На правах рукописи

АРТАМОНОВА ЕВГЕНИЯ АНАТОЛЬЕВНА

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА КОНСТРУКТИВНО–

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ПО РАСШИРЕНИЮ

ОБЛАСТИ БЕЗОПАСНОЙ РАБОТЫ МОЩНЫХ КНИ МОП–

ТРАНЗИСТОРОВ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ СИЛОВЫХ

ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ

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 -

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

Научный руководитель:

член-корреспондент РАН, д.т.н., проф. Чаплыгин Юрий Александрович

Официальные оппоненты:

д. т. н., проф. Петросянц К. О.

к. т. н., Романов И. М.

Ведущая организация:

ОАО Ангстрем

Защита диссертации состоится 24 июня 2010 г., в 14.30 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 _2010 года

Ученый секретарь диссертационного совета:

доктор технических наук Крупкина Т. Ю.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

В современной силовой полупроводниковой электронике широко используются интеллектуальные силовые интегральные схемы (ИСИС), содержащие на одном кристалле, как мощные элементы, так и схемы управления и защиты мощных приборов. ИСИС находят широкое применение в системах автоматики и управления промышленной и бытовой электроники, в системах сотовой связи.

При создании таких ИС возникает ряд проблем, в частности проблема совместимости технологий изготовления мощных и низковольтных интеллектуальных элементов схемы, а также необходимость обеспечения изоляции между ними.

Одним из способов решения этих проблем является создание ИС на основе тонкопленочной технологии кремний-на-изоляторе (КНИ), которая помимо полной диэлектрической изоляции и простой КМОПсовместимой технологии для низковольтной и мощной частей схемы обеспечивает также высокое быстродействие и повышенную радиационную стойкость схем.

Однако при создании мощного элемента на основе данной технологии возникают специфические проблемы, связанные с плавающим потенциалом подложки, а также с саморазогревом мощного элемента. Эти факторы сильно ограничивают область безопасной работы (ОБР) мощных транзисторов и, тем самым, ограничивают диапазон применения ИСИС. Поэтому разработка конструктивно-технологических решений, позволяющих расширить ОБР мощных элементов ИСИС, является актуальной задачей современной силовой интегральной электроники.

Для решения этой задачи необходимо провести анализ влияния конструктивно-технологических факторов на характеристики типового мощного МОП-транзистора в составе ИСИС, реализованной на основе тонкопленочной КНИ-технологии, и разработать технические решения, позволяющие расширить границы ОБР прибора.

Эффективным методом анализа является приборнотехнологическое моделирование, позволяющее на основе виртуальных экспериментов исследовать влияние конструктивно-технологических факторов на ОБР, для чего необходимо разработать методику комплексного моделирования, применительно к расчету ОБР планарных мощных КНИ МОП-транзисторов.

Цель диссертационной работы заключается в разработке конструктивно-технологических решений по расширению области безопасной работы мощных КНИ МОП-транзисторов интеллектуальных силовых интегральных схем на основе методов приборно-технологического моделирования.

Для достижения поставленной цели решались следующие научно-технические задачи:

1. Анализ структуры мощного КНИ МОП-транзистора с целью выявления факторов, ограничивающих его ОБР, и параметров прибора, влияющих на эти факторы. Создание на основе анализа расчетной модели оптимизируемой конструкции.

2. Разработка методики приборно-технологического моделирования применительно к расчету граничных режимов работы мощных КНИ МОП-транзисторов.

3. Исследование зависимости факторов, ограничивающих ОБР, от конструктивно-технологических параметров мощного КНИ МОП-транзистора.

4. Разработка технологического маршрута, конструкции и топологии мощных КНИ МОП-транзисторов, имеющих расширенные диапазоны безопасной работы прибора.

Научная новизна.

Разработана методика приборно-технологического моделирования, позволяющая исследовать возможность расширения области безопасной работы мощных КНИ МОПтранзисторов ИСИС.

