一种半导体芯片的设计方向研究.pdf

第36卷第4期2022年第4期Vol.36 No.4N0.4.2022技术与教育TECHNIQUE&EDUCATION一种半导体芯片的设计方向研究杨志伟（吉林工业职业技术学院智能制造学院，吉林吉林132013）摘要：半导体产业是作为信息产业的基石，其技术水平和发展规模已成为衡量一个国家产业 竞争力和综合国力的重要标志之一。为了推动我国半导体产业发展，进而打破国外垄 断、增强产业创新能力和国际竞争力，必须抓住半导体芯片市场的发展机遇。为此，在阐 述晶闸管芯片结构设计发展方向的基础上，设计了新式门级结构和多层半导体结构，旨 在提升晶闸管芯片的触发电流与动态特性。关键词：晶闸管芯片；门极结构；多层半导体;触发电流;动态特性中图分类号:TN4 02:TN303 文献标识码:A1引言随着半导体芯片的蓬勃发展，晶闸管芯片因 其具备高阻断电压、大电流条件下工作、容量大 和体积小等优点而在功率半导体器件中有着不 可或缺的地位。笔者认为,在这些优势的基础上，进一步提 升晶闸管芯片触发电流的能力及其动态特性，将 成为其未来的发展的方向叫由于根本的解决方 案主要取决于其芯片结构的设计,因此中心门级 和多层的P/N型半导体是当前最为有利的设计 方案叫2晶闸管芯片的基本结构图1晶闸管的基本结构图1为晶闸管芯片的基本结构，其结构设计 基础主要为P/N/P/N。由于图1主要为单向晶闸 管芯片结构，因此其中A代表阳极、K代表阴 极、G代表门极;在双向晶闸管芯片的情况下,G 依然继续代表门极，而与门极同一面的电极（包 括阴极和阳极）则一般使用MT1极来代表，另一 面（也包括阴极和阳极）常使用MT2极来代表。在了解晶闸管芯片相关参数的基础上，能够 更加清晰地理解提升新型结构晶闸管芯片性能 的机理，尤其是是门极的影响。晶闸管芯片的常 用参数如表1所示,晶闸管芯片的其他测试参数 如表2所示叽作者简介:杨志伟（1990），男，硕士，助教。研究方向;机械工程材料，半导体材料。杨志伟一种半导体芯片的设计方向研究29表1晶闸管芯片的常用參数常用参数对应内容VDRM重复峰值断态电压VRRM反向重复峰值电压IGT门级触发电流VGT门极触发电压VTM通态电压VRGM门极反向峰值电压it(rms)通态方均根电流ITSM通态浪涌电流IFGM门极正向峰值电流PGM门极耗散峰值功率PG(AV)门极耗散平均功率IH维持电流IL擎住电流IDRM断态重复峰值电流IRRM反向重复峰值电流表2晶闸管芯片的其他测试参数常用参数对应内容温升电子设备部件高出环境的温度失控雷击EFT电快速瞬变脉冲群dv/dt断态电压临界上升率di/dt通态电流临界上升率为更清晰地描述该半导体芯片的导通原理,可将图1所示的芯片结构看作是两个互相作用 的三级管的组合，由此衍生出如图2所示的半导假设电路处于稳定的阻断状态，电压UA实 际上是降于集电极的势垒区上。在外电路中，电 流IA=IAo,在数量级上与集电极漏电流IC2或门 极电流IG）相当,并由其中较大值的来决定。当匸0时，合上开关S,门极电流以增量8IG 突然增加。这样晶体管T2的基极电流就由起始值 IB2fi=I*B2o+IG（t l(4)方程式(4)中,两个晶体管的共发射极回路 的小信号电流放大系数的乘积至少等于lo将B=a/(l-a)带入方程式(4),可得等价 的开通条件如方程式(5)所示:al+a2Ml(5)根据方程式(5),两个晶体管在共基极回路 中的小信号电流放大系数之和至少等于1叫 3门极结构的设计方向传统晶闸管芯片主要使用条形门极和工字 门极等叫而且门极数量单一并位于芯片的边缘 位置,该门极的设置弥补了由于阴极不均匀而导 致触发速度慢等相关问题。通过调整门极的位 置、形状、大小、数量以及不同组合等方式，使门 极的分布更加多样化并更具可控性。门极的调整 在一定程度上可优化开关速度、通态压降、扩展 速度、di/dt和开关损耗等相关参数，用以匹配不 同产品的需求叫为进一步验证中心门极的优势,制备了如图3的光刻版图。(a)边门极结构(b)中心门极结构图3两种不同结构的门极从图3(a)和图3(b)的对比可以看出，中心 门极更利于其触发。一方面中心门极与发射极之 间的触发点更多,触发更敏感;另一方面,在实际 工艺中，由于光刻的轻微偏差都会导致触发电流 的波动，而从图3(b)中可以看出中心门极的触 发极位于中心位置,因此对于光刻误差的影响会 大幅度降低。尽管中心门极在理论上具有优势，但在实际 生产中能否得到与理论对等的结果还需要进一 步试验验证的。为此,2021年吉林华微电子股份 有限公司的研发团队就该设想进行了验证，并发 表相关专利进行理论论证和技术保护凤根据相 关专利可以获取中心门级在使用上的明显性能 优势。传统的晶闸管芯片技术往往局限于单一门 极和固定位置。为进一步提升晶闸管性能，如图 4所示设计了不同的芯片结构。图4不同设计的芯片结构图4中固定在边缘位置的门极普遍触发较 为不均匀個定在中心位置则会增加引线过程中 的成本需求，而引入偏心和多重门极就可以同时 解决边缘门极的不均匀和中心门极的引线成本。引入环形门极利于提升双向晶闸管芯片的开关 速度，并与其他门极配合起到共同放大门极的效 果。不同配合方式的门极不仅能够起到提升性能 和产品质量的作用,还能够匹配实际生产中的相 关需求并弥补局限性。因此，未来门极的结构将 向着更广泛的设计层面发展,并根据实际情况在 不同应用领域通过调整不同的触发极状态来实 现其触发效率的最大程度提升。