郭 勇，吳 郁，金 銳，李 立，李 彭，劉晨靜

(1.北京工業(yè)大學(xué) 信息學(xué)部，北京 100124；2.全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院，北京 102209)

功率半導(dǎo)體器件表面鈍化技術(shù)綜述

郭 勇1，吳 郁1，金 銳2，李 立2，李 彭1，劉晨靜1

(1.北京工業(yè)大學(xué) 信息學(xué)部，北京 100124；2.全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院，北京 102209)

表面鈍化技術(shù)是半導(dǎo)體器件制造過程中的重要工藝環(huán)節(jié)，對器件的電學(xué)特性和可靠性有重要影響。文中側(cè)重于功率器件領(lǐng)域，回顧了各種高壓結(jié)終端所需的不同鈍化工藝，包括平鋪疊加的復(fù)合介質(zhì)膜、有機(jī)聚合物覆蓋、玻璃或有機(jī)聚合物填充等。綜述了鈍化工藝中所采用的各種鈍化材料的性質(zhì)和功能，給出了它們在功率器件結(jié)構(gòu)中的典型數(shù)據(jù)，包括二氧化硅、磷硅玻璃、氮化硅、氮氧化硅、三氧化二鋁、半絕緣多晶硅、聚酰亞胺(PI)、玻璃料等，并對新近用于鈍化的苯并環(huán)丁烯、氫化無定形碳化硅和氫化無定形碳等材料進(jìn)行了介紹和展望。

功率器件；鈍化工藝；結(jié)終端結(jié)構(gòu)；鈍化材料

功率器件的表面鈍化技術(shù)并非局限于前道工藝最后階段被稱為“生長鈍化層”的那個(gè)工序。事實(shí)上，大多數(shù)情況下它開始于“一次氧化”，并且貫穿整個(gè)制程的始終。經(jīng)鈍化后的芯片會變得“遲鈍”、“鈍滯”，對環(huán)境氛圍的干擾、刺激、污染、滲透和變化等幾乎不作響應(yīng)，其原有電性能可以基本保持不變，這正是期望的一種良好特性。

自從半導(dǎo)體器件問世以來，表面鈍化問題一直是一個(gè)研究的重點(diǎn)。半導(dǎo)體器件對半導(dǎo)體表面及外界環(huán)境極為敏感，例如表面離子玷污、二氧化硅內(nèi)的堿金屬離子和固定電荷、界面態(tài)、輻照感應(yīng)電荷等都會嚴(yán)重制約半導(dǎo)體器件的電學(xué)特性和可靠性。為提高器件的穩(wěn)定性，早期在半導(dǎo)體器件表面涂抹適當(dāng)材料作為保護(hù)劑，同時(shí)在管殼進(jìn)行氣密封時(shí)抽空或充入惰性氣體。

自1959年阿拉塔提出熱生長二氧化硅膜具有良好表面鈍化效果以來，硅平面型器件開始普遍采用二氧化硅作為鈍化膜，成為半導(dǎo)體器件表面鈍化方面的首次重大突破。但是SiO2膜對水有很強(qiáng)的親和力，且水汽和其他氣體具對其有很高的滲透率，特別是它對堿金屬離子(如Na離子)的阻擋能力很差，這就很容易導(dǎo)致SiO2/Si界面存在大量表面電荷，進(jìn)而引起器件電學(xué)特性的改變，因此SiO2膜并不是完全理想的鈍化膜[1]。為了彌補(bǔ)這種不足，1960年代中期開始，各種表面鈍化新材料，如磷硅玻璃(Phosphorosilicate Glass, PSG)、硼磷硅玻璃(Boron-phosphorosilicate Glass, BPSG)、氮化硅(Si3N4)、氮氧化硅(SiOxNy)、三氧化二鋁(Al2O3)等被陸續(xù)采用，為半導(dǎo)體器件表面鈍化層提供了更多的選擇。進(jìn)入1980年代，隨著各類高壓功率器件的發(fā)展，聚酰亞胺(Polyimide, PI)、半絕緣多晶硅(Semi Insulating Polysilicon, SIPOS)、無定形氫化碳化硅(α-SiC:H)及苯并環(huán)丁烯(Benzocyclobutene, BCB)等材料又相繼出現(xiàn)并被應(yīng)用于高壓結(jié)終端， 為功率器件和其他器件的發(fā)展注入了新活力。

