多晶硅發(fā)射極晶體管放大系數(shù)穩(wěn)定性研究

（無(wú)錫中微晶園電子有限公司，江蘇無(wú)錫 214035）

1 引言

多晶硅發(fā)射極晶體管（Ploysilicon Emitter Transistor,PET）因其具有諸多優(yōu)點(diǎn)，如淺結(jié)、易與CMOS 工藝兼容、超增益等，目前已成為超大規(guī)模半導(dǎo)體集成電路的主要雙極型器件。通常認(rèn)為，多晶硅發(fā)射極的多晶硅與硅襯底之間需要一層薄二氧化硅介質(zhì)層，這樣載流子可以從多晶硅發(fā)射極隧穿進(jìn)入硅襯底。二氧化硅層對(duì)電子和空穴構(gòu)成的勢(shì)壘高度不同，導(dǎo)致了電子和空穴的隧穿幾率存在一定的差異，因而有利于提高發(fā)射結(jié)的注入效率和晶體管的電流放大系數(shù)。但當(dāng)二氧化硅層厚度超過(guò)一定值時(shí)，則會(huì)對(duì)隧穿多子的流動(dòng)產(chǎn)生阻礙作用，引起發(fā)射區(qū)電阻的增大，降低注入效率和放大系數(shù)。因此，獲得一致性好、重復(fù)性高且滿足多晶硅發(fā)射極晶體管放大系數(shù)要求的二氧化硅界面層的工藝控制至關(guān)重要[1-2]。

另一方面，基區(qū)與發(fā)射區(qū)的退火工藝決定了雜質(zhì)的濃度分布與結(jié)深，從而影響了晶體管的電流放大系數(shù)，因此確保退火工藝的穩(wěn)定性也是該工藝的關(guān)鍵控制點(diǎn)。本文針對(duì)界面氧化層的控制工藝和退火工藝進(jìn)行了研究，最終獲得了穩(wěn)定且滿足放大系數(shù)要求的多晶硅發(fā)射極晶體管。

2 多晶硅發(fā)射極晶體管工藝優(yōu)化

如圖1 所示為NPN 型PET 的工藝流程圖，其中基區(qū)氧化、多晶淀積、發(fā)射區(qū)退火為該工藝流程的關(guān)鍵控制工序。該NPN 型發(fā)射極晶體管的電流放大系數(shù)主要受到基區(qū)濃度、基區(qū)結(jié)深、發(fā)射區(qū)濃度、發(fā)射區(qū)結(jié)深以及多晶-單晶界面的影響。其中基區(qū)氧化與發(fā)射區(qū)退火分別決定著基區(qū)與發(fā)射區(qū)的濃度與結(jié)深。多晶-單晶界面層主要通過(guò)多晶淀積前的表面處理來(lái)控制。

圖1 NPN 型PET 的工藝流程圖

2.1 界面氧化層的控制

多晶硅發(fā)射極的關(guān)鍵工藝是LPCVD 淀積多晶硅前的界面處理過(guò)程。常見(jiàn)的處理方法主要分為兩類：一類是自然生長(zhǎng)的薄氧化層（0.2～2.0 nm），主要是低溫下的生長(zhǎng)過(guò)程，另一類是熱生長(zhǎng)的薄氧化層（大約1.0～1.5 nm）[1]，生長(zhǎng)溫度一般在700 ℃以上。通過(guò)對(duì)LPCVD 多晶淀積前的界面處理、多晶硅淀積工藝的優(yōu)化，可以獲得穩(wěn)定的自然氧化層。圖2、3 為實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中做的NPN 多晶硅發(fā)射極晶體管的剖面結(jié)構(gòu)圖及SEM 圖。

圖2 NON 型的PET 結(jié)構(gòu)圖

圖3 NPN 型多晶硅發(fā)射集晶體管SEM 照片

2.1.1 多晶淀積工藝控制

二氧化硅介質(zhì)層有利于提高PET 的放大系數(shù)，但較厚的二氧化硅介質(zhì)層會(huì)導(dǎo)致載流子的輸送受阻，串聯(lián)電阻增加，最終使得發(fā)射效率變差。因此，應(yīng)盡可能減薄界面二氧化硅介質(zhì)層的厚度。

對(duì)于半導(dǎo)體芯片前道制造工藝中的標(biāo)準(zhǔn)RCA 清洗過(guò)程，其對(duì)表面缺陷的控制必不可少，如減少顆粒，但清洗液中的過(guò)氧化氫液體在70～90 ℃的溫度下分解產(chǎn)生的氧氣分子會(huì)與硅表面直接發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成極不穩(wěn)定的自然氧化層，從而增加氧化層的厚度，嚴(yán)重影響多晶硅界面薄氧化層厚度的穩(wěn)定性。為了去除這層自然氧化層，需在RCA 清洗工藝后增加一次DHF 清洗過(guò)程用于去除生成的自然氧化層[2]。

