一种负反馈式双极结型晶体管工艺实现_王莉.pdf

1引言双极型晶体管偏置电路多应用于开关电路，即应用数字电路的 TTL 电平来控制双极结型晶体管的导通和截止1，此外该晶体管偏置电路还可用于继电器偏驱动电路，而集电极-基极负反馈式偏置电路又是偏置电路中应用最广泛的一种2-3，其优点在于只用一个简单的偏置电阻就构成了偏置电路。在实际生产中，制造带电阻晶体管以及其他的 MOS管或者二极管等电子产品，都需要稳定的工艺制备流程4，需要通过实验来确认更加精确的工艺条件与更加稳定的制备工艺来避免生产过程中出现的问题，同时通过跟踪产品的制备流程，总结在实际生产中控制产品特性的一些方法，也可为后续研究者提供更多便利的参考。2器件结构作为最重要的半导体器件，晶体管的出现使得电子技术有了质的飞跃5。双极结型晶体管是最早出现的器件类型之一，经过后续发展，其种类及功能繁多。本研究涉及其中的电阻三体管。最常见的电阻双极结型晶体管有两种，一种是包含两个电阻的单个晶体管，其中一个电阻与基极相连，另一个电阻并联在基极和发射极之间；另外一种是仅在基极串联一个电阻。本研究讨论第二种类型，其结构形态如图 1 所示。一种负反馈式双极结型晶体管工艺实现*王莉，宋文斌，刘盛意，徐晓萍，刘巾湘，方文远（大连东软信息学院智能与电子工程学院，大连 116023）摘要:利用负反馈电路对放大器提高增益稳定性、减少非线性失真、拓展通频带宽、改善输入输出电阻的作用，基于实际生产，设计并实现一款带电阻双极结型晶体管产品。在普通晶体管基础上，利用 LPCVD 工艺淀积多晶硅，并对其进行离子注入，充当负反馈偏置电路中的电阻结构。以典型半导体加工工艺先后实现基极、发射极、通孔、多晶硅电阻、电极、保护膜以及集电极的制备，对电路成品进行详细性能测试并投入生产。该产品 EDS 特性测试良率高达 99.4%，放大倍数均为 200 以上。关键词：双极结型晶体管；半导体工艺；负反馈晶体管；离子注入；多晶硅电阻DOI：10.3969/j.issn.1002-2279.2023.02.003中图分类号:TN305文献标识码:A文章编号：1002-2279（2023）02-0009-04Process Implementation of a Negative FeedbackBipolar Junction TransistorWANG Li,SONG Wenbin,LIU Shengyi,XU Xiaoping,LIU Jinxiang,FANG Wenyuan(School of Intelligence&Electronic Engineering,Dalian Neusoft University of Information,Dalian 116023,China)Abstract:Using the negative feedback circuits function on amplifier,such as improving gain stability,reducing nonlinear distortion,expanding passband and improving input and output resistance,based onthe actual production,a bipolar junction transistor with resistance is designed and realized.On the basisof ordinary transistor,polysilicon is deposited by LPCVD process and implanted with ions,which acts asa resistance structure in negative feedback bias circuit.The base,emitter,through hole,polysilicon resistor,electrode,protective film and collector are prepared by typical semiconductor processing technology,andthe finished circuit is tested in detail and put into production.The yield rate of the product in EDS cha-racteristics test is as high as 99.4%,and the hFEis above 200.Key words:Bipolar junction transistor;Semiconductor process;Negative feedback transistor;Ionimplantation;Polysilicon resistance基金项目：辽宁省省级教改项目“紧密对接创新产业链的先进半导体产业学院建设的研究与实践”(辽教通2022166 号)作者简介：王莉（1978），女，辽宁省新民县人，硕士，讲师，主研方向：半导体工艺，功率器件。