（微电子学与固体电子学专业论文）功率sit、sith的制造特点.pdf

摘要 论文结合兰州大学微电子研究所承担的省科技攻关项目电 力静电感应器件s i d 的研制，围绕静电感应晶体管s t t ，静电感应 晶闸管s i t h 的制作而展开，全面地展现了功率s i t 、s i t h 的制造特 点。 论文系统地阐述了s i t 、s i t h 的作用理论，侧重介绍了s i t 的结 构、i v 特性、电流传输机制及沟道势垒的形成。在此理论基础上， 结合器件制造的特点，对器件的相关参数进行了讨论分析，并给出了 具体的定值。 实验以制备优良电性能s i t 为出发点，结合s i t h 制作的经验和 存在的问题，设计了新的版图和工艺流程，并通过大量的实验，对部 分工艺条件进行了调整。 为了在尽量提高击穿b v g s o ( b v o k o ) 的同时，能够保证良好的i - v 特性，我们做了大量的实验。如槽、台刻蚀等。通过对试制管芯的测 试，基本电性能有了明显的改善，说明了我们的制作方案是合理的、 可行的。 关键词：s i t 、s i t h 、沟道势垒、击穿、i v 特性、槽台刻蚀。 a b s t r a c t c o m b i n i n gw i t has c i e n t i f i cr e s e a r c hi t e mt i t l e d t h er e s e a r c ha n d m a n u f a c t u r eo fs t a t i ci n d u c t i o nd e v i c e ”b yi n s t i t u t eo fm i c r o e l e c t r o n i c s i nl a n z h o uu n i v e r s i t y ，t h et h e s i sh a sb e e nc a r r i e do u ts u r r o u n d i n gt h e m a n u f a c t u r eo fp o w e rs t a t i ci n d u c t i o n t r a n s i s t o r ( s i t ) a n d s t a t i c i n d u c t i o n t h y r i s t o r ( s i x h ) ，a n dd e s c r i b e d t h ec h a r a c t e r i s t i co ft h e m a n n f a c t u r eo ft h e m i nt h ep a p e r , w es y s t e m l yd e s c r i b e dt h eo p e r a t i o n a lm e c h a n i s mo f s i t ( h ) ，e m p h a s i z e dt h es t r u c t u r eo fs i t ( h ) ，i - vc h a r a c t e r i s t i c ，t h e t h e o r yo ft h ec u r r e n tt r a n s i t i o na n dt h ef o r m a t i o no fc h a n n e lb a r r i e r b a s e do nt h e s et h e o r i e s ，i nt h i sp a p e rw ea n a l y z e dt h er e g u l a t i o no f c o n s t r u c t i o n a l p a r a m e t e r s ，m a t e r i a lp a r a m e t e r s ，a n dt e c h n o l o g i c a l p a r a m e t e r s ，a n dt h e i rv a l u eh a sb e e ng i v e n u n d e rt h e g o a lo fg o o de l e c t r i c a lp r o p e r t ys i t ，c o m b i n i n gw i t h m a n u f a c