（微电子学与固体电子学专业论文）静电感应晶体管的设计与制造技术.pdf

摘要 静电感应晶体管( s i d 是一种独特的电力电子器件。它的设计和制 造集电力电子器件技术与微电子技术与一身。它具有输出功率大、失 真小、输入阻抗高、开关特性好和抗辐射能力强等一系列优点。 本论文分析了s i t 的作用机理和它的类三极管i v 特性。s i t 对材 料参数和结构参数非常敏感，表现为沟道势垒的建立对各种参数的依 赖性。论文设计了3 伽j d y 埋栅型s i t 的版图，并以复合结构s i t 验证了版图设计的合理性。论文第四章详细阐述了关键制造技术，尤 其是外延、刻台和挖槽技术，讨论了一步外延的可行性。第五章对器 件特性( 类三极管特性类五极管特性) 的转变以及栅源击穿电压的提 高提出了控制与调节的方法，完成了提高栅源击穿电压与保持i v 特 性统一性的课题。 a b s t r a c t t h es t a t i ci n d u c t i o nt r a n s i s t o ri sa u n i q u ep o w e re l e c t r o n i cd e v i c e i t sd e s i g na n d m a n u f a c t u r e t e c h n o l o g y i st h er e s u l to f s y n c r e t i s m o f p o w e re l e c t r o n i c d e v i c e s t e c h n o l o g ya n dm i c r o e l e c t r o n i ct e c h n o l o g y t h ed e v i c e sa r ec h a r a c t e r i z e db y ：h i 曲 o u t p u t p o w e r , l o wd i s t o r t i o n ，h i g hi n p u t r e s i s t a n c e ，g o o ds w i t c h c a p a b i l i t ya n dg o o d a n t i - r a d i a t i o n ，e t c t h e p h y s i c st h e o r ya n d t h et r i o d e l i k ei - vc h a r a c t e r i s t i co ft h es i ti sa n a l y z e di n t h ep a p e r s i ti sv e r ys e n s i t i v et om a t e r i a lp a r a m e t e ra n ds t r u c t u r ep a r a m e t e ra n dt h e e s t a b l i s h m e n to ft h ep o t e n t i a lb a r r i e ri nt h ec h a n n e li sr e l m e dt ot h e s ep a r a m e t e r s ；t h e p h o t o l i t h o g r a h ym a s k o ft h e3 0 a 1 0 0 0 v b u r i e d g a t es i t i sd e s i g n e di nt h ep a p e ra n d i sv a l i d a t e db yt h ec g ss i t t h ek e ym a n u f a c t u r et e c h n o l o g y , e s p e c i a le p i t a x y e t c h i n g t a b l e a n dt r e n c h i n g ，i si nd e t a i l e dd i s c u s s e di nt h ef o r t hc h a p t e r a n di ti s p r o v e dt h a tt h eo n e s t e pe p i t a x yi sf e a s i b l e t h em e t h o d i so f f e r e db yw h i c ht h ei - v c h a r a c t e r i s t i ct r a n s f o r m a t i o nb e t w e e nt r i o d e - l i k ea n d p e n t o d e - l i k ei sc o n t r o l l e da n dt h e b r e a k d o w nv o l t a g eb e t w e e nt h e g a t e a n dt h es o u r c ei s h e i g h t e n e dt h r o u l 曲t h e p a r a m e t e ra d j u s t m e n ti nt h ef i f t hc h a p t e r a n dt h ep r o j e c ti sf u l f i l l e dh o w t ou n i f yt h e h i g h e rb r e a k d o w nv o l t a g eb e t w e e nt h eg a t ea n dt h e s o u r c ea n dt h et r i o d e l i k ei - v c h a r a c t e r i s t i co ft h ed e v i c e 原创性声明 y7 3 1 9 0 5 本人郑重声明；本人所呈交的学位论文，是在导师的指导下独立进行 研究所取得的成果。