Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Интеллектуальные силовые интегральные схемы 10
1.1 Состав интсллектуальных силовых ИС и требования к мощному элементу,.!G
1.2 Способы изоляции элементов интеллектуальных силовых ИС 12
1.3 Достоинства и недостатки интеллектуальных силовых ИС. созданных на основе тонкопленочной КНИ-технологии 18
1.4 Сущеегвующие конструктивно-технологические варианты создания мощных КНИ-транзи стеров для интеллектуальных силовых ИС 22
1.5 Область безопасной работы мощных ключей... 29
1.6 Методы исследования мощных КНИ МОП-транзисторов 32
1.7 Общие выводы, постановка цели и задач диссертации ...33
Глава 2. Анализ структуры планарного мощного кни моп-транзистора с целью выявления факторов, ограничивающих его область безопасной работы, и создание расчетной модели оптимизируемой конструкции 34
2.1 Анализ факторов, ограпичиваишщх область безопасной работы мощных КНИ МОП—транзисторов по напряжению и току. 34
2.2 Анализ базовых ячеек мощных КНИ МОП-транзисторок и создание на основе анализа расчетной модели для оптимизации структуры прибора 40
2.3 Выводы 48
Глава 3- Методика моделирования области безопасной работы 49
3.1 Особенности моделирования мощных КНИ МОП-транзисторов 49
3.2 Маршрут моделирования области безопасной работы мощных КНИ МОП-транзисторов 53
3.3 Создание трехмерной модели исследуемого прибора для расиста его электрических характеристик 57
3.4 Обзор основных моделей для расчета электрических характеристик прибора 62
3.5 Моделирование распределении тепловых потоков 71
3.6 Выводы 73
Глава 4. Исследование зависимости факторов, ограничивающих область безопасной работы мощного книмоп-транзистора, от конструктив но -технологических параметров прибора 74
4.1 Исследование яатшснмосш пробивного напряженна от конструктивно-технологических параметров прибора 74
4.2 Исследование зависимости предельного значения выходного тока, ограниченного включением паразитного биполярного транзистора, от конструктивно-технологических параметров прибора.. ...86
4.3 Исследование -.адниеиыости параметров температурной области безопасной работы от конструктивно-технологических параметров прибора. ...90
4.4 Сопоставление границ :лсктрической и температурной области безопасной работы прибора 95
4.5 Выводы 97
Глава 5 Разработка конструктивно-технологических решений создания планарных мощных кни моп-транзисторов с расширенной областью безопасной работы 99
5.1 Исследование тепловых свойств базовых ячеек мощного КНИ МОП-транзистора 99
5 А .1 Исследование тепловых свойств тестовой ячейки мощного транзистора 99
5.1.2 Исследование тепловых свойств мощного транзистора в составе ИСИС 108
5.1.3 Исследование распределения температуры вне областей размещения мощного транзистора в ИСИС 113
5 1,4 Экспериментальное исследование тестовой ячейки мощного транзистора 118
5,2 Выбор конструкции и технологии изготовления мощного элемента базовой ячейки с целью расширения его области безопасной работы 124
5.3 Выводы 127
Выводы по работе 129
Список использованных источников 131
Приложения 140
- Достоинства и недостатки интеллектуальных силовых ИС. созданных на основе тонкопленочной КНИ-технологии
- Анализ базовых ячеек мощных КНИ МОП-транзисторок и создание на основе анализа расчетной модели для оптимизации структуры прибора
- Маршрут моделирования области безопасной работы мощных КНИ МОП-транзисторов
- Исследование зависимости предельного значения выходного тока, ограниченного включением паразитного биполярного транзистора, от конструктивно-технологических параметров прибора..
Введение к работе
В современной силовой полупроводниковой электронике широко
используются интеллектуальные силовые интегральные схемы (ИСИС), содержащие на одном кристалле, как мощные элементы, так и схемы управления и зашиты силовых приборов [1]. Интеллектуальные ИС находят широкое применение в системах автоматики и управления индустриальной и бытовой электроникой, в системах сотовой связи[2].
