晶體管功率老煉后關(guān)鍵電參數(shù)漂移機理分析

廖承龍

摘 要：晶體管經(jīng)過功率老煉后，有些電參數(shù)會出現(xiàn)漂移，有些較大的漂移會嚴(yán)重影響晶體管的性能。本文主要介紹晶體管功率老煉的原理，發(fā)生電參數(shù)漂移的主要原因以及一些解決措施，旨在提高我們對晶體管生產(chǎn)過程的認(rèn)知和改進工藝水平，提高產(chǎn)品可靠性。

關(guān)鍵詞：晶體管 老煉篩選 關(guān)鍵參數(shù) 漂移

一、引言

隨著電子、微電子器件在航空、航天等高科技領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，對微電子技術(shù)提出了更高的可靠性要求。

晶體管有效工作壽命就是它的可靠性，即它能夠正常完成某一特定電氣功能的時間。晶體管失效的過程通常是這樣的：隨著時間的推移或工作環(huán)境的變化，器件的規(guī)格參數(shù)發(fā)生改變。當(dāng)它們的規(guī)格參數(shù)變化到一定限度時，盡管外加工作條件沒有改變，卻也不能承受電路的要求而徹底損壞，使它們的特性參數(shù)消失，例如晶體管的放大倍數(shù)降低而失去作用。顯然，這是一個“從量變到質(zhì)變”的過程。

晶體管的失效率是時間的函數(shù)。統(tǒng)計數(shù)字表明，新制造出來的器件，在剛剛投入使用的一段時間內(nèi)，失效率比較高，這種失效稱為早期失效。晶體管的早期失效，是由于在設(shè)計和生產(chǎn)制造時選用的原材料或工藝措施方面的缺陷而引起的。它是隱藏在元器件內(nèi)部的一種潛在故障，在開始使用后會迅速惡化而暴露出來，這種早期失效是十分有害的，但又是不可避免的。在經(jīng)過早期失效期以后，晶體管將進入正常使用階段，其失效率會顯著地迅速降低，這個階段叫做偶然失效期。在偶然失效期內(nèi)，晶體管的失效率很低，而且在極長的時間內(nèi)幾乎沒有變化，可以認(rèn)為它是一個小常數(shù)。在經(jīng)過長時間的使用之后，器件可能會逐漸老化，失效率又開始增高，直至壽命結(jié)束，這個階段叫做老化失效期。晶體管典型的失效率函數(shù)曲線如圖 1所示，其變化的規(guī)律就像一個浴盆的剖面，所以這條曲線常被稱為“浴盆曲線”。

晶體管在生產(chǎn)和檢驗過程中，可以通過高溫貯存、溫度循環(huán)和功率老煉等方法來加速早期失效的過程，使這些早期失效的器件在出廠前被發(fā)現(xiàn)和剔除，從而保證了產(chǎn)品的可靠性。

一些器件在功率老煉后直接出現(xiàn)電參數(shù)的嚴(yán)重失效，表現(xiàn)為老煉后電參數(shù)測試不合格，這類失效的產(chǎn)品可以被直接剔除。另一些器件老煉后部分關(guān)鍵電參數(shù)發(fā)生了漂移，但測試結(jié)果仍在合格范圍內(nèi)，一些在規(guī)定范圍內(nèi)的電參數(shù)漂移是可以被接收的，這種電參數(shù)的漂移的大小同樣表現(xiàn)了晶體管的可靠性，如何降低老煉后關(guān)鍵電參數(shù)的漂移，提高晶體管的可靠性是一個值得探討的問題。

二、晶體管功率老煉的作用

1、晶體管進行功率老煉的作用及意義

功率老練過程，實際是模擬器件的極限工作狀態(tài)，讓器件加速老化，以剔除有安全隱患的產(chǎn)品。根據(jù)半導(dǎo)體壽命的浴盆曲線，器件在開始工作和達到設(shè)計壽命兩個階段淘汰率最高，而內(nèi)部芯片有隱患的產(chǎn)品通常是在工作初期表現(xiàn)出來，因此產(chǎn)品功率老練后關(guān)鍵電參數(shù)的變化體現(xiàn)了產(chǎn)品的可靠性與穩(wěn)定性。

