优化N型片基区工艺设计

【摘要】N型片单结软击穿这一技术难题长期困扰着我们的正常生产。通过优化N型片基区工艺设计，消除了单结软击穿的问题，并成功地用国产材料代替了进口材料，同时实现品质提升和成本降低的效果。

【关键词】基区；BVCEO；工艺优化

一、引言

N型片单结软击穿这一技术难题长期困扰着我们的正常生产，以前一直没有彻底解决，N型外延片一直采用进口外延片，成本高，原材料消耗大，市场竞争力低。长期以来，进口材料与国产材料，都会出现单结软击穿问题。怀疑基区扩散工艺有不完善的地方，需要优化。特别到了近年，N型片几乎所有品种软击穿问题表现突出，以致N型片几乎停产，本文由此着手分阶段提出几种方案进行试验，以期解决此技术难题。

二、试验思路与过程

由于之前工艺人员长期找不出影响单结软击穿的真正原因，于是重新查找相关资料，并与外部研究所进行探讨。

第1阶段：与国内研究所合作试验

3月初，针对该所N型外延片生产编号A005、B003、C012等品种时不断出现单结软击穿问题，随后与该所合作进行试验，从以下三点出发：

1）基区扩散工艺存在问题

2）基区离子注入前的干氧工艺

3）基区扩散前的清洗工艺

试验结果：在该所完成的芯片，经测试单结仍有软击穿；另一部分在该所完成前面工艺后在我方进行基区扩散工艺，也有软击穿，试验失败。

随后与外公司专家进行研讨，分析查找产生软击穿的症结。

第2阶段：与外公司专家研讨后的试验

与外公司专家研讨后进行的试验，目的是要解决其C012芯片一直出现的单结软击穿问题，经过9个方案的试验，其中最优的方案（图1便是该方案）虽然解决了单结软击穿的问题，但在随后的发射区磷淀积扩散后，又出现了另外一个问题：BVCEO软击穿，而且无法实现正常的直流增益（放大倍数很难调节，有小注入），单结软击穿问题从这一点来说，根本没有得以解决。

上述试验持续到3月底，在与外部专家研讨结束不久，部分单结正常的芯片在做发射区扩散时出现BVCEO软击穿，单结软击穿和双结漏电成了亟待解决的问题。通过对前面两个阶段试验的分析和思路整理，认为之前研究所方案与现有我方工艺基本一致，只是在H2、O2合成后加通15分钟TCA来消除H2、O2合成过程中产生的O+空位和Na+，只能改善SiO2层表面态；而外部专家提供的方案是在开始氧化同时进行TCA处理，时间长达60分钟以上，虽然消除了Si表面正电中心，解决单结软击穿，但同时在进行TCA处理过程中Cl2也腐蚀抛光表面（高倍显微镜下能观察到），同时严重影响了SiO2层致密性，造成发射区磷扩散时无法屏蔽磷杂质，三次检测BVCBO、BVCEO严重漏电，HFE有小注入现象，试验无法进行下去。最终确定从两方面入手：

1）单结软击穿方面：基区工艺中氧化前的表面改善，以免氧化过程中诱生太多的缺陷

2）双结漏电方面：怀疑基区离子注入采用NOVA1080新离子注入机注入条件与现有基区工艺不协调，初步确定通过加厚基区扩散时的氧化层，以使在后面的发射区磷淀积扩散时起到更好的隔离效果。

从上述思路出发，又进行了第三阶段的试验。

第3阶段：纯我方试验阶段

由上面两个思路出发，我方制定了3个试验方案，工艺技术人员在一个多月里加班加点进行试验比较：

1号方案（图2），是在第一阶段方案的基础上，适当缩短通TCA（三氯乙烷）的时间而形成，结果同原方案相同，单结正常，但直流增益无法完成，双结严重漏电。

2号方案（图3），是在1号方案的基础上去除通TCA而形成，效果不如1号方案，单结软击穿。

3号方案（图4），是在原我方基区工艺的基础上加以改进形成，改进的工艺步骤如图“*”所示：①1150℃高温扩散初始阶段的N2、Low O2由5分钟增加到15分钟，目的是形成一层较原来稍厚的氮化硅层，减少后续氧化环节的诱生缺陷；②H2、O2合成时间由45分钟增加到55分钟，增加氧化层厚度，更好地屏蔽发射区扩散的磷杂质，防止双结漏电的产生；另外，考虑到基区扩散结深的限制，H2、O2合成后面的N2、O2有15分钟减少到5分钟，此方案经初步试验取得很好的效果。

接着又按照方案3进行重复试验，所用外延片中有20片是美国材料，3片是另一外国材料，10片是国内研究所材料，这些材料片取自一直出现单结软击穿的仓库储存材料片，结果试验数据见表1）。

10片研究所材料片全部达到试验预期效果：单结击穿合格，三次放大调节正常，双结击穿电压为硬击穿。同时值得一提的是，两家来自不同国家的外国公司也说明其材料存在不同程度的质量问题。经多次批量重复试验证明：仓库储存的国内研究所材料，重新投片至单结测试，击穿电压合格，后续工艺正常。至此，几乎停产的N型片全面恢复生产，长期困扰的软击穿问题得以根本解决，而且所有材料片逐步实现国产化。芯片全部采用国产材料生产，A005、A014、A018、B003、B051、C012品种经组装成品管全部通过可靠性论证，客户试用合格。各品种芯片逐步投入大批量生产。

三、应用情况

新基区扩散工艺从4月份全面生产以来，芯片单结检测数据一直正常（使用国产材料片），保证了大生产正常进行，特别是后面C012芯片大批量投产以来，经济效益更加突出，芯片每月产量自试验月份起逐月提高，达到了原来的1.5倍以上，N型片各品种的品质大幅度得到提高，其中A005、A014、A018、B003、B051免测率达到80%以上，C012全测合格率达到90%左右，表2为各品种芯片近三个月的抽测数据。

四、结束语

通过一系列摸索和试验，优化N型片基区工艺设计，有效地解决了长期以来单结软击穿的技术难题。采用新基区扩散工艺大批量生产以来，有效地提高了N型片各品种的产品品质，同时生产成本较原来明显下降。相较国外进口材料，采用国产N型外延片可降低材料费用在30%以上，随着产量的不断增加，每年可节约的该项材料成本很可观，这样有力地增强了我们产品的市场竞争力。

参考文献

[1]陈星弼,张庆中晶.体管原理与设计(第2版)[M].电子工业出版社,2008.

[2]Semiconductor Manufacturing Technology,by Michael Quirk Julian Serda.

作者简介：庄泽亮（1975—），男，广东汕头人，工程师，现供职于汕头华汕电子器件有限公司，研究方向：半导体技术和自动化控制。