新型非均匀沟道掺杂恒流二极管结构及输出特性研究

王智永 ,周 波

(1.中国空间技术研究院 动力行政保障部,北京 100094;2.上海电力大学 电气工程学院,上海 200090;3.上海大学 自动化系,上海 200072)

在出现电源电压波动及负载大幅度变化时,恒流二极管可保证电路中的电流稳定[1-3]。由于恒流二极管具有低夹断电压、高阻断电压、宽恒流区、大动态电阻等优点,因此被广泛用于恒流源、稳压源、放大器中,尤其在一些专用军事武器和装备中也有着广泛的应用[4-5]。虽然恒流二极管电极引出形式与常规纵向单结二极管(整流或稳压二极管)一致,但其结构、制备工艺复杂度远高于常规二极管。对于恒流二极管,不仅需要精确界定源、栅、漏区的水平布局,而且需要精确控制各区的掺杂浓度和结深。恒流二极管各电参数对器件结构的要求是相互矛盾的,相比于常规纵向单结二极管,恒流二极管结构参数设计及器件制备的难度较大。比如,针对恒流二极管阻断电压参数的设计,由于沟道宽度、沟道掺杂浓度等的微小变化可导致恒流值发生显著变化,器件恒流值的变化会显著影响器件的阻断电压,因此,就不能仅依靠对外延层掺杂浓度及外延层厚度结构参数的优化来最终确定器件的阻断电压。对于恒流二极管结构参数的优化设计,应综合考虑各个结构参数的单次变化对器件整体电学性能的影响。

为了有效改善恒流值(IH)、夹断电压(VP)、阻断电压(VR)及恒流值高低温变化率(αT)对于水平沟道结构参数(沟道宽度和沟道掺杂浓度)要求的矛盾关系,本文提出了一种新型的非均匀沟道掺杂恒流二极管器件结构,并对新型结构的沟道结构参数进行了优化。新型沟道结构顶部掺杂浓度较低,沟道底部掺杂浓度较高,纵向杂质分布呈高斯分布。提出的新型非均匀掺杂沟道结构能够优化沟道内及沟道边缘电场分布,较低的沟道顶部掺杂浓度降低了沟道顶部峰值电场强度,显著增大了恒流二极管阻断电压。在较窄沟道条件下,较高的沟道底部掺杂浓度使得恒流值满足指标要求,并显著降低了恒流值高低温变化率。

1 恒流二极管结构参数及物理模型

常规的均匀掺杂水平沟道恒流二极管二维剖面结构示意图如图1 所示。恒流二极管的源/漏电极分别由器件的下表面和上表面引出,虽然器件的电极引出形式具有纵向结构器件的特点,但P+栅区、N+源区以及P+隔离区穿通区短接,并通过P+隔离区穿通区将上表面N+源区与器件背部P+背栅(衬底)区短接。器件N+漏区/N 外延层/P+衬底构成常规纵向二极管。而N+漏区/N 外延层/P+顶栅区/N 外延层/N+源区构成水平沟道结型场效应晶体管。恒流二极管在实际应用中,衬底(P+区)接地,该结构的水平沟道恒流二极管的制备工艺与双极型集成电路制备工艺完全兼容。