收稿日期：2023-02-20微处理机MICROPROCESSORS第 2 期2023 年 4 月No.2Apr.，2023*微处理机2023 年3负反馈式偏置电路工艺实现该款反馈式电阻双极晶体管的整体工艺流程如图 2 所示。基极制备时，首先要对晶圆进行前处理，除去自然氧化层，同时除去晶圆表面沾附的污染物、异物质以及油污。在热生长之前对硅片表面进行清洗是硅片制造中极关键的一步6。前处理完的晶圆在 4小时内放入 Tube 式高温氧化扩散炉中进行热生长，形成初期氧化膜。生长方式为氢氧合成氧化，条件为温度 1080，时间 1h 32min，气体量 O2：8L/min、H2：12L/min。生成氧化膜的厚度为 600700nm。初期氧化膜生成后进行 P+光刻和光刻后 P+刻蚀。湿法刻蚀后在开口区域形成一层缓冲氧化膜，用来减缓离子注入对硅片造成的损伤。生成氧化膜后即可进行离子注入，制作基极。离子注入后，对晶圆进行杂质的推进激活。基极制备的完成图如图 3 所示。发射极的制备流程如下：首先进行 N+光刻，置于 200下烘烤 60min，然后旋涂 100nm 厚的正胶；旋涂完毕后在 100下软烘 80s，紧接着进行曝光，接着对曝光后的晶圆显影。显影剂喷洒时间为 10s，每分钟转数为 1500。显影后进行最终的烘焙，温度和时间为 150/40min。之后进行 N+刻蚀，使用 BOE进行湿法刻蚀，刻蚀时间为 510s。开出窗口后，在晶圆表面通入 POCl3来完成发射极扩散的预淀积。预淀积温度为 950，时间为 41min，气体流量为 N2：11L/min、O2：0.45L/min（携带 POCl3）。预淀积的过程中会生成厚度约 7595nm 的氧化膜。预淀积后晶圆需要在温度更高的炉管中完成离子的推进，最终形成发射极。发射极制备完成图如图 4 所示。制备好基极和发射极后，就要在发射极上通过LPCVD 淀积一层磷硅玻璃（NSG）膜，用作电阻的绝缘层。在 430低真空状态下，SiH4、PH3和 O2发生化学反应，即可生成 NSG 膜。制备完成图如图 5。制备多晶硅，首先是通过 LPCVD 淀积厚度 430470nm 的多晶硅膜。淀积工艺的相关参数为：温度(b)剖面图图 2工艺流程概况(a)俯视图图 1电阻双极晶体管结构图多晶硅NSG基区发射区AlSiO2N-外延N+衬底图 3基极制备完成图图 4发射极制备完成图图 5NSG 膜制备完成图SiO2SiSiO2Si基区发射区NSGSi102 期625，时间 35min。然后对多晶硅进行掺杂来制作电阻。多晶硅离子注入的条件为：注入磷元素，能量为 60keV，剂量为 6.91011cm-2。注入之后进行退火，以激活杂质同时修复损伤。退火后需要测试表面电阻。测试电阻时要对测试片的片面不同位置多点测试。某次实际流片中，抽取编号为#01、#06 两片，测其上、中、下、左、右、均值（AVG）和极差（R）。#01 片对应数据为 109.9、108.6、106.9、110.2、111.2、109.4、43；#06 片对应的数据为 109.7、107.4、105.5、107.5、109.3、107.9、42，单位均为 nm。对多晶硅进行光刻，刻蚀方式为干法刻蚀。多晶硅制备完成图如图 6 所示。制备好多晶硅后，要制备通孔。首先要进行光刻，HMDS 烘烤后旋涂厚度 1700nm 的正胶，以保证刻蚀过程除通孔以外的其他区域不被刻蚀。100下软烘 100s 后进行曝光，曝光后进行显影。本次光刻胶厚度有所增加，设定时间加到 16s,之后进行坚膜烘焙和外观检查。光刻后进行干法刻蚀形成通孔。检查无异常后再进行 150下 40min烘烤，烘烤结束后进行湿法刻蚀。追加湿法刻蚀的目的是保证通孔刻蚀后完全裸露出硅表面7。最终，去除涂覆在晶圆表面的光刻胶，确认无残留后就完成了通孔的制备。通孔制备完成图如图 7 所示。制备电极使用溅射设备 XM-90 淀积纯 Al，厚度为 2.22.6m。溅射完毕测试晶圆的反射率和方块电阻值。要求方块电阻阻值在 1012/，反射率在 190%以上，经测试均符合标准。然后对淀积好的金属 Al 进行光刻，再进行湿法刻蚀，最后在 N2氛围中 450温度下处理 30min 进行合金。