Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Литературный обзор по мощного приборам применяемым в силовых интеллектуальных схемах 11
1.1 Интеллектуальные силовые интегральные схемы 11
1.2 Способы объединения маломощных и мощных частей схемы на одном кристалле 12
1.3 Основные силовые приборы, используемые в качестве ключа 17
1.4 Особенности использования силовых МОП транзисторов 21
1.5. Планарные силовые МОП транзисторы 25
1.6 Классификация методов самосовмещения 28
1.7 Применение моделирования при разработке полупроводниковых приборов 31
1.8 Выводы 34
Глава 2 Разработка методики моделирования мощных планарных МОП-транзисторов 36
2.1 Обоснование необходимости применения приборно-технологического моделирования при разработке приборов 36
2.2 Структура и характеристики пакета ISE TCAD 3 7
2.3 Приборно-технологическое моделирование мощных МОП транзисторов 39
2. 4 Выводы 41
Глава 3. Исследование влияния геометрии слоев структуры на электрофизические параметры прибора 43
3.1 Структура МОП-транзисторов 43
3.2 Исследование влияния способа формирования локального окисла на пороговое напряжение 4 6
3.3 Исследование влияния длины затвора над активным и пассивным каналами мощного МОП- транзистора 53
3. 4 Выводы 65
Глава 4. Моделирование структуры самосовмещенного п-МОП транзистора 67
4.1 Структура самосовмещенного л-МОП транзистора со "спейсером" 67
4.2 Структура самосовмещенного п-МОП транзистора без "спейсера" 72
4.3 Структура самосовмещенного п-МОП с двумя локальными окислами 77
4 . 4 Выводы 84
Глава 5. Экспериментальная апробация конструктивно технологических решений 85
5.1 Технологический маршрут изготовления мощных МОП транзисторов с применением методов самосовмещения 85
5.2 Измерения электрических характеристик образцов мощных МОП транзисторов 95
5 . 3 Выводы 105
Заключение 111
Список используемых источников 114
- Способы объединения маломощных и мощных частей схемы на одном кристалле
- Структура и характеристики пакета ISE TCAD
- Исследование влияния способа формирования локального окисла на пороговое напряжение
- Структура самосовмещенного п-МОП транзистора без "спейсера"
Введение к работе
При создании таких ИС возникают проблемы совместимости технологий изготовления силовых и маломощных элементов схемы, а также создания и обеспечения удовлетворительной изоляции между ними. Одним из возможных технических решений этой проблемы является полная диэлектрическая изоляция элементов схемы, например, с помощью использования структуры "кремний-на-изолятореи (КНИ). Конструктивно-технологический вариант КНИ позволяет создать плёночный мощный МОП транзистор с надёжной изоляцией от интеллектуальной части схемы при совместимом технологическом маршруте изготовления. Однако КНИ структуры не вышли пока на уровень массового производства силовых ИС.
Одним из способов решения этой проблемы является использование планарного МОП транзистора в качестве силового элемента, который самоизолирован от других приборов обратносмещенным р-n переходом. Однако традиционные планарные МОП транзисторы имеют малое пробивное напряжение стокового перехода и значительное сопротивление в открытом состоянии, а силовым планарным транзисторам, имеющим большую площадь, характерна высокая входная емкость, которая ухудшает динамические параметры прибора. Для устранения этих недостатков и улучшения рабочих характеристик силовых ключей в части повышения пробивного напряжения, снижения сопротивления открытого транзистора и повышение быстродействия необходимо провести разработку мощных планарных МОП транзисторов, как элементов коммутации силовых цепей с
использованием методов приборно-технологического моделирования и предложить новые конструктивно-технологических решения, в частности, с применением принципов самосовмещения.
Цель работы - исследование и разработка самосовмещенной структуры мощного планарного МОП транзистора как элемента интеллектуальных силовых интегральных КМОП микросхем с улучшенными параметрами.
Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих научно-технических задач.
Анализ известных структур мощных МОП транзисторов и выявление основных причин снижения пробивного напряжения и быстродействия.
Разработка методики приборно-технологического моделирования применительно к структурам мощных планарных МОП транзисторов.
Анализ и разработка различных вариантов конструкций мощных МОП транзисторов, обладающих повышенным быстродействием и пробивным напряжением перехода сток-подложка.
