改善硅基功率晶体管电流放大倍数高低温变化率的工艺研究
发布时间：2020-12-08 23:40
依据功率晶体管电流放大倍数高低温变化率的实际电参数指标要求,利用TCAD半导体器件仿真软件和晶体管原理对其进行深入的分析。结果表明,针对较大测试电流、较高电流放大倍数的功率晶体管,在一定程度上降低发射区掺杂浓度、提高基区掺杂浓度可有效改善电流放大倍数的高低温变化率。并在一定的发射区表面浓度和基区表面浓度下,通过优化发射区结深和基区宽度可满足常温电流放大倍数的指标要求。结合仿真研究结果,通过实际流片,对关键的工艺进行工艺攻关。流片结果表明,采用降低发射区掺杂浓度并提高基区掺杂浓度的工艺方法,电流放大倍数高低温变化率得到有效改善,并能控制其他参数实测值满足设计要求。
【文章来源】：人工晶体学报. 2020年05期 第815-823页 北大核心
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
功率晶体管单元结构
图1 功率晶体管单元结构在仿真前需要建立精确的物理参数模型,包括复合模型、迁移率模型等。复合模型考虑了SRH复合模型和俄歇(AUGER)复合模型。Klaassen迁移率模型考虑了较为广泛的影响迁移率变化的因素,可以模拟的温度变化范围为70～500 K,适用于对双极晶体管电学性能温度特性的模拟[7-8]。
图3为发射区表面浓度和结深对电流放大倍数及其高低温变化率的影响图,基区表面浓度为7.6×1017 cm-3。由图3(a)可见:在环境温度为300 K(室温)情况下,所选择的发射区、基区结构参数组合均满足电流放大倍数指标要求,电流放大倍数在100～110范围内,发射区、基区结构参数的组合合理。由图3(b)可见,随着发射区表面浓度的增大,器件高低温电流放大倍数变化率的绝对值增大。且都不满足电流放大倍数高低温变化率的电参数指标要求(指标要求小于40%)。当发射区表面浓度为1×1019 cm-3(发射区结深为8.3 μm,基区宽度为6.6 μm),高温电流放大倍数变化率为33.56%,低温电流放大倍数变化率为-47.25%。为了改善高低温电流放大倍数变化率,需要适当降低发射区的表面浓度。但是发射区表面浓度的下限受到发射极接触电阻的制约,因此,单纯依靠降低发射区表面浓度来改善电流放大倍数的高低温变化率比较困难。图4为仿真得到在发射区表面浓度较高(5×1020 cm-3和1×1021 cm-3)的情况下,基区表面浓度对电流放大倍数温度特性的影响,为了满足常温下电流放大倍数指标要求,采用不同发射区结深与基区宽度组合。由图4(a)和图4(c)可知,随着基区表面浓度增大(集电结结深不变),需要通过增大发射区结深、减小基区宽度来提高基区输运系数,以弥补由基区掺杂浓度提高而导致的注射效率和基区少子复合损耗的增大,从而满足常温电流放大倍数的指标要求。常温电流放大倍数在100～115范围内。表明发射区、基区结构参数的组合合理。由图4(b)可知,当发射区表面浓度较高(5×1020cm-3)时,随着基区表面浓度的增大,器件高低温电流放大倍数变化率的绝对值的变化幅度较小,且没有达到电流放大倍数高低温变化率的指标要求。表明当发射区表面浓度较高(5×1020cm-3)时,不能依靠增大基区表面浓度的方法来改善高低温电流放大倍数变化率。进一步提高发射区表面浓度(1×1021cm-3)时,会进一步劣化电流放大倍数的高低温变化率(如图4(d)所示)。因此,依靠同时提高发射区和基区表面浓度的方法并不能有效改善器件电流放大倍数的高低温变化率。
本文编号：2905885
【文章来源】：人工晶体学报. 2020年05期 第815-823页 北大核心
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
功率晶体管单元结构
图1 功率晶体管单元结构在仿真前需要建立精确的物理参数模型,包括复合模型、迁移率模型等。复合模型考虑了SRH复合模型和俄歇(AUGER)复合模型。Klaassen迁移率模型考虑了较为广泛的影响迁移率变化的因素,可以模拟的温度变化范围为70～500 K,适用于对双极晶体管电学性能温度特性的模拟[7-8]。
图3为发射区表面浓度和结深对电流放大倍数及其高低温变化率的影响图,基区表面浓度为7.6×1017 cm-3。由图3(a)可见:在环境温度为300 K(室温)情况下,所选择的发射区、基区结构参数组合均满足电流放大倍数指标要求,电流放大倍数在100～110范围内,发射区、基区结构参数的组合合理。由图3(b)可见,随着发射区表面浓度的增大,器件高低温电流放大倍数变化率的绝对值增大。且都不满足电流放大倍数高低温变化率的电参数指标要求(指标要求小于40%)。当发射区表面浓度为1×1019 cm-3(发射区结深为8.3 μm,基区宽度为6.6 μm),高温电流放大倍数变化率为33.56%,低温电流放大倍数变化率为-47.25%。为了改善高低温电流放大倍数变化率,需要适当降低发射区的表面浓度。但是发射区表面浓度的下限受到发射极接触电阻的制约,因此,单纯依靠降低发射区表面浓度来改善电流放大倍数的高低温变化率比较困难。图4为仿真得到在发射区表面浓度较高(5×1020 cm-3和1×1021 cm-3)的情况下,基区表面浓度对电流放大倍数温度特性的影响,为了满足常温下电流放大倍数指标要求,采用不同发射区结深与基区宽度组合。由图4(a)和图4(c)可知,随着基区表面浓度增大(集电结结深不变),需要通过增大发射区结深、减小基区宽度来提高基区输运系数,以弥补由基区掺杂浓度提高而导致的注射效率和基区少子复合损耗的增大,从而满足常温电流放大倍数的指标要求。常温电流放大倍数在100～115范围内。表明发射区、基区结构参数的组合合理。由图4(b)可知,当发射区表面浓度较高(5×1020cm-3)时,随着基区表面浓度的增大,器件高低温电流放大倍数变化率的绝对值的变化幅度较小,且没有达到电流放大倍数高低温变化率的指标要求。表明当发射区表面浓度较高(5×1020cm-3)时,不能依靠增大基区表面浓度的方法来改善高低温电流放大倍数变化率。进一步提高发射区表面浓度(1×1021cm-3)时,会进一步劣化电流放大倍数的高低温变化率(如图4(d)所示)。因此,依靠同时提高发射区和基区表面浓度的方法并不能有效改善器件电流放大倍数的高低温变化率。
本文编号：2905885
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