低压调整二极管击穿特性分析与优化设计

陈正才，彭时秋，林 丽，黄 龙

（无锡中微晶园电子有限公司，江苏无锡 214035）

1 引言

低压调整二极管即低压稳压二极管（Zener），适用于电源系统。在过浪涌电流保护、电压尖峰抑制、稳压电路中，维持恒定直流电压输出，保护并联器件。设计与制造低压稳压二极管需要获得高浓度掺杂的P-N结。由于Si 平面工艺的注入与推进在工艺方面较难控制，进而导致在电特性方面动态电阻、反向偏压、反偏漏电流等静态参数也难以稳定控制，较难实现击穿硬特性。

本文基于0.5 滋m CMOS 工艺制备平台，成功地制作出了一种新型结构的5.1 V 低压稳压二极管，提出了对应此种结构的工艺流程，实现了击穿硬特性。

2 低压电压调整二极管击穿原理分析

能引起P-N 结击穿的基本特征有3 种，即热击穿、隧道击穿和雪崩击穿。隧道击穿即齐纳击穿[1]。对于重掺杂硅P-N 结，引起齐纳击穿所需的电场强度约为106V/cm。当击穿电压VZ＜4Eg/q 时，一般为隧道击穿 ； 当 VZ＞6Eg/q 时 ， 一 般 为 雪 崩 击 穿 ；当4Eg/q＜VZ＜6Eg/q 时，两种击穿机构都存在。研究表明，对于硅P-N 结，当击穿电压小于5 V 时主要是齐纳击穿，大于7 V 时主要是雪崩击穿，当击穿电压在5~7 V之间，是隧道效应和雪崩倍增效应的结合[2]。本文设计优化的是5.1 V 低压稳压二极管，下面论述隧道击穿的机理。

根据量子理论，电子具有波动性，它可以穿过位能比电子动能势垒区，这种现象称为隧道效应。隧道击穿是指强电场作用下产生隧道效应，大量价带电子穿过禁带进入导带，反向电流迅速增加引起的P-N 结击穿[3]。当P-N 结加反向偏压时，势垒区能带发生倾斜；反向偏压越大，势垒越高，势垒区的内建电场也越强，势垒区能带也愈加倾斜，甚至可以使N 区的导带底比P 区的价带顶还低，如图1 所示。由量子力学证明，P 区价带中的电子将通过隧道效应穿过禁带而到达N 区导带中，隧道几率是：

从式(1)中可以看出，隧道长度ΔX 愈短，则电子穿隧道的几率P 越大，当ΔX 短到一定程度时，使P 区价带中大量的电子通过隧道穿过势垒到达N 区导带中去，反向电流急剧增大，于是P-N 结发生隧道击穿。

从图2 可以得到隧道长度ΔX 与势垒高度q (VDV) 间的关系，因势垒区内导带底的斜率为q (VD-V)/XD，同时这斜率也是Eg/ΔX，故得到：

式中V 是反向偏压，XD是势垒区高度。又因为

所以将式(3)代入式(2)得：

从式(4)可见NVA越大，XD越小，因而隧道几率P越大，也就越容易发生隧道击穿，故隧道击穿时要求一定的NVA值。在杂质浓度较低、反向偏压大时，势垒宽度增大，隧道长度会变长，不利于隧道击穿，却有利于雪崩倍增效应；在杂质浓度较高时，隧道长度较短，反向偏压不高时就能发生隧道击穿，所以在重掺杂情况下，隧道击穿机理是主要的。上述分析表明，要制作低压稳压二极管，获得低压击穿，就必须制作重掺杂的P-N 结，使之发生隧道击穿[4]。

图1 大反向偏压下P-N 结的能带图

图2 P-N 结的三角形势垒

3 结构设计

在P-N 结处于反偏时，其势垒区中的电场很高，载流子在强电场中获得很大的动能。这些载流子在运动途中将和晶格原子发生“碰撞”破坏其共价键，产生新的电子和空穴对，而新产生的电子和空穴在强电场中又会获得新的能量，并继续碰撞。这种正反馈作用的结果导致了击穿的发生。可以认为，势垒区内载流子的碰撞电离及其不均匀性，是表面击穿的主要原因。同时对于低稳压值的浅结器件，P-N 结表面棱角处的曲率半径较小，电场更集中，同时表面处存在表面态以及缺陷较体内严重的情况，此P-N 结的击穿会提前发生在表面处，进而会导致漏电大、击穿特性软等问题。

