電子回旋共振等離子體在超高頻大功率芯片表面沉積si

電子回旋共振等離子體在超高頻大功率芯片表面沉積si

1gs3n4薄膜自半主導(dǎo)產(chǎn)品出版以來，表面問題一直是研究的重要課題。半導(dǎo)體表面對外界氣氛極為敏感,因而嚴(yán)重地影響半導(dǎo)體器件的特性。為了提高器件的可靠性和穩(wěn)定性,必須采用表面鈍化技術(shù)對表面進(jìn)行有效的保護(hù)。Si3N4薄膜是一種很好的鈍化薄膜,目前在很多的半導(dǎo)體器件中已經(jīng)獲得應(yīng)用,但是要應(yīng)用在超高頻大功率晶體管淺結(jié)芯片中還必須采用特定的薄膜沉積設(shè)備。因?yàn)橹苽銼i3N4薄膜的技術(shù)通常采用的是化學(xué)氣相沉積(CVD),激光誘導(dǎo)等離子體化學(xué)氣相沉積(LPECVD)和射頻等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(RF-PECVD)等技術(shù)。前兩種技術(shù)中存在沉積溫度高,不可能用于超高頻大功率晶體管的表面鈍化;RF-PECVD技術(shù)雖然沉積溫度比較低,但射頻激勵的等離子體存在高能離子(幾百電子伏特甚至上千電子伏特)。高能離子對芯片的Si表面晶格產(chǎn)生轟擊,破壞表面晶格的結(jié)構(gòu),會產(chǎn)生很多原子替位損傷,從而引入大量的電荷陷阱,或引起不帶電的空位,使界面的有效電荷密度增大約10倍左右,表面出現(xiàn)漏電現(xiàn)象,使器件失效。因此,射頻等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(RF-PECVD)技術(shù)也不能用于超高頻大功率晶體管的表面鈍化。電子回旋共振等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(ECR-PECVD)技術(shù)是近來發(fā)展起來的新技術(shù),它的等離子體密度高、電離度高、無內(nèi)電極放電、易于在較低溫度下沉積大面積均勻Si3N4薄膜。特別是無高能離子(離子能量在20～40eV)的優(yōu)點(diǎn),使ECR-PECVD用于超高頻大功率晶體管淺結(jié)芯片的鈍化膜成為可能。本文利用ECR-PECVD技術(shù)對超高頻大功率晶體管淺結(jié)芯片進(jìn)行了Si3N4鈍化膜的制備,取得了一些有意義的結(jié)果。2等離子體密度的空間分布制備Si3N4鈍化膜的ECR-PECVD裝置如圖1所示。它主要由渦輪分子泵和機(jī)械泵的真空系統(tǒng),SiH4、N2氣源及雙路流量計配氣系統(tǒng),600W功率可調(diào)的微波系統(tǒng),直流電流1.3×75～1.5×75A的勵磁線圈,反應(yīng)室,基片加熱和偏心靜電單探針系統(tǒng)組成。其中反應(yīng)室由φ12×10cm的共振區(qū)和φ14.5×70cm反應(yīng)區(qū)的不銹鋼圓筒組成;基片放置在軸向可移動,溫度可調(diào)節(jié)的基片架上。利用偏心靜電單探針診斷得到的等離子體反應(yīng)室等離子體密度的空間分布如圖2所示。由圖2可見,當(dāng)運(yùn)行氣壓8×10-3Pa,微波功率240W時,在反應(yīng)室軸線Z為70cm的共振區(qū)附近,徑向R為0cm的中心位置等離子體密度為8.2×1010cm-3。從微波窗口向抽氣口方向過渡,等離子體密度減小;在軸線位置50cm處,徑向從0cm到6cm的范圍內(nèi)等離子體密度分布均勻,平均約為1.79×1010cm-3。這說明在軸線50cm處的等離子體密度在直徑φ為12cm的范圍內(nèi)分布均勻,有利于制備表面均勻的各種薄膜。