晶体管功率老炼后关键电参数漂移机理分析

廖承龙

摘 要：晶体管经过功率老炼后，有些电参数会出现漂移，有些较大的漂移会严重影响晶体管的性能。本文主要介绍晶体管功率老炼的原理，发生电参数漂移的主要原因以及一些解决措施，旨在提高我们对晶体管生产过程的认知和改进工艺水平，提高产品可靠性。

关键词：晶体管 老炼筛选 关键参数 漂移

一、引言

随着电子、微电子器件在航空、航天等高科技领域的广泛应用，对微电子技术提出了更高的可靠性要求。

晶体管有效工作寿命就是它的可靠性，即它能够正常完成某一特定电气功能的时间。晶体管失效的过程通常是这样的：随着时间的推移或工作环境的变化，器件的规格参数发生改变。当它们的规格参数变化到一定限度时，尽管外加工作条件没有改变，却也不能承受电路的要求而彻底损坏，使它们的特性参数消失，例如晶体管的放大倍数降低而失去作用。显然，这是一个“从量变到质变”的过程。

晶体管的失效率是时间的函数。统计数字表明，新制造出来的器件，在刚刚投入使用的一段时间内，失效率比较高，这种失效称为早期失效。晶体管的早期失效，是由于在设计和生产制造时选用的原材料或工艺措施方面的缺陷而引起的。它是隐藏在元器件内部的一种潜在故障，在开始使用后会迅速恶化而暴露出来，这种早期失效是十分有害的，但又是不可避免的。在经过早期失效期以后，晶体管将进入正常使用阶段，其失效率会显著地迅速降低，这个阶段叫做偶然失效期。在偶然失效期内，晶体管的失效率很低，而且在极长的时间内几乎没有变化，可以认为它是一个小常数。在经过长时间的使用之后，器件可能会逐渐老化，失效率又开始增高，直至寿命结束，这个阶段叫做老化失效期。晶体管典型的失效率函数曲线如图 1所示，其变化的规律就像一个浴盆的剖面，所以这条曲线常被称为“浴盆曲线”。

晶体管在生产和检验过程中，可以通过高温贮存、温度循环和功率老炼等方法来加速早期失效的过程，使这些早期失效的器件在出厂前被发现和剔除，从而保证了产品的可靠性。

一些器件在功率老炼后直接出现电参数的严重失效，表现为老炼后电参数测试不合格，这类失效的产品可以被直接剔除。另一些器件老炼后部分关键电参数发生了漂移，但测试结果仍在合格范围内，一些在规定范围内的电参数漂移是可以被接收的，这种电参数的漂移的大小同样表现了晶体管的可靠性，如何降低老炼后关键电参数的漂移，提高晶体管的可靠性是一个值得探讨的问题。

二、晶体管功率老炼的作用

1、晶体管进行功率老炼的作用及意义

功率老练过程，实际是模拟器件的极限工作状态，让器件加速老化，以剔除有安全隐患的产品。根据半导体寿命的浴盆曲线，器件在开始工作和达到设计寿命两个阶段淘汰率最高，而内部芯片有隐患的产品通常是在工作初期表现出来，因此产品功率老练后关键电参数的变化体现了产品的可靠性与稳定性。

2、目前晶体管主要的老炼方法

国内对大功率晶体管现行的老炼筛选方法，大都按照技术标准中规定的方法执行，主要的方法有稳态反向偏置和稳态工作寿命试验。稳态反向偏置是通过在规定的温度环境下给器件加反向电压。稳态工作寿命则是采用保持壳温恒定的试验方法：通过加散热器（对大功率器件），保持壳温在规定的温度下给晶体管施加与该温度相应得最大额定功率并使之在规定的时间内连续工作的可靠性试验项目。

三、晶体管功率老炼后关键电参數漂移的机理

1、晶体管功率老炼后产生漂移的关键电参数

大量的试验表明，晶体管在功率老炼后，正向电流传输系数hFE和漏电都会产生不同程度的漂移。这种漂移反应了器件的稳定性和可靠性。

2、关键电参数漂移机理

晶体管的共射极放大系数hFE可由下式近似表示：

式中：σb –– 基区电导率；

σe –– 发射区电导率；

Wb –– 基区宽度；

Le –– 发射区少子扩散长度；

Lb –– 基区少子扩散长度；

S –– 表面复合速度；

As –– 有效表面复合速度；

Db –– 基区中少子扩散系数；

AE –– 发射结面积；

IR –– 结的漏电流；

IE –– 发射极静态电流。

由上式可知：晶体管的电流传输系数 hFE，主要受发射极注入效率、基区输运系数和漏电流影响。发射极注入效率和基区输运系数对放大系数都是在芯片制造过程中就已经决定的，一般来说，晶体管的功率老炼过程中，除却失效的产品，并不硅片的内部结构，其主要影响的还是芯片的表面质量，同时芯片的表面状况也决定了芯片漏电流的大小。

芯片制造过程中，需要在硅表面上生长一层二氧化硅薄膜，这层薄膜的主要用途是：保护和钝化半导体表面；作为杂志选择扩散的掩蔽层；用于电极引线和其下面硅器件之间的绝缘等。形成SiO2薄膜的方法有很多，譬如高温氧化（热氧化）、化学气相沉积（CVT）、阳极氧化、溅射等。我厂主要采用的是高温氧化的工艺。

