超高壓BCD工藝中多晶硅電阻的可靠性分析及實現

包飛軍，曹　剛，葛艷輝，石艷玲*，陳　滔，(.華東師范大學信息科技與技術學院，上海004; .上海華虹宏力半導體制造有限公司，上海006)

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超高壓BCD工藝中多晶硅電阻的可靠性分析及實現

包飛軍1，曹剛2，葛艷輝2，石艷玲1*，陳滔1，2
(1.華東師范大學信息科技與技術學院，上海200241; 2.上海華虹宏力半導體制造有限公司，上海201206)

摘要:多晶硅電阻由于其獨特的溫度特性及電遷移效應，阻值受溫度和電流的影響很大，針對應用于超高壓BCD工藝中的多晶硅電阻，其可靠性需進行特別分析和設計。通過對0.18 μm 700 V BCD工藝中不同摻雜濃度多晶硅電阻的測試與分析，結合多晶硅結構、導電機制、焦耳熱效應及電遷移理論，分析了焦耳熱和電遷移對多晶硅電阻的影響，并實現了高壓BCD工藝中高可靠性的多晶硅電阻。

關鍵詞:超高壓BCD;多晶硅電阻;可靠性;焦耳熱效應;電遷移

多晶硅是廣泛用于實現MOSFET多晶硅柵電極、局部互連線、傳感器、高值電阻等［1］，制作超大規模集成電路非常重要的一種材料，同時在太陽能電池和薄膜晶體管中也有很重要的應用［2－3］。采用多晶硅實現的高值電阻具有許多優點，如面積小、線性好、電阻值寬范圍可調等。

BCD工藝是將高速強負載驅動能力Bipolar器件、高集成低功耗CMOS器件及高壓DMOS功率器件相結合的單片集成電路制造工藝，可實現高速器件與低功耗器件、高壓器件與低壓器件的結合［4－5］。在BCD工藝中，可考慮采用多晶硅實現電阻，起到調節電流，承載分壓，實現器件間不同電壓轉換的作用。但電阻穩定性將影響到電路中電壓的穩定與電路功耗，因此，高可靠性的多晶硅電阻設計對實現穩定的超高壓BCD電路尤為重要［6］。

1　焦耳熱效應對多晶硅電阻的影響

1.1多晶硅電阻溫度特性的理論分析

根據1975年Seto提出的多晶硅物理模型［7］，多晶硅由許多小單晶硅晶粒組成的，晶粒間界處有大量的懸掛鍵和缺陷，形成能俘獲載流子的陷阱。陷阱俘獲載流子后帶電，形成勢壘，阻止載流子的遷移，使遷移率下降。其后，Mandurah等人［8］和Lu等人［9］也提出過類似的多晶硅電阻模型，且指出多晶硅晶粒邊界處懸掛鍵和缺陷形成的載流子俘獲態的數量是恒定的。因此，多晶硅電阻R(T)由小單晶硅粒電阻Rg(T)和晶粒間界電阻Rgb(T)共同決定，

式中:Wg為單個小單晶硅粒的寬度，Wgb為單個晶粒間界寬度，W等于Wg與Wgb之和。

對于高摻雜濃度多晶硅電阻，小晶粒中載流子數遠大于晶粒間界俘獲的載流子數，阻值主要由Rg(T)決定。隨著溫度的升高，晶格震動散射增強，載流子遷移率下降，Rg(T)增大，多晶硅電阻增大，具有正的電阻溫度特性。對于低摻雜濃度的多晶硅，晶粒間界處俘獲的載流子數遠大于小晶粒中載流子數，Rgb(T)影響占據主導地位。隨著溫度升高，載流子獲得的能量增大，晶粒間界處俘獲的載流子更易克服勢壘的束縛，成為自由載流子，參與導電，Rgb(T)隨溫度升高而減小，多晶硅電阻隨溫度升高而變小，表現出負的電阻溫度特性。

1.2多晶硅電阻焦耳熱對阻值的影響

實驗中，根據0.18 μm 700 V BCD工藝，制作了形狀、長寬相同，摻雜濃度不同的3種多晶硅電阻，其位置如圖1顯微鏡照片所示，各電阻摻雜濃度及常溫方塊電阻值如表1所示。

圖1　BCD工藝中多晶硅電阻的顯微鏡照片

表1　三種多晶硅電阻及其對應摻雜濃度的設計

Qualita Mira EM可用于測試焦耳熱效應對多晶硅電阻阻值的影響，通過在多晶硅電阻的兩端通快速變大的電流，電流產生的焦耳熱效應會使多晶硅電阻溫度升高，從而阻值發生變化。

低值多晶硅電阻阻值隨電流密度變化的測試曲線如圖2所示。首先隨著電流密度的快速增大，焦耳熱效應使多晶硅電阻溫度升高，阻值隨之增大，表現出正的溫度特性。隨后，低值多晶硅電阻值隨電流增大到一定值后，出現了隨電流增大而變小的現象，這是因為此時多晶硅內的熱激發激烈，隨著溫度升高，本征載流子急劇增多，對多晶硅電阻起主導作用，導致電阻率減小。