Разработка технологического маршрута для формирования самосовмещенной структуры мощных транзисторов на основе базового процесса технологии КМОП БИС.
Апробация разработанных конструктивно-технологических решений в условиях опытного производства и анализ параметров экспериментальных образцов мощных планарных МОП транзисторов.
Научная новизна работы.
1. Проведен анализ программного пакета приборно-технологического моделирования ISE TCAD и разработана методика его
6 использования для исследования мощных планарных МОП -транзисторов.
Установлена корреляция между значением порогового напряжения мощных планарных МОП — транзисторов и способом формирования прибора.
Определены закономерности, связывающие конструктивно-технологические параметры структуры мощного МОП транзистора с его пробивным напряжением.
Проведен анализ влияния на быстродействие конструкции мощного МОП транзистора и установлена связь между динамическими характеристиками прибора и конструкцией электрода затвора.
Практическая значимость работы.
Разработана методика экспрессного моделирования мощного МОП транзистора пригодная для использования в различных сферах микроэлектроники.
Предложена новая самосовмещенная структура ячейки мощного планарного МОП транзистора с восьмигранным кольцевым затвором вокруг стока, обеспечивающая улучшение динамических характеристик.
Разработан технологический маршрут изготовления мощных / планарных МОП транзисторов с улучшеными параметрами по быстродействию (в три раза) и пробивному напряжению (в 1.5 раза) совместимы^ с базовым процессом изготовления КМОП \) V интегральных схем.
Реализация результатов работы.
Результаты работы (методика, конструкция, технология изготовления приборов) внедрены в опытное производство Государственного учреждения научно-производственного центра «Технологический центр» МИЭТ, где
были изготовлены экспериментальные образцы мощного МОП транзисторов. Изготовленные приборы и схемы были использованы в ПИР и ОКР, проводимых в НПК ТЦ по заказу НИИ «Субмикрон». Испытания приборов, проведенные НИИ «Субмикрон», показывают возможность применения их в скоростных линиях передачи данных.
Представляется к защите.
Методика моделирования мощных планарных МОП — транзисторов на основе использования приборно-технологического пакета ISE TCAD.
Закономерности, связывающие пороговое напряжение, пробивное напряжение и быстродействие мощного МОП транзистора с его конструктивными параметрами.
Новая самосовмещенная структура мощного МОП транзистора, позволяющая существенно повысить его динамические характеристики и эффективность использования площади.
Технологический маршрут изготовления самосовмещенной структуры силового планарного МОП транзистора.
Экспериментальные образцы мощных планарных МОП транзисторов изготовленных по разработанной технологии f и результаты исследования их электрических параметров.
Апробация Результатов Работы
Результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:
IV Международная научно-техническая конференция, Москва, Зеленоград, 19-21 ноября 2002 г
Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники. Таганрог 2002г.
Всероссийская научно-техническая конференция "Микро- и наноэлектроника" 2001 МНЭ —2001, Звенигород.
VIII Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов, Москва, Зеленоград, 17,18 апреля 2001 г
XIII научно-техническая конференция. "Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления" (Датчик -2001) Крым, май 2001г.
Третья Международная научно-техническая конференция "Электроника и информатика -XXI век", Москва, Зеленоград, 22-24 ноября 2000 г
Третья Международная научно-техническая конференция "Электроника информатика — XXI век" Зеленоград, 22-24 ноября 2000 г.
VII Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов, Москва Зеленоград, 17,18 апреля 2000 г,
Публикации
Результаты диссертации опубликованы в 11 печатных работах, из которых 3 статьи в научных журналах и 8 тезисов докладов на научно-технических конференциях.
Статьи
М.А.Королёв, Р.Д.Тихонов, А.В.Швец/ Исследование влияния способов формирования локального окисла на параметры мощных МОП-транзисторов в "интеллектуальных" силовых интегральных схемах// Известия высших учебных заведений. Электроника. 2001 г. №1, стр. 29-35
М.А.Королёв, Р.Д.Тихонов, А.В.Швец/ Исследование влияния структуры пинч-резисторного пассивного канала на параметры МОП-транзисторов// Известия высших учебных заведений. Электроника. 2001 г. №3, стр. 91-92
М.А.Королёв, Р.Д.Тихонов, А.В.Швец/ Исследование влияния длины затвора над активным и пассивным каналами на параметры МОП транзисторов интеллектуальных силовых интегральных схем// Известия высших учебных заведений. Электроника. 2001 г. №5, стр. 54-58
Доклады
Королёв М.А., Швец А.В., Тихонов Р.Д./ Самосовмещенная технология силовых МОП транзисторов // Всероссийская научно-техническая конференция, тез. докл. МНЭ — 2001, Звенигород.
