第20卷第8期半导体学报Vol.20,No.81999年8月CHINESEJOURNALOFSEMICONDUCTORSAug.,1999深阱RF功率双极晶体管雪崩击穿特性的模拟分析张玉才胡思福(电子科技大学微电子科学与工程系成都610054)摘要本文提出一种能有效提高RF功率晶体管雪崩击穿电压和频率特性的晶体管结构2深阱RF功率双极晶体管,并且采用MEDICI分析软件研究了影响器件特性的一些因素:深阱阱壁的宽度与深度、阱壁填充介质、界面电荷以及场板.采用这种技术的功率晶体管(VHF,线性输出功15-3率15W)的结构参数为NC=710×10cmN型外延层,集电结结深XJC=013Lm,未掺杂多晶硅填充深槽.典型的器件雪崩击穿电压为BVCBO=72V,截止频率116GHz;并且该晶体管具有较小的漏电流(～20LA).这初步显示了深阱结构在RF功率晶体管中的应用价值.EEACC:1350F,2560J,2530B,25501引言目前有许多种技术用于提高功率高压器件的雪崩击穿电压:从场限环、(电阻)场板、正负斜面到结终端扩展、可变表面掺杂(VLD)等.这些技术的效率一般能达到平行平面结耐压值的80%～95%.几乎所有这些技术(正斜面除外)都是沿结表面扩展耗尽层以降低结表面由曲率效应引起的高电场,从而提高击穿电压.在RF功率晶体管中,由于为提高频率特性而采用浅结,结表面曲率效应更加严重;必需采用有效的技术以提高耐压,比如采用前述各种技术.但是,由于沿集电结结表面扩展耗尽层(以及在某些技术如VLD中结面积的增加)会增加结电容,从而降低晶体管的截止频率;其次,增加的集电结面积(如在VLD中)均处于无源基区下,这使得晶体管图形优值降低,不利于提高频率特性;其三,空间电荷区在半导体表面的扩展易导致漏电流增加,不利于提高RF功率晶体管的功率增益和耗散功率.本文叙述一种新的晶体管结构——“深阱晶体管”.它几乎能完全截去柱面结和球面结,从而消除它们带来的曲率效应,几近理想地提高PN结的雪崩击穿电压;并且几乎不产生耗尽层的扩展,从而避免增加结电容.这种技术能有效地提高晶体管的图形优值,提高截止频率,减小漏电流,改善RF功率晶体管的性能.本文首先描述了“深阱晶体管”的器件结构及工作原理.然后采用MEDICI[3]等软件分张玉才男,1972年出生,博士研究生,主要研究方向:RF半导体器件与工艺,Emil:lme@mail.sc.cninfo.net胡思福男,1938年出生,教授,主要研究方向:半导体器件与微细加工技术1998203228收到,1998206225定稿8期张玉才等:深阱RF功率双极晶体管雪崩击穿特性的模拟分析986析对耐压等特性产生影响的一些因素:阱壁宽度与深度、阱壁填充介质、界面电荷、场板.采用深阱结构的RF功率晶体管DWT22取得了较高的雪崩击穿电压和截止频率,显示了这种结构在RF功率晶体管中的应用价值.2深阱晶体管的结构和工作原理普通注入ö扩散结由于横向扩散效应在矩形扩散窗口的四边会形成柱面结,在四角会形成球面结.深阱晶体管的结构如图1所示.采用反应离子刻蚀(RIE),先在扩散窗口的四周刻蚀一环形深槽阱壁(槽宽1～5Lm,槽深1～2Lm);在槽中填充介质后,用化学机械抛光法(CMP)平整芯片表面;再氧化或淀积一层SiO2;最后开出扩散窗口,用注入或扩散法形成PN结.在这种结构中由于可以将扩散窗口做得略宽于或等于环状深阱,在SiO2扩散边界的限制下,杂质在硅中仅存在纵向扩散,因而柱面结和球面结完全被消除.如果不考虑在阱壁深槽填充介质与外延层体硅界面处杂质扩散略有差异,那么最终的冶金结面将完全是平行平面结.因为在结边缘体硅与深槽填充介质介电性能不一样,所以结的耗尽层和电场分布与平行平面结仍然有差异;但是经计算机模拟分析(详见下节),这种差异一般不大,而且可以设法减小甚至消除.因此,具有这种结构的晶体管能具有比较理想的雪崩击穿电压;而且一般仅有轻微的耗尽层扩展,减小了无源区的结面图1深阱晶体管的结构积,器件表面态的影响小,漏电流也较小,所以晶体管的截止频率随之提高,器件综合特性得到有效改善.3数值模拟与定性分析在深阱晶体管这种结构中,涉及到阱边缘体硅与深阱的结构参数、填充介质性质等诸多因素的相互作用,采用解析方法有一定的难度.我们采用MEDICI及PISCES2IIB模拟软件以深入分析这些因素对空间电荷区、电场及雪崩击穿电压的影响.模拟软件求解边值问题的二维泊松方程、连续性方程及输运方程,可得到晶体管中电场分布、载流子分布以及各种有关的器件特性.我们针对一组典型的VHF功率晶体管的情形