При создании таких ИС возникает ряд проблем, в частности проблема совместимости технологии изготовления мощных и низковольтных элементов схемы, атакжелеобходпмость обеспечения изоляции между ними,
Одним из способов решения этих проблем является создание ИС на основе тонкопленочной технологии кремни й-на-изоляторе (КИИ), которая помимо полной диэлектрической изоляции и простой КМОП-совместимой технологии для низковольтной и мощной частей схемы обеспечивает также высокое быстродействие и повышенною радиационную стойкость схем,
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 области канала, проявляются в виде скачка выходного тока при увеличении выходного напряжения «кинк-эффекта» н в виде включения паразитного биполярного п-р-п-транзистора, базой которого является р-подложка, а эмиттером и коллектором -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 КГШ-траызисторов, в которых большие токи и напряжения приводят к значительному саморазогреву.
Эти факторы сильно ограничивают область безопасной работы (ОБР) мощных транзисторов и, тем самым» ограничивают диапазон применения интеллектуальной схемы [3].
Для расширения ОБР необходимо провести анализ влияния различных конструктивно-технологических факторов на харакі еристики типового мощного МОП-транзистора в составе интеллектуальной силовой ИС, реализованной на основе тонкопленочной КНИ-технологии, и разработать технические решения, позволяющие расширить границы ОБР без существенного ухудшения основных параметров прибора.
Эффективным метолом анализа мощных приборов, в которых существенен эффект саморазогрева вследствие большой плотности выделяемой мощности, является использование программ квазитрехмерного моделирования электротепловых режимов [4], в частности, программ приборно-технологического моделирования (TCAD). Для исследования необходимо разработать методику комплексного моделирования, применительно к расчету граничных режимов работы пленарных мощных КНИ МОП-транзисторов.
Цель диссертационной работы заключается в разработке конструктивно-технологических решений по расширению области безопасной работы мощных КНИ МОП-транзисторов для интеллектуальных силовых интегральных схем на основе методов приборно-технологического моделирования.
Научная новизна результатов, полученных в диссертационной работе, заключается в следующем
1. Разработана методика приборно-технологического моделирования, позволяющая исследовать возможность расширения области безопасной работы мощных КИИ МОП-транзисторов ИСИС.
2. Установлены и исследованы основные закономерности, характерные для мощного КНИ МОП-транзистора, связывающие границы области безопасной работы с конструктивно-технологическими параметрами интегральной структуры, а именно:
пробивного напряжения с параметрами пинч-резистора. затвора, под электрод ного ТЇ скрытого окисла;
- предельного значения тока с параметрами подложки и расстоянием между
контактами к тонкой подложке,
3. Показано, что пробивное напряжение имеет Экстремум в узком диапазоне доз легирования пинч-резистора, что объясняется перераспределением электрического поля на границах подложка - иинч-резистор и пинч-резисгор -сток, приводящее к уменьшению его максимуг цлГ0 значения"
4. Установлено, что при малых площадях моідНОІ-о транзистора граница ОБР определяется током включения паразитно 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, Ц основном, при уменьшении
Практическая значимость работы определяется следующими основными результатами:
1. Разработана вычислительная модель для расчета мощных КЕШ МОП-транзисторов, позволяющая расширить г БР мощного прибора без существенного ухудшения его основных электрических характеристик,
2. 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 в схеме,
3. Разработана оптимизированная консірукіщя и технологический маршрут формирования мощного элемента ИСИС, позволившие расширить его ОЕР по напряжению более чем на 20%. а по току более ljeM в 2 раза.
