5 V雙向TVS器件表面缺陷改善

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(hù)的半導(dǎo)體器件，被廣泛應(yīng)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(shí)提供正、反兩個(gè)方向的保護(hù)，市場需求量較大。5 V雙向TVS產(chǎn)品主要應(yīng)用在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、手機(jī)等各種消費(fèi)類電子的5 V工作電壓電源端口保護(hù)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(shí)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(dǎo)致產(chǎn)品出現(xiàn)低良率報(bào)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(jī)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(shí)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(jìn)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?fù)诫s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(shí)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(jìn)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(fù)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(jìn)行500顆芯片（整片共320000顆芯片）抽樣測試，測試項(xiàng)目有4項(xiàng)，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(shí)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(xiàng)為在5 V電壓條件下測試漏電流超出規(guī)范上限，實(shí)際測得正向漏電電流IR1=2.8μA，漏電已經(jīng)達(dá)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(jìn)行測試，設(shè)置電壓步長為0.5 V，每施加一次電壓信號，對芯片進(jìn)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(dāng)器件施加正向電壓時(shí)，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(dāng)電壓達(dá)到6 V時(shí)，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(shí)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(dāng)器件施加反向電壓時(shí)，正常芯片當(dāng)電壓達(dá)到-6.5 V時(shí)，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(shí)，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(biāo)記為漏電失效芯片，綠色標(biāo)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(yīng)包括體內(nèi)漏電流（IRD）和表面漏電流（IS）兩個(gè)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(jìn)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(gè)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(dǎo)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(jìn)行缺陷腐蝕分析，首先將芯片的表面金屬層和氧化層進(jìn)行腐蝕，將硅材料裸露出來，然后對硅材料進(jìn)行缺陷腐蝕，缺陷腐蝕后對整個(gè)硅表面進(jìn)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(diǎn)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(diǎn)，導(dǎo)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?yàn)?200℃60 min（溫度高且時(shí)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(kuò)散出來，在爐管設(shè)備中氣體的運(yùn)輸下，離子雜質(zhì)會擴(kuò)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(dāng)對芯片施加正向擊穿電壓時(shí)，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(dǎo)，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(dāng)對芯片施加反向擊穿電壓時(shí)，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(yàn)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(shí)確保其他性能參數(shù)不變的情況下，對原退火程序進(jìn)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(shí)間高溫退火過程中從高濃度外延中擴(kuò)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(yàn)證工藝優(yōu)化效果，對不同退火工藝進(jìn)行小批量（24片）驗(yàn)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(dá)到99%以上，滿足產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

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(kuò)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(xiàng)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。