仲?gòu)埛?，尤曉杰，王銀海，鄧雪華，魏建宇，楊 帆

（南京國(guó)盛電子有限公司，南京 211111）

1 引言

瞬態(tài)電壓抑制器（TVS）是一種用于電壓瞬變和浪涌防護(hù)的半導(dǎo)體器件，它能在皮秒級(jí)的時(shí)間內(nèi)吸收高達(dá)數(shù)千瓦的浪涌功率，有效保護(hù)電子線路中的精密元器件。對(duì)于高頻電路的保護(hù)，則需要低電容或者超低電容TVS，以減少寄生電容對(duì)電路的干擾，降低高頻電路信號(hào)的衰減。

低電容TVS通過(guò)低擊穿電壓的雪崩二極管與低電容的導(dǎo)引二極管（PIN或NIP）組合而成。因?yàn)榈蛽舸╇妷旱难┍蓝O管的摻雜濃度很高，而PIN或NIP二極管中的I層摻雜濃度很低，此結(jié)構(gòu)需要在重?fù)揭r底上生長(zhǎng)高阻外延層來(lái)實(shí)現(xiàn)。其中襯底電阻率越低，雪崩二極管反向擊穿電壓越低，被保護(hù)電路兩端所能箝住的電壓越小，浪涌抑制能力也就越好；外延層電阻率越高，電容越低，高頻電路信號(hào)的衰減越小[1]。

外延生長(zhǎng)是指在單晶襯底的表面上，利用二維結(jié)構(gòu)相似性成核的原理，沿著原來(lái)的結(jié)晶軸方向，生長(zhǎng)特定電阻率和厚度單晶層的工藝。埋層外延是指在制有特定光刻圖形的襯底上進(jìn)行的外延，其外延溫度越高，圖形漂移量越小，但相應(yīng)襯底雜質(zhì)揮發(fā)越多。而理想的低電容TVS器件要求重?fù)揭r底和高阻外延層摻雜濃度差達(dá)到5個(gè)數(shù)量級(jí)，為了有效控制高阻層的電阻率，需要將襯底雜質(zhì)揮發(fā)比控制到萬(wàn)分之一以下。埋層襯底的高溫外延以及外延、襯底的超高濃度差對(duì)外延工藝中自摻雜的抑制提出了更高的要求[2]。低電容TVS器件材料常規(guī)是通過(guò)減壓條件單片生長(zhǎng)外延模式來(lái)實(shí)現(xiàn)，生產(chǎn)效率較低，成本較高[3]。而常壓外延條件、多片生產(chǎn)模式具有生產(chǎn)效率高、成本低的特征。通過(guò)襯底背面自吸硅制作多層背封結(jié)構(gòu)以及低溫生長(zhǎng)緩沖層的工藝，有效抑制了外延過(guò)程中的自摻雜，在P型重?fù)揭r底上生長(zhǎng)出薄層高阻的N型外延層，降低了雪崩二極管的反向擊穿電壓，提高了單位面積的浪涌抑制能力，滿足了器件的設(shè)計(jì)要求。

2 技術(shù)要求

通過(guò)采用特殊的工藝條件，在常壓機(jī)臺(tái)上完成了P型重?fù)揭r底上高阻N型外延層的批量生產(chǎn)制作，襯底電阻率 ＜0.005 Ω·cm，襯底晶向?yàn)?＜100>，N-高阻層電阻率要求 >100 Ω·cm。

低電容TVS器件工藝中，外延層生長(zhǎng)在埋層區(qū)域之上。埋層區(qū)域構(gòu)成一定的圖形，這種圖形會(huì)隨著外延生長(zhǎng)在外延后的表面形成整體的平移，稱為圖形漂移；圖形本身也會(huì)放大或者縮小，稱為圖形的畸變。為了控制埋層圖形漂移和畸變，保證后續(xù)光刻工藝對(duì)標(biāo)的準(zhǔn)確度，外延生長(zhǎng)速率和生長(zhǎng)溫度的選取尤為重要[5]。