Практическая значимость работы подтверж ется внедрением следующих результатов:
- Результаты работы использованы у Государственном учреждении научно-производственного центра «Технологический ц нтр» МИЭТ при оптимизации конструкции к технолошческого процесса формиропапия мощных элементов ИСИС,
- Результаты работы внедрены в учебный процесс на кафедре ИЭМС МИЭТ, используются в лабораторных практикумах по курсу "Моделирование в среде TCAD", "Современные методы моделирования" (учебный план ЭКТ факультета, 9 и 10 семестры), направление подготовки 210104.65 "Микроэлектроника и твердотельная электроника", 210100,G8 "Электроника н микроэлектроника",
- Результаты рабогы использованы при выполнении научно-исследовательских работ пМИЭТ.
На защиту выносятся:
1. Разработай н а я методика приборно-технологического моделирования, позволяющая исследовать возможность расширения ОБР мощных КНИ МОП-транзисторов ИСИС.
2. Полученные с помощью системы приборно-тех по логического моделирования закономерности, связывающие параметры электрической и температурі і oil ОБР с конструктивно-технологическими параметрами прибора.
3. 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 в 2 раза.
4. Результаты исследования тепловых свойств базовых ячеек планарпых мощных КНИ МОП-транзисторов.
Апробация результатов работы:
результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:
- X Международная научная конференция "Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники", 2006 г,
- Шестая научно-техническая конференция "Тпердотельная электроника, сложные функциональные блоки РЭА". Владимир, 2007 г.
- Восьмая международная конференция по электронным приборам и материалам "EDM-2007", Эрлагол, 2007 г.
- Международная научно-техническая конференции "Микро- и наноэлектроника — 2007", 2007 п III Всероссийская научно-техническая конференция " Проблемы разработки перспективных микро- и папоэлектронных еиетем-2008 (МЭС-2008)", Москва, 2008
- Международная научно-техническая конференция "Микроэлектроника и наноинженсриия-2008 1, Москва. 2008.
- International Conference Micro- and nanoeiectronics-2009", 2009.
Публикации,
Результаты диссертации опубликованы в 12 печатных работах, из которых 3 статьи, а том числе 2 статьи п изданиях, пходяїцих в перечень ЕЛК, и 9 тезисов докладов на научно-технических конференциях.
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введення, пяти глав, заключения, 2 лриложений, сгиска использованных источников из 104 наименований.
Достоинства и недостатки интеллектуальных силовых ИС. созданных на основе тонкопленочной КНИ-технологии
Так как напряжение пюпочепия паразитного биполярного транзистора зависит от расположения коргтакта к тонкой подложке, поскольку этим определяется сопротивление гонкой подложки, являющейся "базой" паразитного биполярного транзистора исток-сток-иодложка, то" в работе [52] (рисунок 1.15) предложено делать контакт к подложке, как и в объсмных транзисторах, рядом с контактом к истоку. При этом исток имеет меньшую глубину, чем сток. Создание такого контакта позволяет уменьшить СРПР0ТИВЛСНИС базовой области паразитного биполярного транзистора и, соответственно увеличить ток его включения. Однако расчеты показывают [52], что это напряжение, тем не менее. меньше аналогичной величины для объемных мощных МОЇ 1-транзисторов. С целью уменьшения базового сопротивлеИия в работе [53] представлена структура мощного БТИЗ (биполярный транзистор с изолированным затвором), в которой заглубленный (скрытый) окисел частичг 0 удален ПД областью канала (Quasi-SOI) (рисунок 1.16). Такая конструкция позволяет напрямую связать область канала с низкоомной р-подложкой, дырк» могУт уходить в подложку, а не скапливаться в канале, повышая сопротивлепие базы паразитного биполярного транзистора. Другим примером частичной КНИ-изоляции [54] может служить структура планарного мощного КНИ-транзистора, в которой слой окисла расположен только под стоком, как показано на рисунке 1.17. чатвор Конструкции, показанные на рисунках 1.16 и 1.17, за счет частичного удаления скрытого слоя окисла позволяют также улучшить отвод тепла из канала, который в основном происходит через управляющую (нижнюю) подложку. Попытки улучшить теплоотвод из активных областей прибора через заглубленный окисел делались и в других работах. Самым простым из предложенных вариантов является уменьшение толщины скрытого окисла [55]. Но это приводит к ухудшению изоляционных свойств.