学位论文中凡引用他人已经发表或未发表的成果、 数据、观点等，均已明确注明出处。除文中已经注明引用的内容外，不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究成 果做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：逢! 訇垒i = _ l 期：丝： 型 麓簦t 鬻i 韶 关于学位论文使用授权的声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属兰 州大学。本人完全了解兰州大学有关保存、使用学位论文的规定，同意学 校保存或向国家有关部门或机构送交论文的纸质版和电子版，允许论文被 查阅和借阅；本人授权兰州大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用任何复制手段保存和汇编本学位论文。本 人离校后发表、使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时， 第一署名单位仍然为兰州大学。 保密论文在解密后应遵守此规定。 论文作者签名：健! 訇整导师签名 e t 期谤础 第一章引言 第一章引言 电力电子技术是以电力为对象的电子技术，它利用电力半导体器件对电能进 行控制、转换和传输，是现代电子学的一个重要分支。目前，电力电子技术已逐 步发展成为一门多学科互相渗透的综合性技术学科，它不仅是电力、电子、控制 三大工程技术领域的交叉学科，而且与现代控制理论、材料科学、电机工程、计 算机科学等多学科领域密切相关。 1 9 5 6 年美国贝尔实验室c 8 e l ll a b ) 发明了第一个普通晶闸管( s c r ) ，自此电 力电子技术诞生了。它的发展历程可分为两个阶段：1 9 5 7 - 1 9 8 0 年称为传统电力 电子技术阶段，在这个阶段，电力电子器件以半控型的晶闸管为主，变流电路以 相控电路为主，控制电路以模拟电路为主；1 9 8 0 年之后至今称为现代电力电子技 术阶段，在这个阶段，大量使用的是全控型电力电子器件，脉宽调制( p w m ) 的 变流电路，而且数字控制也代替了模拟电路。现代电力电子技术在器件、电路及 其控制技术方面与传统电力电子技术相比特点明显： 集成化。几乎所有全控型器件都由许多单元胞管子并联而成，也即一个器件 是由许多子器件所集成。 高频化。从高电压大电流的g t o 到高频多功能的s i t ，其工作频率已从数千 赫到兆赫，这标志着电力电子技术已进入高频化时代。 全控化。即自关断化，是现代电力电子器件在功能上的重大突破。 控制电路弱电化、控制技术数字化。全控型器件的高频化促进了电力电子控 制电路的弱电化。p g q f f 电路、谐振交流电路以及高频斩波电路，这些本来用 于弱电领域的电路而今成为电力电子电路的主要形式。控制这些电路的技术 也逐步数字化“1 。 静电感应晶体管s i t 是日本科学家洳f z 。m 于上世纪7 0 年代研制成功的。 目前已形成一个如图1 - 1 所示的s i t 大家族，从中可以看到，s i t 在微电子的弱 电领域和电力电子的强电领域均有应用。其中，电力s i t 和s i t h 是两种新型大 第一章引言 功率高频电力电子器件。 s i t 的源漏电流是垂直于芯片表面的，因此在结构设计上可以方便的实现多 胞合成，从而非常适合作为高压大功率器件。而且它是一种非饱和的、类真空三 极管输出特性的多子导电器件，具有输出功率大、失真小、输入阻抗高、开关特 性好、热稳定性好、抗辐射能力强等一系列特点。 豳r r 伍bs i t 豢淡、起蠢曩s i t 音囊s i t ；i 事s i t 联；i t s i l l l 厂b s m 鬃康邕栅 s i t i c _ 一 。一抛s s i t l s h 存嚣 s i t 传 图卜1 静电感应晶体管家族 表卜1 电力s i t 的应用领域 应用范围应用实例 超声波各类超声波清洗机 超声波焊机 塑料热合机 鱼群探测器 各类超声波医疗机 感应加热退火用加热设备 电磁炉 金属熔炼、铸造 制备半导体材料用高频炉等 放大器高频放大器 宽带放大器 高音质音频放大器 电源高压电源 功率s i t 用于高频感应加热系统取代了耗能很大的真空管，从而使高频感应 2 第一章引言 加热电源实现了固态化。此外，功率s i t 在其他领域的应用也逐步展开，如表j j 所示。 