彭洪，王蕾，謝儒彬，顧祥，李燕妃，洪根深

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十八研究所，江蘇無(wú)錫 214035）

0 引言

BCD（Bipolar、CMOS、DMOS）工藝是一種同時(shí)結(jié)合了雙極器件、CMOS 器件和DMOS 器件的單片IC制造工藝，其優(yōu)勢(shì)是可以將高精度模擬的雙極、高集成度的CMOS 和高功率級(jí)別的DMOS 自由選擇并集成到單片IC 上[1-2]。MOS 器件具有溫度穩(wěn)定性較好、噪聲系數(shù)小等優(yōu)點(diǎn)，目前商用BCD 工藝一般將DMOS作為輸出管。而雙極晶體管是一種電流控制器件，通過(guò)控制基區(qū)電流來(lái)控制輸出電流，因此雙極晶體管的輸出電阻要優(yōu)于MOS 器件，在一些功率輸出電路中得到應(yīng)用[3-4]。

與其他使用雙極型的電路不同的是，集成了雙極型功率器件的電路需要在較大輸出功率條件下工作同時(shí)具有承受較高電流的能力[5-6]。此外，雙極型功率晶體管與MOS 器件最大的區(qū)別是雙極器件既有多子導(dǎo)電，又有少子導(dǎo)電，因此其工作行為較MOS 器件來(lái)說(shuō)更為復(fù)雜，隨著電流的增大、功率的提高，在低壓、低電流工作下未顯現(xiàn)出的矛盾將會(huì)被放大顯現(xiàn)。常規(guī)商用BCD 工藝中的雙極晶體管一般用于電流開(kāi)關(guān)，所需要的電流為μA 級(jí)別，這與大電流下工作的功率三極管所需要的電流相差較大，器件設(shè)計(jì)也未在大電流下進(jìn)行優(yōu)化。而針對(duì)功率三極管輸出的電路，需要研制可集成的功率雙極晶體管。本文基于本單位的BCD工藝平臺(tái)進(jìn)行流片，基于BCD 工藝平臺(tái)開(kāi)發(fā)縱向功率NPN 晶體管，并研究縱向NPN 晶體管在大電流下的發(fā)射區(qū)結(jié)電流集邊效應(yīng)。

1 可集成功率雙極晶體管及發(fā)射極電流集邊效應(yīng)

1.1 可集成功率雙極晶體管

BCD 工藝已廣泛地應(yīng)用在電源電路、LED 驅(qū)動(dòng)等高壓電路中，該工藝主要包含了Bipolar、CMOS 和DMOS 器件，BCD 工藝結(jié)構(gòu)剖面如圖1 所示。雙極晶體管由基極、發(fā)射極和集電極組成，其中發(fā)射極的摻雜濃度最高，基區(qū)的摻雜濃度次之。以NPN 晶體管為例，當(dāng)集電極電壓高于基極電壓，且基極電壓高于發(fā)射極電壓時(shí)，晶體管將處于放大狀態(tài)，發(fā)射極與基極的PN 結(jié)注射過(guò)來(lái)的空穴可在反偏的集電極與基極的PN 結(jié)造成大電流[2,5-7]。

圖1 BCD 工藝結(jié)構(gòu)剖面

在集成的功率雙極晶體管中，電極都要通過(guò)大電流，因此需要降低整個(gè)器件電流傳輸?shù)碾娮?。在工藝上，集電極部分會(huì)采用埋層工藝，先將N 型埋層注入指定的位置，形成集電極的收集區(qū)，外延后再通過(guò)高濃度注入與埋層連接，形成N 型引出。而在器件設(shè)計(jì)上，基極、發(fā)射極、集電極的設(shè)計(jì)及引出方式也都會(huì)影響最后器件的放大能力，其中在大電流下，發(fā)射極的設(shè)計(jì)較為關(guān)鍵。

1.2 雙極晶體管的發(fā)射極電流集邊效應(yīng)

