改變鋁濺射材料解決電視機場功放電路中點電位漂移

邱靜君，宿田

（無錫華潤矽科微電子有限公司，江蘇無錫214000）

改變鋁濺射材料解決電視機場功放電路中點電位漂移

邱靜君，宿田

（無錫華潤矽科微電子有限公司，江蘇無錫214000）

集成電路芯片對器件參數(shù)的均勻性、穩(wěn)定性要求很高。集成電路制造過程中由工藝異常引起的器件參數(shù)不均勻，直接影響著芯片性能和圓片良率。引起器件參數(shù)不均勻的原因千變?nèi)f化，結(jié)合產(chǎn)品分析解決問題、保證芯片性能和工藝正常，是設(shè)計和產(chǎn)品工程師經(jīng)常面對的問題。通過一個產(chǎn)品實例，從失效現(xiàn)象、原因分析、實驗室分析佐證、設(shè)計改進方案到試驗結(jié)果，介紹了通過改變鋁濺射材料減小基區(qū)孔接觸電阻、改善接觸電阻均勻性，解決電視機場功放電路由于工藝問題導致的基區(qū)孔接觸電阻不均勻、引起中點電位漂移的方法。

鋁濺射；鋁硅銅；鋁銅；基區(qū)接觸電阻；硅空洞；鋁欠缺；中點電位；均勻性

1 引言

某個電視機場功放電路在設(shè)計試制初期，存在中點電位漂移的問題，中測良率不穩(wěn)定。正常圓片中測良率達到90%以上，異常圓片中測良率分布在50%～60%附近甚至更低。中測失效現(xiàn)象主要表現(xiàn)為中點電位超規(guī)范（即中點電位漂移）。在試制過程中，通過對中點電位超規(guī)范的原因進行分析，找出失效機理并通過工藝優(yōu)化解決了中點電位漂移的問題。

2 中點電位漂移現(xiàn)象描述和分析以及改進試驗

2.1 現(xiàn)象描述

電視機場功放電路的中點電位，在正負電源應(yīng)用時，理論中點電位應(yīng)為0 V。某場功放電路，試制初期中點電位異常。很多圓片中測時中點電位漂移變大，這些圓片中的管芯，大部分中點分布在50 mV以上，很多管芯的中點電位經(jīng)常性隨機產(chǎn)生＞200 mV的現(xiàn)象，成了不良品，導致圓片中測良率低。在試制初期只有部分圓片正常，正常圓片管芯的中點分布在10～50mV附近（由于前期工藝原因?qū)е缕骷?shù)不平衡，良品管芯的中點電位也偏高，大部分分布在10 mV以上，基本沒有分布在0 V附近的管芯）。試制初期正常圓片的測試圖見圖1，不良圓片的測試圖見圖2。

圖1 試制初期正常圓片的測試圖

圖2 試制初期不良圓片的測試圖

2.2 對引起中點電位漂移的原因分析

場功放電路功能框圖如圖3所示。

圖3 場功放電路功能框圖

引腳說明見表1。

表1 引腳說明

場功放電路中點由外圍決定，正負電源應(yīng)用時相關(guān)的線路框圖如圖4所示。

圖4 場功放電路部分線路框圖

PIN5輸出(OUT)的中點電位為：

PIN7內(nèi)部接R2，靜態(tài)電流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，理想情況下，V1=V7=0 V，中點Vo=0 V。

場功放電路輸入部分的線路結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 場功放電路輸入部分線路結(jié)構(gòu)圖

信號由PIN1輸入，PIN7由外圍給一個參考電位，經(jīng)T1、T2跟隨后送T6、T7差分放大。V1和V7關(guān)系如下：

由于電阻接觸孔接觸電阻Rc的不正常且隨機增大，引起R1和R2、R6和R7隨機產(chǎn)生不對稱，此時V1和V7關(guān)系如下：

式（3）中△Rc1、△Rc2、△Rc6、△Rc7分別表示電阻R1、R2、R6、R7對應(yīng)的接觸孔接觸不良額外增加的接觸電阻波動，△V(△Rc1)、△V(△Rc2)、△V(△Rc6)、△V(△Rc7)分別表示由電阻R1、R2、R6、R7的接觸電阻波動所產(chǎn)生的電壓波動。