Установлены и исследованы основные закономерности, характерные для мощного КНИ МОП-транзистора, связывающие границы области безопасной работы с конструктивнотехнологическими параметрами интегральной структуры, а - пробивного напряжения с параметрами пинч-резистора, затвора, подэлектродного и скрытого окисла;

';

- предельного значения тока с параметрами подложки и расстоянием между контактами к тонкой подложке.

Показано, что пробивное напряжение имеет экстремум в узком диапазоне доз легирования пинч-резистора, что объясняется перераспределением электрического поля на границах подложка – пинч-резистор и пинч-резистор – сток, приводящее к уменьшению его максимального значения.

Установлено, что при малых площадях мощного транзистора граница ОБР определяется током включения паразитного биполярного транзистора и увеличивается, в основном, за счет уменьшения расстояния между контактами к тонкой подложке;

при больших площадях мощного элемента предельный ток ограничен саморазогревом и увеличивается, в основном, при уменьшении толщины объемной кремниевой подложки.

Практическая значимость работы.

Разработана вычислительная модель для расчета мощных КНИ МОП-транзисторов, позволяющая расширить ОБР мощного прибора без существенного ухудшения его основных электрических характеристик.

Проведено экспериментальное исследование и моделирование тепловых свойств мощного прибора, а также распределения температуры по площади кристалла интеллектуальной силовой ИС при работе мощного прибора, что позволяет оптимизировать топологию расположения элементов схемы.

Разработана оптимизированная конструкция и технологический маршрут формирования мощного элемента ИСИС, позволившие расширить его ОБР по напряжению на 20%, а по току более чем в Реализация результатов работы.

Результаты работы использованы в Государственном учреждении научно-производственного центра «Технологический центр» МИЭТ при оптимизации конструкции и технологического процесса формирования мощных элементов ИСИС, внедрены в учебный процесс на кафедре ИЭМС МИЭТ и использованы при выполнении научноисследовательских работ в МИЭТ.

Представляются к защите.

Разработанная методика приборно-технологического моделирования, позволяющая исследовать возможность расширения ОБР мощных КНИ МОП-транзисторов ИСИС.

Полученные с помощью системы приборно-технологического моделирования закономерности, связывающие параметры ОБР с конструктивно-технологическими параметрами прибора.

Модифицированные с целью расширения ОБР конструкция и технологический процесс формирования мощного КНИ МОП– транзистора базовой ячейки, позволившие расширить ОБР по напряжению на 20% и по току более чем в 2 раза.

Результаты исследования тепловых свойств базовых ячеек планарных мощных КНИ МОП-транзисторов.

Апробация результатов работы.

Результаты работы докладывались и обсуждались на научнотехнических семинарах кафедры интегральной электроники и микросистем МИЭТ, а также на следующих конференциях:

- X Международная научная конференция Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники, 2006 г.

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

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

- Международная научно-техническая конференция Микро- и наноэлектроника – 2007, 2007 г.

- III Всероссийская научно-техническая конференция Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем- (МЭС-2008), Москва, - Международная научно-техническая конференция Микроэлектроника и наноинженериия-2008, Москва, 2008.

- International Conference Micro- and nanoelectronics-2009, 2009.

Публикации.

Результаты диссертации опубликованы в 12 печатных работах, из которых 3 статьи, в том числе 2 статьи в изданиях, входящих в перечень ВАК, и 9 тезисов докладов на научно-технических конференциях.

Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, 2 приложений, списка использованных источников из 104 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

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

В первой главе определяется состав интеллектуальных силовых схем и выполняемые ими функции, а именно: управление мощностью, защита мощного ключа и слежение за состоянием нагрузки, взаимодействие с логическими схемами.

Проведен анализ требований к мощному элементу схемы. При работе в ключевом режиме мощный элемент характеризуется такими взаимосвязанными параметрами, как сопротивление во включенном состоянии Ron; максимальное напряжение пробоя в закрытом состоянии Uпроб; быстродействие tзд; занимаемая площадь S.