1 功率器件鈍化層類別和基本特性

功率器件表面鈍化膜根據(jù)鈍化功能和作用可分為兩類：第一類是直接在半導(dǎo)體襯底上生長的鈍化膜，其作用在于控制和穩(wěn)定半導(dǎo)體表面的電學(xué)性質(zhì)，固定正電荷，降低表面復(fù)合速度，使器件穩(wěn)定工作；第二類通常生長在第一鈍化層之上，或者金屬電極上方，能夠屏蔽、吸收、隔離雜質(zhì)離子，保護(hù)第一類鈍化層不受污染，從而進(jìn)一步保證器件電學(xué)特性的穩(wěn)定，同時(shí)還能提供機(jī)械保護(hù)作用，保證器件表面具有良好的力學(xué)性能。此外，根據(jù)功率器件表面鈍化膜淀積時(shí)序和硬度的不同還可分成兩類：硬鈍化和軟鈍化。硬鈍化一般是在金屬化之前進(jìn)行，所淀積材料的硬化需要高溫過程。這些材料包括玻璃材料、氧化硅和多晶硅等。軟鈍化是在金屬化之后進(jìn)行，所用材料包括硅橡膠、樹脂和聚酰亞胺等，它們的固化溫度低于常見的金屬化溫度[2]。

表1 鈍化膜應(yīng)具備的基本特性

表1概括了鈍化膜在物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)、機(jī)械性能、工藝要求等4方面應(yīng)具備的基本特性。

2 功率器件的結(jié)終端結(jié)構(gòu)及鈍化工藝

各種功率器件的耐壓等級和電流容量的跨度較大，應(yīng)用需求千差萬別，所以對其制程安排、封裝樣式和成本控制等方面的考慮也會相差很大，因而相應(yīng)的器件結(jié)終端從結(jié)構(gòu)、形貌到工藝過程也就不盡相同。因此，與之相匹配的不同鈍化技術(shù)就應(yīng)運(yùn)而生，并且各具特色。表2總結(jié)了常見的不同結(jié)終端及所采用的典型鈍化層結(jié)構(gòu)。

表2 各類結(jié)終端及所采用的鈍化層

2.1 延伸型終端的鈍化工藝

延伸型終端結(jié)構(gòu)通常采用平面工藝制作，最為傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)為場限環(huán)[3]、場板[4-5]或兩者相結(jié)合，鈍化工藝一般采用平鋪疊加方式，可形成如Si-SiO2-PSG-Si3N4-PI、Si-SiO2-Si3N4-Al2O3等多種復(fù)合式鈍化層。如圖1所示的4層復(fù)合型鈍化膜中，熱生長SiO2層為所謂的第一鈍化層，為器件提供了最初的保護(hù)，能與硅之間實(shí)現(xiàn)很好的粘附，并能降低與其他鈍化層之間的界面應(yīng)力，為后續(xù)各層鈍化膜的淀積和功能實(shí)現(xiàn)提供了基礎(chǔ)；淀積形成的中間層PSG和Si3N4分別具有吸收和隔離外部雜質(zhì)離子的作用；最上面的PI層則能夠?yàn)橄路礁麾g化層乃至整個(gè)器件起到綜合性保護(hù)作用。該類結(jié)構(gòu)能使器件承受高電壓并保持很低的漏電流[6]。

圖1 一種典型延伸型結(jié)終端及其鈍化層

圖2 SIPOS阻性場板終端及其鈍化[7]

