低壓調(diào)整二極管擊穿特性分析與優(yōu)化設(shè)計

陳正才，彭時秋，林 麗，黃 龍

（無錫中微晶園電子有限公司，江蘇無錫 214035）

1 引言

低壓調(diào)整二極管即低壓穩(wěn)壓二極管（Zener），適用于電源系統(tǒng)。在過浪涌電流保護、電壓尖峰抑制、穩(wěn)壓電路中，維持恒定直流電壓輸出，保護并聯(lián)器件。設(shè)計與制造低壓穩(wěn)壓二極管需要獲得高濃度摻雜的P-N結(jié)。由于Si 平面工藝的注入與推進在工藝方面較難控制，進而導(dǎo)致在電特性方面動態(tài)電阻、反向偏壓、反偏漏電流等靜態(tài)參數(shù)也難以穩(wěn)定控制，較難實現(xiàn)擊穿硬特性。

本文基于0.5 滋m CMOS 工藝制備平臺，成功地制作出了一種新型結(jié)構(gòu)的5.1 V 低壓穩(wěn)壓二極管，提出了對應(yīng)此種結(jié)構(gòu)的工藝流程，實現(xiàn)了擊穿硬特性。

2 低壓電壓調(diào)整二極管擊穿原理分析

能引起P-N 結(jié)擊穿的基本特征有3 種，即熱擊穿、隧道擊穿和雪崩擊穿。隧道擊穿即齊納擊穿[1]。對于重?fù)诫s硅P-N 結(jié)，引起齊納擊穿所需的電場強度約為106V/cm。當(dāng)擊穿電壓VZ＜4Eg/q 時，一般為隧道擊穿 ； 當(dāng) VZ＞6Eg/q 時 ， 一 般 為 雪 崩 擊 穿 ；當(dāng)4Eg/q＜VZ＜6Eg/q 時，兩種擊穿機構(gòu)都存在。研究表明，對于硅P-N 結(jié)，當(dāng)擊穿電壓小于5 V 時主要是齊納擊穿，大于7 V 時主要是雪崩擊穿，當(dāng)擊穿電壓在5~7 V之間，是隧道效應(yīng)和雪崩倍增效應(yīng)的結(jié)合[2]。本文設(shè)計優(yōu)化的是5.1 V 低壓穩(wěn)壓二極管，下面論述隧道擊穿的機理。

根據(jù)量子理論，電子具有波動性，它可以穿過位能比電子動能勢壘區(qū)，這種現(xiàn)象稱為隧道效應(yīng)。隧道擊穿是指強電場作用下產(chǎn)生隧道效應(yīng)，大量價帶電子穿過禁帶進入導(dǎo)帶，反向電流迅速增加引起的P-N 結(jié)擊穿[3]。當(dāng)P-N 結(jié)加反向偏壓時，勢壘區(qū)能帶發(fā)生傾斜；反向偏壓越大，勢壘越高，勢壘區(qū)的內(nèi)建電場也越強，勢壘區(qū)能帶也愈加傾斜，甚至可以使N 區(qū)的導(dǎo)帶底比P 區(qū)的價帶頂還低，如圖1 所示。由量子力學(xué)證明，P 區(qū)價帶中的電子將通過隧道效應(yīng)穿過禁帶而到達(dá)N 區(qū)導(dǎo)帶中，隧道幾率是：

從式(1)中可以看出，隧道長度ΔX 愈短，則電子穿隧道的幾率P 越大，當(dāng)ΔX 短到一定程度時，使P 區(qū)價帶中大量的電子通過隧道穿過勢壘到達(dá)N 區(qū)導(dǎo)帶中去，反向電流急劇增大，于是P-N 結(jié)發(fā)生隧道擊穿。

從圖2 可以得到隧道長度ΔX 與勢壘高度q (VDV) 間的關(guān)系，因勢壘區(qū)內(nèi)導(dǎo)帶底的斜率為q (VD-V)/XD，同時這斜率也是Eg/ΔX，故得到：

