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1、第19卷第3期 半 导 体 学 报 Vol.19,No.31998年3月 CHINESEJOURNALOFSEMICONDUCTORSMar.,1998表面杂质浓度分布对晶体管负阻特性的影响裴素华 薛成山 赵善麒 (山东师范大学 济南 250014)(北京电子新技术研究开发中心 北京 100088)摘要 本文对镓、镓2硼两种基区的3DD202型晶体管负阻摆幅现象进行了比较和理论分析,证明了基区表面杂质浓度分布对器件发射极2集电极电压负阻特性有较大影响.找到了改善晶体管击穿特性的具体措施.EEACC:2550B,256
2、0J1 引言在测试硅大功率晶体管发射结与集电结之间击穿电压BVCEO时,经常见到有负阻击穿现象发生,如图1所示.电压VSUS称为谷值电压,BVCEO与VSUS之差称为负阻摆幅,用$V表示.在晶体管的制造中,如何在提高反向击穿电压BVCEO的同时,又能使负阻摆幅减到最小,是长期以来期待解决的问题.本文分别以单质镓和双质镓2硼进行基区扩散,制造出3DD202型的镓管和镓硼管,通过对其负阻特性的测试和理论分析,证明晶体管负阻摆幅的大小主要与基区表面杂质浓度有关,据此也找到了改善晶体管负阻特性的措施.2 实验与结果图1 晶体管负阻特性选用电阻率为40～608·cm的N型硅单晶作衬底,在[1]
3、高浓度磷扩散并减薄抛光后,按下述方法制造两种不同的的基区:采用开管镓扩散技术,经过低浓度镓扩散,结深推移,高浓度镓扩散三个阶段形成镓基区;另经低浓度的镓扩散,结深推移和硼扩散三个阶段形成镓2硼基区.然后,在同一环境下用常规工艺制作出3DD202型的镓管和镓2硼管.测试结果表明,镓管的负阻摆幅$V值在300～500V之间,而镓2硼管裴素华 女,1946年出生,副研究员,主要从事半导体器体与微电子技术的研究工作薛成山 男,1945年出生,研究员,主要从事半导体器件与微电子技术的研究工作赵善麒 男,1963年出生,博士,高工,主要从事功率器件与电力电子新技术研究工作1997201216收到
4、,1997203220定稿3期 裴素华等: 表面杂质浓度分布对晶体管负阻特性的影响 203的$V值小于100V.图2示出了镓管与镓2硼管小电流情况下,电流放大系数B随Ib变化情况,可以明显看出镓2硼管放大性能明显优于镓管.以基极注入5LA为例,镓管的B值为015～112,而镓2硼管的B值却高达12～16;当基极注入为100LA时,镓2硼管的B值已经达到器件大电流情况下的放大系数值(30),但镓管随着Ib的增加,B值虽已增大数10倍以上,但还远小于大电流条件下的电流放大系数值.图2 小电流下镓管与镓硼管放大系数比较3 理论分析3.1 基区表面杂质浓度分布对电流放
5、大系数的影响硅内靠近硅表面的杂质,在氧化过程中(本文指磷扩散的再分布过程)要重新分布,这取决于硅2二氧化硅界面上的杂质分凝系数;硅2氧化层中杂质扩散系数的比例;以及氧化速[2]率.图3根据实际测量结果给出镓基区重新分布后的表面杂质浓度分布示意图.重新分布后的镓基193163区表面杂质浓度由原10öcm降至为2×10öcm,且杂质浓度的峰值点离开硅表面约4Lm.这主要是因为镓在二氧化硅中的扩散系数特别大,杂质在SiO22Si界面形成由Si指向SiO2的杂质扩散流,使[1]硅表面形成耗尽.而硼基区表面无出现其他任何特殊变化,遵循正常的重新分布规律,表面浓度由原193183来10öcm降至
6、5×10öcm.两种基区表面浓度分布存在明显差异,这种差异直接影响了器件的小电流情况下的增益.在发射极为小电流情况下,晶体管的发射效率表达式:图3 镓基区重新分布前后杂质浓度分布IPEIRE-1¬=[1++](1)1、2重新分布前低浓度、高浓度杂质分布;InEInE3重新分布后基区表面杂质浓度分布.式中 IPE是注入到发射区的空穴流;InE是注入到基区的电子电流;IRE是发射结空间电荷区的复合电流,其值为IRE=AqXme×R,其中A为pn结的结面积;,Xme为发射结空间电荷区的宽度;q为电子电荷;R为净复合率.由于重新分布后的镓基区表面浓度明显降低,在一定偏压下发射结的空间电荷区宽
7、度Xme将有所增加,使发射结空间复合电流IRE增加,由(1)式可知¬值变小.3考虑到表面复合后,基区输运系数B的表达式为:3IVRISRB=1--(2)InEInE式中 IVR为体内复合电流;ISR为表面复合电流.表面复合电流ISR=qASSns.其中S为表面204 半 导 体 学 报 19卷复合速度;AS为基区表面复合有效面积,ns为表面处的电子浓度,表面复合速度S的大小主[2]要与器件表面状态有关.由于镓基区的表面浓度较低,