4多层半导体结构分析根据晶闸管芯片基础原理可知，随着PNN+结构中电压的不断升高，空间电荷区的展宽在到 达N+层后，由于N+层杂质浓度较高，空间电荷 区的展宽变得很小。当结区最大电场强度持续增 强后,待到达雪崩电场强度时，反向电流将会急 剧增加。据此可得,增加了 N+层可在一定程度 上提高晶闸管的耐压能力冏。同理,在晶闸管芯片 的各掺杂硅区域形成一定的浓度差也会使芯片 的耐压和稳定性得到一定程度地提升,而工艺上 不同元素掺杂硅的扩散推结速率也是这样。基于 实际的工艺情况，不同结深同时配合不同元素也 更加利于控制生产与整体工艺的稳定性叫为更杨志伟一种半导体芯片的设计方向研究31明确展示多层半导体结构的设计方案，设计了如 图5所示的晶闸管芯片多层半导体结构示意图。K-I-rN区牌体 n.N3区Px0N2区N1区N Xp区牌体P3区p“P2区Pl区A图5晶闸管芯片多层半导体结构示意图从图5中可以看出，多层半导体主要定义为 某p/N型半导体内部结构。该P/N型半导体内部 形成不同的半导体层，每个半导体层具备独特的 半导体掺杂浓度或者不同的掺杂元素。基于此,可在一定程度上提高晶闸管芯片的动态参数叫 具体工艺形式:首先，进行低浓度深结扩散，即注 入低浓度P或N型掺杂物质;其次，进行高温长 时间推结;然后,进行高一级浓度的注入后继续 推结;最后,依次进行相关工艺,以获取多层次的 半导体结构。为此，笔者所在研究团队先同时制备了常规 的单层半导体结构与优化的多层半导体设计结 构，再在调试出相同静态参数的情况下,通过同 一封装公司、同样的封装外形,取回后进行相应 的动态参数测试。经过测试发现:单层结构与多 层结构除温升较为接近外,多层结构的其他参数 有着明显的优势。特别是晶闸管中的重要动态参 数，如多层结构在断态电压临界上升率(dv/dt)方 面有着特别明显的优势，几乎是接近单层结构的 二倍,这对于未来漏保产品的研究有着重要的参 考价值网。当前的常规单层晶闸管芯片一般会增加一 层高浓度P型掺杂层，主要原因是当半导体与 金属接触时，通常会形成势垒层，但是当半导体 掺杂浓度很高时,电子则可凭借隧道效应穿过势 垒，从而形成低阻值的欧姆接触固叫欧姆接触对 于半导体器件非常重要，形成良好的欧姆接触有 利于电流的输入和输出。P型掺杂硅的浓度如果 较高会导致电压低的问题，且P型掺杂硅的导 电性本身较差，因此需要在P型掺杂区表面与 引线孔接触一侧形成高浓度掺杂。在实际工艺 中,高浓度P型掺杂硅影响N型掺杂硅浓度，同 时高浓度P型掺杂硅由于导电性较好，容易造 成表面短路现象，就会影响晶闸管芯片的门极触 发，从而造成触发电流增加的现象，因而不利于 小触发晶闸管芯片的研发冋。为此，需要有针对 性地重新规划表面高浓度P型掺杂硅，在相同 工艺情况下，针对P型掺杂硅进行有规律的光 刻可以避免高浓度的P型掺杂硅掺杂到阴极 区、门极与发射极隔离区的区域,这也在最大程 度上提升了晶闸管芯片的触发性能问。4结语目前，晶闸管芯片的设计方向更加多元化,具体表现在门极多样化、多层半导体和P型掺 杂硅的图形化，而且随着人们对功率半导体的重 视和投资加大，不仅相关科研水平稳步提升，相 关领域人才需求也在逐步增加，因此为了使晶闸 管芯片研发步入世界前列,对于晶闸管芯片的相 关设计与优化仍然持续进行。32技术与教育参考文献1 栗书贤.晶闸管变流技术实验M.北京:机械工业出版社,1989.2 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Vocational College of Industry and Technology,Jilin 132013,China)Abstract:Semiconductor industry is the cornerstone of information industry,and its technical level and development scale have become one of the important symbols to measure a countrys industrial competitiveness and comprehensive national strength.In order to promote the development of semiconductor industry,break the foreign monopoly,and enhance the innovation ability and international competitiveness,we must seize the development opportunity of semiconductor chip market.In order to improve the trigger current and dynamic characteristics of thyristor chips,a new gate structure and a multi-layer semiconductor structure are designed based on the development direction of thyristor chip design.Key words:thyristor chip;gate structure;multilayer semiconductor;trigger current;dynamic characteristic