絕緣襯底上的硅和體硅橫向功率二極管結(jié)構(gòu)參數(shù)提取方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種絕緣襯底上的硅和體硅橫向功率二極管結(jié)構(gòu)參數(shù)的提取方法。首先，在某一適當(dāng)區(qū)間內(nèi)測(cè)得不同襯底電壓下的擊穿電壓，根據(jù)測(cè)試結(jié)果繪制擊穿電壓隨襯底電壓變化曲線圖，提取曲線峰值對(duì)應(yīng)的最優(yōu)襯底電壓Vsub。對(duì)于SOI橫向功率二極管，根據(jù)公式和若已知頂層硅濃度、頂層硅厚度和埋氧層厚度中的任意兩項(xiàng)，即可提取第三項(xiàng)。對(duì)于體硅橫向功率二極管，根據(jù)公式和若已知外延層濃度、外延層厚度和襯底濃度中的任意兩項(xiàng)，即可提取第三項(xiàng)。本發(fā)明為SOI和體硅橫向功率二極管結(jié)構(gòu)參數(shù)的提取提供了一種簡(jiǎn)單、非破壞性和高精度的方法。
【專利說(shuō)明】
絕緣襯底上的括和體括橫向功率二極管結(jié)構(gòu)參數(shù)提取方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及半導(dǎo)體集成電路領(lǐng)域器件結(jié)構(gòu)參數(shù)提取技術(shù)，特別設(shè)及絕緣襯底上的 娃(Si Iicon-On-Insulator,簡(jiǎn)寫(xiě)SOI)和體娃橫向功率二極管相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)提取的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 從上世紀(jì)80年代至今，因?yàn)榛疭I技術(shù)和微細(xì)加工技術(shù)被廣泛應(yīng)用，橫向功率器件 亦得到快速發(fā)展。橫向功率器件在獲得高壓的同時(shí)也得W與低壓邏輯控制電路實(shí)現(xiàn)集成， 而且大大提高了集成度，現(xiàn)在已經(jīng)廣泛用于通信、功率電源、馬達(dá)驅(qū)動(dòng)及汽車電子領(lǐng)域。
[0003] 橫向功率二極管是橫向功率器件的基本結(jié)構(gòu)，根據(jù)襯底材料的不同，可W分為SOI 橫向功率二極管和體娃橫向功率二極管。SOI橫向功率二極管結(jié)構(gòu)如圖1所示，1為具有第一 導(dǎo)電類型的支撐襯底，2為位于支撐襯底上的絕緣埋層，3為位于絕緣埋層上具有第二導(dǎo)電 類型的頂層娃漂移區(qū)，4為位于漂移區(qū)內(nèi)具有第一導(dǎo)電類型的重滲雜區(qū)，5為位于漂移區(qū)內(nèi) 具有第二導(dǎo)電類型的重滲雜區(qū)。體娃橫向功率二極管結(jié)構(gòu)如圖2所示，1為具有第一導(dǎo)電類 型的支撐襯底，2為位于支撐襯底上具有第二導(dǎo)電類型的外延層漂移區(qū)，3為位于漂移區(qū)內(nèi) 具有第一導(dǎo)電類型的重滲雜區(qū)，4為位于漂移區(qū)內(nèi)具有第二導(dǎo)電類型的重滲雜區(qū)。
