一種芯片制造中的玻璃鈍化工藝

崔文榮

（江蘇晟馳微電子有限公司，江蘇 海安226600）

1 緒論

近年來，受手機(jī)及其附屬產(chǎn)品用量越來越大的影響，先進(jìn)的半導(dǎo)體芯片工藝、高端的制造工藝和高效的組裝技術(shù)等在手機(jī)產(chǎn)品的驅(qū)動下快速發(fā)展。在大部分電源和充電端口保護(hù)中得到廣泛應(yīng)用的單向瞬態(tài)抑制二極管（Transient Voltage Suppressor，TVS），可以達(dá)到正向浪涌鉗位電壓和負(fù)向浪涌鉗位電壓超低的效果，并對后端各類IC 芯片提供很好的保護(hù)。

N 襯底TVS 芯片中的PN 結(jié)是由N 外延層與P 擴(kuò)散區(qū)組成，位于器件頂部，可以避免短路問題出現(xiàn)。硅芯片PN 結(jié)表面必須用絕緣材料完全密封，芯片表面受外界影響的保護(hù)方法多種多樣，包括在封裝制程中酸洗后側(cè)面填膠的保護(hù)膠工藝，在芯片制造過程中選擇性的某些區(qū)域燒熔玻璃的玻璃鈍化工藝，利用氧化硅或氮化硅做鈍化保護(hù)的硅化合物鈍化等多種工藝。

集成在硅基芯片工藝中的平面硅化合物鈍化層工藝和臺面玻璃鈍化工藝，其PN 結(jié)是由在硅表面氧化法生長的氧化硅薄膜、硅表面氣相沉積法淀積的氮化硅薄膜和涂覆法燒結(jié)的金屬氧化物或硼硅酸鹽等材料，如氧化硼、氧化硅、氧化鋅等進(jìn)行保護(hù)，直接生長在硅芯片表面。鈍化保護(hù)層與硅芯片的結(jié)合力以分子間作用力（Van Der Waals Force）為主，結(jié)合非常緊密，能夠極為有效的保護(hù)PN 結(jié)。

采用玻璃鈍化工藝的硅芯片，需要在制程中加入溝槽工藝形成臺面結(jié)構(gòu)，通過光刻和硅腐蝕做出V 型溝槽，在溝槽面涂覆玻璃粉懸濁液進(jìn)行燒結(jié)。玻璃粉懸濁液粘合劑和高純超細(xì)玻璃顆粒混合而成，將玻璃粉懸濁液按照一定工藝方法涂覆于V 型溝槽的PN 結(jié)表面，在高溫下粘合劑被燒掉，玻璃融化并在張力的作用下填充在溝槽內(nèi)部，再通過降溫固化在PN 結(jié)表面形成較厚的致密玻璃保護(hù)層。該工藝由于沒有平面結(jié)的彎曲部分，改善了表面擊穿電壓，同時(shí)也加強(qiáng)了結(jié)的保護(hù)，擁有更強(qiáng)的電性能參數(shù)與更高的可靠性。

針對保護(hù)類器件，特別是適用電壓分類比較多的TVS 器件，基于上述原理，芯片制程采用臺面結(jié)構(gòu)玻璃鈍化工藝，一是能夠統(tǒng)一制程，二能夠顯著的提高可靠性和抗浪涌能力，能在性能與成本之間達(dá)到平衡，是目前比較廣泛使用的一種方法。本公司所生產(chǎn)的TVS 芯片，主要采用臺面結(jié)構(gòu)玻璃鈍化工藝技術(shù)，產(chǎn)品的成品率較高。

2 基本原理

TVS 芯片PN 結(jié)表面的玻璃鈍化主要解決以下兩個(gè)方面的問題：

（1）玻璃本身表征為負(fù)電荷特性，沾污離子一般表征為正電荷特性，鈍化玻璃可以很好地固定住鈉離子等沾污離子，減少鈉離子的移動。

（2）在芯片PN 結(jié)表面覆蓋一層玻璃鈍化膜，形成鈉離子等沾污離子的阻擋層，避免外界鈉離子等沾污離子進(jìn)入到芯片PN 結(jié)表面處。

隨著玻璃中含有的各種氧化物成分的變化，玻璃鈍化膜的形成溫度、電學(xué)性能的穩(wěn)定性和機(jī)械性能、熱膨脹系數(shù)等都有很大變化。對玻璃鈍化材料的基本要求是：電學(xué)性能好、絕緣性能好、電阻率高、玻璃材料中的可動離子少（一般鈉離子的含量不允許超過10ppm）；另外要求玻璃粉的熱膨脹系數(shù)與硅接近、化學(xué)穩(wěn)定性好、耐酸堿、耐水等。

