包飛軍，曹　剛，葛艷輝，石艷玲*，陳　滔，(.華東師范大學(xué)信息科技與技術(shù)學(xué)院，上海004; .上海華虹宏力半導(dǎo)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(shí)現(xiàn)

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(xué)信息科技與技術(shù)學(xué)院，上海200241; 2.上海華虹宏力半導(dǎo)體制造有限公司，上海201206)

摘要:多晶硅電阻由于其獨(dú)特的溫度特性及電遷移效應(yīng)，阻值受溫度和電流的影響很大，針對(duì)應(yīng)用于超高壓BCD工藝中的多晶硅電阻，其可靠性需進(jìn)行特別分析和設(shè)計(jì)。通過(guò)對(duì)0.18 μm 700 V BCD工藝中不同摻雜濃度多晶硅電阻的測(cè)試與分析，結(jié)合多晶硅結(jié)構(gòu)、導(dǎo)電機(jī)制、焦耳熱效應(yīng)及電遷移理論，分析了焦耳熱和電遷移對(duì)多晶硅電阻的影響，并實(shí)現(xiàn)了高壓BCD工藝中高可靠性的多晶硅電阻。

關(guān)鍵詞:超高壓BCD;多晶硅電阻;可靠性;焦耳熱效應(yīng);電遷移

多晶硅是廣泛用于實(shí)現(xiàn)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(guī)模集成電路非常重要的一種材料，同時(shí)在太陽(yáng)能電池和薄膜晶體管中也有很重要的應(yīng)用［2－3］。采用多晶硅實(shí)現(xiàn)的高值電阻具有許多優(yōu)點(diǎn)，如面積小、線性好、電阻值寬范圍可調(diào)等。

BCD工藝是將高速?gòu)?qiáng)負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力Bipolar器件、高集成低功耗CMOS器件及高壓DMOS功率器件相結(jié)合的單片集成電路制造工藝，可實(shí)現(xiàn)高速器件與低功耗器件、高壓器件與低壓器件的結(jié)合［4－5］。在BCD工藝中，可考慮采用多晶硅實(shí)現(xiàn)電阻，起到調(diào)節(jié)電流，承載分壓，實(shí)現(xiàn)器件間不同電壓轉(zhuǎn)換的作用。但電阻穩(wěn)定性將影響到電路中電壓的穩(wěn)定與電路功耗，因此，高可靠性的多晶硅電阻設(shè)計(jì)對(duì)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的超高壓BCD電路尤為重要［6］。

1　焦耳熱效應(yīng)對(duì)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(jù)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(shì)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(guò)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(tài)的數(shù)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(gè)小單晶硅粒的寬度，Wgb為單個(gè)晶粒間界寬度，W等于Wg與Wgb之和。

對(duì)于高摻雜濃度多晶硅電阻，小晶粒中載流子數(shù)遠(yuǎn)大于晶粒間界俘獲的載流子數(shù)，阻值主要由Rg(T)決定。隨著溫度的升高，晶格震動(dòng)散射增強(qiáng)，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(duì)于低摻雜濃度的多晶硅，晶粒間界處俘獲的載流子數(shù)遠(yuǎn)大于小晶粒中載流子數(shù)，Rgb(T)影響占據(jù)主導(dǎo)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(shì)壘的束縛，成為自由載流子，參與導(dǎo)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(xiàn)出負(fù)的電阻溫度特性。

1.2多晶硅電阻焦耳熱對(duì)阻值的影響

實(shí)驗(yàn)中，根據(jù)0.18 μm 700 V BCD工藝，制作了形狀、長(zhǎng)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(duì)應(yīng)摻雜濃度的設(shè)計(jì)

Qualita Mira EM可用于測(cè)試焦耳熱效應(yīng)對(duì)多晶硅電阻阻值的影響，通過(guò)在多晶硅電阻的兩端通快速變大的電流，電流產(chǎn)生的焦耳熱效應(yīng)會(huì)使多晶硅電阻溫度升高，從而阻值發(fā)生變化。

低值多晶硅電阻阻值隨電流密度變化的測(cè)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(yīng)使多晶硅電阻溫度升高，阻值隨之增大，表現(xiàn)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(xiàn)了隨電流增大而變小的現(xiàn)象，這是因?yàn)榇藭r(shí)多晶硅內(nèi)的熱激發(fā)激烈，隨著溫度升高，本征載流子急劇增多，對(duì)多晶硅電阻起主導(dǎo)作用，導(dǎo)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(cè)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(duì)值大于中值多晶硅電阻。這是因?yàn)閾诫s濃度低于一定值后，多晶硅電阻具有負(fù)溫度特性，且摻雜濃度越低、負(fù)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(duì)多晶硅電阻的影響

2.1電遷移原理

對(duì)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(chǎn)生的電子流碰撞原子，發(fā)生的原子遷移的現(xiàn)象［10］。常用電遷移中值失效時(shí)間(MTF)來(lái)描述電遷移引起的失效。中值失效時(shí)間指同樣的直流電流試驗(yàn)條件下，50%的互連引線失效所用的時(shí)間，失效判據(jù)為引線電阻增加10%。直流模型下描述電遷移失效中值時(shí)間的經(jīng)典公式是Block公式［11］

