陳正才

（無錫華普微電子有限公司，江蘇無錫 214035）

1 引言

TVS是一種用于電壓瞬變和浪涌防護的半導體器件，被廣泛應用在各類電子產(chǎn)品中，以提高產(chǎn)品的安全性和可靠性[1-3]，TVS分為單向和雙向兩種不同極性，雙向TVS因能夠同時提供正、反兩個方向的保護，市場需求量較大。5 V雙向TVS產(chǎn)品主要應用在計算機系統(tǒng)、手機等各種消費類電子的5 V工作電壓電源端口保護中，在批量生產(chǎn)過程中，對每片晶圓的良率有較高的要求（業(yè)界水平不小于98%），然而，在實際生產(chǎn)的過程中，常因材料片電阻率、工藝過程、沾污、缺陷等異常導致產(chǎn)品出現(xiàn)低良率報廢，對產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)成本造成巨大影響。因此，對工藝過程能力控制提出了較高的要求，并且需要持續(xù)優(yōu)化工藝條件，提升產(chǎn)品良率。

本文分析了造成晶圓邊緣漏電異常的原因及內(nèi)部機理，研究了工藝對晶圓邊緣處器件漏電的影響，結(jié)合現(xiàn)有的工藝條件，提出了工藝優(yōu)化方法，改善了器件表面缺陷，解決了5 V雙向TVS器件的良率問題，實現(xiàn)了片內(nèi)良率由93%至99%以上的提升。

2 5 V雙向TVS器件結(jié)構(gòu)

在CMOS工藝下制備的5 V雙向TVS器件的結(jié)構(gòu)剖面如圖1所示，首先在N-型襯底上制備了P-型外延，形成PN結(jié)，使其具有一定的反向擊穿電壓。經(jīng)過光刻工藝，在P型外延上形成N型窗口，然后進行砷離子注入，通過1200℃60 min的高溫退火工藝將注入的離子充分激活，表面形成重摻雜的N型（N+）區(qū)域，N+結(jié)深度約1μm，以保證器件具有合適的正向擊穿電壓[4-5]。通過深槽腐蝕工藝，實現(xiàn)trench隔離，深槽的刻蝕深度為12.5μm，采用二氧化硅和多晶填充對深槽進行填充。最后通過金屬蒸發(fā)工藝形成電極，5 V雙向TVS正面金屬形成的電極為正極，襯底形成的電極為負極。

圖1 5 V雙向TVS器件結(jié)構(gòu)剖面

3 表面缺陷異常分析與優(yōu)化

3.1 電性能異常描述

5 V雙向TVS產(chǎn)品在工藝完成后，進行500顆芯片（整片共320000顆芯片）抽樣測試，測試項目有4項，分別為正向擊穿電壓（VBR1）、反向擊穿電壓（VBR2）、正向漏電流（IR1）、反向漏電流（IR2）。產(chǎn)品在批量生產(chǎn)過程中，出片抽樣測試時出現(xiàn)良率不穩(wěn)定，異常片的片內(nèi)平均良率只有93%，正常芯片與失效芯片測試結(jié)果如表1所示，失效項為在5 V電壓條件下測試漏電流超出規(guī)范上限，實際測得正向漏電電流IR1=2.8μA，漏電已經(jīng)達到微安量級，正常芯片在同樣條件下測得漏電流IR1=0.5 nA。

表1 正常芯片與失效芯片的測試結(jié)果

利用Keithley 4200-SCS型測試系統(tǒng)對正常和失效的TVS芯片進行測試，設置電壓步長為0.5 V，每施加一次電壓信號，對芯片進行漏電流測試，芯片的I-V特性曲線如圖2所示，其中，紅色曲線代表正常芯片I-V曲線，黑色曲線代表失效芯片I-V曲線。測試結(jié)果顯示，當器件施加正向電壓時，正常芯片在小于5.5 V電壓條件下漏電流很小，均在納安量級，當電壓達到6 V時，電流增至毫安量級，表明器件開啟；而異常芯片電壓為2 V時已觸發(fā)開啟，隨著芯片兩端電壓逐步增大，電流值急劇增大，出現(xiàn)軟擊穿，表明由N+和P型外延構(gòu)成的PN結(jié)已失效。當器件施加反向電壓時，正常芯片當電壓達到-6.5 V時，電流增至毫安量級，表明器件開啟；而異常芯片電壓加至9.5 V時，電流才增至毫安量級，反向擊穿電壓超出產(chǎn)品規(guī)范值。與正常芯片相比，失效芯片正向擊穿出現(xiàn)軟擊穿，電壓偏低，而反向擊穿電壓偏高，表明由N+、P-epi、N-sub等效的三極管器件異常，表面的N+P-結(jié)失效，即三極管結(jié)構(gòu)正向?qū)窂酱嬖诼╇娡ǖ?，由N+、P-epi、N-sub組成的三極管結(jié)構(gòu)退化為P-epi、N-sub二極管結(jié)構(gòu)。

圖2 正常芯片和失效芯片的I-V特性曲線

低良率片內(nèi)漏電流的分布情況如圖3所示，紅色標記為漏電失效芯片，綠色標記為漏電正常芯片。由圖3可知，所有失效的芯片均分布在晶圓的邊緣位置，其他位置無失效芯片。