采用普通平面结构所制造的P-N 结一般都是表面击穿，因而受表面状态的影响很大，故击穿时的漏电偏大（击穿软特性明显）。为了避免受表面态的影响，本文采用体内击穿（次表面击穿）结构设计，实现击穿硬特性。次表面击穿结构由P+、N+及N-三部分构成，其主要工艺过程是先在N 型外延上扩散一层N+(N well)，然后再扩散P-层，P-层必须覆盖P+层(比P+层大)，这样，由于P+层浓度高于P-层浓度，VBR(N+P+)＜VBR(N+P-)，击穿就发生在N+及P+交界处，从而实现了体内击穿（次表面击穿）。图3 所示为纵向结构图。

P-N 结的反向击穿电压不仅和掺杂特性有关，还与P-N 结结构设计的几何形状有关。由两种均匀掺杂的半导体区域在一个平面相交形成的P-N 结，尽管可以近似为理想平面结，但实际上大多数结是弯曲的。曲率加强了电场，降低了击穿电压稳定性，曲率半径越小，击穿电压越低且越不稳定。这个效应对浅结低压产品的反向击穿电压、反向漏电流有很大的影响。

大多数低压稳压二极管在P 型掺杂与N 型掺杂交界面边缘有一个很明显的弯曲，且浅结曲率半径较小，进而表面电场强化降低击穿电压稳定性、增加反向漏电流。而本文设计的结构可以有效避免表面电场强化带来的不良影响，通过仿真验证，碰撞离化位置在体内，电场最强的位置亦在体内，使其击穿后电流更均匀、起始漏电更低，便于实现硬击穿，击穿电压更稳定且易于控制。仿真分析图如图4 所示。

图4 仿真电场分布图

4 退火工艺设计

为了获得产品良好的击穿特性，减小反向漏电流，实现击穿硬特性，退火的工艺尤为重要。在通常情况下，稳压产品常采用高温、长时间退火工艺，容易因自掺杂导致部分区域发生电流集中效应，同时纯氮气高温推结容易将硅表面氮化，并会影响表面结的状态，此外由于正面无氧化层保护，容易出现自掺杂现象，导致漏电偏高[5-7]，呈现曲线软特性。本文采用氧化加推结相结合的退火工艺，通过在常规高温退结工艺前增加一步湿氧程序，即工艺过程中增加通入氧气，湿氧程序可以在硅片表面生长一层薄氧，生长的薄氧可作为阻挡层，从而避免高温工艺过程的背面高浓度离子析出，改善正面的浓度分布，同时推结结束后做牺牲氧化工艺，修复表面态，进而降低产品的反向漏电流。如图5 所示为退火工艺曲线。

通过退火工艺的试验对比，采用本文退火工艺的P-N 结周围和退火后生长的氧化层中没有明显缺陷，可有效降低产品的漏电，如图6、7 所示。

图5 退火工艺中的升降温曲线

图6 常规退火工艺SEM 切片图

图7 本文退火工艺SEM 切片图

5 制造工艺流程

本文提出的低压稳压二极管工艺制程包含5 层光照，产品工艺总方案如下：外延材料进线后首先做高质量场氧工艺，在炉管中生长750 nm 热氧化层，然后进行P-环与N well 窗口光刻，经过注入退火形成P-环和N well，P+层形成主结，主结完成做接触孔和金属，图8 所示为低压稳压二极管工艺制程，图9 为流程结构。

图8 低压稳压二极管工艺制程

图9 流程结构

6 试验结果

在理论分析、结构、工艺设计的基础上，采用上述结构和工艺做5.1 V 低压稳压二极管的对比试验，本文的结构和工艺优化后5.1 V 产品的漏电流IR@2 V由221 nA 降低至10 nA，成功完成了击穿硬特性的优化，对比分析数据如表1 所示。

表1 优化前后的各参数对比表

在击穿特性曲线方面，优化前击穿曲线VBR在1.5 V 左右已经开始抬起，在3.5 V 左右时已经出现击穿拐点；而优化后的击穿曲线VBR在3.5 V 左右才开始抬起，在4.5 V 左右时方出现击穿拐点。通过击穿特性曲线也不难发现，优化后的击穿曲线有硬特性，漏电较小。如图10 所示为I-V 曲线优化前后对比。

图10 优化前后的击穿曲线对比图

7 结束语

通过理论分析及实验验证，采用本文的设计结构及工艺方案，可以制作具有击穿电压低、反向漏电流小、击穿硬特性的低压调整二极管；在结构上规避了常规的设计，采用本文的中次表面击穿的设计结构，达到P-N 结体内击穿的目的。在工艺上，高质量的氧化工艺降低了氧化层中的固定电荷和界面态密度，进而实现降低器件漏电的目的。综述论证及试验结果表明，低压电压调整二极管的其他各项参数均满足规格要求，同时通过了可靠性验证，效果良好。