В целях достижения необходимой электрической изоляции скрытый слой окисла обычно варьируется от 100 до 400 нм. В работе [56] предложена структура со ступенчатым скрытым окислом (рисунок 1.18). Такая структура позволяет не только улучшить теплоотвод, но и повысить пробивное напряжение транзистора, однако обладает худшими электрическими характеристиками и более сложной технологией изготовления, чем классические КНИ-структуры. В работах [57-58] предложено делать скрытый слой состоящим из нескольких слоев (silicon-over-insulator-multilayer SOIM). Многослойный изолирующий слой может состоять из оксида кремния и нитрида кремния (рисунок 1.19). Интеграция мощных МОП-транзисторов на такой структуре позволяет повысить теплоотвод через нижнюю подложку по сравнению с классическими КНИ-структурами благодаря увеличению термической проводимости составного слоя оксид кремния - нитрид кремния.
Также в [57] предложена конструкция, в которой верхние электроды соединяют с управляющей кремниевой подложкой прямым контактом через слои тонкого кремния и скрытого окисла (contact through buried oxide layer СТВОХ) (рис- 1.20 (а)). Благодаря такой конструкции ПОТОк тепла направляется из активной области прибора в управляющую пс,дл0Жку через соединительный контакт. В работе [5В также предложена комбинация методов SOIM и СТВОХ (рисунок 1-20 (б)), что позволяет снизить влияние тепловых эффектов для широкого диапазона напряжений. Рисунок 1.20 - Модифицированные с целью улучшения теплоогвода структуры планарных мощных КНИ МОП-транзисторов: а - структура с окном в слое скрытого окисла, б - структура с окном в сЛое скрытого многослойного диэлектрика Si02+SbN4 Большинство описанных конструктивн текно логических вариантов создания мощных КНИ МОП-транзисторов Направлено, прежде всего на уменьшение теплового сопротивления изолирующей пленки (SiO?). В [59] предложено формировать планарные мощные МОП-транзисторы на подложках из сапфира - КНС-структуры (рисунок 1.21). Хотя сапфир имеет в 3.5 раза меньшую теплопроводность чем кремний такие приборы имеют меньшее тепловое сопротивление объемной подложки, так как в них нет слоя Si02. Выходные характеристики приборов, описанных в [59) не имеют характерных для КНИ-структур признаков влияния саморазогрева (например, участка отрицательного дифференциального сопротивления в пологой облаєш ВАХ). Для уменьшения теплового сопротивления толстой подложки в [60] предложено уменьшить ее толщину (до 5 мкм). Такая технология, получившая название Silicon-On-Glass (кремний - на - стекле), заключается в следующем: - На основе КНИ-структуры с требуемой толщиной рабочего слоя формируется мощный МОП-транзистор, как показано на рисунке 1.22 (а), Рисунок 1.22 - Последовательность этапов создания мощного МОП-транзистора на основе структуры кремний-на-стекле: а - формирование прибора на основе КНИ-структуры, б- соединение исходной структуры со стеклянной подложкой и утончение Si-подложки. Полученная структура склеивается (верхней частью) со стеклянной подложкой, Si-подложка утончается до слоя заглубленного оксида (BOX) (рисунок 1.22 (б)) и вся структура припаивается нижней частью к толстому медному основанию, также являющимся электром стока. Итоговая структура обладает очень хорошим теплоотводом. Так на рисунке 1.23 показаны рассчитанные в [60] распределения температур в исходной и модифицированной структурах из-за саморазогрева приборов. Из рисунка 1.23 виден характер распределения температуры.