[0004] 橫向功率二極管器件結(jié)構(gòu)參數(shù)的提取具有重要的實(shí)踐意義。目前用來(lái)提取橫向二 極管器件結(jié)構(gòu)參數(shù)方法有很多。如=探針?lè)?，CV法，楠圓偏振光法等。=探針?lè)ㄊ翘崛∑?區(qū)滲雜濃度的方法，它基于反向擊穿電壓與雜質(zhì)濃度的關(guān)系進(jìn)行測(cè)量，但其實(shí)用性和準(zhǔn)確 性有限(程福生.兩種常用外延測(cè)試方法的研究[J].半導(dǎo)體技術(shù).1988，1:52-55)XV法則是 一種利用PN結(jié)或金屬-半導(dǎo)體肖特基勢(shì)壘在反向偏壓時(shí)的電容特性測(cè)量漂移區(qū)濃度的方 法，具有非破壞性和較高的準(zhǔn)確度，但是測(cè)試設(shè)備畢竟復(fù)雜，需要高頻信號(hào)源和高精度電 壓一電容測(cè)試儀（B.Zat'ko.2014.Analysis of detection p;rope;rties of particle detectors based on 4H-SiC high quality epitaxial layer.Advanced Semiconductor Devices&Microsystems. 1-4)。楠圓偏振光法是根據(jù)不同滲雜雜質(zhì)濃度的標(biāo)準(zhǔn)外延層的折 射率標(biāo)準(zhǔn)曲線和吸光率標(biāo)準(zhǔn)曲線，將測(cè)得的滲雜外延層的折射率曲線和吸光率曲線與此標(biāo) 準(zhǔn)曲線比對(duì)，與所求折射率曲線和吸光率曲線匹配的折射率標(biāo)準(zhǔn)曲線和吸光率標(biāo)準(zhǔn)曲線對(duì) 應(yīng)的滲雜濃度即為所求滲雜外延層的滲雜雜質(zhì)濃度(何有豐，中國(guó)專利，2010,滲雜外延層 的滲雜雜質(zhì)濃度的監(jiān)控方法，201010565093.4)。
[0005] 本發(fā)明提供了一種新型的SOI和體娃橫向功率二極管結(jié)構(gòu)參數(shù)的提取方法，它根 據(jù)襯底電壓對(duì)擊穿電壓影響關(guān)系，通過(guò)測(cè)得最高擊穿電壓所對(duì)于的襯底電壓，在已知SOI橫 向功率二極管的頂層娃濃度、頂層娃厚度和和埋氧層厚度的其中兩項(xiàng)，或體娃橫向功率二 極管的外延層濃度、外延層厚度和襯底濃度的其中兩項(xiàng)，可W提取第=項(xiàng)，運(yùn)是一種非破壞 性的測(cè)試，而且測(cè)試成本低、測(cè)試環(huán)境要求低、測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確度高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 發(fā)明目的：本發(fā)明的目的提供一種新的SOI和體娃橫向功率二極管結(jié)構(gòu)參數(shù)的提 取方法。對(duì)于SOI橫向功率二極管，若已知頂層娃濃度Nd、頂層娃厚度ts和埋氧層厚度tox中 任意兩項(xiàng)，可簡(jiǎn)單且無(wú)損的提取第=項(xiàng)；對(duì)于體娃橫向功率二極管，若已知外延層濃度Nd、 外延層厚度ts和襯底濃度Psub中任意兩項(xiàng)，可簡(jiǎn)單且無(wú)損的提取第=項(xiàng)。
[0007] 技術(shù)方案:本發(fā)明的一種提取SOI和體娃橫向功率二極管相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)的方法，其 步驟如下：
[0008] 步驟1:把橫向功率二極管的正極接地，把襯底偏置到某一電壓，而后逐漸升高負(fù) 極電壓，直到二極管發(fā)生擊穿，測(cè)得擊穿電壓；
[0009] 步驟2:逐步改變襯底偏壓，重復(fù)步驟1，測(cè)得一系列擊穿電壓；
