新型非均勻溝道摻雜恒流二極管結構及輸出特性研究

王智永 ,周 波

(1.中國空間技術研究院 動力行政保障部,北京 100094;2.上海電力大學 電氣工程學院,上海 200090;3.上海大學 自動化系,上海 200072)

在出現電源電壓波動及負載大幅度變化時,恒流二極管可保證電路中的電流穩定[1-3]。由于恒流二極管具有低夾斷電壓、高阻斷電壓、寬恒流區、大動態電阻等優點,因此被廣泛用于恒流源、穩壓源、放大器中,尤其在一些專用軍事武器和裝備中也有著廣泛的應用[4-5]。雖然恒流二極管電極引出形式與常規縱向單結二極管(整流或穩壓二極管)一致,但其結構、制備工藝復雜度遠高于常規二極管。對于恒流二極管,不僅需要精確界定源、柵、漏區的水平布局,而且需要精確控制各區的摻雜濃度和結深。恒流二極管各電參數對器件結構的要求是相互矛盾的,相比于常規縱向單結二極管,恒流二極管結構參數設計及器件制備的難度較大。比如,針對恒流二極管阻斷電壓參數的設計,由于溝道寬度、溝道摻雜濃度等的微小變化可導致恒流值發生顯著變化,器件恒流值的變化會顯著影響器件的阻斷電壓,因此,就不能僅依靠對外延層摻雜濃度及外延層厚度結構參數的優化來最終確定器件的阻斷電壓。對于恒流二極管結構參數的優化設計,應綜合考慮各個結構參數的單次變化對器件整體電學性能的影響。

為了有效改善恒流值(IH)、夾斷電壓(VP)、阻斷電壓(VR)及恒流值高低溫變化率(αT)對于水平溝道結構參數(溝道寬度和溝道摻雜濃度)要求的矛盾關系,本文提出了一種新型的非均勻溝道摻雜恒流二極管器件結構,并對新型結構的溝道結構參數進行了優化。新型溝道結構頂部摻雜濃度較低,溝道底部摻雜濃度較高,縱向雜質分布呈高斯分布。提出的新型非均勻摻雜溝道結構能夠優化溝道內及溝道邊緣電場分布,較低的溝道頂部摻雜濃度降低了溝道頂部峰值電場強度,顯著增大了恒流二極管阻斷電壓。在較窄溝道條件下,較高的溝道底部摻雜濃度使得恒流值滿足指標要求,并顯著降低了恒流值高低溫變化率。

1 恒流二極管結構參數及物理模型

常規的均勻摻雜水平溝道恒流二極管二維剖面結構示意圖如圖1 所示。恒流二極管的源/漏電極分別由器件的下表面和上表面引出,雖然器件的電極引出形式具有縱向結構器件的特點,但P+柵區、N+源區以及P+隔離區穿通區短接,并通過P+隔離區穿通區將上表面N+源區與器件背部P+背柵(襯底)區短接。器件N+漏區/N 外延層/P+襯底構成常規縱向二極管。而N+漏區/N 外延層/P+頂柵區/N 外延層/N+源區構成水平溝道結型場效應晶體管。恒流二極管在實際應用中,襯底(P+區)接地,該結構的水平溝道恒流二極管的制備工藝與雙極型集成電路制備工藝完全兼容。

