5 V双向TVS器件表面缺陷改善

2021-10-13陈正才

电子与封装 2021年9期

陈正才

（无锡华普微电子有限公司，江苏无锡 214035）

1 引言

TVS是一种用于电压瞬变和浪涌防护的半导体器件，被广泛应用在各类电子产品中，以提高产品的安全性和可靠性[1-3]，TVS分为单向和双向两种不同极性，双向TVS因能够同时提供正、反两个方向的保护，市场需求量较大。5 V双向TVS产品主要应用在计算机系统、手机等各种消费类电子的5 V工作电压电源端口保护中，在批量生产过程中，对每片晶圆的良率有较高的要求（业界水平不小于98%），然而，在实际生产的过程中，常因材料片电阻率、工艺过程、沾污、缺陷等异常导致产品出现低良率报废，对产品质量和生产成本造成巨大影响。因此，对工艺过程能力控制提出了较高的要求，并且需要持续优化工艺条件，提升产品良率。

本文分析了造成晶圆边缘漏电异常的原因及内部机理，研究了工艺对晶圆边缘处器件漏电的影响，结合现有的工艺条件，提出了工艺优化方法，改善了器件表面缺陷，解决了5 V双向TVS器件的良率问题，实现了片内良率由93%至99%以上的提升。

2 5 V双向TVS器件结构

在CMOS工艺下制备的5 V双向TVS器件的结构剖面如图1所示，首先在N-型衬底上制备了P-型外延，形成PN结，使其具有一定的反向击穿电压。经过光刻工艺，在P型外延上形成N型窗口，然后进行砷离子注入，通过1200℃60 min的高温退火工艺将注入的离子充分激活，表面形成重掺杂的N型（N+）区域，N+结深度约1μm，以保证器件具有合适的正向击穿电压[4-5]。通过深槽腐蚀工艺，实现trench隔离，深槽的刻蚀深度为12.5μm，采用二氧化硅和多晶填充对深槽进行填充。最后通过金属蒸发工艺形成电极，5 V双向TVS正面金属形成的电极为正极，衬底形成的电极为负极。

图1 5 V双向TVS器件结构剖面

3 表面缺陷异常分析与优化

3.1 电性能异常描述

5 V双向TVS产品在工艺完成后，进行500颗芯片（整片共320000颗芯片）抽样测试，测试项目有4项，分别为正向击穿电压（VBR1）、反向击穿电压（VBR2）、正向漏电流（IR1）、反向漏电流（IR2）。产品在批量生产过程中，出片抽样测试时出现良率不稳定，异常片的片内平均良率只有93%，正常芯片与失效芯片测试结果如表1所示，失效项为在5 V电压条件下测试漏电流超出规范上限，实际测得正向漏电电流IR1=2.8μA，漏电已经达到微安量级，正常芯片在同样条件下测得漏电流IR1=0.5 nA。

表1 正常芯片与失效芯片的测试结果

利用Keithley 4200-SCS型测试系统对正常和失效的TVS芯片进行测试，设置电压步长为0.5 V，每施加一次电压信号，对芯片进行漏电流测试，芯片的I-V特性曲线如图2所示，其中，红色曲线代表正常芯片I-V曲线，黑色曲线代表失效芯片I-V曲线。测试结果显示，当器件施加正向电压时，正常芯片在小于5.5 V电压条件下漏电流很小，均在纳安量级，当电压达到6 V时，电流增至毫安量级，表明器件开启；而异常芯片电压为2 V时已触发开启，随着芯片两端电压逐步增大，电流值急剧增大，出现软击穿，表明由N+和P型外延构成的PN结已失效。当器件施加反向电压时，正常芯片当电压达到-6.5 V时，电流增至毫安量级，表明器件开启；而异常芯片电压加至9.5 V时，电流才增至毫安量级，反向击穿电压超出产品规范值。与正常芯片相比，失效芯片正向击穿出现软击穿，电压偏低，而反向击穿电压偏高，表明由N+、P-epi、N-sub等效的三极管器件异常，表面的N+P-结失效，即三极管结构正向导通路径存在漏电通道，由N+、P-epi、N-sub组成的三极管结构退化为P-epi、N-sub二极管结构。

