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正向自动增益控制晶体管特性分析与制造工艺

返回列表来源:壹芯微 发布日期 2019-11-08 浏览:-

一、实现正向自动增益控制的特性分析

目前国内生产的正向自动增益控制(AGC)晶体管一般为硅平面NPN高频小功率三极管,如3DG56、3DG79、CG36等型号。国外型号类似的有2SC683、2SC1856、2SC1393等。这类三极管主要用在电视机高频调谐电路和中放电路中,它的作用特点是其功率增益随工作点电流的上升而迅速下降(如图1所示)。这种性能的获的是由于采用了较高电阻率的单晶(或厚

外延层)材料。当电路信号过强

时,正向AGC电路会把该三极管

的偏置抬高,工作电流Ic随之增

大;大电流工作时,由于基区扩

展效应使三极管的fT(β)迅速

下降导致功率增益Gp降低,从而

达到把信号强度控制在一定范围

内的目的。

图1 正向AGC晶体管Gp-Ic

晶体管的功率增益Gp一般表示为:

Gp=fT/8πrbCcf² (1)

式中fT为特征频率;rb为基区电阻;Cc为集电结电容;f为工作信号的频率。

从上式分析可以看出:功率增益的变化一是取决于fT和f的变化;二是rb值的大小依赖于注入基区的电流导致基区扩展情况;两者均与晶体管的工作电流变化有关,特别是大电流特性。总之,有关fT(β)随电流的升高而下降的原因,主要是基区大注入效应和有效基区扩展效应。在基区扩展效应中,纵向和横向的扩展效应均对rb产生影响。

为了制造性能良好的正向AGC晶体管,分析研究正向AGC晶体管的fT(β)随电流的变化规律是必要的。本文以国内的3DG56硅平面NPN高频小功率三极管为例进行解析。它的基本结构和工艺参数如表1所示。fT(β)随电流Ic变化的曲线示于图2。可以看出,fT在小电流时较低,当Ic升到2~3mA时,fT(β)达到最大值(典型工作点为VcE=10V,Ic=3mA,ƒ=200MHz),一般把该点电流称为起控电流Ico;工作电流继续上升,fT(β)先缓慢下降一段后即较快地下降,正向AGC功率增益的变化明显。同时起控电流随Vcb的升高而逐渐后移,但当电 压较高时这种移动不再明显。图中虚线是材料电阻率低于正常管的样管fT-Ic特性曲线;不难发现,材料电阻率ρc对起控电流的影响要比Vcb的影响更明显。

表1 3DG56的基本结构和工艺参数

N型硅单晶:

硅片电阻率ρc=3.5Ω?cm;

硅片厚度Wc=250μm;

晶向<111>,位错密度≤100个/cm²。

主要版图尺寸:

浓硼区条宽Sb'=8-5-5-8μm;

射区条宽Se=2.5-2.5-2.5μm;

基区引线孔条宽Sbl=4μm;

铝引线条宽Sl=4μm;

铝引线条间距Ll=3μm;

发射区有效面积Ae=2.55X10ˉ²˙³㎝²。

扩散工艺参数:

浓硼区表面浓度Nb'≈4x10²°㎝ˉ³;

浓硼区方块电阻Rb'=5±1Ω/□;

浓硼区结深Xjc'=2.0~2.2μm;

淡硼区(基区)表面浓度Nb≈10²ºˉ¹㎝ˉ³;

淡硼区(基区)方块电阻Rb=250~300Ω/□;

淡硼区(集电结)结深Xjc=1.0~1.2μm;

发射区表面浓度Ne≈10²°㎝ˉ³;

发射结结深Xje=0.4~0.6μm。

图2 3DG56的fT-Ic特性

从制管的设计和工艺方面分析,正向AGC晶体管的起控电流主要由集电区掺杂浓度Nc、发射区有效面积Ae、基区掺杂浓度和扩散参数等决定。如集电区掺杂浓度Nc降低,即电阻率ρc增加时,正向AGC晶体管的起控电流提前发生,通过改变集电区电阻率ρc可对正向AGC晶体管的起控电流实现较大范围的调整。发射区有效面积Ae增加,即发射区条宽(或长)增加时,减小了电流密度使正向AGC晶体管的起控电流后移;基区注入电流密度加大,由于基区扩展效应,可使正向AGC晶体管的起控电流提前。

再来分析3DG56fT-Ic规律。由表1可知,3DG56衬底单晶材料的杂质浓度较低,基区浓度较高,版图设计尺寸较小,在工作电流Ic不大的情况下,其电流密度Jc已很客观。在典型工作条件下,集电结势垒的电场较强,电子n通过势垒区可达到极限漂移速度υm,集电极电流密度为Jc(忽略空穴电流)为:

Jc=qυm n (2)

随着Jc上升,当n与集电区杂质浓度Nc相比不可忽略时,它将使势垒区有效杂质浓度降低到Nc-n,从而使势垒宽度展宽为:

δ=[2εεo(Vcb+VD)/q(Nc-n)]½ (3)

由于电子漂移速度υ与电场强度E有关,只有当E≥E′=1.5x10²˙²V/cm时,才有υ=υm=8.5x10²˙³cm/S。假设势垒展宽的极限为:

δm=Vcb/E′ (4)

将(4)代入(3)再代入(2),得到的电流密度极限为(忽略VD不计):