如圖2所示的阻性場板[7]結(jié)構(gòu)，以及阻性場板與場環(huán)、場板、JTE[8-9]、VLD[10-11]等相結(jié)合的結(jié)構(gòu)也屬于延伸型終端，其最突出的特征，是將一層電阻率高的半絕緣材料，同時(shí)用作耐壓實(shí)現(xiàn)層和鈍化層。構(gòu)成這類半絕緣層的常用材料是SIPOS，分為摻氧SIPOS和摻氮SIPOS(鈍化效果類似Si3N4)兩種。此外，近年來也開始嘗試使用α-SiC:H。文獻(xiàn)[12]表明，采用Si-SiO2-SIPOS-SiO2復(fù)合鈍化結(jié)構(gòu)，能有效控制漏電流，增加復(fù)合介電膜的擊穿強(qiáng)度，顯著提高器件可靠性。此外，利用SIPOS鈍化的SJ-LDMOS(超結(jié)LDMOS)與N緩沖層SJ-LDMOS相比，其擊穿電壓可提高35%[13]。圖3給出的阻性場板與場環(huán)相結(jié)合的例子，是一種1 700 V SPT-IGBT產(chǎn)品[14]，其復(fù)合鈍化層為SiO2-半絕緣層-Si3N4-PI，它與常見SIPOS結(jié)構(gòu)的不同之處在于，其半絕緣層落在金屬層之上(通常在金屬之下，如圖2所示)，并與場環(huán)上的金屬電極連通，能起到為各個(gè)場環(huán)按間距線性分配偏壓的作用，構(gòu)成所謂偏置場環(huán)而不是常見的浮空場環(huán)。該結(jié)構(gòu)能降低擊穿電壓對環(huán)間距和界面電荷的敏感性，改善擊穿特性，減小漏電流，進(jìn)而提升器件的最高工作結(jié)溫。

在半絕緣層材料進(jìn)展方面，2006年，有利用α-SiC:H薄膜制備絕緣柵場效應(yīng)晶體管的報(bào)道[15-16]，所制作的器件具有較高的開關(guān)比和有效遷移率、開關(guān)電流變化陡、在高溫下工作性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。2011年，有人提出α-SiC:H用作半導(dǎo)體器件的半絕緣層，能夠提高器件性能[17]。

圖3 1 700 V軟穿通IGBT[13]

2.2 斜角終端結(jié)構(gòu)的鈍化工藝

磨斜角的圓形器件所采用的是一種截?cái)嘈徒K端。對于該類器件，經(jīng)常用有機(jī)聚合物做鈍化層，它由硅橡膠或PI構(gòu)成。圖4給出了一種晶閘管磨斜角結(jié)構(gòu)及其鈍化層，是在硅上直接覆蓋薄層PI，外部再使用硅橡膠套牢，這種鈍化方式有助于控制封裝殼體內(nèi)的電場分布，以避免局部電暈放電[18]。順便指出，對于已經(jīng)過磨角腐蝕或挖槽腐蝕的器件很多時(shí)候不宜再用熱氧化法，因?yàn)榍靶蚬に囈呀?jīng)削弱了硅片，再用高溫氧化有可能造成硅片破損。必要時(shí)，可以采用低溫淀積氧化層來代替。

圖4 磨斜角終端及其鈍化[18]

2.3 腐蝕槽結(jié)構(gòu)的鈍化工藝

腐蝕槽結(jié)構(gòu)也是一種截?cái)嘈徒K端，分為濕法腐蝕形成的半圓形寬槽和干法刻蝕形成的垂直深槽兩類，其槽內(nèi)的鈍化填充介質(zhì)可采用玻璃料、淀積SiO2、BCB或其它低介電常數(shù)介質(zhì)等。圖5所示的濕法腐蝕形成半圓形腐蝕槽利用玻璃進(jìn)行填充鈍化，可以使擊穿電壓得到有效改善[19]。大功率晶閘管鈍化常用鉛鋁硅鹽酸玻璃和鋅硼硅鹽酸玻璃[20]，前者的熱膨脹系數(shù)較低，適用于厚層；后者的溫度穩(wěn)定性高，而且在高場強(qiáng)下也較穩(wěn)定，但其熔化溫度要比鉛基玻璃高一些。

