硅谷杂志：硅功率器件P型扩散区耗尽层及耐压研究 |
| 2012-11-07 10:04 作者：程德明 胡建业 胡文新 来源：硅谷网 HV： 编辑： 【搜索试试】
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【硅谷网11月7日文】据《硅谷》杂志2012年第16期刊文称，对N型硅单晶深扩散所形成的P型扩散区，进行关于P型耗尽层界面的研究，导出P型耗尽层方块电阻及耐压的结论，提出P型耗尽层宽度的测量方法。首次为国内硅半导体器件的工艺设计提供理论量化依椐。
0前言
目前，国内生产大电流﹑高反压的硅半导体功率器件产品，多采用N型硅单晶片为原材料，使用P型杂质深扩散的方法形成耐高压的PN结。产品的耐压理论计算，普遍采用N基区单边突变结“耗尽层近似理论”，忽略了P区的耐压，致使产品的设计参数与实际参数相差较大。
作者利用正负电荷等量相存的“电中性原理”，推导出了P型深扩散区耗尽界面的位置；利用所谓“CT解剖测量”方法，确定P型耗尽层宽度；进而计算出P型扩散区的耐压。
1P型扩散区耗尽层的理论推导
1.1在反向雪崩电压下，N区耗尽层的方块电阻
先设立一个PN结的模型：N区是掺杂均匀的单晶硅区，电阻率为ρ，P区是P型杂质深扩散形成的较高浓度扩散区，P型N型杂质交迭并绝对数相等处，是PN结的中性面。
又设定PN结外加雪崩反向电压，N区和P区的耗尽层均处于最宽状态。
在上述模型和状态下，根椐“耗尽层近似”［1］理论，N区耗尽层宽度Wn满足下式：Wn=4.95×10-4×ρ0.875［2］………………（式1）。（式1）中，ρ的单位为Ω•cm，Wn的单位为cm。N耗尽层的方块电阻R□n，由N区电阻率ρ和耗尽层宽度Wn决定，记为：R□n=ρ/Wn［1］……………（式2）。（式2）中，R□n的单位是Ω/□，将（式1）代入（式2），得：R□n=2020×ρ0.125……………（式3）。研究（式3），发现R□n是ρ的函数，但ρ的变化，对R□n的数值影响较小，这为本课题提供了一条简便有效的研究捷径。兹将国内硅半导体功率器件常用电阻率ρ，和与ρ值对应的R□n值列表如入表1：
ρ（Ω•cm） 5 10 25 50 100
R□n（Ω/□） 2470 2693 3020 3294 3592
由表1知，取ρ=25﹑R□n=3020为中值，当ρ=5或ρ=100时，其对应的R□n相比中值，误差﹤19％。换言之，国内硅半导体功率器件在反向雪崩电压时，其N区耗尽层的方块电阻近似为3KΩ/□。
半导体的方块电阻有其真实的物理意义，对应半导体内可动电荷总量。对于电子导电的N型半导体，与其所掺五价浅能级杂质的原子数量成正比；对于空穴导电的P型半导体，与其所掺三价浅能级杂质的原子数量成正比。
1.2在反向雪崩电压下，P区耗尽层的方块电阻
根据耗尽层理论，PN结外加反向雪崩电压时，N区耗尽层中的电子向高电势区漂移，剩下带正电荷的原子实；同理，P区耗尽层中的空穴向低电势区漂移，剩下带负电荷的原子实。根据正负电荷等量相存的电中性原理，N区耗尽层中的正电荷量与P型耗尽层中的负电荷量应当是相等的。
此状态下，N区耗尽层中的每个正电荷所发出的电力线到P区耗尽层中的每个负电荷终止，在N区和P区这二个耗尽层区间内，形成了电场强度E（X），电力线最密的PN结处，电场强度最强。电场强度关于这二个耗尽层区间几何厚度的积分值，等于电力半导体器件所承受的反向雪崩电压。记为下式：V反=∫WnWpE（X）•dx［1］………………（式4）。式4中，Wn﹑Wp分别是N区和P区耗尽层厚度坐标，x是厚度的自变量。
