На правах рукописи

КЛЮЧНИКОВ АЛЕКСЕЙ СЕРГЕЕВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА КОНСТРУКТИВНОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ СОЗДАНИЯ МОЩНЫХ

ДМОП-ТРАНЗИСТОРОВ С ОПТИМАЛЬНОЙ ПЛОЩАДЬЮ ПРИ

ПОМОЩИ СРЕДСТВ ПРИБОРНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО

МОДЕЛИРОВАНИЯ.

Специальность 05.27.01 – твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2007

Работа выполнена на кафедре Интегральной электроники и микросистем Московского государственного института электронной техники (Технического университета).

Научный руководитель:

д.т.н., профессор Королёв М.А.

Официальные оппоненты:

д.т.н., профессор Петросянц К.О.

к.т.н. Поломошнов С.А.

Ведущая организация:

ОАО «НИИМЭ и завод «Микрон»

Защита диссертации состоится “_” _ 2007 г., в часов на заседании диссертационного Совета Д 212. 134. 01 при Московском государственном институте электронной техники по адресу:

124498, Москва, Зеленоград, проезд 4806, д.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке МИЭТ

Автореферат разослан “” _2007 года

Ученый секретарь диссертационного совета:

доктор технических наук, профессор Неустроев С. А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Одним из перспективных направлений современной силовой полупроводниковой электроники являются интеллектуальные силовые схемы. Среди широкого перечня подобных приборов можно выделить следующие основные группы:

1. Силовые ключи с одной или несколькими встроенными системами защиты. Для управления данными приборами требуется применение внешнего драйвера. Эти ключи, называемые также самозащищенными, обеспечивают защиту от перенапряжений, токовых перегрузок и температурных воздействий.

2. Силовые ключи с интегрированными функциями защиты и управления. Данные приборы получили название силовых интегральных схем и, как правило, разрабатываются для конкретной области применения, например в ключевых источниках электропитания или схемах управления электродвигателями на мощности до единиц киловатт.

3. Силовые интеллектуальные модули IPM (Intelligent Power Modules). Данные схемы строятся на базе биполярных транзисторов с изолированным затвором (БТИЗ) для применения в преобразователях на десятки и сотни киловатт мощности нагрузки.

Интеллектуальные схемы находят широкое применение в системах автоматики и управления индустриальной и бытовой электроники.

В интеллектуальных силовых интегральных схемах возникает ряд проблем, в частности проблема совместимости технологий изготовления мощных и низковольтных элементов схемы, а также необходимость обеспечения изоляции между ними. Мощные элементы реализуются, как правило, в виде ДМОП-транзисторов (МОПтрназисторы изготовленные методом двойной диффузии), а интеллектуальная часть схемы выполняется на основе планарных КМОП-транзисторов. Совмещенная технология изготовления этих элементов удорожает производство и приводит к существенному влиянию силовых элементов на функционирование маломощных приборов. Также существующие планарные мощные МОП-транзисторы имеют недостаточное для ряда применений пробивное напряжение.

Поэтому изготовление мощных ДМОП-транзисторов ведется на отдельном кристалле, что значительно повышает напряжение пробоя прибора и увеличивает ток.

Однако с увеличением пробивного напряжения возрастает сопротивление. Одним из возможных технических решений уменьшения сопротивления является использование структуры с множеством параллельных ячеек, что приводит к возрастанию площади транзистора. А это в свою очередь ведет к снижению быстродействия и повышению стоимости кристалла. Для решения данной проблемы необходимо провести исследование и разработку мощных ДМОПтранзисторов, обладающих заданными электрическими характеристиками (пробивное напряжение и сопротивление) и минимальной площадью.

Самым эффективным методом исследования мощных ДМОПтранзисторов является приборно-технологическое моделирование, которое позволяет без существенных затрат на изготовление исследовать влияние конструктивно-технологических особенностей на характеристики прибора. Для этого необходимо разработать методику моделирования ДМОП-транзистора.

Цель работы. Целью данной работы является исследование и разработка конструктивно-технологических решений создания мощных ДМОП-транзисторов с оптимальной площадью при помощи средств приборно-технологического моделирования Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих научно-технических задач:

1. Провести анализ исследуемых приборных структур как объектов приборно-технологического моделирования.

2. Проанализировать факторы, влияющие на основные параметры ДМОП-транзистора.

