芯片解密——逆向分析（下）

半导体

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前段时间，有位朋友负责设计研发的1200V FRD芯片在打点测试时出现了阻断电压只有几伏——可以说基本上没有阻断特性——的情况。

对于项目负责人而言，出现问题之后及时分析、正确定位出错点并做出合理的改进是推进项目继续向前的重要手段。

而对芯片进行分析、定位出错点就涉及到我们今天要说的知识点——“染结”了。

上回说到，通过制样、研磨抛光可以获得干净完整的截面样品，通过观察截面结构，我们如果依旧未能发现问题的话，就需要进一步了解芯片P、N型杂质的注入程度。
功率器件最简单的结构就是PN结结构。

PN 结由一个 P 型掺杂区和一个 N 型掺杂区紧密接触构成，其形成方法主要有高温扩散、离子注入、外延生长等，对这部分有兴趣的小伙伴可以自行查阅网上资料，这里就暂时不展开细讲。

目前对 PN 结结深的分析方法有扩展电阻测试（SRP）、电容-电压测试（C-V法）、二次离子质谱测试（SIMS）等，这些测量设备价格昂贵，样品制备要求精细。相比而言，化学染色法成本低廉，操作简单，实验快捷，在生产中得到了广泛应用。

所以在这里我们选择化学染色法来完成对PN结结深的检测。

特此说明：由于不同染色法之间存在一定的差异，所染出来的PN结结深、形貌也不同。

1、化学染色原理

当我们将磨抛好的样品浸入染色液中一段时间后，由于PN 结的 P 区和 N 区与染色剂的反应速率不同（掺杂区的杂质掺杂量越高，反应速率越快），因此P区和N区的颜色深浅也会出现明显不同。
下面对几种不同的染色方案进行说明。

铬酸溶液染色铬酸染色溶液主要由三氧化铬（CrO3）、氢氟酸（HF）和水（H2O）组成。
其配比一般为CrO3 的饱和水溶液：
HF=1:10~1:100CrO3溶于水生成铬酸，遇 HF 生成重铬酸（H2Cr2O7），对于硅材料 PN 结的染色，其化学反应式为：
3Si+2H2Cr 2O7+18HF→3H2SiF6+2Cr 2O3+8H2O由于 P 区和 N 区存在化学电势差，两个区域的反应速率不同，从而显现 PN 结的界限。

硫酸铜染色溶液硫酸铜染色溶液主要由硫酸铜（CuSO4·5H2O）、氢氟酸（HF）和水（H2O）组成。可行的一种配比为：
CuSO4·5H2O：48％HF：H2O ＝ 5g：2ml：50ml由于 Si 比 Cu 的电化学势高，故能将 Cu 从染色液中置换出来，并在硅片表面淀积薄的铜层。因此，硫酸铜染色液的染色时间不能过长，否则整个 PN 结会全部被铜层覆盖。
当 P 区和N 区的化学电势差较大时，掌握合适的染色时间，PN 结的形貌即可清晰地显现出来。

醋酸染色溶液醋酸染色溶液主要由氢氟酸（HF）、硝酸（HNO3 ）和醋酸（CH3COOH）组成。通常 HNO3 与 HF 的配比在 20:1~100:1 之间。
对于硅材料 PN 结的染色，其化学反应式为：
Si+2HNO3→SiO2+H2↑+2NO2↑4HF+SiO2→SiF4↑+2H2O醋酸作为缓冲剂，用以调节溶液中 H+ 浓度，控制反应速率。P区和 N 区存在化学电势差，两个区域的反应速率不同，从而显现 PN结的界限。
2、影响 PN 结染色效果的因素

PN 结染色效果与衬底及掺杂杂质的类型和浓度、染色液的种类及配比、染色时间、柱槽大小及形状等因素有关。
相对而言，磷掺杂区多为重掺杂浅结，以上三种染色液滴到该类扩散陪片的柱槽上，在短短几秒至十几秒内均可清晰显现 P 区和 N 区的界限。
而对掺硼硅片，则要求更精确的染色液配比和染色时间的控制，尤其是硫酸铜溶液对染色时间有严格要求，时间稍长柱槽区就会全部被淀积上铜。3、染结

假设我们选择由氢氟酸（HF）、硝酸（HNO3）组成的染色溶液。
由于不同芯片的衬底及掺杂杂质的类型和浓度不同，染色时间无法统一。为了染出最好的效果，可以使用多个样品进行不同时间的染色处理，这样通过对比，能够得出更准确的结深和PN结形貌。

染结时间不够，结边缘不清楚表面沾污严重，影响观测

染结时间较好，结边缘清楚可测
染结后，可以用去离子水对芯片截面进行冲洗、吹干，然后用显微镜观测结深。
在观测过程中，我们发现朋友那批失去阻断特性的FRD芯片并无有效P区，这和原始设计严重不符。经过简单排查，最终发现原来是由于代工厂在生产过程中注入了类型相反的杂质，才导致出现了这样的情况。
由此可见，随着半导体芯片集成度越来越高，pn结形貌的分析也越发重要，正确地判断pn结的形貌成为现在和将来都必须要面对和解决的问题。
到此，我们“芯片解密——逆向分析”系列三部曲就暂时告一段落啦，小伙伴们如果有任何疑问都可以在后台留言，我会尽己所能进行解答，更多内容请关注我的公众号“橘子说IGBT”哦~下期见！
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