專利名稱：用于塑封的砷化鎵芯片鈍化方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬砷化鎵微波器件及單片集成電路工藝技術(shù)領(lǐng)域，具體地說是一種用于塑封的砷化鎵(GaAs)芯片鈍化方法。
移動通訊、光纖通訊的迅速發(fā)展給砷化鎵技術(shù)帶來前所未有的機遇，為了將砷化鎵器件及單片集成電路(IC)盡快推向市場，必須采用塑封技術(shù)降低器件及IC的成本，提高市場競爭力。砷化鎵芯片塑封面臨兩大問題一是抗外界潮熱環(huán)境能力差。砷化鎵微波器件及單片集成電路工藝不能像硅集成電路那樣通過自體氧化和低壓化學(xué)氣相淀積(溫度大于300度)進(jìn)行鈍化介質(zhì)生長，必須采用較低溫工藝實現(xiàn)鈍化，因此難以通過塑封器件的高壓蒸汽(簡稱PCT)可靠性考核，為此必須提高砷化鎵芯片鈍化技術(shù)；二是塑料引入的應(yīng)力也會和鈍化膜的應(yīng)力疊加，使器件和IC性能惡化甚至失效。二十世紀(jì)九十年代中后期，以美國為主的世界各大砷化鎵集成公司紛紛開展這方面的研究，各家公司均采用各自方法進(jìn)行器件及IC鈍化。常規(guī)的砷化鎵芯片制作工藝在完成柵制作后，應(yīng)立即進(jìn)行第一次保護(hù)介質(zhì)生長。芯片的正面工藝完成后，可選擇進(jìn)行第二層介質(zhì)的生長。介質(zhì)的生長條件對器件性能和鈍化技術(shù)的使用至關(guān)重要。高應(yīng)力會在壓焊、塑封等工藝操作中造成保護(hù)介質(zhì)的龜裂使器件性能惡化，等離子淀積介質(zhì)膜時必須控制許多參數(shù)，有些變量對淀積有可預(yù)測的影響，如淀積速率隨壓力、功率的增加而增大。然而在許多情況下變量之間互相作用，使測量和解釋某一特定變量的效應(yīng)變的困難。因此，鈍化介質(zhì)的生長條件是相當(dāng)嚴(yán)格的，必須尋找一種工藝方案，使生長后的介質(zhì)膜盡可能少的增加應(yīng)力，避免帶來器件性能的惡化；同時要求生長的介質(zhì)膜致密，能夠抵御PCT試驗中高壓熱蒸汽對芯片的熱沖擊。介質(zhì)生長完成后，為了抵銷塑封料的應(yīng)力沖擊，應(yīng)進(jìn)行第三步鈍化膜生長。第三次鈍化膜除用作塑封料和芯片之間的應(yīng)力匹配緩沖層外，還應(yīng)具有優(yōu)異的抗水汽滲透能力，保護(hù)芯片特別是在高溫、高壓、高濕環(huán)境條件下免受環(huán)境沖擊。
從文獻(xiàn)資料看，一些廠家的器件已能夠通過高壓蒸汽試驗，如美國的Alpha公司，采用以下標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行高壓蒸汽試驗，121攝氏度，2個大氣壓，100％RH,96小時，取樣數(shù)45，允許失效數(shù)為0。但根據(jù)國際電工(IEC,749Ⅲ,4C)的PCT試驗標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)為隨機抽取76樣品，96小時，2個大氣壓，要求零失效。取樣數(shù)比上述公司整整高出將近70％，考核條件要嚴(yán)厲許多。因此應(yīng)改進(jìn)鈍化工藝，滿足國際電工的更高要求。
本發(fā)明的目的正是基于以上要求，為進(jìn)一步提高砷化鎵塑封芯片抗外界潮熱環(huán)境可靠性提供一種用于塑封的砷化鎵芯片鈍化方法。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案本發(fā)明的技術(shù)解決方案的核心由兩部分組成，一是低應(yīng)力氮化硅(Si3N4)膜生長，二是高可靠緩沖膜聚酰亞胺(PPI)。砷化鎵芯片鈍化應(yīng)首先從優(yōu)化介質(zhì)保護(hù)技術(shù)開始。
