硅化鈦場(chǎng)板的工藝條件與特性研究

許 帥，徐 政，吳曉鶇

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第58研究所，江蘇 無錫 214035）

1 引言

LDMOS（Lateral Double-diffused MOSFET）因其理想的開關(guān)特性和較高的擊穿電壓，被廣泛地應(yīng)用于P、L、S波段的功率器件中[1]。場(chǎng)板是高壓LDMOS設(shè)計(jì)中常用的一種終端技術(shù)，LDMOS加場(chǎng)板的目的主要是為了提高器件的擊穿電壓和降低反饋電容。在PN結(jié)上的場(chǎng)氧化層制備一個(gè)場(chǎng)極板結(jié)構(gòu)，場(chǎng)極板產(chǎn)生垂直于表面的電場(chǎng)分布，和漏端產(chǎn)生的電場(chǎng)一起作用，改變曲面部分徑向分布的電力線，從而減小了曲面部分的電力線密度，降低了PN結(jié)曲面部分的峰值電場(chǎng)強(qiáng)度，進(jìn)而達(dá)到提高耐壓的目的[2,3]。

類似于LDMOS的漂移區(qū)，場(chǎng)板對(duì)其結(jié)構(gòu)以及工藝參數(shù)也非常靈敏[4]。研究場(chǎng)板結(jié)構(gòu)的特性以及優(yōu)化其工藝參數(shù)，對(duì)提高LDMOS器件的可靠性以及耐高壓性都具有極其重要的意義。本文研究了一種硅化鈦場(chǎng)板結(jié)構(gòu)的特性，并對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行了研究與優(yōu)化。

2 不同工藝條件下場(chǎng)板特性的研究

本文采用的場(chǎng)板電容結(jié)構(gòu)為Si襯底－SiO2－多晶－硅化鈦－金屬。針對(duì)該結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，分析其不同工藝條件下電容特性、BT CV特性、電阻特性的變化，可以更深入地了解該場(chǎng)板結(jié)構(gòu)的內(nèi)部性質(zhì)，從而對(duì)工藝進(jìn)行條件優(yōu)化，達(dá)到產(chǎn)品設(shè)計(jì)的需求。

2.1 SiO2層制備工藝、多晶層厚度對(duì)場(chǎng)板CV特性的影響

2.1.1 樣品制備

采用N＜100> 5-9?·cm為襯底材料片，分別采用LPCVD與PECVD進(jìn)行100 nm的SiO2淀積，再完成40 nm與200 nm的LPCVD多晶硅淀積；然后再用PVD淀積金屬Ti，金屬Ti在RTP退火后生成硅化鈦；再完成Al-Si-Cu的金屬淀積并刻蝕出測(cè)試圖形，最后在氧化爐進(jìn)行N2/H2退火。

2.1.2 測(cè)試方法

樣品制備完成后，使用CV測(cè)試儀測(cè)試其BT CV特性，溫度偏壓為250 ℃，掃描電壓為-4～3 V，測(cè)試頻率為1 MHz。

2.1.3 結(jié)果與分析

圖1所示為不同SiO2層制備工藝與多晶厚度的BT CV曲線對(duì)比?？梢钥闯鲈谙嗤瑴y(cè)試條件下，樣品c（PESiO2+200 nm多晶）所對(duì)應(yīng)的BT CV曲線在積累區(qū)與反型區(qū)均變化平穩(wěn)，圖形較好，因此“Si襯底－PESiO2－200 nm多晶－硅化鈦－金屬”的結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定。

圖1 不同SiO2層制備工藝與多晶厚度的CV曲線對(duì)比

2.2 多晶摻雜退火工藝、硅化鈦退火工藝對(duì)場(chǎng)板特性的影響

2.2.1 樣品制備

采用N＜100> 5-9?·cm為襯底材料片，采用PECVD淀積200 nm的SiO2，再完成200 nm的LPCVD多晶硅淀積并注入P進(jìn)行多晶注入摻雜，多晶注入摻雜后進(jìn)行RTP退火激活雜質(zhì)；然后再用PVD淀積金屬Ti并在RTP退火后生成硅化鈦，生成硅化鈦后在RTP進(jìn)行第二次退火，再完成Al-Si-Cu的金屬淀積并刻蝕出測(cè)試圖形，最后在氧化爐進(jìn)行N2/H2退火。

其中多晶注入后的RTP退火溫度從900 ℃至1 000 ℃設(shè)定不同溫度點(diǎn)。硅化鈦在RTP進(jìn)行第二次退火的溫度從900 ℃至1 000 ℃設(shè)定不同溫度點(diǎn)。

