高壓大功率晶體管3DD155K抗輻照設(shè)計(jì)

高廣亮，張小平，劉 帥，蘇 舟，王朝瑩，劉 威

（錦州遼晶電子科技有限公司，錦州 121011）

1 引言

隨著空間技術(shù)、核武器及核能技術(shù)的發(fā)展，越來越多的電子裝備被應(yīng)用于各種輻射環(huán)境中，受極端使用條件的影響，性能會發(fā)生變化，甚至整體裝備失效[1]。在眾多的電子元器件類別中，半導(dǎo)體器件受輻射的影響最為敏感。空間中的高能輻射在半導(dǎo)體器件中引入大量缺陷，對器件的可靠性造成嚴(yán)重威脅。為保證電子器件在輻照環(huán)境下能夠可靠地工作，必須要提高半導(dǎo)體器件抗電離輻射的能力，特別是對于雙極型晶體管。由于雙極晶體管具有良好的電流驅(qū)動能力、線性度及匹配特性，在模擬或混合集成電路中有著重要的應(yīng)用。雙極晶體管經(jīng)常用于空間系統(tǒng)，提高其抗輻照能力尤為重要[2]。本研究嘗試以NPN型晶體管3DD155K為例，從輻照機(jī)理出發(fā)，探討設(shè)計(jì)和工藝過程中的加固方案及措施。

2 輻照損傷機(jī)理分析

輻射對半導(dǎo)體雙極器件造成的損傷的機(jī)理主要包括位移效應(yīng)與電離效應(yīng)[3]。位移效應(yīng)是指輻射粒子與晶體原子相互作用，使原子獲得足夠的能量，從而能夠離開原有的位置，以此形成缺陷。此類缺陷所帶來的影響可歸納如下：①缺陷主要引起載流子壽命降低，而原材料的載流子壽命（原材料缺陷多的情況除外）如果原本很低，受輻射的影響就較小，相當(dāng)于提高了抗輻射能力。②原摻雜濃度高的材料，輻射容限也高，只有當(dāng)輻射產(chǎn)生的缺陷密度接近于摻雜濃度時，才會有明顯的影響。

電離效應(yīng)是指電離輻射在材料中引起原子電離，產(chǎn)生出正離子和自由電子，即電子-空穴對。材料會因?yàn)殡婋x而改變特性。對于半導(dǎo)體器件影響最大的電離輻照效應(yīng)是表面損傷效應(yīng)，這種損傷一般發(fā)生在半導(dǎo)體器件絕緣薄膜（SiO2）中，以界面態(tài)體現(xiàn)出來，它會導(dǎo)致少數(shù)載流子表面復(fù)合率增加，減少基區(qū)輸運(yùn)系數(shù)，從而減少電流增益。對于NPN晶體管，發(fā)射結(jié)上氧化層中感生的正氧化物陷阱電荷的積累使P型基區(qū)的表面被耗盡，產(chǎn)生的耗盡區(qū)向P型基區(qū)擴(kuò)展，結(jié)果導(dǎo)致總的耗盡表面積增加，如圖1所示。這種耗盡層面積的增加會使表面的復(fù)合電流增加[4]。

圖1 SiO2/Si界面處輻照誘生正電荷的影響

3 抗輻照加固措施

基于上述輻照損傷機(jī)理，對大功率NPN雙極型晶體管進(jìn)行抗輻照設(shè)計(jì)時，需兼顧可靠性設(shè)計(jì)[5]。具體體現(xiàn)在，要對產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝進(jìn)行優(yōu)化，保證產(chǎn)品輻照后的飽和壓降、放大倍數(shù)等參數(shù)滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)，同時也要滿足產(chǎn)品的功率要求。

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1.1 耐壓設(shè)計(jì)

依據(jù)加固理論：在保證耐壓的前提下應(yīng)盡量提高單晶的摻雜濃度、減少高阻區(qū)的厚度、減薄WC，采用穿通型電壓以獲得較低的飽和壓降，同時提高器件的抗輻照能力[6]。器件縱向結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 器件縱向結(jié)構(gòu)示意圖

取VBRCEO=800V，hFE=60（取小電流放大倍數(shù)），按下式計(jì)算：

可求得VBRCBO=2235V。再依據(jù)下式：

求得材料的電阻率ρC為68Ω·cm。考慮到設(shè)計(jì)容量，選擇電阻率70～75Ω·cm的N型單晶。高阻層厚度由集電結(jié)擊穿的最大空間電荷區(qū)Xm(CB)決定，即：

將ρC=68Ω·cm和VBRCBO=2235V帶入式(3)，求得Xm(CB)=207μm。

為提高抗輻照能力，選擇穿通設(shè)計(jì)，取VBRCBO(穿通)=1676V，按照下式：

計(jì)算得出高阻層厚度WC=105μm?？紤]到抗二次擊穿耐量，高阻層厚度為WC≥VBRCEO/EM。其中EM為最大電場強(qiáng)度。加上集電結(jié)結(jié)深XjC=20～25μm的總和，厚度為125～130μm的高阻層可滿足設(shè)計(jì)要求。所以選擇N型三重?cái)U(kuò)散片，電阻率為70～75Ω·cm，高阻層厚度為125～130μm。

3.1.2 基區(qū)寬度與基區(qū)濃度

依據(jù)抗輻照加固理論，較小的少子壽命和較薄的基區(qū)寬度可以獲得較高的抗輻照能力[6]。但基區(qū)濃度升高意味著基區(qū)輸運(yùn)系數(shù)減小，不利于放大倍數(shù)的調(diào)節(jié)，所以需要折中設(shè)計(jì)，選擇7×1017cm-3的表面濃度。