介質(zhì)膜的質(zhì)量由折射率、厚度和應(yīng)力三個參數(shù)決定，而應(yīng)力參數(shù)指標(biāo)是所有參數(shù)的集中表現(xiàn)。應(yīng)優(yōu)化介質(zhì)生長中的溫度、壓力、生長時間等關(guān)鍵參數(shù)，獲得高質(zhì)量的介質(zhì)鈍化膜。
為了減少淀積膜的應(yīng)力，并提高介質(zhì)膜致密性，我們設(shè)計了如下工藝途徑兩次介質(zhì)鈍化。第一次保護(hù)介質(zhì)生長在完成柵制作后立即進(jìn)行，介質(zhì)生長條件為170-220℃，壓力700-1100mTorr，功率20-50W，氣體比例NH3/SiH4/3-6/150-350，流量600sccm，生長時間15-35分鐘；芯片正面電鍍，反刻工藝完成后，應(yīng)對芯片進(jìn)行第二次保護(hù)介質(zhì)生長。第二次保護(hù)介質(zhì)生長的目的是對除壓點以外的芯片再進(jìn)行一次介質(zhì)保護(hù)，從而進(jìn)一步提高芯片的抗潮濕性能。將常規(guī)生長的介質(zhì)膜通過功率、溫度的改變分段淀積，溫度分別為170-220℃/170-220℃，功率分別為20-50W/25-50W，各生長4-10分鐘，壓力900mTorr，氣體比例NH3/SiH4/3-8/160-350，流量600sccm，經(jīng)測試應(yīng)力由原2×109dyn/cm2降到了約5×108dyn/cm2，鈍化后擊穿電壓較原常規(guī)條件鈍化后擊穿電壓提高1-2V。
每次介質(zhì)生長后，通過常規(guī)的光刻、干法刻蝕、去膠等工藝步驟實現(xiàn)鈍化介質(zhì)的選擇刻蝕。
第二次鈍化完成后，我們引入聚酰亞胺(PPI)材料作第三次鈍化。第三次鈍化膜用作塑封料和芯片之間的應(yīng)力匹配緩沖層。由于PPI膜的介電常數(shù)為2.6，對器件的電性能影響較?。籔PI優(yōu)異的延展性能能抵銷塑封料的應(yīng)力沖擊；PPI還具有優(yōu)異的抗水汽滲透能力，保護(hù)芯片特別是在高溫、高壓、高濕環(huán)境條件下免受環(huán)境沖擊。
我們獨有的PPI膜工藝技術(shù)保證了所制備的PPI膜具備以上三方面的優(yōu)異性能。工藝方法如下涂膠2000-5000rpm，時間30秒烘膠100-120℃曝光I-Line曝光系統(tǒng)，劑量1000-1200mj/cm顯影顯影液cyclopatanone，時間30″熱處理室溫-300℃，時間3-5小時。
PPI膜工藝技術(shù)完成后，對圓片上的全部管芯進(jìn)行直流參數(shù)測試，證明PPI工藝前后飽和電流，夾斷電壓，反向擊穿電壓等關(guān)鍵器件參數(shù)變化率小于2％，成品率變化小于1％。
本發(fā)明的優(yōu)點(1)本發(fā)明能夠滿足IEC標(biāo)準(zhǔn)749Ⅲ,4C，即取樣數(shù)76只，96小時，2個大氣壓，零失效。
(2)該鈍化方法是低應(yīng)力Si3N4膜和高可靠PPI膜的完美結(jié)合，同時在Si3N4制作工藝和PPI工藝中還應(yīng)充分考慮了兩者的匹配問題1)應(yīng)力匹配；2)介面匹配。應(yīng)力匹配解決了PPI膜應(yīng)力緩沖的寬容度問題；介面匹配解決了Si3N4膜與PPI膜的粘接問題。Si3N4的生長工藝中通過控制諸多因素，使得Si3N4質(zhì)地致密，吸附水汽性下降，為PPI膜與Si3N4的高質(zhì)量粘接創(chuàng)造了必要條件。PPI膜工藝中的臺階步進(jìn)烘膠工藝均勻線性地排除溶劑，在質(zhì)量的垂直分布上有良好的均質(zhì)，充分保證了在整個3英寸面積上PPI膜與Si3N4的均勻粘附。