[0010] 步驟3:根據(jù)所得數(shù)據(jù)，繪制出擊穿電壓隨襯底電壓的變化關(guān)系曲線圖，通過(guò)選擇 測(cè)試區(qū)間，使曲線為開(kāi)口向下拋物線；
[0011] 步驟4:求出最高擊穿電壓下所對(duì)應(yīng)的襯底電壓Vsub。
[0012] 所述的襯底電壓Vsub,對(duì)于SOI橫向功率二極管而言，滿足如下關(guān)系式：
[0013]
[0014]
[0015] 若用其它方法提取頂層娃濃度、頂層娃厚度和埋氧層厚度中的任意兩項(xiàng)后，可W 利用關(guān)系式(1)和(2)提取第S項(xiàng)。
[0016] 其中：Nd為頂層娃濃度，ts為頂層娃厚度，Ux為埋氧層厚度，Es為頂層娃的介電常 數(shù)，Eex為埋氧層的介電常數(shù)，q為電荷量，L為漂移區(qū)長(zhǎng)度，t為特征厚度，Vsub為襯底電壓，E。 為半導(dǎo)體臨界電場(chǎng)。
[0017] 所述的襯底電壓Vsub,對(duì)于體娃橫向功率二極管而言，滿足如下關(guān)系式：
[001 引
[0019]
[0020] 若用其它方法提取外延層濃度、外延層厚度和襯底濃度中的任意兩項(xiàng)后，可W利 用關(guān)系式(3)和(4)提取第S項(xiàng)。
[0021] 其中：Nd為外延層濃度，ts為外延層厚度，Es為外延層介電常數(shù)，Psub襯底濃度，q為 電荷量，L為漂移區(qū)長(zhǎng)度，t為特征厚度，Vsub為襯底電壓，Vd為擊穿電壓，Ec為半導(dǎo)體臨界電 場(chǎng)。
[0022] 有益效果：
[0023] (1)本發(fā)明提供的是一種非破壞性且簡(jiǎn)單快速的提取結(jié)構(gòu)參數(shù)的方法。
[0024] (2)本發(fā)明利用襯底電壓對(duì)擊穿電壓的關(guān)系，若用其它方法測(cè)得SOI橫向功率二 極管頂層娃濃度Nd、頂層娃厚度ts和埋氧層厚度tox中任意兩項(xiàng)，即可簡(jiǎn)單地提取第立項(xiàng)。
[0025] (3)本發(fā)明利用襯底電壓對(duì)擊穿電壓的關(guān)系，若用其它方法測(cè)得體娃橫向功率二 極管外延層濃度Nd、外延層厚度ts和襯底濃度Psub中任意兩項(xiàng)，即可簡(jiǎn)單地提取第=項(xiàng)。
[0026] (4)本發(fā)明測(cè)量值相對(duì)于實(shí)際值誤差均在10 % W下，精確度較高。
[0027] (5)本發(fā)明不僅適用于橫向功率二極管，也適用于其它橫向功率器件。如LDMOS和 LIGBT 等。
【附圖說(shuō)明】
[00%]圖1為本發(fā)明所測(cè)SOI橫向功率二極管結(jié)構(gòu)示意圖。
[0029] 圖2為本發(fā)明所測(cè)體娃橫向功率二極管結(jié)構(gòu)示意圖。
[0030] 圖3為本發(fā)明所測(cè)二極管擊穿電壓隨其外加襯底電壓的關(guān)系曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0031] 下面給出本發(fā)明的具體實(shí)施例：
[0032] 首先，把橫向二極管的正極接地，改變襯底電壓，測(cè)試出一系列的負(fù)極擊穿電壓， 繪制出擊穿電壓隨襯底電壓的變化關(guān)系曲線圖。通過(guò)適當(dāng)選取襯底電壓范圍，得到一開(kāi)口 向下的類拋物線型曲線，從圖上提取最高擊穿電壓下所對(duì)應(yīng)的襯底電壓Vsub。
[0033] 根據(jù)所需提取的參數(shù)，分為如下幾種情況：
