CC BY
180
Вестник Дагестанского государственного технического университета. Технические науки. № 17, 2010. -\-
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
УДК 681.382
Т. А. Исмаилов, А. Р. Шахмаева, П.Р.Захарова
КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ И ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ БСИТ - ТРАНЗИСТОРА ТИПА КП955
В статье рассматриваются конструктивные особенности биполярных со статической индукцией транзисторов (БСИТ), а также история и предпосылки технологического развития этого подкласса транзисторов. В основу материала для статьи взята структура транзистора марки КП955, изготовленному по ТУ на ОАО «Эльдаг». Приведены также структура элементарной ячейки кристалла, особенности технологии изготовления кристаллов, принцип работы, достоинства, недостатки, электрические параметры и характеристики БСИТ - транзистора КП955.
Ключевые слова: биполярный транзистор, технология, конструкция, кремниевая пластина, эпитаксиальный слой, диффузия, виртуальная база, электроника
В настоящее время неотъемлемой частью сфер деятельности человека является силовая электроника. В последнее время силовая электроника переживает очевидный подъем и новый этап развития. В первую очередь это связано с заметными технологическими усовершенствованиями и созданием новых типов основополагающих ее компонентов — мощных полупроводниковых приборов. [1].
В настоящее время часто применяемыми приборами силовой электроники являются: традиционные биполярные мощные транзисторы, полевые мощные транзисторы с управляющей МОП-структурой, биполярные со статической индукцией транзисторы (БСИТ), биполярные транзисторы с изолированным затвором (БТИЗ или ЮВТ), тиристоры и симмисторы различных типов, мощные диоды, диодные мосты и выпрямители и т. Особый интерес представляют биполярные транзисторы со статической индукцией (БСИТ), тем, что при нормально - закрытом канале они работают в биполярном режиме.
БСИТ - транзистор представляет собой технологическую разновидность СИТ -транзистора с нормально-закрытым каналом, но с более сложной геометрической формой затвора, в 70-е годы вообще серийно не выпускался. И только начиная со второй половины 80-х, когда в производстве полевых транзисторов, включая и МОП МТ, произошел качественный прорыв, появилась возможность технологической реализации мощных СИТ- и БСИТ - транзисторов с широким диапазоном рабочих токов и напряжений по новой технологии многоячеечных структур с вертикальным каналом. При этом сток и исток разнесены по разные стороны кристалла и каждый такой прибор представляет собой параллельное соединение от нескольких тысяч до нескольких сотен тысяч элементарных ячеек — транзисторных структур, создаваемых методами полупроводниковой технологии в едином технологическом цикле на одном монолитном кристалле. [3]
Эти приборы в своей основе по-прежнему подобны полевым транзисторам с управляющим р-п-переходом, но, с вертикальным каналом в их современном исполнении. Но так как БСИТ - транзистор по сравнению с обычным СИТ - транзистором имеет более сложный профиль легирования и более сложную геометрическую форму затвора, то это обеспечивает данному типу транзисторов закрытое состояние при нулевом потенциале на затворе относительно истока. Поэтому в отличие от обычного СИТ - транзистора рабочие характеристики БСИТ проявляются только в режиме обогащения канала носителями.
Данный режим, как уже указывалось, обеспечивается при подаче на затвор отпирающего потенциала относительно истока, смещающего управляющий р-п-переход в прямом направлении. При этом в цепи затвор—исток начинает протекать значительный по величине ток затвора, изменяя который можно переводить БСИТ - транзистор в низкоомное состояние транзисторного ключа подобно тому, как это делается с традиционными биполярными транзисторами при изменении их тока базы.