發(fā)射極電流集邊效應(yīng)是雙極晶體管工作時(shí)產(chǎn)生的基本物理現(xiàn)象之一[8]，其現(xiàn)象總體可概括為，在雙極晶體管中存在一定的基極電阻，正偏下的發(fā)射結(jié)產(chǎn)生的電流在流動(dòng)中產(chǎn)生了電壓降，導(dǎo)致基區(qū)各個(gè)位置的電位不同[9]。而在大電流輸入的情況下，這種現(xiàn)象將會(huì)被放大，使得基極電流基本上都集中到了發(fā)射結(jié)的周?chē)斐墒占氏陆?，器件功耗增大[10-12]。

早在1971 年，J.Olemstead 等人建立了描述雙極晶體管發(fā)射極電流集邊效應(yīng)的微分方程，一直以來(lái)不斷有研究者對(duì)該效應(yīng)下的微分解進(jìn)行研究。林鴻生等人提出，在大電流工作條件下，若發(fā)射區(qū)邊緣的電位與發(fā)射區(qū)中心的電位差低于熱電勢(shì)VT時(shí)，此時(shí)電流能力主要由發(fā)射區(qū)的面積決定，有效發(fā)射極面積也與版圖基本一致[13]。當(dāng)發(fā)射區(qū)邊緣的基區(qū)電位與發(fā)射區(qū)中心的電勢(shì)差高于3.31VT時(shí)，此時(shí)邊緣處的電流密度為有效發(fā)射寬度處的10 倍，器件的最大電流能力將由發(fā)射區(qū)面積與發(fā)射區(qū)有效周長(zhǎng)的比值決定，若再進(jìn)一步加偏壓，注入電流將幾乎全被邊緣極窄的區(qū)域吸收，器件的電流能力也將只由發(fā)射區(qū)周長(zhǎng)決定[13-15]。因此，在設(shè)計(jì)和使用器件的過(guò)程中，不能一味地增大基區(qū)偏壓來(lái)提升器件的輸出電流，要優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，從而達(dá)到最優(yōu)效果。

2 雙極晶體管設(shè)計(jì)

2.1 大電流下雙極晶體管的器件結(jié)構(gòu)及版圖設(shè)計(jì)

商用工藝的雙極晶體管一般用圖2 所示的環(huán)形結(jié)構(gòu)，發(fā)射極（E）位于器件的中心，集電極（C）位于最外圈，基極（B）在中間。這種結(jié)構(gòu)的好處在于集電極能夠很好地收集載流子，但當(dāng)需要通過(guò)大電流時(shí)，發(fā)射極面積增大會(huì)使得整個(gè)器件的面積顯著增大，因此環(huán)形結(jié)構(gòu)不適合功率雙極晶體管。本設(shè)計(jì)使用條形的發(fā)射極和基極叉指交替排列在基區(qū)上，在基區(qū)外設(shè)計(jì)一圈集電極用于載流子的收集。

圖2 環(huán)形雙極晶體管

雙極晶體管由于存在大電流下的電流集邊效應(yīng)，為了適應(yīng)電路中雙極晶體管大電流的應(yīng)用，如果只一味地增大發(fā)射結(jié)面積，輸出電流可能并不會(huì)顯著地增大，并且會(huì)占用很大的版圖面積。理論研究結(jié)果表明，發(fā)射極的周長(zhǎng)與發(fā)射極面積的關(guān)系對(duì)大電流下的增益有一定影響，即需要增大發(fā)射極版圖周長(zhǎng)與發(fā)射極版圖面積的比值。在相同發(fā)射極面積的情況下，應(yīng)盡可能地設(shè)計(jì)細(xì)長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)來(lái)降低發(fā)射極電流集邊效應(yīng)的影響。

本次流片使用P 型襯底N 型外延材料片，根據(jù)工藝能力，設(shè)計(jì)了75 μm×4 μm、50 μm×6 μm、30 μm×10 μm 三種不同尺寸的發(fā)射極，三種版圖的周長(zhǎng)與面積的數(shù)值比分別為0.527∶1、0.373∶1、0.267∶1。