3 外延工藝分析

圖1為低電容TVS外延工藝結(jié)構(gòu)圖，其主要工藝技術(shù)難點(diǎn)是在高溫外延條件下控制埋層漂移的基礎(chǔ)上，如何有效地抑制襯底硅片的自摻雜影響，以保證N-高阻層電阻率的穩(wěn)定控制、相對(duì)較窄的過(guò)渡區(qū)寬度、外延層參數(shù)均勻性控制、圖形漂移量的控制以及幾何參數(shù)的控制等。

為了有效抑制襯底硅片的自摻雜效應(yīng)并保證后續(xù)光刻工藝的準(zhǔn)確度，我們采取了以下工藝技術(shù)方案。

3.1 重?fù)揭r底自摻雜抑制

重?fù)揭r底自摻雜抑制是低電容TVS用外延材料研制的關(guān)鍵技術(shù)，存在以下幾個(gè)工藝難點(diǎn)：

（1）常壓外延工藝成本低、生產(chǎn)效率高，但自摻雜控制能力不及減壓外延；

（2）多片生長(zhǎng)模式下，襯底之間自摻雜影響大；

（3）＜100>晶向表層非密排面，雜質(zhì)揮發(fā)易于＜111>晶向；

（4）外延電阻率遠(yuǎn)高于常規(guī)外延參數(shù)，襯底與外延層雜質(zhì)濃度相差近5個(gè)數(shù)量級(jí)，雜質(zhì)擴(kuò)散影響程度大。

圖1 低電容TVS外延工藝結(jié)構(gòu)圖

為了有效控制自摻雜，通過(guò)在襯底背面自吸硅制作多層背封結(jié)構(gòu)、低阻緩沖層外延工藝等方法，可將襯底雜質(zhì)揮發(fā)比控制到1/10000以下：

（1）因高溫下雜質(zhì)B易析出揮發(fā)，重?fù)絇型襯底上的薄層外延工藝中主要的自摻雜來(lái)自襯底背面和邊緣蒸發(fā)出的氣相雜質(zhì)。外延前在基座上包上一層本征外延層，通過(guò)高溫自吸硅的工藝給襯底增加一層微米級(jí)的Poly背封層，進(jìn)而阻擋襯底的P型自摻雜對(duì)正面外延的影響[6]。

（2）因B原子量小，高溫下擴(kuò)散速度快、距離長(zhǎng)，對(duì)周邊結(jié)構(gòu)影響較大，在做N型埋層前，先在P型襯底上生長(zhǎng)一層>1 Ω·cm的中阻P型緩沖層，減少高溫下B擴(kuò)散對(duì)埋層的影響。做N型高阻層之前，先外延一層N型低阻緩沖層，一方面抵消P型襯底和中阻緩沖層對(duì)后續(xù)N型高阻層的侵蝕；另一方面，在外延腔體和襯底邊緣覆蓋N型低阻層，進(jìn)一步抑制襯底和腔體內(nèi)P型自摻雜的影響。

3.2 圖形漂移控制

實(shí)驗(yàn)和批量生產(chǎn)所采用的機(jī)臺(tái)為PE-2061S設(shè)備，該設(shè)備生產(chǎn)常規(guī)埋層電路一般采用高溫生長(zhǎng)工藝。但考慮到溫度越高，襯底自摻雜越重，而表面N-層電阻率要求大于100 Ω·cm，與之對(duì)應(yīng)的P型自摻雜則需要控制到更低水平。經(jīng)過(guò)3組溫度拉偏實(shí)驗(yàn)與光刻匹配，常規(guī)埋層工藝降低30～50℃生長(zhǎng)可以滿足光刻的要求，同時(shí)為抑制襯底的自摻雜提供了有利條件。