日本依靠多年的工艺经验积累及其技术优势，在静电感应器件的制造方面处 于领先水平并且实现了商品化。n i s h i z a w a 于1 9 7 5 年和1 9 8 2 年分别对静电感应器 件进行了物理阐述，但其表达形式是为了说明实验结果而设想的唯象模型，因此 带有经验性。 1 9 8 7 年b u l u c e a 提出了s i t 的一级理论，采用矩形域近似的模型，沟道中横 向电势假定呈余弦分布，对小电流情况进行了分析。 在中国，以兰州大学李思渊为代表，在静电感应器件的理论研究方面取得了 突破性成果，较好地解释了工艺方面的各类问题，并在工艺实践和器件制造技术 方面进行了多项自主开发和创新。 本论文的主要内容： 版图设计与验证 关键技术的研究 参数控制 工艺调节 本论文的主要创新点： 采用一步外延技术解决栅阴击穿的问题 “孤岛”技术改善i v 特性，提高栅阴击穿 提出减弱自掺杂的办法 第二章作用机理 2 1 s i t 的基本特性 第二章作用机理 1 9 7 5 年，n i s h i z a w a 等人提出并实现了静电感应晶体管。其基本思想是用半 导体晶体管实现真空电子三极管的特性，用固体p n 结栅极代替电子三极管栅 极，用势垒控制机制代替真空热电子发射机制。这种固体晶体管具有与真空电子 三极管相似的不饱和i v 特性。 静电感应晶体管要求特定的偏置条件。九沟常开型s i t 正常工作时，漏极d 接高的正电压，源极s 接地，栅极g 接一定的负偏压嵋，一般i 赡i 较小得 多。其偏置电路如图2 - 1 所示，这时的i v 特性呈现出不饱和的类真空三极管 ( t r i o d e l i k e ) 特性，如图2 - 2 所示。 图2 1s i t 的偏置电路 图2 2s l t 不饱和型卜v 特性 2 2 s i t 的典型结构 a ( a ) 表面栅结构( b ) 埋栅结构 图2 - 3s i t 的二种典型结构 4 第二章作用机理 图2 - 3 给出了s i t 的二种典型结构。其中图2 0 例是表面栅结构s g s ，这种 结构需要自对准和局部氧化工艺，所以制造难度大，特点是工作频率高；图2 - 3 ( b ) 是埋栅结构b g s ，利用了二次外延技术，特点是功率容量大，但频率较低，可作 为电力器件脚。 ( a ) ( b ) 图2 - 4 复合结构s i t 的结构示意囝和实验l v 特性 1 9 8 9 年，李思渊教授提出了一种介于表面栅和埋栅结构之间的复合栅结构 ( c o s ) ( 图2 - 4 例) ，实验发现c g s 结构s i t 器件具有典型的类三级管i v 特性和 优良的电学参数。图2 铀是c g s 结构s i t 的实验i v 特性。 图2 - 5 介质盖栅结构 2 3s i t 的沟道电势 图2 5 是介质盖栅结构( i c g s ) s i t ，因为这 种结构在栅体上盖有多晶硅和二氧化硅的厚层复 合绝缘介质，有很小的栅源电容c + s 和栅电阻， 良好的沟道夹短可调控性，因而有高的阻断增益1 3 1 。 图2 - 6 是本征s i t 的理论分析模型结构图。 显然，在沟道内的电场有：栅一沟p + 一n 一结的自建电场，源高低，l + 一一结自 建电场和栅压产生的电场。但是，对结构的电学状态起关键作用的是反偏栅压。 它的作用主要体现在使沟道充分夹断，与此同时，产生了形成沟道势垒所必需的 纵向反电场。 第二章作用机理 f 工 图2 - 6 本征s i t 结构 图2 - 7 沟遁夹断后的栅问电势分布 在反偏栅压作用下沟道过分夹断，栅间出现如图2 - 7 所示的电势分布，该横 向电势分布恰似沟道轴对称的余弦函数或抛物线形式，沟道出现了电子的势谷。 从图2 7 和图2 - 8 我们可以看出，通过和的变化，引起场强e 。b ，o ) 和 e 。( z ，0 ) 的变化，静电式的感应出势垒高度和范围的变化，使越过势垒注入沟道区 的电子浓度发生变化，从而漏电流，。受到调变和控制。势垒控制电流是静电感应 晶体管s i t 电流传输机制的最根本特点。 垂十 * r 裂苎 - 骶 r l 十 蕾专审p 妒 一 _ 壮十* 图2 - 8 沟道过分夹断时的情形 在图2 - 6 所示的结构模型中假定栅极为矩型，并忽略源区的形状，把高阻n 6 m ； 。爿沁一 一雕 。套 i 胡割 第二章作用机理 区分为i 、i i 两个区域，i 区为沟道单元，称为本征区；i i 区称为非本征区。并假 设栅区和源区表面电势处处相等。为简化模型，我们只讨论本征区，即i 区的问 题，因为本征区决定了器件的基本性能。在这里我们引入本征漏压吃，它概括了 外偏压和的作用效果以及非本征区( i i 区) 的影响；此外，它还与器件结 构、掺杂情况有关。因此，定义 砭一+ 口g ( + 咋) + a d ( 2 - 1 ) 其中，是当；0 时白建电势在沟道末端x = l 处的表观值，它通常很小， 可忽略不计。 系数a 。2 割。代表了本征漏压随栅压的变化率，体现了在算= l 处的作用效果，可视为本征电压放大系数。 系数口n2 刮。代表嵋随的变化率，即在x = l 处的作用效果。 因此，对于图2 - 6 的s i t 结构模型的分析就可以简化为对本征区( i 区) 矩形 区域的分析。 