Анализ базовых ячеек мощных КНИ МОП-транзисторок и создание на основе анализа расчетной модели для оптимизации структуры прибора
В предыдущих разделах определены основные конструктивно-технологические параметры, обуславливающие границы ОБР мощного КНИ МОП-транзистора по напряжсишо и току. С целью создания расчетной модели прибора и выявления закономерностей, связывающих конкретные значения параметров прибора и факторов, ограничивающих его ОБР, необходимо рассмотреть конструкцию и техно л отческий маршрут формирования уже существующих планарных мощных МОП-транзисторов для ИСИС на базе тонкопленочной КНИ-технологии. Так в Технологическом Центре МИЭТа на базе тонкопленочиой КНИ-технологии была изготовлена ИСИС, содержащая два больших планарных мощных пМОП-транзистора и низковольтные схемы (рисунок 2.7). Каждый мощный транзистор состоит их девяти блоков. В свою очередь, каждый блок состоит из набора малых транзисторов, расположенных параллельно друг к другу. Топология одного из транзисторов блока показана на рисунке 2.8(a). В этой топологии можно выделить симметричную часть, показанную на рисунке 2.8(6). Как видно из рисунка 2.8(a) каждый элемент мощного КНИ МОП-транзистора имеет топологию А-типа, в которой расстояние между р+-контактами к подложке равно 21 мкм (или 10.5 мкм для симметричного блока).
Кроме двух мощных МОП-транзисторов и низковольтных КМОП-схем, также сформированы малые тестовые ячейки-транзисторы (показанные на рисунке 2.9), имеющие контактные площадки ко всем электродам (истока, стока, затвора, подложке). Тестовый элемент представляет собой элемент рисунка 2.8(6) с двумя р+-контактами к подложке и WK0HT= 21 мкм. Для решения поставленной задачи (расширения ОБР) необходимо получить расчетные зависимости электрических параметров прибора от конструкции и технологических режимов его формирования. Проведенный анализ типовой структуры мощного КНИ МОП-транзистора позволил выявить факторы, ограничивающие его ОБР (рисунок 2.11), и параметры областей, влияющих на эти факторы (таблица 2.1). Было показано, что ОБР мощного КНИ МОП-транзистора оіраничена напряжением лавинного пробоя стока, выходным током, при котором включается паразитный биполярный транзистор, и максимально допустимой рассеиваемой мощностью или температурой (рисунок 2.11). Анализ топологии и технологического маршрута изготовления базовых ячеек позволил создать параметризированную модель прибора, как показано на рисунке 2.12, определить начальные значения параметров областей (таблица 2.2) и примерный технологический маршрут их формирования. - Параметры Lj и L2 определяют размер активного канала и размер перекрытия затвором области пиич-резистора. - Область подлешровіїніія канала характершустся дозой легирования DLI или максимальної! концентрацией NLI, Данньіе параметры обуславливают пороговое напряжение и распределение электрического поля перехода сток-подложка. - Область пинч-рез исторг характеризуется Длиной L3? ДОЗОЙ легирования DL3 или максимальной концентрацией NL3. Данные параметры также обуславливают распределение электрического подя перехода сток-подложка. - Толщина подэлектролного оксида Н определяет распределение электрическот поля на границе затвор - пинч-р истор. - Толщина скрытого окисла; Ток влияет на элекТрИческое поле на границе пинч-резистор - скрытый окисел, а также на эффективность теплоотвода.
Толщина объемной подложки; Ь11ШШ влияет на эффективность теплоотвода. - Максимальное расстояние до контакта к тонкой р-подложке: W hL,ElT определяет сопротивление базовой области паразитного биполярного транзистора Проведенный анализ конструкции планарного мощного КМИ МОП-транзистора позволил определить факгоры, ограничивающие его область безопасной работы, а именно: напряжение лавинного пробоя перехода сгок- подложка, ток сюка, при котором включаеіся паразитный биполярный транзистор или при котором прибор разогревается до предельно допустимой температуры. 1. На основе анализа конструкции и технологического маршрута создания базовых ячеек были определены параметры областей прибора, влияющие па тги факторы, а именно: - длина пинч-резиегора; - максимальная концентрация примеси в пипч-резисторс; -длина канала: - максимальная концентрация примеси в канале; - длина перекрытия затвором области пинч-резистора; - толщина подэлсктродного окисла; - толщина скрытого окисла; - толщина пленки кремния; - іолщина объемной подложки; - расстояние между контактами к тонкой подложке. 3. На основе проведенного анализа создана парам егр изо ванная модель для проведения оптимизации планарного мощного КИИ МОП транзистора с целью расширения его области безопасной работы.