图2 正常芯片和失效芯片的I-V特性曲线

低良率片内漏电流的分布情况如图3所示，红色标记为漏电失效芯片，绿色标记为漏电正常芯片。由图3可知，所有失效的芯片均分布在晶圆的边缘位置，其他位置无失效芯片。

图3 低良率芯片漏电流分布情况

3.2 产品异常原因分析

PN结的漏电流应包括体内漏电流（IRD）和表面漏电流（IS）两个部分，漏电流可以写为IR=IRD+IS。体内漏电流产生的原因主要为表面PN结出现异常，而表面漏电流产生的原因主要为材料表面发生缺陷、沾污等异常。

首先，对失效芯片和正常芯片进行剖片分析，对比结果如图4所示，经SEM电镜观察，与正常芯片相比，异常芯片PN结深度正常，深沟槽深度和填充形貌正常，表面金属等其他各个层次结构未发现明显差异，排除工艺波动和流片过程误操作导致的芯片失效。

图4 正常芯片和失效芯片的SEM图

对失效芯片进行缺陷腐蚀分析，首先将芯片的表面金属层和氧化层进行腐蚀，将硅材料裸露出来，然后对硅材料进行缺陷腐蚀，缺陷腐蚀后对整个硅表面进行SEM检查，发现在trench内部有源区有缺陷异常，缺陷点SEM图如图5所示。从缺陷腐蚀结果判断，是由于芯片表面存在缺陷点，导致芯片漏电异常。

图5 失效器件表面缺陷的SEM图

5V双向TVS产品材料片外延电阻率为0.015Ω·cm，杂质浓度很高（杂质浓度大于1017cm-3），制造流程中的退火工艺主程序为1200℃60 min（温度高且时间长），晶圆在高温炉管中按顺序竖直放置在不同的石英舟卡槽上，炉管中气流方向从炉尾吹向炉口，与晶圆表面垂直，在高温退火过程中，高浓度P型外延中的离子杂质会从硅片边缘侧壁中扩散出来，在炉管设备中气体的运输下，离子杂质会扩散到相邻晶圆边缘表面处，从而使边缘位置芯片的有源区形成固定电荷缺陷，示意图见图6，与低良片失效分布相吻合（晶圆边缘位置失效）。由于N+区域存在的缺陷，当对芯片施加正向击穿电压时，由N+和P-epi构成的PN结失效，电流优先通过缺陷位置传导，随着电压增加，漏电流逐渐增加，因此正向出现软击穿现象；当对芯片施加反向击穿电压时，反向击穿电压由三极管（N-sub、P-epi、N+）C-E结击穿电压(BVCEO)变成了N-sub和P-epi构成的二极管击穿电压 (BVCBO)，由式（其中n是通常介于3～6之间的经验常数）可知，与正常芯片相比，反向击穿电压升高。

图6 失效芯片表面缺陷形成示意图

3.3 表面缺陷改善

为了避免由于高温退火工艺杂质离子析出对器件表面状态的影响，同时确保其他性能参数不变的情况下，对原退火程序进行了优化。在1200℃60 min退火工艺前，增加一步低温氧化工艺，优化前后程序对比如图7所示。在高温退火前，通过在有源区表面生长一定厚度且致密的氧化层，可以有效阻挡长时间高温退火过程中从高浓度外延中扩散出来的杂质离子对芯片表面的影响，消除了表面缺陷的产生。并且这部分氧化层是低温工艺生长出来的，对退火工艺过程无影响，表面PN结深度无变化，产品击穿电压等其他参数与原工艺保持一致。