改变铝溅射材料解决电视机场功放电路中点电位漂移

2017-09-21邱静君宿田

电子与封装 2017年9期

关键词：基区良率圆片

邱静君，宿田

（无锡华润矽科微电子有限公司，江苏无锡214000）

改变铝溅射材料解决电视机场功放电路中点电位漂移

邱静君，宿田

（无锡华润矽科微电子有限公司，江苏无锡214000）

集成电路芯片对器件参数的均匀性、稳定性要求很高。集成电路制造过程中由工艺异常引起的器件参数不均匀，直接影响着芯片性能和圆片良率。引起器件参数不均匀的原因千变万化，结合产品分析解决问题、保证芯片性能和工艺正常，是设计和产品工程师经常面对的问题。通过一个产品实例，从失效现象、原因分析、实验室分析佐证、设计改进方案到试验结果，介绍了通过改变铝溅射材料减小基区孔接触电阻、改善接触电阻均匀性，解决电视机场功放电路由于工艺问题导致的基区孔接触电阻不均匀、引起中点电位漂移的方法。

铝溅射；铝硅铜；铝铜；基区接触电阻；硅空洞；铝欠缺；中点电位；均匀性

1 引言

某个电视机场功放电路在设计试制初期，存在中点电位漂移的问题，中测良率不稳定。正常圆片中测良率达到90%以上，异常圆片中测良率分布在50%～60%附近甚至更低。中测失效现象主要表现为中点电位超规范（即中点电位漂移）。在试制过程中，通过对中点电位超规范的原因进行分析，找出失效机理并通过工艺优化解决了中点电位漂移的问题。

2 中点电位漂移现象描述和分析以及改进试验

2.1 现象描述

电视机场功放电路的中点电位，在正负电源应用时，理论中点电位应为0 V。某场功放电路，试制初期中点电位异常。很多圆片中测时中点电位漂移变大，这些圆片中的管芯，大部分中点分布在50 mV以上，很多管芯的中点电位经常性随机产生＞200 mV的现象，成了不良品，导致圆片中测良率低。在试制初期只有部分圆片正常，正常圆片管芯的中点分布在10～50mV附近（由于前期工艺原因导致器件参数不平衡，良品管芯的中点电位也偏高，大部分分布在10 mV以上，基本没有分布在0 V附近的管芯）。试制初期正常圆片的测试图见图1，不良圆片的测试图见图2。

图1 试制初期正常圆片的测试图

图2 试制初期不良圆片的测试图

2.2 对引起中点电位漂移的原因分析

场功放电路功能框图如图3所示。

图3 场功放电路功能框图

引脚说明见表1。

表1 引脚说明

场功放电路中点由外围决定，正负电源应用时相关的线路框图如图4所示。

图4 场功放电路部分线路框图

PIN5输出(OUT)的中点电位为：

PIN7内部接R2，静态电流0.63 μA，PIN7外部接R11(0.9 kΩ)到地，所以V7=0.9 kΩ×0.63 μA=0.567 mV≈0 V，理想情况下，V1=V7=0 V，中点Vo=0 V。

场功放电路输入部分的线路结构如图5所示。

图5 场功放电路输入部分线路结构图

信号由PIN1输入，PIN7由外围给一个参考电位，经T1、T2跟随后送T6、T7差分放大。V1和V7关系如下：

由于电阻接触孔接触电阻Rc的不正常且随机增大，引起R1和R2、R6和R7随机产生不对称，此时V1和V7关系如下：

式（3）中△Rc1、△Rc2、△Rc6、△Rc7分别表示电阻R1、R2、R6、R7对应的接触孔接触不良额外增加的接触电阻波动，△V(△Rc1)、△V(△Rc2)、△V(△Rc6)、△V(△Rc7)分别表示由电阻R1、R2、R6、R7的接触电阻波动所产生的电压波动。