在ECR-PECVD裝置上制備Si3N4鈍化膜的主要工藝過程如下:在本底真空2×10-3Pa,運(yùn)行氣壓8×10-2Pa,沉積溫度280℃的工藝條件下,對SLPT1和SLPT2系列超高頻大功率晶體管淺結(jié)芯片沉積Si3N4鈍化薄膜,并對鈍化后的器件電特性進(jìn)行了分析和研究。3結(jié)果與討論3.1si3n4水相插裝過濾技術(shù)為了提高超高頻大功率晶體管的使用壽命和可靠性,對SLPT1和SLPT2超高頻大功率晶體管要求有Si3N4表面鈍化保護(hù),以期能長期可靠穩(wěn)定工作。另外SLPT2芯片面積大(一塊大片中有300多個芯片),后工序磨片、劃片、裂片等加工過程中,容易對芯片劃傷,在工藝過程中劃傷造成的損耗約占合格芯片的20%。Si3N4薄膜具有很高的硬度,作為該產(chǎn)品的表面鈍化保護(hù)可將芯片的劃傷減少到最低限度,能提高該產(chǎn)品的全線成品率。為了檢驗(yàn)Si3N4鈍化膜對超高頻大功率晶體管的作用,我們采用SLPT1和SLPT2次品芯片進(jìn)行了二批Si3N4鈍化膜的鈍化試驗(yàn)。第一批為SLPT1芯片,該芯片的反向電流ICEO較大,均在10mA以上。實(shí)驗(yàn)中使用了四個大片,其中芯片均為次品。通過Si3N4鈍化膜試驗(yàn)后,經(jīng)測試該四個大片中的部分芯片的反向電流有了降低,并且一些芯片的電特性變好,達(dá)到了正品芯片的電特性參數(shù)指標(biāo),成為正品芯片。試驗(yàn)前測試,ICEO(Vc=20V)>10mA。經(jīng)Si3N4鈍化試驗(yàn)后,ICEO(Vc=20V)≤5mA,符合正品參數(shù)要求,從四個大次品芯片中獲得了40多個正品芯片。第二批為SLPT2芯片。在鈍化前芯片的電特性參數(shù)測試時,當(dāng)反向擊穿電壓BVCEO低于35V時,該芯片為報廢狀態(tài)。通過Si3N4鈍化試驗(yàn)后,BVCEO擊穿電壓有所好轉(zhuǎn),其結(jié)果可用反向電流的減少來衡量。利用JT-1圖示儀測試了SLPT2芯片鈍化前后的電特性曲線,如圖3所示。從特性曲線中可以看出來,Si3N4鈍化試驗(yàn)前,BVCEO在35V時,反向漏電流ICEO在20mA左右,故該芯片屬次品。通過Si3N4鈍化后,反向漏電流已成下降趨勢,BVCEO在35V時,反向漏電流ICEO在5mA以下,該芯片可作為合格芯片使用。由ECR-PECVD技術(shù)對超高頻大功率晶體管的初步試驗(yàn)表明,ECR-PECVD技術(shù)制備的氮化硅薄膜能有效地對這種器件進(jìn)行表面鈍化,使芯片的電特性參數(shù)有所變好,而且使一些次品芯片成為合格芯片。3.2重新對號測試經(jīng)過上面實(shí)驗(yàn)后,進(jìn)一步對SLPT2的正品芯片進(jìn)行了Si3N4薄膜的表面鈍化處理,使用的SLPT2樣品共有三批。第一批氮化硅鈍化試驗(yàn)前對隨機(jī)抽樣選取的24個芯片測試,其中12個芯片為合格品,合格率為50%。經(jīng)氮化硅鈍化后,重新對號測試,有14個為合格品。其中鈍化前不合格的第6號和第20號芯片變好,成為合格品,使合格率提高到58%。第二批氮化硅鈍化試驗(yàn)前對隨機(jī)抽樣選取的24個芯片測試,其中8個芯片為合格品,合格率為33.3%。經(jīng)氮化硅鈍化后,重新對號測試,有9個為合格品。其中鈍化前不合格的第19號芯片變好,成為合格品,使合格率提高到37.5%。第三批氮化硅鈍化試驗(yàn)前對隨機(jī)抽樣選取的24個芯片測試,其中10個芯片為合格品,合格率為41.6%。經(jīng)氮化硅鈍化后,重新對號測試,有11個為合格品。其中鈍化前不合格的第1號芯片變好,成為合格品,使合格率提高到45.8%。上述三批芯片經(jīng)Si3N4鈍化前后的合格率情況列于表1。4si3n4薄膜對芯片電特性的影響利用ECR-PECVD技術(shù)在超高頻大功率晶體管淺結(jié)芯片上制備了Si3N