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1 引言

多晶硅發(fā)射極晶體管（Ploysilicon Emitter Transistor,PET）因其具有諸多優(yōu)點，如淺結、易與CMOS 工藝兼容、超增益等，目前已成為超大規(guī)模半導體集成電路的主要雙極型器件。通常認為，多晶硅發(fā)射極的多晶硅與硅襯底之間需要一層薄二氧化硅介質層，這樣載流子可以從多晶硅發(fā)射極隧穿進入硅襯底。二氧化硅層對電子和空穴構成的勢壘高度不同，導致了電子和空穴的隧穿幾率存在一定的差異，因而有利于提高發(fā)射結的注入效率和晶體管的電流放大系數(shù)。但當二氧化硅層厚度超過一定值時，則會對隧穿多子的流動產(chǎn)生阻礙作用，引起發(fā)射區(qū)電阻的增大，降低注入效率和放大系數(shù)。因此，獲得一致性好、重復性高且滿足多晶硅發(fā)射極晶體管放大系數(shù)要求的二氧化硅界面層的工藝控制至關重要[1-2]。

另一方面，基區(qū)與發(fā)射區(qū)的退火工藝決定了雜質的濃度分布與結深，從而影響了晶體管的電流放大系數(shù)，因此確保退火工藝的穩(wěn)定性也是該工藝的關鍵控制點。本文針對界面氧化層的控制工藝和退火工藝進行了研究，最終獲得了穩(wěn)定且滿足放大系數(shù)要求的多晶硅發(fā)射極晶體管。

2 多晶硅發(fā)射極晶體管工藝優(yōu)化

如圖1 所示為NPN 型PET 的工藝流程圖，其中基區(qū)氧化、多晶淀積、發(fā)射區(qū)退火為該工藝流程的關鍵控制工序。該NPN 型發(fā)射極晶體管的電流放大系數(shù)主要受到基區(qū)濃度、基區(qū)結深、發(fā)射區(qū)濃度、發(fā)射區(qū)結深以及多晶-單晶界面的影響。其中基區(qū)氧化與發(fā)射區(qū)退火分別決定著基區(qū)與發(fā)射區(qū)的濃度與結深。多晶-單晶界面層主要通過多晶淀積前的表面處理來控制。

圖1 NPN 型PET 的工藝流程圖

2.1 界面氧化層的控制

多晶硅發(fā)射極的關鍵工藝是LPCVD 淀積多晶硅前的界面處理過程。常見的處理方法主要分為兩類：一類是自然生長的薄氧化層（0.2～2.0 nm），主要是低溫下的生長過程，另一類是熱生長的薄氧化層（大約1.0～1.5 nm）[1]，生長溫度一般在700 ℃以上。通過對LPCVD 多晶淀積前的界面處理、多晶硅淀積工藝的優(yōu)化，可以獲得穩(wěn)定的自然氧化層。圖2、3 為實際生產(chǎn)過程中做的NPN 多晶硅發(fā)射極晶體管的剖面結構圖及SEM 圖。

圖2 NON 型的PET 結構圖

圖3 NPN 型多晶硅發(fā)射集晶體管SEM 照片

2.1.1 多晶淀積工藝控制

二氧化硅介質層有利于提高PET 的放大系數(shù)，但較厚的二氧化硅介質層會導致載流子的輸送受阻，串聯(lián)電阻增加，最終使得發(fā)射效率變差。因此，應盡可能減薄界面二氧化硅介質層的厚度。

對于半導體芯片前道制造工藝中的標準RCA 清洗過程，其對表面缺陷的控制必不可少，如減少顆粒，但清洗液中的過氧化氫液體在70～90 ℃的溫度下分解產(chǎn)生的氧氣分子會與硅表面直接發(fā)生化學反應，生成極不穩(wěn)定的自然氧化層，從而增加氧化層的厚度，嚴重影響多晶硅界面薄氧化層厚度的穩(wěn)定性。為了去除這層自然氧化層，需在RCA 清洗工藝后增加一次DHF 清洗過程用于去除生成的自然氧化層[2]。