圖6所示為一種垂直深槽型超結(jié)MOSFET的結(jié)終端，它利用與有源區(qū)相同的干法刻蝕制成，填充的鈍化介質(zhì)為BCB，上方再覆蓋以PI，器件擊穿電壓可達(dá)1 200 V[21]。另一則報(bào)道中，具有BCB填充深槽終端結(jié)構(gòu)的二極管的擊穿電壓可達(dá)1 350 V，該結(jié)構(gòu)允許非破壞性的雪崩擊穿現(xiàn)象發(fā)生，且終端效率接近100%[22]。BCB可采用甩膠方式填充硅槽，工藝處理上較為方便。

圖5 玻璃填充的腐蝕槽[19]

圖6 BCB填充的垂直深槽終端結(jié)構(gòu)[21]

3 鈍化材料的性質(zhì)及功能

上文涉及到了各種鈍化材料，以下主要針對功率器件領(lǐng)域，再簡單回顧和總結(jié)這些材料的性質(zhì)、作用和機(jī)理，以及它們在功率器件結(jié)構(gòu)中的典型參數(shù)。

3.1 二氧化硅(SiO2)

如前所述，SiO2是器件生產(chǎn)中常用也是最基本的鈍化材料。熱生長SiO2膜常用作第一鈍化層，它與硅之間具有天然的附著力，對器件表面應(yīng)力最小。在功率器件領(lǐng)域，其厚度通常在1 μm以上。熱氧化之前硅片的清洗工序?qū)Λ@得良好擊穿特性甚為關(guān)鍵。

同時(shí)，淀積生長的SiO2也經(jīng)常用作非第一鈍化層，用以保護(hù)芯片表面，并提高復(fù)合介電膜的擊穿強(qiáng)度。功率器件中，其厚度為幾百納米至1 μm以上。

3.2 磷硅玻璃(PSG)

磷硅玻璃是磷硅酸鹽玻璃(P2O5·SiO2)的簡稱，具有吸收可動(dòng)離子的作用，同時(shí)能夠在較低的溫度下回流，使臺階覆蓋趨于平坦化。功率器件結(jié)構(gòu)中，其厚度一般為500～1 500 nm。工藝中有時(shí)會加入硼構(gòu)成硼磷硅玻璃(BPSG)，以獲得更低的回流溫度。

對于SiO2-PSG結(jié)構(gòu)，Na+離子在PSG中的溶解度比在SiO2層中高3個(gè)數(shù)量級，在SiO2之上生長PSG過程中，SiO2中的大部分Na+就被吸收到PSG層中而遠(yuǎn)離Si-SiO2界面，從而降低了SiO2中的可動(dòng)離子電荷，大幅增強(qiáng)器件的穩(wěn)定性。適當(dāng)增加磷的濃度還能夠降低膜的針孔密度，防止微裂，平緩光刻臺階。作為高壓器件鈍化層時(shí)，PSG也有以下不足：高溫時(shí)，被捕獲的鈉離子容易被釋放出來；隨著磷濃度的增高，磷硅玻璃中的五氧化二磷會出現(xiàn)極化現(xiàn)象，從而會引起硅表面電勢的不穩(wěn)定性；含磷濃度高的磷硅玻璃具有吸潮性[23]。

3.3 氮化硅(Si3N4)

Si3N4膜是惰性介質(zhì)，化學(xué)穩(wěn)定性好，有高電阻率、耐高溫、抗熱沖擊的能力，且結(jié)構(gòu)致密，硬度大、疏水性好，針孔密度低，氣體和水汽難以通透。Si3N4不僅并能夠掩蔽B、P、As的擴(kuò)散，還能掩蔽Ga、Zn、O2、In等雜質(zhì)的擴(kuò)散，遏制了造成器件不穩(wěn)定的主要根源。

Si-Si3N4結(jié)構(gòu)在室溫下不穩(wěn)定，呈現(xiàn)出比較高的表面態(tài)(即>1012cm-2)，因此電子或空穴依靠隧道效應(yīng)或熱發(fā)射過程可以比較容易地穿過Si-Si3N4界面[24]。因此，Si3N4通常不用作第一鈍化層。常用SiO2-Si3N4結(jié)構(gòu)中，Si3N4表現(xiàn)為張應(yīng)力，而SiO2表現(xiàn)為壓應(yīng)力，兩者結(jié)合可以改善界面應(yīng)力使其降到最低。研究表明，在高壓功率器件中要獲得良好的SiO2-Si3N4系統(tǒng)鈍化層，SiO2厚度應(yīng)在10～100 nm之間，Si3N4厚度最好在150～300 nm之間(臺階高度超過300 nm時(shí)Si3N4膜常會產(chǎn)生龜裂)。為將漏電流降到最低，SiO2的淀積溫度必須在650 ℃下，Si3N4的淀積溫度必須低于750 ℃[25]。