Маршрут моделирования области безопасной работы мощных КНИ МОП-транзисторов
С учетом особенностей моделирования мощных КНИ МОП-транзнсторов нами была разработала комплексная методика представленная в виде схемы на рисунке 3.4. 1. На первом этапе рассчитывается напряжения лавинного пробоя перехода сток-подложка и сопротивление транзистора и открытом состоянии для двухмерных структур, показанных на рисунке 3.5 (а,б), для различных конструктивно-технологических параметров (в соответствие с таблицей 2.1). Структуры на рисунке 3.5 (а,б) представляют собой схематичное изображение двухмерных сечений, представленных на рисунке 2Л0 Возможности программы ISH TCAD для расчета электрических характеристик мощных МОП-приборов по их двухмерным (2D) сечениям описаны в работе [96]. Маршрут двухмерного электрофизического моделирования приведен в приложении I. Вид графического окна проекта с варьируемыми параметрами гшнч-резистора D и L3 представлен на рисунке 3.6. 2. На втором этапе проводится трехмерное моделирование электрических характеристик для расчета тока, при котором включается паразитный биполярный транзистор, от расстояния до контакта к тонкой подложке WKOllT (в соответствие с таблицей 2.1). При гех же параметрах конструкции оценивается сопротивление и открытом состоянии. Трехмерные структуры базовой ячейки транзистора с различными WKOIIT? полученные в соответствии с топологией и технологическим маршрутом приведенными на рисунках 2.8 и 2.10, показаны на рисунке 3.7.
По результатам моделирования строится электрическая ОБР по току. Маршрут трехмерного моделирования электрических характеристик подробно описан в следующей главе. моделирования являются: тепловое сопротивление транзистора и температурная ОБР по току. Более подробно этот этап описан в главе 3.5. типа с различными расстояниями WK0HT 4. На четвертом этапе проводится сопоставление границ электрической и температурной ОБР, полученных на предыдущих этапах. В качестве программного обеспечения использовался [97]: Па этапе электрофизического моделирования САПР фирмы Synopsys Sentaurus TCAD v.Z-2007.03: 1. Sentaurus Workbench - сервисная оболочка, предназначенная для управления проектами; 2. Sentaurus Process или DIOS - программы двухмерного технологического моделирования; 3. Sentaurus Structure Editor 3D - программа, позволяющая построить трехмерную структуру на основе двухмерных сечений; 4. Sentaurus Mesh - программа для создание структуры прибора, сопряжения программ моделировании технологии с другими инструментами среды TCAD для 2D-3D - структур; 5- Sentaurus Device 3D - программа двух- и трехмерного моделирования электрических харак гернстик; 6. Sentaurus WB Visualization - графическое изображение двух, трехмерных структур. На .этапе моделировании распределения тепловых потоков САПР фирмы ISE TCADv.6.1 [98]: 1. SOLTDIS3D - программа для проектирования МЭМС, расчега механических напряжений, возникающих в слояолых полупроводниковых, металлических, диэлектрических обт-ектах, моделирования распределении тепловых нолей; 2. TF1D оболочка для интерактивного создания структуры для SOL1S1S3D; 3. G2D - программа для визуализации результатов моделирования SOUS1S3D. 33 Создание трехмерной модели исследуемого прибора для расчета его электрических характеристик
В составе пакета программ SYNOPSYS TCAD есть модули, позволяющие создавать трехмерную структуру прибора на основе результатов двухмерного технологического моделирования. Основными этапами создания трехмерной структуры являются; 1) технологическое моделирование двухмерной структуры; 2) формирование трехмерной геометрии; 3) формирование трехмерной структуры (с профилями распределения примесей). На основе созданной трехмерной модели проводится расчет электрических характеристик прибора.
