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1、IPOS 纵向结构对晶体管电压特性的影响1 概述半绝缘多晶硅 (SIPOS)在诸多生产中，主要使用的有掺氧和掺氮这两种半绝缘多 晶硅。本文主要研究的是前者。掺氧半绝缘多晶硅一般是在N 2O ，SiH4，N2混 合气体组成的 LPCVD 反应室中通过化学汽相淀积生成。 半绝缘多晶硅因其生成的 反应过程非常复杂， 在不同条件下生成的SIPOS对各种半导体器件的钝化作用相 差非常大，所以很多想使用 SIPOS作钝化层的厂家因此望而却步。 我们通过几年 的实际生产和使用， 认识到 SIPOS的主要参数不仅包括厚度、 含氧量、折射率等， 纵向结构也是一个非常重要的参数。在含氧量一定的情况下， 如果 SI
2、POS膜的纵 向结构做得比较均匀， 能够更好地改善 SIPOS对晶体管的钝化作用， 使高温漏电 流更小。本文通过对 SIPOS纵向结构的对比研究， 提出一些改善晶体管特性特别 是高温性能的方法。2SIPOS钝化的基本原理半导体器件钝化一般使用厚SiO2 作为钝化层。尽管它在机械、化学和电气等方 面都是非常稳定的， 具有很好的钝化作用， 但是由于它本身固有的一些特点，比 如对 Na+ 、K+等碱金属离子掩蔽能力差，在SiO2与基层硅衬底界面处有固定电 荷而形成反型层等原因， 难以做出高压器件。 然而因为 SIPOS膜是半绝缘的， 几 乎是电中性的，基本上能克服上面这些缺点，具有较高的可靠性、稳定
3、性、低成 本和小型化封装等特点，因而被广泛应用于高压和MOS 器件中作为钝化层。SIPOS的化学汽相反应可以简单地写成下面的方程式：SiH4+N2O 650 SiOx+N2+2H2 式中 SiOx 是硅和硅的氧化物的复合体，0 x 2。 x 主要由比率 =N2 O/SiH4 决定， 它主要控制着 SIPOS膜的含氧量，影响着 SIPOS膜的各种物理和化学性质。氧的含量在 15% 35% 这个范围内时， SIPOS 膜的化学稳定性很好，并且物理性 质也特别适用于器件钝化。所以一般使用这个范围内含氧量的 SIPOS膜作为钝 化层。我公司主要生产功率晶体管，SIPOS膜的含氧量在 20% 左右时，对
4、晶体管 有良好的钝化作用。3 SIPOS膜的不同纵向结构比较在不同的条件下，我们都能够得到含氧量平均值约为20% 的 SIPOS膜，并且每一 炉 SIPOS膜厚度和含氧量的均匀性都可以做得比较均匀。但是在工艺改进前后因 为 SIPOS膜的纵向结构不一样而钝化效果也大不一样。以我公司某一型号的产品为例， 该产品的设计击穿电压为： BVCBO=650V。 用 SIPOS 钝化后，该批片子在 QT2型晶体管测试仪进行常温和高温测试。在测试常温电特性时，用横坐标表示加在集电极和基极之间的反向电压绝对值VC ，纵坐标可以 读出漏电流 ICBO的大小， V C 从击穿电压逐渐加到1500V时，其电特性曲线
5、如 图 1 所示。图示仪中本来应该有两条曲线，但是由于其漏电流非常小， 从图中很 难看出漏电流的大小，此时合二为一。在热板温度为125烘烤的情况下进行高 温测试时， V C从击穿电压开始直到1500V，如图 2 所示，此时可看到水平方向 的两条曲线， 但是其漏电流仍然很小， ICBO 1mA ，竖直方向仍然只有一条直线， 此时与用厚 SiO2 钝化效果一样。 由此可以看出 SIPOS 膜的钝化作用是非常明显 的。但是当电压加到 2000V以上时，随反向电压逐渐加大， 第 2 条曲线逐渐向下 弯曲，直到晶体管完全被击穿， 其结果如图 3 所示。通过对 SIPOS膜进行纵向结 构测试，使用该工艺做
6、出来的SIPOS膜的纵向结构如图4 所示。图中横坐标表示 SIPOS膜的厚度，零值表示SIPOS膜的外表面，数值越大表示越接近SIPOS膜的 内表面，即硅衬底。 纵坐标表示 SIPOS膜的含氧量和含硅量的原子百分比。从图 中可以看出， 从外表面到硅衬底SIPOS膜的含氧量是逐渐变化的， 但其平均值约 为 20% ，按照理论含氧量在20% 左右的 SIPOS膜应该是比较好的钝化膜，能够起 到很好的钝化作用， 但事实却是在电压加到2000V以上时漏电流越来越大直至完 全被击穿。此时 SIPOS膜的漏电效应表露得非常明显。为了继续提高晶体管的高温耐压特性以及减少高温漏电流，进一步提高晶体管的 可靠性