臺面型軸向PN 結(jié)器件，其芯片臺面會不可避免沾附上沾污離子，當(dāng)為金屬沾污離子時(shí)，這類離子具有電荷轉(zhuǎn)移特性，使得芯片臺面處的電導(dǎo)率增大，并產(chǎn)生復(fù)合中心，使PN 結(jié)表面的反向漏電流增大，器件性能降低。在常溫下處于相對穩(wěn)定的電荷物質(zhì)，在高溫和強(qiáng)電場作用下，這些沾污雜質(zhì)被電離，使得反向漏電流增加，器件的擊穿電壓降低。玻璃鈍化薄膜是微晶玻璃，具有玻璃網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，且膜的厚度較一般鈍化膜厚，表面致密無針孔，具有負(fù)電荷性能的鈍化層，能夠固定住沾污離子，且在高溫下能夠阻止欲電離的電荷物質(zhì)，阻止膜內(nèi)離子的遷移和外界離子的浸入。圖1 是目前國內(nèi)生產(chǎn)TVS 臺面管芯采用玻璃鈍化工藝生產(chǎn)出來的管芯結(jié)構(gòu)示意圖[1]。

目前的玻璃燒結(jié)工藝也存在一些顯著缺點(diǎn)：

（1）難于找到低熔點(diǎn)的玻璃粉，造成工藝操作上的不便，對于某些特殊器件，會影響到器件的成品率。

（2）玻璃膜一般較厚，兼外形封裝，這就造成結(jié)構(gòu)及成分比較復(fù)雜，難于進(jìn)行物理分析。

（3）玻璃鈍化膜對于溫度應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力較敏感，在器件使用過程中，需要避免引入溫度應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力而導(dǎo)致器件性能退化。

體現(xiàn)在本公司的TVS 產(chǎn)品中就是鈍化膜容易出現(xiàn)孔洞，一些氣體不能很好地溶于玻璃粉中，使得PN 結(jié)性能受到很大影響，影響TVS 的成品率。

基于此，目前對玻璃燒結(jié)工藝進(jìn)行改進(jìn)的途徑很多，一種是提出新型的鈍化TVS 管芯工藝流程取代玻璃鈍化工藝，克服玻璃鈍化過程中的彎曲碎片以及劃片過程中因玻璃破裂所帶來的隱患。這種工藝一致性好，操作簡單，可以有效提高成品率。

圖1 玻璃鈍化TVS 管芯結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 一種新型鈍化TVS 管芯工藝流程圖

圖3 公司部分TVS 產(chǎn)品

圖2 是文獻(xiàn)[1]提出的一種采用二氧化硅膜和氮化硅膜鈍化PN 結(jié)的新型鈍化工藝流程，主要是在臺槽光刻之前先進(jìn)行背面N+磷擴(kuò)散，降低接觸電阻，減小正向壓降。

圖4 N2：O2 濃度比曲線

表1 N2：O2 比例為10：3 時(shí)的漏電分布

表2 N2：O2 比例為5：7 時(shí)的漏電分布

表3 N2：O2 比例為7：20 時(shí)的漏電分布

還有一種方法就是采用新的玻璃鈍化燒結(jié)材料配比。圖3 是目前公司按照傳統(tǒng)的鈍化工藝，但采用新的燒結(jié)材料配比生產(chǎn)出來的部分TVS 產(chǎn)品外觀，其鈍化過程就是將玻璃料均勻分布在由丁基卡必醇和乙基纖維素配成的有機(jī)粘合劑中，再涂覆到硅片表面后進(jìn)行烘烤，通過玻璃燒結(jié)以形成玻璃層。

該產(chǎn)品是在烘烤200℃的加熱板上進(jìn)行，待玻璃料烘成白色后將硅片取下。玻璃燒結(jié)是在擴(kuò)散爐管中完成，通過500℃的“玻璃燒結(jié)”、785℃的“玻璃熔融”和600℃的“玻璃退火”三個(gè)過程，采用的N2和O2氣體流量都為1升/分鐘。產(chǎn)品性能檢測符合TVS 器件的標(biāo)準(zhǔn)，但器件的反向漏電流較大，產(chǎn)品性能需要依靠新工藝進(jìn)一步提升。

3 玻璃鈍化工藝

玻璃鈍化制程主要分為玻璃粉涂覆和玻璃粉燒結(jié)兩大主要工序。其中玻璃粉涂覆一般有電泳法、旋涂光刻法、刀刮法，玻璃粉燒結(jié)則主要是爐管燒結(jié)法。

（1）玻璃粉涂覆工藝：根據(jù)玻璃粉種類和涂敷法工藝、玻璃燒結(jié)參數(shù)、產(chǎn)品的電特性（特別是反向漏電流）和可靠性等的不同，該工藝主要由產(chǎn)品特性定位與應(yīng)用、成本、可操作度等方面決定。