圖3 低良率芯片漏電流分布情況

3.2 產(chǎn)品異常原因分析

PN結(jié)的漏電流應包括體內(nèi)漏電流（IRD）和表面漏電流（IS）兩個部分，漏電流可以寫為IR=IRD+IS。體內(nèi)漏電流產(chǎn)生的原因主要為表面PN結(jié)出現(xiàn)異常，而表面漏電流產(chǎn)生的原因主要為材料表面發(fā)生缺陷、沾污等異常。

首先，對失效芯片和正常芯片進行剖片分析，對比結(jié)果如圖4所示，經(jīng)SEM電鏡觀察，與正常芯片相比，異常芯片PN結(jié)深度正常，深溝槽深度和填充形貌正常，表面金屬等其他各個層次結(jié)構(gòu)未發(fā)現(xiàn)明顯差異，排除工藝波動和流片過程誤操作導致的芯片失效。

圖4 正常芯片和失效芯片的SEM圖

對失效芯片進行缺陷腐蝕分析，首先將芯片的表面金屬層和氧化層進行腐蝕，將硅材料裸露出來，然后對硅材料進行缺陷腐蝕，缺陷腐蝕后對整個硅表面進行SEM檢查，發(fā)現(xiàn)在trench內(nèi)部有源區(qū)有缺陷異常，缺陷點SEM圖如圖5所示。從缺陷腐蝕結(jié)果判斷，是由于芯片表面存在缺陷點，導致芯片漏電異常。

圖5 失效器件表面缺陷的SEM圖

5V雙向TVS產(chǎn)品材料片外延電阻率為0.015Ω·cm，雜質(zhì)濃度很高（雜質(zhì)濃度大于1017cm-3），制造流程中的退火工藝主程序為1200℃60 min（溫度高且時間長），晶圓在高溫爐管中按順序豎直放置在不同的石英舟卡槽上，爐管中氣流方向從爐尾吹向爐口，與晶圓表面垂直，在高溫退火過程中，高濃度P型外延中的離子雜質(zhì)會從硅片邊緣側(cè)壁中擴散出來，在爐管設備中氣體的運輸下，離子雜質(zhì)會擴散到相鄰晶圓邊緣表面處，從而使邊緣位置芯片的有源區(qū)形成固定電荷缺陷，示意圖見圖6，與低良片失效分布相吻合（晶圓邊緣位置失效）。由于N+區(qū)域存在的缺陷，當對芯片施加正向擊穿電壓時，由N+和P-epi構(gòu)成的PN結(jié)失效，電流優(yōu)先通過缺陷位置傳導，隨著電壓增加，漏電流逐漸增加，因此正向出現(xiàn)軟擊穿現(xiàn)象；當對芯片施加反向擊穿電壓時，反向擊穿電壓由三極管（N-sub、P-epi、N+）C-E結(jié)擊穿電壓(BVCEO)變成了N-sub和P-epi構(gòu)成的二極管擊穿電壓 (BVCBO)，由式（其中n是通常介于3～6之間的經(jīng)驗常數(shù)）可知，與正常芯片相比，反向擊穿電壓升高。

圖6 失效芯片表面缺陷形成示意圖

3.3 表面缺陷改善

為了避免由于高溫退火工藝雜質(zhì)離子析出對器件表面狀態(tài)的影響，同時確保其他性能參數(shù)不變的情況下，對原退火程序進行了優(yōu)化。在1200℃60 min退火工藝前，增加一步低溫氧化工藝，優(yōu)化前后程序?qū)Ρ热鐖D7所示。在高溫退火前，通過在有源區(qū)表面生長一定厚度且致密的氧化層，可以有效阻擋長時間高溫退火過程中從高濃度外延中擴散出來的雜質(zhì)離子對芯片表面的影響，消除了表面缺陷的產(chǎn)生。并且這部分氧化層是低溫工藝生長出來的，對退火工藝過程無影響，表面PN結(jié)深度無變化，產(chǎn)品擊穿電壓等其他參數(shù)與原工藝保持一致。

圖7 優(yōu)化前后退火工藝程序?qū)Ρ?/p>

為了驗證工藝優(yōu)化效果，對不同退火工藝進行小批量（24片）驗證，良率測試結(jié)果如圖8所示，其中，紅色曲線代表工藝優(yōu)化后的良率測試值，黑色曲線代表工藝優(yōu)化前的良率測試值，對比結(jié)果顯示，工藝優(yōu)化后，晶圓邊緣處的器件失效現(xiàn)象消失，片內(nèi)良率達到99%以上，滿足產(chǎn)品質(zhì)量標準。

圖8 退火工藝優(yōu)化前后產(chǎn)品良率分布情況

4 結(jié)論

通過對失效芯片剖片和片內(nèi)分布情況的分析，證明了晶圓邊緣漏電是由于高溫下高濃度摻雜襯底離子擴散析出，影響了邊緣器件有源區(qū)的表面狀態(tài)，形成了表面缺陷。通過調(diào)整退火工藝，改善了有源區(qū)缺陷，漏電電流得到優(yōu)化，其他各項參數(shù)均滿足產(chǎn)品要求，片內(nèi)良率由93%提升至99%，得到了顯著提升。