在DHF 清洗后至淀積多晶硅之間，襯底會(huì)在室溫下快速形成自然氧化層。目前情況下，對(duì)“自然氧化層”的具體成分還不能確定，目前認(rèn)為自然氧化層是由一些特殊的SiOx構(gòu)成（x＜2）[1]，自然氧化層厚度約為0.4～2 nm。為獲得更穩(wěn)定的二氧化硅界面，針對(duì)LPCVD 多晶硅的工藝控制如下：

a)提前將LPCVD 懸臂出舟，在硅片HF 清洗并甩干后，以最快的速度裝載好硅片；

b)硅片裝好后立即進(jìn)舟，進(jìn)舟過(guò)程中，使用8 L N2對(duì)LPCVD 爐管進(jìn)行吹掃，一方面排出爐管內(nèi)的空氣，另一方面對(duì)硅片在進(jìn)舟過(guò)程中進(jìn)行N2保護(hù)；

c)完成進(jìn)舟后，立即對(duì)LPCVD 爐管抽真空，待抽到本底壓力2.66 Pa 后開(kāi)始運(yùn)行程序，確保硅片甩干后至LPCVD 開(kāi)始工藝時(shí)間控制在15 min 以內(nèi)；

d)硅片放在LPCVD 的固定舟位，每爐僅做一個(gè)舟位，以改善批間一致性。

2.1.2 界面氧化層厚度監(jiān)控

PET 的多子、少子均通過(guò)多晶-單晶界面和多晶硅膜來(lái)進(jìn)行輸運(yùn)，因此，穩(wěn)定的多晶界面氧化層對(duì)HFE 的穩(wěn)定性有著顯著的影響[3-4]。自然生長(zhǎng)的界面氧化層在未進(jìn)行控制的情況下，受LPCVD 的進(jìn)出舟速率、環(huán)境溫度與氣氛、停滯時(shí)間等因素的影響，呈現(xiàn)比較隨機(jī)的波動(dòng)[5]。如圖4 所示，工藝優(yōu)化前界面氧化層厚度在0.6～1.6 nm 之間波動(dòng)，采用2.1.1 所述的工藝控制方案后，其厚度可穩(wěn)定在0.6～0.8 nm 之間，且具有良好的可重復(fù)性。

圖4 多晶工藝優(yōu)化界面氧化層厚度監(jiān)控

2.2 基區(qū)與發(fā)射區(qū)退火工藝的優(yōu)化

退火工藝的主要工藝參數(shù)有退火溫度和退火時(shí)間，其中退火溫度是控制的關(guān)鍵[6]。通過(guò)大量的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，如退火工藝對(duì)注入雜質(zhì)方塊電阻的影響，確認(rèn)如下措施對(duì)退火工藝的一致性有較大的改善作用：

a)通過(guò)周期性的厚度變化來(lái)監(jiān)控退火溫度點(diǎn)的穩(wěn)定性；

b)退火時(shí)爐內(nèi)放滿硅片，以保持爐內(nèi)氣氛穩(wěn)定；

c)固定工藝舟位，以確保圓片位于一致的恒溫區(qū)內(nèi)；

d)降低升降溫速率，以避免升降溫過(guò)程中的熱過(guò)沖，使熱過(guò)程更加平穩(wěn)。

3 結(jié)果與討論

根據(jù)上述多晶淀積以及退火工藝的優(yōu)化，該多晶發(fā)射極晶體管的放大系數(shù)以及集電極-發(fā)射極測(cè)試的數(shù)據(jù)對(duì)比如圖5～8 所示，圖5 與圖6 分別為工藝優(yōu)化前后整批24 片圓片的HFE 的箱線圖。

從圖5 可以看出，工藝優(yōu)化前HFE 的片內(nèi)分布離散性較大，在150～300 之間均有分布，其片內(nèi)均勻性在30%左右，從整批24 片的情況來(lái)看，均值分布在160～210 之間，整體呈輕微的波浪形波動(dòng)，片間均勻性約12%。圖6 為工藝優(yōu)化后的HFE 箱線圖，其片內(nèi)分布的離散性有明顯的改善，從約30%下降至20%；整批24 片的波動(dòng)情況也有顯著改善，片間均勻性從12%下降至9%，同時(shí)該產(chǎn)品成品率可提升10%左右。

圖5 工藝優(yōu)化前整批HFE 箱線圖

圖6 工藝優(yōu)化后整批HFE 箱線圖

圖7 是工藝優(yōu)化后不同基極電流（IB）下的集電極電流（IC）放大曲線，可以看到IB從70 nA 到135 nA，電流放大系數(shù)HFE 變化穩(wěn)定。圖8 是工藝優(yōu)化前后集電極到發(fā)射極VCE擊穿電壓特性曲線，可以看到擊穿前漏電流在pA 量級(jí)，且優(yōu)化前后對(duì)擊穿電壓影響較小，電流放大系數(shù)及擊穿參數(shù)均滿足產(chǎn)品性能要求。

圖7 優(yōu)化后器件HFE 特性曲線

圖8 優(yōu)化前后器件BV 特性曲線

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)多晶淀積工藝的控制，獲得0.6～0.8 nm 穩(wěn)定的界面氧化層，同時(shí)進(jìn)一步加強(qiáng)了基區(qū)與發(fā)射區(qū)退火工藝的熱穩(wěn)定性，使多晶硅發(fā)射極晶體管HFE 的片內(nèi)及片間均勻性得到有效改善，提升在線產(chǎn)品的成品率。