高壓大功率晶體管3DD155K抗輻照設計

高廣亮，張小平，劉 帥，蘇 舟，王朝瑩，劉 威

（錦州遼晶電子科技有限公司，錦州 121011）

1 引言

隨著空間技術、核武器及核能技術的發展，越來越多的電子裝備被應用于各種輻射環境中，受極端使用條件的影響，性能會發生變化，甚至整體裝備失效[1]。在眾多的電子元器件類別中，半導體器件受輻射的影響最為敏感?？臻g中的高能輻射在半導體器件中引入大量缺陷，對器件的可靠性造成嚴重威脅。為保證電子器件在輻照環境下能夠可靠地工作，必須要提高半導體器件抗電離輻射的能力，特別是對于雙極型晶體管。由于雙極晶體管具有良好的電流驅動能力、線性度及匹配特性，在模擬或混合集成電路中有著重要的應用。雙極晶體管經常用于空間系統，提高其抗輻照能力尤為重要[2]。本研究嘗試以NPN型晶體管3DD155K為例，從輻照機理出發，探討設計和工藝過程中的加固方案及措施。

2 輻照損傷機理分析

輻射對半導體雙極器件造成的損傷的機理主要包括位移效應與電離效應[3]。位移效應是指輻射粒子與晶體原子相互作用，使原子獲得足夠的能量，從而能夠離開原有的位置，以此形成缺陷。此類缺陷所帶來的影響可歸納如下：①缺陷主要引起載流子壽命降低，而原材料的載流子壽命（原材料缺陷多的情況除外）如果原本很低，受輻射的影響就較小，相當于提高了抗輻射能力。②原摻雜濃度高的材料，輻射容限也高，只有當輻射產生的缺陷密度接近于摻雜濃度時，才會有明顯的影響。

電離效應是指電離輻射在材料中引起原子電離，產生出正離子和自由電子，即電子-空穴對。材料會因為電離而改變特性。對于半導體器件影響最大的電離輻照效應是表面損傷效應，這種損傷一般發生在半導體器件絕緣薄膜（SiO2）中，以界面態體現出來，它會導致少數載流子表面復合率增加，減少基區輸運系數，從而減少電流增益。對于NPN晶體管，發射結上氧化層中感生的正氧化物陷阱電荷的積累使P型基區的表面被耗盡，產生的耗盡區向P型基區擴展，結果導致總的耗盡表面積增加，如圖1所示。這種耗盡層面積的增加會使表面的復合電流增加[4]。

圖1 SiO2/Si界面處輻照誘生正電荷的影響

3 抗輻照加固措施

基于上述輻照損傷機理，對大功率NPN雙極型晶體管進行抗輻照設計時，需兼顧可靠性設計[5]。具體體現在，要對產品的結構設計和工藝進行優化，保證產品輻照后的飽和壓降、放大倍數等參數滿足設計指標，同時也要滿足產品的功率要求。

3.1 結構設計

3.1.1 耐壓設計

依據加固理論：在保證耐壓的前提下應盡量提高單晶的摻雜濃度、減少高阻區的厚度、減薄WC，采用穿通型電壓以獲得較低的飽和壓降，同時提高器件的抗輻照能力[6]。器件縱向結構如圖2所示。

圖2 器件縱向結構示意圖

取VBRCEO=800V，hFE=60（取小電流放大倍數），按下式計算：

可求得VBRCBO=2235V。再依據下式：

求得材料的電阻率ρC為68Ω·cm?？紤]到設計容量，選擇電阻率70～75Ω·cm的N型單晶。高阻層厚度由集電結擊穿的最大空間電荷區Xm(CB)決定，即：

將ρC=68Ω·cm和VBRCBO=2235V帶入式(3)，求得Xm(CB)=207μm。

為提高抗輻照能力，選擇穿通設計，取VBRCBO(穿通)=1676V，按照下式：

計算得出高阻層厚度WC=105μm?？紤]到抗二次擊穿耐量，高阻層厚度為WC≥VBRCEO/EM。其中EM為最大電場強度。加上集電結結深XjC=20～25μm的總和，厚度為125～130μm的高阻層可滿足設計要求。所以選擇N型三重擴散片，電阻率為70～75Ω·cm，高阻層厚度為125～130μm。