Показано, что при создании интеллектуальных силовых схем возникает ряд проблем, в частности проблема совместимости технологий изготовления мощных и маломощных интеллектуальных элементов схемы, а также необходимость обеспечения изоляции между ними.

Поскольку низковольтная часть схемы выполняется на основе КМОП-технологии, одним из способов решения проблемы совместимости технологий является использование КМОП-технологии также и для создания мощного элемента.

Был проведен анализ различных способов изоляции элементов интеллектуальных силовых схем и показано, что изоляция на основе тонкопленочной технологии кремний-на-изоляторе (КНИ) обеспечивает полную диэлектрическую изоляцию элементов ИСИС, и технологический процесс формирования мощного элемента является КМОП-совместимым. Кроме того, интеллектуальные силовые ИС, созданные на основе тонкопленочной КНИ-технологии имеют высокое быстродействие и повышенную радиационную стойкость.

В результате анализа была выбрана конструкция мощного элемента на основе тонкопленочной КНИ КМОП-технологии (рисунок 1). Как видно из рисунка, мощный МОП-транзистор отличается от низковольтного наличием слаболегированной области n-пинчрезистора между р -подложкой и n+ -стоком, а также тем, что электрод затвора выведен на толстый окисел и перекрывает область пинчрезистора. Введение слаболегированной области n-пинч-резистора позволяет увеличить ОПЗ перехода n+ -сток - р- подложка в горизонтальном направлении и, следовательно, повысить пробивное напряжение перехода. Выведение электрода затвора на область пинчрезистора позволяет принудительно увеличить ширину ОПЗ по горизонтали в направлении стока и увеличить напряжение лавинного пробоя стока при сохранении низкого сопротивления в открытом состоянии.

Рисунок 1 – Низковольтный и мощный n-МОП-транзистор в ИСИС, созданной на основе тонкопленочной КНИ-технологии.

Однако при создании мощного элемента на основе данной технологии возникают проблемы, связанные с плавающим потенциалом подложки, а также с саморазогревом мощного элемента.

Эффекты плавающей подложки, связанные с особенностями реализации контакта к подложке и высоким сопротивлением слаболегированной области канала, проявляются в виде скачка выходного тока при увеличении выходного напряжения «кинкэффекта» и в виде возникновения паразитного биполярного n-p-nтранзистора, базой которого является p-пленка кремния, а эмиттером и коллектором – n+ -исток и сток МОП-транзистора.

Саморазогрев, связанный с наличием скрытого слоя окисла, теплопроводность которого на несколько порядков ниже, чем у кремния, может приводить как к снижению выходного тока, так и к тепловому пробою в кремнии и выгоранию алюминиевых контактов на границе с кремнием. Проблема саморазогрева особенно актуальна для мощных КНИ-транзисторов, в которых большие токи и напряжения приводят к значительному саморазогреву.

Эти факторы сильно ограничивают область безопасной работы мощных транзисторов и, тем самым, ограничивают диапазон применения интеллектуальной силовой интегральной схемы.

Приведено определение понятия «Область безопасной работы»

как совокупность выходных электрических характеристик, при соблюдении которых обеспечивается надежная работа полупроводникового ключа без существенного ухудшения его характеристик.

Проведен анализ существующих конструктивно-технологических вариантов создания мощных КНИ-транзисторов, направленных на преодоление проблем плавающей подложки и саморазогрева. Однако, все варианты существенно отличаются от традиционной КНИ КМОПтехнологии и используются лишь для узкого круга задач.

Исследование влияния конструкции и технологии на границы области безопасной работы и разработка конструктивнотехнологических решений создания мощных КНИ МОП-транзисторов с расширенными диапазонами безопасной работы составляют основную часть работы.

