CN106021667B - 绝缘衬底上的硅和体硅横向功率二极管结构参数提取方法 - Google Patents

绝缘衬底上的硅和体硅横向功率二极管结构参数提取方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种绝缘衬底上的硅和体硅横向功率二极管结构参数的提取方法。首先，在某一适当区间内测得不同衬底电压下的击穿电压，根据测试结果绘制击穿电压随衬底电压变化曲线图，提取曲线峰值对应的最优衬底电压Vsub。对于SOI横向功率二极管，根据公式
Figure DDA0000987260510000011
和
Figure DDA0000987260510000012
若已知顶层硅浓度、顶层硅厚度和埋氧层厚度中的任意两项，即可提取第三项。对于体硅横向功率二极管，根据公式
Figure DDA0000987260510000013
和
Figure DDA0000987260510000014
若已知外延层浓度、外延层厚度和衬底浓度中的任意两项，即可提取第三项。本发明为SOI和体硅横向功率二极管结构参数的提取提供了一种简单、非破坏性和高精度的方法。

Description

绝缘衬底上的硅和体硅横向功率二极管结构参数提取方法
技术领域
本发明涉及半导体集成电路领域器件结构参数提取技术，特别涉及绝缘衬底上的硅(Silicon-On-Insulator，简写SOI)和体硅横向功率二极管相关结构参数提取的方法。
背景技术
从上世纪80年代至今，因为VLSI技术和微细加工技术被广泛应用，横向功率器件亦得到快速发展。横向功率器件在获得高压的同时也得以与低压逻辑控制电路实现集成，而且大大提高了集成度，现在已经广泛用于通信、功率电源、马达驱动及汽车电子领域。
横向功率二极管是横向功率器件的基本结构，根据衬底材料的不同，可以分为SOI横向功率二极管和体硅横向功率二极管。SOI横向功率二极管结构如图1所示，1为具有第一导电类型的支撑衬底，2为位于支撑衬底上的绝缘埋层，3为位于绝缘埋层上具有第二导电类型的顶层硅漂移区，4为位于漂移区内具有第一导电类型的重掺杂区，5为位于漂移区内具有第二导电类型的重掺杂区。体硅横向功率二极管结构如图2所示，1为具有第一导电类型的支撑衬底，2为位于支撑衬底上具有第二导电类型的外延层漂移区，3为位于漂移区内具有第一导电类型的重掺杂区，4为位于漂移区内具有第二导电类型的重掺杂区。
横向功率二极管器件结构参数的提取具有重要的实践意义。目前用来提取横向二极管器件结构参数方法有很多。如三探针法，CV法，椭圆偏振光法等。三探针法是提取漂移区掺杂浓度的方法，它基于反向击穿电压与杂质浓度的关系进行测量，但其实用性和准确性有限(程福生.两种常用外延测试方法的研究[J].半导体技术.1988，1:52-55)。CV法则是一种利用PN结或金属-半导体肖特基势垒在反向偏压时的电容特性测量漂移区浓度的方法，具有非破坏性和较高的准确度，但是测试设备毕竟复杂，需要高频信号源和高精度电压－电容测试仪(B.Zat’ko.2014.Analysis of detection properties of particledetectors based on 4H-SiC high quality epitaxial layer.Advanced SemiconductorDevices&Microsystems.1-4)。椭圆偏振光法是根据不同掺杂杂质浓度的标准外延层的折射率标准曲线和吸光率标准曲线，将测得的掺杂外延层的折射率曲线和吸光率曲线与此标准曲线比对，与所求折射率曲线和吸光率曲线匹配的折射率标准曲线和吸光率标准曲线对应的掺杂浓度即为所求掺杂外延层的掺杂杂质浓度(何有丰，中国专利，2010，掺杂外延层的掺杂杂质浓度的监控方法，201010565093.4)。
本发明提供了一种新型的SOI和体硅横向功率二极管结构参数的提取方法，它根据衬底电压对击穿电压影响关系，通过测得最高击穿电压所对于的衬底电压，在已知SOI横向功率二极管的顶层硅浓度、顶层硅厚度和和埋氧层厚度的其中两项，或体硅横向功率二极管的外延层浓度、外延层厚度和衬底浓度的其中两项，可以提取第三项，这是一种非破坏性的测试，而且测试成本低、测试环境要求低、测试结果准确度高。
发明内容
发明目的：本发明的目的提供一种新的SOI和体硅横向功率二极管结构参数的提取方法。对于SOI横向功率二极管，若已知顶层硅浓度Nd、顶层硅厚度ts和埋氧层厚度tox中任意两项，可简单且无损的提取第三项；对于体硅横向功率二极管，若已知外延层浓度N′d、外延层厚度t′s和衬底浓度Psub中任意两项，可简单且无损的提取第三项。
技术方案:一种提取SOI和体硅横向功率二极管相关结构参数的方法，其步骤如下：
步骤1：把横向功率二极管的正极接地，把衬底偏置到某一电压，而后逐渐升高负极电压，直到二极管发生击穿，测得击穿电压。
步骤2：逐步改变衬底偏压，重复步骤1，测得一系列击穿电压。
步骤3：根据所得数据，绘制出击穿电压随衬底电压的变化关系曲线图。通过选择测试区间，使曲线为开口向下抛物线。
步骤4：求出最高击穿电压下所对应的衬底电压Vsub。
所述的衬底电压Vsub，对于SOI横向功率二极管而言，满足如下关系式：
Figure GDA0002313010970000031
Figure GDA0002313010970000032
若用其它方法提取顶层硅浓度、顶层硅厚度和埋氧层厚度中的任意两项后，可以利用关系式(1)和(2)提取第三项。