靜態(tài)時，T3、T4、T5基極電位由T12、T13鉗位在+Vcc-2VbeT12。因T3、T4對稱，T3、T4集電極靜態(tài)電流IcT3=IcT4= [+Vcc-VebT3-(+Vcc-2VbeT12)]/R3/2=(2VbeT12-VebT3)/R3/2，又因T1、T2對稱，R1、R2的靜態(tài)電流即T1、T2的基極電流IR1=IR2=IbT1=IbT2=IcT3(或IcT4)/HfePNP=(2VbeT12-VebT3)/R3/ 2/HfePNP。VbeT12表示NPN管T12、T13的be結(jié)正向壓降，VebT3表示PNP管T3、T4的eb結(jié)正向壓降，HfePNP表示PNP管T1、T2的放大系數(shù)。VbeT12=0.79 V，VebT3=0.73 V，HfePNP≈150，R3=4.51 kΩ，計算得IR1=IR2=0.63 μA。

T5集電極靜態(tài)電流IcT5=[+Vcc-VebT5-(+Vcc-2VbeT12)]/ R5=(2VbeT12-VebT5)/R5，因R6、R7對稱，T6、T7對稱，R6、R7靜態(tài)電流IR6=IR7=IcT5/2=(2VbeT12-VebT5)/R5/2。VbeT12表示NPN管T12、T13的be結(jié)正向壓降，VebT5表示PNP管T5的eb結(jié)壓降。VbeT12=0.79 V，VebT5=0.71 V（注：設(shè)計時T5的面積跟T3、T4不同，所以VebT5跟VebT3略有差異），R5=8.84 kΩ，計算得IR6=IR7=49.2 μA。

在下面的分析中提到，由于工藝原因，該產(chǎn)品試制前期Rc波動劇烈，Rc最大最小值的差達到200 Ω以上，所以△Rc2-△Rc1和△Rc7-△Rc6波動范圍為(-200～+200 Ω)或以上，以(-200～+200 Ω)為例進行計算，V1-V7波動范圍根據(jù)式（5）可知為-9.966～+9.966 mV。中點Vo=18×V1，則中點波動范圍△Vo≈-179.388～+179.388 mV。

電阻孔接觸電阻正常的圓片，Rc小且均勻性好，△Rc≈0，△Rc2-△Rc1≈0，△Rc7-△Rc6≈0，故而中點電位在0電位附近。

以上理論分析結(jié)果跟中測中點電位測試值、Rc波動對中點電位漂移影響數(shù)據(jù)完全吻合。

2.3 基區(qū)接觸電阻Rc和中點電位對應(yīng)關(guān)系的實驗分析

對于中測出現(xiàn)的中點電位漂移，分析跟器件參數(shù)的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)中測正常與不正常的圓片僅基區(qū)接觸電阻Rc的差異明顯，其余參數(shù)未發(fā)現(xiàn)不同。對Rc的測試數(shù)據(jù)和中測中點電位漂移量大小進行比對，發(fā)現(xiàn)中點電位漂移量的大小跟Rc的大小密切相關(guān)，且基本成正比；Rc小的圓片中點平衡，中測良率正常；Rc大的圓片中點漂移，中測良率低。這些數(shù)據(jù)結(jié)合線路分析，基本判斷該產(chǎn)品中點漂移大是由電阻接觸不正常引起。表2所示是Rc和中測中點電位測試數(shù)據(jù)以及中測良率的對應(yīng)關(guān)系（數(shù)據(jù)取自A6A44E.1批次，上下左中右分別表示圓片中五個位置的數(shù)據(jù)）。

表2 基區(qū)電阻、基區(qū)接觸電阻分布以及平均值、分布最大最小值之差

表3 中點電位分布情況

從表2、表3中的數(shù)據(jù)可以看到，15#、16#兩片的Rc平均值在200 Ω附近，最大與最小值的差（△Rc）達到200 Ω以上，Rc大且不均勻，中點電位的平均值在120～140 mV左右，個別中點高的甚至達到300 mV以上；17#、18#兩片的Rc平均值在100 Ω附近，最大與最小值的差（△Rc）在70 Ω以內(nèi)，Rc小且相對均勻，中點電位的平均值在60～75 mV左右，個別中點高的分布在150 mV附近。Rc大小和中點電位高低的對應(yīng)關(guān)系非常明確，中點電位漂移量的大小跟理論計算值基本吻合。

2.4 各種試驗情況

2.4.1 縱向SEM掃描的情況

從失效現(xiàn)象、采集的數(shù)據(jù)結(jié)合線路理論分析，得出中點電位漂移由電阻孔接觸不良導致接觸電阻Rc隨機增大引起，而Rc隨機增大是何原因產(chǎn)生的呢？借助實驗室設(shè)備對產(chǎn)生該類接觸不良的原因進行了分析。SEM分析發(fā)現(xiàn)接觸不良由接觸孔處硅空洞引起。圖6、圖7是剖面正常接觸孔和Si空洞SEM照片。