圖1 恒流二極管結構Fig.1 The structure of current regulative diode

為了使仿真設計符合實際情況,首先對水平溝道恒流二極管的實測輸出特性曲線進行了擬合。圖2 比較了實測輸出特性曲線與仿真輸出特性曲線,測試采用XJ4822 半導體管特性圖示儀。由圖2 可知仿真輸出特性曲線與實測輸出特性曲線基本一致。表1 為恒流二極管電參數指標。其中:VD表示漏極偏壓,ID表示漏極電流。αT指標中的“-”表示在滿足恒流值、夾斷電壓與阻斷電壓指標的前提下盡可能地降低恒流值溫度變化率。本文所研究的恒流二極管屬于軍用電子元器件,對器件質量等級要求、電參數水平要求較高,電參數指標具有先進性。由表1 電參數指標要求可知,該恒流二極管具有阻斷電壓高、夾斷電壓低、恒流值范圍窄等特點,器件設計和制備難度較大。器件基本結構參數為:器件面積為0.705 mm×0.705 mm;P+型襯底厚度為100 μm,摻雜濃度為1×1019cm-3,晶向為<111>;P 型隔離區表面濃度為1×1019cm-3,完全擴透外延層,隔離區寬度為38 μm;P 型柵區表面濃度為1×1019cm-3,柵區與芯片邊緣距離為104 μm,溝道橫向寬度為30 μm;N+源/漏區表面濃度為1×1019cm-3,擴散深度為1 μm;漏區與芯片邊緣距離為161 μm,漏極面積為0.383 mm×0.383 mm;外延層厚度為10 μm,外延層摻雜濃度為2.05×1015cm-3,溝道寬度WCH為3.5 μm。該結構參數作為后續仿真的基礎參數。

圖2 實測與仿真輸出特性曲線對比Fig.2 Comparison of the output curves obtained from the actual test and the simulation

表1 常規恒流二極管電參數指標(25 ℃)Tab.1 Conventional current regulative diode electrical parameters(25 ℃)

在仿真前需要建立精確的物理參數模型,包括復合模型、遷移率模型等。復合模型考慮了SRH 模型和Auger 模型[6-7]。Klaassen 遷移率模型考慮了較為廣泛的影響遷移率變化的因素,可以模擬的溫度變化范圍為70～500 K,適用于對雙極晶體管電學性能溫度特性的模擬[7-9]。

式中:μnL和μpL分別表示晶格散射對電子和空穴遷移率的影響項;μnDAP和μpDAP分別表示電離雜質散射、載流子-載流子散射對電子和空穴遷移率的影響項。另外還考慮了Selberherr 碰撞電離模型、重摻雜引起的禁帶變窄效應和能帶簡并效應[7,10]。

2 結果與分析

2.1 常規恒流二極管結構和輸出特性

圖3 為仿真得到的溝道寬度WCH對常規恒流二極管電參數及恒流值高低溫變化率αT(αT=[(ΔIH/IH)/ΔT] ×100%)的影響,溝道區摻雜濃度NCH為2.05×1015cm-3。由圖3(a)可見:隨著溝道寬度的增大,恒流值隨之增大。當WCH=3.37～3.6 μm 時,恒流值滿足指標要求。當WCH=3.5 μm 時,恒流值為3.547 mA。當溝道摻雜濃度一定時,溝道寬度越大,夾斷電壓越高,表明輸出特性線性區與飽和區間的過渡區越寬,器件的恒流特性越差。在所討論的溝道寬度范圍內,隨著溝道寬度增大,恒流二極管阻斷電壓相差不大,且都滿足指標要求。由圖3(b)可見:隨著溝道寬度的增大,恒流值低溫變化率隨之先增大后減小,恒流值高溫變化率隨之增大。當WCH=3.5 μm 時,恒流值低溫變化率為70.21%,恒流值高溫變化率為41.14%。

圖3 溝道寬度對電參數及恒流值高低溫變化率的影響Fig.3 Influence of channel width on electrical parameters and change rate of high and low temperature

圖4 為仿真得到的溝道區摻雜濃度NCH對常規恒流二極管電參數及恒流值高低溫變化率αT的影響,溝道區寬度WCH為3.5 μm。由圖4(a)可見:隨著溝道摻雜濃度的增大,恒流值隨之增大。當NCH=2×105cm-3時,恒流值滿足指標要求,IH為3.351 mA。當溝道寬度一定時,溝道摻雜濃度越大,夾斷電壓越高,器件的恒流特性越差。隨著溝道摻雜濃度的增大,恒流二極管阻斷電壓隨之降低。由圖4(b)可見:隨著溝道摻雜濃度的增大,恒流值高低溫變化率隨之先增大后減小。當NCH=2×105cm-3時,恒流值低溫變化率為70.34%,恒流值高溫變化率為41.08%。

