Мощные высокочастотные транзисторы (стр. 24 )

Основными мероприятиями являются следующие:

1.  Совершенствование технологических операций и процессов, на­правленное на устранение причин потенциальных отказов.

2.  Создание системы контрольных и проверочных операций, поз­воляющих оценивать правильность выполнения и поддерживать на требуемом уровне основные технологические операции.

3.  Создание системы тест-структур.

4.  Проведение необходимых технологических испытаний.

5.  Создание системы цеховых отбраковок, включающей обеспе­чение запасов по основным параметрам приборов.

Рассмотрим, что представляют эти мероприятия при производ­стве мощных ВЧ транзисторов.

Совершенствование технологических операций. Приведем неко­торые примеры совершенствования технологических операций, на­правленные на повышение надежности приборов.

Источником деградационных и катастрофических отказов могут быть попадающие на полупроводниковые пластины загрязнения. В связи с этим большое внимание следует уделять дополнительным мерам по очистке используемых в технологии газов, воды, раство­рителей и химических веществ, а также снижать запыленность в тех­нологических помещениях и рабочих скафандрах. Необходимо тща­тельно выполнять такие операции, как подготовка кремниевых пла­стин к различным технологическим процессам, отмывка и очистка пластин. Недостаточная отмывка после травления во время фотоли­тографии по алюминию может, например, стать причиной коррози­онных процессов, которые могут сначала вызвать деградационные явления, а затем катастрофический отказ. Такие же последствия мо­жет иметь применение флюса при операциях, связанных с пайкой или облуживанием. Наличие следов флюса может стать причиной последующей коррозии. В связи с этим необходимо принимать меры, позволяющие избавиться от флюса: проводить пайку в инертной или восстановительной среде, тщательно очищать облужнваемые поверх­ности, применять предварительное облуживание.

Надо отметить, что не всегда мероприятия, препятствующие по­паданию загрязнений на поверхность пластин, дают результаты. На пластинах могут остаться подвижные ионы, например ионы натрия, которые создадут на поверхности или в защищающем ее окисле по­движные заряды и станут причиной деградационных изменений — дрейфа обратного тока и снижения пробивного напряжения.

Разработаны специальные технологические мероприятия, позво­ляющие резко уменьшить подобный дрейф, несмотря на наличие на поверхности полупроводниковых пластин подвижных ионов. К таким мероприятиям относится, например, нанесение на поверхность пла­стин стабилизирующих покрытий. Так, если вслед за второй стадией диффузии эмиттерной примеси нанести с помощью пиролитического осаждения на поверхность пластины с транзисторными структурами слой фосфорно-силикатного стекла, подвижные ионы, обладающие высокой растворимостью в стекле, соберутся в нем и не будут вы­зывать дрейфа тока и снижения пробивного напряжения [45]. Су­щественную роль в процессах стабилизации поверхности могут играть специальные термообработки с применением различных га­зовых сред.

Рис. 4.4. Слои металла, напыленные в обычной установке (а) и в установке с планетарным механизмом перемещения подложки (б)

Одна из причин, вызывающих деградационные и катастрофиче­ские отказы в мощных ВЧ транзисторах, — электромиграция. Ско­рость электромиграции сильно растет с увеличением плотности тока. В местах, где по каким-то причинам слой металлизации, по которой течет эмиттерный ток, имеет меньшую толщину, плотность тока рез­ко возрастает и скорость миграции значительно увеличивается. Та­ким местом может быть переход металлизации через ступеньку в защитном окисле. Если напыление ведется из одного источника на неподвижные пластины, то пленка будет иметь вид, показанный на рис. 4.4,а. Несколько лучший результат будет получен, если напыле­ние ведется из нескольких источников под разными углами. Однако достаточно уверенно избавиться от сильного утоньшения металли­зации при переходе через ступеньку в окисле удалось, применив для напыления специальные установки с планетарным механизмом пере­мещения подложек в процессе напыления. В этих установках за время напыления пластина оказывается под самыми разными угла­ми относительно источника, и в результате обеспечивается ее рав­номерная толщина (рис. 4.4,6).

При химическом процессе травления контактных окон в защит­ной пленке на поверхности полупроводника возможна ситуация, когда травление базовых и эмиттерных окон идет с разной скоро­стью. Кроме того, пленка под эмиттерным окном имеет меньшую толщину, чем под базовым. В результате защитная пленка в эмит-терных окнах может протравливаться сильнее, размеры окна сильно увеличатся и впоследствии возрастет вероятность закорачивания алюминия с базовой областью. Замена жидкостного химического травления сухим плазменным травлением, при котором не происхо­дит бокового подтравливания обрабатываемого защитного слоя, позволила устранить этот источник потенциальной ненадежности приборов (рис. 4.5).

