絕緣襯底上的硅和體硅橫向功率二極管結構參數提取方法
【專利摘要】本發明提供了一種絕緣襯底上的硅和體硅橫向功率二極管結構參數的提取方法。首先，在某一適當區間內測得不同襯底電壓下的擊穿電壓，根據測試結果繪制擊穿電壓隨襯底電壓變化曲線圖，提取曲線峰值對應的最優襯底電壓Vsub。對于SOI橫向功率二極管，根據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，即可提取第三項。對于體硅橫向功率二極管，根據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，即可提取第三項。本發明為SOI和體硅橫向功率二極管結構參數的提取提供了一種簡單、非破壞性和高精度的方法。
【專利說明】
絕緣襯底上的括和體括橫向功率二極管結構參數提取方法
技術領域
[0001] 本發明設及半導體集成電路領域器件結構參數提取技術，特別設及絕緣襯底上的 娃(Si Iicon-On-Insulator,簡寫SOI)和體娃橫向功率二極管相關結構參數提取的方法。
【背景技術】
[0002] 從上世紀80年代至今，因為化SI技術和微細加工技術被廣泛應用，橫向功率器件 亦得到快速發展。橫向功率器件在獲得高壓的同時也得W與低壓邏輯控制電路實現集成， 而且大大提高了集成度，現在已經廣泛用于通信、功率電源、馬達驅動及汽車電子領域。
[0003] 橫向功率二極管是橫向功率器件的基本結構，根據襯底材料的不同，可W分為SOI 橫向功率二極管和體娃橫向功率二極管。SOI橫向功率二極管結構如圖1所示，1為具有第一 導電類型的支撐襯底，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電 類型的頂層娃漂移區，4為位于漂移區內具有第一導電類型的重滲雜區，5為位于漂移區內 具有第二導電類型的重滲雜區。體娃橫向功率二極管結構如圖2所示，1為具有第一導電類 型的支撐襯底，2為位于支撐襯底上具有第二導電類型的外延層漂移區，3為位于漂移區內 具有第一導電類型的重滲雜區，4為位于漂移區內具有第二導電類型的重滲雜區。
[0004] 橫向功率二極管器件結構參數的提取具有重要的實踐意義。目前用來提取橫向二 極管器件結構參數方法有很多。如=探針法，CV法，楠圓偏振光法等。=探針法是提取漂移 區滲雜濃度的方法，它基于反向擊穿電壓與雜質濃度的關系進行測量，但其實用性和準確 性有限(程福生.兩種常用外延測試方法的研究[J].半導體技術.1988，1:52-55)XV法則是 一種利用PN結或金屬-半導體肖特基勢壘在反向偏壓時的電容特性測量漂移區濃度的方 法，具有非破壞性和較高的準確度，但是測試設備畢竟復雜，需要高頻信號源和高精度電 壓一電容測試儀（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不同滲雜雜質濃度的標準外延層的折 射率標準曲線和吸光率標準曲線，將測得的滲雜外延層的折射率曲線和吸光率曲線與此標 準曲線比對，與所求折射率曲線和吸光率曲線匹配的折射率標準曲線和吸光率標準曲線對 應的滲雜濃度即為所求滲雜外延層的滲雜雜質濃度(何有豐，中國專利，2010,滲雜外延層 的滲雜雜質濃度的監控方法，201010565093.4)。
[0005] 本發明提供了一種新型的SOI和體娃橫向功率二極管結構參數的提取方法，它根 據襯底電壓對擊穿電壓影響關系，通過測得最高擊穿電壓所對于的襯底電壓，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，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，可W提取第=項，運是一種非破壞 性的測試，而且測試成本低、測試環境要求低、測試結果準確度高。

【發明內容】

[0006] 發明目的：本發明的目的提供一種新的SOI和體娃橫向功率二極管結構參數的提 取方法。對于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，可簡單且無損的提取第=項；對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，可簡單且無損的提取第=項。
[0007] 技術方案:本發明的一種提取SOI和體娃橫向功率二極管相關結構參數的方法，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 極電壓，直到二極管發生擊穿，測得擊穿電壓；
[0009] 步驟2:逐步改變襯底偏壓，重復步驟1，測得一系列擊穿電壓；
[0010] 步驟3:根據所得數據，繪制出擊穿電壓隨襯底電壓的變化關系曲線圖，通過選擇 測試區間，使曲線為開口向下拋物線；
[0011] 步驟4:求出最高擊穿電壓下所對應的襯底電壓Vsub。
[0012] 所述的襯底電壓Vsub,對于SOI橫向功率二極管而言，滿足如下關系式：
[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后，可W 利用關系式(1)和(2)提取第S項。
[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，Eex為埋氧層的介電常數，q為電荷量，L為漂移區長度，t為特征厚度，Vsub為襯底電壓，E。 為半導體臨界電場。
[0017] 所述的襯底電壓Vsub,對于體娃橫向功率二極管而言，滿足如下關系式：
[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后，可W利 用關系式(3)和(4)提取第S項。
[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，Psub襯底濃度，q為 電荷量，L為漂移區長度，t為特征厚度，Vsub為襯底電壓，Vd為擊穿電壓，Ec為半導體臨界電 場。
[0022] 有益效果：
[0023] (1)本發明提供的是一種非破壞性且簡單快速的提取結構參數的方法。
