低壓調整二極管擊穿特性分析與優化設計

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

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

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構的5.1 V 低壓穩壓二極管，提出了對應此種結構的工藝流程，實現了擊穿硬特性。

2 低壓電壓調整二極管擊穿原理分析

能引起P-N 結擊穿的基本特征有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]。對于重摻雜硅P-N 結，引起齊納擊穿所需的電場強度約為106V/cm。當擊穿電壓VZ＜4Eg/q 時，一般為隧道擊穿 ； 當 VZ＞6Eg/q 時 ， 一 般 為 雪 崩 擊 穿 ；當4Eg/q＜VZ＜6Eg/q 時，兩種擊穿機構都存在。研究表明，對于硅P-N 結，當擊穿電壓小于5 V 時主要是齊納擊穿，大于7 V 時主要是雪崩擊穿，當擊穿電壓在5~7 V之間，是隧道效應和雪崩倍增效應的結合[2]。本文設計優化的是5.1 V 低壓穩壓二極管，下面論述隧道擊穿的機理。

根據量子理論，電子具有波動性，它可以穿過位能比電子動能勢壘區，這種現象稱為隧道效應。隧道擊穿是指強電場作用下產生隧道效應，大量價帶電子穿過禁帶進入導帶，反向電流迅速增加引起的P-N 結擊穿[3]。當P-N 結加反向偏壓時，勢壘區能帶發生傾斜；反向偏壓越大，勢壘越高，勢壘區的內建電場也越強，勢壘區能帶也愈加傾斜，甚至可以使N 區的導帶底比P 區的價帶頂還低，如圖1 所示。由量子力學證明，P 區價帶中的電子將通過隧道效應穿過禁帶而到達N 區導帶中，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ΔX 短到一定程度時，使P 區價帶中大量的電子通過隧道穿過勢壘到達N 區導帶中去，反向電流急劇增大，于是P-N 結發生隧道擊穿。

從圖2 可以得到隧道長度ΔX 與勢壘高度q (VDV) 間的關系，因勢壘區內導帶底的斜率為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，也就越容易發生隧道擊穿，故隧道擊穿時要求一定的NVA值。在雜質濃度較低、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；在雜質濃度較高時，隧道長度較短，反向偏壓不高時就能發生隧道擊穿，所以在重摻雜情況下，隧道擊穿機理是主要的。上述分析表明，要制作低壓穩壓二極管，獲得低壓擊穿，就必須制作重摻雜的P-N 結，使之發生隧道擊穿[4]。

圖1 大反向偏壓下P-N 結的能帶圖

圖2 P-N 結的三角形勢壘

3 結構設計

在P-N 結處于反偏時，其勢壘區中的電場很高，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生“碰撞”破壞其共價鍵，產生新的電子和空穴對，而新產生的電子和空穴在強電場中又會獲得新的能量，并繼續碰撞。這種正反饋作用的結果導致了擊穿的發生。可以認為，勢壘區內載流子的碰撞電離及其不均勻性，是表面擊穿的主要原因。同時對于低穩壓值的淺結器件，P-N 結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以及缺陷較體內嚴重的情況，此P-N 結的擊穿會提前發生在表面處，進而會導致漏電大、擊穿特性軟等問題。

采用普通平面結構所制造的P-N 結一般都是表面擊穿，因而受表面狀態的影響很大，故擊穿時的漏電偏大（擊穿軟特性明顯）。為了避免受表面態的影響，本文采用體內擊穿（次表面擊穿）結構設計，實現擊穿硬特性。次表面擊穿結構由P+、N+及N-三部分構成，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-)，擊穿就發生在N+及P+交界處，從而實現了體內擊穿（次表面擊穿）。圖3 所示為縱向結構圖。

P-N 結的反向擊穿電壓不僅和摻雜特性有關，還與P-N 結結構設計的幾何形狀有關。由兩種均勻摻雜的半導體區域在一個平面相交形成的P-N 結，盡管可以近似為理想平面結，但實際上大多數結是彎曲的。曲率加強了電場，降低了擊穿電壓穩定性，曲率半徑越小，擊穿電壓越低且越不穩定。這個效應對淺結低壓產品的反向擊穿電壓、反向漏電流有很大的影響。

大多數低壓穩壓二極管在P 型摻雜與N 型摻雜交界面邊緣有一個很明顯的彎曲，且淺結曲率半徑較小，進而表面電場強化降低擊穿電壓穩定性、增加反向漏電流。而本文設計的結構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，電場最強的位置亦在體內，使其擊穿后電流更均勻、起始漏電更低，便于實現硬擊穿，擊穿電壓更穩定且易于控制。仿真分析圖如圖4 所示。

圖4 仿真電場分布圖

4 退火工藝設計

為了獲得產品良好的擊穿特性，減小反向漏電流，實現擊穿硬特性，退火的工藝尤為重要。在通常情況下，穩壓產品常采用高溫、長時間退火工藝，容易因自摻雜導致部分區域發生電流集中效應，同時純氮氣高溫推結容易將硅表面氮化，并會影響表面結的狀態，此外由于正面無氧化層保護，容易出現自摻雜現象，導致漏電偏高[5-7]，呈現曲線軟特性。本文采用氧化加推結相結合的退火工藝，通過在常規高溫退結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，同時推結結束后做犧牲氧化工藝，修復表面態，進而降低產品的反向漏電流。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

本文提出的低壓穩壓二極管工藝制程包含5 層光照，產品工藝總方案如下：外延材料進線后首先做高質量場氧工藝，在爐管中生長750 nm 熱氧化層，然后進行P-環與N well 窗口光刻，經過注入退火形成P-環和N well，P+層形成主結，主結完成做接觸孔和金屬，圖8 所示為低壓穩壓二極管工藝制程，圖9 為流程結構。

圖8 低壓穩壓二極管工藝制程

圖9 流程結構

6 試驗結果

在理論分析、結構、工藝設計的基礎上，采用上述結構和工藝做5.1 V 低壓穩壓二極管的對比試驗，本文的結構和工藝優化后5.1 V 產品的漏電流IR@2 V由221 nA 降低至10 nA，成功完成了擊穿硬特性的優化，對比分析數據如表1 所示。

表1 優化前后的各參數對比表

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

圖10 優化前后的擊穿曲線對比圖

7 結束語

通過理論分析及實驗驗證，采用本文的設計結構及工藝方案，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整二極管；在結構上規避了常規的設計，采用本文的中次表面擊穿的設計結構，達到P-N 結體內擊穿的目的。在工藝上，高質量的氧化工藝降低了氧化層中的固定電荷和界面態密度，進而實現降低器件漏電的目的。綜述論證及試驗結果表明，低壓電壓調整二極管的其他各項參數均滿足規格要求，同時通過了可靠性驗證，效果良好。