天线效应对LPNP管输出曲线的影响

郑若成，汤赛楠

（中国电子科技集团公司第58研究所，江苏 无锡 214035）

天线效应对LPNP管输出曲线的影响

郑若成，汤赛楠

（中国电子科技集团公司第58研究所，江苏 无锡 214035）

天线结构是监控半导体工艺过程中等离子体损伤的一种典型结构，一般主要用来监控MOS器件栅氧的损伤。文中，该结构用来监控横向PNP（LPNP）管工艺过程中的发射极结损伤。实验发现，带天线结构的LPNP管的输出曲线容易出现翘曲现象，分析认为该异常不是由于发射极结损伤造成的，因为发射极结工艺过程中并没有受到损伤。同时发现该翘曲现象在LPNP管保护环接低电位时会消失，该低电位在很大范围内变化时，输出曲线基本一致，且输出曲线电流较保护环悬空时的电流整体偏大，在集电极电压较大时，输出电流和保护环悬空时的电流一致。

天线结构；输出曲线；翘曲；发射极结；保护环

1 LPNP管天线结构设计目的和评估参数

天线结构版图和剖面结构如图1、图2所示，EC隔离采用多晶，多晶长度决定LPNP管的基区宽度。LPNP管发射极面积AE=1.5μm×3.0μm，发射极和EC隔离多晶短接通过金属引出，再在引出端设计天线结构。由于深亚微米工艺中发射极结结深非常浅，这种天线结构设计的目的主要是考察工艺损伤对发射极结性能的影响。

天线1、4、5、6的目的是考察金属1腐蚀损伤的影响。

天线2的目的是考察金属1腐蚀和通孔腐蚀损伤的影响，由于金属2是平板，因此金属2的天线效应可以忽略。

天线3的目的是同时考察金属1腐蚀、通孔腐蚀和金属2腐蚀损伤影响。

尽管主要考察发射极结受工艺损伤的影响，但由于天线同时连接发射极结和隔离多晶，因此天线效应影响将可能有两方面：一是对发射极EB结产生损伤，二是通过多晶对基区产生影响。对LPNP管天线效应的参数评估包括器件gummel曲线、EB结IV曲线、器件输出IV曲线（保护环Ring悬空）等参数。

天线结构设计以下几种类型，如表1所示。

表1 两种LPNP管和六种天线结构

图2 LPNP管纵向结构图

2 实验结果

本实验采用0.5μm BiCMOS工艺流片，对器件测试了gummel曲线，EB结IV曲线。测试表明，有无天线结构对于上述曲线没有明显差异。

但带天线结构的三极管的输出曲线则表现出翘曲现象，如图3所示。从图3看，LPNP管1上翘的位置存在差异，而LPNP管2的上翘位置差异不明显。将LPNP管1的四种结构的输出IV曲线分别作图，如图4所示。

图3 无天线结构和带天线结构的输出曲线比较

图4 LPNP管1的四种结构输出曲线比较

LPNP管1不同天线上翘位置存在差异，天线1最晚出现上翘，而天线3则最早出现上翘现象，翘曲位置基本上反映了损伤的严重程度，翘曲越早，损伤越严重。表2反映了天线结构和上翘位置之间的关系。

表2 不同天线结构和曲线上翘位置的关系

LPNP管2的不同天线结构曲线上翘位置几乎没有明显差异，并且其上翘的位置和LPNP管1天线1的位置也没有差异，说明金属1天线长度似乎存在饱和效应。

3 初步机理分析

从测试结果可以看出，LPNP管EB结IV曲线以及小电流特性在有无天线结构上没有显示出差异，因此发射极结工艺过程中并未受到损伤，曲线翘曲异常也并不是由于发射极结损伤造成的[1]。从图1中LPNP管剖面结构看，天线效应除了将损伤引进EB结外，还可能造成多晶下栅氧的损伤，进而影响基区表面复合，造成LPNP管输出IV曲线的翘曲现象。

4 LPNP管IV曲线进一步分析

测试表明，对于无天线结构的LPNP管，当Ring接Vss（-5V）时，输出IV曲线电流比Ring悬空整体偏大，如图5（a）。

对于有天线结构的LPNP管，当Ring接Vss（-5V）时，输出IV曲线的上翘现象消失，曲线平滑，但在VC较小时，电流比Ring悬空整体偏大，VC较大时，则和Ring悬空时的曲线重合，如图5（b）、（c）、（d）。

图5 Ring上接Vss（-5V）后输出曲线平滑

进一步测试发现，Ring上电位从-0.5V～-5V变化时的输出曲线和VRing=-5V时输出曲线是一致的。

5 结论

带天线结构的LPNP管输出曲线翘曲异常的详细机理还需要进一步分析，但可以认为和工艺过程中的损伤有关。在其他工艺过程中，我们发现即使无天线结构的LPNP管也多次出现翘曲异常，这同样也可以由工艺损伤解释，但LPNP管工艺过程中发射极结未受到损伤。输出曲线的翘曲现象在保护环接上低电位后会消失，电路设计中保护环一般都会接低电位，因此该翘曲异常可能对设计影响不大，但在工艺建模参数测试时，保护环必须接低电位。

［1］郑若成. 双极器件EB结击穿测试对HFE的影响[J]. 电子与封装，2010.

The Impact of Antenna Effect in Process to Output IV Curve of LPNP Transistor

ZHENG Ruo-cheng, TANG Sai-nan
（China Electronics Technology Group Corporation No58Research Institute,Wuxi214035,China）

Antenna structure is the typical method that monitors plasma damage during semiconductor manufacture process. Generally, this structure is used for monitoring MOS transistor gate oxide damage in plasma process. In this paper, the structure is used to monitor the process damage to LPNP transistor emitter junction. Experiment shows that the output IV curve of LPNP transistor with antenna appears kink effect.It is not considered as a result of emitter junction damage and the process does no damage to the emitter junction. The kink effect will disappear with the guard ring connected with low voltage potential. The guard ring voltage potential varies in wide range, but the output IV curve shows no difference. The current with guard ring connected with low potential is bigger than that with guard ring fl oating. With the collector voltage increasing, the current is equal to each other.

antenna structure; output IV curve; kink effect; emitter junction; guard ring

TN305

A

1681-1070（2012）01-0025-03

2011-08-24

郑若成（1971—），男，湖北监利人，工程师，现在中国电科58所从事PCM参数测试和产品开发工作；

汤赛楠（1983—），女，天津人，学士，现在中国电科58所从事工艺质量管理方面的工作。