由于硅片中的主要掺杂：硼、磷、砷、锑等在二氧化硅中的扩散速率比在硅中慢得多，所以这些杂志可以利用一定厚度的二氧化硅膜作掩蔽膜。但SiO2形成过程中的一些缺陷和杂质也造成了芯片某些参数的不稳定性。

2.1可动正离子

在芯片的SiO2层里存在着不少可动正离子，这种正离子是由于沾污而引入的以钠离子为代表的碱金属离子和氢离子等，其中最主要的是钠离子沾污。SiO2层中的碱金属离子是引起硅平面器件性能不稳定的重要因素之一。因为半导体器件中的SiO2薄膜一般为无定型玻璃状结构，碱金属离子在SiO2网络中是一种网络改变剂，以微弱的键合力与非桥联的氧原子结合着，结构疏松的SiO2网络为它们的运动提供了方便，特别是离子半径较小的钠离子和锂离子在不高的热电应力作用下，就具有相当可观的漂移行为。但在芯片制造过程中，锂杂质的含量甚微，其危害并不突出，而自然界普遍存在的钠元素就成为了SiO2层中可动正离子的主要来源。

实验表明，沾污的钠离子开始主要集中在SiO2层表面内侧附近的陷阱中，对硅表面性质影响不大。在温度100～200℃和正向电压的作用下，它们就能被激活而离开陷阱向SiO2-Si界面漂移，使得晶体管的电流传输系数hFE发生变化。

功率老炼过程中，芯片处于高温极限工作状态，电场和高温为可动正离子向SiO2-Si界面漂移提供了条件，导致晶体管的关键电参数发生漂移。

4.2.2固定电荷

芯片制造过程中，通过热氧化形成一层SiO2薄膜。SiO2中，要实现一个硅离子的运动要打断4个Si-O键，而要实现一个氧离子的运动只需打断2个Si-O键，因此氧离子比硅离子自由的多，硅离子较稳定而较易出现氧离子的空位，带上正电荷，造成器件的电性能的不稳定。

实验发现，在热生长SiO2层中，SiO2-Si界面附近存在一些位置相对固定的正电荷，成为“固定电荷”。固定电荷是由SiO2-Si界面附近的氧空位引起的。热氧化生长的SiO2是由氧通过扩散穿过已生成的SiO2，在SiO2-Si界面与Si反应生成的。当氧化层具有一定厚度时，氧供给速率低于硅表面化学反应生成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，由于氧的浓度很低，该处SiO2结构中的缺氧状态难以得到改善，产生悬挂键，于是出现了净电荷——固定电荷。固定电荷由于产生在SiO2-Si附近，对Si的电性能会产生一定的影响。

四、降低关键电参数漂移的主要措施简单介绍

由上述分析可以看到，降低老炼关键电参数的漂移关键在于减少SiO2层中可动正离子和固定电荷数量，常用的方法有掺氯氧化和采用表面钝化的方法。

4.1采用掺氯氧化技术

掺氯氧化指是在热生长SiO2膜的同时，在干氧的气氛中加入一定数量的含氯物质，如氯气、氯化氢或三氯乙烯等，以达到生长优质SiO2膜的目的。

实验指出，所掺入的氯离子主要分布在SiO2-Si界面附近，这些氯离子较多地填补了界面附近的氧空位，形成Si-Cl负电中心，因此降低了固定正电荷密度。

在HCl氧化膜中，沾污的Na+虽然仍有相当数量是堆积在SiO2-Si界面附近，但由于氯离子同样在界面附近形成形成Si-Cl负电中心，Na+在Si-Cl负电中心处失去正电荷而被固定，达到减少可动正离子的作用。

HCl氧化还具有吸除有害杂质的作用。吸除SiO2中杂质的机理可能是：Na、Fe、Au等杂质由SiO2层内扩散到外表面，与HCl形成挥发性的氯化物（如NaCl、FeCl3、AuCl3等）。因此，应用HCl氧化可生长出较为“清洁”的SiO2膜，在氧化前可用HCl气体彻底清洗石英管。

4.2采用芯片氮化硅表面鈍化保护技术

氮化硅是一种具有很高化学稳定性的绝缘材料，具有耐酸、结构致密、导热性能好、掩蔽能力强的特点。采用芯片氮化硅饱和技术，能够有效的屏蔽外界离子和减小钠离子的漂移作用，达到降低寿命试验后关键电参数漂移的作用。

五、结束语

生产工艺一直是我厂发展的瓶颈，改进工艺说起来很难，但却可以从小问题开始，一点一点慢慢的进行，我相信只要通过广大技术员工的不懈努力，不放过任何一个小问题，一定可以提高我厂的工艺水平，使我厂不断发展壮大。

参考文献：

[1]赵欢军，结温可控的晶体管稳态工作寿命试验方法研究，中国电子科技集团公司第三十八研究所

[2]刘玉玲、檀柏梅、张楷亮，微电子技术工程——材料、工艺与测试，电子工业出版社

[3]GJB128A-97，半导体分立器件试验方法