3. Разработать методики расчета охранной области ДМОПтранзистора при помощи приборно-технологического моделирования.

4. Разработать методики приборно-технологического моделирования применительно к структурам мощных вертикальных ДМОП-транзисторов.

Научная новизна.

1. Разработана вычислительная модель мощного ДМОПтранзистора, позволяющая получить оптимальную площадь прибора при заданных электрических характеристиках (пробивное напряжение и сопротивление).

2. Получены и объяснены зависимости лавинного пробоя охранной области от параметров структуры с кольцами. Установлено, что зависимость лавинного пробоя от расстояния между кольцами имеет максимум. При увеличении числа колец пробивное напряжение растет и стремится к напряжению пробоя плоского перехода, но не достигает его.

3. Разработана методика расчета охранной области высоковольтного ДМОП-транзистора, применимая ко всем приборам данного типа.

Практическая значимость работы.

1. Разработана методика математического приборнотехнологического моделирования, позволяющая провести оптимизацию площади мощных ДМОП – транзисторов.

2. Результаты приборно-технологического моделирования позволили внести изменения в топологию и технологический маршрут создания мощного ДМОП – транзистора с заданными электрическими характеристиками (пробивное напряжения и сопротивление) и оптимальной площадью занимаемой прибором.

Реализация результатов работы.

Результаты работы внедрены в рамках научно-исследовательских работ и в учебном процессе в Московском государственном институте электронной техники (техническом университете).

Методика моделирования мощных ДМОП-транзисторов апробирована при выполнении научно-исследовательских работ в ОАО «НИИМЭ и завод Микрон», г. Москва.

Представляются к защите.

1. Разработанная методика моделирования мощного ДМОПтранзистора с заданными электрическими параметрами и оптимальной площадью.

2. Разработанная методика расчета охранной области ДМОПтранзистора.

Апробация результатов работы.

Результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

- Двенадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», Москва, 2006 г.

- VIII международная конференция «актуальные проблемы электронного приборостроения», Новосибирск, 2006 г.

- Десятая международная научно-техническая конференция «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники», Дивноморское, 2006;

- IV Международная научно-техническая школа-конференция «Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения Intermatic-2006», 2006 г.

- 13-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов "Микроэлектроника и информатика - 2006", Москва, Зеленоград, 2006 г.

- 14-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов "Микроэлектроника и информатика - 2007", Москва, Зеленоград, 2007 г.

- Восьмая международная конференция по электронным приборам и материалам “EDM-2007”, 2007 г., Эрлагол.

- Шестая научно-техническая конференция “Твердотельная электроника, сложные функциональные блоки РЭА”, 2007 г., Владимир.

- Международная конференция «Микро- и наноэлектроника – 2007»

(МНЭ-2007), 2007 г., Липки.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, приложений, содержащих акты об использовании результатов работы, списка использованных источников из 51 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснована актуальность темы, определены цели и задачи исследования, изложены научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе проведен обзор основных направлений развития такого направления силовой электроники как интеллектуальные силовые схемы. Дается определение данного типа схем, определяется их состав и выполняемые функции, а именно: управления мощностью;

самозащиты ключа и слежения за состоянием нагрузки; взаимодействия с логическими схемами.

Показано, что параметры конструкции мощного элемента определяют область применения интеллектуальной силовой схемы. Из вышесказанного следует вывод, что мощный элемент является важнейшим элементом интеллектуальной силовой схемы.

Проведен анализ требований к мощному элементу схемы. При работе в ключевом режиме мощный элемент характеризуется рядом сильно взаимосвязанных между собой параметров: сопротивление во включенном состоянии, максимальное напряжение пробоя в закрытом состоянии, быстродействие и занимаемая площадь. Максимальная величина напряжения пробоя полупроводникового прибора в частности определяется размером области пространственного заряда перехода.

Таким образом, минимальные размеры мощного элемента обуславливаются тем, какое максимальное напряжение способен выдерживать мощный прибор. В свою очередь, чем больше занимаемая прибором площадь, тем больше паразитные емкости и соответственно меньше быстродействие мощного элемента.