2 3 1 基本电势方程 在器件处于阻断态即小电流态时，可认为耗尽层近似成立( 不考虑沟道内可 动载流子对电势的贡献) ，因此电势应满足下面的二维泊松方程 粤掣+ _ 0 2 a k _ ( x , y ) ；一蝗( 2 - 2 ) 缸。却s 其中为硅的介电常数，。代表沟道掺杂浓度。 根据电势迭加原理，我们可以把电势b ，y ) 看作是由沟道空间电荷的电势分 量如仁，y ) 和电极电荷的电势分量晚g ，y ) 两部分迭加而成 庐b ，) ，) = 妒，b ，y ) + 驴。0 ，y ) ( 2 3 ) 该式表达出了泊松方程( 2 2 ) 式的通解。由于p o i s s o n 分量办源于沟道中离化的施 主正电荷的贡献，它发出的电力线在沟道中无负电荷终止，只能终止在栅极上负 的离化受主负电荷，因此这部分电场应是横向的，只与y 坐标有关，即有 啡一弗( y ) ，它满足一维泊松方程 第二章作用机理 1 d2 矿r p ( y ) 。一蝗( 一2 - 4 ) i r 一_ ) 而l a p l a c e 分量丸源于电极电荷的贡献，两个电极g 和d 分别安排在x 和y 方向 上，故丸与x 、岁均有关，它满足二维拉普拉斯方程 塑掣+尝掣：o(2-5)ox a v 2 2 3 2 势函数的求解 要求出势函数妒b ，y ) ，必须分别求解( 2 - 4 ) 与( 2 5 ) 式。首先对一维泊松方程( 2 4 1 式积分两次，可得到它的通解 蚱( x ) ：一q n = 一o cxz+4x+曰(2-6) z 占 将边界条件：x = - - a ( a 是沟道半宽) ，o ) = 一一代入，得出 庐，c x ，2 咋 一( 言) 2 】+ 妒。 c z 一力 式中芘s 一瞻i - k 。一；一k ；一表示栅极对地的电势，嘭、k 。、分 别表示沟道夹断电压、栅一沟结自建电势和源沟高低结自建电势 咋rq n d c4z，o(2-8) ：k t1 n n o c 广n a ( 2 - 9 ) 一等b 等 x 寸于- ( 2 5 ) 式，考虑到结构电势对沟道轴0 = d ) 的对称性，拉普拉斯方程的解应为含 偶函数的余弦函数的形式，故可将电势函数展开为保留偶次项的傅里叶级数形 式，并忽略第二项之后的高阶小量，其形式为 纵t y ，5 4 e x p ( 一罢) + 口e x p ( 罢) c 。s ( 篆) c z 。- ， 式中a 、b 为待定常数。将( 2 7 ) 式和( 2 血) 式代入( 2 3 ) 中，即可得出沟道中电势分 布的完穆形式 第二章作用机理 “y ，一- ( 1 l _ + ) 一v ， ( i x ) 2 + 卜e x 一( 一詈) + 曰e 坤( 詈) 】s ( 篆) ( 2 1 2 ) 这里引用了前面关于的表示，并令 咋叫吩廿等n 半 表示为夹断沟道所需要的外加栅压。利用边界条件妒( o ，0 ) ；0 ， 入( 2 1 2 ) 式有 爿。南卜川一丢 ( 2 1 3 ) 驴( o ，) = 吃，代 ( 2 - 1 4 ) 曰一孝三卜+ + 等忆1 _ 诈+ 1 c z 彤， 其中弘。me x p ( 篆1 ) 1 是由沟道尺寸所决定的常数。本征漏压啄可以通过数值方 法算出。式( 2 j 2 ) 比较全面地反映了掺杂浓度。、n d 。和沟道结构参数工、a 对 电势分布的影响。与s c h o c k l e y 关于肝e 丁的理论相比，式中多出的负指数项可以 解释沟道内势垒的成因。 在( 2 - j 2 ) 式中令x = o ，可得出沿沟道中心线上的电势分布 庐 = 一帆| - 咋+ ) + 卜e x p ( 一署) + b e x p ( 丢) c z 舶， 因此可由! 堡塑! 盟：o 得出势垒高度 d y 。= 一帆| - + ) + 2 面 ( 2 1 7 ) 沟道上电势极值的位置“鞍点”位于 。= 纠吾) p ，砷 式( 2 1 2 ) 所给出的沟道电势分布呈马鞍形，图2 - 9 给出了对于本征s i t 沟道 电势与电子势能的直观三维表示，图中所采用的参数为：n 。= 5 x 1 0 1 4 c m 一， n g = 5 0 x 1 0 1 8 c m 一，n d s = l x l o ”c m 。，x j = 1 0 , u m ，d = 2 0 , u m 。由图2 - 9 可以看出， 在沟道的中心线上确实存在“鞍点”，并构成了沟道中电子的势垒。 9 第二章作用机理 ( b ) j 雉v a - t - 势能分布 图2 - 9 阻断态沟道电势及电子势能分布的三维表示 l 岫盯i a 电钟、0 一吖 ；”勿 除孓二冒 、， 012345 州 图2 1 0 本征s i t 沟遵中心线电势分布图2 1 1 努垒鬲厦随漏极电压和精压的变化 图2 - 1 0 给出了沟道中心线上的电势分布，从中可以更清楚地看出势垒的存在 和位置；图2 - 1 1 是势垒高度随栅压和漏极电压的变化，这两个图也恩示出了势垒 高度更灵敏地受栅压调节的特点。 图2 - 1 0 和图2 - 1 1 分别给出了妒( x ，0 ) 和九。随结构参数和外加偏压的变化关 系。