天線效應對LPNP管輸出曲線的影響

鄭若成，湯賽楠

（中國電子科技集團公司第58研究所，江蘇 無錫 214035）

天線效應對LPNP管輸出曲線的影響

鄭若成，湯賽楠

（中國電子科技集團公司第58研究所，江蘇 無錫 214035）

天線結構是監控半導體工藝過程中等離子體損傷的一種典型結構，一般主要用來監控MOS器件柵氧的損傷。文中，該結構用來監控橫向PNP（LPNP）管工藝過程中的發射極結損傷。實驗發現，帶天線結構的LPNP管的輸出曲線容易出現翹曲現象，分析認為該異常不是由于發射極結損傷造成的，因為發射極結工藝過程中并沒有受到損傷。同時發現該翹曲現象在LPNP管保護環接低電位時會消失，該低電位在很大范圍內變化時，輸出曲線基本一致，且輸出曲線電流較保護環懸空時的電流整體偏大，在集電極電壓較大時，輸出電流和保護環懸空時的電流一致。

天線結構；輸出曲線；翹曲；發射極結；保護環

1 LPNP管天線結構設計目的和評估參數

天線結構版圖和剖面結構如圖1、圖2所示，EC隔離采用多晶，多晶長度決定LPNP管的基區寬度。LPNP管發射極面積AE=1.5μm×3.0μm，發射極和EC隔離多晶短接通過金屬引出，再在引出端設計天線結構。由于深亞微米工藝中發射極結結深非常淺，這種天線結構設計的目的主要是考察工藝損傷對發射極結性能的影響。

天線1、4、5、6的目的是考察金屬1腐蝕損傷的影響。

天線2的目的是考察金屬1腐蝕和通孔腐蝕損傷的影響，由于金屬2是平板，因此金屬2的天線效應可以忽略。

天線3的目的是同時考察金屬1腐蝕、通孔腐蝕和金屬2腐蝕損傷影響。

盡管主要考察發射極結受工藝損傷的影響，但由于天線同時連接發射極結和隔離多晶，因此天線效應影響將可能有兩方面：一是對發射極EB結產生損傷，二是通過多晶對基區產生影響。對LPNP管天線效應的參數評估包括器件gummel曲線、EB結IV曲線、器件輸出IV曲線（保護環Ring懸空）等參數。

天線結構設計以下幾種類型，如表1所示。

表1 兩種LPNP管和六種天線結構

圖2 LPNP管縱向結構圖

2 實驗結果

本實驗采用0.5μm BiCMOS工藝流片，對器件測試了gummel曲線，EB結IV曲線。測試表明，有無天線結構對于上述曲線沒有明顯差異。

但帶天線結構的三極管的輸出曲線則表現出翹曲現象，如圖3所示。從圖3看，LPNP管1上翹的位置存在差異，而LPNP管2的上翹位置差異不明顯。將LPNP管1的四種結構的輸出IV曲線分別作圖，如圖4所示。

圖3 無天線結構和帶天線結構的輸出曲線比較

圖4 LPNP管1的四種結構輸出曲線比較

LPNP管1不同天線上翹位置存在差異，天線1最晚出現上翹，而天線3則最早出現上翹現象，翹曲位置基本上反映了損傷的嚴重程度，翹曲越早，損傷越嚴重。表2反映了天線結構和上翹位置之間的關系。

表2 不同天線結構和曲線上翹位置的關系

LPNP管2的不同天線結構曲線上翹位置幾乎沒有明顯差異，并且其上翹的位置和LPNP管1天線1的位置也沒有差異，說明金屬1天線長度似乎存在飽和效應。

3 初步機理分析

從測試結果可以看出，LPNP管EB結IV曲線以及小電流特性在有無天線結構上沒有顯示出差異，因此發射極結工藝過程中并未受到損傷，曲線翹曲異常也并不是由于發射極結損傷造成的[1]。從圖1中LPNP管剖面結構看，天線效應除了將損傷引進EB結外，還可能造成多晶下柵氧的損傷，進而影響基區表面復合，造成LPNP管輸出IV曲線的翹曲現象。

4 LPNP管IV曲線進一步分析

測試表明，對于無天線結構的LPNP管，當Ring接Vss（-5V）時，輸出IV曲線電流比Ring懸空整體偏大，如圖5（a）。

對于有天線結構的LPNP管，當Ring接Vss（-5V）時，輸出IV曲線的上翹現象消失，曲線平滑，但在VC較小時，電流比Ring懸空整體偏大，VC較大時，則和Ring懸空時的曲線重合，如圖5（b）、（c）、（d）。

圖5 Ring上接Vss（-5V）后輸出曲線平滑

進一步測試發現，Ring上電位從-0.5V～-5V變化時的輸出曲線和VRing=-5V時輸出曲線是一致的。

5 結論

帶天線結構的LPNP管輸出曲線翹曲異常的詳細機理還需要進一步分析，但可以認為和工藝過程中的損傷有關。在其他工藝過程中，我們發現即使無天線結構的LPNP管也多次出現翹曲異常，這同樣也可以由工藝損傷解釋，但LPNP管工藝過程中發射極結未受到損傷。輸出曲線的翹曲現象在保護環接上低電位后會消失，電路設計中保護環一般都會接低電位，因此該翹曲異常可能對設計影響不大，但在工藝建模參數測試時，保護環必須接低電位。

［1］鄭若成. 雙極器件EB結擊穿測試對HFE的影響[J]. 電子與封裝，2010.

The Impact of Antenna Effect in Process to Output IV Curve of LPNP Transistor

ZHENG Ruo-cheng, TANG Sai-nan
（China Electronics Technology Group Corporation No58Research Institute,Wuxi214035,China）

Antenna structure is the typical method that monitors plasma damage during semiconductor manufacture process. Generally, this structure is used for monitoring MOS transistor gate oxide damage in plasma process. In this paper, the structure is used to monitor the process damage to LPNP transistor emitter junction. Experiment shows that the output IV curve of LPNP transistor with antenna appears kink effect.It is not considered as a result of emitter junction damage and the process does no damage to the emitter junction. The kink effect will disappear with the guard ring connected with low voltage potential. The guard ring voltage potential varies in wide range, but the output IV curve shows no difference. The current with guard ring connected with low potential is bigger than that with guard ring fl oating. With the collector voltage increasing, the current is equal to each other.

antenna structure; output IV curve; kink effect; emitter junction; guard ring

TN305

A

1681-1070（2012）01-0025-03

2011-08-24

鄭若成（1971—），男，湖北監利人，工程師，現在中國電科58所從事PCM參數測試和產品開發工作；

湯賽楠（1983—），女，天津人，學士，現在中國電科58所從事工藝質量管理方面的工作。