一种器件外延层参数估算方法、系统、功率器件结构

本发明涉及半导体，具体涉及一种器件外延层参数估算方法、系统、功率器件结构。

背景技术：

1、功率半导体器件是电力电子技术中的核心元件，其外延层的掺杂浓度和厚度是最重要的一组参数之一，因为它们在很大程度上决定了器件的导通电阻和耐压等级。一般有多种方法可以提取半导体材料中的掺杂浓度沿深度的分布，其中二次离子质谱法(secondary ion mass spectroscopy，sims法)和电容-电压法(c-v法)是最常见的两类方法。

2、其中，sims法通过离子束逐层剥离样品表面并测量每一层中的目标掺杂杂质的浓度，是最直接的测量方法。但是此方法需要专门的设备，并且需要专门制作测试样品，成本较高、效率较低；同时该方法精度有限，只能测出总的掺杂浓度而无法分辨已经激活的掺杂浓度；并且此方法还带有破坏性，不适用于已经制作完成的器件。

3、c-v法通过电学方法测量器件的电容-电压特性，并根据反偏压、耗尽区宽度、结电容三者之间的关系，计算出外延层内掺杂浓度随深度的变化。该方法作为纯电学、无损的测试方法，有较广泛的适用范围，非常适合分析已制作完成的器件，因此是最常用的测量外延层参数的方法。

4、然而功率半导体器件在阻断状态下会承受较高的阻断电压，其外延层内将会产生较高的电场强度。电场分布在器件的有源区边缘会更集中。此处的电场强度高于有源区内部，容易导致器件的提前击穿。为了舒缓器件边缘的电场集中现象，功率器件的有源区周围通常存在终端结构。终端结构通过重新调制有源区边缘的电场分布降低该处的电场强度。而终端结构的存在将导致器件在反偏压时的耗尽区扩展方式偏离平行平面结的规律，进而影响器件的电容-电压特性。在继续采用c-v法推算外延层参数时就会出现偏差。

5、具体地，结终端扩展是常用的功率器件终端结构之一。结终端扩展是主结向器件边缘自然延伸的相同导电类型的低掺杂区域。在器件承受阻断电压时，结终端扩展区域会完全耗尽，其内部的固定电荷基于高斯定理对电场进行重新调配分布，从而实现舒缓电场、降低电场强度的目的。和其他类型的终端一样，结终端扩展同样会改变器件的电容-电压特性，导致采用c-v法推算出的外延参数出现偏差。

技术实现思路

1、本发明针对现有技术中的缺点，提供了一种器件外延层参数估算方法、系统、功率器件结构，解决了在不破坏器件的情况下，准确计算器件外延层的掺杂浓度和厚度的问题。

2、为了解决上述技术问题，本发明通过下述技术方案得以解决：

3、一种器件外延层参数估算方法，包括以下步骤：

4、计算器件耗尽区的总体积-耗尽深度函数关系式；

5、基于所述总体积-耗尽深度函数关系式获取器件的电容-电压函数关系式，并基于所述电容电压-函数关系生成外延层的表观掺杂浓度-外延深度函数关系式；

6、通过实验测试，获取器件的电容-电压特性数据，并基于所述电容-电压特性数据计算外延层的表观掺杂浓度-外延深度数据；

7、采用曲线拟合方法，拟合所述表观掺杂浓度-外延深度函数关系式与所述表观掺杂浓度-外延深度数据，得到器件外延层的实际掺杂浓度和外延厚度。

8、可选的，计算器件耗尽区的总体积-耗尽深度函数关系式，包括以下步骤：

9、器件阻断状态下，将器件外延层的耗尽区近似几何体处理；

10、重复更改外加电压，获取不同外加电压下，器件耗尽区的尺寸变化参数；

11、基于所述尺寸变化参数生成器件耗尽区的总体积-耗尽深度函数关系式。

12、可选的，基于所述总体积-耗尽深度函数关系式获取器件的电容-电压函数关系式，包括以下步骤：

13、获取不同外加电压下，电压与耗尽区的耗尽深度之间的变化关系，得到电压-耗尽深度函数关系式；

14、基于电容定义、所述电压-耗尽深度函数关系式以及所述总体积-耗尽深度函数关系式，生成电容-电压函数关系式。

15、可选的，所述总体积-耗尽深度函数关系式为：

16、

17、其中，mtot(yepi)为总体积，a为器件有源区面积，yepi为器件的p+区域下方耗尽区深度，ljte为器件的结终端扩展结构的长度，xjte为器件的结终端扩展结构内部耗尽区宽度，xepi为器件的外延层内部耗尽区扩展宽度，yp+为p+区域的深度；