Был проведен анализ приборов пригодных для использования в качестве мощного элемента схемы. В этом качестве рассматривается такие приборы как тиристоры, биполярные транзисторы, БТИЗ, вертикальные и планарные ДМОП-транзисторы. Показано, что:

- мощные биполярные транзисторы имеют низкое быстродействие из-за накопления неосновных носителей в базе и требуют больших управляющих токов и сложных схем управления;

- мощные планарные ДМОП-транзисторы используют тонкие эпитаксиальные слои и имеют большее, чем мощные биполярные транзисторы быстродействие. Однако сопротивление ДМОПтранзистора во включенном состоянии велико;

- мощные вертикальные ДМОП-транзисторы имеют низкое сопротивление транзистора, но площадь, занимаемая прибором велика;

- мощные ДМОП-транзисторы с вертикальным затвором имеют низкое сопротивление, но пробивное напряжение таких транзисторов не велико;

- транзисторы, изготовленные по технологии CoolMOS, имеют лучшие характеристики по пробивному напряжению и сопротивлению, но производство таких транзисторов удорожает производство и усложняет технологию изготовления.

В результате анализа возможных структур мощных приборов, была выбрана структура вертикального ДМОП-транзистора, технология изготовления, которого наиболее проста.

Выбор оптимальной конструкции мощного ДМОП–транзистора с заданными электрическими характеристиками, имеющего оптимальную площадь составляет основную часть данной работы.

Было показано, что использование приборно-технологического моделирования при проведении исследования структуры мощного ДМОП-транзистора позволяет существенно уменьшить число варьируемых в эксперименте параметров. При этом необходимо выбрать инструмент и разработать методику моделирования, для эффективного проведения расчетной оптимизации структуры мощного ДМОП–транзистора.

Проведенный обзор литературы по силовым приборам для интеллектуальной схемы позволил сформулировать основные задачи диссертационной работы, решения которых изложены в последующих главах.

В главе 2 рассмотрены существующие программы приборнотехнологического моделирования. Рассмотрен состав и основные возможности приборно-технологической САПР (TCAD) применительно к моделированию мощных приборов. Проведен анализ методов определения напряжения пробоя мощного ДМОП-транзистора с использованием TCAD. При этом возможно использование нескольких приемов:

- расчет, построение и анализ ВАХ транзистора. Данный метод был использован для расчета пробоя охранной области ДМОП-транзистора.

Для его реализации необходимо решать уравнение Пуассона совместно с уравнениями непрерывности для электронов и дырок;

- расчет напряжения лавинного пробоя ячейки ДМОП-транзистора на основе решения только уравнения Пуассона и вычисления ионизационных интегралов (Пуассон-анализ). В Пуассон-анализе величина напряжения пробоя не зависит от тока, а определяется распределением электрического поля, которое рассчитывается на основе распределения примеси с помощью уравнения Пуассона.

Ионизационный интеграл представляет собой соотношение для эффективной скорости ударной ионизации для электронов и дырок, полученное при рассмотрении эффекта лавинного пробоя p-n перехода.

Интегрирование идет по ширине ОПЗ. Условием пробоя считается равенство ионизационного интеграла единице.

Также было показано, что расчет напряжения лавинного пробоя p-n перехода с полевой обкладкой на основе расчета ВАХ и на основе Пуассон-анализа дают практические схожие результаты.

Было показано, что для расчета сопротивления транзистора необходимо рассчитывать выходные ВАХ. При расчете сопротивления ДМОП-транзистора саморазогрев не учитывался, так как напряжение на стоке было мало и не оказывало влияние на сопротивление. Но при больших напряжениях на стоке эффект саморазогрева оказывал значительное влияние. Для учета эффекта саморазогрева необходимо использовать не стандартную дрейфово-диффузионную, а термодинамическую модель, которая предполагает, что температура носителей и подложки одинакова и изменяется в результате подачи напряжения.

В главе 3 было проведено исследование закономерностей, связывающих пробивное напряжение с конструктивнотехнологическими параметрами мощного вертикального ДМОПтранзистора.

Показано, что пробивное напряжение ДМОП-транзистора обусловлено пробоем p-n перехода. Для анализа влияния конструктивно-технологических параметров на пробивное напряжение ДМОП-транзистора необходимо провести влияние этих параметров на пробой p-n перехода. Пробивное напряжение p-n перехода зависит от следующих параметров: концентрации по обеим сторонам перехода, кривизны перехода и от заряда на границе раздела Si-SiO2. Для повышения напряжения пробоя p-n перехода используют различные методы. Основными методами являются метод использования полевой обкладки и метод использования охранных колец или совместное использование полевой обкладки и охранных колец.