静态时，T3、T4、T5基极电位由T12、T13钳位在+Vcc-2VbeT12。因T3、T4对称，T3、T4集电极静态电流IcT3=IcT4= [+Vcc-VebT3-(+Vcc-2VbeT12)]/R3/2=(2VbeT12-VebT3)/R3/2，又因T1、T2对称，R1、R2的静态电流即T1、T2的基极电流IR1=IR2=IbT1=IbT2=IcT3(或IcT4)/HfePNP=(2VbeT12-VebT3)/R3/ 2/HfePNP。VbeT12表示NPN管T12、T13的be结正向压降，VebT3表示PNP管T3、T4的eb结正向压降，HfePNP表示PNP管T1、T2的放大系数。VbeT12=0.79 V，VebT3=0.73 V，HfePNP≈150，R3=4.51 kΩ，计算得IR1=IR2=0.63 μA。

T5集电极静态电流IcT5=[+Vcc-VebT5-(+Vcc-2VbeT12)]/ R5=(2VbeT12-VebT5)/R5，因R6、R7对称，T6、T7对称，R6、R7静态电流IR6=IR7=IcT5/2=(2VbeT12-VebT5)/R5/2。VbeT12表示NPN管T12、T13的be结正向压降，VebT5表示PNP管T5的eb结压降。VbeT12=0.79 V，VebT5=0.71 V（注：设计时T5的面积跟T3、T4不同，所以VebT5跟VebT3略有差异），R5=8.84 kΩ，计算得IR6=IR7=49.2 μA。

在下面的分析中提到，由于工艺原因，该产品试制前期Rc波动剧烈，Rc最大最小值的差达到200 Ω以上，所以△Rc2-△Rc1和△Rc7-△Rc6波动范围为(-200～+200 Ω)或以上，以(-200～+200 Ω)为例进行计算，V1-V7波动范围根据式（5）可知为-9.966～+9.966 mV。中点Vo=18×V1，则中点波动范围△Vo≈-179.388～+179.388 mV。

电阻孔接触电阻正常的圆片，Rc小且均匀性好，△Rc≈0，△Rc2-△Rc1≈0，△Rc7-△Rc6≈0，故而中点电位在0电位附近。

以上理论分析结果跟中测中点电位测试值、Rc波动对中点电位漂移影响数据完全吻合。

2.3 基区接触电阻Rc和中点电位对应关系的实验分析

对于中测出现的中点电位漂移，分析跟器件参数的关系，发现中测正常与不正常的圆片仅基区接触电阻Rc的差异明显，其余参数未发现不同。对Rc的测试数据和中测中点电位漂移量大小进行比对，发现中点电位漂移量的大小跟Rc的大小密切相关，且基本成正比；Rc小的圆片中点平衡，中测良率正常；Rc大的圆片中点漂移，中测良率低。这些数据结合线路分析，基本判断该产品中点漂移大是由电阻接触不正常引起。表2所示是Rc和中测中点电位测试数据以及中测良率的对应关系（数据取自A6A44E.1批次，上下左中右分别表示圆片中五个位置的数据）。

表2 基区电阻、基区接触电阻分布以及平均值、分布最大最小值之差

表3 中点电位分布情况

从表2、表3中的数据可以看到，15#、16#两片的Rc平均值在200 Ω附近，最大与最小值的差（△Rc）达到200 Ω以上，Rc大且不均匀，中点电位的平均值在120～140 mV左右，个别中点高的甚至达到300 mV以上；17#、18#两片的Rc平均值在100 Ω附近，最大与最小值的差（△Rc）在70 Ω以内，Rc小且相对均匀，中点电位的平均值在60～75 mV左右，个别中点高的分布在150 mV附近。Rc大小和中点电位高低的对应关系非常明确，中点电位漂移量的大小跟理论计算值基本吻合。

2.4 各种试验情况

2.4.1 纵向SEM扫描的情况

从失效现象、采集的数据结合线路理论分析，得出中点电位漂移由电阻孔接触不良导致接触电阻Rc随机增大引起，而Rc随机增大是何原因产生的呢？借助实验室设备对产生该类接触不良的原因进行了分析。SEM分析发现接触不良由接触孔处硅空洞引起。图6、图7是剖面正常接触孔和Si空洞SEM照片。