(3)該鈍化方法和砷化鎵芯片工藝完全兼容，制作簡單可靠，成本低，適合于批量制作，是一種實用的塑封芯片鈍化方法。
(4)該方法同樣適用于除硅以外的磷化銦，氮化鎵等化合物半導(dǎo)體和光電器件及IC電路的塑封鈍化，因此具有十分廣闊的應(yīng)用推廣前景。
實施例(1)砷化鎵單刀雙擲單片IC的鈍化芯片面積1200×1000μm2,3英寸圓片制作。首先采用如下的介質(zhì)鈍化方法第一次保護(hù)介質(zhì)生長，溫度為170℃，壓力700mTorr，功率25W，氣體比例NH3/SiH4/3/150，流量600sccm，生長時間15分鐘。
第二次保護(hù)介質(zhì)生長，溫度分別為180℃/220℃，功率分別為20W/25W，各生長4分鐘，壓力900mTorr，氣體比例NH3/SiH4/8/350，流量600sccm。
第三次PPI鈍化，條件為涂膠3500，時間30秒烘膠110℃曝光I-Line曝光系統(tǒng)，劑量1150mj/cm2顯影顯影液cyclopatanone，時間30″熱處理室溫-300℃，時間4小時。
SOT23-6L封裝，塑封料為日本Nitto公司8000。封裝后器件主要直流參數(shù)變化不明顯，說明塑封應(yīng)力被有效的抵銷。根據(jù)IEC(國際電工)749Ⅲ,4C，隨機抽取76樣品，121攝氏度，96小時，2個大氣壓下進(jìn)行PCT試驗，要求零失效。參照硅器件測試標(biāo)準(zhǔn)通常PCT試驗后允許器件反向漏電參數(shù)數(shù)值變化一倍。我們在PCT試驗后在同一測試標(biāo)準(zhǔn)下，對76只試驗器件進(jìn)行直流測試，結(jié)果表明試驗前后所有器件反向漏電變化小于50％，夾斷電壓變化小于10％，飽和電流變化小于10％。證明76只試驗器件反向漏電變化在規(guī)范范圍內(nèi)，全部通過PCT試驗，鈍化方法是成功的。(1)砷化鎵雙刀雙擲單片IC的鈍化芯片面積1300×1100μm2,3英寸圓片制作。首先采用如下的介質(zhì)鈍化方法第一次保護(hù)介質(zhì)生長，溫度為210℃，壓力1000mTorr，功率35W，氣體比例NH3/SiH4/5/350，流量600sccm，生長時間12分鐘。
第二次保護(hù)介質(zhì)生長，溫度分別為200℃/220℃，功率分別為25W/35W，各生長8分鐘，壓力900mTorr，氣體比例NH3/SiH4/4/250，流量600sccm。
第三次PPI鈍化，條件為涂膠5000rpm，時間30秒烘膠115℃曝光I-Line曝光系統(tǒng)，劑量1000mj/cm2顯影顯影液cyclopatanone，時間30″熱處理室溫-300℃，時間3小時MSOP-8封裝，塑封料為日本Nitto公司7400，封裝后器件主要直流參數(shù)變化不明顯，說明塑封應(yīng)力被有效的抵銷。根據(jù)IEC(國際電工)749Ⅲ,4C，隨機抽取76樣品，121攝氏度，96小時，2個大氣壓下進(jìn)行PCT試驗，要求零失效。參照硅器件測試標(biāo)準(zhǔn)通常PCT試驗后允許器件反向漏電參數(shù)數(shù)值變化一倍。我們在PCT試驗后在同一測試標(biāo)準(zhǔn)下，對76只試驗器件進(jìn)行直流測試，結(jié)果表明試驗前后所有器件反向漏電變化小于20％，夾斷電壓變化小于10％，飽和電流變化小于10％。證明76只試驗器件反向漏電變化在規(guī)范范圍內(nèi)，全部通過PCT試驗，鈍化方法是成功的。(2)砷化鎵功率場效應(yīng)管的鈍化芯片面積540×300μm2,3英寸圓片制作。首先采用如下的介質(zhì)鈍化方法第一次保護(hù)介質(zhì)生長，溫度為200℃，壓力1100mTorr，功率40W，氣體比例NH3/SiH4/5/250，流量600sccm，生長時間12分鐘。