当栅压降低时，沟道内的电势整体降低，势垒高度随之降低；电场在沟道的 大部分区域变化较缓，在沟道末端较大。 2 4 s i t 的i v 特性 由前所述，漏电流，。是受势垒控制的，小电流范围的i - v 特性呈指数变化关 系，从而得出s i t 在小电流情况下的本征i v 特性表达式 小小x 鲁) 叫，唧旧q 蚪v + 一z 历) p 柳 )萎；ualo正 第二章作用桃理 上面的计算结果及图示可以清楚地看出，在沟道中确有鞍状势垒的存在，随 着漏极电压的增加，势垒高度不断减小，并向源区移动。但是相对来说对 势垒的控制更为直接和灵敏，这是由于在结构上，与漏极相比，栅极离鞍点更近。 当降低至i v , 沟道势垒在的作用下趋于消失。 i ； 卷 墨 ：薹 d r a i nv o l t a g e ( 、，) ( a ) 小栅负压下混合特性( b ) 大负栅压下类三极管特性 圈2 - 1 2s i t 本征i v 特性 图2 1 _ 2 是由式( 2 ，j 9 ) 得出的本征i v 特性计算曲线。 上述解析理论给出了本征区的电势分布和i - v 特性，在小电流范围，理论特 性曲线与实验曲线相当一致。 一舌、s l u 享o u蛙盆n点坦。 第三章结构与版图 第三章结构与版图 3 1 电力静电感应晶体管s i t 的基本结构 静电感应晶体管的结构有多种，但电力s i t 均采用埋栅结构，如图2 3 6 所示。 埋栅结构s i t 的特点是栅区和源区分别设置在不同的层面上，从而保证了大 的有源区面积；同时沟道厚度可以做得很小，从而可以获得更大的阻断增益；另 外，从理论上讲埋栅结构可以有更高的b ，这样可使栅极反向电压和正向阻断 电压均实现高耐压。此外，这种结构适合封装在可进行双面冷却的平板型管壳中。 因此，采用埋栅结构有利于制作高耐压和大电流的大功率器件。鉴于此，尽管埋 栅型s i t 的制造工艺非常复杂，但功率器件还是采用这种结构。 3 2 材料参数的选取 与一般大功率场控器件一样，电力s i t 采用( 1 1 1 ) 晶面的n 型区熔n t d ( e o 子辐照1 单晶硅作为制造器件的材料。其中电导率为6 0 8 0 q c m ，断面不均匀度 小于1 0 ，单晶硅片的直径为5 2 5 6 m m 。 外延生长速度和生长质量与单晶晶向有很大关系。实验表明，在准确的( 1 1 1 ) 面衬底上进行外延生长时，生长速度慢，表面也容易出现结构缺陷；当衬底片的 晶向偏离( 1 1 1 ) 面一定角度时，在相同的生长条件下，外延生长速度快，外延层 表面质量也好。因此我们选择的材料为( 1 1 1 ) 面偏 方向3 d 切片。 衬底材料的掺杂浓度和厚度由器件的耐压容量决定。衬底杂质浓度低、厚度 大，有利于耐压提高，但是，当漂移区的长度很长时，大电流下漂移区载流子浓 度分布很不均匀，以至在该区中部，载流子浓度过低，漂移区电压降大大增加， i v 特性的陡直度变差。高阻漂移区长度m 按下式选取： w 。s3 l ( 3 1 ) 其中l 为多子( e g - 子) 扩散长度。电子的扩散系数见- 3 5 - 3 8 c m 2 s ，电子的寿 命l 一6 , u s( 相应的少子寿命q 1 5 0 # s ) ，则多子扩散长度 _ 撕i 瓦。怕丽石五一1 4 7 1 0 - m = 1 4 7 p r o 。然后可得3 l = 4 4 1 * m 。而 第三章结构畸版图 w 一3 0 0 # m ，满足3 一j 式的要求。 厚度为4 2 0 + l o # m 。 我们曾采用复合结构作实验， 样选取漂移区长度是合适的。 3 3 结构参数的设计 另考虑到片子太薄，容易碎片，最终硅片加工 阻断电压达到2 0 0 v 以上，特性良好，看来这 静电感应晶体管是结构灵敏的器件，它的电流容量、阻断能力、栅控灵敏度 和i v 特性都显著依赖于栅体参数和沟道参数。静电感应晶体管i v 特性的控制 实质上是栅体对沟道的控制，设计与构造优良的栅区和沟道区是制造电力s i t 的 关键。图3 一j 是静电感应晶体管的单胞结构示意图。 3 3 1 沟道厚度 图3 1 单胞结构示意图 沟道厚度以为实际的栅间距，又称控栅，它的大小对沟道势垒高度有着直 接的影响。为了定量描述沟道在零栅压下的夹断程度，我们定义了一个参数 夹断因子卢： 声；鲁- z p z ， 式中a 为沟道半厚度，口。为栅一沟p l n 结零栅压下的耗尽层宽度。如果近似 认为该结为单边突变结，则口。与沟道掺杂浓度n 。满足下列关系式： ”( 警) 1 ，2 p s ， 其中，s 。为真空介电常数( 8 8 6 x 1 0 1 4 f c m ) ，s ，为s 的相对介电常数( 即8 ) 。 第三章结构与版图 夹断因子是描述在零栅压下栅一沟耗尽层交迭与否和交迭程度的参数，它综 合反映了材料、结构和工艺参数之间的匹配关系，因而其变化必然灵敏地影响器 件的特性和电参数。图3 2 给出了口对s i t 的i v 特性的影响。 = 二二正二= d 二二二翼二二= 二二二卫二= 二二 d d 二二二j 二= d c a ) $ 4 0 ) 口25 ( c ) 口l4 (由口40 8 图3 - 2 不同b 对应的s i t 的i - v 特性 由图3 2 可以看出：当卢4 ，即沟道厚度d 。