Показано, что современные программы приборнотехнологического моделирования позволяют проводить расчет трехмерных моделей приборов, получать представление о происходящих внутри прибора процессах (то есть получить расчетные распределения потенциала, электрического поля, ОПЗ), получать ВАХ сложной формы (например S-образные характеристики). Эти возможности TCAD широко используются для анализа граничных режимов работы мощных приборов. Однако при этом необходимо выбрать программы, разработать методику моделирования и параметризированную модель исследуемой конструкции прибора.

Проведенный обзор литературы по интеллектуальным силовым интегральным схемам позволил сформулировать основные задачи диссертационной работы, решение которых изложено в последующих главах.

Во второй главе проводится анализ структуры мощного КНИ МОП-транзистора с целью выявления факторов, ограничивающих его ОБР, и параметров прибора, влияющих на эти факторы.

Для исследования была использована типовая топология и технологический маршрут формирования мощных КНИ МОПтранзисторов, представленные на рисунках 2(а,б) соответственно.

Данный маршрут позволяет изготавливать и КМОП интеллектуальные схемы. Технологический маршрут КМОП-совместимый. Большие токи достигаются параллельным соединением большого числа транзисторов.

Проведенный анализ позволил определить, что ОБР мощного КНИ МОП-транзистора ограничена напряжением лавинного пробоя перехода сток-подложка и током стока, при котором включается паразитный биполярный транзистор или при котором прибор разогревается до предельно допустимой температуры (рисунок 3(а)). В результате анализа типовой структуры прибора были выявлены параметры областей, влияющие на границы области безопасной работы, как показано в таблице 1. К ним относятся: максимальная концентрация примеси в канале NL, и области n-пинч-резистора NL3, длина активного канала L1, длина перекрытия затвором области n- пинч-резистора L2, длина области n-пинч-резистора L3, толщина оксида Hок, толщина пленки кремния Tsi, толщина скрытого окисла: Tок, толщина объемной подложки Lподл, максимальное расстояние до контакта к тонкой pподложке: Wконт.

Рисунок 2 – а -топология и б - технологический маршрут формирования планарного мощного КНИ МОП-транзистора (сечение 1-1).

Рисунок 3 – а - факторы, ограничивающие область безопасной работы и б - параметризированная модель мощного КНИ МОП–транзистора.

Так, пробивное напряжение стока зависит от параметров области пинч-резистора, канала и от параметров подэлектродного оксида. Эти параметры определяют распределение электрического поля в приборе.

Ток стока, при котором включается паразитный биполярный транзистор, при фиксированной толщине пленки кремния и длине канала зависит, прежде всего, от расстояния между контактами к тонкой подложке, так как оно определяет сопротивление базовой области паразитного биполярного транзистора.

Степень саморазогрева зависит от длины канала, длины пинчрезистора, а также от параметров, отвечающих за эффективность теплоотвода, а именно: от толщин скрытого окисла и объемной подложки.

Таблица 1 - Связь факторов, ограничивающих ОБР с конструктивнотехнологическими параметрами прибора Факторы, ограничивающие ОБР Параметры областей Напряжение лавинного пробоя стока: L1,L2, L3, NL1, NL3, Hок, Tsi Uпроб Ток включения паразитного Wконт, Tsi, L биполярного n-p-n - транзистора: IБТ Максимально допустимая рассеиваемая Tsi, Tок, Lподл, L1+ L мощность (или температура): Pн (Tн) На основании анализа типовой конструкции и технологического маршрута формирования мощного КНИ МОП-транзистора разработана параметризированная модель прибора для исследования, приведенная на рисунке 3(б).

В главе 3 разработана методика приборно-технологического моделирования для исследования граничных режимов работы мощных КНИ МОП–транзисторов.

Показано, что традиционный подход к приборнотехнологическому моделированию на основе двухмерного сечения не подходит для планарных мощных КНИ МОП-транзисторов, так как он не позволяет корректно учесть влияние контакта к тонкой подложке на электрические характеристики, а тепловые свойства прибора существенно зависят от конструкции не только самого транзистора, но и окружающих его элементов.