t i o ne x p e r i e n c ea n dp r o b l e m ，w ed e s i g n e dn e wl a y o u ta n d p r o c e s s a f t e rag r e a td e a lo fe x p e r i m e n t ，w ei m p r o v e dp a r to fp r o c e s s f o ri m p r o v i n gb r e a k d o w nv o l t a g e ( b v c s o ，b v o k o ) ，a tt h es a m et i m e a s s u r i n gg o o di - vc h a r a c t e r i s t i c ，w ed i dm a n ye x p e r i m e n t s s u c h a s t r o u g ha n ds t e pe r o d i n g b yt e s t i n gc h i p ，t h e r ea r eg r e a ti m p r o v e m e n ti n b a s i ce l e c t r i c a l p r o p e r t y a l l t h e s es h o wo u rm a n u f a c t u r e p l a n i s r e a s o n a b l ea n dc o r r e c t k e y w o r d s ：s i t ，s i t h ，c h a n n e lb a r r i e r , b r e a k d o w n ，i - vc h a r a c t e r i s t i c ， t r o u g ha n ds t e pe r o d i n g 关于学位论文使用授权的声明 本人在导师指导f 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。 曰 论文作者签名：宣基匾导师签 兰州大学研究生学位论文 第一章引言 第一章引言 现代电力电子技术是电力、电子、控制三大电气工程技术领域间的交叉学 科，随着科学技术的发展，电力电子技术及微电子技术相结合，一方面使电力电 子器件发展到“功率集成”的层次，同时使微电子技术和计算机应用更有效，更 广泛的渗入到传统产业，实现传统设备的更新换代和对传统产业的技术改造。 电力半导体器件是电力电子技术的核心。在诸多新型电力电子半导体器件 中，由于静电感应器件s i d 集大电流、高耐压和高频于一身，给出了其他半导 体器件无法比拟的一系列优异电性能，而成为很有发展前途的电力半导体器件。 通常有三个代表品种：静电感应集体管( s t a t i ci n d u c t i o nt r a n s i s t o r - - - 简稼s i t ) ， 双极型静电感应晶体管( b i p o l a r - m o d e s t a t i ci n d u c t i o nt r a n s i s t o r 简称b s i t ) 和 静电感应晶闸管( s t a t i ci n d u c t i o nt h v r i s t o r 简称s r r n ) 。以这三类为代表的静电 感应器件s i d ，功率容量大、工作频率高、可开关、本身功耗低，又是唯一具有 类真空三极管( t r i o d e l i k e ) 特性的半导体器件，因此使它具有特别重要的地位。 国际上，s i d 的研制在日本经过3 0 多年的努力，凭借技术优势，其研制和 生产水平均处于国际领先地位。中国是开发s i d 较早的国家，以兰州大学静电 感应器件研究所和1 3 所为代表，经过二十多年的自主研发，已掌握了若干关键 制造技术和重要理论成果，如提出了s i d 电性能参数控制的一般原则、方法， 给出了控制的判据以及b s i t 、s i t h 作用机制等重要理论，在关键制造技术如高 阻外延薄层外延技术、微米级光刻技术、封装技术、低温0 2 退火技术等领域的 研究已达到了国内先进水平，并h 在酉丙首次建豆了器件测试系统：碹是，由于 研究经费不足，国外技术封锁，以及s i d 本身制造难度大，实验离散性大，重 复性差，失败几率大，比较而言，我国s i d 的发展还是缓慢的。 