Швец А.В., Тихонов Р.Д./ Использование элементов самосовмещения при изготавлении планарных силовых транзисторов/Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники, тез. докл. ТРТУ Таганрог 2002г.
Королёв М.А., Швец А.В. / Самосовмещенная технология силовых МОП транзисторов // Восьмая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов тез. докл. МЭИ, Москва 2002.
М.А.Королёв, А.В.Швец/ Конструктивно-технологические
особенности планарных МОП-транзисторов // IV Международная научно-техническая конференция, Москва, Зеленоград, 19-21 ноября 2002 г, тез. докл., стр.90
М.А.Королёв, Р.Д.Тихонов, А.В.Швец, Н.А.Шелепин. / Исследование влияния способов формирования локального окисла на параметры мощных МОП-транзисторов в "интеллектуальных" силовых интегральных схемах// Третья Международная научно-техническая конференция "Электроника и информатика —XXI век", Москва, Зеленоград, 22-24 ноября 2000 г, тез. докл., стр.6,7
А.В.Швец, Р.Д.Тихонов/ Математическое моделирование структуры и электрических параметров силовых п- и р-МОП-транзисторов// VIII Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов, Москва, Зеленоград, 17,18 апреля 2001 г, тез. докл., стр.25
М.А.Королёв, Р.Д.Тихонов, А.В.Швец/ Исследование влияния длины затвора над активным и пассивным каналами на параметры МОП-транзисторов интеллектуальных магниточувствительных интегральных схем// ХШ конференция. "Датчики и преобразователи информации систем
измерения, контроля и управления" (Датчик -2001) Крым, май 2001г., тез.
докл., стр.101
Королев М.А., Тихонов Р.Д., Швец А.В., Шелепин Н.А. /Исследование влияния способов формирования локального окисла на параметры мощных МОП-транзисторов в "интеллектуальных" силовых интегральных схемах .// стр 6., Электроника и информатика — XXI век. Третья Международная научно-техническая конференция (Зеленоград, 22-24 ноября 2000 г. ).
Объем и структура работы.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, приложений,
содержащих акты внедрения результатов работы, списка использованных
источников из 56 наименований.
Способы объединения маломощных и мощных частей схемы на одном кристалле
Наиболее оптимально формировать такие ИС с полной диэлектрической изоляцией, например, на основе КНИ (кремний на изоляторе) или КНС (кремний на сапфире) структур [2]. Технология структур с полной диэлектрической изоляцией обеспечивает очень малые токи утечки, следовательно, позволяет размещать на одном кристалле мощные приборы и схемы управления ими. Однако использовать такую технологию при серийном производстве схем чрезвычайно дорого. У ск \(0-К л- »- -а,иао л.оо
Существуют различные варианты формирования КНИ — структур, первый пример получения КНИ структуры показан на Рис.1.1. В этом случае берутся две пластины, которые имеют слой диоксида кремния на поверхности. Эти пластины "склеивают" окисленными поверхностями и производят шлифовку одной из поверхностей полученной пластины. Далее производятся операции для формирования приборов.
Вторым способом является создание скрытого окисляющего слоя при помощи ионной имплантации кислорода в кремневую пластину ((Рис. 1.2). Третий вариант получения КНИ структуры использует метод рекристаллизации поликремния. Данный метод заключается в следующем: на л пластину, имеющую на поверхности пленку Si02, наносится слой поликремния, далее производится сканирование поверхности лазерным пучком, при котором происходит рекристаллизация поликремния. Но такая технология еще не вышла на уровень промышленного применения. Так как диэлектрически изолированные кремневые подложки дорогостоящие, поэтому при производстве многих SMART POWER кристаллов в качестве изоляции элементов схем используют р-n переход (Рис. 1.3). Если в будущем стоимость диэлектрически изолированных подложек сможет понизиться, это облегчит формирование SMART POWER ИС потому, что уменьшится влияние паразитных элементов и возникнет возможность объединить МОП и мощные биполярные приборы.