由上述分析可知,常規恒流二極管溝道寬度和溝道摻雜濃度對恒流值、夾斷電壓、阻斷電壓及恒流值高低溫變化率的影響趨勢如表2 所示,“↑”表示增大,“↓”表示減小。表明常規恒流二極管的恒流值、夾斷電壓、阻斷電壓及恒流值高低溫變化率對溝道結構參數的要求存在矛盾。

表2 溝道寬度和溝道摻雜濃度對常規恒流二極管電參數的影響Tab.2 Influence of channel width and channel doping concentration on the electrical parameters of conventional current regulative diode

2.2 新型非均勻溝道摻雜恒流二極管結構和輸出特性

為了改善恒流值、夾斷電壓、阻斷電壓及恒流值高低溫變化率之間的矛盾關系,提出一種新型的非均勻溝道摻雜的恒流二極管結構。相比于常規恒流二極管,新型非均勻溝道摻雜的恒流二極管最顯著的區別在于其在工藝方面需要兩步外延工藝。第一步外延工藝形成的外延層為外延層1,第二步外延工藝形成的外延層為外延層2。外延層1 和外延層2 的厚度之和為最終的外延層厚度。第一層外延層摻雜濃度較高,第二層外延層摻雜濃度較低。在第一次外延后的高溫工藝步驟中,由于雜質反擴散機理,外延層1 中的雜質會擴散到摻雜濃度較低的外延層2 中。在外延層1 和外延層2 間的過渡區形成了頂部摻雜濃度低、底部摻雜濃度高的非均勻摻雜溝道結構。圖5 為各高溫工藝步驟后新型非均勻溝道摻雜恒流二極管縱向雜質濃度分布。由圖5 可見:在源/漏區擴散工藝完成后,Y=4～6 μm 對應的區域為溝道區。溝道區頂部(Y=4 μm)雜質濃度較低,溝道底部(Y=6 μm)雜質濃度較高,雜質濃度分布為高斯分布。每次經歷高溫工藝步驟,在外延層1 與襯底界面處,襯底雜質會反擴散到外延層1 中。在外延層2 與外延層1 界面處,外延層1 中的雜質會反擴散到外延層2 中。襯底與外延層1 界面間及外延層2 與外延層1 界面間的雜質濃度梯度逐漸減小。由于在一定的漏源反偏電壓下,溝道區頂部邊緣的峰值電場強度高于溝道區底部邊緣的峰值電場強度,因此,溝道區頂部較低的摻雜濃度有利于漏源反偏條件下空間電荷區在溝道區頂部展寬,以降低溝道區頂部邊緣的峰值電場強度,從而提高窄溝道恒流二極管的阻斷電壓。溝道區底部較高的摻雜濃度有利于窄溝道恒流二極管的恒流值滿足指標要求,并有利于改善恒流值溫度穩定性。

圖5 溝道區縱向雜質濃度分布曲線Fig.5 Longitudinal impurity concentration distribution curves in channel region

圖6 為仿真得到的當溝道寬度為2 μm 時,溝道頂部雜質濃度Ntop和溝道底部雜質濃度Nbot對新型非均勻溝道摻雜恒流二極管輸出特性的影響。由圖6(a)恒流值曲線可見:溝道底部雜質濃度對恒流值的影響較顯著。當溝道底部雜質濃度為9.0×1015cm-3時,滿足恒流值指標要求的溝道頂部雜質濃度不低于2.0×1015cm-3;當溝道底部雜質濃度為1.0×1016cm-3時,滿足恒流值指標要求的溝道頂部雜質濃度范圍為0.4×1015～1.5×1015cm-3;當溝道底部雜質濃度為1.1×1016cm-3時,滿足恒流值指標要求的溝道頂部雜質濃度不高于6.0×1014cm-3;由圖6(b)夾斷電壓曲線可見:溝道頂部雜質濃度和溝道底部雜質濃度對夾斷電壓的影響與恒流值類似。為了獲得較好的恒流特性(獲得較低的夾斷電壓),應在滿足恒流值指標要求的前提下,盡可能地降低溝道頂部和溝道底部的雜質濃度。當溝道底部雜質濃度為1.0×1016cm-3,頂部雜質濃度范圍為0.4×1015～1.5×1015cm-3時,夾斷電壓范圍為2.05～2.30 V。由圖6(c)阻斷電壓曲線可見:采用新型的非均勻溝道摻雜恒流二極管結構,在不同的溝道頂部雜質濃度和溝道底部雜質濃度情況下,阻斷電壓的差別不大,且都滿足阻斷電壓指標要求。表明采用新型恒流二極管結構可以獲得較穩定的阻斷特性。

