CC BY
32
Вестник ДГТУ. Технические науки. №13, 2007
А-
Полупроводниковые материалы и приборы
УДК 621.382.002
КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ БИПОЛЯРНЫХ СО СТАТИЧЕСКОЙ ИНДУКЦИЕЙ ТРАНЗИСТОРОВ
Т.А. Исмаилов, А.Р. Шахмаева, Ю.Г. Фомин Дагестанский государственный технический университет, г. Махачкала ООО «Алекс-Свет», г. Новосибирск
Биполярный транзистор со статической индукцией (БСИТ) представляет собой нормально-закрытый транзистор со статической индукцией с вертикальным каналом, управляемый током и имеющий входные и выходные характеристики похожие на характеристики обычного биполярного транзистора.
БСИТ предназначены для применения в источниках вторичного электропитания, усилителях с ключевым режимом, автомобильных электронных системах зажигания, электронных системах для управления электродвигателями и других радиоэлектронных устройствах.
Достоинствами БСИТ являются: высокое быстродействие, малые остаточные падения напряжения на р-п переходе, высокий коэффициент усиления по току, повышенная устойчивость ко вторичному пробою.
Концентрация примеси в областях затвора и эпитаксиального слоя, ширина канала и другие параметры рассчитаны таким образом, чтобы при нулевом смещении на затворе встроенный потенциал затвора Афр+гГ, равный разности работ выхода полупроводниковых областей кремния (Б1) р - и п- типа, создавал обедненный слой, перекрывающий канал. Встроенный потенциал определяется формулой:
+ kt, Na* Nd ¡S^cpp n = — In---
q nt
Где Ыа и N - концентрация примеси, акцепторов в затворе и доноров в эпитаксиальном слое, соответственно;
П - концентрация примеси в «собственном» полупроводнике; Ш
--постоянная Больцмана.
Ч
Транзистор с такой структурой является нормально - закрытым и открывается при положительном напряжении на затворе. При этом р-п переход «затвор - исток» смещается в прямом направлении и затвор начинает инжектировать «дырки» в обедненную область канала. За счет модуляции проводимости в обедненной области канала возникает «виртуальная база» - слой, эквивалентный области базы обычного биполярного транзистора. «Виртуальная база» состоит из нейтральной области, обусловленной компенсацией инжектированных затвором - дырок, истоком - электронов.
Концентрация примеси в канале БСИТ на 2-3 порядка ниже, чем концентрация примеси в базе обычного биполярного транзистора, что обеспечивает высокую подвижность носителей в канале, высокий коэффициент усиления по току, малую емкость затвора.
17 3
Высокая плотность инжектируемых истоком электронов (~ 1*10 см- ) и равномерное распределение их по ширине канала позволяют получать плотности рабочего тока до 3 *104 А/см , что на порядок выше, чем у обычного биполярного транзистора. Кроме того, равномерное распределение плотности тока по ширине канала в сочетании с низким
сопротивлением затвора обеспечивает высокую энергию вторичного пробоя Евп, значения которой достигают 100 мДж - выше даже для высоковольтных транзисторов.
По конструктивному варианту исполнения кристалла, БСИТ делятся на транзисторы со скрытым затвором, с планарным затвором (технология трех масок) и с ионно-легированным затвором и самосовмещенными областями.
Вид структуры транзистора со скрытым затвором приведен на рис. 1.
Затвор
n
Сток
Рисунок 1. Вертикальная структура БСИТ со скрытым затвором
На поверхности эпитаксиальной структуры п/п+ сформированы скрытые слои р+ -типа - затвор транзистора, затем выращивается сверху эпитаксиальный п- слой, формируется контакт к истоку и затвору.
Приведенная структура (рис.1) со скрытым затвором и двумя эпитаксиальными слоями позволяет реализовать транзисторы с высокими значениями изи,.
Однако, технология реализации подобной структуры требует двойного эпитаксиального наращивания, причем второй эпитаксиальный слой наращивается над областями р+ -типа, что вносит определенные сложности, связанные с автолегированием выращиваемого слоя примесью р-типа.