Силовые ключи используются для подачи различных номиналов напряжений от источников питания на блоки и исполнительные устройства автоматизированных систем контроля и управления. В качестве силового ключа может быть использован целый набор силовых приборов, таких как тиристоры, биполярные транзисторы, биполярные транзисторы с изолированным затвором (БТИЗ), вертикальные ДМОП транзисторы (Рис. 1.4)/ латеральные ДМОП транзисторы
Тиристор - биполярный полупроводниковый прибор с двумя устойчивыми состояниями, имеющий три или более р-n перехода и способный переключаться из закрытого состояния в открытое и обратно. Этот прибор имеет низкое сопротивление в открытом состоянии и высокое сопротивление в закрытом состоянии. Тиристор имеет S-образную вольтамперную характеристику. Однако использование тиристора в качестве ключа в SMART POWER схемах ограничено тем, что через структуру тиристора протекают большие токи, которые могут изменить потенциал подложки, что, в свою очередь, негативно влияет на маломощные схемы управления [3]. Кроме того, сфера применения тиристора ограничена частотным фактором, так как частота переключения тиристора невысока и составляет десятки килогерц.
Биполярный транзистор - полупроводниковый прибор, который способен при незначительном изменении базового тока управлять большим током нагрузки. Однако этот прибор имеет недостаток, связанный с накоплением неосновных зарядов, время рассасывания которых увеличивает время переключения прибора. Кроме того, прибор имеет два пробоя — первичный пробой обладающий обратимостью и jgTOpH4Hbm пробой, который развивается после первичного пробоя и имеет необратимый характер.
Биполярный транзистор с изолированным затвором имеет неоспоримые преимущества перед традиционным биполярным транзистором. Во-первых, этот прибор управляется потенциалом, следовательно, схема управления им упрощается. Во-вторых, по своим электрическим свойствам он обладает свойствами биполярного транзистора. I Недостатком же являются характерные для биполярного транзистора низкие динамические характеристики из-за высокой диффузионной емкости. Однако он широко применяется как дискретный элемент.
Наибольшее распространение получила вертикальная ДМОП структура. По сравнению с биполярным транзистором он имеет высокий входной импеданс, высокую скорость переключения и следовательно j большую область применения. Это сделало ДМОП применимым как в ;у источниках питания компьютера, так и автомобильной электронике. ДМОП принципиально отличается от биполярного транзистора/тем что является потенциальным прибором, т.е. управление им происходит посредством изменения потенциала на электроде затвора. ДМОП структура обеспечивает наилучшие параметры по сопротивлению открытого транзистора и предельным значениям пробивных напряжений стока, по сравнению с приборами типа БТИЗ. На Рис. 1.4 представлены структуры вертикальных транзисторов.
Поэтому ряд крупных фирм /Motorola, International Rectifier, Siemens, Toshiba, NECJH много других, более мелких, ведут разработку силовых ключей на ДМОП транзисторах. В основном для изготовления этих транзисторов используется в разных модификациях вертикальная ДМОП структура, так как она обеспечивает наилучшие значения параметров по величине рабочих токов и предельных значений напряжений. Например, на транзисторах фирм Motorola и International Rectifier предельное значение напряжения стока достигает 1200В [4, 5], транзисторы IRL3803 фирмы International Rectifier имеют сопротивление открытого ключа менее 0,006 Ом и рабочие токи 120А [6].
Структура и характеристики пакета ISE TCAD
DIOS - это программа моделирования технологических процессов с полностью автоматизированным адаптивным методом построения сетки (Рис. 2.1), не требующем вмешательства пользователя (но существует возможность контролирования генерации сетки). Кроме аналитических моделей процесса имплантации, DIOS включает в себя программу одно- двух мерного моделирования методом Монте-Карло CrystalRIM. Диффузия моделируется на основе современных моделей точечных дефектов, откалиброванных большим количеством экспериментов. Также включены и механические эффекты такие, как механические напряжения и тепловое расширение. Эффективные нелинейные и линейные схемы решения позволяют моделировать очень сложные структуры, содержащие вплоть до 100000 узлов. Эта программа применяется для широкого спектра технологий (например, VLSI CMOS, силовые приборы, КНИ-структуры) многими ведущими производителями полупроводниковых приборов.