其中，Nd为顶层硅浓度，ts为顶层硅厚度，tox为埋氧层厚度，εs为顶层硅的介电常数，εox为埋氧层的介电常数，q为电荷量，L为漂移区长度，t为特征厚度，Vsub为衬底电压，Ec为半导体临界电场。
所述的衬底电压Vsub，对于体硅横向功率二极管而言，满足如下关系式：
Figure GDA0002313010970000033
Figure GDA0002313010970000034
若用其它方法提取外延层浓度、外延层厚度和衬底浓度中的任意两项后，可以利用关系式(3)和(4)提取第三项。
其中，N′d为外延层浓度，t′s为外延层厚度，ε′s为外延层介电常数，Psub衬底浓度，q为电荷量，L为漂移区长度，t为特征厚度，Vsub为衬底电压，Vd为击穿电压，Ec为半导体临界电场。
有益效果：
(1)本发明提供的是一种非破坏性且简单快速的提取结构参数的方法。
(2)本发明利用衬底电压对击穿电压的关系，若用其它方法测得SOI横向功率二极管顶层硅浓度Nd、顶层硅厚度ts和埋氧层厚度tox中任意两项，即可简单地提取第三项。
(3)本发明利用衬底电压对击穿电压的关系，若用其它方法测得体硅横向功率二极管外延层浓度N′d、外延层厚度t′s和衬底浓度Psub中任意两项，即可简单地提取第三项。
(4)本发明测量值相对于实际值误差均在10％以下，精确度较高。
(5)本发明不仅适用于横向功率二极管，也适用于其它横向功率器件。如LDMOS和LIGBT等。
附图说明
图1为本发明所测SOI横向功率二极管结构示意图。
图2为本发明所测体硅横向功率二极管结构示意图。
图3为本发明所测二极管击穿电压随其外加衬底电压的关系曲线图。
具体实施方式
下面给出本发明的具体实施例：
首先，把横向二极管的正极接地，改变衬底电压，测试出一系列的负极击穿电压，绘制出击穿电压随衬底电压的变化关系曲线图。通过适当选取衬底电压范围，得到一开口向下的类抛物线型曲线，从图上提取最高击穿电压下所对应的衬底电压Vsub。
根据所需提取的参数，分为如下几种情况：
情况1：若已知SOI横向功率二极管顶层硅厚度ts和埋氧层厚度tox，可提取顶层硅浓度Nd。其步骤为：
(1)首先根据公式(1)得其特征厚度t；
Figure GDA0002313010970000041
(2)把求得的特征厚度代入公式(2)，提取顶层硅浓度Nd；
Figure GDA0002313010970000042
其中，
当L>12t时，公式(2)可化简为：
Figure GDA0002313010970000043
当L<0.1t，公式(2)可化简为：
Figure GDA0002313010970000051
情况2：若已知SOI横向功率二极管顶层硅厚度ts和顶层硅浓度Nd，可提取埋氧层厚度tox。其步骤为：
(1)利用公式(2)编程求解特征厚度t。或者当L>12t或L<0.1t的时候，根据公式(3)或公式(4)直接求解。
(2)把求得的特征厚度代入公式(5)，提取埋氧层厚度tox；
Figure GDA0002313010970000052
情况3：若已知SOI横向功率二极管顶层硅浓度Nd和埋氧层厚度tox，可提取顶层硅厚度ts。其步骤为：
(1)利用公式(2)编程求解特征厚度t。或者当L>12t或L<0.1t的时候，根据公式(3)或公式(4)直接求解。
(2)把求得的特征厚度代入公式(6)，提取顶层硅厚度ts；
Figure GDA0002313010970000053
情况4：若已知体硅横向功率二极管外延层厚度t′s和衬底浓度Psub，可提取外延层浓度N′d。其步骤为：
(1)联立公式(2)和(7)进行编程求解，提取外延层浓度N′d；
Figure GDA0002313010970000054
情况5：若已知体硅横向功率二极管外延层浓度N′d和衬底浓度Psub，可提取外延层厚度t′s。其步骤为：
(1)利用公式(2)编程求解特征厚度t。或者当L>12t或L<0.1t的时候，根据公式(3)或公式(4)直接求解。
(2)把求得的特征厚度代入公式(8)，提取外延层厚度t′s；
Figure GDA0002313010970000061
情况6：若已知体硅横向功率二极管外延层浓度N′d和外延层厚度t′s，可提取衬底浓度Psub。其步骤为：
(1)利用公式(2)编程求解特征厚度t。或者当L>12t或L<0.1t的时候，根据公式(3)或公式(4)直接求解。
(2)把求得的特征厚度代入公式(9)，提取衬底浓度Psub；
Figure GDA0002313010970000062
具体举例：以已知顶层硅厚度和埋氧层厚度，提取SOI横向功率二极管顶层硅浓度为例。若已知顶层硅厚度为2μm，埋氧层厚度为2μm，漂移区长度L＝20μm。其具体测量步骤为：
(1)根据已知的SOI横向功率二极管结构埋氧层厚度tox，顶层硅厚度ts，利用公式(1)求取出其对应的的特征厚度t。
(2)根据所测结构，在-50V～0V间对衬底电压进行取值，仿真测试出每组衬底电压所对应的击穿电压。如表1所示：
表1不同衬底电压下的击穿电压表
Figure GDA0002313010970000063
根据所得数据，绘制出击穿电压随衬底电压的变化关系曲线图如图3所示，可得出最高击穿电压下所对应的衬底电压Vsub。
(3)根据上述所得的特征厚度t和衬底电压Vsub，利用公式(2)可提取出其顶层硅浓度Nd，这里硅临界电场取值为4.2×105V/cm。
(4)利用上述步骤方法，对不同外延层浓度的SOI横向功率二极管进行浓度提取，得到结果如表2所示，可见其误差小于1.2％，具有较高的精度。
表2不同外延层浓度下对应提取的浓度值表
Figure GDA0002313010970000071