既然N区耗尽层中的正电荷量与P型耗尽层中的负电荷量是相等的，而N区耗尽层的方块电阻近似为3KΩ/□，P区耗尽层的方块电阻是否也近似为3KΩ/□呢？答案是否定的。因为半导体的方块电阻，既决定于半导体内载流子的可动电荷量，还决定于载流子的迁移率。在高纯硅中，电子的迁移率为1360C㎡/（V•S），而空穴为495C㎡/（V•S）［3］。载流子的迁移率与半导体硅的电阻率成反比关系，故国内硅半导体功率器件在反向雪崩电压时，P区耗尽层的方块电阻近似为：R□p=8KΩ/□，其值可以根据实用硅片的电阻率参照表1进行修正。这是本文的结论之一。
上述由P型杂质深扩散模型导出的结论，亦可用于PiN型结构的硅半导体功率器件产品。在PiN型结构中，“耗尽层近似理论”﹑“电中性原理”仍然有效，而这二点理论是导出本结论的理论依据。
1.3在反向雪崩电压下，P型扩散区耗尽层
从PN结向P区方向取一薄层，随着几何宽厚度的增加，薄层内所含杂质原子数逐渐增多，薄层的方块电阻逐渐减小。当方块电阻数值等于8KΩ/□时，该薄层就是：在反向雪崩电压下，P区的耗尽层；该薄层处于P区的界面就是：在反向雪崩电压下，P型深扩散区耗尽层界面；该薄层的厚度就是：在反向雪崩电压下，P型深扩散区耗尽层的厚度。
2P型扩散区耗尽层的测量
扩散薄层的方块电阻R□，通常用等距四探针方法测量，测量公式为：R□=（π/㏑2）•（V/I）［1］………………（式5）。（式5）中，R□的单位为Ω/□；I是探针测量用电流，单位为mA；V是探针测量出的电压，单位为mV；R□与探针距无关。
工艺测量时，对P型扩散区从外及里，逐层测量，逐层剥离，剥离的方法常用有金刚砂研磨法和化学剥蚀法，每次剥离深度约1-2um。随着剥深的增加，四探针测得的R□在不断升高，当R□的值等于8KΩ/□时，该剥离面即为：在反向雪崩电压下，P型深扩散区耗尽层界面。由此界面到PN结之间的距离即为：在反向雪崩电压下，P型深扩散区耗尽层的厚度，记为Wp。Wp的值与P型表面杂质的浓度有关：表面杂质越浓，Wp越小；Wp的值还与P型杂质扩散的温度时间有关：温度时间越高越长，Wp越大。国内硅半导体功率器件产品中的普通整流管，其Wp值约为5-10um；普通晶闸管的Wp值，约为20-40um。
上述方块电阻的测量工艺方法，系笔者发明，由于所用精密仪器少，方法简便直观，可多次测量求平均值等优点，被国内硅半导体功率器件行业誉为“CT解剖测量法”。
3P型扩散区耗尽层的耐压
硅半导体功率器件的总耐压，应等于N区型耗尽层耐压Vn与P区型耗尽层耐压Vp之和。Vn的计算方法，国内多用美国通用电器公司计算式：Vn=94×ρ0.75［1］………………（式6）。
Vp的计算方法，笔者提出使用以下计算式：Vp=K×（Wp/Wn）×Vn………………（式7）。（式7）中，K是P区耗尽层杂质分布系数，其值取1-2。当K=1时，其物理意义是，P区耗尽层杂质是均匀分布的，（这是理论假设状况），P区的电场强度分布与N区相似，二区耐压之比等于它们的耗尽层宽度之比。当P区耗尽层杂质分布从均匀分布向余误差函数或高斯函数分布［4］转移时，其耐压逐渐提高，K值逐渐向２转移。国内多种硅半导体功率器件产品测量的经验，认为K值取1.4妥。将（式1），（式5），K=1.4，代入（式7），得：Vp≈17.3×Wp………………（式8）。（式8）中，Vp的单位是伏特（V），Wp的单位是微米（um）。
（式8）的物理意义，是本文的结论之二：国内硅半导体功率器件，P区每1微米的耗尽层，可增加总耐压17.3伏特，与N型基区硅材料的电阻率无关。
作者简介：
程德明（1953-）男，汉族，本科，安徽祁门人，电子工程师，研究方向：技术开发。 |
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