图1 恒流二极管结构Fig.1 The structure of current regulative diode

为了使仿真设计符合实际情况,首先对水平沟道恒流二极管的实测输出特性曲线进行了拟合。图2 比较了实测输出特性曲线与仿真输出特性曲线,测试采用XJ4822 半导体管特性图示仪。由图2 可知仿真输出特性曲线与实测输出特性曲线基本一致。表1 为恒流二极管电参数指标。其中:VD表示漏极偏压,ID表示漏极电流。αT指标中的“-”表示在满足恒流值、夹断电压与阻断电压指标的前提下尽可能地降低恒流值温度变化率。本文所研究的恒流二极管属于军用电子元器件,对器件质量等级要求、电参数水平要求较高,电参数指标具有先进性。由表1 电参数指标要求可知,该恒流二极管具有阻断电压高、夹断电压低、恒流值范围窄等特点,器件设计和制备难度较大。器件基本结构参数为:器件面积为0.705 mm×0.705 mm;P+型衬底厚度为100 μm,掺杂浓度为1×1019cm-3,晶向为<111>;P 型隔离区表面浓度为1×1019cm-3,完全扩透外延层,隔离区宽度为38 μm;P 型栅区表面浓度为1×1019cm-3,栅区与芯片边缘距离为104 μm,沟道横向宽度为30 μm;N+源/漏区表面浓度为1×1019cm-3,扩散深度为1 μm;漏区与芯片边缘距离为161 μm,漏极面积为0.383 mm×0.383 mm;外延层厚度为10 μm,外延层掺杂浓度为2.05×1015cm-3,沟道宽度WCH为3.5 μm。该结构参数作为后续仿真的基础参数。

图2 实测与仿真输出特性曲线对比Fig.2 Comparison of the output curves obtained from the actual test and the simulation

表1 常规恒流二极管电参数指标(25 ℃)Tab.1 Conventional current regulative diode electrical parameters(25 ℃)

在仿真前需要建立精确的物理参数模型,包括复合模型、迁移率模型等。复合模型考虑了SRH 模型和Auger 模型[6-7]。Klaassen 迁移率模型考虑了较为广泛的影响迁移率变化的因素,可以模拟的温度变化范围为70～500 K,适用于对双极晶体管电学性能温度特性的模拟[7-9]。

式中:μnL和μpL分别表示晶格散射对电子和空穴迁移率的影响项;μnDAP和μpDAP分别表示电离杂质散射、载流子-载流子散射对电子和空穴迁移率的影响项。另外还考虑了Selberherr 碰撞电离模型、重掺杂引起的禁带变窄效应和能带简并效应[7,10]。

2 结果与分析

2.1 常规恒流二极管结构和输出特性

图3 为仿真得到的沟道宽度WCH对常规恒流二极管电参数及恒流值高低温变化率αT(αT=[(ΔIH/IH)/ΔT] ×100%)的影响,沟道区掺杂浓度NCH为2.05×1015cm-3。由图3(a)可见:随着沟道宽度的增大,恒流值随之增大。当WCH=3.37～3.6 μm 时,恒流值满足指标要求。当WCH=3.5 μm 时,恒流值为3.547 mA。当沟道掺杂浓度一定时,沟道宽度越大,夹断电压越高,表明输出特性线性区与饱和区间的过渡区越宽,器件的恒流特性越差。在所讨论的沟道宽度范围内,随着沟道宽度增大,恒流二极管阻断电压相差不大,且都满足指标要求。由图3(b)可见:随着沟道宽度的增大,恒流值低温变化率随之先增大后减小,恒流值高温变化率随之增大。当WCH=3.5 μm 时,恒流值低温变化率为70.21%,恒流值高温变化率为41.14%。

图3 沟道宽度对电参数及恒流值高低温变化率的影响Fig.3 Influence of channel width on electrical parameters and change rate of high and low temperature

图4 为仿真得到的沟道区掺杂浓度NCH对常规恒流二极管电参数及恒流值高低温变化率αT的影响,沟道区宽度WCH为3.5 μm。由图4(a)可见:随着沟道掺杂浓度的增大,恒流值随之增大。当NCH=2×105cm-3时,恒流值满足指标要求,IH为3.351 mA。当沟道宽度一定时,沟道掺杂浓度越大,夹断电压越高,器件的恒流特性越差。随着沟道掺杂浓度的增大,恒流二极管阻断电压随之降低。由图4(b)可见:随着沟道掺杂浓度的增大,恒流值高低温变化率随之先增大后减小。当NCH=2×105cm-3时,恒流值低温变化率为70.34%,恒流值高温变化率为41.08%。