第二次保護(hù)介質(zhì)生長，溫度分別為190℃/210℃，功率分別為40W/50W，各生長7分鐘，壓力900mTorr，氣體比例NH3/SiH4/6/350，流量600sccm。
第三次PPI鈍化，條件為涂膠2000rpm，時間30秒烘膠110℃曝光I-Line曝光系統(tǒng)，劑量1200mj/cm2顯影顯影液cyclopatanone，時間30″熱處理室溫-300℃，時間3.5小時。
SOT-89封裝，塑封料為日本samitomo公司6710s，封裝后器件主要直流參數(shù)變化不明顯，說明塑封應(yīng)力被有效的抵銷。根據(jù)IEC(國際電工)749Ⅲ,4C，隨機抽取76樣品，121攝氏度，96小時，2個大氣壓下進(jìn)行PCT試驗，要求零失效。參照硅器件測試標(biāo)準(zhǔn)通常PCT試驗后允許器件反向漏電參數(shù)數(shù)值變化一倍。我們在PCT試驗后在同一測試標(biāo)準(zhǔn)下，對76只試驗器件進(jìn)行直流測試，結(jié)果表明試驗前后所有器件反向漏電變化小于15％，夾斷電壓變化小于10％，飽和電流變化小于10％。證明76只試驗器件反向漏電變化在規(guī)范范圍內(nèi)，全部通過PCT試驗，鈍化方法是成功的。
權(quán)利要求
1．一種用于塑封的砷化鎵芯片鈍化方法，其特征在于a．第一次保護(hù)介質(zhì)生長在完成柵制作后立即進(jìn)行，介質(zhì)生長條件為170-220℃，壓力700-1100mTorr，功率20-50W，氣體比例NH3/SiH4/3-6/150-350，流量600sccm，生長時間15-35分鐘；b．第二次保護(hù)介質(zhì)生長將常規(guī)生長的介質(zhì)膜通過功率、溫度的改變分段淀積；c．第三次純化膜聚酰亞胺(PPI)用作塑封料和芯片之間的應(yīng)力匹配緩沖層，PPI膜工藝方法如下涂膠2000-5000rpm，時間30秒烘膠100-120℃曝光I-Line曝光系統(tǒng)，劑量1000-1200mj/cm2顯影顯影液cyclopatanone，時間30″熱處理室溫-300℃，時間3-5小時。
2．根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于塑封的砷化鎵芯片鈍化方法，其特征在于第二次保護(hù)介質(zhì)生長的溫度分別為170-220℃/170-220℃，功率分別為20-50W/25-50W，各生長4-10分鐘，壓力900mTorr，氣體比例NH3/SiH4/3-8/160-350，流量600sccm。
全文摘要
本發(fā)明為提高砷化鎵塑封芯片抗外界潮熱環(huán)境可靠性提供一種用于塑封的砷化鎵芯片鈍化方法,該方法的核心由兩部分組成,一是低應(yīng)力氮化硅(Si
文檔編號H01L23/58GK1325132SQ0111373
公開日2001年12月5日 申請日期2001年6月29日 優(yōu)先權(quán)日2001年6月29日
發(fā)明者李拂曉, 蔣幼泉, 徐筏樂, 鈕利榮, 楊乃彬, 邵凱 申請人:信息產(chǎn)業(yè)部電子第五十五研究所