張小平，高廣亮，陳 浩，劉 帥，伏思燕，蘇 舟

（錦州遼晶電子科技有限公司，錦州 121011）

1 引言

達(dá)林頓晶體管具有很高的放大倍數(shù)，這一特征會導(dǎo)致前級管的漏電流逐級放大，對器件穩(wěn)定性造成影響。特別是當(dāng)溫度升高時，反向漏電流將隨溫度增加而增加，同時器件放大倍數(shù)也會增加，就有可能使器件因為高溫下功耗增加而發(fā)生熱擊穿甚至燒毀。高耐壓達(dá)林頓晶體管在制作過程中選用高電阻率的原材料，并且原材料的厚度較厚，容易造成飽和壓降偏大，熱穩(wěn)定性不夠理想。針對這一問題，在此對常規(guī)設(shè)計方案進(jìn)行改進(jìn)。采用帶緩沖層的穿通設(shè)計，一方面可減小飽和壓降，另一方面可提高抗二次擊穿能力[1]。對電阻進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，減小溫度對電阻的影響，以此提高產(chǎn)品的熱穩(wěn)定性。

2 熱穩(wěn)定性分析

晶體管的熱穩(wěn)定性含義是在工作過程中，在經(jīng)受熱循環(huán)時器件的抗熱擊穿能力以及殼溫在較大溫度范圍內(nèi)變化時，晶體管主要參數(shù)的穩(wěn)定性。熱擊穿一般表現(xiàn)為當(dāng)器件溫度升高到特定溫度時，功率晶體管突然損壞。由于達(dá)林頓功率晶體管的放大倍數(shù)可達(dá)幾百到幾千甚至上萬倍，當(dāng)處于放大狀態(tài)時發(fā)射極電流和集電極電流隨溫度的增加而迅速上升，會使器件的工作狀態(tài)超出安全工作區(qū)，更容易在內(nèi)部出現(xiàn)電流集中，形成過熱點。當(dāng)過熱點溫度超過半導(dǎo)體的熔點（硅的熔點1415℃）或該處接觸的金屬熔點（鋁硅熔點577℃）時，器件將永久性失效[2]。另外的情況是，即使過熱點的溫度不足以引起金屬或半導(dǎo)體熔化，由于各點溫度不同，所產(chǎn)生的應(yīng)力也足以導(dǎo)致晶格的嚴(yán)重?fù)p傷，終致器件失效。

大功率晶體管本身消耗功率很大，會使晶體管的結(jié)溫度升高，電參數(shù)也隨著溫度的變化而變化；高耐壓達(dá)林頓器件的放大倍數(shù)本身偏大，這樣就會形成惡性循環(huán)。在生產(chǎn)過程中，由于擴散濃度的不均勻和工藝制程帶來的表面和內(nèi)部缺陷，會造成局部熱擊穿。制程中過大的飽和壓降也會導(dǎo)致較大的熱功率損耗，造成過熱，影響器件的正常使用。所以高耐壓達(dá)林頓晶體管的熱穩(wěn)定性設(shè)計極為重要，是此處改進(jìn)設(shè)計的關(guān)鍵[3]。

3 熱穩(wěn)定性優(yōu)化設(shè)計

選用FHD1071型高壓達(dá)林頓晶體管產(chǎn)品進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計。以優(yōu)化熱穩(wěn)定性為目的，需要對產(chǎn)品的橫、縱向參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。在滿足產(chǎn)品耗散功率PCM與電流容量ICM指標(biāo)的前提下，將擊穿電壓設(shè)計為穿通型擊穿，以減少器件的飽和壓降，并增加緩沖層以提高器件的抗二次擊穿能力；通過對泄流電阻的設(shè)計，減少溫度變化對器件放大倍數(shù)的影響；在工藝過程控制方面，增加表面鈍化工藝提高器件的可靠性，采用背面金屬微合金工藝、真空燒結(jié)工藝減少器件的熱阻[4]。