2.2 大電流下雙極晶體管的TCAD 仿真研究

本文使用Sentaurus TCAD 仿真軟件對(duì)三種不同結(jié)構(gòu)進(jìn)行SDE 三維器件結(jié)構(gòu)仿真。器件設(shè)計(jì)目標(biāo)為工作電壓是15 V 的NPN，根據(jù)前期器件設(shè)計(jì)結(jié)果，發(fā)射極與基極之間的距離為4 μm，集電極距離基區(qū)10 μm可滿足工作電壓為15 V 的需求。SDE 器件建模首先定義P 襯底和N 型外延的厚度與摻雜，再依次對(duì)集電極、基區(qū)、發(fā)射極、基極的位置進(jìn)行摻雜定義，最后淀積金屬并對(duì)電極進(jìn)行定義。NPN 雙極晶體管SDE 仿真結(jié)構(gòu)如圖3 所示，器件最外圍一圈是集電極，用于載流子的收集與引出，中間部分為基區(qū)，發(fā)射極與基極叉指排列。Sentaurus Device 為高級(jí)多維仿真器，能夠?qū)ζ骷碾妼W(xué)、熱力學(xué)以及光學(xué)等性能進(jìn)行仿真。使用Sentaurus Device 對(duì)SDE 仿真結(jié)構(gòu)進(jìn)行電學(xué)仿真，設(shè)計(jì)的三個(gè)器件發(fā)射極面積一致，在器件的基極加上100 mA 的恒定電流，在集電極上加15 V 的掃描電壓，不同發(fā)射極尺寸下NPN 雙極晶體管放大系數(shù)仿真曲線如圖4 所示，其中VC為集電極電壓，IC為集電極電流，NPN 雙極晶體管SDE 仿真結(jié)果如表1 所示。

表1 NPN 雙極晶體管SDE 仿真結(jié)果

圖3 NPN 雙極晶體管SDE 仿真結(jié)構(gòu)

圖4 不同發(fā)射極尺寸下NPN 雙極晶體管放大系數(shù)仿真曲線

圖5 為NPN 雙極晶體管仿真電勢(shì)分布圖。Sentaurus Device 的仿真結(jié)果顯示，在大電流的注入下，發(fā)射結(jié)下的電勢(shì)呈現(xiàn)向中間減弱的趨勢(shì)，當(dāng)發(fā)射極的寬度較小時(shí)，電勢(shì)的分布相對(duì)均勻，在發(fā)射極下方因基區(qū)電阻形成的低場(chǎng)強(qiáng)面積較小。發(fā)射極的寬度進(jìn)一步增大，電勢(shì)在發(fā)射結(jié)下方的分布呈現(xiàn)向中心減弱的趨勢(shì)。當(dāng)發(fā)射極寬度為10 μm 時(shí)，發(fā)射結(jié)中心的電勢(shì)并沒(méi)有減少至零，因此在該尺寸狀態(tài)下的器件發(fā)射極有效面積與實(shí)際版圖面積會(huì)有一定程度的減小，但還沒(méi)有降低太多，進(jìn)一步增大發(fā)射極寬度可能會(huì)使得發(fā)射極外圍的電勢(shì)進(jìn)一步降低，參與工作的發(fā)射極的有效面積比例進(jìn)一步降低。

圖5 NPN 雙極晶體管仿真電勢(shì)分布

2.3 流片結(jié)果討論

基于TCAD 的仿真結(jié)果，雙極晶體管在同樣的發(fā)射極面積下，發(fā)射極尺寸為75 μm×4 μm 的結(jié)構(gòu)要優(yōu)于發(fā)射極尺寸為50 μm×6 μm 和30 μm×10 μm 的結(jié)構(gòu)。因此，在實(shí)際流片中，將TCAD 仿真建模使用的版圖1∶1 放入工具版中進(jìn)行流片驗(yàn)證。從集成工藝的角度來(lái)說(shuō)，只需要為雙極晶體管加一塊基區(qū)注入專(zhuān)用的光刻版即可，其余光刻版均可與CMOS 和DMOS共用。