作为具有类三极管特性的半导体器件，s i t 一般为常开型器件，沟道短而窄， 具有系列的特点：优异的高频特性、功率放大性能，高耐压，线性度好等，与 b s i t 可广泛应用在超声波装置、感应加热装置、大功率电源和节能灯上。而电 力s i t h 自问世以来( 1 9 9 4 年已开发成功有效电流2 0 0 0 a 、耐压4 0 0 0 v 的器件， 目前已有可在1 m h z 的高频下进行电力交换的s i t h l l o 】) ，经过不断地研制和完善， 兰卅i 大学究生学位论文 第一章弓 害 以高开关速度，极小的正向压降，大电流容量，高阻断增益以极大的电流放大因 子等一系列优越的性能而备受重视，并在电力系统、交通运输、电气牵引和传动、 工业生产、航天及国防、民用与消费方面等有着广泛的应用。 本论文结合甘肃省十五科技攻关项目一静电感应器件的研制而展开，在对 s i t 及s i t h 的理论分析的基础上，结合s i t h 的研制经验重点对s i t 器件的设 计、制造工艺进行了详细地论述。 第二章静电感应器件的作用理论 第二章静电感应器件的作用理论 静电感应器件是一类新型半导体器件，它集大电流、高耐压和高频于一身， 具有其他半导体器件无法比拟的一系列优异电性能。近2 0 多年来有了飞速的发 展，同时也开展了一系列的理论研究，包括不同类型静电感应器件的作用机制的 理论分析和二维数值模拟，i v 特性的实验研究和理论分析，性能参数的理论分 析等i l ，3 1 。本章系统地对s i t 、s i t h 的结构、作用机制和电性能等方面加咀分析 和讨论，其中详细地描述了器件的电流传输机制，沟道势垒的形成，s i t 小电流、 中大电流范围的理论研究，s i t h 的工作状态及相应的特性等。以这些作为本论 文研究的理论基础。 2 1s i t 的结构 s i t 的结构可以有多种，对于不同的结构，器件的制造工艺和电性能有所不 同。下面首先给出五种基本结构，如图2 1 所示。常见的结构有表面栅结构( s u r f a c e g a t es t r u c t u r e ) 、埋栅结构( b u r i e dg a t es t r u c t u r e ) 、复合结构( c o m b i n e ds t r u c t u r e ) 、 介质盖栅结构( c o v e rg a t es t r u c t u r e ) 和槽栅结构( r e c e s s e dg a t es t r u c t u r e ) 。 图2 1 ( a ) 是表面栅结构的单元截面示意图，表丽栅结构s i t 的源区是用扩散 工艺形成的，条状有源区与栅极区交错对插的分布在同一平面上。表面栅结构的 制造需要自对准工艺和局部氧化，工艺难度较大，但由于栅源之间的电容c g s 小，该结构的频率特性较好。 图2 2 ( b 1 是埋栅结构的单元截面图，埋栅结构s i t 是利用外延技术把浓硼扩 散形成的栅区埋在外延层下的结构，这种结构的栅区和源区分别位于不同的层面 上，其源区面积很大，同时沟道厚度可以做得很小，这样可以提高栅源击穿电压 b v g s o ，还可以得到良好的i v 特性，尽管埋栅结构的制造工艺复杂，但采用此 结构有利于制造耐高压和大电流的电力s i t 。 图2 2 ( c ) 是复合结构的单元截面图，复合结构是用大面积扩磷的方法形成源 区，避免了难度较大的外延工艺和台面刻蚀工艺，用复合结构制造的管子具有典 兰州大学研究生学位论文第二章静l 乜感应器件的作用理论 型的i v 特性，出栅源击穿较低外，其他电性能参数均很好，如能进一步改善击 穿特性，复合结构将是一种很有应用前景的结构形式，而且复合结构的突出优点 是制造r 艺简单，有利于大生产。 图2 1 ( d ) 是介质盖栅结构的单元截面示意图，此结构巧妙的利用同步外延技 术在栅体上盖有s i 0 2 和p o l y s i 双层绝缘介质，该结构虽然工艺难度大，但它的 栅源电容和栅电阻很小，频率特性好，有良好的淘道夹断可调控性，此结构的 s i t h 阻断增益高，特别适合于制造超高频、微波器件。 