Недостатками конструкции являются:
- большая площадь ячейки, что связано с сильным размытием скрытого слоя и необходимостью выращивания толстого эпитаксиального //-слоя;
- большие значения емкости Сзи, так как площадь р-п перехода «затвор - исток» примерно в 2 раза больше, чем в эквивалентной планарной конструкции;
низкая воспроизводимость ширины канала, большое сопротивление затвора, что
также связано с необходимостью выращивания сверху толстого эпитаксиального слоя при
+
условии - минимальном размытии р скрытого слоя.
Структура транзистора с планарным затвором, выполненного по технологии трех масок показана на рис. 2.
Рисунок 2. Вертикальная структура транзистора с планарным затвором, выполненная по технологии «трех масок»
Технология изготовления этих БСИТ включает использование нитридной маски с одновременно вскрытыми областями затвора и истока, в которых через дополнительные фотолитографические маски последовательно проводится диффузия примеси в области затвора и истока.
Недостатками конструкции являются:
- большая площадь ячейки (шаг структуры при минимальных 3 х- микронных размерах и при глубине затвора - 4 мкм превышает 15 мкм);
- для реализации структуры требуется проведение трех фотолитографий;
- низкие значения напряжения пробоя изи и емкости Сзи из-за смыкания диффузионных областей затвора и истока.
Транзистор с ионно-легированным затвором и самосовмещенными областями приведен на рис. 3.
Технология изготовления этих транзисторов включает в себя формирование маски 813К4-8Ю2 под затвор, травление Б1, ионное легирование затвора по нависающей маске 813К4 , локальное окисление Б1, удаление Б13К4, формирование истока. Структура с ионно-легированным затвором занимает минимальную площадь, имеет высокую воспроизводимость ширины канала, однако, не позволяет сформировать затвор с высокой
«-» 20 3
концентрацией примеси (N > 10 см" ) а, следовательно, обеспечить требуемые параметры по усилению, также большое сопротивление затвора ухудшает динамические параметры транзистора (Твкл, Трасс).
а) б)
Рисун ок 3. Вертикальная структура транзистора с ионно-легированным затвором а) этап формирования; б) законченная структура
Транзистор с самосовмещенным истоком относительно планарного диффузионного затвора приведен на рис. 4.
Область затвора такого транзистора формируется диффузией примеси р+ -типа при
«-» 20 3 „ и
высокой температуре (для обеспечения N>=10 см- ) с использованием двухслойной маски Si3N4-SiO2. После диффузии бора под слой маски SiO2 подтравливается под Si3N4 до вскрытия боковой составляющей диффузии бора, после этого Si травится на глубину приблизительно 1,0 мкм в селективном по отношению к р+-травителю, затем выращивается толстый окисел по всей травленной поверхности, удаляется Si3N4 с подслоем SiO2 и проводится диффузия примеси в область истока.
Приведенная структура позволяет получить высокие значения изи из-за разнесения по высоте затвора и истока, высокий встроенный потенциал затвора А (р и высокий коэффициент усиления по току за счет сильнолегированных затворных областей.
Структура транзистора сформирована на эпитаксиальном слое п - типа и для уменьшения последовательного сопротивления стока эпитаксиальный слой выращен на сильнолегированной подложке КЭС 0,01. Толщина эпитаксиального слоя должна обеспечивать требования по максимальному напряжению изс. Толщина эпитаксиального слоя (Ьэс) и максимальное напряжение изс связаны эмпирическим соотношением :
изс(В)= 12Ьэс (мкм)
Удельное сопротивление эпитаксиального слоя (р) выбирается с учетом обеспечения трех противоречивых требований:
-напряжение пробоя изс у поверхности эпитаксиального слоя должно быть близким по значению с напряжением, ограниченным толщиной эпитаксиального слоя, то есть пробой р-n перехода затвора должен происходить почти одновременно вблизи поверхности и в объеме полупроводника.
-pv пленки должно быть как можно более высоким для облечения перекрытия канала встроенным потенциалом затвора, равным разности работ выхода полупроводников р-типа (затвор) и п" - типа (эпитаксиальный слой)при нулевом напряжении на внешнем затворе.
- pv пленки должно быть как можно ниже для уменьшения сопротивления открытого транзистора и повышения коэффициента усиления по току в области больших токов стока.
n
n
б)
Рисуно 4 . Вертикальная структура транзистора с самосовмещенным истоком, относительно планарно- диффузионного затвора: а) этап формирования; б) законченная структура
+