由于電泳法燒結(jié)出來的玻璃覆蓋性好，玻璃粉能夠選擇性的覆蓋整個(gè)溝槽，金屬引線區(qū)表面的玻璃粉沾污也很少，溶液可以重復(fù)添加，對溝槽和PN 結(jié)保護(hù)的最好，玻璃粉浪費(fèi)也較少，在可靠性要求較高的器件上容易實(shí)現(xiàn)成本與性能平衡。

本公司綜合考慮電泳法燒結(jié)工藝的優(yōu)缺點(diǎn)，在公司主打產(chǎn)品為高可靠性器件的情況下，主要選擇電泳法作為玻璃粉涂覆的基準(zhǔn)工藝。

（2）玻璃粉燒結(jié)工藝：隨著玻璃含有的各種氧化物成分的變化，玻璃鈍化膜的形成溫度、電學(xué)性能的穩(wěn)定和機(jī)械性能、熱膨脹系數(shù)等都有很大變化。對玻璃鈍化材料的基本要求為：電學(xué)和絕緣性能好、電阻率高、玻璃材料中的可動離子少（一般鈉離子的含量不允許超過10ppm）；另外要求玻璃粉的熱膨脹系數(shù)與硅接近、化學(xué)穩(wěn)定性好、耐酸堿、耐水等。

4 改進(jìn)后的工藝路線

本公司在實(shí)際生產(chǎn)過程中不斷總結(jié)，提出一種抗干擾性好、穩(wěn)定性高的玻璃燒結(jié)工藝，有效解決了上述背景技術(shù)中提出的問題，提高了公司TVS 產(chǎn)品的成品率。

該玻璃燒結(jié)工藝包括以下步驟：

（1）準(zhǔn)備玻璃燒結(jié)的原料以及燒結(jié)的熔爐

具體的原料組分根據(jù)TVS 的產(chǎn)品質(zhì)量性能要求確定玻璃原料為硅砂或硼砂、芒硝、白云石和碎玻璃。其組分按照硅砂或硼砂20 份-25 份、芒硝10 份-15 份、白云石30 份-40 份、碎玻璃15 份-30 份進(jìn)行。將玻璃原料用電泳法到硅片上，然后放入抽真空的熔爐中，熔爐溫度控制在600℃-900℃的溫度范圍內(nèi)。

（2）硅片上的玻璃進(jìn)入燒結(jié)爐燒結(jié)融化，同時(shí)通入保護(hù)氣體

玻璃原料在600℃-900℃的溫度下進(jìn)行融化時(shí)，注入N2與O2。隨著O2含量的增加，燒結(jié)出來的玻璃內(nèi)部的空洞的數(shù)量逐漸減少，可以有效避免玻璃在燒結(jié)過程中出現(xiàn)空洞。含有N2的混合氣體的抗干擾性好，穩(wěn)定性高。

（3）待玻璃原料融化后保持恒定溫度一段時(shí)間，使玻璃原料處于液態(tài)。玻璃原料融化后，液態(tài)的玻璃原料在600℃-900℃溫度下保持10min-15min，其目的是保證玻璃原料全部完全融化，融化后再融合均勻。

此時(shí)，還需要不斷地向熔爐通入一定濃度的N2與O2的混合氣體，O2可以很好地溶于玻璃粉末中，使玻璃原料充分溶化。N2燒結(jié)時(shí)可以降低后期產(chǎn)品的漏電情況。

混合氣體中N2與O2的占比不同，產(chǎn)品的漏電也有所不同，圖4 是公司在生產(chǎn)過程中總結(jié)出來的N2：O2濃度比曲線。

公司在工藝開發(fā)過程中，建立了玻璃粉燒結(jié)實(shí)驗(yàn)DOE，對N2：O2不同濃度比進(jìn)行優(yōu)選條件實(shí)驗(yàn)，對比不同濃度比條件下的漏電大小，并建立氣體比例與漏電模型。本文對優(yōu)選兩種氣體比例N2：O2分別為10：3、5：7、7：20時(shí)的漏電進(jìn)行測試，測試結(jié)果分別見表1、表2 和表3 所示。

經(jīng)過反復(fù)對比試驗(yàn)，并結(jié)合電性良品率、外觀良品率和可靠性測試分析，最終確定N2：O2混合氣體濃度比為7：20 時(shí)產(chǎn)品性能最優(yōu)。

（4）使玻璃冷卻凝結(jié)成固態(tài)玻璃狀。

恒溫后采用控制爐體功率給燒結(jié)爐降溫的方式，使玻璃形成高可靠性，高致密性的保護(hù)膜。

通過上述新的工藝，目前公司產(chǎn)品的成品率已經(jīng)從最初的83%提高到目前的95%，大大提高了公司的產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)能。

5 結(jié)束語

針對常用的玻璃燒結(jié)方案對TVS 產(chǎn)品成品率的影響，本文在分析芯片PN 結(jié)表面的玻璃鈍化的基本原理的基礎(chǔ)上，提出一種新的玻璃燒結(jié)工藝，有效提高了TVS產(chǎn)品的成品率。