图6 正常接触孔SEM照片

图7 接触孔处硅空洞SEM照片

2.4.2 改善接触电阻Rc的各种试验

从上面的SEM照片可以看到，Rc大的原因来自于接触孔处的硅空洞。这种空洞是由于半导体硅在铝中有较大的固溶度和扩散速率，在合金过程中硅向铝中溶解并不断向铝中扩散，在硅中留下硅空洞造成。由于硅空洞的存在，需要接触孔处的铝去填补，铝填补空洞后造成局部铝空缺，导致接触电阻增大，并引起接触电阻不均匀，跟浅结时易引起PN结穿通的失效机理类似。为了进一步证实、排查其他原因并改进，安排了一些不同条件下的试验，如铝溅射方式改变、合金温度降低、铝厚度增加以及铝溅射材料改变等等，如表4所示。

从表4可以看出，多种工艺试验唯有铝溅射材料改变（AlCu改为AlSiCu）有效解决了接触电阻Rc增大的问题。初期工艺中，金属层采用AlCu溅射，以上试验除10#片铝溅射材料改用AlSiCu外，其余圆片仍然采用AlCu溅射；除10#片接触电阻Rc有效减小外，其他圆片各种试验对减小Rc没有效果；采用AlSiCu溅射的10#片接触电阻Rc小且均匀性好。理论分析可知，将AlCu溅射改为AlSiCu溅射，在AlCu中增加了Si的成分，缓解了硅向铝中的溶解，可有效解决由于硅空洞造成的接触电阻增大问题。

3 试验结果

经过以上试验，有了明确的结论。因此，将原工艺中的AlCu溅射改为AlSiCu溅射，进行了扩批试验和三批量验证，表5所示是三批量实验数据。可以看到，接触电阻Rc得到明显的改善，原来单片内分布最大最小值之差在200 Ω以上，现在改进后整批间分布最大最小值之差在10 Ω附近，均匀性非常好。三整批（24片/批）的中测良率稳定在95%以上。

表4 试验方案和对应的基区接触电阻数据

表5 试验改进后三批量接触电阻和良率情况

典型中测图如图8所示（很少出现不良品）。

三批量圆片的接触电阻Rc得到改善后，中点电位的分布也明显趋于分布在0电位附近，表6所示为三批量圆片随机抽取一片连续10个管芯的中点电位分布数据，全部分布在30mV以下，平均值在10mV附近。

图8 改进后的中测图

表6 试验改进后三批量中点电位数据

4 结束语

双极集成电路的工艺选择，在浅结工艺中为了避免接触孔处铝吃硅引起铝空洞，空洞吸铝容易引起PN结穿通，会选用AlSiCu作为金属1解决此类问题。在比较深结的高压工艺平台，选择AlCu作为金属1比较普遍。然而，用AlCu作为金属1时，接触孔处肯定存在由于硅融入铝中造成的硅空洞问题。在以前接触孔尺寸比较大的情况下，该问题影响电路性能的表现不突出。随着工艺水平的提高，接触孔尺寸的缩小，接触孔合金后或电路使用过程中铝吃硅的问题会越来越严重地影响电路的性能及可靠性，严重时导致电路高比例中测失效或客户端失效。本文通过对生产实例的问题分析和解决，阐述了使用AlCu作为金属1时可能遇到的问题和解决方法，提示如遇到类似低良率和失效问题，应注意接触孔处硅空洞的问题，必要时可考虑采用AlSiCu替代AlCu来解决。

Change Aluminum Sputtering Material to Resolve Midpoint Potential Drift in TV and CRT Display Vertical Output IC

QIU Jingjun,SU Tian
（Wuxi China Resources Semico Co.,Ltd,Wuxi 214000,China）

Integrated circuit chips require high uniformity and stability of device parameters.In the manufacturing process of integrated circuits,nonuniformity of device parameters caused by process abnormity affects chip performance and wafer yield directly.As causes of nonuniformity of device parameters are ever-changing,solving problems with product analysis to ensure chip performance and normal process is a problem that design and product engineers are often faced with.A product case is introduced in this paper,from failure phenomenon,causal analysis and laboratory analysis,design improvement plan to test result.It is introduced that to reduce base hole contact resistance and improve the uniformity of the contact resistance with changing the sputtering aluminum material,in order to solve the problem of midpoint potential drift in TV and CRT display Vertical Output IC due to the nonuniformity of contact resistance of base hole caused by technologicalissues.

Aluminum sputtering;AlSiCu;AlCu;base contact resistance;silicon cavity;Aluminum deficiency; midpointpotential;uniformity