基區(qū)寬度大小直接影響最高擊穿電壓VBRCBO、VBRCEO、電流放大系數(shù)、特征頻率等電參數(shù)，所以要依據(jù)最高工作電壓確定Wb的最小值，即下限值?；鶇^(qū)寬度要滿足擊穿電壓指標(biāo)而不被穿通，最終尺寸選取12～15μm。

3.1.3 發(fā)射區(qū)尺寸

由于產(chǎn)品的頻率不是很高，所以在設(shè)計(jì)上采用梳狀均流設(shè)計(jì)。遵循雙極結(jié)型晶體管發(fā)射極周長與面積之比值越小抗輻照能力越強(qiáng)的原則，在保證大電流特性及抑制發(fā)射極電流集邊效應(yīng)的前提下，選擇合適的發(fā)射區(qū)周長與面積之比[7]，具體為：LE/AE=1cm/0.0115cm2=85cm-1。

最終設(shè)計(jì)完成的管芯版圖如圖3所示。

圖3 加固設(shè)計(jì)后的3DD155K版圖

3.2 工藝上的改進(jìn)措施

3.2.1 表面鈍化

SiO2介質(zhì)層是晶體管中對電離損傷最敏感的部位。在γ射線的電離輻射下，晶體管的SiO2介質(zhì)將產(chǎn)生電離輻射損傷，正電荷會在基區(qū)表面的鈍化層中積累，并在SiO2-Si界面誘發(fā)新的快表面態(tài)[8]。這些現(xiàn)象都將增加基區(qū)表面的復(fù)合電流，使電流放大系數(shù)下降。為了降低電離輻射對放大系數(shù)的這一影響，最有效的措施是采用優(yōu)化的表面鈍化工藝，例如采用Si3N4-SiO2復(fù)合鈍化層的MNS（金屬-氮化硅-半導(dǎo)體）或是MNOS（金屬-氮化硅-二氧化硅-硅）結(jié)構(gòu)，都可有效地提高器件的抗γ射線電離輻射的能力。本研究中，在鋁電極合金后采用PECVD方法沉積一層厚度為150nm的氮化硅。

3.2.2 補(bǔ)硼工藝

基區(qū)擴(kuò)散完成后，需要在基區(qū)表面增加補(bǔ)硼工藝，以降低SiO2-Si界面及SiO2中輻射誘生電荷對表面復(fù)合電流的影響。被減弱的耗盡區(qū)將向P型基區(qū)擴(kuò)展，從而減少表面復(fù)合，緩解對放大倍數(shù)產(chǎn)生的影響。補(bǔ)硼的具體實(shí)施工藝是采用硼微晶玻璃GS-245作為擴(kuò)散源。預(yù)擴(kuò)散工藝溫度設(shè)定為1000℃，時間為60分鐘，最終達(dá)到的基區(qū)表面濃度為1×1019～2×1019cm-3。

4 工藝流程與測試結(jié)果

流片的硅片選取電阻率70～75Ω·cm、N型三重?cái)U(kuò)散片，單面拋光后留下高阻層厚度125～130μm。具體工藝流程為：

一次氧化→去除氧化層→淡硼擴(kuò)散→去除氧化層→濃硼擴(kuò)散→發(fā)射區(qū)光刻→發(fā)射區(qū)擴(kuò)散→臺面光刻→臺面鈍化→引線孔光刻→蒸鋁→鋁反刻→鋁合金→PECVD氮化硅→背面減薄→背面金屬化→測試→劃片→粘片→鏡檢→鍵合→封帽→初測→老化。

最終老化測試完成后，取成品管芯4只送哈工大相關(guān)檢測單位進(jìn)行抗輻照試驗(yàn)。試驗(yàn)采用輻射源是γ射線（60Co），劑量率1rad(Si)/s,總劑量300krad(Si)，輻照時間83小時，輻照前后的主要參數(shù)測試結(jié)果數(shù)據(jù)如表1所示，包括：集電極-發(fā)射極反向擊穿電壓VBRCEO、集電極-發(fā)射極反向漏電流ICEO、集電極-發(fā)射極飽和電壓VCESAT、直流放大倍數(shù)hFE。

表1 產(chǎn)品主要參數(shù)輻照前后數(shù)據(jù)對比

從表中可以看出，γ射線（60Co）輻照對擊穿電壓和漏電的影響較小，而對飽和壓降和放大倍數(shù)有較大的影響。通過抗輻照加固設(shè)計(jì)，有效地改善了放大倍數(shù)的數(shù)值，使之滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)束語

從理論分析出發(fā)，本研究對NPN型高耐壓大功率晶體管3DD155K的抗輻照性能進(jìn)行了加固設(shè)計(jì)，主要以產(chǎn)品的放大倍數(shù)和飽和壓降作為設(shè)計(jì)重點(diǎn)。在滿足高耐壓與高放大倍數(shù)的指標(biāo)條件下，采用穿通型電壓設(shè)計(jì)，選擇合適的高阻層電阻率及厚度，在減小器件飽和壓降的同時，提高了抗輻照能力。在結(jié)構(gòu)優(yōu)化基礎(chǔ)上，也針對工藝提出多種改善措施，找到合適的基區(qū)寬度與濃度、發(fā)射區(qū)尺寸，并制作復(fù)合型的表面鈍化層，緩解了產(chǎn)品輻照后放大倍數(shù)的衰減，從而確保器件在空間工作時少受或不受輻射的影響，能夠保持正常的參數(shù)性能。