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前段時(shí)間，有位朋友負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)研發(fā)的1200V FRD芯片在打點(diǎn)測(cè)試時(shí)出現(xiàn)了阻斷電壓只有幾伏——可以說(shuō)基本上沒(méi)有阻斷特性——的情況。

對(duì)于項(xiàng)目負(fù)責(zé)人而言，出現(xiàn)問(wèn)題之后及時(shí)分析、正確定位出錯(cuò)點(diǎn)并做出合理的改進(jìn)是推進(jìn)項(xiàng)目繼續(xù)向前的重要手段。

而對(duì)芯片進(jìn)行分析、定位出錯(cuò)點(diǎn)就涉及到我們今天要說(shuō)的知識(shí)點(diǎn)——“染結(jié)”了。

上回說(shuō)到，通過(guò)制樣、研磨拋光可以獲得干凈完整的截面樣品，通過(guò)觀察截面結(jié)構(gòu)，我們?nèi)绻琅f未能發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的話(huà)，就需要進(jìn)一步了解芯片P、N型雜質(zhì)的注入程度。

功率器件最簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)就是PN結(jié)結(jié)構(gòu)。

PN 結(jié)由一個(gè) P 型摻雜區(qū)和一個(gè) N 型摻雜區(qū)緊密接觸構(gòu)成，其形成方法主要有高溫?cái)U(kuò)散、離子注入、外延生長(zhǎng)等，對(duì)這部分有興趣的小伙伴可以自行查閱網(wǎng)上資料，這里就暫時(shí)不展開(kāi)細(xì)講。

目前對(duì) PN 結(jié)結(jié)深的分析方法有擴(kuò)展電阻測(cè)試（SRP）、電容-電壓測(cè)試（C-V法）、二次離子質(zhì)譜測(cè)試（SIMS）等，這些測(cè)量設(shè)備價(jià)格昂貴，樣品制備要求精細(xì)。相比而言，化學(xué)染色法成本低廉，操作簡(jiǎn)單，實(shí)驗(yàn)快捷，在生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用。

所以在這里我們選擇化學(xué)染色法來(lái)完成對(duì)PN結(jié)結(jié)深的檢測(cè)。

特此說(shuō)明：由于不同染色法之間存在一定的差異，所染出來(lái)的PN結(jié)結(jié)深、形貌也不同。

1、化學(xué)染色原理

當(dāng)我們將磨拋好的樣品浸入染色液中一段時(shí)間后，由于PN 結(jié)的 P 區(qū)和 N 區(qū)與染色劑的反應(yīng)速率不同（摻雜區(qū)的雜質(zhì)摻雜量越高，反應(yīng)速率越快），因此P區(qū)和N區(qū)的顏色深淺也會(huì)出現(xiàn)明顯不同。

下面對(duì)幾種不同的染色方案進(jìn)行說(shuō)明。 

鉻酸溶液染色鉻酸染色溶液主要由三氧化鉻（CrO3）、氫氟酸（HF）和水（H2O）組成。

其配比一般為CrO3 的飽和水溶液：

HF=1:10~1:100CrO3溶于水生成鉻酸，遇 HF 生成重鉻酸（H2Cr2O7），對(duì)于硅材料 PN 結(jié)的染色，其化學(xué)反應(yīng)式為：

3Si+2H2Cr 2O7+18HF→3H2SiF6+2Cr 2O3+8H2O由于 P 區(qū)和 N 區(qū)存在化學(xué)電勢(shì)差，兩個(gè)區(qū)域的反應(yīng)速率不同，從而顯現(xiàn) PN 結(jié)的界限。

