(dǎo)體的工藝制成半導(dǎo)體橋。首先，將硅基片切片，再經(jīng)研磨、拋光到需要的厚度和光潔度，并用濃硫酸清洗，去離子水沖洗烘干，用濕氧化法在硅表面上生成二氧化硅層；接著，用低壓化學(xué)氣相沉積法（LPCVD）在多晶硅生長(zhǎng)爐中沉積一層硅膜。在硅膜材料中加入摻雜以控制多晶硅層的電阻率。例如，用磷使多晶硅重?fù)诫s產(chǎn)生n-型材料，保證半導(dǎo)體橋有1Ω的標(biāo)稱電阻。第3步，多晶硅層上涂覆光刻膠，并在甩膠機(jī)上將膠甩均勻，之后烘干。然后，將經(jīng)過(guò)刻圖照相、繪制有硅橋圖形的光刻掩膜版和硅片緊密貼合在一起，并進(jìn)行曝光。曝光后的硅片經(jīng)顯影、去膠，在硅片上形成了與設(shè)計(jì)圖形完全一樣的硅橋。最后，將引線掩膜板與刻蝕有硅橋的硅片對(duì)準(zhǔn)，放入真空室蒸上一層金屬鍍層，鍍層厚度一般3～4μm，這樣就獲得了一個(gè)能實(shí)際應(yīng)用的硅橋。一個(gè)硅基片上通?？芍瞥蓴?shù)千個(gè)半導(dǎo)體橋。當(dāng)鍍覆完引線焊接區(qū)后，可將硅基片切割成單個(gè)芯片，每一個(gè)芯片上有一個(gè)半導(dǎo)體橋。具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 半導(dǎo)體橋芯片結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The structure diagram of semiconductor bridge chip

2 SCB芯片性能的影響因素及解決措施

2.1 單晶硅及其上面的SiO2

篩選10發(fā)半導(dǎo)體橋芯片，其電阻值在0.90～1.10 Ω之間，進(jìn)行1A1W/5min試驗(yàn)，對(duì)比試驗(yàn)前后電阻值，結(jié)果見表1。

表1 試驗(yàn)前后阻值變化結(jié)果 （Ω）Tab.1 Resistance value before and after the test

從表1試驗(yàn)結(jié)果看，10發(fā)產(chǎn)品電阻值經(jīng)過(guò)1A1W/5min試驗(yàn)后普遍增大，其中有2發(fā)產(chǎn)品（8＃、9＃）增幅最大。 分析認(rèn)為芯片阻值增大的主要原因是：在通電條件下，多晶硅溫度升高加速多晶硅電子熱運(yùn)動(dòng)，由于單晶硅上的SiO2層過(guò)薄無(wú)力阻止多晶硅電子向單晶硅的擴(kuò)散。從而使得多晶硅的電子濃度下降，多晶硅電阻率變大，導(dǎo)致整個(gè)半導(dǎo)體橋電阻值增大。

可見，為了保證襯底（單晶硅）具有良好的絕緣性，SiO2層必須保持一定的厚度。SiO2層過(guò)薄，絕緣性能難以保證，多晶硅中電子容易擴(kuò)散到單晶硅中，影響 SCB的電阻值。因此，要求芯片生產(chǎn)廠家對(duì)單晶硅上生長(zhǎng)的SiO2層厚度要有嚴(yán)格的控制。經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，確定最終1μm厚的SiO2層最為合理。

2.2 多晶硅與金屬接觸

在做常溫貯存試驗(yàn)中，把新生產(chǎn)的一批半導(dǎo)體橋芯片（100發(fā)）放置在常溫密封狀態(tài)下半年，對(duì)比其前后電阻值變化，有7發(fā)產(chǎn)品阻值增大明顯，結(jié)果見表2。