2、目前晶體管主要的老煉方法

國內(nèi)對大功率晶體管現(xiàn)行的老煉篩選方法，大都按照技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的方法執(zhí)行，主要的方法有穩(wěn)態(tài)反向偏置和穩(wěn)態(tài)工作壽命試驗。穩(wěn)態(tài)反向偏置是通過在規(guī)定的溫度環(huán)境下給器件加反向電壓。穩(wěn)態(tài)工作壽命則是采用保持殼溫恒定的試驗方法：通過加散熱器（對大功率器件），保持殼溫在規(guī)定的溫度下給晶體管施加與該溫度相應(yīng)得最大額定功率并使之在規(guī)定的時間內(nèi)連續(xù)工作的可靠性試驗項目。

三、晶體管功率老煉后關(guān)鍵電參數(shù)漂移的機理

1、晶體管功率老煉后產(chǎn)生漂移的關(guān)鍵電參數(shù)

大量的試驗表明，晶體管在功率老煉后，正向電流傳輸系數(shù)hFE和漏電都會產(chǎn)生不同程度的漂移。這種漂移反應(yīng)了器件的穩(wěn)定性和可靠性。

2、關(guān)鍵電參數(shù)漂移機理

晶體管的共射極放大系數(shù)hFE可由下式近似表示：

式中：σb –– 基區(qū)電導(dǎo)率；

σe –– 發(fā)射區(qū)電導(dǎo)率；

Wb –– 基區(qū)寬度；

Le –– 發(fā)射區(qū)少子擴散長度；

Lb –– 基區(qū)少子擴散長度；

S –– 表面復(fù)合速度；

As –– 有效表面復(fù)合速度；

Db –– 基區(qū)中少子擴散系數(shù)；

AE –– 發(fā)射結(jié)面積；

IR –– 結(jié)的漏電流；

IE –– 發(fā)射極靜態(tài)電流。

由上式可知：晶體管的電流傳輸系數(shù) hFE，主要受發(fā)射極注入效率、基區(qū)輸運系數(shù)和漏電流影響。發(fā)射極注入效率和基區(qū)輸運系數(shù)對放大系數(shù)都是在芯片制造過程中就已經(jīng)決定的，一般來說，晶體管的功率老煉過程中，除卻失效的產(chǎn)品，并不硅片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，其主要影響的還是芯片的表面質(zhì)量，同時芯片的表面狀況也決定了芯片漏電流的大小。

芯片制造過程中，需要在硅表面上生長一層二氧化硅薄膜，這層薄膜的主要用途是：保護和鈍化半導(dǎo)體表面；作為雜志選擇擴散的掩蔽層；用于電極引線和其下面硅器件之間的絕緣等。形成SiO2薄膜的方法有很多，譬如高溫氧化（熱氧化）、化學(xué)氣相沉積（CVT）、陽極氧化、濺射等。我廠主要采用的是高溫氧化的工藝。

由于硅片中的主要摻雜：硼、磷、砷、銻等在二氧化硅中的擴散速率比在硅中慢得多，所以這些雜志可以利用一定厚度的二氧化硅膜作掩蔽膜。但SiO2形成過程中的一些缺陷和雜質(zhì)也造成了芯片某些參數(shù)的不穩(wěn)定性。

2.1可動正離子

在芯片的SiO2層里存在著不少可動正離子，這種正離子是由于沾污而引入的以鈉離子為代表的堿金屬離子和氫離子等，其中最主要的是鈉離子沾污。SiO2層中的堿金屬離子是引起硅平面器件性能不穩(wěn)定的重要因素之一。因為半導(dǎo)體器件中的SiO2薄膜一般為無定型玻璃狀結(jié)構(gòu)，堿金屬離子在SiO2網(wǎng)絡(luò)中是一種網(wǎng)絡(luò)改變劑，以微弱的鍵合力與非橋聯(lián)的氧原子結(jié)合著，結(jié)構(gòu)疏松的SiO2網(wǎng)絡(luò)為它們的運動提供了方便，特別是離子半徑較小的鈉離子和鋰離子在不高的熱電應(yīng)力作用下，就具有相當(dāng)可觀的漂移行為。但在芯片制造過程中，鋰雜質(zhì)的含量甚微，其危害并不突出，而自然界普遍存在的鈉元素就成為了SiO2層中可動正離子的主要來源。

實驗表明，沾污的鈉離子開始主要集中在SiO2層表面內(nèi)側(cè)附近的陷阱中，對硅表面性質(zhì)影響不大。在溫度100～200℃和正向電壓的作用下，它們就能被激活而離開陷阱向SiO2-Si界面漂移，使得晶體管的電流傳輸系數(shù)hFE發(fā)生變化。