Современные БСИТ - транзисторы, несмотря на схожесть их структуры с униполярными полевыми транзисторами, управляемыми напряжением, являются, по существу, биполярными мощными полупроводниковыми приборами управляемыми током. Эти транзисторы являются переключательными элементами для изделий и устройств силовой электроники и, в сравнении с их более известными транзисторными прототипами: биполярным мощным транзистором (БМТ), транзистором со структурой металл - окисел - полупроводник (МОП) и биполярным с изолированным затвором (БТИЗ), превосходят их по характеристикам. [2]
Биполярный режим работы БСИТ реализуется путем прямого смещения управляющего р-п -перехода и впрыскивания неосновных носителей из затвора в область канала. В области канала неосновные носители создают большой положительный заряд, который приводит к инжекции основных носителей из области истока. Сформированная таким образом, электронно-дырочная плазма модулирует канал и значительно снижает его сопротивление. При этом обеспечиваемая плотность тока в канале БСИТ в несколько раз выше, чем в биполярном транзисторе.
Среди прочих типов устройств и приборов силовой электроники БСИТ выделяются следующим перечнем достоинств: высокое быстродействие, малые остаточные падения напряжения на р-п переходе, высокий коэффициент усиления по току, повышенная устойчивость ко вторичному пробою. Полевые транзисторы, не имеют эффекта модуляции проводимости канала как у БСИТ, и остаточное напряжение на открытом ключе у них при увеличении тока линейно нарастает, что приводит к большим статическим потерям, особенно у высоковольтных приборов.
Особой интерес представляет БСИТ КП 955. Он предназначен для применения в высокочастотных источниках питания и в других быстродействующих ключевых схемах радиоэлектронной аппаратуры, является аналогом биполярных транзисторов. Конструкция его выполнена с самосовмещенным истоком относительно планарного диффузионного затвора. Это мощный кремниевый транзистор, выполненный по эпитаксиально - планарной технологии, с вертикальным каналом п - типа. Структура транзистора приведена на рисунке 1.
Исток
■о
Сток
О-
6)
Рис.1. Структура БСИТ в разрезе.
По технологии производства этого типа транзисторов его структура должна быть сформирована на подложке с эпитаксиальным слоем п- типа и для уменьшения последовательного сопротивления стока ,эпитаксиальный слой должен быть выращен на сильнолегированной подложке. Толщина эпитаксиального слоя должна обеспечивать требования по максимальному напряжению изс. [2]
Обычно исходными пластинами для такого БСИТ служат эпитаксиальные
1П„80 КЭФ (10 - 40)
структуры 100-.
460ЭКЭС 0.01
Особенность формирования структуры БСИТ - транзисторов в том, что если сопротивление эпитаксиального слоя находится в пределах от 10 до 20 Ом, то данную структуру можно использовать для изготовления низковольтных транзисторов (КП954А). Сопротивление эпитаксиального слоя в пределах от 20 до 40 Ом - для высоковольтных транзисторов (КП953, КП810, КП955).
Область затвора транзистора КП955 формируется диффузией примеси р+ -типа при
20 3
высокой температуре (для обеспечения N>10 см- ) с использованием двухслойной маски Si3N4-SiO2 .После диффузии бора под слой маски SiO2 подтравливается под Si3N4 до вскрытия боковой составляющей диффузии бора, после этого Si травится на глубину приблизительно 1,0 мкм в селективном по отношению к р+-травителю, затем выращивается толстый окисел по всей травленной поверхности, удаляется Si3N4 с подслоем SiO2 и проводится диффузия примеси в область истока.
Транзистор КП955 является нормально - закрытым и открывается при положительном напряжении на затворе. При этом р-п переход «затвор - исток» смещается в прямом направлении и затвор начинает инжектировать «дырки» в обедненную область канала. За счет модуляции проводимости в обедненной области канала возникает «виртуальная база» - слой, эквивалентный области базы обычного биполярного транзистора. «Виртуальная база» состоит из нейтральной области, обусловленной компенсацией инжектированных затвором - дырок, истоком - электронов. Ширина «виртуальной базы» увеличивается с уменьшением напряжения стока, что приводит к низким остаточным падениям напряжения на открытом транзисторе.