图2 ，1 ( e ) 是槽栅结构的单元截面示意图，槽栅结构是利用刻蚀工艺将栅条安 置在具有一定深度的槽底面，其目的是进一步加大栅源距离，减小栅源之间的结 电容，改善器件频率特性。虽然该结构的频率特性好，功率容量大，但由于工艺 过于复杂，工艺可控性差，而很少在实际中采用。 曹1 尹 斟 n - 隧溺隰黼豳雕 警骤掣_ 蹯晋节露千山 一崩一捌一虹 p o i ；- s i 缀黧獭麓黼戮麓圈圈雕 ( d ) 兰州大学研究生学位沦文 第二章静电感应器件的作用理论 冀= 臻l “譬蝌fe 竺 乜“。“+ 幽钿铸“幽 躐黼戮黼麓黧溺隧程潮麓醴糊瞄疆豳醋 图2 1 静电感应品体管s i t 的三种基本结构 ( a ) 表面栅结f 自( s g s ) ( b ) 埋栅结 f j ( b g s ) ( c ) 复合结构( c g s )( d ) 介质盖栅结构 ( d ) 槽栅结构 以上这些结构虽各有特点，形式各异、多种多样，但就器件本身而言仍具 有许多的共同点： ( 1 ) 都具有垂直沟道，单元沟道尺寸短( 沟道长约微米级) 【l 】 且沟道被栅体环围在 中间； ( 2 ) 沟道总宽度较宽( 单条约为几百乃至几千微米) ，均采用大规模子器件的并联 方式( 几百乃至上万条) ，器件沟道总宽长比高达1 0 4 。以上1 1 ，2 】； ( 3 ) 沟道掺杂浓度( 外延层掺杂) 都很低，在10 “c m 。3 左右； ( 4 ) 单元结构尺寸都很小，栅、栅间距小到几个至几十个微米，栅条、源条都很 窄； ( 5 ) 源区和漏区分别位于芯片的上、下表面。 ( 6 ) 作用机理相同，都是通过偏置电压的静电感应作用调节沟道势垒高度，进而 控制漏极电流： ( 7 ) 工作时其偏置方式和i v 特性的基本形式相同。 实验中我们主要采用的是复合结构( c g s ) 和埋栅结构( b g s ) 型s i t 。这些结构 有利于高耐压、大电流，提高器件功率，是电力电子器件通用的结构模式。 2 2 s i t 的卜v 特性 兰卅l 大学研究生学位论义第二章静电感应器件的作用理论 值得注意的是，正因为s i t 是短、窄沟道器件，其i v 特性及其它电性能 参数灵敏的依赖于器件的结构参数( 例如沟道长度l 。、沟道厚度d 。等) 、工艺参 数( 主要是源区深度、栅区扩散深度) 和材料参数( 主要是沟道掺杂浓度) 等。且各 参数间的关系相互制约、相互掩盖，非常复杂，很难单纯从实验现象中对各种影 响做出准确的区分和判断。 对于通常用得较多的n 沟道常开型s i t ，在特定的偏置条件下，漏极d 接高 的正电压v d ，源极s 接地，栅极g 接一定的负偏压v g ，( 般地，v g _ l ( 2 - - 1 2 ) z a 称为本征静电增益，代表了漏压相对于栅压控制沟道静电势能力的强弱。 由( 2 8 ) 式可以看出，在沟道方向同时存在着c o s ( 要兰) 调制的正、负指数函 数，综合作用的结果将形成沿沟道轴的势谷。 2 势垒高度 如上所述，中( x ，y ) 是y 向对称的，其极小值巾出现在沟道轴上，由式( 2 8 ) 有 巾( x ，y ) = v g + + a e x p ( 一r e x ) + b e x p ( 要兰) ( 2 - - 1 3 ) z aza 塑唑7l一aexp(2z一x)】+bexp(詈x)=0(2-14)dx 2 a 。2d 。2a 解得势谷的位置是： x m j n 2 昙( 2 - - 1 5 )丌丘 将此式代入( 2 1 3 ) 式得势垒高度或鞍点势为： 中。( x 。o ) = v g + + 2 面( 2 16 ) 此式展开有多种多样的形式，这里我们引用西泽的表示形式： 中。= 叮( + + _ 1 ) ( 2 - - 1 7 ) 其中 彳= 学 ( 2 - 1 8 ) 兰州人学研究生学位论文第二章静电感应器件的作用理论 一a 。万 ( 2 1 9 ) 玎反映了v c * 的变化引起的势垒高度变化量的大小，+ 用来表示栅压控制 护如x p ( 鲁) ( 2 - - 2 0 ) 式中咋：一k t 为热电压，i o 是饱和电流。引用( 2 - - 1 7 ) 式、( 2 6 ) 式得 护小x 。节叩咖，譬，。