由上述分析可知,常规恒流二极管沟道宽度和沟道掺杂浓度对恒流值、夹断电压、阻断电压及恒流值高低温变化率的影响趋势如表2 所示,“↑”表示增大,“↓”表示减小。表明常规恒流二极管的恒流值、夹断电压、阻断电压及恒流值高低温变化率对沟道结构参数的要求存在矛盾。

表2 沟道宽度和沟道掺杂浓度对常规恒流二极管电参数的影响Tab.2 Influence of channel width and channel doping concentration on the electrical parameters of conventional current regulative diode

2.2 新型非均匀沟道掺杂恒流二极管结构和输出特性

为了改善恒流值、夹断电压、阻断电压及恒流值高低温变化率之间的矛盾关系,提出一种新型的非均匀沟道掺杂的恒流二极管结构。相比于常规恒流二极管,新型非均匀沟道掺杂的恒流二极管最显著的区别在于其在工艺方面需要两步外延工艺。第一步外延工艺形成的外延层为外延层1,第二步外延工艺形成的外延层为外延层2。外延层1 和外延层2 的厚度之和为最终的外延层厚度。第一层外延层掺杂浓度较高,第二层外延层掺杂浓度较低。在第一次外延后的高温工艺步骤中,由于杂质反扩散机理,外延层1 中的杂质会扩散到掺杂浓度较低的外延层2 中。在外延层1 和外延层2 间的过渡区形成了顶部掺杂浓度低、底部掺杂浓度高的非均匀掺杂沟道结构。图5 为各高温工艺步骤后新型非均匀沟道掺杂恒流二极管纵向杂质浓度分布。由图5 可见:在源/漏区扩散工艺完成后,Y=4～6 μm 对应的区域为沟道区。沟道区顶部(Y=4 μm)杂质浓度较低,沟道底部(Y=6 μm)杂质浓度较高,杂质浓度分布为高斯分布。每次经历高温工艺步骤,在外延层1 与衬底界面处,衬底杂质会反扩散到外延层1 中。在外延层2 与外延层1 界面处,外延层1 中的杂质会反扩散到外延层2 中。衬底与外延层1 界面间及外延层2 与外延层1 界面间的杂质浓度梯度逐渐减小。由于在一定的漏源反偏电压下,沟道区顶部边缘的峰值电场强度高于沟道区底部边缘的峰值电场强度,因此,沟道区顶部较低的掺杂浓度有利于漏源反偏条件下空间电荷区在沟道区顶部展宽,以降低沟道区顶部边缘的峰值电场强度,从而提高窄沟道恒流二极管的阻断电压。沟道区底部较高的掺杂浓度有利于窄沟道恒流二极管的恒流值满足指标要求,并有利于改善恒流值温度稳定性。

图5 沟道区纵向杂质浓度分布曲线Fig.5 Longitudinal impurity concentration distribution curves in channel region

图6 为仿真得到的当沟道宽度为2 μm 时,沟道顶部杂质浓度Ntop和沟道底部杂质浓度Nbot对新型非均匀沟道掺杂恒流二极管输出特性的影响。由图6(a)恒流值曲线可见:沟道底部杂质浓度对恒流值的影响较显著。当沟道底部杂质浓度为9.0×1015cm-3时,满足恒流值指标要求的沟道顶部杂质浓度不低于2.0×1015cm-3;当沟道底部杂质浓度为1.0×1016cm-3时,满足恒流值指标要求的沟道顶部杂质浓度范围为0.4×1015～1.5×1015cm-3;当沟道底部杂质浓度为1.1×1016cm-3时,满足恒流值指标要求的沟道顶部杂质浓度不高于6.0×1014cm-3;由图6(b)夹断电压曲线可见:沟道顶部杂质浓度和沟道底部杂质浓度对夹断电压的影响与恒流值类似。为了获得较好的恒流特性(获得较低的夹断电压),应在满足恒流值指标要求的前提下,尽可能地降低沟道顶部和沟道底部的杂质浓度。当沟道底部杂质浓度为1.0×1016cm-3,顶部杂质浓度范围为0.4×1015～1.5×1015cm-3时,夹断电压范围为2.05～2.30 V。由图6(c)阻断电压曲线可见:采用新型的非均匀沟道掺杂恒流二极管结构,在不同的沟道顶部杂质浓度和沟道底部杂质浓度情况下,阻断电压的差别不大,且都满足阻断电压指标要求。表明采用新型恒流二极管结构可以获得较稳定的阻断特性。