圖2　低值多晶硅阻值隨電流密度的變化

圖3和圖4分別是中值和高值多晶硅電阻阻值隨電流變化的測試曲線，阻值均隨著電流密度的增大而減小，且高值多晶硅電阻阻值隨電流密度增大而減小的斜率絕對值大于中值多晶硅電阻。這是因為摻雜濃度低于一定值后，多晶硅電阻具有負溫度特性，且摻雜濃度越低、負溫度特性越明顯。

圖3　中值多晶硅阻值隨電流密度的變化

圖4　高值多晶硅阻值隨電流密度的變化

2　電遷移對多晶硅電阻的影響

2.1電遷移原理

對電遷移Electromigration的研究始于金屬互連線，是指互連線在電流和溫度作用下產生的電子流碰撞原子，發生的原子遷移的現象［10］。常用電遷移中值失效時間(MTF)來描述電遷移引起的失效。中值失效時間指同樣的直流電流試驗條件下，50%的互連引線失效所用的時間，失效判據為引線電阻增加10%。直流模型下描述電遷移失效中值時間的經典公式是Block公式［11］

式中:A為常數; J為電流密度; n為電流密度指數; Ea為擴散激活能; k為玻耳茲曼常數; T為絕對溫度。MTF與電流密度和溫度密切相關。

2.2多晶硅電遷移現象及分析

可用Qualita Mira電遷移采用高溫加速測試的方法測試多晶硅電阻的電遷移，保持溫度不變在多晶硅電阻的兩端通恒定的電流，測試多晶硅電阻阻值隨時間的變化。實驗采用了若干形狀、長寬均相同，摻雜濃度為3.8×1014/cm3的中值電阻(如表1所示)。

圖5是溫度為250℃時，在多晶硅兩端分別加2 mA、4 mA、6 mA恒定電流、多晶硅電阻阻值隨時間變化的關系。如圖5所示，通電流一定的時間后，多晶硅阻值均出現隨著時間的增加而逐漸增大的現象，即出現了電遷移，且所通電流越大，電阻值增大越快，電遷移越嚴重，失效時間越短。

圖5　恒溫恒流條件下多晶硅阻值隨時間的變化

根據式(2) Block方程，可得:

式中:B、C為常數。

在相同的溫度下測試3組不同電流密度下多晶硅電阻的MTF(圖6)，根據式(3)即可計算出多晶硅電阻的n值。計算等到n為9.23，去除焦耳熱影響后n為5.96。同理，在相同的電流密度下測試三組不同溫度下多晶硅電阻的MTF (圖7)，根據式(4)即可計算出多晶硅電阻的Ea值，Ea為0.61。

圖6　250℃，7/6/8 mA多晶硅電阻累計失效率

圖7　7 mA，200/225/250℃多晶硅電阻累計失效率

Ea和n的大小被認為反映了電遷移失效的物理機制。如果電遷移失效過程以晶界擴散為主，則n一般小于2，若n大于3，則認為電流導致的擁擠效應或焦耳熱效應已經在電遷移過程中起了很大作用。多晶硅電阻的n值高達9.23，去除焦耳熱影響后，n值也高達5.96，這說明電流密度對多晶硅電遷移的影響很大，分析認為由于多晶硅是由小晶粒組成的，因此晶粒間界處電流擁擠效應強烈，且晶粒間界處原子鍵合力弱，在大電流的作用下更容易出現電遷移，產生空洞，因而使得電阻率劇增。

3　高可靠性多晶硅電阻的實現

焦耳熱效應和電遷移效應是影響多晶硅電阻可靠性的兩個主要因素，特別是在超高壓BCD工藝中，容易在接入高壓的多晶硅電阻上產生較大的電流，從而產生失效。

結合表1數據，比較圖2和圖3的實驗結果可知，隨著摻雜濃度的增加，多晶硅電阻的溫度特性會由正變為負，因此存在某一特定摻雜濃度的多晶硅電阻，其電阻溫度系數為0，這和多晶硅的制造工藝有關;電遷移效應是長時間通電流產生的效應，因此對于有高精度要求、非長時間工作電阻的應用，可采用這一特定摻雜濃度的多晶硅電阻。利用不同摻雜濃度的多晶硅電阻溫度特性可正可負的特性，對于誤差允許稍偏正電阻的應用可采用溫度特性為正的重摻雜多晶硅電阻;而對于誤差允許稍偏小電阻的應用可采用溫度特性為負的輕摻雜多晶硅電阻。

通過調節多晶硅電阻寬長比可設計高可靠性電阻。圖8是方塊電阻為2 kΩ/sq多晶硅電阻擊穿電壓BV(BV定義為多晶硅電阻值變化10%所能承受的電壓，單位為伏特V)隨長寬變化的測試及采用最小二乘方法擬合的結果。測試結果表明，BV隨W的減大而減小，隨L的增大而增大;擬合結果表明，BV與多晶硅電阻的長度成嚴格的正比關系(線性擬合相關系數R2均大于0.999)，但斜率隨著寬度的增大而減小。因此可根據電阻擊穿電壓的要求來挑選電阻尺寸，根據寬長關系獲得合適阻值的多晶硅電阻。圖9為根據圖8線條尺寸選擇設計的BV分別為70 V和100 V的2 kΩ/sq多晶硅電阻。