Показано, что при использовании полевой обкладки наблюдается максимум пробивного напряжения при изменении длины полевой обкладки (толщина окисла остается постоянной, толщина подложки не препятствует распространению ОПЗ) и при изменении толщины окисла (длина полевого электрода остается постоянной, толщина подложки не препятствует распространению ОПЗ). То есть для любой длины полевой обкладки найдется толщина пленки окисла, при которой наблюдается максимум пробивного напряжения и наоборот. При наличии и увеличения заряда в оксиде кремния, пробивное напряжения снижается.

Значительно на величине пробивного напряжения сказывается значение заряда в оксиде более 1011 см-2.

При использовании полевой обкладки значение пробивного напряжения гораздо ниже, чем необходимо в высоковольтных приборах, поэтому для высоковольтных структур используют охранные кольца (рисунок 1), где Wbr – расстояние между кольцами, Wr – ширина кольца, xjp – глубина залегания p-n перехода, Hepi – толщина эпитаксиальной пленки.

Для понимания того, как влияет охранное кольцо на напряжение пробоя и уменьшения времени расчета достаточно использования программ MDRAW и DESSIS, конечная структура просчитывается в DIOS. Структура составляется в редакторе MDRAW, а затем просчитывается в программе DESSIS. Распределение p+ областей задается распределением Гаусса с боковым уходом равным единице и с концентрацией на поверхности 1020 см-3, концентрация примеси n-типа равна 1014 см-3, n+ - 1017 см-3, так как концентрация в n+-область велика, ширина ОПЗ будет не велика и n+-область можно не принимать в расчет.

Было рассмотрено два подхода к расчету пробивного напряжения.

Первый подход: возьмем структуру с одним кольцом, как показано на рисунке 1 и будем менять расстояние Wbr между основным переходом и охранным кольцом для достижения максимального напряжения пробоя. Видно, что при определенном расстоянии Wbr напряжение пробоя будет максимально, данное расположение и будет являться оптимальным. Далее добавляем второе кольцо и меняем расстояние между 1 и 2 кольцами, а расстояние между переходом и кольцом сохраняем прежнее. И так далее, приходим к тому, что добавление второго кольца незначительно увеличивает пробивное напряжение, а добавление третьего и последующих колец не приводит к увеличению напряжения пробоя. Данный эффект объясняется тем что весь приложенный потенциал падает на основном переходе и кольце и при добавлении второго и последующих колец, перераспределение потенциала у основного перехода практически не происходит и пробивается всегда основной переход.

Второй подход: заключается в том, что расстояние между первым и вторым кольцами после добавления второго кольца, не меняется и остается равным расстоянию между переходом и кольцом, полученному в структуре с одним кольцом. Таким образом, меняя расстояние между переходом и вторым кольцом, опять находим оптимум, при котором наблюдается максимум напряжения пробоя. И вот при таком подходе мы получаем, что добавление кольца приводит постоянно к повышению пробивного напряжения, и стремится, но не достигает напряжения пробоя плоского перехода. И если расстояние оптимально, то напряженность поля будет одинакова у всех переходов.

При увеличении глубины залегания перехода, пробивное напряжение будет возрастать, потому что увеличивается кривизна перехода.

Из зависимости напряжения пробоя от расстояния между переходом и кольцом для разного количества колец и для различных значений заряда в окисле видно, что с увеличением заряда напряжение пробоя снижается из-за более сильного обогащения приповерхностной области основными носителями заряда. Рассмотрим структуру с одним кольцом.

Из зависимости видно, что при определенном расстоянии между переходом и кольцом, наблюдается максимум пробивного напряжения, назовем данное расстояние оптимальным. Если расстояние между переходом и кольцом меньше оптимального, то пробой происходит у кольца и пробивное напряжение снижается. Если же расстояние больше оптимального, то пробой происходит у основного перехода и напряжение пробоя также уменьшается. Из-за перераспределения потенциала во всей структуре с кольцами, происходит увеличение ОПЗ, что ведет к уменьшению и перераспределению поля, а это в свою очередь ведет к увеличению пробивного напряжения.

Напряжение пробоя в структуре с кольцами не изменяется, если толщина эпитаксиальной пленки больше ширины ОПЗ, так как нет ограничения распространению ОПЗ. Ширина ОПЗ при толщине пленки, не ограничивающей ее в структурах с одним, двумя и тремя кольцами равна 56,7 мкм, 62,7 мкм и 65,7 мкм соответственно (заряд в оксиде Nss = 0 см-2).

