一种双发射区双极型微波功率晶体管及其制备方法

摘要

本发明是一种双发射区双极型的微波功率晶体管及其制备方法，其特征在于，它采用叉指梳状结构，并且每个单指发射极下方包括两个发射区。本发明的有益效果是，1）减少了热重叠面积，增加了散热面积。2）拓宽了电流的导通路径，降低了导通电阻。3）散热的改善有利于提升器件的热性能与可靠性。4）导通电阻的降低有利于提高器件的工作效率。制作方法对器件获得的良好效果有：1）直流测试结果表明，采用双发射区的器件的集电极大电流数值比相同设计参数的常规器件大10%～20%。2）共基极应用的微波测试结果表明，采用双发射区的器件其顶降、效率等参数都优于常规的双极型器件,尤其在长脉宽条件下，优势更加明显。

说明书

技术领域

本发明是涉及的是一种双发射区双极型微波功率晶体管及其制备方法，属于半导体微电子设计制造技术领域。 

背景技术

目前，在微波脉冲应用领域，传统叉指梳状结构的硅双极型晶体管(BJT)由于材料、结构等限制使得其在从短脉宽、中脉宽向长脉宽扩展应用时器件的性能与可靠性下降很快，已经越来越难以适应现代雷达对作用距离、作用效能和对抗效果的要求，很多应用领域已经被LDMOS、GaN等抢占。以往双极型微波功率晶体管采用的叉指梳状结构，每个单指发射极下面只有一个发射区（图1）。这种结构在微波功率管的设计制造中，主要有如下三个方面的难点：1. 发射区线宽在梳状叉指结构中的所占每个步进单元的横向比例关系需要折中设计，比例大则输入电容增加降低了器件高频性能，比例小则减小了散热面积降低了器件热性能。2.微波应用时因电流集边效应，发射区中间区域对器件功率贡献非常小，仅仅提供了非常小散热面积，发射区外围空间因距离发射区边缘较远对散热贡献也非常有限。3.随着应用频率的越来越高，发射区所占比例会越来越小，热性能也会越来越恶化，这样只能短脉冲工作，使得双极型器件的应用范围受到很大限制。

发明内容

本发明提出的是一种双发射区双极型微波功率晶体管及其制备方法，其目的旨在克服现有技术存在的上述缺陷，改原先的单指发射极下面只有一个发射区，变为每个单指发射极下面采用两个发射区，可有效改善器件的散热性能，提高微波输出功率的效率与可靠性，从而可以应用在更长的脉宽条件下，拓展了硅双极型器件在微波大功率领域的应用范围。

本发明的技术解决技术方案：一种双发射区双极型的微波功率晶体管，其特征在于，它采用叉指梳状结构，并且每个单指发射极下方包括两个发射区。 

本发明的有益效果是，器件参数设计于与原常规的参数设计完全兼容，并且不增加额外工艺流程情况下使得微波功率双极型晶体管的发热区域更加均匀分布，有效利用有限的散热面积和导电通道，改善器件的热性能并提高了器件的集电极效率；另外双发射区的线宽、间距设计自由度大幅提高，可以通过减小发射区线宽尺寸进一步降低器件输入电容来提高器件的增益和频率性能。制作工艺方法对器件获得的良好效果：1）直流测试结果表明，采用双发射区的器件的集电极大电流数值比相同设计参数的常规器件大10%～20%。2）共基极应用的微波测试结果表明，采用双发射区的器件其顶降、效率等参数都优于常规的双极型器件,尤其在长脉宽条件下，优势更加明显。

附图说明

附图1是常规双极晶体管的结构示意图。

附图2是双发射区双极晶体管的结构示意图。

附图3是硅N⁺/N^-衬底上外延N^-型硅外延层的结构示意图。

附图4是基区注入退火：在800℃～1000℃的温度下，通N₂ 30～120分钟时的结构示意图。

附图5是用LPCVD工艺在硅片表面淀积2000?～8000? SiO₂ 钝化层（图5的结构示意图。

附图6是光刻形成发射区窗口图形，刻蚀SiO₂终止于Si表面示意图。

附图7是光刻多晶硅发射条，刻蚀多晶硅终止于SiO₂表面示意图。

附图8是光刻浓硼区，刻蚀SiO₂终止于Si表面示意图。

附图9是用LPCVD工艺在硅片表面淀积2000?～8000? SiO₂ 钝化层表面示意图。

附图10是光刻发射极、基极接触窗口示意图。

附图11是溅射Ti 500?～1500?/WN 1000?～3000?/Au 500?～1500? ；光刻电镀区，选择电镀金，镀层厚度1.2μm～2.5μm；反刻形成金属电极，即发射极E和基极C示意图。

附图12是采用平面磨床对硅片进行背面磨片，将硅片减薄到80μm～100μm；对硅片依次进行甲苯和丙酮清洗；蒸发Ti 500?～1500? /Ni 3000? ～5000? /Au 3000?～5000?形成下电极，即集电极示意图。

图中的1是发射极、2是基极、3是掺砷多晶硅、4是集电极、5是基区、6是发射区、7是浓硼区、8是N^-单晶硅、9是N⁺单晶硅、10是SiO₂。

具体实施方式

如附图所示，双发射区双极型的微波功率晶体管，其结构在于，它采用叉指梳状结构，并且每个单指发射极下方包括两个发射区。 

双发射区双极型微波功率晶体管的制备方法，包括如下工艺步骤：

1）选择硅N⁺/N^-，衬底材料N⁺电阻率≤0.005Ω·cm；在该衬底上外延N^-型硅外延层，电阻率0.5Ω·cm～Ω·cm，外延层厚度3μm ～10μm (图3)；

2）光刻形成基区注入窗口图形，注入BF₂^-，注入剂量（2～6）×10¹³cm^-2，能量40KeV～80KeV；

3）光刻形成浓硼区窗口图形，注入BF₂^-，注入剂量（2～6）×10¹⁵cm^-2，能量40KeV～80KeV；

4） 基区注入退火：在800℃～1000℃的温度下，通N₂ 30～120分钟（图4）；

5）用LPCVD工艺在硅片表面淀积2000?～8000? SiO₂ 钝化层（图5）；

6）光刻形成发射区窗口图形，刻蚀SiO₂终止于Si表面（图6）；

7）LPCVD掺砷多晶硅薄膜，厚度为2000?～5000?；

8）发射区结深推进：在800℃～1000℃的温度下，通N₂ 20～60分钟

9）光刻多晶硅发射条，刻蚀多晶硅终止于SiO₂表面（图7）；

10）光刻浓硼区，刻蚀SiO₂终止于Si表面（图8）；

11）用LPCVD工艺在硅片表面淀积2000?～8000? SiO₂ 钝化层（图9）；

12）光刻发射极、基极接触窗口（图10）；

13）溅射Ti 500?～1500?/WN 1000?～3000?/Au 500?～1500? ；光刻电镀区，选择电镀金，镀层厚度1.2μm～2.5μm；反刻形成金属电极，即发射极E和基极C (图11）；

14）采用平面磨床对硅片进行背面磨片，将硅片减薄到80μm～100μm；对硅片依次进行甲苯和丙酮清洗；蒸发Ti 500?～1500? /Ni 3000? ～5000? /Au 3000?～5000?形成下电极，即集电极（图12）。