DESSIS - это многофункциональная программа моделирования электротепловых явлений в приборах и схемах для одно-, двух- и трехмерных структур. DESSIS включает в себя физические модели и устойчивые численные методы для моделирования полупроводниковых приборов от субмикронных МОП-транзисторов до больших силовых биполярных структур. В DESSIS используется обширное множество моделей физических явлений, имеющих место в полупроводниковых приборах (дрейфо-диффузионная, термодинамическая и гидродинамическая модели). Возможно моделирование одно-, двух- и трехмерных структур.
INSPECT — это инструмент для вывода и анализа кривых, который использует классический графический пользовательский интерфейс (point-and-click), язык сценариев (script) и диалоговый язык для осуществления вычислений, связанных с кривой.
Первый этап - это моделирование технологического маршрута, которое осуществляется при помощи программы DIOS в двумерном приближении. При моделировании всех высокотемпературных процессов использовалась модель PairDiffusion - модель учитывающая диффузию примеси и точечных дефектов. При моделировании ионной имплантации применялись распределения Гаусса (Gauss) (2.1) и Пирсона (Pearson) (2.2).
При помощи программы MDRAW редактирование структуры, а именно происходит назначение электродов-контактов. В MDRAW также производится генерация сетки для проведения электрофизического расчета. На заключительном этапе проводится электрофизическое приборное моделирование при помощи DESSIS, где при моделировании использовалась диффузионно-дрейфовая модель. Решение системы уравнений происходит в два этапа: первый этап расчет начальной точки проводится методом Гумеля так как этот метод имеет лучшую сходимость. Дальнейший расчет проводится методом Ньютона, имеющим большую скорость расчета.
Результаты, полученные после моделирования в DESSIS, представляют собой несколько результирующих файлов, которые можно просмотреть и проанализировать в программах INSPECT и PICASSO (визуализатор двумерных распределений). Рис. 2.1 иллюстрирует возможный вариант проведения моделирования.
Разработанная методика на основе пакета приборно-технологического моделирования ISE TCAD позволяет проводить моделирование процессов, протекающих в силовых приборах, и оптимизировать их структуру. Файл с описанием технологического маршрута Программа моделирования технологического маршрута в DIOS (process simulation) Файл с описанием условий электрофизического моделироващ Редактор структуры в MDRAW, генерация сетки для проведения электрофизического моделирования Программа электрофизического моделирования в DESSIS Программа для визуализации одномерных распределений INSPECT.
Исследование влияния способа формирования локального окисла на пороговое напряжение
Одним из "тонких мест" структуры силового транзистора является граница индуцированного и встроенного каналов. В процессе изготовления силового транзистора проводилось локальное окисление для получения толстого окисла. В качестве маски применялся нитрид кремния, нанесенный на буферный окисел. Буферный окисел способствовал тому, что окисление происходило и под маской тоже, при этом появлялся паразитный элемент, так называемый "птичий клюв", который в свою очередь увеличивает пороговое напряжение. Было проведено моделирование роста локального окисла с различной толщиной буферного слоя.
В процессе построения базовой физической структуры силового транзистора при моделировании применялась следующая последовательность операций: 1. На подложке Р-типа выращивание буферного окисла 2. Нанесение нитрида кремния 3. Формирование фотомаски и травление нитрида кремния Ч 4. Ионная имплантация фосфора (формирование области N0)) 5. Проведение локального окисления, получение толстого окисла 1мкм 6. Стравливание нитрида кремния /П 7. Ионная имплантация бора для создания области Р 1 8. Стравливание буферного окисла 9. Окисление под затвор 10. Формирование поликремневого затвора. 11 .Формирование сток-истоковых областей.
Первый профиль формировался с буферным окислом 0.05 мкм и с травлением перед локальным окислением. Локальный окисел имел форму линзы с неоднородностями около края нитридной маски. Второй профиль формировался с буферным окислом 0.05 мкм, окисел не травился. Локальный окисел имел форму линзы с гладкими краями.
Третий профиль формировался с буферным окислом 0.03 мкм, окисел не травился. Локальный окисел имел форму прямоугольника с выраженным / клювом. лчтлА - VUA- 3 , Для данных профилей были рассчитаны при помощи программы ISE TCAD распределение примесей (Рис. 3.3) и вольтамперные характеристики (Рис. 3.4).
Результаты моделирования показали, что прибор .сформированный с использованием варианта 3 обладает наименьшим пороговым напряжением, л/ т.к. р-n- переход между областью Р индуцированного канала и областью No встроенного канала находится под локальным окислом наименьшей толщины.