表2 貯存試驗(yàn)前后阻值變化 （Ω）Tab.2 Resistance value before and after storage test

經(jīng)分析導(dǎo)致這種現(xiàn)象的主要原因是金屬鍍層與半導(dǎo)體橋接觸電阻。影響金屬鍍層與半導(dǎo)體接觸電阻的因素主要是半導(dǎo)體摻雜濃度、電子有效質(zhì)量、半導(dǎo)體表面沾污等。要形成金屬-半導(dǎo)體歐姆接觸最常用的方法是重?fù)诫s，即半導(dǎo)體摻雜濃度很高，使半導(dǎo)體與金屬接觸時(shí)形成的表面耗盡區(qū)很薄，以至能發(fā)生隧道效應(yīng)。一般半導(dǎo)體橋芯片摻雜濃度在1×1020cm-3，符合歐姆接觸的要求。電阻等效電路如圖2所示，圖2中Ra、Rb為橋區(qū)兩端歐姆接觸電阻，Rs為橋區(qū)體電阻。用切、磨、拋機(jī)械方法或化學(xué)腐蝕方法制作半導(dǎo)體表面技術(shù)已經(jīng)取得了很大進(jìn)步，但要做到將半導(dǎo)體材料的表面原子有規(guī)則排列、終止在一個(gè)平面上，就目前技術(shù)水平來(lái)講還是無(wú)法實(shí)現(xiàn)。因此，在加工的硅材料表面總有缺陷存在并產(chǎn)生懸掛鍵。況且，半導(dǎo)體材料表面原子和內(nèi)部原子所處的情況完全不同。在材料內(nèi)部，每個(gè)硅原子均被另外4個(gè)相鄰硅原子所包圍，這4個(gè)原子作用在該原子上的力相互平衡?？墒?，半導(dǎo)體材料表面原子只受到內(nèi)部原子對(duì)它向內(nèi)的吸引力，而向外的吸引力沒(méi)有得到平衡，因而形成了只要外界與它接觸，接觸的物質(zhì)就被該懸掛鍵吸引而形成一種新的“平衡”?？諝庵醒跖c任何物體都能接觸，當(dāng)被半導(dǎo)體表面原子懸掛鍵吸引住時(shí)，便很快發(fā)生化學(xué)勢(shì)“平衡”，生成天然SiO2層，并直接在SCB橋區(qū)電阻值上表現(xiàn)出來(lái)。如圖2中SCB芯片的電阻增加了RS1、RS2兩部分。

圖2 實(shí)際SCB芯片電阻等效電路圖Fig.2 Resistance equivalent circuit diagram of actual SCB chip

為有效消除 SCB 芯片金屬薄膜層-多晶硅薄膜層界面上天然SiO2層，使多晶硅薄膜層與金屬薄膜層能夠形成良好的歐姆接觸，采用的措施是：給清洗干凈的多晶硅薄膜層表面沉淀化學(xué)離子膜層，在設(shè)定的工藝條件下去掉多晶硅薄膜層上的化學(xué)離子膜層。使用了這種技術(shù)之后，橋區(qū)電阻增大現(xiàn)象被徹底消除。

2.3 金屬化電極問(wèn)題

此外，選擇什么金屬材料做金屬鍍層對(duì)半導(dǎo)體橋電阻有重要影響，金屬材料的選取主要取決于以下幾個(gè)因素：（1）金屬與半導(dǎo)體接觸電阻應(yīng)非常?。W姆接觸），這需要半導(dǎo)體表面清潔度非常高，因?yàn)殡s質(zhì)的存在會(huì)使接觸電阻升高，以及硅與金屬表面的粘合力差；（2）在高溫條件下金屬不與半導(dǎo)體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；（3）在高溫條件下不發(fā)生金屬化電極與橋之間的電荷遷移問(wèn)題；（4）金屬鍍層厚度符合要求；（5）此外，在符合以上條件下，還要考慮生產(chǎn)成本因素。

在研制初期，采用鋁金屬做 SCB的電鍍層，結(jié)果發(fā)現(xiàn)有些芯片電阻值只有0.1Ω（正常1Ω），分析認(rèn)為：鋁熔點(diǎn)較低（660℃），并且與半導(dǎo)體材料（尤其是硅）在400℃發(fā)生化學(xué)作用，由于鋁與半導(dǎo)體材料的相互擴(kuò)散作用，以及溫度升高時(shí)發(fā)生金屬化電極到橋之間的鋁電荷遷移，均將導(dǎo)致橋區(qū)電阻值很小。為了解決金屬鍍層問(wèn)題，采用雙層結(jié)構(gòu)的金屬化電極。具體做法是：在多晶硅底層鍍3～5μm鎳，然后在鎳上鍍約為1～1.2μm金。這樣既考慮了金屬同硅材料的粘合性能，又保證金屬鍍層能完全隔絕空氣中的氧與多晶硅反應(yīng)生成 SiO2層，同時(shí)又考慮生產(chǎn)成本問(wèn)題。試驗(yàn)結(jié)果也表明了這種設(shè)計(jì)合理可靠。