：删 + 箕 = e x p ( 叩) 或 h 等2 毒+ 寿+ ( 2 - - 2 2 ) 兰州i 大学t i j d 生学位论文 第二章静电感应器件的作用础论 电流一电压的关系呈指数关系，对漏压得进一步增加，次效应更为显著，势垒表 现出的自我渊整越明显，由此可以说明大电流下s i t 的i v 特性已偏离阻断态时 的指数关系。已有研究者给出，s i t 的i v 特性呈现出从小电流范围的指数特性 连续的过渡到大电流范围的线性特性，即类三极管特性。如图2 7 ( a ) 所示： ( a )( b ) 图2 7s i t 的i - v 特性( a ) 反向特性( b ) e 向特性 2 5s l t h 的作用理论 s i t h 具有一系列突出的优点：首先可用栅极强迫关断，同时具有高耐压、 大电流、低压降、低功耗、高速度、优良的动态性能以及强的抗烧性等优异性能。 s i t h 的结构和s i t 或b s i t 类似，所不同的只是阳极p + 代替了n + 漏区。实验中 我们主要采用的是复合结构( c g s ) n 埋栅结构( b g s ) 型s i t h 。下面我们对实际观 测到的s i t h 开态和关态的i v 特性进行物理解释。首先给出实验i v 特性，如 图2 8 所示： ( a ) ( b ) 兰州大学研究生学位论文第二章静电感应器件的作用璀论 图2 8s 1 t h 的i v 特性 ( a ) 正向导通，大电流( b ) i e 向阻断，小电流( c ) 负阻转折至开通 2 5 1 正向导通态 当s i t h 的栅极加正向电压而且足够大( v g 0 5 v ) 时，器件进入正向导通 状态。其导通i v 特性和p + 一i n 结构的i v 特性相同，因此，对器件正向导通态 的分析，可沿用p + 一i 一1 3 整流器的分析结果。 正向导通时，s i t h 的沟道区和轻掺杂的漂移区充满了高电平注入形成的电 子一空穴等离子体，有关的物理现象属于高电平下空间电荷效应和复合效应共同 限制的双注入问题 1 7 , 18 】。与之相伴的一系列物理效应如空间电荷效应、电中和效 应、电导调制效应等的发生，最终导致了s i t h 在导通状态下可以允许高密度的 大电流通过，并给出了甚低的通态压降v f 。其i v 特性见图2 8 ( a ) 。 2 5 2 正向阻断态 s i t h 的主要用途是开关应用，其关断过程是通过施加负栅压强迫关断的。 这点与s c r 通过改变阴阳极电压反向来实现关断根本不同。由图2 8 ( b ) 可以看 出，s i t h 阻断态小电流范围的i v 特性表现为类三极管特性，这反映了s i t h 受 沟道势垒控制的物理机制，我们在2 3 节中也提到过，其势垒的形成与s i t 大体 相同，这里就不再重复。 这里要强调的是，仅靠高低结和p n 结的自建电场是不足以形成可控制电 流的势垒高度的，只有足够大的负栅压刁是使沟道夹断并建立起足够高度的沟道 势垒，从而实现对s i t h 正向强迫关断的根本条件。当然，s i t h 进入阻断状态 兰州大学研究生学位论文 第二章静电感应器件的作用理论 后，并不是一点电流也没有，除了一般的反向漏电流和p n p 穿透电流以外，当 阳极电压v 。增加到一定值时，沟道势垒被降低，会有一定的小电流流通，并通 过负栅压的调制使得其i v 特性呈现出势垒控制电流的特征，即给出与s i t 相同 的类三极管特性。不过，要注意的是，此时特性有两点明显之处：其一是沿v a 轴有一定的移位；其二此特性仅限于小的v a 【2 1 。 2 5 3 负阻转折态 在较低的正向偏压v 。下，出阳极注入的空穴数目少，与低掺杂区复合中心 相差无几，且能量低，在从阳极到阴极的渡越中，很容易被复合中心俘获，因此， 此时一，很短，根本到不了阴极，从而形不成电流。随着的v “不断增大，阳极 注入的空穴数目增多，能量增大，体内的复合中心被足够填充，空穴寿命tp 加 长。直到正向偏压v a 等于临界偏压v t 时，空穴就实现了从阳极到阴极的渡越。 与此同时，空穴的注入使得阻止电子从阴极渡越到阳极的空间势垒降低，电子也 容易实现渡越；同理，到达阳极的电子对空穴也有类似的作用。这两方面的正反 馈效应，使得电子和空穴数目进一步增加。伴随高电平下的双注入现象，最终的 结果是形成了高浓度的等离子体，器件体内呈现电中性，体内阻抗非常小，出现 电导调制效应。