式中V 是反向偏壓，XD是勢壘區(qū)高度。又因為

所以將式(3)代入式(2)得：

從式(4)可見NVA越大，XD越小，因而隧道幾率P越大，也就越容易發(fā)生隧道擊穿，故隧道擊穿時要求一定的NVA值。在雜質(zhì)濃度較低、反向偏壓大時，勢壘寬度增大，隧道長度會變長，不利于隧道擊穿，卻有利于雪崩倍增效應(yīng)；在雜質(zhì)濃度較高時，隧道長度較短，反向偏壓不高時就能發(fā)生隧道擊穿，所以在重?fù)诫s情況下，隧道擊穿機理是主要的。上述分析表明，要制作低壓穩(wěn)壓二極管，獲得低壓擊穿，就必須制作重?fù)诫s的P-N 結(jié)，使之發(fā)生隧道擊穿[4]。

圖1 大反向偏壓下P-N 結(jié)的能帶圖

圖2 P-N 結(jié)的三角形勢壘

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

在P-N 結(jié)處于反偏時，其勢壘區(qū)中的電場很高，載流子在強電場中獲得很大的動能。這些載流子在運動途中將和晶格原子發(fā)生“碰撞”破壞其共價鍵，產(chǎn)生新的電子和空穴對，而新產(chǎn)生的電子和空穴在強電場中又會獲得新的能量，并繼續(xù)碰撞。這種正反饋作用的結(jié)果導(dǎo)致了擊穿的發(fā)生?？梢哉J(rèn)為，勢壘區(qū)內(nèi)載流子的碰撞電離及其不均勻性，是表面擊穿的主要原因。同時對于低穩(wěn)壓值的淺結(jié)器件，P-N 結(jié)表面棱角處的曲率半徑較小，電場更集中，同時表面處存在表面態(tài)以及缺陷較體內(nèi)嚴(yán)重的情況，此P-N 結(jié)的擊穿會提前發(fā)生在表面處，進而會導(dǎo)致漏電大、擊穿特性軟等問題。

采用普通平面結(jié)構(gòu)所制造的P-N 結(jié)一般都是表面擊穿，因而受表面狀態(tài)的影響很大，故擊穿時的漏電偏大（擊穿軟特性明顯）。為了避免受表面態(tài)的影響，本文采用體內(nèi)擊穿（次表面擊穿）結(jié)構(gòu)設(shè)計，實現(xiàn)擊穿硬特性。次表面擊穿結(jié)構(gòu)由P+、N+及N-三部分構(gòu)成，其主要工藝過程是先在N 型外延上擴散一層N+(N well)，然后再擴散P-層，P-層必須覆蓋P+層(比P+層大)，這樣，由于P+層濃度高于P-層濃度，VBR(N+P+)＜VBR(N+P-)，擊穿就發(fā)生在N+及P+交界處，從而實現(xiàn)了體內(nèi)擊穿（次表面擊穿）。圖3 所示為縱向結(jié)構(gòu)圖。

P-N 結(jié)的反向擊穿電壓不僅和摻雜特性有關(guān)，還與P-N 結(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計的幾何形狀有關(guān)。由兩種均勻摻雜的半導(dǎo)體區(qū)域在一個平面相交形成的P-N 結(jié)，盡管可以近似為理想平面結(jié)，但實際上大多數(shù)結(jié)是彎曲的。曲率加強了電場，降低了擊穿電壓穩(wěn)定性，曲率半徑越小，擊穿電壓越低且越不穩(wěn)定。這個效應(yīng)對淺結(jié)低壓產(chǎn)品的反向擊穿電壓、反向漏電流有很大的影響。

大多數(shù)低壓穩(wěn)壓二極管在P 型摻雜與N 型摻雜交界面邊緣有一個很明顯的彎曲，且淺結(jié)曲率半徑較小，進而表面電場強化降低擊穿電壓穩(wěn)定性、增加反向漏電流。而本文設(shè)計的結(jié)構(gòu)可以有效避免表面電場強化帶來的不良影響，通過仿真驗證，碰撞離化位置在體內(nèi)，電場最強的位置亦在體內(nèi)，使其擊穿后電流更均勻、起始漏電更低，便于實現(xiàn)硬擊穿，擊穿電壓更穩(wěn)定且易于控制。仿真分析圖如圖4 所示。