2.4 橋區(qū)形狀

半導(dǎo)體橋橋區(qū)幾何形狀的設(shè)計(jì)與 SCB的臨界能量關(guān)系密切。目前用SCB大部分設(shè)計(jì)成“H”形的橋區(qū)，橋區(qū)尺寸一般為100μm×300μm×2μm[5]。貴州久聯(lián)民爆器材發(fā)展股份有限公司設(shè)計(jì)一種雙 V形夾角的半導(dǎo)體橋，具體形狀如圖3所示。圖3中L為橋區(qū)長(zhǎng)度，W為橋區(qū)寬度，θ為V形夾角。

圖3 SCB橋區(qū)形狀示意圖Fig.3 Sketch diagram of SCB bridge shape

設(shè)計(jì)摻雜濃度為1×1020cm-3，長(zhǎng)寬比約為0.25，厚度為2μm，電阻值在1Ω左右，其V形夾角不同，進(jìn)行發(fā)火測(cè)時(shí)試驗(yàn)。試驗(yàn)方法為：把半導(dǎo)體橋芯片裝入管殼，其芯片表面上壓裝60mg的斯蒂芬酸鉛起爆藥，組裝成簡(jiǎn)易半導(dǎo)體橋雷管；采用自制的起爆裝置，其電容C=4000μF，限流電阻R=2Ω，發(fā)火電壓為23V；用靶線法測(cè)試從通電到靶線炸斷的時(shí)間，既半導(dǎo)體芯片爆發(fā)時(shí)間，結(jié)果見表3。

表3 相同條件下不同夾角SCB的爆發(fā)時(shí)間Tab.3 The initiation time of SCB under the same condition with different angle

表3試驗(yàn)表明半導(dǎo)體橋發(fā)火性能與雙V形夾角密切相關(guān)，在其它條件不變條件下，半導(dǎo)體橋發(fā)火能量隨V角減小而減小，同時(shí)夾角存在一個(gè)極限值。

通過(guò)多次試驗(yàn)，最后確定了橋區(qū)的具體形狀：L=110μm，W=400μm，d＝2μm，θ＝120°。圖 4為發(fā)火后橋區(qū)照片。未發(fā)火和發(fā)火時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的橋區(qū)如圖5所示。

從圖4～5可以看出：由于是雙V形夾角設(shè)計(jì)，發(fā)火能量集中在兩個(gè)V形頂端之間，很少的能量就能使多晶硅迅速汽化產(chǎn)生等離子體。說(shuō)明橋區(qū)幾何形狀對(duì)半導(dǎo)體橋的發(fā)火性能影響非常大。半導(dǎo)體橋芯片應(yīng)嚴(yán)格控制橋區(qū)的幾何形狀，嚴(yán)格限定橋區(qū)的電阻值，同時(shí)控制多晶硅的摻雜濃度，從而保證半導(dǎo)體橋的工藝一致性和可靠性。

圖4 夾角120°SCB發(fā)火后橋區(qū)照片F(xiàn)ig.4 Photo of bridge of SCB with 120°angle after initiation

圖5 異常的半導(dǎo)體橋橋區(qū)照片F(xiàn)ig.5 Photos of abnormal bridge of SCB

3 結(jié)語(yǔ)

本文從半導(dǎo)體橋的材料和工藝制造方面闡述半導(dǎo)體橋制造中出現(xiàn)的各種問(wèn)題?？偨Y(jié)了影響半導(dǎo)體橋性能的幾個(gè)因素，如單晶硅上SiO2層厚度、多晶硅摻雜濃度、多晶硅與金屬的接觸電阻問(wèn)題、電鍍層金屬材料的選擇以及橋區(qū)的幾何形狀等，并提出工藝控制措施，為半導(dǎo)體橋芯片的生產(chǎn)廠家和應(yīng)用廠家提供借鑒。

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