4 a 。时，沟道在零栅压下远未 夹断，器件的行为类似一个电阻。当芦一2 5 时，在零栅压下，沟道趋近夹断，但 尚未被夹断，器件仍处于常开状态，沟道在低负栅偏压下被夹断，此时的s i t 呈 现出典型的类三极管和类五极管混合特性。当卢减至j 4 时，在；0 时沟道已 经被夹断，但夹断程度比较浅，因此，s i t 显示出典型的类三极管特性。当卢进 一步减至0 8 时，沟道在零栅压下已经深度夹断，器件处于常闭状态，此时特性 仍属于类三极管特性，但有下述两个特点：( 1 ) 曲线沿轴向右移动了一定的电 压；( 2 ) i - v 特性对应于小电流区域，死区较大。 工艺中，口的具体取值与构造的器件类型有关。一般来说，对于常开型器件， 期望得到混合特性，口稍大于a 。，如a 一1 2 1 5 a 。，即卢取2 5 左右；对常关 型器件，芦取d 7 叫0 为宜。当卢确定后，沟道的厚度由( 3 - 2 ) 式决定。 门本人的经验公式表明，d ，直接和有如下的经验关系： 1 名= 一8 5 d ，+ 1 0( 3 4 ) 1 4 衰建藏蘸 第三章结构与版图 袭3 - 1 和d 。的对应关系 一r e ) 1 5 5 2 43 24 14 95 86 6 7 58 49 21 0 0 d 。( 删) 34567891 01 11 21 3 从表3 一j 可以看到，d 。小，建立沟道夹断势垒所需的负栅压也小。常开型器 件要通过大的电流，d c 要大，因此关断沟道所需要的也要大。对于5 0 7 0 v 的 栅源击穿d 。选在陬m 左右。 3 3 2 沟道长度 实验表明，沟道长度t 对器件的特性影响也很大。当沟道厚度一定时，沟道 越长，器件的类三极管特性越差，饱和特性越明显，如图3 3 所示。沟道长度的 选取，应结合沟道长厚比宇来考虑。 耋；乞d 。( 3 - 5 ) 亭的大小体现了阻断态下，漏极电场“穿透”耗尽沟道区，直接作用到源极 的能力。亭小，穿透能力强，阻断态类三极管特性比较陡直；宇大，穿透能力差， 阻断态表现出类五极管饱和特性。亭也是一个经验值，对于陡直类三极管特性要 求的s i t ，可取为0 5 。 实际工艺中，在扩硼形成栅体时，栅一沟p + 一n 一结构的横向延伸z 。和垂直延 伸x ，同时具有调节沟道厚度以和沟道长度i 的作用。例如，假设版图设计中，扩 硼版栅间距为d ，则扩散后： 一z，(36) d c d h 。 ( 3 7 ) 考虑到在扩散温度为1 1 0 0 - 1 2 5 0 q c 范围内，横向扩散结深x 。随纵向扩散结深 x ：近似线性变化，则有： x n y x j ( 3 8 ) 第三章结构与版图 邑 鼍 嚣 芎 卜_ g a t e q 八、 山= 0 v。 添辩e r o m k e e ，r 、 底弋 n 心。孟。一吣 3 0 1 5 ，k 5 4 誊3 s 一2 1 01 02 03 04 0 v d 0 0 卜一g a t e 叫 、v ：d = ( “i v彭卜 。n ：。m ，。乏如。 ( c ) 图3 - 3 不同沟道长的s i t 特性与势垒的变化( d - 1 1 0 ”c r - 3 口一1 2 _ m 扣心- 1 t o n ) l c = 2 a m ( c ) f 。- 4 w n ) y 为一常数，和工艺条件有关，称为横向扩散系数( 或横向扩散因子) 。离子 注入的横向扩散是由于散射引起的，热扩散的横向扩散是由浓度梯度引起的，因 此，热扩散的横向扩散系数很大( 0 5 2 - 0 7 ) ，而离子注入的横向扩散系数很小。 解剖日本的2 s k l 8 3 发现其横向扩散系数为0 3 2 ，我们在栅区扩硼时的横向扩散 系数为0 6 5 。结合( 3 2 ) 、( 3 5 ) ( 3 7 ) 式可得： l c x ) 一警( 3 - 9 ) 一jib翟鞋，o山 一)ib口8苫山 第三章结构与版图 3 3 3 栅体厚度 一般，栅体尺寸相对大，s i t 电压放大系数大，栅控灵敏度高，同时沟道的 一致夹断性好，为此要保证一定的栅体厚度f 。，以利于器件的导通和关断。另一 方面，考虑到器件的频率特性就要求尽量减小栅源电容g 。，这样就不允许栅体 太厚。兼顾两方面相互矛盾的要求，同时考虑到光刻精度的限制，最后版图设定 栅体厚度t ，。一s ，删。经扩散推进后，实际栅体厚度为： f g f s o + 2 x p f g o + 2 肛， ( 3 - l o ) 3 3 4 栅体宽度 采用较大的栅体宽度彬，使得沟道总的宽度增大( = 啊) ，有利于增大 电流容量。但彬过大，栅体上的压降就会增大，由于栅体的去偏效应，不利于沟 道的一致导通与夹断，使器件特性受到影响。根据通常的经验，彬取5 0 0 1 0 0 0 p r o 较为合适。 3 3 5 设计的总体考虑 设计中要考虑的因素主要包括掺杂、栅体厚度、栅间距以及结深等。一般来 讲，栅体的杂质浓度应尽量高，在栅极上方的金属布线应尽量宽以减小栅极串联 电阻，提高橱控灵敏度。 栅体越厚，栅掺杂浓度越高，则其串联电阻越小，沟道一致夹断性好，栅控 灵敏度好。但由于工艺水平的限制，栅体浓度的最大值以不至于在源区外延过程 中使外延层因自掺杂而反型为上限。