圖4 仿真電場分布圖

4 退火工藝設(shè)計

為了獲得產(chǎn)品良好的擊穿特性，減小反向漏電流，實現(xiàn)擊穿硬特性，退火的工藝尤為重要。在通常情況下，穩(wěn)壓產(chǎn)品常采用高溫、長時間退火工藝，容易因自摻雜導(dǎo)致部分區(qū)域發(fā)生電流集中效應(yīng)，同時純氮氣高溫推結(jié)容易將硅表面氮化，并會影響表面結(jié)的狀態(tài)，此外由于正面無氧化層保護，容易出現(xiàn)自摻雜現(xiàn)象，導(dǎo)致漏電偏高[5-7]，呈現(xiàn)曲線軟特性。本文采用氧化加推結(jié)相結(jié)合的退火工藝，通過在常規(guī)高溫退結(jié)工藝前增加一步濕氧程序，即工藝過程中增加通入氧氣，濕氧程序可以在硅片表面生長一層薄氧，生長的薄氧可作為阻擋層，從而避免高溫工藝過程的背面高濃度離子析出，改善正面的濃度分布，同時推結(jié)結(jié)束后做犧牲氧化工藝，修復(fù)表面態(tài)，進而降低產(chǎn)品的反向漏電流。如圖5 所示為退火工藝曲線。

通過退火工藝的試驗對比，采用本文退火工藝的P-N 結(jié)周圍和退火后生長的氧化層中沒有明顯缺陷，可有效降低產(chǎn)品的漏電，如圖6、7 所示。

圖5 退火工藝中的升降溫曲線

圖6 常規(guī)退火工藝SEM 切片圖

圖7 本文退火工藝SEM 切片圖

5 制造工藝流程

本文提出的低壓穩(wěn)壓二極管工藝制程包含5 層光照，產(chǎn)品工藝總方案如下：外延材料進線后首先做高質(zhì)量場氧工藝，在爐管中生長750 nm 熱氧化層，然后進行P-環(huán)與N well 窗口光刻，經(jīng)過注入退火形成P-環(huán)和N well，P+層形成主結(jié)，主結(jié)完成做接觸孔和金屬，圖8 所示為低壓穩(wěn)壓二極管工藝制程，圖9 為流程結(jié)構(gòu)。

圖8 低壓穩(wěn)壓二極管工藝制程

圖9 流程結(jié)構(gòu)

6 試驗結(jié)果

在理論分析、結(jié)構(gòu)、工藝設(shè)計的基礎(chǔ)上，采用上述結(jié)構(gòu)和工藝做5.1 V 低壓穩(wěn)壓二極管的對比試驗，本文的結(jié)構(gòu)和工藝優(yōu)化后5.1 V 產(chǎn)品的漏電流IR@2 V由221 nA 降低至10 nA，成功完成了擊穿硬特性的優(yōu)化，對比分析數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 優(yōu)化前后的各參數(shù)對比表

在擊穿特性曲線方面，優(yōu)化前擊穿曲線VBR在1.5 V 左右已經(jīng)開始抬起，在3.5 V 左右時已經(jīng)出現(xiàn)擊穿拐點；而優(yōu)化后的擊穿曲線VBR在3.5 V 左右才開始抬起，在4.5 V 左右時方出現(xiàn)擊穿拐點。通過擊穿特性曲線也不難發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后的擊穿曲線有硬特性，漏電較小。如圖10 所示為I-V 曲線優(yōu)化前后對比。

圖10 優(yōu)化前后的擊穿曲線對比圖

7 結(jié)束語

通過理論分析及實驗驗證，采用本文的設(shè)計結(jié)構(gòu)及工藝方案，可以制作具有擊穿電壓低、反向漏電流小、擊穿硬特性的低壓調(diào)整二極管；在結(jié)構(gòu)上規(guī)避了常規(guī)的設(shè)計，采用本文的中次表面擊穿的設(shè)計結(jié)構(gòu)，達(dá)到P-N 結(jié)體內(nèi)擊穿的目的。在工藝上，高質(zhì)量的氧化工藝降低了氧化層中的固定電荷和界面態(tài)密度，進而實現(xiàn)降低器件漏電的目的。綜述論證及試驗結(jié)果表明，低壓電壓調(diào)整二極管的其他各項參數(shù)均滿足規(guī)格要求，同時通過了可靠性驗證，效果良好。