Пороговое напряжение - величина, напрямую зависящая от толщины подзатворного диэлектрика. Значение порогового напряжения меняется при неоднородной толщине подзатворного диэлектрика, что имеет место при наличии "птичьего клюва". С целью определения возможности регулирования величины порогового напряжения проведено моделирование, устанавливающее зависимость порогового напряжения от величины «клюва». Как средство уменьшения "клюва" использовалось изотропное стравливание окисла перед операцией окисления под затвор на некоторую толщину. Были сформированы структуры с буферным окислом уО.05 мкм, который стравливался после локального окисления на величину до 0.34 мкм. . Произведено моделирование электрических параметров и вольтамперных характеристик перечисленных выше структур.
Результаты моделирования показали, что с увеличением величины стравливаемого слоя окисла пороговое напряжение уменьшается, но после определенной величины происходит своего рода "насыщение" т.е. пороговое напряжение перестает зависеть от толщины стравливания. Это означает, что р-n- переход между областью Р индуцированного канала и областью No встроенного канала обнажается и при следующей операции подзатворного окисления слой окисла получается однородным. На рис. 3.5 показана И зависимость порогового напряжения от толщины стравливаемого слоя локального окисла. Буферный окисел 0.05 мкм с травлением
Зависимость порогового напряжения N-канального МОП -транзистора от толщины стравливаемого слоя локального окисла 3.3 Исследование влияния длины затвора над активным и пассивным каналами силового МОП- транзистора.
Анализ рассчитанных профилей лавинной ионизации и распределения электростатического потенциала рассмотренных выше структур показал зависимость пробивного напряжения от длины затвора над пассивной и активной частями канала.
С целью оптимизации параметров силовых транзисторов были проведены расчеты структуры и электрических характеристик, прежде всего пробивного напряжения между стоком и истоком, для различных форм затворов, которые установили зависимость изменения пробивного напряжения от длины затвора над пассивной частью канала и от длины затвора над активной частью канала. U ,VK W JU AAJ На первом этапе варьировалось длина затвора над пассивной частью канала, все остальные технологические операции остались прежние. За основу была взята_стт стура, показанная на Рис. 3.3 (в), для которой / пробивное напряжение составляло 54,2 В, заряд на границе раздела Si-SiC 2 А имел значение 2 10 см, общая длина затвора составляла 5 мкм и расстояние от края затвора до края фотомаски под локальное окисление со стороны стока - LSLD составляло 1мкм. Последовательно проводилось уменьшение длины затвора и, соответственно, увеличение расстояния LSLD.
Полученные структуры транзисторов с различными длинами затвора над пассивным каналом со стороны истока и распределение носителей тока представлены на Рис 3.6. В этих структурах край затвора со стороны стока отодвигается от стока и приближается к границе между пинч-резисторной областью, образующей встроенный канал, и областью с дополнительным легированием подложки Р , в которой располагается индуцированный канал. Для этих структур рассчитано семейство вольтамперных характеристик тока стока от напряжения сток-исток, определяющих величину пробивного напряжения стока в зависимости от длины затвора над пассивным каналом.
Структура самосовмещенного п-МОП транзистора без "спейсера"
С цель повышения пробивного напряжения было предложено удалить ь защиту из нитрида кремния на границе поликремний - локальный оксид кремния, чтобы при проведении локального окисления часть поликремневого затвора переходила в окисел. Маршрут был модифицирован с учетом выше описанных требований, и при травлении окна под локальный оксид кремния в слое нитрида кремния, слой нитрида кремния, прилегающий к затвору, удалялся. На рисунке 4,4 представлена часть нового технологического маршрута, который использовался при проведении технологического моделирования и получения физической структуры. Для полученной физической структуры было проведено электрофизическое моделирование, в ходе которого были получены вольтамперная характеристика пробоя перехода сток-подложка представленная на рисунке 4.5. На рисунке 4.6 представлено двумерное распределение скорости ударной ионизации.
