芯片解密——逆向分析（下）

前段時間，有位朋友負責設計研發的1200V FRD芯片在打點測試時出現了阻斷電壓只有幾伏——可以說基本上沒有阻斷特性——的情況。

對於項目負責人而言，出現問題之後及時分析、正確定位出錯點並做出合理的改進是推進項目繼續向前的重要手段。

而對芯片進行分析、定位出錯點就涉及到我們今天要說的知識點——“染結”了。

上回說到，通過制樣、研磨拋光可以獲得乾淨完整的截面樣品，通過觀察截面結構，我們如果依舊未能發現問題的話，就需要進一步瞭解芯片P、N型雜質的注入程度。

功率器件最簡單的結構就是PN結結構。

PN 結由一個 P 型摻雜區和一個 N 型摻雜區緊密接觸構成，其形成方法主要有高溫擴散、離子注入、外延生長等，對這部分有興趣的小夥伴可以自行查閱網上資料，這裡就暫時不展開細講。

目前對 PN 結結深的分析方法有擴展電阻測試（SRP）、電容-電壓測試（C-V法）、二次離子質譜測試（SIMS）等，這些測量設備價格昂貴，樣品製備要求精細。相比而言，化學染色法成本低廉，操作簡單，實驗快捷，在生產中得到了廣泛應用。

所以在這裡我們選擇化學染色法來完成對PN結結深的檢測。

特此說明：由於不同染色法之間存在一定的差異，所染出來的PN結結深、形貌也不同。

1、化學染色原理

當我們將磨拋好的樣品浸入染色液中一段時間後，由於PN 結的 P 區和 N 區與染色劑的反應速率不同（摻雜區的雜質摻雜量越高，反應速率越快），因此P區和N區的顏色深淺也會出現明顯不同。

下面對幾種不同的染色方案進行說明。

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=1:10~1:100

CrO₃溶於水生成鉻酸，遇 HF 生成重鉻酸（H₂Cr₂O₇），對於硅材料 PN 結的染色，其化學反應式為：

3Si+2H₂

Cr₂O₇+18HF→3H₂SiF₆+2Cr₂O₃+8H₂O

由於 P 區和 N 區存在化學電勢差，兩個區域的反應速率不同，從而顯現 PN 結的界限。

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（H

2O）組成。

可行的一種配比為 ：

CuSO₄·5H₂O：48％HF：H₂O ＝ 5g：2ml：50ml

由於 Si 比 Cu 的電化學勢高，故能將 Cu 從染色液中置換出來，並在硅片表面澱積薄的銅層。因此，硫酸銅染色液的染色時間不能過長，否則整個 PN 結會全部被銅層覆蓋。

當 P 區和N 區的化學電勢差較大時，掌握合適的染色時間，PN 結的形貌即可清晰地顯現出來。

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。

對於硅材料 PN 結的染色，其化學反應式為：

Si+2HNO₃→SiO₂+H₂↑+2NO

₂↑

4HF+SiO₂→SiF₄↑+2H₂O

醋酸作為緩衝劑，用以調節溶液中 H⁺ 濃度，控制反應速率。P區和 N 區存在化學電勢差，兩個區域的反應速率不同，從而顯現 PN結的界限。

2、影響 PN 結染色效果的因素

PN 結染色效果與襯底及摻雜雜質的類型和濃度、染色液的種類及配比、染色時間、柱槽大小及形狀等因素有關。

相對而言，磷摻雜區多為重摻雜淺結，以上三種染色液滴到該類擴散陪片的柱槽上，在短短几秒至十幾秒內均可清晰顯現 P 區和 N 區的界限。

而對摻硼硅片，則要求更精確的染色液配比和染色時間的控制，尤其是硫酸銅溶液對染色時間有嚴格要求，時間稍長柱槽區就會全部被澱積上銅。

3、染結

假設我們選擇由氫氟酸（HF）、硝酸 （HNO₃）組成的染色溶液。

由於不同芯片的襯底及摻雜雜質的類型和濃度不同，染色時間無法統一。為了染出最好的效果，可以使用多個樣品進行不同時間的染色處理，這樣通過對比，能夠得出更準確的結深和PN結形貌。

染結後，可以用去離子水對芯片截面進行沖洗、吹乾，然後用顯微鏡觀測結深。

在觀測過程中，我們發現朋友那批失去阻斷特性的FRD芯片並無有效P區，這和原始設計嚴重不符。經過簡單排查，最終發現原來是由於代工廠在生產過程中注入了類型相反的雜質，才導致出現了這樣的情況。

由此可見，隨著半導體芯片集成度越來越高，pn結形貌的分析也越發重要，正確地判斷pn結的形貌成為現在和將來都必須要面對和解決的問題。

到此，我們“芯片解密——逆向分析”系列三部曲就暫時告一段落啦，小夥伴們如果有任何疑問都可以在後臺留言，我會盡己所能進行解答~