3.1 器件結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1.1 橫向參數(shù)設(shè)計

在改進(jìn)設(shè)計中，為保證器件集電極電流ICM正常，同時減少發(fā)射極電流集邊效應(yīng)，要對低頻功率晶體管的發(fā)射區(qū)周長LE進(jìn)行設(shè)計。在版圖設(shè)計上采用梳狀發(fā)射極的結(jié)構(gòu)，以此增加發(fā)射極周長，兼有均流的作用。設(shè)計版圖如圖1所示。

圖1 產(chǎn)品芯片改進(jìn)設(shè)計版圖

發(fā)射極面積由設(shè)計指標(biāo)所要求的最大集電極電流ICM和實際允許的最大集電極電流密度決定。ICM的定義通常是指隨著集電極電流增加，放大倍數(shù)降低到峰值1/2或1/3時對應(yīng)的集電極電流值。實際的最大電流密度不僅與發(fā)射極周長有關(guān)，也與發(fā)射極面積有關(guān)。材料的電阻率不同，晶體管的最大線電流密度和面電流密度也有所不同[5]。

晶體管發(fā)射區(qū)的面積由面電流密度JCR和最大集電極電流ICM來確定；發(fā)射極周長則由線電流密度JCM和最大集電極電流ICM確定。根據(jù)實際產(chǎn)生經(jīng)驗，此處應(yīng)取JCM=0.4A/cm，JCR=50A/cm2。

經(jīng)計算，發(fā)射極面積為AE=0.05cm2，實際設(shè)計選取0.05cm2；發(fā)射極周長為LE=6.25cm，實際設(shè)計選取6.8cm。

考慮到電流集邊效應(yīng)與均流措施，如下式：

式中，WB為基區(qū)寬度；β為放大倍數(shù)，ρB為基區(qū)電阻率。計算得到發(fā)射極有效半寬度Seff=75μm。

3.1.2 縱向參數(shù)設(shè)計

器件結(jié)構(gòu)的縱向結(jié)構(gòu)如圖2所示。高反壓器件在最大耗盡層厚度不限制的情況下，高阻層厚度比較厚。然而高阻層太厚對大電流特性及飽和壓降都是不利的。為了兼顧工藝水平、耐壓能力、大電流特性及飽和壓降等多方面的要求，采用穿通型擊穿設(shè)計，即取較小的高阻層厚度，以改善電流特性、關(guān)斷速度及飽和壓降等參數(shù)[6]。高阻層厚度由CB結(jié)擊穿的最大空間電荷區(qū)決定，即：

圖2 芯片縱向結(jié)構(gòu)圖

將ρC=30Ω·cm、V(BR)CBO=1320代入式(2)，可計算得出Xm(CB)=101μm。

因為產(chǎn)品的集電結(jié)擊穿電壓V(BR)CBO＞450V，取集電極穿通擊穿電壓V(BR)CBO穿通=600V，穿通擊穿電壓與雪崩擊穿電壓關(guān)系如下：

將V(BR)CBO=1320V、Xm(CB)=101μm代入式(3)，計算得到:WC1=30μm。

從改善雪崩注入二次擊穿的角度考慮，要求集電區(qū)厚度WC≥V(BR)CEO/Em，Em為最大電場強度。選擇WC為50μm的集電區(qū)外延層厚度，同時采用雙層外延工藝來提高器件的反向二次擊穿耐量。集電結(jié)XjC為20μm?？紤]到工藝過程中襯底的反擴散，外延層厚度為WC、XjC和反擴距離相加，約75～80μm。

基區(qū)寬度WB是一個極其重要的幾何參數(shù)，它的大小直接影響到最高擊穿電壓V(BR)CBO、V(BR)CEO、電流放大系數(shù)β等電參數(shù)，同時也影響雙極型大功率器件的二次擊穿耐量。為了提高抗二次擊穿耐量、提高熱穩(wěn)定性、增加基區(qū)結(jié)深即增加基區(qū)寬度，采取的方法是減小基區(qū)的自偏壓效應(yīng)，避免電流過于集中，從而改善熱穩(wěn)定性[7]。在改進(jìn)設(shè)計中，基區(qū)寬度選取10μm。