18、所述电容-电压函数关系式为：

19、

20、其中，c为电容，q元为电荷量，nepi为器件外延层的实际掺杂浓度，vr为器件阴极上的电势，njte为结终端扩展结构的掺杂浓度，εs为半导体介电常数，a32、a21、a10、a00、b53、b42、b32、b31、b21、b20、b10、b00均为待定系数。

21、可选的，基于所述电容-电压函数关系式生成外延层的表观掺杂浓度-外延深度函数关系式，包括以下步骤：

22、基于平行平面结模型，推导表观掺杂浓度-电容关系式；

23、基于所述表观掺杂浓度-电容关系式以及所述电容-电压函数关系式，得到表观掺杂浓度-外延深度函数关系式。

24、可选的，所述表观掺杂浓度-外延深度函数关系式为：

25、

26、可选的，获取器件的电容-电压特性数据，并基于所述电容-电压特性数据计算外延层的表观掺杂浓度-外延深度数据，包括以下步骤：

27、测量器件的电容依赖于电压的特性数据，得到电容-电压特性数据；

28、基于所述电容-电压特性数据以及所述表观掺杂浓度-电容关系式，得到外延层的表观掺杂浓度-外延深度数据。

29、可选的，拟合所述表观掺杂浓度-外延深度函数关系式与所述表观掺杂浓度-外延深度数据，包括以下步骤：

30、设定曲线距离，并建立所述曲线距离关于外延层的实际掺杂浓度、外延厚度的函数关系式，

31、其中，所述曲线距离为所述表观掺杂浓度-外延深度函数关系式所对应的曲线与所述表观掺杂浓度-外延深度数据对应的曲线之间的距离。

32、可选的，得到器件外延层的实际掺杂浓度和外延厚度，包括以下步骤：

33、获取所述曲线距离的最小值，并基于所述最小值，获取外延层的实际掺杂浓度和外延厚度。

34、一种器件外延层参数估算系统，所述器件外延层参数估算系统执行如上述任意一项所述的器件外延层参数估算方法，包括函数关系生成单元一、函数关系生成单元二、函数关系生成单元三和拟合单元；

35、所述函数关系生成单元一用于，计算器件耗尽区的总体积-耗尽深度函数关系式；

36、所述函数关系生成单元二用于，基于所述总体积-耗尽深度函数关系式获取器件的电容-电压函数关系式，并基于所述电容-电压函数关系式生成外延层的表观掺杂浓度-外延深度函数关系式；

37、所述函数关系生成单元三用于，通过实验测试，获取器件的电容-电压特性数据，并基于所述电容-电压特性数据计算外延层的表观掺杂浓度-外延深度数据；

38、所述拟合单元用于，采用曲线拟合方法，拟合所述表观掺杂浓度-外延深度函数关系式与所述表观掺杂浓度-外延深度数据，得到器件外延层的实际掺杂浓度和外延厚度。

39、一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，执行上述任意一项所述的器件外延层参数估算方法。

40、一种功率器件结构，所述功率器件结构使用如上述任意一项所述器件外延层参数估算方法，得到器件外延层的实际掺杂浓度和外延厚度。

41、采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：

42、通过电学测试获取器件的电容-电压特性数据，并结合模型计算，实现器件外延层的实际掺杂浓度和外延厚度的高精度估计，极大提升了估算效率，成本低，避免了传统sim法通过离子束逐层剥离样品表面并测量每一层中的目标掺杂杂质的浓度所造成的破坏情况发生。