Технология формирования БСИТ - транзистора КП955 отработана на ОАО «Эльдаг» и включает в себя следующий перечень операций:
1. Формирование партии пластин
2. Отмывка пластин: (H2SO4:H2O2) при Т=125°С, (NH4OH:H2O2) при Т=65°С
3. Окисление (толщина окисла 0,11±0,02 мкм.
4. Осаждение нитрида кремния (толщина 0,2±0,03 мкм).
5. 1 фотолитография.
6. ПХТ нитрида кремния(без задубливания) до окисла кремния.
7. Снятие фоторезиста.
8. Травление окисла кремния.
9. Отмывка пластин: (H2SO4:H2O2) при Т=125°С, (NH4OH:H2O2) при Т=65°С
10. Загонка бора ^=170+10 Ом/см).
11. НТО (7250С, 20-30 мин).
12. Снятие БСС.
13. Разгонка бора (12000С, 4 часа, Ху=6,7±0,3 мкм).
14. Отмывка пластин: (H2SO4:H2O2) при Т=125°С, (NH4OH:H2O2) при Т=65°С
-\-
15. Диффузия фосфора ^=6+1 Ом/см, Ху=2,3±0,2 мкм ).
16. Раскисление БСС в паре 30-65 мин.
17. 2 фотолитография.
18. ПХТ нитрида кремния.
19. Травление БСС.
20. Измерение ВАХ.
21. Травление окисла кремния под маску нитрида кремния.
22. Окисление (толщина 0,9±0,1 мкм).
23. ПХТ нитрида кремния до толщины окисла кремния 0,05-0,09 мкм.
24. Дотравливание окисла кремния.
25. Диффузия фосфора ^=10+2 Ом/см, Ху=1,3±0,2 мкм ).
26. Отмывка пластин: (H2SO4:H2O2) при Т=125°С, (NH4OH:H2O2) при Т=65°С
27. 3 фотолитография.
28. Травления ФСС
29. Отмывка пластин: (H2SO4:H2O2) при Т=125°С, (NH4OH:H2O2) при Т=65°С
30. Напыление алюминия.
31. 4 фотолитография.
32. Травление алюминия.
33. Снятие фоторезиста.
34. Отмывка в деионизованной воде.
35. Вжигание алюминия.
36. Контроль ВАХ.
37. Обработка перед напылением.
38. Напыление хром-никель-серебро.
39. Контроль электрических параметров.
40. Контроль внешнего вида.
Сформированная таким способом структура позволяет получить высокие значения Цзи из-за разнесения по высоте затвора и истока, высокий встроенный потенциал затвора А^ и высокий коэффициент усиления по току за счет сильнолегированных затворных областей (см. Таблица 1). Электрические параметры БСИТ - транзистора КП955 приведены в таблице 1. Внешний вид транзистора в корпусе представлен на рисунке 2.
Рис.2. Внешний вид БСИТ - транзистора КП955 в корпусе
-\-
Таблица 1
Электрические параметры БСИТ - транзистора КП955
Параметр Режим измерения ш1п шах
Ток утечки сток -исток, (А) КП955А 'Уоз = 700 B,RGS = 100 Ом 0.005 0.500
КП955Б =450 = 100 Ом
Ток утечки затвора, (мА) = -4 В 0.002 0.5
Постоянный ток затвора,(А) - 3 3
Постоянный ток стока,(А) - 15 15
Импульсный ток затвора,(А) -45°С<Тс<+85°С, 1р<10мкс, 0=2 20 20
Импульсный ток стока,(А) RGS = 100 Ом - 30
Напряжение сток -исток ,(В) КП955А RGS = 100 Ом 700
КП955Б - 450
Напряжение сток - исток при оборванном затворе, (В) - - 450
Напряжение затвор -исток,(В) tp<0.5мкс,RGs = 100 Ом 7 7
Сопротивление сток - исток в открытом состоянии, (Ом) - 0.02 0.06
Время спада, (мкс) 'Уоз = 250 В, Ь=10 А, IG=±0.1 А 0.06 0.16
Время рассасывания,(мкс) = 250 В, 10=10 А, IG=±0.1 А 0.80 2.0
Время включения, (мкс) = 250 В, Ь=10 А, Ь=±0.1 А 0.05 0.14
Граничная частота, (МГц) Г= 10 МГц, = 250 В 50 80
Рассеиваемая мощность,(Вт) Тс<±25°С 70 70
Отрицательный температурный коэффициент тока стока (см. Таблица 1) делает эффективным параллельное включение БСИТ КП955 без балластировки тока, обеспечивая
надежную работу.