圖8　多晶硅電阻BV(V)與結構尺寸的關系

圖9　BV為70 V和100 V時2 kΩ/sq多晶硅電阻長寬關系

4　總結

本文分析了影響多晶硅電阻可靠性的兩個主要因素焦耳熱效應和電遷移效應對多晶硅電阻阻值的影響;開展了0.18 μm 700 V BCD工藝中多晶硅電阻可靠性的研究，提出了超高壓BCD工藝中高可靠性多晶硅電阻的設計方法，對該工藝中多晶硅電阻的設計具有指導作用。

參考文獻:

［1］Adari R B R，Suresh S，Prabhu R D.Hardware Validated TCAD Simulation of Polysilicon Resistor Including Trap Physics and Self-Heating［J］.IEEE Electron Devices and Solid State Circuit (EDSSC) International Conference，Dec 2012:1－4.

［2］Bwcker C，Amkreutz D，Sontheime R T，et al.Polycrystalline Silicon Thin Film Solar Cells:Status and Perspectives［J］.Solar Energy Materials and Solar Cells，2013:122－123.

［3］Green M A.Polycrystalline Silicon on Glass for Thin-Film Solar Cells［J］.Applied Physics:A，2009，96(1) :153－159.

［4］Boulais E，Fantoni J，Chateauneuf A，et al.Laser-Induced Resistance Fine Tuning of Integrated Polysilicon Thin-Film Resistors［J］.IEEE Transactions On Electron Devices，2011，58(2) :572－575.

［5］孫偉鋒，張波，肖勝安，等.功率半導體器件與功率集成技術的發展現狀與展望［J］.中國科學，2012，42(12) :1616－1630.

［6］Venturato M，Cantone G，Ronchi F，et al.A Novel 0.35 μm 800 V BCD Technology Platformfor Offline Application［C］/ / Proceedings of the 2012 24th International Symposium on power Semiconductor Devices and ICs［s.l.］:IEEE，2012:397－400.

［7］Seto John Y W.The Electrical Properties of Polycrystalline Silicon Films［J］.Applied Physics，1975，46(12) :5247－5254.

［8］Mandurah M M，Saraswat K C，Kamins T I，et al.A Model for Conduction in Polycrystalline Silicon—PartⅠ:Theory［J］.IEEE Transactions on Electron Devices，1981，28(10) :1163－1171.

［9］Lu N C C，Gerzberg L，Lu C Y，et al.A Conduction Model for Semiconductor-Grain-Boundary-Semiconductor Barriers in Polycrystalline-Silicon Films［J］.IEEE Transactions on Electron Devices，1983，30(2) :137－149.

［10］Wu K，Bradley R M.Theory of Electromigration Failure in Polycrystalline Metal Films［J］.Phys Rev B，1994，50(17) :12468－12487.

［11］Black J R，Electromigration Failure Models in Aluminum Metallization for Semiconductor Devices［J］.Proc of the IEEE，1969，57(9) :1587－1594.

石艷玲(1969－)，女，漢族，華東師范大學微電子專業教授、博導，主要從事VLSI技術核心器件、模型及應用研究。承擔國家及上海市研究課題近10項，在國內外核心刊物上發表論文逾40篇，SCI檢索5篇，ylshi@ee.ecnu.edu.cn。

Research of MEMS Bionic Vector Hydrophone Vibration Control

YANG Jiangtao1，2，MA Xihong1，2*，WU Qi3
(1.Science and Technology on Electronic Test and Measurement Laboratory，North University of China，Taiyuan 030051，China; 2.Key Laboratory of Instrumentation Science and Dynamic Measurement of Ministry of Education，North University of China，Taiyuan 030051，China 3.School of Computer Science and Control Engineering，North University of China，Taiyuan 030051，China; )

Abstract:One kind of anti-shock packaging model for the bionic vector acoustic hydrophone in the acoustic sensor system have been built by using of anti-shock principle.A new package model has been designed by adding a new rubber damper package.The modal analyses have been made to study on the structure and dimension effects on the anti-shock performance of the model so as to select the optimum packaging structure，and the optimum packaging model with the lowest natural frequencies has been gained by optimizing the dimension of the model and material parameters of the rubber by using ANSYS.In the end，the anti-shock performance of the optimum model has been tested and evaluated.Experimental results show that the designed rubber damping structure has a certain damping effect and Isolated a certain level of external vibration disturbances outside the core device.Moreover，it improved the detection sensitivity of original packaging structure vector hydrophone.The verified MEMS silicon micro-bionic underwater acoustic vector sensor is not only small size，light weight，simple structure，and has a low frequency and high sensitivity.Key words:MEMS bionic vector hydrophone; finite element analysis; anti-shock packaging; packaging system

中圖分類號:TN36

文獻標識碼:A

文章編號:1005－9490(2015) 03－0495－04

收稿日期:2014－07－09修改日期:2014－08－03

doi:EEACC:0170J; 782010.3969/j.issn.1005－9490.2015.03.006