图6 新型非均匀沟道掺杂恒流二极管输出特性Fig.6 Output characteristics of novel nonuniform channel-doped current regulative diode

新型非均匀沟道掺杂结构可优化沟道边缘区域电场分布,从而有利于窄沟道恒流二极管阻断电压的提高。图7 为仿真得到的当沟道宽度为2 μm 时,常规恒流二极管和新型非均匀沟道掺杂恒流二极管沟道区边缘纵向电场分布,漏源反偏电压为阻断电压。由图7(a)可见:对于常规恒流二极管(沟道区纵向范围Y=0.7～2.7 μm),在沟道区顶部边缘的峰值电场强度高于沟道区底部边缘的峰值电场强度。随着沟道区掺杂浓度增大,沟道区顶部电场强度较容易达到发生雪崩倍增效应的临界电场。由图7(b)可见:对于新型非均匀沟道掺杂恒流二极管(沟道区纵向范围Y=1.5～3.5 μm),非均匀沟道掺杂结构优化了恒流二极管在漏源反偏下的沟道内的电场分布,沟道区顶部和沟道区底部的峰值电场强度均降低。由于沟道顶部杂质浓度较低,漏源反偏下空间电荷区在沟道区顶部展宽较大,因此,沟道区顶部的峰值电场强度降低尤为显著。从而显著提高了窄沟道恒流二极管的阻断电压。

图7 恒流二极管沟道边缘纵向电场分布Fig.7 Longitudinal electric field distribution at channel edge of current regulative diode

以满足恒流值指标要求为前提,研究沟道顶部和沟道底部的杂质浓度对新型非均匀沟道掺杂恒流二极管恒流值高低温变化率的影响。图8 为仿真得到的当沟道宽度为2 μm 时,沟道顶部杂质浓度Ntop和沟道底部杂质浓度Nbot对新型非均匀沟道掺杂恒流二极管恒流值高低温变化率的影响。由图8 可见:当沟道底部杂质浓度为1.0×1016～1.1×1016cm-3时,随着沟道顶部杂质浓度增大,恒流值高低温变化率的变化幅度较小,恒流值低温变化率的变化量低于0.3%,恒流值高温变化率的变化量低于0.4%。当沟道底部杂质浓度为9.0×1015cm-3,沟道顶部杂质浓度为2.0×1015cm-3时,恒流值低温变化率为61.5%,恒流值高温变化率为39.1%;当沟道底部杂质浓度为1.0×1016cm-3,沟道顶部杂质浓度范围为0.4×1015～1.5×1015cm-3时,恒流值低温变化率为60.4%～60.65%,恒流值高温变化率为38.72%～39.05%;当沟道底部杂质浓度为1.1×1016cm-3,沟道顶部杂质浓度为0.1×1014～6.0×1014cm-3时,恒流值低温变化率为59.96%～60.1%,恒流值高温变化率为38.91%～39.05%。相比于常规恒流二极管,新型非均匀沟道掺杂恒流二极管的恒流值高低温变化率均降低,其中恒流值低温变化率降低较显著,降低约10%。

图8 新型非均匀沟道掺杂恒流二极管恒流值高低温变化率Fig.8 High and low temperature change rate of constant current value of a novel nonuniform channel-doped current regulative diode

