降低瞬態(tài)管三溫測試時關鍵電參數(shù)的漂移

謝靜

摘要：瞬變電壓抑制二極管，關鍵電參數(shù)指擊穿電壓VBR與漏電流IR。進行三溫測試時，測試條件為：擊穿電壓VBR在25℃、-55℃時的測試值之差的絕對值與漏電流IR在25℃、150℃時的測試值之差的絕對值。二極管的三溫測試實際測試的是器件電參數(shù)的溫度漂移，考核了器件的溫度穩(wěn)定性。有效降低瞬態(tài)管的三溫測試時關鍵電參數(shù)漂移，器件溫度穩(wěn)定性就越高，器件的可靠性也就越高。

關鍵詞：瞬態(tài)管;三溫測試

瞬變電壓抑制二極管三溫測試時關鍵電參數(shù)有擊穿電壓VBR和漏電流IR兩個量。關鍵電參數(shù)漂移直接反映器件電參數(shù)的溫度穩(wěn)定性，其值越小時器件溫度穩(wěn)定性也越好，使用環(huán)境也更廣。三溫測試中電參數(shù)漂移量與產(chǎn)品的測試篩選過程無關，主要由芯片本身的狀態(tài)決定。因此，影響芯片電參數(shù)溫度漂移的主要工序為前部芯片制造工序。

一、擊穿電壓V自身溫度漂移

二極管PN結本生具有一定的溫度系數(shù)，正向壓降VF為負溫度系數(shù)，反向擊穿電壓V具有正溫度系數(shù)，擊穿電壓的漂移系數(shù)約為1.7mV/℃。溫度越高時，擊穿電壓V越大，這是硅材料PN結的物理特性之一，對單個硅PN結而言，該漂移無法消除。

可以用正向PN的負溫度系數(shù)來補償反向PN結的正溫度系數(shù)，但對于擊穿電壓較高的PN結，需要補償?shù)恼騊N結數(shù)量較多，因此該方法一般不用于擊穿電壓相對較高的二極管。

根據(jù)半導體理論，瞬變電壓抑制二極管實際器件和理想PN之間存在一定的差異，主要表現(xiàn)在實際器件存在很多寄生效應上，如：歐姆結電阻、體電阻、電容效應、臺面漏電流、封裝材料絕緣電阻等。以上寄生效應中，電阻具有明顯的溫度特性，試驗表明，這些電阻均具有正溫度系數(shù)，溫度越高電阻值越大。當電阻與二極管串聯(lián)，流過一定電流時，兩端的壓降也越大。而電容效應僅限制器件的工作電壓頻率，在直流或低頻電壓信號下呈現(xiàn)的交流阻抗極大，可以忽略。

由上述分析可知，要減小瞬態(tài)管反向擊穿電壓的漂移，需要降低芯片的歐姆結電阻和增加PN結保護材料的穩(wěn)定性。

二、漏電IR溫度漂移的影響因素

根據(jù)半導體理論，PN結反向漏電流應維持在一個固定值上，實際器件由于其他半導體效應的影響會偏離理論值，表現(xiàn)為實際值大于理論值，這些效應包括表面效應、勢壘區(qū)中的產(chǎn)生和復合、大注入條件、串聯(lián)電阻，試驗表明，這些效應在實際器件中對漏電流漂移的影響較小。瞬態(tài)管漏電流是PN結自身漏電流與PN結表面漏電流之和。

（一）PN結漏電流

PN結漏電流是PN結特性之一，是由載流子濃度差引起的擴散運動和外加電場作用引起的漂移運動共同作用的結果。隨溫度的升高，該漏電流隨之增大，但反偏電壓、環(huán)境溫度一定時，PN結漏電流應維持在一定范圍，有小范圍波動，且該參數(shù)作為PN結基本特性之一，無法消除。

（二）PN結表面漏電流

表面漏電流指PN結耗盡區(qū)表面由可移動導電粒子形成的電流。該電流大小取決于污染粒子總數(shù)、反偏電壓大小、環(huán)境溫度。可移動污染粒子總數(shù)，是一個變量，它們沾污在PN結耗盡區(qū)裸露部分，由空氣、芯片裝載體、清洗液中的污染粒子引入。對同一只器件而言，常溫與高溫條件下的污染粒子數(shù)并不相等，原因在于PN結臺面保護材料對污染粒子具有一定的束縛能力，性能越穩(wěn)定、結構越致密的保護材料對污染粒子的束縛能力就越強。常溫時，大部分污染粒子被束縛在體內(nèi)無法移動。隨著溫度升高時，污染粒子的能量也開始增加，粒子自身振動變得更劇烈，表現(xiàn)得更活躍。同時，高溫條件下，PN結鈍化保護材料的穩(wěn)定性斤始下降，此消彼長，最終表現(xiàn)是，同一反偏電壓下，高溫漏電I遠大于常溫漏電I。

從上迷分析可知，要減小漏電流的溫度漂移，首先要減少PN結被可移動導電粒子污染的可能，要求芯片生產(chǎn)在無塵環(huán)境下進行，且減少PN結表面暴露在空氣中的時間。其次，要求PN結鈍化保護材料具有較高的溫度穩(wěn)定性和粒子束縛能力。

三、降低三溫漂移的措施

擴散工藝、PN結保護工藝均會導致瞬態(tài)管在三溫測試時電參數(shù)發(fā)生較大漂移。改善或改變兩個工序，采用更新更可靠的技術制作芯片，可以降低三溫測試時關鍵電參數(shù)的漂移。

（一）紙源擴散代替涂源擴散

紙源擴散，采用紙狀擴散源來進行擴散。傳統(tǒng)的涂源方式是將擴散源配制成飽和容易，涂覆到硅片上，其缺點是擴散源分布不均勻，擴散后的結深差別較大。紙源是將擴散源制作成固態(tài)紙狀源，擴散時放置于硅片上直接進行擴散，紙源擴散最大優(yōu)勢是可以保證擴散源濃度一致性好，在同一擴散條件下，可以得到較為一致的結深和較小的歐姆接觸電阻，紙源擴散后的硅片見下圖，A區(qū)與B區(qū)結深及歐姆結電阻基本一致。

紙源擴散的另一個優(yōu)勢是可以同時進行磷擴散和硼擴散，將原來的二次擴散合并為一次擴散，操作簡單，減少硅片反復處于高溫狀態(tài)后帶來的晶格缺陷，提高產(chǎn)品可靠性。

（二）玻璃內(nèi)鈍化保護代替涂膠保護

玻璃內(nèi)鈍化工藝，是半導體分立器件PN結保護主要工藝之一。其工藝流程為：在擴散完成的硅片上刻蝕玻璃粉涂覆槽，將配制好的玻璃漿涂覆在槽內(nèi)，再通過一定溫度成型。用玻璃內(nèi)鈍化來保護PN結表面。

玻璃粉主要組成成分是硅的化合物，可以很容易與硅材料匹配，同時玻璃粉為非晶結構，在成型時對PN結表面的污染粒子具有極強的吸附能力，成型后的玻璃結構也更穩(wěn)定，不容易出現(xiàn)老化。

四、結論

在瞬態(tài)電壓抑制二極管制作過程中，采用紙狀源進行磷硼擴散，同時采用玻璃內(nèi)鈍化工藝，將有助于降低瞬態(tài)管三溫漂移，提高器件溫度穩(wěn)定性和可靠性。