此后，空穴可基本上畅通无阻的实现从阳极到阴极的渡越，因此， 空穴注入所需的偏压很小。另一方面，高浓度等离子体的注入实现了大电流的传 输。随着v a 的增大，小电流、大电压转变为大电流、小偏压，在i v 特性上我 们称为负阻转折态，如图2 8 ( c ) 所示。 第三章重璺参数的选取 第三章重要参数的选取 静电感应晶体管s i t 是一种结构灵敏的器件队1 9 2 0 1 ，其电学特性e p 决定于器 件结构参数s p ，材料参数m p 和工艺参数t p 等，有函数表达形式为 e p = f ( s p ，m p ，t p ) ( 3 1 ) 对于不同的电参数e p 值，函数的f 形式不同。但对于具有优良电性能的器 件，s ，m ，t p 之间确实存在着某种最佳匹配关系。在各种静电感应器件中， i v 特性始终是最根本的电学参数，它的优劣将直接反映器件质量。 3 1 优良s i t 的i v 特性 从应用观点来看，s i t 作为功率放大器是其最主要的用途【2 1 。此用途决定了 优良s i t 的i - v 特性以混合特性为佳：器件“死区”小，通态电阻r o 。小，有源 区大，交流输出功率效率n 大。 如欲在较低漏压下得到较大功率输出，则管子的漏电阻r d 必须尽可能小， 表现在i v 特性上要求其特性曲线尽可能陡直。描述曲线陡直度的一个重要参数 是跨导g 。，其定义为： 旷瓷1 ( 3 2 ) g 。的大小反映了栅压变化对势垒控制的灵敏度。如当i v g l 稍一降低，势垒灵敏的 下降，就有高浓度电子注入沟道，大的电流流通，g m 则就大。如图3 ，1 所示。 g m _ 譬巩“： ( 3 _ ) 当栅压按1 伏阶梯变化时，在数值上g m 就等于二维曲线之间的垂直距离，显然， 曲线越陡直，g m 越大，这正是良好s i t 所要求的。 g 。的大小对s i t 的高频特性影响较大，有 小象2 丽再a m 百( 3 - - 4 ) 笫三章重要参数的选取 其中f m 为管子截止频率。可以看出，g 。越大，f m 越高。在制管实践中，对复合 结构cs i t ，g m 曾达到1 0 0 18 0 n m a h o 。如果设c 为5 0 p f ，则f m 一3 1 8 5 7 2 m h z 2 , 5 1 ，可见工作频率范围较广。 电压放大系数u 是s i t 又一个重要参数，见图3 1 ，其定义为： 舻筹= 畿a 筹砥屹 c 。一， 。 ，。 。“ 、。 当栅压阶梯按1 伏变化，且曲线较平行，则可粗略认为二曲线与电压轴v d 的交 点间的距离在数值上等于u 。研究表明，曲线间距越大，p 越大，管子性能越好， 除非电流特别小。 i d i d l i d 2 0 图3 1s i t 的混合1 v 特性 由以上看出，作为功率放大的优良s i t ，要求i v 特性曲线陡直，问距大而均匀， 且尽可能为混合特性。 3 2结构参数 在所有参数中，栅体和沟道参数是调控静电感应器件的重点，设计与制作 一个优良的沟道区是研制静电感应器件的关键。 1 沟道厚度d 。 d 。指实际的栅间距，又称控制栅( 见图3 2 ) 。前己述及，有沟道夹断因子b ， 兰州大学究生学位论文 第= 章重要参数的选取 其定义为： ；- 2 ( 形。) ( 3 - - 6 ) 式中a 为沟道半厚度，a o 为v g - 0 时栅沟p + 一n 结耗尽层的宽度，对s i t ，此结为 单边突变结，则a o 与沟道掺杂浓度n d 满足下列关系式： ( 蔫； ( 3 _ 7 ) q no 式中，k 为s i 的介电常数，其值为1 1 8 ，钆为真空介电常数，其值为8 8 6 1 0 - ”f c m ( b 。为栅沟p + 一n 结自建电势，其值为0 7 6 v 。对s i t ，沟道掺杂浓度n d 约为1 1 0 c m 一3 , a 0 2 3 ，1 5 um ；对s i t h ，n d 约为6 8 1 0 1 30 1 1 1 - 3 则a 0 2 3 7 6 pm 。 图3 2 栅体、沟道相关参量示意图 夹断园子p 是描述沟道在零栅压下的夹断程度，其变化灵敏地影响s i t 的 i _ v 特性，在图2 1 中给出了b 对s i t 的i v 的影响，可以看出： 图( a ) 中，当b 4 ，即沟道厚度d 。