BCD 工藝中大電流下縱向雙極晶體管的電流集邊效應(yīng)研究

彭洪，王蕾，謝儒彬，顧祥，李燕妃，洪根深

（中國電子科技集團公司第五十八研究所，江蘇無錫 214035）

0 引言

BCD（Bipolar、CMOS、DMOS）工藝是一種同時結(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)勢是可以將高精度模擬的雙極、高集成度的CMOS 和高功率級別的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，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，通過控制基區(qū)電流來控制輸出電流，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 器件來說更為復(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關(guān)，所需要的電流為μA 級別，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)計也未在大電流下進行優(yōu)化。而針對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工藝平臺進行流片，基于BCD 工藝平臺開發(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，晶體管將處于放大狀態(tài)，發(fā)射極與基極的PN 結(jié)注射過來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，電極都要通過大電流，因此需要降低整個器件電流傳輸?shù)碾娮?。在工藝上，集電極部分會采用埋層工藝，先將N 型埋層注入指定的位置，形成集電極的收集區(qū)，外延后再通過高濃度注入與埋層連接，形成N 型引出。而在器件設(shè)計上，基極、發(fā)射極、集電極的設(shè)計及引出方式也都會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)生的電流在流動中產(chǎn)生了電壓降，導(dǎo)致基區(qū)各個位置的電位不同[9]。而在大電流輸入的情況下，這種現(xiàn)象將會被放大，使得基極電流基本上都集中到了發(fā)射結(jié)的周圍，造成收集效率下降，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，一直以來不斷有研究者對該效應(yīng)下的微分解進行研究。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VT時，此時電流能力主要由發(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)中心的電勢差高于3.31VT時，此時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)有效周長的比值決定，若再進一步加偏壓，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)周長決定[13-15]。因此，在設(shè)計和使用器件的過程中，不能一味地增大基區(qū)偏壓來提升器件的輸出電流，要優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)設(shè)計，從而達到最優(yōu)效果。

2 雙極晶體管設(shè)計

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

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)需要通過大電流時，發(fā)射極面積增大會使得整個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顯著地增大，并且會占用很大的版圖面積。理論研究結(jié)果表明，發(fā)射極的周長與發(fā)射極面積的關(guān)系對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)計細(xì)長的結(jié)構(gòu)來降低發(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 仿真軟件對三種不同結(jié)構(gòu)進行SDE 三維器件結(jié)構(gòu)仿真。器件設(shè)計目標(biāo)為工作電壓是15 V 的NPN，根據(jù)前期器件設(shè)計結(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，再依次對集電極、基區(qū)、發(fā)射極、基極的位置進行摻雜定義，最后淀積金屬并對電極進行定義。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)等性能進行仿真。使用Sentaurus Device 對SDE 仿真結(jié)構(gòu)進行電學(xué)仿真，設(shè)計的三個器件發(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)下的電勢呈現(xiàn)向中間減弱的趨勢，當(dāng)發(fā)射極的寬度較小時，電勢的分布相對均勻，在發(fā)射極下方因基區(qū)電阻形成的低場強面積較小。發(fā)射極的寬度進一步增大，電勢在發(fā)射結(jié)下方的分布呈現(xiàn)向中心減弱的趨勢。當(dāng)發(fā)射極寬度為10 μm 時，發(fā)射結(jié)中心的電勢并沒有減少至零，因此在該尺寸狀態(tài)下的器件發(fā)射極有效面積與實際版圖面積會有一定程度的減小，但還沒有降低太多，進一步增大發(fā)射極寬度可能會使得發(fā)射極外圍的電勢進一步降低，參與工作的發(fā)射極的有效面積比例進一步降低。

圖5 NPN 雙極晶體管仿真電勢分布

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，在實際流片中，將TCAD 仿真建模使用的版圖1∶1 放入工具版中進行流片驗證。從集成工藝的角度來說，只需要為雙極晶體管加一塊基區(qū)注入專用的光刻版即可，其余光刻版均可與CMOS 和DMOS共用。

本文基于本單位的BCD 工藝平臺流片，并對流片的器件進行測試和解剖分析。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)測試儀并配合半自動探針臺對雙極晶體管進行電學(xué)性能測試。測試條件為發(fā)射極使用源/測量單元（SMU）接0 V，基極通過SMU 給予恒定電流，集電極通過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下的五點測試結(jié)果如表2 所示，不同發(fā)射極尺寸NPN晶體管放大系數(shù)實測曲線如圖7 所示。

表2 NPN 雙極晶體管實測結(jié)果

圖7 不同發(fā)射極尺寸NPN 晶體管放大系數(shù)實測曲線

流片結(jié)果顯示，圓片內(nèi)NPN 器件五點分布均勻，性能正常，具有可對比性。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)射極周長與面積比值的降低，器件的放大能力進一步減弱，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，該趨勢與仿真趨勢一致。

3 結(jié)論

本文基于本單位的BCD 工藝平臺流片，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)計不同的是使用叉指結(jié)構(gòu)的發(fā)射極和基極，設(shè)計了發(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)射極周長與面積比的版圖器件。同時進行TCAD 仿真研究及流片驗證，實驗結(jié)果顯示，發(fā)射極周長與面積比小會導(dǎo)致發(fā)射極電流集邊效應(yīng)的發(fā)生，在發(fā)射結(jié)下方的電勢減弱，器件在大電流下的放大能力會降低，三個器件結(jié)構(gòu)在100 mA 下的實測放大倍數(shù)分別為4.80、4.61、4.25。在本文設(shè)計的器件尺寸仿真中，發(fā)射結(jié)下方還未出現(xiàn)電勢為零的情況，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)計還未達到設(shè)計的極限。在版圖設(shè)計中應(yīng)盡可能地設(shè)計周長與面積比大的細(xì)長條發(fā)射極，從而提升器件在大電流下的放大能力。