在DHF 清洗后至淀積多晶硅之間，襯底會在室溫下快速形成自然氧化層。目前情況下，對“自然氧化層”的具體成分還不能確定，目前認為自然氧化層是由一些特殊的SiOx構成（x＜2）[1]，自然氧化層厚度約為0.4～2 nm。為獲得更穩(wěn)定的二氧化硅界面，針對LPCVD 多晶硅的工藝控制如下：

a)提前將LPCVD 懸臂出舟，在硅片HF 清洗并甩干后，以最快的速度裝載好硅片；

b)硅片裝好后立即進舟，進舟過程中，使用8 L N2對LPCVD 爐管進行吹掃，一方面排出爐管內的空氣，另一方面對硅片在進舟過程中進行N2保護；

c)完成進舟后，立即對LPCVD 爐管抽真空，待抽到本底壓力2.66 Pa 后開始運行程序，確保硅片甩干后至LPCVD 開始工藝時間控制在15 min 以內；

d)硅片放在LPCVD 的固定舟位，每爐僅做一個舟位，以改善批間一致性。

2.1.2 界面氧化層厚度監(jiān)控

PET 的多子、少子均通過多晶-單晶界面和多晶硅膜來進行輸運，因此，穩(wěn)定的多晶界面氧化層對HFE 的穩(wěn)定性有著顯著的影響[3-4]。自然生長的界面氧化層在未進行控制的情況下，受LPCVD 的進出舟速率、環(huán)境溫度與氣氛、停滯時間等因素的影響，呈現(xiàn)比較隨機的波動[5]。如圖4 所示，工藝優(yōu)化前界面氧化層厚度在0.6～1.6 nm 之間波動，采用2.1.1 所述的工藝控制方案后，其厚度可穩(wěn)定在0.6～0.8 nm 之間，且具有良好的可重復性。

圖4 多晶工藝優(yōu)化界面氧化層厚度監(jiān)控

2.2 基區(qū)與發(fā)射區(qū)退火工藝的優(yōu)化

退火工藝的主要工藝參數(shù)有退火溫度和退火時間，其中退火溫度是控制的關鍵[6]。通過大量的基礎實驗，如退火工藝對注入雜質方塊電阻的影響，確認如下措施對退火工藝的一致性有較大的改善作用：

a)通過周期性的厚度變化來監(jiān)控退火溫度點的穩(wěn)定性；

b)退火時爐內放滿硅片，以保持爐內氣氛穩(wěn)定；

c)固定工藝舟位，以確保圓片位于一致的恒溫區(qū)內；

d)降低升降溫速率，以避免升降溫過程中的熱過沖，使熱過程更加平穩(wěn)。

3 結果與討論

根據(jù)上述多晶淀積以及退火工藝的優(yōu)化，該多晶發(fā)射極晶體管的放大系數(shù)以及集電極-發(fā)射極測試的數(shù)據(jù)對比如圖5～8 所示，圖5 與圖6 分別為工藝優(yōu)化前后整批24 片圓片的HFE 的箱線圖。

從圖5 可以看出，工藝優(yōu)化前HFE 的片內分布離散性較大，在150～300 之間均有分布，其片內均勻性在30%左右，從整批24 片的情況來看，均值分布在160～210 之間，整體呈輕微的波浪形波動，片間均勻性約12%。圖6 為工藝優(yōu)化后的HFE 箱線圖，其片內分布的離散性有明顯的改善，從約30%下降至20%；整批24 片的波動情況也有顯著改善，片間均勻性從12%下降至9%，同時該產(chǎn)品成品率可提升10%左右。

圖5 工藝優(yōu)化前整批HFE 箱線圖

圖6 工藝優(yōu)化后整批HFE 箱線圖

圖7 是工藝優(yōu)化后不同基極電流（IB）下的集電極電流（IC）放大曲線，可以看到IB從70 nA 到135 nA，電流放大系數(shù)HFE 變化穩(wěn)定。圖8 是工藝優(yōu)化前后集電極到發(fā)射極VCE擊穿電壓特性曲線，可以看到擊穿前漏電流在pA 量級，且優(yōu)化前后對擊穿電壓影響較小，電流放大系數(shù)及擊穿參數(shù)均滿足產(chǎn)品性能要求。

圖7 優(yōu)化后器件HFE 特性曲線

圖8 優(yōu)化前后器件BV 特性曲線

4 結論

通過對多晶淀積工藝的控制，獲得0.6～0.8 nm 穩(wěn)定的界面氧化層，同時進一步加強了基區(qū)與發(fā)射區(qū)退火工藝的熱穩(wěn)定性，使多晶硅發(fā)射極晶體管HFE 的片內及片間均勻性得到有效改善，提升在線產(chǎn)品的成品率。