3.4 氮氧化硅(SiOxNy)

SiOxNy薄膜的性能介于Si3N4和SiO2之間，兼具兩者的優(yōu)點(diǎn)。它能夠抵抗?jié)駳夂外c離子的通過，具有良好的熱穩(wěn)定性和界面應(yīng)力；同時(shí)，薄膜中的N積累在硅界面處，減少了拉伸的Si-O鍵的濃度，可有效抑制熱載流子的產(chǎn)生。因而該薄膜在電學(xué)、機(jī)械和化學(xué)特性方面都具有優(yōu)勢。但是，器件表面的金屬電極層的熱膨脹系數(shù)要遠(yuǎn)高于氮氧化硅層，因此，如果將氮氧化硅覆蓋在金屬層之上作為鈍化物，則在高溫環(huán)境中，這種膨脹系數(shù)差異會導(dǎo)致層間應(yīng)力過大，嚴(yán)重時(shí)鈍化層會出現(xiàn)開裂使漏電流增大，最終可能導(dǎo)致器件失效。

3.5 三氧化二鋁(Al2O3)

Al2O3具備很突出的優(yōu)點(diǎn)，比如密度大，對Na+離子的阻擋能力強(qiáng)(Na+很難穿過50 nm以上的Al2O3膜)，抗輻射性能好，這與Al2O3的特殊缺陷結(jié)構(gòu)有關(guān)。此外，Al2O3淀積溫度低，可在550 ℃以下的溫度生成，因此可以在鋁互連線上淀積。

另一方面，Al2O3膜不像PSG那樣具有對Na+的吸收作用，因此在生長Al2O3之前若有Na+進(jìn)入SiO2中，仍將造成器件特性的不穩(wěn)定。目前工藝還不能用Al2O3取代SiO2，因?yàn)樵诠枭现苯拥矸eAl2O3膜會導(dǎo)致Si界面態(tài)密度的增加和滯后現(xiàn)象。由于Al2O3膜結(jié)構(gòu)比較密集，不能用通常的光刻技術(shù)進(jìn)行光刻。因此，現(xiàn)階段Al2O3膜的應(yīng)用并不廣泛，主要集中在對抗輻射要求苛刻器件中。

3.6 聚酰亞胺(PI)和苯并環(huán)丁烯(BCB)

PI材料是一種酰亞胺和環(huán)狀芳香脂的聚合物，具有抗氧化能力、耐輻射、耐高溫。同時(shí)，它不溶于有機(jī)溶劑，耐腐蝕，耐水解，化學(xué)穩(wěn)定性好。在很大的頻率和溫度范圍內(nèi)，PI的性能穩(wěn)定[26]。它兼具芯片鈍化膜和應(yīng)力緩沖膜的功能，能應(yīng)用到大多數(shù)不同的終端結(jié)構(gòu)中。PI膜在芯片封裝前，覆蓋于芯片最外層，作為芯片的鈍化膜可有效防止芯片內(nèi)部的化學(xué)腐蝕和提高芯片抗潮濕能力，其高體電阻率、低介電常數(shù)和高臨界場強(qiáng)可以有效阻地阻滯電子遷移，降低器件漏電流。此外，PI由于其優(yōu)異的機(jī)械性能，可有效降低器件封裝中由塑封料和引線框架與硅片之間熱膨脹系數(shù)不同導(dǎo)致的熱應(yīng)力，有效保護(hù)芯片安全。根據(jù)不同結(jié)構(gòu)對光的敏感程度不同，PI又可以分為非光敏PI和光敏PI。前者的光刻工藝較復(fù)雜，一定程度增加了鈍化工藝的難度、可靠性和制造成本[27]。而后者本身對光敏感，因此可作為負(fù)性光刻膠使用，從而省去涂膠和去膠的步驟，簡化光刻流程。制成的光敏PI膜分辨率可達(dá)亞微米級，厚度最高可達(dá)幾十微米，特別適用于2 kV以上的高壓功率器件最外層的鈍化，能有效防止芯片表面的電暈放電。