Была разработана методика моделирования, которая представлена на рисунке 4 в виде схемы. Методика позволяет избежать недостатков традиционного подхода. Она состоит из 4 этапов. Предварительно проводилась калибровка параметров модели на основании экспериментальных ВАХ базовой ячейки мощного МОП-транзистора, изготовленной в Технологическом центре МИЭТа на основе тонкопленочной КНИ-технологии.

Рисунок 4 – Комплексная методика моделирования ОБР планарных мощных КНИ МОП-транзисторов.

На первом этапе на основании двухмерной модели рассчитывается напряжение лавинного пробоя стока при различных конструктивно-технологических параметрах. При этих же параметрах рассчитывается значение величины Ron*S, позволяющей оценить важнейшие параметры мощного МОП-транзистора: сопротивление транзистора в открытом состоянии и занимаемую им площадь.

На втором этапе на основании трехмерной модели рассчитывается предельная граница ОБР по току, связанная с включением паразитного биполярного транзистора. Как и на первом этапе, оценивается влияние конструктивных изменений на параметр Ron*S.

На третьем этапе на основании упрощенной трехмерной модели, учитывающей конструкцию транзистора и окружающих его элементов, проводится моделирование распределения тепловых потоков в схеме и рассчитывается предельная граница ОБР по току, связанная с тепловыми свойствами и эффектом саморазогрева.

На последнем, заключительном этапе сравниваются границы ОБР, полученные на предыдущих этапах.

В главе был также рассмотрен маршрут трехмерного приборнотехнологического моделирования для расчета ВАХ мощных КНИ МОПтранзисторов, позволяющий рассчитать электрические характеристики прибора с учетом эффекта плавающей подложки, проведен обзор основных моделей, необходимых для расчета электрических характеристик мощного КНИ МОП-транзистора и предложен простой метод оценки тепловых свойств и температурной области безопасной работы мощного прибора, позволяющий в короткие сроки оценить как тепловые свойства самого транзистора с учетом окружающих его элементов, так и распространение тепла по кристаллу ИСИС при работе мощного транзистора.

В главе 4 с помощью программ приборно-технологического моделирования ISE TCAD и SYNOPSYS TCAD и методики, изложенной в главе 3, проводится исследование закономерностей, связывающих границы области безопасной работы с конструктивнотехнологическими параметрами прибора. Расчет электрических характеристик проводился для параметризованной структуры прибора, разработанной в главе 2.

На первом этапе проведено исследование зависимости напряжения лавинного пробоя перехода сток-подложка мощного КНИ МОП-транзистора от конструктивно-технологических параметров. На рисунке 5 представлена часть результатов, относящаяся к исследованию влияния параметров пинч-резистора, а именно, его длины и дозы легирования на пробивное напряжение.

Рисунок 5 – а - зависимость пробивного напряжения и параметра Ron*S от параметров пинч-резистора, б - распределение электрического поля в канале в сечение 1-1 в точках 1, 2, 3 рисунка 5а.

Пробивное напряжение возрастает с увеличением длины пинчрезистора от 2 до 4 мкм, при дальнейшем увеличении — практически не меняется. Для каждой длины зависимости имеют экстремум в узком диапазоне доз легирования пинч-резистора DL3 = (2.4*1012 - 2.8*1012) см-2.

Характер зависимости можно объяснить следующим:

- При малой дозе легирования (DL3 < 2.4*1012 см-2) при увеличении потенциала на стоке происходит быстрое обеднение области пинчрезистора, и область с максимальным электрическим полем смещается на границу пинч–резистор – сток, как показано на графике 1 рисунка 5(б).

- При повышении дозы легирования (DL3 > 2.8*1012 см-2) при увеличении потенциала на стоке происходит неполное обеднение области пинч-резистора, и пробой происходит на границе области n– пинч-резистор – p-канал (график 3 рисунка 5(б)).