3.1.3 泄流電阻設(shè)計

FHD1071型達(dá)林頓晶體管由兩個三極管、一個保護(hù)二極管與泄流電阻組成，結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。其中，ICEO是三極管本身固有的穿透電流，只取決于少數(shù)載流子的濃度和溫度，其值隨著溫度的升高而增大。前級三極管的穿透電流被后級三極管進(jìn)一步放大后，會導(dǎo)致達(dá)林頓管熱穩(wěn)定性變差，電阻R1和R2提供了穿透電流的釋放回路，使穿透電流通過電阻釋放到外面，而不會被后級三極管進(jìn)一步放大，從而提高器件的溫度穩(wěn)定性。

圖3 FHD1071型達(dá)林頓晶體管原理圖

泄流電阻R1、R2的阻值由四個因素確定：熱穩(wěn)定性、輸出特性曲線線性要求、雙結(jié)的擊穿電壓與開關(guān)速度。對于高壓大功率達(dá)林頓器件，熱穩(wěn)定性和線性是主要因素，R1、R2越小達(dá)林頓管的熱穩(wěn)定性越好。但由于R1、R2的分流作用，使得小電流放大倍數(shù)下降嚴(yán)重，輸出特性曲線線性會變差[8]。一般情況下，R1比較大時有利于提高放大系數(shù)線性，R2比較小有利于提高器件的熱穩(wěn)定性。

達(dá)林頓晶體管的放大倍數(shù)隨溫度升高而變大是由兩個因素導(dǎo)致的：一是雙極型器件固有的電流放大系數(shù)的正溫度系數(shù)特性；二是泄流電阻阻值的正溫度系數(shù)。由于泄流電阻阻值隨溫度升高而變大，這就使得其對基極電流的分流作用隨溫度升高而減弱，導(dǎo)致前級三極管的注入電流增加，使達(dá)林頓晶體管總體放大倍數(shù)增加。

半導(dǎo)體擴散電阻隨溫度的變化率與擴散方塊電阻（R□）大小有關(guān)，方塊電阻值比較小時，溫度變化率也較小。硼擴散情況下，方塊電阻對應(yīng)溫度系數(shù)變化規(guī)律如表1所示。

綜上可知，采用硼擴散薄層電阻值較小的擴散電阻設(shè)計對器件穩(wěn)定性有改善作用，但R□不能設(shè)計得太小，它會影響器件的開啟速度，又影響器件放大倍數(shù)的調(diào)整。改進(jìn)設(shè)計中，選用R□=90～100Ω/□；基區(qū)的表面濃度為8×1017～1×1018cm-3，使得在150℃時的電阻值只增加20%，對放大倍數(shù)的影響減到最輕。R1的取值為1.5～2 kΩ，采用發(fā)射區(qū)下方夾層電阻和基區(qū)電阻并聯(lián)的方式，使溫度對電阻的影響變??；對R2的取值為150～200Ω，為發(fā)射區(qū)下的基區(qū)橫向電阻。電阻分布具體結(jié)構(gòu)示意圖如圖4。

圖4 電阻分布示意圖

3.2 器件工藝設(shè)計

3.2.1 摻氯氧化與表面氮化硅低溫淀積

產(chǎn)品在制作工藝中，在基區(qū)氧化和基區(qū)硼再擴散的氧化過程采用摻氯氧化，具體工藝過程為：

當(dāng)爐溫升到1050～1100℃時，將攜帶三氯乙烯、流量為100 mL/min的氧氣通入爐管中，反應(yīng)時間30～40min。在高溫下氯離子與鈉離子反應(yīng)生成氣態(tài)氯化鈉，隨保護(hù)氣體被帶出爐管，可有效減少二氧化硅薄膜中鈉離子沾污，提高氧化層質(zhì)量，減少器件表面漏電，從而減小ICBO和ICEO。