1990年代以來，另外一種有機(jī)聚合物，苯并環(huán)丁烯(BCB)，開始被嘗試用作芯片硅槽的填充和鈍化材料。這種材料具有高體電阻率、高臨界場強(qiáng)和低介電常數(shù)(分別為1×1019Ω·cm,5.3 MV·cm-1和2.65[28])，被認(rèn)為是繼PI之后的新一代硅基介質(zhì)材料[29-30]。BCB樹脂方便甩膠填槽，具有較寬的固化范圍，其固化時(shí)間可在200 ℃下的數(shù)小時(shí)到300 ℃下的數(shù)秒鐘之間進(jìn)行選擇和調(diào)整。此外，BCB樹脂具有極佳的粘附性、抗?jié)裥院蜔岱€(wěn)定性，薄膜的收縮率小、穩(wěn)定性好，使其在鈍化腐蝕槽方面具有良好的應(yīng)用前景，并且其應(yīng)用有可能在其他方面得到擴(kuò)展。

3.7 玻璃料

對于小電流、擊穿電壓低于千伏的臺面型晶閘管，使用玻璃鈍化是相當(dāng)普遍的。玻璃料通常是一種由粘合劑(例如異丙酮)和精細(xì)玻璃粉末構(gòu)成的懸浮液。鈍化工藝中，先通過涂抹或淀積將這種敷料覆蓋于器件表面并填充腐蝕槽，粘合劑在低于玻璃熔點(diǎn)的溫度上被燒掉，然后再把溫度升高到玻璃熔點(diǎn)以上，玻璃顆粒就會熔化在一起，形成有效填充物和鈍化物。玻璃熔化的典型溫度在650～900 ℃之間，具體值與玻璃的材料成分有關(guān)。此外，向玻璃中加入Ta2O5能夠改善結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，而添加Sb2O3則可以提高介電擊穿強(qiáng)度，后者實(shí)現(xiàn)超過1 000 V的擊穿電壓。

3.8 半絕緣多晶硅(SIPOS)

SIPOS的突出特點(diǎn)是能有效屏蔽外加電場的作用，且不存在熱載流子的存儲效應(yīng)，不會發(fā)生擊穿蠕變和漂移等問題，保證器件的電學(xué)穩(wěn)定性和可靠性。在清潔的硅表面直接生長SIPOS層，能夠從根本上消除原來SiO2層中大量存在的固定電荷、可動(dòng)電荷對器件的影響。SIPOS層用低壓化學(xué)氣相淀積工藝生長，分為摻氧膜和摻氮膜兩種。摻氧SIPOS材料在電性能上屬中性，電阻率很高，典型的變化范圍在1017～1011Ω·cm之間。摻雜時(shí)要注意控制氧含量，若氧含量偏低，膜的性質(zhì)趨向于多晶硅，與硅襯底間的界面態(tài)大幅增加，會導(dǎo)致較大的由界面態(tài)產(chǎn)生電流構(gòu)成的漏電流；而氧含量偏高，膜的性質(zhì)趨向于SiO2，會產(chǎn)生載流子貯存效應(yīng)，嚴(yán)重的會出現(xiàn)擊穿電壓漂移。根據(jù)實(shí)測，使器件具有良好特性的摻氧量應(yīng)控制在15%～35%之間[31]。摻氮SIPOS層性質(zhì)類似于氮化硅，一般覆蓋在摻氧SIPOS層上方，用來保護(hù)下方的摻氧SIPOS層免受離子污染。