Рис. 4.5. Жидкостное (а) и плазменное (б) травления окисла

Надежность мощных ВЧ транзисторов очень сильно зависит от качества напайки кристалла на основание корпуса. Для повышения качества напайки используется ряд мероприятий: пайка ведется в нейтральной среде; количество эвтектического сплава золото — кремний, используемого при пайке, берется достаточно большим для того, чтобы свести к минимуму вероятность появления несмоченных мест и пустот; иногда пайка проводится с использованием ультра­звука. Однако осуществление процесса пайки в значительной степе­ни зависит от искусства оператора. Поэтому в виде дополнительной технологической меры повышения качества пайки иногда ее разби­вают на две операции: предварительно облуживают кристалл и, только убедившись в том, что вся поверхность облудилась, напаи­вают его на основание корпуса.

Создание системы контрольных и проверочных операций. Очень важную роль в обеспечении надежности приборов играют меры, свя­занные с организацией технологического контроля. Несмотря на вы­сокую трудоемкость и большую сложность многих контрольных опе­раций, их приходится вводить практически после каждой технологи­ческой операции. После многих операций проводится визуальный контроль невооруженным глазом или с помощью микроскопа. Ви­зуально контролируется чистота поверхности пластин после их под­готовки, после диффузионных операций, после нанесения защитных слоев, контролируется качество фотолитографических и качество сборочных операций.

Исходные материалы, применяемые в технологическом процессе (эпитаксиальные структуры, газы, вода, растворители, кислоты и хи­мические реактивы), подвергаются входному контролю.

При входном контроле исходных эпитаксиальных структур про­веряются их электрофизические параметры, а также соответствие плотности разного вида дефектов допустимым значениям. Газы проверяют на содержание в них паров воды и кислорода (для инерт­ных газов и азота). При контроле воды в первую очередь прове­ряют ее удельное сопротивление (если речь идет о деионизованной воде), а также отсутствие в ней нерастворимых примесей.

После создания диффузионных областей проверяют их глубину, содержание вводимых примесей (по поверхностному электрическому сопротивлению) и качество поверхности. После создания защитных и изолирующих слоев проверяют их толщину и отсутствие в них дефектов. В металлизированных слоях контролируют их толщину. После фотолитографических операций проверяют размеры создавае­мых областей, качество края полученного изображения, отсутствие дефектов типа невытравленных участков (островков) или участков, вытравившихся там, где это недопустимо; проверяют отсутствие следов неснятого фоторезиста, а также то, прошло ли травление до конца там, где оно осуществлялось.

Там, где можно организовать проверку электрических характе­ристик создаваемых структур, эта проверка вводится сразу. Так, уже после создания базовых областей проводится проверка их про­бивного напряжения. Различные электрические параметры контроли­руются на разных стадиях изготовления кристалла и сборки тран­зистора. Особое значение для мощных ВЧ транзисторов имеют такие контрольные операции, как проверка допустимой статической мощ­ности рассеяния и проверка отсутствия горячих пятен. Для провер­ки отсутствия горячих пятен используют специальные инфракрасные микроскопы (тепловизоры), в которых инфракрасное излучение, испускаемое прибором, нагреваемым электрическим током, воспри­нимается чувствительным к ИК излучению видиконом и преобра­зуется в изображение на экране телевизора. Яркость на этом изо­бражении соответствует температуре, до которой нагрет изображае­мый участок структуры. С помощью тепловизора удается весьма значительно снизить вероятность вторичного пробоя как на после­дующих стадиях проверки прибора (в том числе на квалификацион­ных испытаниях), так и при его эксплуатации.

Технологическому контролю подвергается прочность приварки внутренних выводов, для чего проводится выборочный отрыв выво­дов с помощью динамометра. Это испытание можно упростить, отка­завшись от динамометра и потребовав, чтобы сам вывод рвался раньше, чем оторвется место его приварки к кристаллу или корпусу.

Важную роль играет контроль внешнего вида кристаллов перед сборкой и собранных приборов перед герметизацией. При контроле готовых кристаллов на них могут быть обнаружены такие потенци­альные источники ненадежности, как царапины на алюминиевой ме­таллизации и микротрещины, возникшие после резки. В том месте, где есть царапина, уменьшается толщина металлизации и растет вероятность миграции. Неотбракованный кристалл с микротрещиной впоследствии в результате механических воздействий может разру­шиться. Важным моментом контроля собранного прибора перед его герметизацией является обнаружение металлических частиц. Нали­чие посторонних частиц в загерметизированном приборе может впо­следствии привести к замыканию между электродами и к выходу прибора из строя.