崔文荣
（江苏晟驰微电子有限公司，江苏 海安226600）
1 绪论
近年来，受手机及其附属产品用量越来越大的影响，先进的半导体芯片工艺、高端的制造工艺和高效的组装技术等在手机产品的驱动下快速发展。在大部分电源和充电端口保护中得到广泛应用的单向瞬态抑制二极管（Transient Voltage Suppressor，TVS），可以达到正向浪涌钳位电压和负向浪涌钳位电压超低的效果，并对后端各类IC 芯片提供很好的保护。
N 衬底TVS 芯片中的PN 结是由N 外延层与P 扩散区组成，位于器件顶部，可以避免短路问题出现。硅芯片PN 结表面必须用绝缘材料完全密封，芯片表面受外界影响的保护方法多种多样，包括在封装制程中酸洗后侧面填胶的保护胶工艺，在芯片制造过程中选择性的某些区域烧熔玻璃的玻璃钝化工艺，利用氧化硅或氮化硅做钝化保护的硅化合物钝化等多种工艺。
集成在硅基芯片工艺中的平面硅化合物钝化层工艺和台面玻璃钝化工艺，其PN 结是由在硅表面氧化法生长的氧化硅薄膜、硅表面气相沉积法淀积的氮化硅薄膜和涂覆法烧结的金属氧化物或硼硅酸盐等材料，如氧化硼、氧化硅、氧化锌等进行保护，直接生长在硅芯片表面。钝化保护层与硅芯片的结合力以分子间作用力（Van Der Waals Force）为主，结合非常紧密，能够极为有效的保护PN 结。
采用玻璃钝化工艺的硅芯片，需要在制程中加入沟槽工艺形成台面结构，通过光刻和硅腐蚀做出V 型沟槽，在沟槽面涂覆玻璃粉悬浊液进行烧结。玻璃粉悬浊液粘合剂和高纯超细玻璃颗粒混合而成，将玻璃粉悬浊液按照一定工艺方法涂覆于V 型沟槽的PN 结表面，在高温下粘合剂被烧掉，玻璃融化并在张力的作用下填充在沟槽内部，再通过降温固化在PN 结表面形成较厚的致密玻璃保护层。该工艺由于没有平面结的弯曲部分，改善了表面击穿电压，同时也加强了结的保护，拥有更强的电性能参数与更高的可靠性。
针对保护类器件，特别是适用电压分类比较多的TVS 器件，基于上述原理，芯片制程采用台面结构玻璃钝化工艺，一是能够统一制程，二能够显着的提高可靠性和抗浪涌能力，能在性能与成本之间达到平衡，是目前比较广泛使用的一种方法。本公司所生产的TVS 芯片，主要采用台面结构玻璃钝化工艺技术，产品的成品率较高。
2 基本原理
TVS 芯片PN 结表面的玻璃钝化主要解决以下两个方面的问题：
（1）玻璃本身表征为负电荷特性，沾污离子一般表征为正电荷特性，钝化玻璃可以很好地固定住钠离子等沾污离子，减少钠离子的移动。
（2）在芯片PN 结表面覆盖一层玻璃钝化膜，形成钠离子等沾污离子的阻挡层，避免外界钠离子等沾污离子进入到芯片PN 结表面处。
随着玻璃中含有的各种氧化物成分的变化，玻璃钝化膜的形成温度、电学性能的稳定性和机械性能、热膨胀系数等都有很大变化。对玻璃钝化材料的基本要求是：电学性能好、绝缘性能好、电阻率高、玻璃材料中的可动离子少（一般钠离子的含量不允许超过10ppm）；另外要求玻璃粉的热膨胀系数与硅接近、化学稳定性好、耐酸碱、耐水等。
台面型轴向PN 结器件，其芯片台面会不可避免沾附上沾污离子，当为金属沾污离子时，这类离子具有电荷转移特性，使得芯片台面处的电导率增大，并产生复合中心，使PN 结表面的反向漏电流增大，器件性能降低。在常温下处于相对稳定的电荷物质，在高温和强电场作用下，这些沾污杂质被电离，使得反向漏电流增加，器件的击穿电压降低。玻璃钝化薄膜是微晶玻璃，具有玻璃网格结构，且膜的厚度较一般钝化膜厚，表面致密无针孔，具有负电荷性能的钝化层，能够固定住沾污离子，且在高温下能够阻止欲电离的电荷物质，阻止膜内离子的迁移和外界离子的浸入。图1 是目前国内生产TVS 台面管芯采用玻璃钝化工艺生产出来的管芯结构示意图[1]。
目前的玻璃烧结工艺也存在一些显着缺点：
（1）难于找到低熔点的玻璃粉，造成工艺操作上的不便，对于某些特殊器件，会影响到器件的成品率。
（2）玻璃膜一般较厚，兼外形封装，这就造成结构及成分比较复杂，难于进行物理分析。
（3）玻璃钝化膜对于温度应力和机械应力较敏感，在器件使用过程中，需要避免引入温度应力和机械应力而导致器件性能退化。
体现在本公司的TVS 产品中就是钝化膜容易出现孔洞，一些气体不能很好地溶于玻璃粉中，使得PN 结性能受到很大影响，影响TVS 的成品率。
基于此，目前对玻璃烧结工艺进行改进的途径很多，一种是提出新型的钝化TVS 管芯工艺流程取代玻璃钝化工艺，克服玻璃钝化过程中的弯曲碎片以及划片过程中因玻璃破裂所带来的隐患。这种工艺一致性好，操作简单，可以有效提高成品率。
图1 玻璃钝化TVS 管芯结构示意图
图2 一种新型钝化TVS 管芯工艺流程图
图3 公司部分TVS 产品