圖6 新型非均勻溝道摻雜恒流二極管輸出特性Fig.6 Output characteristics of novel nonuniform channel-doped current regulative diode

新型非均勻溝道摻雜結構可優化溝道邊緣區域電場分布,從而有利于窄溝道恒流二極管阻斷電壓的提高。圖7 為仿真得到的當溝道寬度為2 μm 時,常規恒流二極管和新型非均勻溝道摻雜恒流二極管溝道區邊緣縱向電場分布,漏源反偏電壓為阻斷電壓。由圖7(a)可見:對于常規恒流二極管(溝道區縱向范圍Y=0.7～2.7 μm),在溝道區頂部邊緣的峰值電場強度高于溝道區底部邊緣的峰值電場強度。隨著溝道區摻雜濃度增大,溝道區頂部電場強度較容易達到發生雪崩倍增效應的臨界電場。由圖7(b)可見:對于新型非均勻溝道摻雜恒流二極管(溝道區縱向范圍Y=1.5～3.5 μm),非均勻溝道摻雜結構優化了恒流二極管在漏源反偏下的溝道內的電場分布,溝道區頂部和溝道區底部的峰值電場強度均降低。由于溝道頂部雜質濃度較低,漏源反偏下空間電荷區在溝道區頂部展寬較大,因此,溝道區頂部的峰值電場強度降低尤為顯著。從而顯著提高了窄溝道恒流二極管的阻斷電壓。

圖7 恒流二極管溝道邊緣縱向電場分布Fig.7 Longitudinal electric field distribution at channel edge of current regulative diode

以滿足恒流值指標要求為前提,研究溝道頂部和溝道底部的雜質濃度對新型非均勻溝道摻雜恒流二極管恒流值高低溫變化率的影響。圖8 為仿真得到的當溝道寬度為2 μm 時,溝道頂部雜質濃度Ntop和溝道底部雜質濃度Nbot對新型非均勻溝道摻雜恒流二極管恒流值高低溫變化率的影響。由圖8 可見:當溝道底部雜質濃度為1.0×1016～1.1×1016cm-3時,隨著溝道頂部雜質濃度增大,恒流值高低溫變化率的變化幅度較小,恒流值低溫變化率的變化量低于0.3%,恒流值高溫變化率的變化量低于0.4%。當溝道底部雜質濃度為9.0×1015cm-3,溝道頂部雜質濃度為2.0×1015cm-3時,恒流值低溫變化率為61.5%,恒流值高溫變化率為39.1%;當溝道底部雜質濃度為1.0×1016cm-3,溝道頂部雜質濃度范圍為0.4×1015～1.5×1015cm-3時,恒流值低溫變化率為60.4%～60.65%,恒流值高溫變化率為38.72%～39.05%;當溝道底部雜質濃度為1.1×1016cm-3,溝道頂部雜質濃度為0.1×1014～6.0×1014cm-3時,恒流值低溫變化率為59.96%～60.1%,恒流值高溫變化率為38.91%～39.05%。相比于常規恒流二極管,新型非均勻溝道摻雜恒流二極管的恒流值高低溫變化率均降低,其中恒流值低溫變化率降低較顯著,降低約10%。

圖8 新型非均勻溝道摻雜恒流二極管恒流值高低溫變化率Fig.8 High and low temperature change rate of constant current value of a novel nonuniform channel-doped current regulative diode