本文基于本單位的BCD 工藝平臺(tái)流片，并對(duì)流片的器件進(jìn)行測(cè)試和解剖分析。圖6 為發(fā)射極尺寸為75 μm×4 μm 的雙極晶體管器件解剖染色圖，從圖中可以看出集電極的引出、集電極的埋層、基區(qū)等注入位置與設(shè)計(jì)一致，發(fā)射極和基極均勻地交叉排列在基區(qū)上方，基區(qū)下方注入了N 型埋層，器件的集電極N型引出通過(guò)與該埋層連接可在基區(qū)下方直接收集載流子，降低導(dǎo)通路徑上的電阻。

圖6 發(fā)射極尺寸為75 μm×4 μm 的雙極晶體管器件解剖染色圖

采用Keysight B1505 半導(dǎo)體參數(shù)測(cè)試儀并配合半自動(dòng)探針臺(tái)對(duì)雙極晶體管進(jìn)行電學(xué)性能測(cè)試。測(cè)試條件為發(fā)射極使用源/測(cè)量單元（SMU）接0 V，基極通過(guò)SMU 給予恒定電流，集電極通過(guò)SMU 給予0～15 V的掃描電壓。NPN 雙極晶體管在基極電流為100 mA下的五點(diǎn)測(cè)試結(jié)果如表2 所示，不同發(fā)射極尺寸NPN晶體管放大系數(shù)實(shí)測(cè)曲線如圖7 所示。

表2 NPN 雙極晶體管實(shí)測(cè)結(jié)果

圖7 不同發(fā)射極尺寸NPN 晶體管放大系數(shù)實(shí)測(cè)曲線

流片結(jié)果顯示，圓片內(nèi)NPN 器件五點(diǎn)分布均勻，性能正常，具有可對(duì)比性。在發(fā)射極尺寸為75 μm×4 μm 的情況下，器件的性能最優(yōu)，在100 mA 基極電流下能夠得到平均480 mA 的輸出電流。隨著發(fā)射極周長(zhǎng)與面積比值的降低，器件的放大能力進(jìn)一步減弱，在30 μm×10 μm 的發(fā)射極尺寸下平均輸出電流為425 mA，放大能力降低了約11.4%，降低的原因是發(fā)射極寬度的增大導(dǎo)致有效面積減小，該趨勢(shì)與仿真趨勢(shì)一致。

3 結(jié)論

本文基于本單位的BCD 工藝平臺(tái)流片，在集成CMOS 與DMOS 的工藝基礎(chǔ)上集成了功率輸出NPN雙極晶體管，與常規(guī)商用工藝雙極晶體管的環(huán)形設(shè)計(jì)不同的是使用叉指結(jié)構(gòu)的發(fā)射極和基極，設(shè)計(jì)了發(fā)射極尺寸分別為75 μm×4 μm、50 μm×6 μm、30 μm×10 μm 的三種不同發(fā)射極周長(zhǎng)與面積比的版圖器件。同時(shí)進(jìn)行TCAD 仿真研究及流片驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，發(fā)射極周長(zhǎng)與面積比小會(huì)導(dǎo)致發(fā)射極電流集邊效應(yīng)的發(fā)生，在發(fā)射結(jié)下方的電勢(shì)減弱，器件在大電流下的放大能力會(huì)降低，三個(gè)器件結(jié)構(gòu)在100 mA 下的實(shí)測(cè)放大倍數(shù)分別為4.80、4.61、4.25。在本文設(shè)計(jì)的器件尺寸仿真中，發(fā)射結(jié)下方還未出現(xiàn)電勢(shì)為零的情況，這是由于該工藝下基區(qū)濃度較高或者發(fā)射極寬度設(shè)計(jì)還未達(dá)到設(shè)計(jì)的極限。在版圖設(shè)計(jì)中應(yīng)盡可能地設(shè)計(jì)周長(zhǎng)與面積比大的細(xì)長(zhǎng)條發(fā)射極，從而提升器件在大電流下的放大能力。