I (А)
V (В)
Рис. 3. Выходные ВАХ КП955
Получены экспериментальные данные транзистора КП955: выходная ВАХ транзистора, зависимость временных параметров от тока стока, зависимость сопротивления сток - исток от тока стока в открытом состоянии, область безопасной работы при переключении в режиме обратного динамического смещения. Они представлены на рисунках 3, 4, 5 и 6 соответственно.
((не)
250
200
150
100
50
/
tвык п
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 I (А)
Рис. 4. Зависимость временных параметров от тока стока Я (Ом)
0.11 0.10 0.09 0.08 0.07 0.06 0.05 0.04 0.03 0.02 0.01
о 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 1(А)
к Пуск
К1 1УЫ )Ь
Рис.5. Зависимость сопротивления сток - исток в открытом состоянии от тока стока для
КП955
Вестник Дагестанского государственного технического университета. Технические науки. № 17, 2010. -\-
Рис. 6. Область безопасной работы при переключении в режиме обратного динамического смещения (при Ткорп=85°С)
Библиографический список:
1. Д,В. Игумнов, Г.П, Костюнина «Основы полупроводниковой электроники», Учебное пособие. - М.; Горячая линия - Телеком, 2005. - 392 стр.
2. В.А. Казначеев, В. А. Шерстюк «Отечественные транзисторы: БСИТ, СИТ, БТИЗ.» - М.; под ред. В.М. Халикеева, Издательский дом «Додека - ХХ1», 2001г.,64 с.
3. Бубенников А.Н., Садовников А.Д. «Физико - технологическое проектирование биполярных элементов кремниевых БИС». М.: - Радио и связь, 1991г.
T.A. Ismailov, А. К. Shakhmaeva, P.R. Zakharova
Design features and manufacturing techniques the BSIT - transistor of type КП955
In article design features of bipolar transistors with a static induction (БСИТ), and also history and preconditions of technological development of this subclass of transistors are considered. In a basis of a material for article the structure of the transistor of mark КП955 on Open Society "Эльдаг" Specifications is taken. Features of manufacturing techniques of crystals, structure of an elementary cell of a crystal, a principle of work, advantage, lacks, electric parametres and characteristics БСИТ - transistor KP955 are resulted also.
Keywords: The transistor, manufacturing techniques, initial plate, epitaksialnyj layer, diffusion, virtual base
Исмаилов Тагир Абдурашидович (р. 1952) Ректор Дагестанского государственного технического университета. Доктор технических наук (1992). Окончил Дагестанский государственный университет (1975)
Область научных интересов: термоэлектрическое приборостроение. Автор более 400 научных публикаций.
Шахмаева Айшат Расуловна (р. 1965) Декан ФПКиП, доцент кафедры «Вычислительной техники» Дагестанского государственного технического университета. Кандидат технических наук. Окончила ДПТИ (1983)
Область научных интересов: твердотельная электроника, микроэлектроника и нано-электроника
Автор более 60 научных публикаций.
Захарова Патимат Расуловна (р. 1985) Аспирант кафедры ТиОЭ, старший преподаватель кафедры «Вычислительной техники» Дагестанского государственного технического университета. Окончила ДГТУ (2006)
Область научных интересов: твердотельная электроника, микроэлектроника и нано
электроника
Автор 4 научных работ.