Al 电极制备完成图如图 8 所示。电极制备完成之后进行制备钝化（PASSI）膜。钝化处理是为了防止晶圆在制作过程中出现表面沾污，制备时首先要利用 PECVD 工艺淀积氮化膜，厚度在 560640nm。PECVD 工艺制备的钝化膜制备温度较低，钝化效果好，失效时间长，具有很高的热学和化学稳定性8-9。对淀积好的氮化膜进行 PAD 光刻和干法刻蚀，制成 PAD，后期用于外部连接。保护膜制备的完成图如图 9 所示。最后制备集电极，即背面贴金。为确保金属和晶圆有更好的粘合力，需要先对晶圆背面进行减薄打磨。打磨完成后进行 Si 刻蚀，再利用 PVD 工艺进行背面贴金。贴金成份为：Ti（100nm）/Ni（500nm）/Ag（500nm）/Sn（4.5m），各层厚度均需测量。4产品性能测试上述阐述即为负反馈式电阻双极结型晶体管从投入到最终制成芯片的完整制备流程。最终完成的芯片晶圆实物图如图 10 所示。实现工艺制备后，对电路进行特性测试，测试项目及测试结果如表 1 所示。测试的详细流程如下：1）ICBO（集电结反向饱和电流）测试：保证发射极为开路，在集电极-基极之间加反偏电压到固定值。经实测，漏电流值为 0.62nA。图 6多晶硅制备完成图图 7通孔制备完成图图 8Al 电极制备完成图图 9保护膜制备完成图图 10显微镜下的晶圆完成状态多晶SiNSG多晶SiNSG通孔AlSiNSGE 极B 极多晶Si3N4钝化膜NSGSiSiO2王莉等：一种负反馈式双极结型晶体管工艺实现11微处理机2023 年2）IEBO（发射结反向饱和电流）测试：保证集电极为开路，在发射极-基极之间加反偏电压到+5V。经测，此时的漏电流值为 586A。3）ICEO（穿透电流）测试：基极呈开路，在集电极-发射极之间加反偏电压到固定值。经测，此时的漏电流值为 0.87nA。4）VCBO（集电极-基极间的击穿电压）测试：发射极为开路，在集电极-基极之间加反偏电压到+5V，当电流到 100A 时对应的电压值为 160.5V。5）VEBO（发射极-基极间的击穿电压）测试：集电极为开路时，在发射极-基极之间加反偏电压，当电流到一定值，实测电压值为 13V。6）VCEO（集电极-发射极间的击穿电压）测试：基极呈开路，在集电极-发射极之间加反偏电压，加至10mV，当电流增到 1mA 时测得电压值为 54.4V。7）hEF（双极型晶体管放大倍数）测试：集电极加到固定值+5V，增加输入信号幅度，使 IC达到固定要求的电流值 10mA，此时 IC/IB就是 hFE的值。经测，放大倍数可达 208。8）R（反馈电路电阻）测试：发射极和基极反偏（相当于断路），测得 R1+R2=57.6k。当电压达到一定值时，发射极和基极反向击穿，此时再经测试值，得到 R1=10.878k。测试完成后以此工艺投入生产，经过 EDS 特性测试，该批次产品良率为 99.4%以上，远超目标合格率 99%，且 6 枚晶圆产出电路的 hFE均在 200 以上。5结束语双极结型晶体管芯片的应用领域依然非常广泛，但目前在实际生产中由于制造技术所限，还存在很多的问题。国内针对该类芯片的研究不多，所以针对实际生产中出现问题的解决措施少之又少，相关文章和资料也比较匮乏。本研究论述了一款负反馈式电阻双极结型晶体管从投入到最终制成芯片的整个详细制备流程，并对制备完成的芯片进行特性测试，得到的测试结果符合预期结果，为后续的研究者提供了更多的参考。在未来研究中，可在此基础上做进一步的深入探讨，对芯片的制备工艺做进一步优化，以及进一步完善芯片性能。参考文献：1华成英.模拟电子技术基本教程M.北京:清华大学出版社,2001:64-241.HUA Chengying.Fundamentals of analog electronicsM.Beijing:Tsinghua University Press,2001:64-241.2王红云.几种偏置电路在三极管放大电路中的作用J.考试周刊,2011(70):198-199.WANG Hongyun.Functions of several bias circuits in tri-ode amplification circuitsJ.Examination Weekly,2011(70):198-199.3张倩,杜建宾,张亚如.三极管的偏置电路J.科技资讯,2014,12(16):89.ZHANG qian,DU Jianbin,ZHANG Yaru.Biasing circuit oftriodeJ.Science&Technology 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