為了驗證新型的非均勻溝道摻雜結構對恒流二極管電學性能與溝道結構參數矛盾關系的實際改善效果,根據仿真優化的結果,進行小批量試制。繪制的光刻掩膜板如圖9 所示。共6 次光刻,按光刻順序分別為:隔離光刻、柵光刻、源/漏區光刻、引線孔光刻、電極光刻、鈍化光刻。工藝流程為:N-N+/P+雙層外延襯底準備→一次氧化→光刻Ⅰ(隔離窗口)→硼預擴散(隔離)→硼再分布(隔離)→光刻Ⅱ(柵窗口)→硼預擴散(柵)→硼再分布(柵)→光刻Ⅲ(源漏窗口)→磷預擴散(源漏)→磷再分布(源漏)→LPCVD(保護氧化層)→光刻Ⅳ(刻引線孔)→蒸發Ti-Ni-Ag→光刻Ⅴ(反刻電極)→PECVD(隔離金屬電極)→光刻Ⅵ(氮化硅刻蝕)→光刻Ⅶ(凸點)→凸點電鍍→背面蒸發→劃片。新型非均勻溝道摻雜恒流二極管工藝條件及結構參數:①P+襯底準備。<111>晶向,襯底摻雜濃度為1×1019cm-3;②外延層1 制備。外延層1 厚度為5 μm(考慮后續外延、擴散、氧化等高溫工藝步驟中的襯底反擴散,外延層1 厚度需留出余量),外延層1 摻雜濃度為2×1016cm-3;③外延層2 制備。外延層2 厚度為5 μm,外延層2 摻雜濃度為5×1014cm-3;④P+隔離區制備。硼預擴散時間為100 min,硼預擴散溫度為1000 ℃,硼再擴散時間為100 min,硼再擴散溫度為1135 ℃;⑤P+柵區制備。硼預擴散時間為100 min,硼預擴散溫度為1000 ℃,硼再擴散時間為650 min,再擴散溫度為1050 ℃。柵區擴散結深為3.10 μm,柵區表面薄層電阻為48.69 Ω/;⑥N+源/漏區制備。磷預擴散時間為100 min,磷預擴散溫度為950 ℃,磷再擴散時間為60 min,再擴散溫度為1050 ℃。源/漏區擴散結深為0.95 μm,源/漏區表面薄層電阻為126.74 Ω/。

圖9 光刻版圖Fig.9 Lithographic mask

在流片試驗過程中,通過對襯底片中外延層1、外延層2 的摻雜濃度和厚度進行調整,并對隔離區擴散、柵區擴散、源/漏區擴散等關鍵工藝進行攻關,試制得到新型非均勻溝道摻雜恒流二極管樣品,抽取10只管芯封裝在A3-02E 型管殼中,利用半導體分立器件測試系統(BC3193),為了采樣準確,采用在線高低溫測試系統(型號:S&A4220)測試恒流值高低溫變化率,溫度范圍為-50～125 ℃。測試得到的新型非均勻溝道摻雜恒流二極管恒流值IH、夾斷電壓VP、阻斷電壓VR及恒流值高低溫變化率如表3 所示。其中,“P”表示實測電參數滿足指標要求,“F”表示實測電參數不滿足指標要求。各電參數測試條件及指標要求見表1。由實測結果可見,實測電參數滿足電參數指標要求,表明新型非均勻溝道摻雜恒流二極管管芯結構參數設計及工藝條件制定較為合理。新型非均勻溝道摻雜恒流二極管在折中電參數之間的矛盾關系、改善恒流值溫度穩定性方面具有較好的效果。

表3 電參數測試結果Tab.3 Test results of electrical parameters

3 結論

常規恒流二極管恒流值、夾斷電壓、阻斷電壓、恒流值高低溫變化率對溝道摻雜濃度和溝道寬度的要求存在矛盾,為了改善該矛盾關系,提出了一種新型非均勻溝道摻雜結構的恒流二極管。通過仿真和流片,結果表明:新型非均勻摻雜溝道結構可以有效改善恒流二極管電參數與溝道結構參數之間的矛盾關系。較低的溝道頂部雜質濃度和較高的溝道頂部雜質濃度,可優化漏源反偏條件下器件溝道內部及邊緣的電場分布,在降低了溝道兩側峰值電場強度的同時,也可保證窄溝道恒流二極管恒流值滿足指標要求,并顯著降低了恒流值的高低溫變化率。