降低瞬态管三温测试时关键电参数的漂移

谢静

摘要：瞬变电压抑制二极管，关键电参数指击穿电压VBR与漏电流IR。进行三温测试时，测试条件为：击穿电压VBR在25℃、-55℃时的测试值之差的绝对值与漏电流IR在25℃、150℃时的测试值之差的绝对值。二极管的三温测试实际测试的是器件电参数的温度漂移，考核了器件的温度稳定性。有效降低瞬态管的三温测试时关键电参数漂移，器件温度稳定性就越高，器件的可靠性也就越高。

关键词：瞬态管;三温测试

瞬变电压抑制二极管三温测试时关键电参数有击穿电压VBR和漏电流IR两个量。关键电参数漂移直接反映器件电参数的温度稳定性，其值越小时器件温度稳定性也越好，使用环境也更广。三温测试中电参数漂移量与产品的测试筛选过程无关，主要由芯片本身的状态决定。因此，影响芯片电参数温度漂移的主要工序为前部芯片制造工序。

一、击穿电压V自身温度漂移

二极管PN结本生具有一定的温度系数，正向压降VF为负温度系数，反向击穿电压V具有正温度系数，击穿电压的漂移系数约为1.7mV/℃。温度越高时，击穿电压V越大，这是硅材料PN结的物理特性之一，对单个硅PN结而言，该漂移无法消除。

可以用正向PN的负温度系数来补偿反向PN结的正温度系数，但对于击穿电压较高的PN结，需要补偿的正向PN结数量较多，因此该方法一般不用于击穿电压相对较高的二极管。

根据半导体理论，瞬变电压抑制二极管实际器件和理想PN之间存在一定的差异，主要表现在实际器件存在很多寄生效应上，如：欧姆结电阻、体电阻、电容效应、台面漏电流、封装材料绝缘电阻等。以上寄生效应中，电阻具有明显的温度特性，试验表明，这些电阻均具有正温度系数，温度越高电阻值越大。当电阻与二极管串联，流过一定电流时，两端的压降也越大。而电容效应仅限制器件的工作电压频率，在直流或低频电压信号下呈现的交流阻抗极大，可以忽略。

由上述分析可知，要减小瞬态管反向击穿电压的漂移，需要降低芯片的欧姆结电阻和增加PN结保护材料的稳定性。

二、漏电IR温度漂移的影响因素

根据半导体理论，PN结反向漏电流应维持在一个固定值上，实际器件由于其他半导体效应的影响会偏离理论值，表现为实际值大于理论值，这些效应包括表面效应、势垒区中的产生和复合、大注入条件、串联电阻，试验表明，这些效应在实际器件中对漏电流漂移的影响较小。瞬态管漏电流是PN结自身漏电流与PN结表面漏电流之和。

（一）PN结漏电流

PN结漏电流是PN结特性之一，是由载流子浓度差引起的扩散运动和外加电场作用引起的漂移运动共同作用的结果。随温度的升高，该漏电流随之增大，但反偏电压、环境温度一定时，PN结漏电流应维持在一定范围，有小范围波动，且该参数作为PN结基本特性之一，无法消除。

（二）PN结表面漏电流

表面漏电流指PN结耗尽区表面由可移动导电粒子形成的电流。该电流大小取决于污染粒子总数、反偏电压大小、环境温度。可移动污染粒子总数，是一个变量，它们沾污在PN结耗尽区裸露部分，由空气、芯片装载体、清洗液中的污染粒子引入。对同一只器件而言，常温与高温条件下的污染粒子数并不相等，原因在于PN结台面保护材料对污染粒子具有一定的束缚能力，性能越稳定、结构越致密的保护材料对污染粒子的束缚能力就越强。常温时，大部分污染粒子被束缚在体内无法移动。随着温度升高时，污染粒子的能量也开始增加，粒子自身振动变得更剧烈，表现得更活跃。同时，高温条件下，PN结钝化保护材料的稳定性斤始下降，此消彼长，最终表现是，同一反偏电压下，高温漏电I远大于常温漏电I。

从上迷分析可知，要减小漏电流的温度漂移，首先要减少PN结被可移动导电粒子污染的可能，要求芯片生产在无尘环境下进行，且减少PN结表面暴露在空气中的时间。其次，要求PN结钝化保护材料具有较高的温度稳定性和粒子束缚能力。

三、降低三温漂移的措施

扩散工艺、PN结保护工艺均会导致瞬态管在三温测试时电参数发生较大漂移。改善或改变两个工序，采用更新更可靠的技术制作芯片，可以降低三温测试时关键电参数的漂移。

（一）纸源扩散代替涂源扩散

纸源扩散，采用纸状扩散源来进行扩散。传统的涂源方式是将扩散源配制成饱和容易，涂覆到硅片上，其缺点是扩散源分布不均匀，扩散后的结深差别较大。纸源是将扩散源制作成固态纸状源，扩散时放置于硅片上直接进行扩散，纸源扩散最大优势是可以保证扩散源浓度一致性好，在同一扩散条件下，可以得到较为一致的结深和较小的欧姆接触电阻，纸源扩散后的硅片见下图，A区与B区结深及欧姆结电阻基本一致。

纸源扩散的另一个优势是可以同时进行磷扩散和硼扩散，将原来的二次扩散合并为一次扩散，操作简单，减少硅片反复处于高温状态后带来的晶格缺陷，提高产品可靠性。

（二）玻璃内钝化保护代替涂胶保护

玻璃内钝化工艺，是半导体分立器件PN结保护主要工艺之一。其工艺流程为：在扩散完成的硅片上刻蚀玻璃粉涂覆槽，将配制好的玻璃浆涂覆在槽内，再通过一定温度成型。用玻璃内钝化来保护PN结表面。

玻璃粉主要组成成分是硅的化合物，可以很容易与硅材料匹配，同时玻璃粉为非晶结构，在成型时对PN结表面的污染粒子具有极强的吸附能力，成型后的玻璃結构也更稳定，不容易出现老化。

四、结论

在瞬态电压抑制二极管制作过程中，采用纸状源进行磷硼扩散，同时采用玻璃内钝化工艺，将有助于降低瞬态管三温漂移，提高器件温度稳定性和可靠性。