[0034] 情況1:若已知SOI橫向功率二極管頂層娃厚度ts和埋氧層厚度Ux,可提取頂層娃 濃度Nd。其步驟為：
[0035] (1)首先根據(jù)公式(5)得其特征厚度t;
[0036]
[0037] (2)化求得的特佈厚麼代入公式（6)，提取頂民補(bǔ)濃麼Nd;
[00；3 引
[0039]
[0040]
[0041]
[0042]
[0043]
[0044] 情況2:若已知SOI橫向功率二極管頂層娃厚度ts和頂層娃濃度Nd,可提取埋氧層厚 度tnx。其步驟為：
[0045] (1)利用公式(6)編程求解特征厚度t。或者當(dāng)L〉12t或1X0.1 t的時(shí)候，根據(jù)公式(7) 或公式(8)直接求解。
[0046] (2)把求得的特征厚度代入公式(9)，提取埋氧層厚度tnx;
[0047]
[004引情況3:若已知SOI橫向功率二極管頂層娃濃度Nd和埋氧層厚度Ux,可提取頂層娃 厚度ts。其步驟為：
[0049] (1)利用公式(6)編程求解特征厚度t?；蛘弋?dāng)L〉12t或IXO.lt的時(shí)候，根據(jù)公式(7) 或公式(8)直接求解。
[0050] (2)把求得的特征厚度代入公式(10)，提取頂層娃厚度ts;
[0化1 ]
[0052] 情況4:若已知體娃橫向功率二極管外延層厚度ts和襯底濃度Psub,可提取外延層 濃度Nd。其步驟為：
[0053] (1)聯(lián)立公式(6)和（11)進(jìn)行編程求解，提取外延層濃度Nd;
[0化4]
[0055] 情況5:若已知體娃橫向功率二極管外延層濃度Nd和襯底濃度Psub,可提取外延層 厚度ts。其步驟為：
[0056] (1)利用公式(6)編程求解特征厚度t。或者當(dāng)L〉12t或1X0.1 t的時(shí)候，根據(jù)公式(7) 或公式(8)直接求解。
[0057] (2)把求得的特征厚度代入公式(12)，提取外延層厚度ts;
[0化引
[0059] 情況6:若已知體娃橫向功率二極管外延層濃度Nd和外延層厚度ts，可提取襯底濃 度Psub。其步驟為：
[0060] (1)利用公式(6)編程求解特征厚度t?；蛘弋?dāng)L〉12t或1X0.1 t的時(shí)候，根據(jù)公式(7) 或公式(8)直接求解。
[0061] (2)把求得的特征厚度代入公式（13 )，提取襯底濃度Psub;
[0062]
[0063] 具體舉例：W已知頂層娃厚度和埋氧層厚度，提取SOI橫向功率二極管頂層娃濃度 為例。若已知頂層娃厚度為2皿，埋氧層厚度為2皿，漂移區(qū)長(zhǎng)度1 = 2皿。其具體測(cè)量步驟為：
[0064] (1)根據(jù)已知的SOI橫向功率二極管結(jié)構(gòu)埋氧層厚度Ux,頂層娃厚度ts，利用公式 (5)求取出其對(duì)應(yīng)的的特征厚度t。
[0065] (2)根據(jù)所測(cè)結(jié)構(gòu)，在-50V~OV間對(duì)襯底電壓進(jìn)行取值，仿真測(cè)試出每組襯底電壓 所對(duì)應(yīng)的擊穿電壓。如表1所不：
[0066] 表1不同襯底電壓下的擊穿電壓表
[0067]
[0068] 根據(jù)所得數(shù)據(jù)，繪制出擊穿電壓隨襯底電壓的變化關(guān)系曲線圖如圖3所示，可得出 最高擊穿電壓下所對(duì)應(yīng)的襯底電壓Vsub。
[0069] (3)根據(jù)上述所得的特征厚度t和襯底電壓Vsub,利用公式(6)可提取出其頂層娃濃 度Nd，運(yùn)里娃臨界電場(chǎng)取值為4.2 X 105V/cm。
[0070] (4)利用上述步驟方法，對(duì)不同外延層濃度的SOI橫向功率二極管進(jìn)行濃度提取， 得到結(jié)果如表2所示，可見(jiàn)其誤差小于1.2%，具有較高的精度。