Jc′=qυm(Nc-2εεoE′²/q Vcb) (5)

若令J1=qυmNc,Vcbo=2εεoE′²/q Nc ,则有:

Jc′= J1(1-Vcbo/Vcb) (6)

其中J1表示使集电区空间电荷为零的电流密度;Vcbo表示电流为零时,为保持集电结势垒是强场的最小外加电压。

分析认为Jc′是发生横向有效基区扩展效应的临界电流密度。当电流达到临界电流Ic′后,若电流继续上升,则基区开始横向扩展,以保持电流密度Jc′不变。3DG56的fT(β)随电流的升高而迅速下降主要由这种横向扩展效应所引起的。扩展后的基区宽度为:

Wb′=Wb[1+Se²/4Wb²(Ic/Jc′Ae - 1)²] (7)

式中Se为发射去条宽,Ae为发射区面积,Ic为工作电流。

随着电流的升高,纵向有效基区扩展也相对发生,它的出现加速了fT(β)的下降趋势。本文不再详细论述。

综合以上分析可知,起控电流Ico主要取决于集电结势垒宽度,临界电流Ic′主要取决于Jc′和Ae。根据式(3)和(5),它们均可归结为版图尺寸、工作电压和材料电阻率。在基本设计和使用条件确定的前提下,器件制造为了满足用户的要求,主要采取控制单晶材料电阻率的数值、范围和工艺条件来达到目的。

二、3DG56正向自动增益控制晶体管的制造工艺

1、根据设计要求,制定工艺流程如下:

N型硅单晶片-→硅片清洗-→一次氧化-→一次光刻浓硼区-→浓硼扩散区-→二次光刻基区-→淡硼基区预淀积-→硼再扩散和二次氧化-→三次光刻发射区-→磷扩散发射区-→泡发射区引线孔-→四次光刻基区引线孔-→硅片减薄-→蒸发钛、铝电极-→六次光刻钛、铝电极-→磷蒸气合金-→划片、中测-→管芯烧结、压焊及封装-→电镀-→分选、测测、打印、包装、入库。

2、主要工艺技术如下:

1)硅片的清洗工艺

硅片表面清洗是制造半导体器件的重要环节,清洗过程是3号液-→1号液-→2号液,均煮沸2-3分钟。1号液配比:氨水:H2O2:超纯水=1:2:5;2号液配比:HCI:H2O2:超纯水=1:2:8;3号液配比:H2SO4:H2O2=3:1。最后用HF:H2O=1:10漂10-20秒,除去硅片表面自然氧化层,用超纯水冲洗、烘干备用。

2)一次氧化工艺

a、石英管道处理

在1100-1150℃的温度下,通HCI+O2处理石英管道2小时以上。HCI流量为40-60ml/分,O2为500 ml/分。在硅片氧化前用干O2(800 ml/分)吹管道20分钟。

b、氧化工艺:氧化层厚度≥5000?

氧化条件:炉温1180℃;水温95℃;O2流量800-1000 ml/分;N2流量800-1000 ml/分。氧化时间分配:10分干氧+35分湿氧+10分干氧+15分干氮-→800℃炉口通氮气降温。

3)浓硼扩散区工艺:(硼源:PWB源片)

a、预淀积扩散

炉温980℃;N2流量250ml/分,时间15-18分钟之间调整。要求R□=35±5Ω/□。

b、浓硼再扩散

炉温1150℃,N2(或干氧)流量500-800 ml/分,时间15-18分钟。要求R□=5±1Ω/□。用HF:H2O=1:10漂30秒后冲超纯水、烘干。

4)淡硼扩散基区工艺:(硼源:PWB源片)

a、预淀积扩散

炉温950-960℃;N2流量100 ml/分,时间15-18分钟之间调整。要求R□=60-80Ω/□。

b、淡硼再扩散及二次氧化

炉温1100℃,氧流量500-800 ml/分,水温95℃;时间3分+12-15分(湿氧)+5分(干氧)。要求R□=250-300Ω/□。用HF:H2O=1:10漂30秒后冲超纯水、烘干。

5)磷扩散发射区工艺:(磷源:POCI3)

炉温1050℃,大N2流量450ml/分,小N2流量70 ml/分,O2流量50 ml/分,时间3分+12-18分(通源)+10(赶气);要求β>40-8 0,BVceo>40V。

6)泡发射区引线孔工艺

用光刻胶腐蚀液泡5-20秒(视发射区刻蚀质量情况而定),然后分别用1号液、2号液清洗,烘烤30分钟后光刻基区引线孔。

7)光刻工艺

a、使用较稀光刻胶。光刻胶配比:环已酮:抗蚀剂:增感剂=200毫升:11克:0.7克。要求40度下腐蚀2分30秒边沿无侵蚀现象。

b、采用2-3杯丁酮显影,提高显影分辨率。

c、应用2次坚膜、2次腐蚀技术。

8)蒸发工艺

电极为钛-铝结构。防止电极引线发生“铝溶”短路。采用两次蒸发技术:分别蒸发钛、铝两种薄膜。蒸钛厚度为0.3-0.5微米,蒸铝厚度为1.0-2.0微米。

9)磷蒸气合金

炉温530℃,大N2流量500ml/分,小N2流量50-70 ml/分,时间10分(通源)+10分(断源)。

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