При увеличении числа колец значение пробивного напряжения возрастает и стремится к значению пробивного напряжения плоского перехода, но не достигает его. Напряжение пробоя плоского p-n перехода равно 796 В, напряжение пробоя цилиндрического p-n перехода равно 254 В. Напряжение пробоя в структуре состоящей из семи охранных колец равно 710 В.

На практике возможно совместное использование охранных колец и полевой обкладки. Hа рисунке 2 показана структура с одним кольцом и с полевыми обкладками у перехода и кольца, где L – длина полевой обкладки основного перехода, L1 – длина полевой обкладки кольца.

Расчет проводился по тому же методу, по которому рассчитывались охранные кольца.

Рисунок 2 - Структура с полевой обкладкой и охранным кольцом Напряжение пробоя в структуре, показанной на рисунке 2, увеличивается с увеличением длины полевой обкладки у основного перехода, и зависимость имеет максимум напряжения пробоя при определенном расстоянии между переходом и кольцом (L1=const).

Такая же зависимость наблюдается при увеличении полевой обкладки у кольца (L=const). Но из анализа зависимостей видно, что пробой существенно растет при увеличении полевой обкладки у кольца. Это объясняется тем, что чем меньше длина полевой обкладки у основного перехода, тем более полно происходит перераспределение потенциала.

Также возможна следующая конструкция с полевыми обкладками и кольцами, когда полевые обкладки у кольца и основного перехода направлены навстречу друг другу.

В результате анализа данной конструкции были получены зависимости пробивного напряжения от расстояния между переходом и кольцом, из которых видно, что при увеличении длины полевой обкладки у перехода (L1=const) напряжение пробоя не изменяется, что объясняется неизменностью распределения потенциала в структуре.

При увеличении полевой обкладки у кольца (L=const) пробивное напряжение уменьшается, так как потенциал от основного перехода в меньшей степени оказывает влияние на кольцо.

На пробивное напряжение ДМОП-транзистора оказывают влияние параметры ячейки прибора (рисунок 3).

Чем больше глубина залегания p-n перехода при толщине эпитаксиальной пленки, не ограничивающей ОПЗ, тем больше пробивное напряжение, так как увеличивается радиус кривизны перехода.

Если толщина эпитаксиальной пленки такова, что происходит ограничение ОПЗ, то при увеличении глубины залегания p-n перехода, пробивное напряжение будет уменьшаться, так как уменьшается ширина ОПЗ. При увеличении Lg напряжение пробоя уменьшается, что связано с перемещением области пробоя к поверхности, а при увеличении Lp+ пробивное напряжение возрастает, что связано с увеличением кривизны сферического перехода.

Изменяя Lp, необходимо получить пороговое напряжение в диапазоне от 2 до 4 В. Заданное пороговое напряжение мы получим при значениях Lp более 5 мкм.

Рисунок 3 - Ячейка ДМОП-транзистора и параметры, влияющие на В главе 4 были определены зависимости сопротивления транзистора от его конструктивно-технологических параметров.

Сопротивление в открытом состоянии складывается из нескольких компонентов, показанных на рисунке 4:

RDS(on) = RSOURCE + RCH + RA + RJ + RD + RSUB + Rwcml, где RSOURCE – сопротивление области истока, RCH – сопротивление канала, RA – сопротивление в области накопления, RJ – сопротивление между истоками, RD – сопротивление дрейфовой области, RSUB – сопротивление подложки, Rwcml – сопротивление внешних выводов На рисунке 5 показан вклад каждой компоненты сопротивления в RDS(on) для структур, имеющих различное пробивное напряжение. Как видно из рисунка, в высоковольтных структурах доминирует сопротивление эпитаксиальной пленки и компоненты сопротивления между областями истока (p-областями). При низких пробивных напряжениях преобладающим является сопротивление канала и сопротивление внешних выводов.

Рисунок 4 - Компоненты сопротивления ДМОП-транзистора.

Рисунок 5 - Соотношение между сопротивлениями входящими в RDS(on) для структур с различным значением пробивного напряжения.

В Таблице 1 показано процентное соотношение вкладов каждого сопротивления в величину сопротивления открытого канала для трех значений приложенного напряжения.

Таблица 1 - Вклад различных составляющих в величину сопротивления открытого канала для типичного кристалла МОП транзистора Составляющая