为了验证新型的非均匀沟道掺杂结构对恒流二极管电学性能与沟道结构参数矛盾关系的实际改善效果,根据仿真优化的结果,进行小批量试制。绘制的光刻掩膜板如图9 所示。共6 次光刻,按光刻顺序分别为:隔离光刻、栅光刻、源/漏区光刻、引线孔光刻、电极光刻、钝化光刻。工艺流程为:N-N+/P+双层外延衬底准备→一次氧化→光刻Ⅰ(隔离窗口)→硼预扩散(隔离)→硼再分布(隔离)→光刻Ⅱ(栅窗口)→硼预扩散(栅)→硼再分布(栅)→光刻Ⅲ(源漏窗口)→磷预扩散(源漏)→磷再分布(源漏)→LPCVD(保护氧化层)→光刻Ⅳ(刻引线孔)→蒸发Ti-Ni-Ag→光刻Ⅴ(反刻电极)→PECVD(隔离金属电极)→光刻Ⅵ(氮化硅刻蚀)→光刻Ⅶ(凸点)→凸点电镀→背面蒸发→划片。新型非均匀沟道掺杂恒流二极管工艺条件及结构参数:①P+衬底准备。<111>晶向,衬底掺杂浓度为1×1019cm-3;②外延层1 制备。外延层1 厚度为5 μm(考虑后续外延、扩散、氧化等高温工艺步骤中的衬底反扩散,外延层1 厚度需留出余量),外延层1 掺杂浓度为2×1016cm-3;③外延层2 制备。外延层2 厚度为5 μm,外延层2 掺杂浓度为5×1014cm-3;④P+隔离区制备。硼预扩散时间为100 min,硼预扩散温度为1000 ℃,硼再扩散时间为100 min,硼再扩散温度为1135 ℃;⑤P+栅区制备。硼预扩散时间为100 min,硼预扩散温度为1000 ℃,硼再扩散时间为650 min,再扩散温度为1050 ℃。栅区扩散结深为3.10 μm,栅区表面薄层电阻为48.69 Ω/;⑥N+源/漏区制备。磷预扩散时间为100 min,磷预扩散温度为950 ℃,磷再扩散时间为60 min,再扩散温度为1050 ℃。源/漏区扩散结深为0.95 μm,源/漏区表面薄层电阻为126.74 Ω/。

图9 光刻版图Fig.9 Lithographic mask

在流片试验过程中,通过对衬底片中外延层1、外延层2 的掺杂浓度和厚度进行调整,并对隔离区扩散、栅区扩散、源/漏区扩散等关键工艺进行攻关,试制得到新型非均匀沟道掺杂恒流二极管样品,抽取10只管芯封装在A3-02E 型管壳中,利用半导体分立器件测试系统(BC3193),为了采样准确,采用在线高低温测试系统(型号:S&A4220)测试恒流值高低温变化率,温度范围为-50～125 ℃。测试得到的新型非均匀沟道掺杂恒流二极管恒流值IH、夹断电压VP、阻断电压VR及恒流值高低温变化率如表3 所示。其中,“P”表示实测电参数满足指标要求,“F”表示实测电参数不满足指标要求。各电参数测试条件及指标要求见表1。由实测结果可见,实测电参数满足电参数指标要求,表明新型非均匀沟道掺杂恒流二极管管芯结构参数设计及工艺条件制定较为合理。新型非均匀沟道掺杂恒流二极管在折中电参数之间的矛盾关系、改善恒流值温度稳定性方面具有较好的效果。

表3 电参数测试结果Tab.3 Test results of electrical parameters

3 结论

常规恒流二极管恒流值、夹断电压、阻断电压、恒流值高低温变化率对沟道掺杂浓度和沟道宽度的要求存在矛盾,为了改善该矛盾关系,提出了一种新型非均匀沟道掺杂结构的恒流二极管。通过仿真和流片,结果表明:新型非均匀掺杂沟道结构可以有效改善恒流二极管电参数与沟道结构参数之间的矛盾关系。较低的沟道顶部杂质浓度和较高的沟道顶部杂质浓度,可优化漏源反偏条件下器件沟道内部及边缘的电场分布,在降低了沟道两侧峰值电场强度的同时,也可保证窄沟道恒流二极管恒流值满足指标要求,并显著降低了恒流值的高低温变化率。