用SIPOS直接鈍化的PN結(jié)，所施加的瞬態(tài)電壓容易誘導(dǎo)漏電流[32]。為解決這一問題，有研究者建議采用Si-SiO2-SIPOS結(jié)構(gòu)來解決這個(gè)問題。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，這種結(jié)構(gòu)的漏電流比普通SIPOS結(jié)構(gòu)要低。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)用淀積磷硅玻璃的辦法對SIPOS層下面的熱氧化層進(jìn)行吸雜，可使漏電情況得到進(jìn)一步改善。這種改進(jìn)歸功于采用了潔凈的熱生長氧化層作為第一鈍化層，使硅表面漏電流減小。利用SIPOS鈍化技術(shù)制造的功率雙極晶體管擊穿電壓可達(dá)10kV。

3.9 氫化無定形碳化硅和氫化無定形碳

對于5～10 kV之間的高壓器件鈍化，由于襯底摻雜低，在某些應(yīng)用中采用了α-C:H[33]。α-C:H的物理和化學(xué)性質(zhì)具有類似金剛石的特點(diǎn)，它一個(gè)有益的特性，能在禁帶中感應(yīng)鏡像電荷，有補(bǔ)償干擾電荷的能力，甚至能夠降低表面的電場峰值。在密封外殼內(nèi)，α-C:H層穩(wěn)定。

類似地，α-SiC:H在半導(dǎo)體器件表面鈍化膜方面也有著廣闊的應(yīng)用前景。α-SiC:H薄膜通常利用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積法生長，通過SiH4和CH4的一系列化學(xué)和等離子體反應(yīng)，在樣品表面形成固態(tài)薄膜。該方法與硅平面工藝兼容，可大面積制備。薄膜的均勻性較好，且具有良好的光學(xué)、熱學(xué)、力學(xué)和電學(xué)性質(zhì)。α-SiC:H薄膜的缺點(diǎn)是與Si襯底的晶格失配，造成缺陷密度較大，且晶格結(jié)構(gòu)無序含氫會在一定程度上導(dǎo)致器件不穩(wěn)定，不宜用作第一鈍化層。

此外，比如三碳碳化硅(3C-SiC)，類金剛石(DLC)等材料的應(yīng)用將會對功率器件表面鈍化工藝提供新思路。

4 結(jié)束語

表面鈍化工藝是功率半導(dǎo)體器件制造過程中的重要組成部分，鈍化材料的性質(zhì)和功能對器件工作的穩(wěn)定性、可靠性的實(shí)現(xiàn)及改善具有重要作用。近年來，隨著高壓器件的發(fā)展，又有多種新材料被嘗試用于鈍化，這將對功率器件的發(fā)展注入新的活力。

[1] 梁鹿亭.半導(dǎo)體表面鈍化技術(shù)[M].北京:科學(xué)出版社,1979.

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Review of Surface Passivation Process for Power Semiconductor Devices

GUO Yong1,WU Yu1,JIN Rui2,LI Li2,LI Peng1,LIU Chenjing1

(1. Faculty of Information Engineering,Beijing University of Technology,Beijing 100124,China;2. Global Energy Interconnection Research Institute,Beijing 102209,China)

Surface passivation technology plays a key role in the production process of semiconductor devices, which has important influence on the electrical characteristics and reliability of the devices. Focusing on the field of power devices, this paper reviews the various passivation processes required for different high-voltage junction termination, including multi-layer dielectric films, organic polymer coatings,glass or organic polymer refilling.The properties and functions of various passivation materials employed in these passivation processes are also reviewed, and their typical data in the structures of power devices are given, including SiO2, PSG, Si3N4,SiOxNy,Al2O3,SIPOS,PI,glass frit,etc.Finally,materials such as BCB,α-SiC:H,α-C:H,which was newly introduced into the passivation process, and their application prospect are discussed.

power semiconductor devices;passivation technology;edge termination structure;passivation material

2017- 09- 04

國家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目(SGRI-WD-71-15-005)

郭勇(1992-)，男，碩士研究生。研究方向：功率半導(dǎo)體器件與功率集成電路。吳郁(1970-)，男，副研究員。研究方向：功率半導(dǎo)體器件與功率集成電路。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.12.034

TN323.4

A

1007-7820(2017)12-130-06