圖6 正常接觸孔SEM照片

圖7 接觸孔處硅空洞SEM照片

2.4.2 改善接觸電阻Rc的各種試驗

從上面的SEM照片可以看到，Rc大的原因來自于接觸孔處的硅空洞。這種空洞是由于半導體硅在鋁中有較大的固溶度和擴散速率，在合金過程中硅向鋁中溶解并不斷向鋁中擴散，在硅中留下硅空洞造成。由于硅空洞的存在，需要接觸孔處的鋁去填補，鋁填補空洞后造成局部鋁空缺，導致接觸電阻增大，并引起接觸電阻不均勻，跟淺結(jié)時易引起PN結(jié)穿通的失效機理類似。為了進一步證實、排查其他原因并改進，安排了一些不同條件下的試驗，如鋁濺射方式改變、合金溫度降低、鋁厚度增加以及鋁濺射材料改變等等，如表4所示。

從表4可以看出，多種工藝試驗唯有鋁濺射材料改變（AlCu改為AlSiCu）有效解決了接觸電阻Rc增大的問題。初期工藝中，金屬層采用AlCu濺射，以上試驗除10#片鋁濺射材料改用AlSiCu外，其余圓片仍然采用AlCu濺射；除10#片接觸電阻Rc有效減小外，其他圓片各種試驗對減小Rc沒有效果；采用AlSiCu濺射的10#片接觸電阻Rc小且均勻性好。理論分析可知，將AlCu濺射改為AlSiCu濺射，在AlCu中增加了Si的成分，緩解了硅向鋁中的溶解，可有效解決由于硅空洞造成的接觸電阻增大問題。

3 試驗結(jié)果

經(jīng)過以上試驗，有了明確的結(jié)論。因此，將原工藝中的AlCu濺射改為AlSiCu濺射，進行了擴批試驗和三批量驗證，表5所示是三批量實驗數(shù)據(jù)?？梢钥吹?，接觸電阻Rc得到明顯的改善，原來單片內(nèi)分布最大最小值之差在200 Ω以上，現(xiàn)在改進后整批間分布最大最小值之差在10 Ω附近，均勻性非常好。三整批（24片/批）的中測良率穩(wěn)定在95%以上。

表4 試驗方案和對應(yīng)的基區(qū)接觸電阻數(shù)據(jù)

表5 試驗改進后三批量接觸電阻和良率情況

典型中測圖如圖8所示（很少出現(xiàn)不良品）。

三批量圓片的接觸電阻Rc得到改善后，中點電位的分布也明顯趨于分布在0電位附近，表6所示為三批量圓片隨機抽取一片連續(xù)10個管芯的中點電位分布數(shù)據(jù)，全部分布在30mV以下，平均值在10mV附近。

圖8 改進后的中測圖

表6 試驗改進后三批量中點電位數(shù)據(jù)

4 結(jié)束語

雙極集成電路的工藝選擇，在淺結(jié)工藝中為了避免接觸孔處鋁吃硅引起鋁空洞，空洞吸鋁容易引起PN結(jié)穿通，會選用AlSiCu作為金屬1解決此類問題。在比較深結(jié)的高壓工藝平臺，選擇AlCu作為金屬1比較普遍。然而，用AlCu作為金屬1時，接觸孔處肯定存在由于硅融入鋁中造成的硅空洞問題。在以前接觸孔尺寸比較大的情況下，該問題影響電路性能的表現(xiàn)不突出。隨著工藝水平的提高，接觸孔尺寸的縮小，接觸孔合金后或電路使用過程中鋁吃硅的問題會越來越嚴重地影響電路的性能及可靠性，嚴重時導致電路高比例中測失效或客戶端失效。本文通過對生產(chǎn)實例的問題分析和解決，闡述了使用AlCu作為金屬1時可能遇到的問題和解決方法，提示如遇到類似低良率和失效問題，應(yīng)注意接觸孔處硅空洞的問題，必要時可考慮采用AlSiCu替代AlCu來解決。

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

TN406

：A

：1681-1070（2017）09-0044-05

2017-5-23

邱靜君（1963—），女，浙江臺州人，1983年畢業(yè)于浙江大學無線電系半導體器件專業(yè)，本科學歷，從事集成電路設(shè)計工作三十多年，在產(chǎn)品結(jié)合工藝分析解決設(shè)計和生產(chǎn)中的問題方面具有豐富的經(jīng)驗。