硫酸銅染色溶液硫酸銅染色溶液主要由硫酸銅（CuSO4·5H2O）、氫氟酸（HF）和水（H2O）組成?？尚械囊环N配比為 ：

CuSO4·5H2O：48％HF：H2O ＝ 5g：2ml：50ml由于 Si 比 Cu 的電化學(xué)勢(shì)高，故能將 Cu 從染色液中置換出來(lái)，并在硅片表面淀積薄的銅層。因此，硫酸銅染色液的染色時(shí)間不能過(guò)長(zhǎng)，否則整個(gè) PN 結(jié)會(huì)全部被銅層覆蓋。

當(dāng) P 區(qū)和N 區(qū)的化學(xué)電勢(shì)差較大時(shí)，掌握合適的染色時(shí)間，PN 結(jié)的形貌即可清晰地顯現(xiàn)出來(lái)。 

醋酸染色溶液醋酸染色溶液主要由氫氟酸（HF）、硝酸 （HNO3 ） 和醋酸（CH3COOH）組成。通常 HNO3 與 HF 的配比在 20:1~100:1 之間。

對(duì)于硅材料 PN 結(jié)的染色，其化學(xué)反應(yīng)式為：

Si+2HNO3→SiO2+H2↑+2NO2↑4HF+SiO2→SiF4↑+2H2O醋酸作為緩沖劑，用以調(diào)節(jié)溶液中 H+ 濃度，控制反應(yīng)速率。P區(qū)和 N 區(qū)存在化學(xué)電勢(shì)差，兩個(gè)區(qū)域的反應(yīng)速率不同，從而顯現(xiàn) PN結(jié)的界限。

2、影響 PN 結(jié)染色效果的因素

PN 結(jié)染色效果與襯底及摻雜雜質(zhì)的類(lèi)型和濃度、染色液的種類(lèi)及配比、染色時(shí)間、柱槽大小及形狀等因素有關(guān)。

相對(duì)而言，磷摻雜區(qū)多為重?fù)诫s淺結(jié)，以上三種染色液滴到該類(lèi)擴(kuò)散陪片的柱槽上，在短短幾秒至十幾秒內(nèi)均可清晰顯現(xiàn) P 區(qū)和 N 區(qū)的界限。

而對(duì)摻硼硅片，則要求更精確的染色液配比和染色時(shí)間的控制，尤其是硫酸銅溶液對(duì)染色時(shí)間有嚴(yán)格要求，時(shí)間稍長(zhǎng)柱槽區(qū)就會(huì)全部被淀積上銅。3、染結(jié)

假設(shè)我們選擇由氫氟酸（HF）、硝酸 （HNO3）組成的染色溶液。

由于不同芯片的襯底及摻雜雜質(zhì)的類(lèi)型和濃度不同，染色時(shí)間無(wú)法統(tǒng)一。為了染出最好的效果，可以使用多個(gè)樣品進(jìn)行不同時(shí)間的染色處理，這樣通過(guò)對(duì)比，能夠得出更準(zhǔn)確的結(jié)深和PN結(jié)形貌。

染結(jié)時(shí)間不夠，結(jié)邊緣不清楚表面沾污嚴(yán)重，影響觀測(cè)

染結(jié)時(shí)間較好，結(jié)邊緣清楚可測(cè)

染結(jié)后，可以用去離子水對(duì)芯片截面進(jìn)行沖洗、吹干，然后用顯微鏡觀測(cè)結(jié)深。

在觀測(cè)過(guò)程中，我們發(fā)現(xiàn)朋友那批失去阻斷特性的FRD芯片并無(wú)有效P區(qū)，這和原始設(shè)計(jì)嚴(yán)重不符。經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單排查，最終發(fā)現(xiàn)原來(lái)是由于代工廠在生產(chǎn)過(guò)程中注入了類(lèi)型相反的雜質(zhì)，才導(dǎo)致出現(xiàn)了這樣的情況。

由此可見(jiàn)，隨著半導(dǎo)體芯片集成度越來(lái)越高，pn結(jié)形貌的分析也越發(fā)重要，正確地判斷pn結(jié)的形貌成為現(xiàn)在和將來(lái)都必須要面對(duì)和解決的問(wèn)題。