2.2.2 測(cè)試方法

在多晶注入退火并生成硅化鈦后、硅化鈦第二次退火后分別測(cè)試樣品的方塊電阻。

樣品制備完成后，逐場(chǎng)掃描讀90PF對(duì)應(yīng)柵壓，測(cè)試樣品的平帶電壓。使用CV測(cè)試儀測(cè)試其BT CV特性，溫度為250 ℃，偏壓為±35 V，掃描電壓為-10～10 V，測(cè)試頻率為1 MHz。使用KEITHLEY測(cè)試其擊穿電壓，掃描電壓為0～180 V。

圖2 注入后退火溫度對(duì)硅化鈦電阻的影響

圖3 硅化鈦后退火溫度對(duì)硅化鈦電阻的影響

2.2.3 結(jié)果與分析

圖2為注入后退火溫度對(duì)硅化鈦電阻的影響。圖3為硅化鈦后退火溫度對(duì)硅化鈦電阻的影響。從圖中可以看出，隨著注入后退火溫度與硅化鈦退火溫度的升高，硅化鈦的方塊電阻與均勻性均有增大的趨勢(shì)，同時(shí)均在900～925 ℃范圍內(nèi)電阻與均勻性變化平穩(wěn)。溫度升高至950 ℃后，電阻的均勻性急劇增大，不利于工藝穩(wěn)定，如硅化鈦后退火溫度為975 ℃時(shí)，電阻的均勻性高達(dá)13%。

圖4 退火溫度對(duì)平帶電壓的影響

(a：注入后退火900℃+硅化鈦后退火900℃；b：注入后退火925℃+硅化鈦后退火900℃；c：注入后退火950℃+硅化鈦后退火900℃；d：注入后退火975℃+硅化鈦后退火925℃；e：注入后退火1 000℃+硅化鈦后退火925℃)

圖4為不同退火溫度對(duì)場(chǎng)板電容結(jié)構(gòu)平帶電壓的影響。隨著退火溫度的增加，該結(jié)構(gòu)平帶電壓與均勻性呈增大趨勢(shì)，其中條件a與條件b的平帶電壓均勻性與穩(wěn)定性較好。

因此，多晶注入后退火溫度為900～925 ℃、硅化鈦后退火溫度為900 ℃的工藝條件下，硅化鈦場(chǎng)板的電阻與平帶電壓均有較好的均勻性，有利于器件的穩(wěn)定。

2.3 硅化鈦場(chǎng)板工藝條件優(yōu)化

綜上所述，優(yōu)化后的“Si襯底－SiO2－多晶－硅化鈦－金屬”場(chǎng)板工藝條件如下：中間介質(zhì)層為PESiO2與200 nm多晶，多晶注入后退火溫度為900～925 ℃，硅化鈦后退火溫度為900 ℃。

在上述的優(yōu)化工藝條件下，場(chǎng)板的BT CV曲線如圖5所示，可見在±35 V的偏壓下，該場(chǎng)板結(jié)構(gòu)的平帶漂移約為±0.4 V，可以滿足產(chǎn)品的使用，且曲線平穩(wěn)，具有較高的可靠性。

圖5 優(yōu)化工藝條件下場(chǎng)板的BT CV曲線

場(chǎng)板的擊穿特性圖見圖6，可見本實(shí)驗(yàn)制備的200 nm 的PESiO2介質(zhì)的擊穿電壓大于120 V，具有較好的耐高壓性。因此，優(yōu)化工藝條件下制備的場(chǎng)板結(jié)構(gòu)均有較好的可靠性與耐高壓型。

圖6 優(yōu)化工藝條件下場(chǎng)板的擊穿特性圖

3 結(jié)論

“Si襯底－SiO2－多晶－硅化鈦－金屬”場(chǎng)板結(jié)構(gòu)的制備工藝對(duì)其電容特性、電阻特性、BT CV特性等有較大的影響。中間介質(zhì)層為PESiO2加200 nm多晶條件下的BT CV具有較好的穩(wěn)定性。多晶注入后退火溫度與硅化鈦退火溫度的提高不利于場(chǎng)板電阻的穩(wěn)定性與平帶電壓的穩(wěn)定性。優(yōu)化后的工藝條件下，場(chǎng)板結(jié)構(gòu)具有較好的可靠性與耐高壓性。

[1]王靖琳，錢欽松，孫偉鋒.高壓SOI PLDMOS的寄生雙溝道特性分析及其改進(jìn)結(jié)構(gòu)[J].電子器件，2009,32(1)：31-34.

[2]孟堅(jiān).LDMOS的可靠性和溫度特性研究[D].安徽大學(xué)博士學(xué)位論文，2007.1-26.

[3]劉磊，高珊，陳軍寧，等.高壓LDMOS場(chǎng)極板的分析與設(shè)計(jì)[J].半導(dǎo)體技術(shù)，2006,31(10)：782-786.

[4]孫智林，孫偉鋒，易揚(yáng)波，等. LDMOSFET漂移區(qū)參數(shù)靈敏度分析[J].微電子學(xué)，2004,32(2)：198-202.