在芯片的表面采用PECVD氮化硅工藝。這一步屬于制成芯片的最后一道工藝，除了壓焊區(qū)以外的有源區(qū)均被氮化硅膜覆蓋。氮化硅膜介質(zhì)特性優(yōu)于二氧化硅膜，對可動離子阻擋能力強，化學(xué)穩(wěn)定性好，通常不需要太厚就可起到表面鈍化的作用。本產(chǎn)品選用膜厚為200 nm的氮化硅，作為最后的保護(hù)膜，可有效減少表面沾污對器件的影響，也可防止意外的損傷，提高器件的可靠性，也包括器件的高溫穩(wěn)定性。

3.2.2 管芯背金工藝改進(jìn)

芯片背面經(jīng)過氣體噴砂或背面減薄工藝處理后，需要進(jìn)行背面電極集電極的制作。管芯背面金屬電極采用多層金屬（鈦、鎳、銀三層）的結(jié)構(gòu)。為了提高背面金屬的焊接強度，在蒸發(fā)工藝過程結(jié)束后采用升高蒸發(fā)臺的腔體溫度至300℃的方法，實現(xiàn)鈦層金屬與硅的微合金化，從而提高牢固性，減小接觸熱阻[9]。

另外，增加銀層的厚度至1.5μm，以提高芯片與管座的粘潤質(zhì)量，增加焊接的強度。采用真空燒結(jié)工藝，減少空洞的產(chǎn)生。實際測試表明，空洞率可控制在5%以內(nèi)，芯片表面實際外觀如圖5所示。

圖5 X射線下的空洞照片

4 測試結(jié)果

結(jié)合產(chǎn)品橫/縱向參數(shù)、熱穩(wěn)定及可靠性的設(shè)計改進(jìn)，采用不同的基區(qū)方阻，分R□=90～100Ω/□和190～200Ω/□兩個條件投產(chǎn)了兩個批次，每批次10片，共計20片，具體工藝過程如下：

硅材料一次氧化→箝位二極管光刻→硼擴散→基區(qū)光刻→基區(qū)擴散→發(fā)射區(qū)擴散→電極孔光刻→正面蒸鋁→鋁反刻→合金→PECVD氮化硅→壓焊點光刻→刻蝕→背面處理→背面金屬化→劃片→測試→焊接→鍵合→封帽→測試→篩選→入庫。

在封裝工藝中，采用TO-257封裝形式，對其中的20只樣品進(jìn)行產(chǎn)品一致性檢驗。分別取3只進(jìn)行了高低溫和熱阻測試，測試結(jié)果詳見表2～表4。

表2 漏電流I CEO測試結(jié)果單位/μA

表3 放大倍數(shù)測試結(jié)果

表4 熱阻值測試結(jié)果單位/(℃·W-1)

從測試數(shù)據(jù)來看，各參數(shù)合格，熱阻值能夠達(dá)到改進(jìn)設(shè)計的目標(biāo)。通過合理的設(shè)計與工藝調(diào)整，改善了達(dá)林頓晶體管的熱穩(wěn)定性及產(chǎn)品的可靠性。

5 結(jié)束語

根據(jù)產(chǎn)品主要電參數(shù)的要求，在滿足基本電參數(shù)的同時，重點優(yōu)化了產(chǎn)品工作的熱穩(wěn)定性。通過合理的器件的橫/縱向設(shè)計，在常規(guī)擊穿電壓中引入穿通型電壓設(shè)計，采用合適的基區(qū)表面濃度和基區(qū)寬度，保證了器件的飽和壓降。通過電阻合理的設(shè)計，減小放大倍數(shù)受到的影響，得到了較小的高低溫變化率，增加了器件的工作穩(wěn)定性。通過芯片表面的鈍化工藝和摻氯氧化，有助于減小表面漏電，提高器件的可靠性。通過合適的金屬化、燒結(jié)工藝和封裝形式，減小了熱阻，提高了產(chǎn)品的熱穩(wěn)定性。