通常栅体表面浓度为5 x 1 0 ”1 0 ”硼。此 外由于栅体去偏效应，栅体串联电阻太大，会使栅压控制效果减弱乃至去偏，跨 导降低，器件电性能劣化；而且串联电阻太大，易产生大的功率损耗，使功率器 件的功率转换效率降低，所以应尽量减小串联电阻。这里我们设计扩散深度和浓 度比栅体更高的宽栅墙以及金属布线来减小栅体的串联电阻。此外，台面补硼形 成栅电极良好的欧姆接触也可减小栅体的串联电阻。 第三章结构与版图 3 4 版图设计 3 4 1 版图设计规则 为了研制电力s i t ，我们需要设计一套适合电力器件要求的版图。由于经费 问题，我们设计了一套公共版，即可与s i t h 共用。版图的设计是以常关型 3 0 4 1 0 0 0 v s i t h 为参考设计的。其中，沟道形状为条形，这种形状能够满足器件 对大功率和高频的要求；源区设计为矩形以满足大电流容量的要求；栅电极位于 有源区中央的矩形区域内，呈圆形，这种造型能够满足高耐压、小电流容量的要 求。为了减小电力线在矩形栅墙拐角处的聚集，将拐角钝化处理。 具体的设计参数如下所示： 沟道总面积s c h a n n a = 3 x 1 0 6 o n 2 周期t = 2 5 1 z m 原始沟道厚度d = 2 0 k o n 有源区长l = 4 5 0 0 9 r a 有源区宽w = 3 3 3 3 9 m 沟道宽度w c = 7 5 0 # m ，共计6 排 沟道总数m m 一8 0 0 实际沟道总数为8 1 6 ，每排1 3 6 条沟道。为了使沟道均匀夹断，纵向又加一 主栅墙，这样有源区被分成j 2 块，每块有6 8 条沟道。 如图3 4 ，栅体扩硼版包括一个纵向主墙，一个横向主栅墙，四个支墙。主 墙宽1 0 0 1 u n ，支墙宽8 仰帆，四周边墙宽2 8 0 1 0 n ，栅条宽枷l ，沟道宽2 0 k o n ，单 元重复周期2 5 9 r a ，沟道总数6 8 x 1 2 = 8 1 6 条；栅电极区在有源区中央，面积 7 0 0 x 7 0 0 9 i n 2 ；有源区面积3 4 9 0 x 4 9 2 0 ”m 2 。 这个设计在原理上也同样适用于s i t 。如果在8 0 1 2 0 6 2 - c m 的n 型硅( 掺杂 浓度为3 5 x l o t 3 册。3 ) 衬底上制作s i t ，栅体掺杂浓度j 矿m 一，则栅一沟结自 然耗尽层宽度a d 大约为4 1 吨棚，我们取为4 4 1 t i n ；常开型器件户取2 7 5 ，则 控栅间距d 。= 1 2 t u n ；扩硼结深砷= 面硎( 这是可以控制的，而且也是陡直类三级管 特性的要求1 ，可以计算出栅体扩硼原始的沟道厚度 d d 。+ 2 一。一1 2 + 2 x 0 6 5 x 6 - 1 9 7 8 a n ；栅体扩硼版周期t 一2 5 v n 。因此， 在理论上减小扩硼结深的情况下，这套掩膜版也同样完全适用于s i t 的研制工作。 第三章结构与版图 3 4 2 掩膜版设计加工流程 图3 4 扩碉版 该流程包括以下步骤： 利用l e d i t 软件根据设计数据生成原图数据； 制作原图； 用初缩版发生器生成初缩版： 通过分布重复得到主掩膜版： 复制掩膜版。 要注意在利用版图编辑器进行输入时可能包含的两种误差：一是数据本身的 设计误差；二是数据输入的操作误差。因此，数据输入完成后必须查错。而设计 误差可由设计验证规则程序自动完成规则检查。 3 4 3 版图说明 刻台版 如图3 5 ，以栅电极区为中心刻蚀圆形区域，半径2 5 0 u m 。 补硼版 如图3 - 6 ，与刻台版类似，但圆半径2 2 5 , u m 。这样可以减小台面侧棱被污染 1 9 第三章结构与版图 的可能性。 图3 - 5 刻台版图r = 2 5 0 0 n 图3 - 6 补硼版r a 2 2 5 0 n 挖槽版 如图3 7 ，在扩硼版栅墙外侧是宽度为1 9 0 m 的槽。 扩磷版 如图3 - 8 ，有源区外边界在扩硼版基础上外扩5 m n ，内边界同时内缩5 1 u n 。 引线孔版 如图3 - 9 ，扩硼版外边界内缩1 0 u n ，相应的栅电极区外扩1 0 z m ；管芯中心 是半径为2 0 0 a n 的圆。 反刻版 如图3 。j 0 ，与引线孔版相反。源电极区内外边界与扩硼版重合，栅电极区半 径为2 5 0 u n 的圆。 图3 7 挖槽版 图3 8 扩磷版 第三章结构与版图 图3 - g 光刻引线孔版 3 5 版图验证 3 1 0 反刻版 我们在天水8 7 1 厂试制了复合结构s i t 以验证版图的可靠性。 3 5 1 复合结构s i t 工艺流程 1 一次氧化 t = 1 0 5 0 t = 3 0 m i n ( t l c e ) + m i h 湿0 2 ) + 2 0 m i n ( f0 2 ) 2 一次光刻 扩硼版，保护背面 3 栅区扩硼 1 1 预淀积 t = 9 9 0 r 口j v = 3 5 4 5q m 2 ) 漂b s g h f ：h 2 0 = i ：i o ，漂净 3 1 推进氧化 t = 1 2 0 0 t = l o m i n ( n 2 ) + 3 h r ( t c e ) + 4 5 m i n ( 涩0 2 ) + l o m i n ( 于0 2 ) 4 二次光刻 扩磷版，不保护背面 第三章结构与版图 5 源区扩磷 1 ) 预淀积 t = 1 1 0 0 t = l m i n ( n z ) + l o m i n ( p o c l 3 + n 2 ) + 1 r a i n ( n 2 ) 2 ) 推进 t = 1 0 0 0 t = l o m i n ( 干。