7、，对 SIPOS膜的生长进行了工艺改进。从不同的实验结果来看，如果将 SIPOS膜的纵向结构做得比较一致，此时的高温特性会有非常明显的改善。下面 仍然以同一种晶体管为例测试其改进工艺后的常温和高温特性，并测试SIPOS 膜的含氧量和纵向结构分布。在常温下，从测试结果来看没有太明显的变化，其常温特性仍如图1；当 VC在 1500V以内或再加大到 2000V时，其高温特性也和以前相当（如图2 曲线没有太 大变化）；但是晶体管的耐压提高了，可达3500V甚至更高。测试其结构，如图 5 所示。从图 5 可以看出， SIPOS膜的含氧量基本上还在20% 左右。但是 SIPOS 膜的纵向结构却明显均匀很多
8、。通过反复的实验， 在排除其它因素的影响后， 最 后确认为 SIPOS膜的纵向结构在起着主要作用。4 影响 SIPOS膜均匀性的主要因素淀积多晶硅薄膜并不是难事， 用的工艺气体只有SiH4， 而 SiH4 的迁移率非常高， 只要将温度和工作压力调整到一个比较合适的值，很容易得到均匀性非常好的多 晶硅薄膜。虽然做SIPOS膜仅仅增加了 N 2O气体，但是由于这两种工艺气体的 分解温度、 迁移率等相对不一致， 甚至相互制约， 所以最终影响到 SIPOS的淀积 质量，比如 厚度、含氧量、单片和片与片之间的均匀性、纵向结构的均匀性等。为了将 SIPOS膜做得均匀， 包括片内和片间的均匀性。 不仅要考虑
9、工作温度和压 力，更重要的是还要考虑到硅片放在舟上的间距，炉管温度梯度、 气体流量之比 和实际流量的大小等。下面简单地说说这几种因素如何影响SIPOS膜的生长的。（1）在 SIPOS膜的生产过程中， N2 O与 SiH4 之比直接影响着 SIPOS膜的含氧 量， N2O和 SiH4的实际流量又影响着SIPOS膜的淀积速率，并且N 2O抑制生 长， 而 SiH4 促进 SIPOS膜的生长，所以在实际生产过程中不仅要考虑=N2O/SiH 4，为了提高淀积速率还必须适当提高N2 O与 SiH4 流量。（2）在工艺气体一定的情况下，温度越高，生长速率越快，含氧量也会越大。 一般来说，卧式 CVD 炉的
10、工艺气体是从炉口进入反应腔体，反应后的剩余气体以 及一些副产物再由炉尾被机械泵抽走。所以从炉口到炉尾， 反应气体在反应过程 中会逐渐减少。 为了将同一炉 SIPOS膜做得更加均匀， 此时我们必须将炉温设定 成一定的温度梯度，其大小由同一炉片子的均匀性决定。（3）反应腔体的工作压力越大， SIPOS膜的 生长速率越快， 但是如果压力太大， 会影响单片的均匀性， 片子边缘的生长速率会比中心快很多，这样会造成在光刻 后腐蚀时， 边缘较难以腐蚀干净， 最后造成芯片的正向压降会很大。另外工作压 力越大，SIPOS膜越疏松，其纵向结构也越差。 所以一 般将工作压力设定在40Pa 左右为宜。（4）片间距越大
11、， SIPOS膜的生长速率越快，但如果间距太大会减少做片量。 综合各种因素， 一般将片间距设定在3 mm左右。通过对工艺的一系列调整，现在我们的SIPOS 膜质量有很大提高。就上面这种 型号的产品来说，设计击穿电压是 BVCBO=650V，但是我们在进行高温冲击实验 时，必须保证该产品在反偏电压 VC 大于 2000V的情况下不被击穿烧毁，如果电 压曲线如图 3 所示，则算不合格产品。在工艺改进前，我们生产4 英寸片每一 炉只能做 25 片，均匀性在 4% 左右，不合格品每月大约在12% 左右。在工艺改进 后，每一炉可以做到100150片，均匀性在 3% 左右，不合格率大大降低，每月 一般在 1% 以下，生产线非常稳定。5 结论通过实验对比以及生产线的数据统计可知，用 SIPOS膜作为功率晶体管的钝化 层，可以大大提高晶体管的击穿耐压程度，提高产品的稳定性和可靠性。如果我 们将 SIPOS膜的纵向结构做得更加均匀，其质量会有更加明显的提高。