[0071] 表2不同外延層濃度下對(duì)應(yīng)提取的濃度值表
[0072]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種絕緣襯底上的硅和體硅橫向功率二極管結(jié)構(gòu)參數(shù)提取方法，其特征在于該方法 包括如下步驟： 步驟1:把橫向功率二極管的正極接地，把襯底偏置到某一電壓，而后逐漸升高負(fù)極電 壓，直到二極管發(fā)生擊穿，測(cè)得擊穿電壓； 步驟2:逐步改變襯底偏壓，重復(fù)步驟1，測(cè)得一系列擊穿電壓； 步驟3:根據(jù)所得數(shù)據(jù)，繪制出擊穿電壓隨襯底電壓的變化關(guān)系曲線圖，通過(guò)選擇測(cè)試 區(qū)間，使曲線為開(kāi)口向下拋物線； 步驟4:求出最高擊穿電壓下所對(duì)應(yīng)的襯底電壓Vsub。2. 如權(quán)利要求1所述的絕緣襯底上的硅和體硅橫向功率二極管結(jié)構(gòu)參數(shù)提取方法，其 特征在于所述的襯底電壓Vsub，對(duì)于SOI橫向功率二極管而言，滿足如下關(guān)系式：其中：Nd為頂層硅濃度，ts為頂層硅厚度，Ux為埋氧層厚度，￡3為頂層硅的介電常數(shù)，ε Μ 為埋氧層的介電常數(shù)，q為電荷量，L為漂移區(qū)長(zhǎng)度，t為特征厚度，Vsub為襯底電壓，Ε。為半導(dǎo) 體臨界電場(chǎng)。3. 如權(quán)利要求1所述的絕緣襯底上的硅和體硅橫向功率二極管結(jié)構(gòu)參數(shù)提取方法，其 特征在于所述的襯底電壓Vsub，對(duì)于體硅橫向功率二極管而言，滿足如下關(guān)系式：其中：Nd為外延層濃度，ts為外延層厚度，es為外延層介電常數(shù)，Psub襯底濃度，q為電荷 量，L為漂移區(qū)長(zhǎng)度，t為特征厚度，Vsub為襯底電壓，Vd為擊穿電壓，E。為半導(dǎo)體臨界電場(chǎng)。4. 如權(quán)利要求2所述的絕緣襯底上的硅和體硅橫向功率二極管結(jié)構(gòu)參數(shù)提取方法，其 特征在于所述的襯底電壓Vsub的關(guān)系式（1)和關(guān)系式(2)，對(duì)于SOI橫向功率二極管，若用其 它方法提取頂層硅濃度、頂層硅厚度和埋氧層厚度中的任意兩項(xiàng)后，利用關(guān)系式（1)和關(guān)系 式(2)提取第三項(xiàng)。5. 如權(quán)利要求3所述的絕緣襯底上的硅和體硅橫向功率二極管結(jié)構(gòu)參數(shù)提取方法，其 特征在于所述的襯底電壓Vsub的關(guān)系式(3)和關(guān)系式(4)，對(duì)于體硅橫向功率二極管，若用其 它方法提取外延層濃度、外延層厚度和襯底濃度中的任意兩項(xiàng)后，利用關(guān)系式(3)和關(guān)系式 (4)提取第三項(xiàng)。6. 權(quán)利要求1、2、3、4或5所述的絕緣襯底上的硅和體硅橫向功率二極管結(jié)構(gòu)參數(shù)提取 方法，其特征在于該方法不僅適用于橫向功率二極管，該方法還適用于LDMOS和LIGBT橫向 功率器件。
【文檔編號(hào)】G06F17/50GK106021667SQ201610309703
【公開(kāi)日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2016年5月11日
【發(fā)明人】郭宇鋒, 陳靜, 李曼, 蔡志匡, 王子軒
【申請(qǐng)人】南京郵電大學(xué)