4a o ，沟道在零栅压下远未夹断，器件 类似于一个受栅压控制的电阻。 图( b ) 中，b 。2 5 ，即沟道厚度d 。一2 5 a 0 ，沟道在零栅压下趋近但尚未夹断， 器件仍处于常开态。当v o 为很小的负压( 一l v ) 时，沟道夹断，此时i v 特性呈典 型的混台特性。 图( c ) 中，b = 1 4 ，即d 。= 1 _ 4 a o ，在栅压为零时沟道已被夹断，但夹断程度较浅， 此时s i t 显示出典型的类三极管特性。 图( d ) 中，b 减至0 8 ，即d 。= 0 8 a 0 在零栅压下沟道已被深度夹断，器件处于 第三章重要参数的选取 常关态，此时，特性为沿v o 轴移位的类三极管特性，且特性对应于小电流范围， 死区较大。 根据研究经验，对常开型s i t ( h ) ，b 一般选取在2 5 左右，对常关型s i t h ， b 应选取在0 7 1 0 之间【2 l 。据此，我们在制作常开型s i t 时，若取b - 2 2 ，则 d 。= 2 2 a o = 2 2 x 3 。1 5 = 6 ，9 3um ，即沟道厚度应控制在7um 左右。 2 沟道长度l 。 沟道长度l 。，指沟道的垂直深度。工艺中，在扩硼形成栅体时，栅体的横向 扩散深度随纵向扩散深度x j 在t = 1 1 0 0 1 2 5 0 范围内近似线性变化，有 x j l 2y x j( 3 8 ) 式中y 称横向扩散系数，其大小与工艺条件有关，我们在实验中采用扩散方法形 成栅体，其y = o 6 3 。假设版图栅间距为d ，则扩硼后有 d d 。+ 2 x j t ( 3 9 ) 】c x j( 3 1 0 ) 由( 3 6 ) 、( 3 8 ) 、( 3 9 ) 和( 3 1 0 ) 式有： 驴警( 3 - - 1 1 ) 此式的意义在于给出了结构参数( d ，d 。，1 。) ，材料参数，n d ) 和工艺参数 ( x j ，y ，x i t ) 之间的一个定量关系。其中b 是一个可调变因子，人为地调节b 值 可以得到令人满意的i v 特性和器件性能。 实践表明：当d c 一定，i 。越长，s i t 的类三极管特性越差，饱和成份越明显。 这是因为随着l 。的加长，漏电场不易穿透势垒，势垒消失的速度缓慢，i v 特性 对应于大的输出电阻，电流减小。因此，只有同时选择合适的沟道长度l 。、沟道 厚度d 。及长厚比i 。d 。( 或i 。a ) ，方能给出类三极管特性。经验表明：混合特性发 生在l 。d o = 0 5 处【2 ，6 1 。 3 栅体厚度t 。 由于频率与电容的倒数关系，我们要提高s i d 的频率响应、开关特性，这 就要求要减小寄生电容c 铲与c 。d ，其中c 挚基本上都是结电容，是主要的寄生电 容，可通过减小栅体厚度、减小结面积等来减小。这就要求栅条尽量窄，考虑到 光刻精度的限制，最后版图设定栅条厚度为4ui n ( 旧版为5um ) ，经热扩散后， 9 第三章 重要参数的选取 实际栅体厚度为： ，g = t s + 2 勘= t g + 2 7 x f 1 l 艘 ( 3 1 2 ) 4 沟道宽度w c 沟道宽度没有一个定值，对1 0 0 um ，2 0 0um ，5 0 0 l am ，1 2 0 0 i j l l l ，2 4 0 0 um 宽的沟道都可用来制作s i d 。但是过大，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，栅控迟钝，使器件特性受到影响。相对 而言，2 0 0 um 5 0 0 um 的条宽，i v 特性好，栅控灵敏度高。新版中采用的沟 道宽度为8 2 0l am ，实际有效沟道宽度大约为8 1 4l am ，这个宽度的确定，是根据 s i t ( h ) 电流容量、有源区沟道分布方便、有利于减小栅电阻和引线电阻以及对 b v g s 。( 或b v g k o ) 的提高有利等因素折衷处理来选定的。 3 3 材料参数 电力器件集大电流、高耐压及大功率于一身，而且我们所制作的电力器件结 构很大( 1 4u1 1 1 ，1 5um ) ，研究者给出，低阻材料在调节沟道尺寸时工艺适应性 好，容易调节成功。因此，通常采用低掺杂的高阻n 型硅片。由于电子的迁移 率u 。远比空穴的迁移率p 。高，在相同的掺杂浓度下，n 型硅片的电阻率p 。