- При дозах легирования DL3 = (2.4-2.8)*1012 см-2 при увеличении потенциала на стоке максимум электрического поля распределяется между двумя границами: пинч–резистор – сток и пинч-резистор – p-канал (график 2 рисунка 5(б)), что и соответствует максимальному пробивному напряжению.

Следует учесть, что величина напряжения пробоя стокового p-n перехода характеризует мощный транзистор в закрытом состоянии. В то же время, открытое состояние прибора описывается сопротивлением мощного транзистора в открытом состоянии Ron. Сопротивление прибора в открытом состоянии уменьшается при увеличении концентрации примеси в области пинч-резистора (Nпинч). Однако при этом пробивное напряжение стокового p-n перехода существенно уменьшается из-за неполного обеднения пинч-резистора.

Для увеличения пробивного напряжения при сохранении низкого сопротивления открытого транзистора, необходимо принудительно обеднять пинч-резистор, например введением полевого электрода.

Введение электрода отделенного от области пинч-резистора толстым оксидом позволит обогатить или обеднить нижележащую диффузионную область (в зависимости от потенциала электрода).

В качестве такого электрода может выступать поликремневый n+ -затвор, правый край которого выводится на толстый оксид. Его параметрами являются:

- величина перекрытия затвором пинч-резистора (L2) - толщина подэлектродного оксида (Hок) На рисунках 6 показано влияние этих параметров на напряжение лавинного пробоя стокового перехода мощного КНИ МОП– транзистора. В расчетах считалось, что смещение затвора равно нулю, а встроенный потенциал n+ Si* составляет 0.55 В; параметры L3 и DL соответствуют максимумам рисунка 6а.

Исследование показало, что зависимости имеют экстремум при L2=1-1.5 мкм и Hок=0.1-0.4 мкм. Использование расширенного электрода затвора позволяет принудительно обеднять область пинчрезистора и увеличить напряжение пробоя до 76 В при сохранении низкого сопротивления в открытом состоянии с учетом площади транзистора до Ron*S =2.5 мОм*см2.

Рисунок 6 - Зависимость пробивного напряжения от: а - величины перекрытия затвором области пинч-резистора, б - толщины подэлектродного оксида. 1 - L3=2 мкм, DL3=2.4*1012 см-3; 2 - L3=2.5 мкм, DL3=2.5*1012 см-3; 3 - L3=3.5 мкм, DL3=2.7*1012 см-3; 4 - L3=4 мкм, DL3=2.8*1012 см-3.

Для объяснения полученных зависимостей Uпроб(L2) на рисунке 7а представлены распределения электрического поля в транзисторе при пробое, из которых следует, что:

- При малой величине перекрытия электродом затвора области пинчрезистора (L2=0.5 мкм) обеднение области n-пинч-резистора электронами не происходит и ОПЗ перехода сток-подложка не расширяется в сторону n+-стока (вправо). Поэтому все электрическое поле перехода сосредоточено на границе пинч-резистор-затвор (точка рисунка 7а), что и вызывает пробой при относительно низком напряжении сток-подложка.

- При величине L2 большей, чем половина длины n-пинч-резистора (L2=3 мкм), максимум электрического поля перехода смещается к n+стоку (область 2 рисунка 7а). Пробой происходит именно в этой области, так как электрод затвора препятствует распространению потенциала от n+-стока в пинч-резистор.

перераспределения электрического поля между двумя критическими областями перехода (областями 1 и 2 рисунка 7а), что достигается при L2=1.5 – 2 мкм.

Рисунок 7 – Распределение электрического поля при пробое: а – при разных длинах L2, б – при разных величинах Hок.

Характер зависимости Uпроб(Hок) объясняется следующим:

- При малой толщины подэлектродного оксида (Нок < 0.1 мкм), максимум электрического поля расположен на границе затвор - пинчрезистор вблизи поверхности тонкого рабочего слоя кремния, увеличивая поле в подложке и вызывая ранний пробой перехода (область 1 рисунка 7б).