Из рисунка 4.6 видно, что максимальная скорость ионизации находится на границе сток — локальный оксид кремния, следовательно, такая структура имеет большее пробивное напряжение, кроме того, структура без "спейсера" имеет неоспоримое преимущество перед структурой со "спейсером", а именно, на границе электрода затвора и толстого оксида кремния электрод затвора имеет сглаженные углы. Это повышает рабочее напряжение. Недостатком же данной структуры является то, что электрод затвора отстоит на некотором расстоянии от области пинч-резистора, это повышает пороговое напряжение транзистора. Это также может привести к тому, что у приборов различных образцов, будут отличаться пороговые напряжения, вследствие того, что электрод затвора будет прокислятся на разную величину, которая в свою очередь зависит от качества выполнения операции нанесения поликремния, а также от качества и свойств поликремневой пленки. В ходе проведенных исследований было установлено, что изменения в технологическом маршруте приводят к ухудшению электрических характеристик прибора в целом, кроме того, при выполнении операции "формирование поликремневого затвора" до "нанесения пленки нитрида кремния" вносит в маршрут дополнительную операцию "нанесения пленки нитрида кремния".
Вышеописанные структуры имели ряд недостатков. Первая структура со "спейсером" на краю затвора совмещалась только с локальным окислом, однако пинч-резистор мог заходить под затвор, меняя тем самым эффективную длину активного канала. Вторая структура имела разрыв между затвором и пинч-резистором, вследствие чего транзистор мог недооткрывается. Общим недостатком для обеих структур являлось то, что требовалось проведение дополнительной операции нанесения нитрида кремния (для формирования "спейсера" со стороны затвора прилегающего к истоку), а также две операции нанесения поликремния: первая — для формирования затвора силовой части схемы, вторая - для формирования затворов схем управления. Результатом устранения тих недостатков стала структура с двумя локально выращенными слоями диоксида кремния, которые ограничивают с двух сторон активный канал. Поликремневый затвор при рассовмещении с локальным окислом перекрывает зазор между двумя участками локального окисла и, таким образом, затвор над активным каналом имеет фиксированную величину. При такой конструкции требуется рассчитать дозу легирования истока без диффузионного смыкания истока с пинч-резистором при последующих термических операциях. На Рис 4.7 приведен технологический маршрут, применяемый для изготовления этой структуры и используемый при приборно-технологическом моделировании.
Распределения примесей бора и фосфора на границе области Р (области предназначенной для устранения смыкания ОШ областей стока и истока) и No, а также на границе областей Р и области истока таково, что в р-п переход образует острый угол, что снижает пробивное напряжение прибора в целом. Для устранения этого эффекта и для сглаживания р-п переходов была проведена операция подлегирования всей поверхности бором. Таким образом, операция создания области Р была заменена операцией легирования бором по всей поверхности подложки в начале технологического маршрута. Это позволило: первое - исключить одну операцию фотолитографии, второе сгладить р-n переходы областей пинч-резистора, стока и истока. Недостаток данной операции в том, что для достижения необходимой концентрации примеси фосфора в области No было необходимо увеличить дозу примеси при проведении операции ионной имплантации.
На рис. 4.8 приведены результаты электрофизического моделирования в двумерном приближении, двух самосовмещенных структур силовых планарных МОП-транзисторов (в первой структуре - ионная имплантация бором области Р проводилась локально между двумя локальными окислами, во второй структуре по всей поверхности подложки в начале техпроцесса). Данный рисунок иллюстрирует распределение скорости ударной ионизации в глубине полупроводника.
I. Предложена новая структура силового МОП -транзистора, в которой с целью повышения воспроизводимости длины активного канала, было произведено самосовмещение края электрода затвора с краем толстого изолирующего оксида кремния. Структура была проанализирована с помощью математического моделирования, по результатам которого были выявлены недостатки данной структуры, а именно установлено, что в этой структуре электрод затвора на границе с толстым локальным оксидом кремния имеет острый угол, а так же в этой области присутствует большая плотность силовых линий электрического поля, следовательно, данная структура не может обеспечить высокого пробивного напряжения.
2. Предложена структура мощного МОП- транзистора, в которой из-за отсутствия "спейсера" на границе электрода затвора и изолирующего толстого оксида кремния, устранялся острый угол края электрода затвора, посредством прокисления поликремния. С помощью математического моделирования структуры были выявлены недостатки данной структуры, установлено, что в этой структуре электрод затвора отстоит от толстого изолирующего оксида кремния на некоторую не постоянную величину, следовательно, приборы МОП —транзисторов с такой структурой не будет иметь постоянную величину порогового напряжения.