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

2.2多晶硅電遷移現(xiàn)象及分析

可用Qualita Mira電遷移采用高溫加速測(cè)試的方法測(cè)試多晶硅電阻的電遷移，保持溫度不變?cè)诙嗑Ч桦娮璧膬啥送ê愣ǖ碾娏?，測(cè)試多晶硅電阻阻值隨時(shí)間的變化。實(shí)驗(yàn)采用了若干形狀、長(zhǎng)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(shí)，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(shí)間變化的關(guān)系。如圖5所示，通電流一定的時(shí)間后，多晶硅阻值均出現(xiàn)隨著時(shí)間的增加而逐漸增大的現(xiàn)象，即出現(xiàn)了電遷移，且所通電流越大，電阻值增大越快，電遷移越嚴(yán)重，失效時(shí)間越短。

圖5　恒溫恒流條件下多晶硅阻值隨時(shí)間的變化

根據(jù)式(2) Block方程，可得:

式中:B、C為常數(shù)。

在相同的溫度下測(cè)試3組不同電流密度下多晶硅電阻的MTF(圖6)，根據(jù)式(3)即可計(jì)算出多晶硅電阻的n值。計(jì)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(cè)試三組不同溫度下多晶硅電阻的MTF (圖7)，根據(jù)式(4)即可計(jì)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(jì)失效率

圖7　7 mA，200/225/250℃多晶硅電阻累計(jì)失效率

Ea和n的大小被認(rèn)為反映了電遷移失效的物理機(jī)制。如果電遷移失效過(guò)程以晶界擴(kuò)散為主，則n一般小于2，若n大于3，則認(rèn)為電流導(dǎo)致的擁擠效應(yīng)或焦耳熱效應(yīng)已經(jīng)在電遷移過(guò)程中起了很大作用。多晶硅電阻的n值高達(dá)9.23，去除焦耳熱影響后，n值也高達(dá)5.96，這說(shuō)明電流密度對(duì)多晶硅電遷移的影響很大，分析認(rèn)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(yīng)強(qiáng)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(xiàn)電遷移，產(chǎn)生空洞，因而使得電阻率劇增。

3　高可靠性多晶硅電阻的實(shí)現(xiàn)

焦耳熱效應(yīng)和電遷移效應(yīng)是影響多晶硅電阻可靠性的兩個(gè)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(chǎn)生較大的電流，從而產(chǎn)生失效。

結(jié)合表1數(shù)據(jù)，比較圖2和圖3的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，隨著摻雜濃度的增加，多晶硅電阻的溫度特性會(huì)由正變?yōu)樨?fù)，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(shù)為0，這和多晶硅的制造工藝有關(guān);電遷移效應(yīng)是長(zhǎng)時(shí)間通電流產(chǎn)生的效應(yīng)，因此對(duì)于有高精度要求、非長(zhǎng)時(shí)間工作電阻的應(yīng)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(fù)的特性，對(duì)于誤差允許稍偏正電阻的應(yīng)用可采用溫度特性為正的重?fù)诫s多晶硅電阻;而對(duì)于誤差允許稍偏小電阻的應(yīng)用可采用溫度特性為負(fù)的輕摻雜多晶硅電阻。

通過(guò)調(diào)節(jié)多晶硅電阻寬長(zhǎng)比可設(shè)計(jì)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(zhǎng)寬變化的測(cè)試及采用最小二乘方法擬合的結(jié)果。測(cè)試結(jié)果表明，BV隨W的減大而減小，隨L的增大而增大;擬合結(jié)果表明，BV與多晶硅電阻的長(zhǎng)度成嚴(yán)格的正比關(guān)系(線性擬合相關(guān)系數(shù)R2均大于0.999)，但斜率隨著寬度的增大而減小。因此可根據(jù)電阻擊穿電壓的要求來(lái)挑選電阻尺寸，根據(jù)寬長(zhǎng)關(guān)系獲得合適阻值的多晶硅電阻。圖9為根據(jù)圖8線條尺寸選擇設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)尺寸的關(guān)系

圖9　BV為70 V和100 V時(shí)2 kΩ/sq多晶硅電阻長(zhǎng)寬關(guān)系

4　總結(jié)

本文分析了影響多晶硅電阻可靠性的兩個(gè)主要因素焦耳熱效應(yīng)和電遷移效應(yīng)對(duì)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(shè)計(jì)方法，對(duì)該工藝中多晶硅電阻的設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)作用。

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石艷玲(1969－)，女，漢族，華東師范大學(xué)微電子專業(yè)教授、博導(dǎo)，主要從事VLSI技術(shù)核心器件、模型及應(yīng)用研究。承擔(dān)國(guó)家及上海市研究課題近10項(xiàng)，在國(guó)內(nèi)外核心刊物上發(fā)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(hào):TN36

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):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