图2 是文献[1]提出的一种采用二氧化硅膜和氮化硅膜钝化PN 结的新型钝化工艺流程，主要是在台槽光刻之前先进行背面N+磷扩散，降低接触电阻，减小正向压降。
图4 N2：O2 浓度比曲线
表1 N2：O2 比例为10：3 时的漏电分布
表2 N2：O2 比例为5：7 时的漏电分布
表3 N2：O2 比例为7：20 时的漏电分布
还有一种方法就是采用新的玻璃钝化烧结材料配比。图3 是目前公司按照传统的钝化工艺，但采用新的烧结材料配比生产出来的部分TVS 产品外观，其钝化过程就是将玻璃料均匀分布在由丁基卡必醇和乙基纤维素配成的有机粘合剂中，再涂覆到硅片表面后进行烘烤，通过玻璃烧结以形成玻璃层。
该产品是在烘烤200℃的加热板上进行，待玻璃料烘成白色后将硅片取下。玻璃烧结是在扩散炉管中完成，通过500℃的“玻璃烧结”、785℃的“玻璃熔融”和600℃的“玻璃退火”三个过程，采用的N2和O2气体流量都为1升/分钟。产品性能检测符合TVS 器件的标准，但器件的反向漏电流较大，产品性能需要依靠新工艺进一步提升。
3 玻璃钝化工艺
玻璃钝化制程主要分为玻璃粉涂覆和玻璃粉烧结两大主要工序。其中玻璃粉涂覆一般有电泳法、旋涂光刻法、刀刮法，玻璃粉烧结则主要是炉管烧结法。
（1）玻璃粉涂覆工艺：根据玻璃粉种类和涂敷法工艺、玻璃烧结参数、产品的电特性（特别是反向漏电流）和可靠性等的不同，该工艺主要由产品特性定位与应用、成本、可操作度等方面决定。
由于电泳法烧结出来的玻璃覆盖性好，玻璃粉能够选择性的覆盖整个沟槽，金属引线区表面的玻璃粉沾污也很少，溶液可以重复添加，对沟槽和PN 结保护的最好，玻璃粉浪费也较少，在可靠性要求较高的器件上容易实现成本与性能平衡。
本公司综合考虑电泳法烧结工艺的优缺点，在公司主打产品为高可靠性器件的情况下，主要选择电泳法作为玻璃粉涂覆的基准工艺。
（2）玻璃粉烧结工艺：随着玻璃含有的各种氧化物成分的变化，玻璃钝化膜的形成温度、电学性能的稳定和机械性能、热膨胀系数等都有很大变化。对玻璃钝化材料的基本要求为：电学和绝缘性能好、电阻率高、玻璃材料中的可动离子少（一般钠离子的含量不允许超过10ppm）；另外要求玻璃粉的热膨胀系数与硅接近、化学稳定性好、耐酸碱、耐水等。
4 改进后的工艺路线
本公司在实际生产过程中不断总结，提出一种抗干扰性好、稳定性高的玻璃烧结工艺，有效解决了上述背景技术中提出的问题，提高了公司TVS 产品的成品率。
该玻璃烧结工艺包括以下步骤：
（1）准备玻璃烧结的原料以及烧结的熔炉
具体的原料组分根据TVS 的产品质量性能要求确定玻璃原料为硅砂或硼砂、芒硝、白云石和碎玻璃。其组分按照硅砂或硼砂20 份-25 份、芒硝10 份-15 份、白云石30 份-40 份、碎玻璃15 份-30 份进行。将玻璃原料用电泳法到硅片上，然后放入抽真空的熔炉中，熔炉温度控制在600℃-900℃的温度范围内。
（2）硅片上的玻璃进入烧结炉烧结融化，同时通入保护气体
玻璃原料在600℃-900℃的温度下进行融化时，注入N2与O2。随着O2含量的增加，烧结出来的玻璃内部的空洞的数量逐渐减少，可以有效避免玻璃在烧结过程中出现空洞。含有N2的混合气体的抗干扰性好，稳定性高。
（3）待玻璃原料融化后保持恒定温度一段时间，使玻璃原料处于液态。玻璃原料融化后，液态的玻璃原料在600℃-900℃温度下保持10min-15min，其目的是保证玻璃原料全部完全融化，融化后再融合均匀。
此时，还需要不断地向熔炉通入一定浓度的N2与O2的混合气体，O2可以很好地溶于玻璃粉末中，使玻璃原料充分溶化。N2烧结时可以降低后期产品的漏电情况。
混合气体中N2与O2的占比不同，产品的漏电也有所不同，图4 是公司在生产过程中总结出来的N2：O2浓度比曲线。
公司在工艺开发过程中，建立了玻璃粉烧结实验DOE，对N2：O2不同浓度比进行优选条件实验，对比不同浓度比条件下的漏电大小，并建立气体比例与漏电模型。本文对优选两种气体比例N2：O2分别为10：3、5：7、7：20时的漏电进行测试，测试结果分别见表1、表2 和表3 所示。
经过反复对比试验，并结合电性良品率、外观良品率和可靠性测试分析，最终确定N2：O2混合气体浓度比为7：20 时产品性能最优。
（4）使玻璃冷却凝结成固态玻璃状。
恒温后采用控制炉体功率给烧结炉降温的方式，使玻璃形成高可靠性，高致密性的保护膜。
通过上述新的工艺，目前公司产品的成品率已经从最初的83%提高到目前的95%，大大提高了公司的产品质量和产能。
5 结束语
针对常用的玻璃烧结方案对TVS 产品成品率的影响，本文在分析芯片PN 结表面的玻璃钝化的基本原理的基础上，提出一种新的玻璃烧结工艺，有效提高了TVS产品的成品率。