[0024] (2)本發明利用襯底電壓對擊穿電壓的關系，若用其它方法測得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，即可簡單地提取第立項。
[0025] (3)本發明利用襯底電壓對擊穿電壓的關系，若用其它方法測得體娃橫向功率二 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，即可簡單地提取第=項。
[0026] (4)本發明測量值相對于實際值誤差均在10 % W下，精確度較高。
[0027] (5)本發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。
【附圖說明】
[00%]圖1為本發明所測SOI橫向功率二極管結構示意圖。
[0029] 圖2為本發明所測體娃橫向功率二極管結構示意圖。
[0030] 圖3為本發明所測二極管擊穿電壓隨其外加襯底電壓的關系曲線圖。
【具體實施方式】
[0031] 下面給出本發明的具體實施例：
[0032] 首先，把橫向二極管的正極接地，改變襯底電壓，測試出一系列的負極擊穿電壓， 繪制出擊穿電壓隨襯底電壓的變化關系曲線圖。通過適當選取襯底電壓范圍，得到一開口 向下的類拋物線型曲線，從圖上提取最高擊穿電壓下所對應的襯底電壓Vsub。
[0033] 根據所需提取的參數，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L〉12t或1X0.1 t的時候，根據公式(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。或者當L〉12t或IXO.lt的時候，根據公式(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)聯立公式(6)和（11)進行編程求解，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L〉12t或1X0.1 t的時候，根據公式(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。或者當L〉12t或1X0.1 t的時候，根據公式(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，漂移區長度1 = 2皿。其具體測量步驟為：
[0064] (1)根據已知的SOI橫向功率二極管結構埋氧層厚度Ux,頂層娃厚度ts，利用公式 (5)求取出其對應的的特征厚度t。
[0065] (2)根據所測結構，在-50V~OV間對襯底電壓進行取值，仿真測試出每組襯底電壓 所對應的擊穿電壓。如表1所不：
[0066] 表1不同襯底電壓下的擊穿電壓表
[0067]
[0068] 根據所得數據，繪制出擊穿電壓隨襯底電壓的變化關系曲線圖如圖3所示，可得出 最高擊穿電壓下所對應的襯底電壓Vsub。
[0069] (3)根據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，運里娃臨界電場取值為4.2 X 105V/cm。
[0070] (4)利用上述步驟方法，對不同外延層濃度的SOI橫向功率二極管進行濃度提取， 得到結果如表2所示，可見其誤差小于1.2%，具有較高的精度。
[0071] 表2不同外延層濃度下對應提取的濃度值表
[0072]
【主權項】
1. 一種絕緣襯底上的硅和體硅橫向功率二極管結構參數提取方法，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，而后逐漸升高負極電 壓，直到二極管發生擊穿，測得擊穿電壓； 步驟2:逐步改變襯底偏壓，重復步驟1，測得一系列擊穿電壓； 步驟3:根據所得數據，繪制出擊穿電壓隨襯底電壓的變化關系曲線圖，通過選擇測試 區間，使曲線為開口向下拋物線； 步驟4:求出最高擊穿電壓下所對應的襯底電壓Vsub。2. 如權利要求1所述的絕緣襯底上的硅和體硅橫向功率二極管結構參數提取方法，其 特征在于所述的襯底電壓Vsub，對于SOI橫向功率二極管而言，滿足如下關系式：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，ε Μ 為埋氧層的介電常數，q為電荷量，L為漂移區長度，t為特征厚度，Vsub為襯底電壓，Ε。為半導 體臨界電場。3. 如權利要求1所述的絕緣襯底上的硅和體硅橫向功率二極管結構參數提取方法，其 特征在于所述的襯底電壓Vsub，對于體硅橫向功率二極管而言，滿足如下關系式：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，Psub襯底濃度，q為電荷 量，L為漂移區長度，t為特征厚度，Vsub為襯底電壓，Vd為擊穿電壓，E。為半導體臨界電場。4. 如權利要求2所述的絕緣襯底上的硅和體硅橫向功率二極管結構參數提取方法，其 特征在于所述的襯底電壓Vsub的關系式（1)和關系式(2)，對于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后，利用關系式（1)和關系 式(2)提取第三項。5. 如權利要求3所述的絕緣襯底上的硅和體硅橫向功率二極管結構參數提取方法，其 特征在于所述的襯底電壓Vsub的關系式(3)和關系式(4)，對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后，利用關系式(3)和關系式 (4)提取第三項。6. 權利要求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構參數提取 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】G06F17/50GK106021667SQ201610309703
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月11日
【發明人】郭宇鋒, 陳靜, 李曼, 蔡志匡, 王子軒
【申請人】南京郵電大學