半导体物理与器件 教学课件作者 裴素华 第6章 Ga在SiO2SI结构下的开管掺杂.pptVIP

第6章 Ga在SiO2/Si结构下的开管掺杂 6.1 Ga在SiO2/Si系开管掺杂的背景6.1.1 传统扩散杂质的选择 6.1.3 Ga在SiO2/Si系下单温区开管掺杂的产生 经多次实验证明，Ga在裸硅下的开管掺杂和在SiO2/Si系下的开管掺杂具有两种不同的掺杂效应，得到两种截然不同的掺杂效果。由于裸硅表面存有大量悬挂键且暴露在气相中，易造成分子、原子和离子类型的杂质污染，在高温下很容易形成Ga的局部富集产生合金点、凹坑和硅片边缘的棉絮状物质，扩散表面不均匀、重复性差；而Ga在SiO2/Si系下扩散，扩散表面状况良好，不容易产生合金点和腐蚀坑，扩散浓度容易控制而且重复性好。 6.2 开管扩镓原理6.2.1 扩散装置与系统内的化学反应 6.2.2 开管扩镓的主要步骤 开管扩镓的整个过程包括氧化、预沉积和再分布三个主要步骤完成。 1．冷水自然滴法氧化 实验得出，冷水自然滴法的氧化速率和SiO2薄膜的致密度均介于常规湿氧氧化和干氧氧化之间，该方法要求在结束氧化前的10分钟停止滴水。一般氧化温度设定为1150℃，滴水速率为20～30滴/min。 2．Ga的预沉积 3．Ga的再分布 开管扩镓可在同一扩散炉内，先后完成预沉积和再分布，再分布后的硅片直接进行一次光刻，刻出发射区窗口，中间不需要做任何处理，以下工序同常规工艺。 6.2.3 Ga在SiO2/Si结构下的扩散原理 首先制备掺杂时间不同的扩散样品，分别用几种不同的测试手段对样品进行测量与表征，然后根据测试结果进行论述 。 1．样品的制备 在同一扩散条件下，分别进行10min掺杂+10min恒温，20min掺杂+10恒温，30min掺杂+10恒温，制备出三种掺杂时间不等的扩散样品。设上述三个样品编号为K1、K2、K3。 2．样品的测试与表征 用HF溶液去掉SiO2薄层，用SDY-4型数字式四探针测试仪测量表面方块电阻，对每个样品的中心位（a）、上（b）、下（c）、左（d）、右（e）5个均匀分布的点进行R□测量，其结果见表 6.3 Ga在SiO2/Si结构下的分布规律6.3.1 开管扩镓模型的初步建立 6.3.2 Ga在SiO2/Si结构的分布规律 6.3.3 Ga在SiO2-Si界面上的分凝效应 6.4 Ga基区晶体管6.4.1 Ga基区晶体管的制备及其电学性能 6.4.2 Ga基区晶体管的负阻效应 6.4.3 Ga基区晶体管的完善与展望 6.5 开管扩镓技术在电力电子器件中的应用 6.5.1 Ga阶梯式深结分布在普通晶闸管中的应用 6.5.2 Ga的高斯分布在快速晶闸管中的应用 1．Ga基区晶体管的制备 Ga基区晶体管的制作流程为：硅片清洗→一次氧化→开管扩镓形成基区（低浓度掺杂→结深推移→高浓度掺杂）→一次光刻磷发射区→磷扩散→后同常规，制备出NPN高反压晶体管。 2．Ga基区晶体管的综合电学性能 电学参数具有良好的一致性和重复性，针对高反压晶体管存在的问题，解决并提高了产品合格率、提高了反压水平、改善了电流特性，达到优质、高产、低耗之目的，为我国的高压器件开辟了一条新的制备途径。 Ga基区晶体管最突出的优势在于，在保证其他参数优良的前提下，显著提高了器件的耐压水平。其主要机理为： （1） Ga的线性缓变结 利用开管扩镓技术其掺杂浓度随意可调、任意组合的优势，在制备基区时，首先进行低浓度掺杂和结深推移相结合，在PN结前沿形成缓变式杂质分布，如图所示。 Ga基区缓变式杂质分布 （2） SiO2对重金属的屏蔽 Ga扩散晶体管具有高电压的原因还应归于SiO2薄层的覆盖。因SiO2薄膜可以较好地屏蔽重金属杂质（Au、Fe、Cu等）的扩散，因为它们在SiO2中表现为慢扩散特性（例如在1200℃下，重金属在SiO2中的扩散系数约为10-14cm2/s，而同温度下在硅中的扩散系数约为10-6cm2/s），最大程度地减少了由重金属原子造成的复合中心密度，使反向电流，特别是高温下的反向电流减小，亦有助于耐压的提高和产品合格率、优品率的提高。 所谓负阻效应，是指晶体管在BUCEO发生击穿后，电压随电流升高而下降，待下降至某一值后再一次真正击穿，该现象称为负阻效应。 两种晶体管的IC-UCE负阻特性比较 两种晶体管小电流下放大系数比较 为什么扩镓晶体管的负阻特性尤为明显呢？ Ga杂质在近硅表面继预沉积和再分布屡次丢失的基础上又一次丢失，从而导致了近硅表面Ga的耗尽特性，如图所示。 磷扩散后的Ga基区近硅表面的浓度分布 由于Ga在近硅表面微区域的耗尽特性，其一会导致发射结侧空间电荷区宽度增加，引起发射结势垒