扩散工艺常见质量问题及分析

扩散工艺常见质量问题及分析一、硅片表面不良1、表面合金点。形成表面合金点的主要原因是表面浓度过高。（ 1） 预淀积时携带源的气体流量过大。如 CVD 预淀积时源的浓度过高，液态源预淀积时通源的气体流量过大或在通气时发生气体流量过冲；（ 2） 源温过高，使扩散源的蒸气压过大；（ 3） 源的纯度不高，含有杂质或水份；（ 4） 预淀积时扩散温度过高，时间太长；为了改善高浓度扩散的表面，常在浓度较高的预淀积气氛中加一点氯气，防止合金点产生。2、表面黑点或白雾。这是扩散工艺中经常出现的表面问题。一般在显微镜下观察是密布的小黑点，在聚光灯下看是或浓或淡的白雾。产生的原因主要有（ 1） 硅片表面清洗不良，有残留的酸性水汽；（ 2） 纯水或化学试剂过滤孔径过大，使纯水或化学试剂中含有大量的悬浮小颗粒（肉眼观察不到） ；（ 3） 预淀积气氛中含有水分；（ 4） 扩散 N2 中含有水分；（ 5） 硅片在扩散前暴露在空气中时间过长，表面吸附酸性气氛；3、表面凸起物。主要是由较大粒径的颗粒污染经过高温处理后形成的。如灰尘、头屑、纤维等落在硅片表面，或石英管内的粉尘、硅屑等在进出舟时溅到硅片表面。表面凸起物一般在日光灯下用肉眼可以看到。4、表面氧化层颜色不一致。通常是用 CVD 预淀积时氧化层厚度不均匀；有时也可能是扩散时气体管路泄漏引起气氛紊乱；气体还有杂质，使扩散过程中生长的氧化层不均匀，造成氧化层表面发花；5、硅片表面滑移线或硅片弯曲。这是硅片在高温下的热应力引起的，一般是由进出舟速度过快，硅片间隔太小，石英舟开槽不合适等引起的。6、硅片表面划伤，边缘缺损，或硅片开裂等，通常是由操作不当造成的。也有石英舟制作不良（放片子的槽不在同一平面上或槽开的太窄，卡片子）的因素。二、漏电流大漏电流大在集成电路失效的诸因素中通常占据第一位。造成集成电路漏电流大的原因很多，几乎涉及到所有的工序。主要有（ 1） 表面沾污（主要是重金属离子和碱金属离子）引起的表面漏电；（ 2） Si－ SiO2 界面的正电荷，如钠离子、氧空位，界面态等引起的表面沟道效应，在 p 型区形成反型层或耗尽层，造成电路漏电流偏大；（ 3） 氧化层的缺陷（如针孔等）破坏了氧化层在杂质扩散时的掩蔽作用和氧化层在电路中的绝缘作用而导致漏电；（ 4） 硅片（包括外延层）的缺陷引起杂质扩散时产生管道击穿；（ 5） 隔离再扩散深度和浓度不够，造成隔离岛间漏电流大（严重时为穿通） ；（ 6） 基区扩散前有残留氧化膜或基区扩散浓度偏低，在发射区扩散后表现为基区宽度小，集电极－发射极间反向击穿电压低，漏电流大；（ 7） 发射区扩散表面浓度太低，引起表面复合电流；（ 8） 引线孔光刻套偏和侧向腐蚀量过大后，由 AL 布线引起的短路漏电流；（ 9） AL 合金温度过高或时间过长，引起浅结器件发射结穿通；减少或控制集成电路的漏电流， 需要在整个制造过程中全面、 综合地管理， 防止有可能导致漏电的各个因素的产生。 从某种意义上说， 漏电流的控制水平反映了集成电路生产线的管理水平和技术水平。三、薄层电阻偏差薄层电阻偏差超规范是扩散工艺最常见的质量问题，造成薄层电阻偏差的主要因素有（ 1） 扩散炉温失控或不稳定；（ 2） 用 CVD 法预淀积时，气体流量不稳定或热板温度不稳定；（ 3） 用其他方法预淀积时，携带源的气体流量不稳定，或源温失控；（ 4） 预淀积或在扩散时气体管路泄漏或气体含有杂质；（ 5） 光刻腐蚀后有残留氧化膜或在清洗过程中产生较厚的自然氧化膜（大于 2nm）阻碍了杂质扩散；（ 6） 预淀积或在扩散过程中设备的故障或误动作；（ 7） 操作人员的误操作；四、器件特性异常器件特性异常主要是在发射区再扩散和合金后检测器件的击穿电压异常； Hfe 不合规范， 小电流下测的 Hfe 过低，稳压二极管稳压值不合规范；电阻呈非线性等。1、击穿点压异常击穿点压异常异常一般有低压击穿、 分段击穿、软击穿、 二次击穿和击穿电压蠕变等。 影响击穿点压的因素比较多， 有些击穿异常如二次击穿， 不仅设计芯片制造工艺， 还和晶体管的设计、后工序的组装等有关，这里仅就扩散工艺有关的问题作一些分析。（ 1） 表面漏电大，可引起软击穿、分段击穿、击穿电压蠕变等异常现象；（ 2） 由缺陷造成的扩散杂质管道穿通和隔离扩散深度不够，会产生分段击穿；（ 3） 由于基区宽度太窄或发射区扩散后造成发射极和集电极短路，会使击穿电压降低，甚至为零。 造成这种现象的工艺原因是基区扩散浓度过低或发射区扩散结深过深， 发射区再扩散时 Hfe 调整过大也会使击穿电压降低；（ 4） Si－ SiO2 界面电荷密度高， 尤其是可动离子密度过高， 常常会引起击穿电压的不稳定，造成击穿电压的蠕变。有时测试试片表面处理不好也会发现击穿电压蠕变的现象。2、 Hfe 异常的原因（ 1） 基区扩散异常。基区扩散浓度过低（薄层电阻大）会使 Hfe 很容易调整过大；基区扩散浓度过高（薄层电阻小）会使 Hfe 很难调大。基区扩散的不均匀性会使发射区再扩散后Hfe 也很不均匀；（ 2） 发射区光刻腐蚀后有残留氧化膜，使发射区预淀积杂质的扩散受到阻挡， Hfe 很难调大；（ 3） 发射区预淀积浓度异常，使 Hfe 很难调整；（ 4） 发射区再扩散时间偏短，则 Hfe 偏低，发射区再扩散时间偏长则 Hfe 偏大。一般因时间控制不当很容易造成扩散过头的现象使 Hfe 偏大；（ 5） 表面漏电或可动离子密度过高，会使小电流 Hfe 偏小。提高小电流 Hfe 的方法通常是采取通 H2 合金；3、电阻呈非线性电阻呈非线性主要是由于铝引线的接触不良引起的， 通常的工艺原因是引线孔刻蚀不净， 有残膜（氧化膜或残胶等） 。