功率老煉過程中，芯片處于高溫極限工作狀態(tài)，電場和高溫為可動正離子向SiO2-Si界面漂移提供了條件，導(dǎo)致晶體管的關(guān)鍵電參數(shù)發(fā)生漂移。

4.2.2固定電荷

芯片制造過程中，通過熱氧化形成一層SiO2薄膜。SiO2中，要實現(xiàn)一個硅離子的運動要打斷4個Si-O鍵，而要實現(xiàn)一個氧離子的運動只需打斷2個Si-O鍵，因此氧離子比硅離子自由的多，硅離子較穩(wěn)定而較易出現(xiàn)氧離子的空位，帶上正電荷，造成器件的電性能的不穩(wěn)定。

實驗發(fā)現(xiàn)，在熱生長SiO2層中，SiO2-Si界面附近存在一些位置相對固定的正電荷，成為“固定電荷”。固定電荷是由SiO2-Si界面附近的氧空位引起的。熱氧化生長的SiO2是由氧通過擴散穿過已生成的SiO2，在SiO2-Si界面與Si反應(yīng)生成的。當(dāng)氧化層具有一定厚度時，氧供給速率低于硅表面化學(xué)反應(yīng)生成SiO2的速率，就有可能造成Si表面氧化不完全，造成氧空位。SiO2-Si界面附近，由于氧的濃度很低，該處SiO2結(jié)構(gòu)中的缺氧狀態(tài)難以得到改善，產(chǎn)生懸掛鍵，于是出現(xiàn)了凈電荷——固定電荷。固定電荷由于產(chǎn)生在SiO2-Si附近，對Si的電性能會產(chǎn)生一定的影響。

四、降低關(guān)鍵電參數(shù)漂移的主要措施簡單介紹

由上述分析可以看到，降低老煉關(guān)鍵電參數(shù)的漂移關(guān)鍵在于減少SiO2層中可動正離子和固定電荷數(shù)量，常用的方法有摻氯氧化和采用表面鈍化的方法。

4.1采用摻氯氧化技術(shù)

摻氯氧化指是在熱生長SiO2膜的同時，在干氧的氣氛中加入一定數(shù)量的含氯物質(zhì)，如氯氣、氯化氫或三氯乙烯等，以達到生長優(yōu)質(zhì)SiO2膜的目的。

實驗指出，所摻入的氯離子主要分布在SiO2-Si界面附近，這些氯離子較多地填補了界面附近的氧空位，形成Si-Cl負(fù)電中心，因此降低了固定正電荷密度。

在HCl氧化膜中，沾污的Na+雖然仍有相當(dāng)數(shù)量是堆積在SiO2-Si界面附近，但由于氯離子同樣在界面附近形成形成Si-Cl負(fù)電中心，Na+在Si-Cl負(fù)電中心處失去正電荷而被固定，達到減少可動正離子的作用。

HCl氧化還具有吸除有害雜質(zhì)的作用。吸除SiO2中雜質(zhì)的機理可能是：Na、Fe、Au等雜質(zhì)由SiO2層內(nèi)擴散到外表面，與HCl形成揮發(fā)性的氯化物（如NaCl、FeCl3、AuCl3等）。因此，應(yīng)用HCl氧化可生長出較為“清潔”的SiO2膜，在氧化前可用HCl氣體徹底清洗石英管。

4.2采用芯片氮化硅表面鈍化保護技術(shù)

氮化硅是一種具有很高化學(xué)穩(wěn)定性的絕緣材料，具有耐酸、結(jié)構(gòu)致密、導(dǎo)熱性能好、掩蔽能力強的特點。采用芯片氮化硅飽和技術(shù)，能夠有效的屏蔽外界離子和減小鈉離子的漂移作用，達到降低壽命試驗后關(guān)鍵電參數(shù)漂移的作用。

五、結(jié)束語

生產(chǎn)工藝一直是我廠發(fā)展的瓶頸，改進工藝說起來很難，但卻可以從小問題開始，一點一點慢慢的進行，我相信只要通過廣大技術(shù)員工的不懈努力，不放過任何一個小問題，一定可以提高我廠的工藝水平，使我廠不斷發(fā)展壯大。

參考文獻：

[1]趙歡軍，結(jié)溫可控的晶體管穩(wěn)態(tài)工作壽命試驗方法研究，中國電子科技集團公司第三十八研究所

[2]劉玉玲、檀柏梅、張楷亮，微電子技術(shù)工程——材料、工藝與測試，電子工業(yè)出版社

[3]GJB128A-97，半導(dǎo)體分立器件試驗方法