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摘 要：本文分析了引起传统工艺制造的VDMOS阈值偏高的因素：体区浓度和栅氧厚度，提出了工艺窗口筛选的方案，实验结果表明该方案在器件的击穿电压、通态电阻以及源漏间漏电流不发生改变的同时，实现了阈值电压的调整，达到了3.45V的设计要求。同时研究了Pbody不同注入剂量5.5E13、5.3E13、5.0E13和4.8E13对高压小电流 VDMOS产品阈值电压的影响。
关键词： 半导体 VDMOS功率器件 阈值电压 体区浓度
作者简介：吴茜，女，西安电子科技大学，材料工程，硕士，初级工程师，半导体技术工艺工程师。
王莎莎，女，西安理工大学，材料物理与化学，硕士，初级工程师，半导体技术工艺工程师。
翁锴强，男，西安电子科技大学，材料工程，硕士，中级工程师，质量检验工程师。
1 前言
就当前实际生产状况而言，有关于器件阈值电压，总会面临实际值与设计值存在一定差距的问题，这时应对进行一定的调控，直到确认其稳定后才可以投入使用，保证其器件符合预设要求。
想要使阈值电压下降，无疑需要采用两种调试方法，若使用降低氧化层厚度的方法来解决降低阈值电压的需求，即便真的具有可行性，但会在很大程度上增大栅极电容[1]，继而使器件开关速度降低，甚至会涉及到对漏电的影响，提高漏电的可能。但对于另一种方法即减少P区掺杂浓度而言，也存在一定程度的缺陷，即VDMOS器件的雪崩击穿特性会在P区掺杂浓度被降低的时候受到影响，甚至会导致VDMOS器件可靠性降低[2]，系统不稳定性增强。所以据此而言，想要阈值电压真正实现安全稳定的降低，必须首先确保器件拥有良好的开关性能和可靠性，且不会受到相关调整的影响。这就需要对在调整P区掺杂浓度时选择最佳的注入剂量组合。
2 影响阈值电压的因素
费密势为，受体浓度为，阈值电压与，也就是P区的掺杂浓度成正比[3]。P区的掺杂浓度在生产过程中主要受JFET注入剂量、P-Body注入剂量、N-Plus注入剂量影响。同样的，阈值电压值也与，即栅氧化层的厚度成正比关系[4]。如果在系统运行过程中有需要使阈值电压下降的实际要求，可以通过减少P区掺杂浓度，或者降低栅间氧化层的厚度来实现这一要求。反之，想要使阈值电压值上升，也可以通过提高P区掺杂浓度、提高栅间氧化层厚度的方式实现。
3 阈值电压工艺优化
3.1 P区注入工艺优化
依据上述理论，要实现对阈值电压的降低，通过确认JFET、体区(P-Body)、源区(N-Plus)这三次注入与阈值电压大小之间的关系，再以降低阈值电压为目的对这三项进行综合调整，在不影响器件性能的前提下，可以实现对阈值电压的调整。这中间需要注意的是，三项剂量之间存在的大小关系为JFET IMP<P-Body IMP<N-Plus IMP，中间差额为一个数量级。三项注入的设计值分别是：JFET注入P元素，能量为120Kev，注入剂量为2E12，注入角度为7度；P-Body注入B元素，能量为80Kev，注入剂量为5.5E13，注入角度为7度；N-Plus注入As，能量为100Kev，注入剂量为1E16，注入角度为7度。本次阈值电压优化分片实验只对N-Plus注入剂量进行调整，其他条件不变。对N-Plus设定3个条件注入剂量。分别为N2、N3、N5，其中： N2为设计值、N3为设计值的80%、N5为设计值的90%。具体分片设计见表1所示：
在固定JFET和P-Body注入剂量不变，保证源漏间不会出现漏电的情况下，细微的调整N-Plus的注入剂量。经过实验流片，产品CP参数测试结果如图1所示。
当N-Plus剂量条件为N5时，阈值电压的CP测试值按照预设要求稳定于3.45V左右，通态电阻的实际测得值也在目标值2.1Ohm上，源漏饱和漏电流的值也小于1uA左右，满足设计要求。
3.2 Pbody注入剂量对阈值电压的影响
由上面实验已确定了在线工艺条件，但实际生产中对高电压小电流产品来说，相同的工艺条件下，高电压小电流产品的阈值电压会相对偏高。为符合设计值，对Pbody注入剂量进行微调。保持注入元素B、能量80Kev和角度7度不变，设计四挡不同注入剂量，分别为：5.5E13、5.3E13、5.0E13和4.8E13。验证不同Pbody注入剂量对阈值电压的影响。
按上述实验方案进行流片验证，测得CP结果如图2所示。
由实验结果可以看出，对高电压小电流产品而言，当Pbody注入剂量为5.3E13时，阈值电压为3.45V左右。
4 结束语
通过对上述方案的逐一分析，充分对相关数据进行合理解析。P区注入的设计值分别是：JFET注入P元素，能量为120Kev，注入剂量为2E12，注入角度为7度；P-Body注入B元素，能量为80Kev，注入剂量为5.5E13，注入角度为7度；N-Plus注入As元素，能量为100Kev，注入剂量为9E15，注入角度为7度。产品阈值电压达到设计值，同时器件开启稳定，源漏间不会产生漏电。对高电压小电流器件来说，JFET和N-Plus注入条件不变时，P-Body注入剂量为5.3E13时，阈值电压达到设计值。
参考文献
[1] 刘兴东.600V VDMOS的设计与研究[D].吉林大圩.2010，14-57.
[2] 王蓉.功率VDMOS器件结构与优化设计研究[D].西安：西安电子科技大学，2010.
[3] 施敏.现代半导体器件物理[M].北京:科学出版社，2001.
[4] Stephen A. Campbell. The Science and Engineering of Microelectronic Fabrication, Second Edition[M].北京:电子工业出版社，2003.
论文作者:吴茜,王莎莎,翁锴强
论文发表刊物:《科学与技术》2019年第09期
论文发表时间:2019/9/29
标签：阈值论文; 电压论文; 剂量论文; 器件论文; 浓度论文; 西安论文; 量为论文; 《科学与技术》2019年第09期论文;