是p 型硅片的三分之一。更重要的是，电流密度与迁移率成正比，j = n q ue ，选取迁 移率高的n 弛材料有利于提高导通电流，降低导通压降，减小器件的热损耗。 爿i 仅如此，用迁移率高的材料制造的s i t ( h ) 的跨导大，频率特性好。 1 衬底厚度w 。 根据前人经验，衬底厚度w 。应满足以下式子： w n 3 l 。( 3 1 3 ) 式中l n 为电子的扩散长度。由于电子的扩散系数d 。在3 5 3 8 c m 2 s ( t = 3 0 0 k 时) 之间，若电子寿命按t 。= 6 u 计算，则漏极注入的电子的扩散长度为： 一r 一l 。= 见r 。= 4 3 5 6 x 1 0 = 1 4 5 1 n n( 3 一1 4 ) 由( 3 1 3 ) 式得w 。4 4 3 5um ，经验表明，w 。大，有利于器件耐压容量的提高， 兰州i 大学究生学位论文 第三章重要参数的选取 但w 。过大，即漂移区过大，对s i t h ，在大电流下，空间电荷的电荷的电导调制 效应变弱，漂移区压降增加，即通态压降增大，这一点不是我们所希望的。综合 考虑，：i ! ! ：= 片的厚度取为3 1 0 + 1 0 um 、3 2 0 + 1 0 l am 、3 3 0 + 1 0 1 - tm 是合理的。 2 衬底电阻率p 。 电力器件一般采用低掺杂的衬底材料形成高阻漂移区，掺杂浓度低，有利 于提高击穿电压，提高载流子的迁移率，延长载流子的寿命等，同时低的掺杂浓 度可以使栅压和漏压( 或阳极电压) 更有效的控制沟道中的势垒高度。但是，掺 杂浓度过低会导致器件在大电流下的压降大，从而造成大的功率损耗等。综合考 虑各种因素，选取衬底电阻率p 。为：6 0 7 0 q c m 2 硅片晶向 硅片的晶向为( 1 1 1 ) 面偏向( 1 1 0 ) 面3 。切片，是n 型区熔n t d ( 中子辐照) 单 晶材料。经验表明，在此单晶上生长外延层时，外延层生长速度快，外延层表面 质量好。 兰卅f 大学研究生学位i = 会义第心章版目醛汁 第四章版图设计 根据甘肃省十五科技攻关项目静电感应器件s i d 的研制指标，我们制 定了器件的主要参数要求：在保证器件i v 特性正确、合理的同时，静电感应器 件晶体管s 1 t 的最大电流应达到1 0 3 0 a , 电压应达到2 0 0 6 0 0 v ，对开关s i t h ， 栅阴击穿电压b v g k o ) 晦大于7 0 v 1 0 】，其关断时间应限制在1 5us2 _ j 刚。 4 1 设计规划 沟道单元：沟道单元的形状可以设计为条状结构，也可以设计为网格结构。 条状结构的沟道单元适用于高频功率器件，而网格结构的沟道单元跨导大，有利 于大电流容量。 有源区：有源区指沟道与栅条相间排列的整体，可以设计成接近方形的矩 形等线条简单的形状。有源区面积大，宜于大电流容量。 栅区：一般将厚的栅体设置在外围，所以我们俗称栅墙，栅墙外边界可以 设计成矩形、方形、八边形或圆形。主栅墙应足够宽，以便于栅电极的引线，同 时也减小了栅体串联电阻，降低了器件功率损耗。 终端设计：对静电感应器件这种大电流、高耐压、大功率器件，其芯片面 积一般较大，需要采取终端磨角造型，如外围拐角应大于9 0 。，可以设计成近 似于矩形的八边形，以防止因电流密度集中而造成的局部击穿。为了更有效的提 高其耐压容量，可在终端设置多到限场环加表面沟道切断环。 4 2 沟道单元数目的确定 经验表明，s i t 的平均电流密度j 为3 0 0 a c m 2 ，s i t h 的平均电流密度j 为 兰卅大学宄生学位论文第叫章版幽i ! 乏计 1 0 0 0 a c m 2 。由于s i t h 电流为双注入电流，所以在其导通态下，一般有j s l t h j s r r 。 在设计沟道时，为了留有足够的操作余地，我们选取4 0 a 的电流、3 0 0 a c m 2 的 平均电流密度来计算沟道区有效面积a c ： 心= 等= 丽4 0 a 地1 毓2 ( 4 一1 ) 在版图中，栅间距d = 1 4 l a 丌1 ，沟道长度l 。一x i 一6 um ，取横向扩散系数y = 0 ，6 3 ， 则由( 3 8 ) 式、( 3 9 ) 式和( 3 1 0 ) 式可得沟道厚度d 。为： d c