心6 0 r a i n ( 湿0 2 ) 七2 0 r a i n ( 于0 2 ) + 自然冷却 6 光刻引线孔 引线孔版，不保护背面 7 测试 3 6 2 测试结果 - - -1 ijl i j j， j ，。 r 1 l _ ；， _ i r 。l i l| ： r j jj， ，、 r j - r， ， 正旷- _ 一 二一 - 一 图3 - 1 1 复合结构s i t 的i - v 特性 试验利用了晶体管特性图示仪测试了管芯的栅源击穿电压，正反向i v 特性。 结果是曰均大于6 v , 而且击穿为硬击穿。栅极调变能力强。反向i - v 特性为 类三极管特性( 如图3 - 1 1 ) 。 测试结果说明这套版图可以用于s i t 的研制。 2 2 第四章制造技术的研究 第四章制造技术的研究 4 1 微腐蚀化学抛光 单晶片中存在微缺陷，它在线度上大于点缺陷而又小于位错、层错这类线缺 陷和面缺陷。微缺陷在氧化和外延过程中会转化为层错从而影响结的击穿特性。 为了消除衬底表面的微缺陷，我们在实验中利用硅的慢腐蚀液 ( f 坍：h n 0 3 ：h a c = 1 ：8 ：少许) 消除这种缺陷。腐蚀液的温度应控制在5 0 6 0 c 之间，时间大约为4 5 秒。腐蚀过程要注意表面不能有腐蚀坑，保证表面质量。 4 2 一次氧化 叉称为高氧。 一次氧化的氧化层质量对器件的特性影响很大。如果& s d 2 界面被钠离子污 染，则器件的结特性存在漂移现象。我们采用t c e 掺氯氧化工艺可以减少可动电 荷的影响。掺氯氧化的主要作用有： ( 1 ) 吸收、提取硅中有害杂质。 ( 2 ) 对钠等金属离子起钝化作用。 除此之外，由于氯填补了氧空位，所以s , 0 2 层中固定电荷和界面态密度也会 降低。 掺氯氧化中，氯源流量的控制是很关键的。流量太小，则结合进氧化层的氯 太少，起不到钝化的作用；流量太大，则会引起硅片表面腐蚀。实验中，t c e 的 流量设为4 0 m l r a i n 。 为了消除管道中杂质对氧化的影响，在达到设定的温度时，通4 0 分钟t c e 以饱和管道可以有效清洁氧化气氛。 氧化过程采用常用的于氧氧化+ 湿氧氧化+ 干氧氧化程序。首先在衬底表面生 长致密的氧化层，然后是快速生长的湿氧氧化，最后的干氧氧化主要是解决光刻 胶与氧化层的粘附问题，因为干氧氧化生长的氧化层表面是非极性的硅一氧烷结 构。而且它可以排除氧化层中的水分。 氧气流量设为大氧5 0 0 r a l ，r a i n ，小氧l o m l m i n ( i c e 的运载气体) 。 氧化层厚度的确定由其后的工艺决定。一次氧化考虑到高温氧退火对于减少 3 第四章制造技术的研究 界面处表面电荷和界面态非常有益，而且要尽量减少其后的扩硼对沟道的污染， 需要得到的氧化层厚度达5 5 0 0 2 以上。在刻蚀台面和挖槽之前的氧化为了保护台 面和衬底背面的表面质量，所需的氧化层厚度是6 0 0 0 g 左右。补硼所需要的氧化 层厚度是2 0 0 0 4 。 4 。3 栅体扩硼 栅体扩硼采用两步扩散工艺，即预淀积和推进。 1 预淀积 预淀积过程中的掺杂总量和表面浓度通过测量陪片的表面方块电阻( 四探针 法) 来控制。为了减小栅体串联电阻提高栅效率，总是希望表面方块电阻尽量小。 但是过高的表面浓度会引起外延过程中严重的自掺杂效应。总体考虑，预淀积的 表面方块电阻为3 5 - 4 5o l d 。这样的浓度在9 9 0o c 大约需要j 4 分钟时间。预淀积 的过程中采用了氮气氛中的再扩技术，目的是加速口的推进( b 在干氮气氛中的 推进速度是它在干氧中的1 4 倍) 。为了防止高温下硅片变形，片子应平放。 2 漂b s g 栅体表面生成的硼硅玻璃( b s g ) ，对b 的再分布有影响，必须去掉它。去除 b s g 的腐蚀液为h f ：h 2 0 = i ：i o ，室温下大约需要3 分j d 秒的时间。 3 推进 推进时间由所要求的夹断因子卢决定。假设衬底浓度为5 x l o * 3 硎，算得 a 。一4 p m 。以常开型器件为例，卢取2 7 5 ，横向扩散因子y 取0 6 5 ，则可以算出 d 。- 1 1 肛r n ，进而算得x ，- 7 u m 。利用结深计算公式： x ，= a 4 - f f ( 4 1 ) 可求得推进时间为： r ：阿石1 。南2 ；薯 ， 第四章制造技术的研究 其中爿为高斯分布反函数，与表面掺杂浓度和衬底杂质浓度有关，d 为硼在 硅中的扩散系数，除与温度有关外，还与衬底材料的取向、晶格的完整性、衬底 材料的掺杂浓度以及扩散杂质的表面浓度等因素有关。爿7 为新引入的参数 a7 - a 2 d ，与实际工艺条件