Claims (2)

1.一种绝缘衬底上的硅和体硅横向功率二极管结构参数提取方法，其特征在于该方法包括如下步骤：
步骤1：把横向功率二极管的正极接地，把衬底偏置到某一电压，而后逐渐升高负极电压，直到二极管发生击穿，测得击穿电压；
步骤2：逐步改变衬底偏压，重复步骤1，测得一系列击穿电压；
步骤3：根据所得数据，绘制出击穿电压随衬底电压的变化关系曲线图，通过选择测试区间，使曲线为开口向下抛物线；
步骤4：求出最高击穿电压下所对应的衬底电压Vsub；
所述的衬底电压Vsub，对于SOI横向功率二极管而言，满足如下关系式：
Figure FDA0002313010960000011
Figure FDA0002313010960000012
其中：Nd为顶层硅浓度，ts为顶层硅厚度，tox为埋氧层厚度，εs为顶层硅的介电常数，εox为埋氧层的介电常数，q为电荷量，L为漂移区长度，t为特征厚度，Vsub为衬底电压，Ec为半导体临界电场；
所述的衬底电压Vsub，对于体硅横向功率二极管而言，满足如下关系式：
Figure FDA0002313010960000013
Figure FDA0002313010960000014
其中：N′d为外延层浓度，t′s为外延层厚度，ε′s为外延层介电常数，Psub为衬底浓度，q为电荷量，L为漂移区长度，t为特征厚度，Vsub为衬底电压，Vd为击穿电压，Ec为半导体临界电场；
所述的衬底电压Vsub的关系式(1)和关系式(2)，对于SOI横向功率二极管，若获得顶层硅浓度、顶层硅厚度和埋氧层厚度中的任意两项后，利用关系式(1)和关系式(2)提取第三项；
所述的衬底电压Vsub的关系式(3)和关系式(4)，对于体硅横向功率二极管，若获得外延层浓度、外延层厚度和衬底浓度中的任意两项后，利用关系式(3)和关系式(4)提取第三项。
2.权利要求1所述的绝缘衬底上的硅和体硅横向功率二极管结构参数提取方法，其特征在于，该方法不仅适用于绝缘衬底上的硅和体硅横向功率二极管，该方法还适用于LDMOS和LIGBT横向功率二极管。
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Granted publication date: 20200331

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