3.3 HCl精確拋光

因外延前已進(jìn)行了N型埋層的制作，表面存在損傷層，直接外延后將會(huì)產(chǎn)生滿片層錯(cuò)。為了去除表面損傷層，得到較完整的外延基底，外延前通過(guò)襯底表面精確控制的HCl氣相腐蝕和高溫退火，在保證了表面外延質(zhì)量的同時(shí)，避免對(duì)埋層厚度的過(guò)度侵蝕。

3.4 超高阻外延摻雜控制

低電容TVS外層電阻率>100 Ω·cm，摻雜設(shè)定只有常規(guī)參數(shù)的1/10，對(duì)流量精度控制要求較高；通過(guò)選取小量程流量計(jì)，保證摻雜流量在流量計(jì)線性范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)外延電阻率的精確控制。

4 結(jié)果與討論

溫度越高，襯底邊緣和背面自摻雜越重，為了滿足自摻雜控制的需要，經(jīng)過(guò)溫度拉偏和器件工藝匹配，常規(guī)埋層工藝降低30～50℃生長(zhǎng)可以滿足光刻的要求，外延后圖形如圖2和圖3所示。

圖2 常規(guī)埋層工藝外延圖形（500倍）

圖3 降溫工藝外延圖形（500倍）

通過(guò)調(diào)整HCl氣相腐蝕溫度和流量，對(duì)襯底表面進(jìn)行微量腐蝕，同步進(jìn)行了退火工藝，在1 mm×1 mm區(qū)域?qū)渝e(cuò)數(shù)量控制到10個(gè)以下。

通過(guò)3組實(shí)驗(yàn)對(duì)比了不同工藝的結(jié)果，如表1所示。從圖4外延層SRP可知，高溫下B雜質(zhì)擴(kuò)散距離長(zhǎng)，中阻P型緩沖層已全部被重?fù)揭r底自摻雜影響，電阻率都在1 Ω·cm以下，通過(guò)P型中阻緩沖層降低了B擴(kuò)散對(duì)埋層結(jié)構(gòu)的影響。實(shí)驗(yàn)1中在常規(guī)襯底且無(wú)緩沖層的工藝條件下，整個(gè)N-高阻層都被襯底P型自摻雜中和為P型高阻層。實(shí)驗(yàn)2中通過(guò)襯底自吸硅工藝Poly背封，在無(wú)N型緩沖層工藝下，5～8 μm深度P型自摻雜仍占優(yōu)，5 μm處存在高阻夾層。而實(shí)驗(yàn)3中，在襯底自吸硅背封和N型低阻緩沖層工藝下，表層襯底自摻雜已被控制到萬(wàn)分之一以下的量級(jí)，0～8μm外延區(qū)均為N型，其中0～6μm間為電阻率>100Ω·cm的N型平滑高阻層，滿足了器件的設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)論

通過(guò)襯底背面自吸硅制作多層背封結(jié)構(gòu)以及低溫、長(zhǎng)緩沖層的外延工藝，將重?fù)揭r底雜質(zhì)揮發(fā)比控制到萬(wàn)分之一以下，在超低阻P型襯底上制備出薄層（8 μm）N 型高阻（150 Ω·cm）外延層，平區(qū)厚度達(dá)到6μm，滿足了高性能低電容TVS的量產(chǎn)需求。通過(guò)使用常壓工藝、多片加工模式，實(shí)現(xiàn)了高效率的外延生產(chǎn)。

表1 工藝實(shí)驗(yàn)對(duì)比

圖4 器件外延層SRP

為了降低雪崩二極管的反向擊穿電壓，P型襯底電阻率從常用的0.01～0.02Ω·cm范圍降到了＜0.005Ω·cm的范圍；為了進(jìn)一步提高單位面積的浪涌抑制能力，將N型高阻外延厚度從常用的10～20 μm降低到8 μm。在以后的工作中，通過(guò)進(jìn)一步匹配背面處理工藝與外延工藝，有望繼續(xù)提高N型高阻外延層的電阻率。