多晶硅發射極晶體管放大系數穩定性研究

（無錫中微晶園電子有限公司，江蘇無錫 214035）

1 引言

多晶硅發射極晶體管（Ploysilicon Emitter Transistor,PET）因其具有諸多優點，如淺結、易與CMOS 工藝兼容、超增益等，目前已成為超大規模半導體集成電路的主要雙極型器件。通常認為，多晶硅發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，因而有利于提高發射結的注入效率和晶體管的電流放大系數。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生阻礙作用，引起發射區電阻的增大，降低注入效率和放大系數。因此，獲得一致性好、重復性高且滿足多晶硅發射極晶體管放大系數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，基區與發射區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，因此確保退火工藝的穩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，最終獲得了穩定且滿足放大系數要求的多晶硅發射極晶體管。

2 多晶硅發射極晶體管工藝優化

如圖1 所示為NPN 型PET 的工藝流程圖，其中基區氧化、多晶淀積、發射區退火為該工藝流程的關鍵控制工序。該NPN 型發射極晶體管的電流放大系數主要受到基區濃度、基區結深、發射區濃度、發射區結深以及多晶-單晶界面的影響。其中基區氧化與發射區退火分別決定著基區與發射區的濃度與結深。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化，可以獲得穩定的自然氧化層。圖2、3 為實際生產過程中做的NPN 多晶硅發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，但較厚的二氧化硅介質層會導致載流子的輸送受阻，串聯電阻增加，最終使得發射效率變差。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 ℃的溫度下分解產生的氧氣分子會與硅表面直接發生化學反應，生成極不穩定的自然氧化層，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，穩定的多晶界面氧化層對HFE 的穩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、環境溫度與氣氛、停滯時間等因素的影響，呈現比較隨機的波動[5]。如圖4 所示，工藝優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 多晶工藝優化界面氧化層厚度監控

2.2 基區與發射區退火工藝的優化

退火工藝的主要工藝參數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控退火溫度點的穩定性；

b)退火時爐內放滿硅片，以保持爐內氣氛穩定；

c)固定工藝舟位，以確保圓片位于一致的恒溫區內；

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。

3 結果與討論

根據上述多晶淀積以及退火工藝的優化，該多晶發射極晶體管的放大系數以及集電極-發射極測試的數據對比如圖5～8 所示，圖5 與圖6 分別為工藝優化前后整批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%，同時該產品成品率可提升10%左右。

圖5 工藝優化前整批HFE 箱線圖

圖6 工藝優化后整批HFE 箱線圖

圖7 是工藝優化后不同基極電流（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HFE 變化穩定。圖8 是工藝優化前后集電極到發射極VCE擊穿電壓特性曲線，可以看到擊穿前漏電流在pA 量級，且優化前后對擊穿電壓影響較小，電流放大系數及擊穿參數均滿足產品性能要求。

圖7 優化后器件HFE 特性曲線

圖8 優化前后器件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 穩定的界面氧化層，同時進一步加強了基區與發射區退火工藝的熱穩定性，使多晶硅發射極晶體管HFE 的片內及片間均勻性得到有效改善，提升在線產品的成品率。