3.1.2 基區寬度與基區濃度

依據抗輻照加固理論，較小的少子壽命和較薄的基區寬度可以獲得較高的抗輻照能力[6]。但基區濃度升高意味著基區輸運系數減小，不利于放大倍數的調節，所以需要折中設計，選擇7×1017cm-3的表面濃度。

基區寬度大小直接影響最高擊穿電壓VBRCBO、VBRCEO、電流放大系數、特征頻率等電參數，所以要依據最高工作電壓確定Wb的最小值，即下限值?；鶇^寬度要滿足擊穿電壓指標而不被穿通，最終尺寸選取12～15μm。

3.1.3 發射區尺寸

由于產品的頻率不是很高，所以在設計上采用梳狀均流設計。遵循雙極結型晶體管發射極周長與面積之比值越小抗輻照能力越強的原則，在保證大電流特性及抑制發射極電流集邊效應的前提下，選擇合適的發射區周長與面積之比[7]，具體為：LE/AE=1cm/0.0115cm2=85cm-1。

最終設計完成的管芯版圖如圖3所示。

圖3 加固設計后的3DD155K版圖

3.2 工藝上的改進措施

3.2.1 表面鈍化

SiO2介質層是晶體管中對電離損傷最敏感的部位。在γ射線的電離輻射下，晶體管的SiO2介質將產生電離輻射損傷，正電荷會在基區表面的鈍化層中積累，并在SiO2-Si界面誘發新的快表面態[8]。這些現象都將增加基區表面的復合電流，使電流放大系數下降。為了降低電離輻射對放大系數的這一影響，最有效的措施是采用優化的表面鈍化工藝，例如采用Si3N4-SiO2復合鈍化層的MNS（金屬-氮化硅-半導體）或是MNOS（金屬-氮化硅-二氧化硅-硅）結構，都可有效地提高器件的抗γ射線電離輻射的能力。本研究中，在鋁電極合金后采用PECVD方法沉積一層厚度為150nm的氮化硅。

3.2.2 補硼工藝

基區擴散完成后，需要在基區表面增加補硼工藝，以降低SiO2-Si界面及SiO2中輻射誘生電荷對表面復合電流的影響。被減弱的耗盡區將向P型基區擴展，從而減少表面復合，緩解對放大倍數產生的影響。補硼的具體實施工藝是采用硼微晶玻璃GS-245作為擴散源。預擴散工藝溫度設定為1000℃，時間為60分鐘，最終達到的基區表面濃度為1×1019～2×1019cm-3。

4 工藝流程與測試結果

流片的硅片選取電阻率70～75Ω·cm、N型三重擴散片，單面拋光后留下高阻層厚度125～130μm。具體工藝流程為：

一次氧化→去除氧化層→淡硼擴散→去除氧化層→濃硼擴散→發射區光刻→發射區擴散→臺面光刻→臺面鈍化→引線孔光刻→蒸鋁→鋁反刻→鋁合金→PECVD氮化硅→背面減薄→背面金屬化→測試→劃片→粘片→鏡檢→鍵合→封帽→初測→老化。

最終老化測試完成后，取成品管芯4只送哈工大相關檢測單位進行抗輻照試驗。試驗采用輻射源是γ射線（60Co），劑量率1rad(Si)/s,總劑量300krad(Si)，輻照時間83小時，輻照前后的主要參數測試結果數據如表1所示，包括：集電極-發射極反向擊穿電壓VBRCEO、集電極-發射極反向漏電流ICEO、集電極-發射極飽和電壓VCESAT、直流放大倍數hFE。

表1 產品主要參數輻照前后數據對比

從表中可以看出，γ射線（60Co）輻照對擊穿電壓和漏電的影響較小，而對飽和壓降和放大倍數有較大的影響。通過抗輻照加固設計，有效地改善了放大倍數的數值，使之滿足產品設計要求。

5 結束語

從理論分析出發，本研究對NPN型高耐壓大功率晶體管3DD155K的抗輻照性能進行了加固設計，主要以產品的放大倍數和飽和壓降作為設計重點。在滿足高耐壓與高放大倍數的指標條件下，采用穿通型電壓設計，選擇合適的高阻層電阻率及厚度，在減小器件飽和壓降的同時，提高了抗輻照能力。在結構優化基礎上，也針對工藝提出多種改善措施，找到合適的基區寬度與濃度、發射區尺寸，并制作復合型的表面鈍化層，緩解了產品輻照后放大倍數的衰減，從而確保器件在空間工作時少受或不受輻射的影響，能夠保持正常的參數性能。