Исследование зависимости предельного значения выходного тока, ограниченного включением паразитного биполярного транзистора, от конструктивно-технологических параметров прибора..
Паразитного биполярного транзистора, от конструктивно-технологических параметров прибора паразитный биполярный транзистор, были рассчитаны выходные ВАХ транзистора при различных параметрах W K0(tr.
На рисунке 4.10 представлены результаты расчета выходных ВАХ и іраниц ОБР для фиксированного (W №HT=0) и плавающего (W wirr=co) потенциала подложки при напряжениях на затворе изи=0-10 В. Границы ОБР, показанные на рисунке 4.7, представляют собой два предельных случая. В реальной структуре, в которой параметр Ш юит имеет конечное ненулевое значение, граница ОБР должна находиться между этими двумя предельными случаями. Точки включения биполярного транзистора на рисунке 4.10 соответствуют смещению перехода исток (эмиттер)-подложка (база) в прямом направлении на 0.8 В, как показано на рисунке 4.11. транзистора в горизонтальном сечении гонкой подложки (разрез на глубине 0,15 мкм над скрытым окислом).
В работе были получены границы ОБР для параметра W , варьируемого в диапазоне 2-10 мкм. в закрытом и открытом состояниях прибора,
Зависимость предельного значения выходного тока, при котором включается паразитный биполярный транзистор, от расстояния до контакта к тонкой подложке в закрытом состоянии транзистора приведена на рисунке 4.12. Зависимость тока стока, при котором включается паразитный биполярный транзистор, от расстояния до контакта к тонкой подложке при Пзи=0. Расчет показал, что выходной гок, при котором включается паразитный биполярный транзистор, увеличивается более чем на порядок с 1,5 Ю-5 до 1.9 10 с уменьшением расстояния до контакта к тонкой положке \У Ю[ГГот 10 до 2 мкм. Зависимость носит гиперболический характер. Для объяснения этой и напряжение, при котором открывается паразитный биполярный транзистор, R-ьт - сопротивление базовой области биполярного транзистора. Поскольку R T пропорционально \У Ю1П, то 1ЕТобратно пропорционален W , Таким образом, для расширения электрической ОБР по току необходимо уменьшать расстояние между контактами к тонкой подложке- Однако, при этом уменьшается эффективная ширина области истока и канала (рисунок 2.4(6)), а следовательно, увеличивается сопротивление транзистора в открытом состоянии. Однако, расчет показал, что при уменьшении W h0]ll с 10 до 1 мкм (№ВДІЇТ= (W №in+I) 2 уменьшается с 22 до 4 мкм) при напряжениях изи-5 В UCH=0.5 В параметр Ron S увеличивается слабо на 0.5 мОм см (рисунок 4.13), Минимальное расстояние между р+ контактами ограничено проектными нормами и составляет для исходной структуры 4 мкм (W BIHr=l мкм). При расчете учитывалось, что ширина р+ области под легирования под контакт к тонкой подложке также равна минимальному значению 2 мкм. Таким образом, исследования показали, что уменьшение расстояния между р+ -контактами к тонкой подложке является эффективным способом расширения границ электрической ОБР по току. Однако, предельный ток ограничен также саморазогревом, при котором температура в канале может достигнуть максимально допустимого значения еще до включения паразитного биполярного гранзисюра. Для оценки температурной ОБР и теплового сопротивления прибора проводилось моделирование распределения тепловых потоков для обобщенной модели мощного элемента в интеллектуальной силовой ИС, представленной на рисунке 4.14. Сам транзистор представлен в виде квадрата площадью S, на котором задается постоянное значение температуры. Температура нижней части подложки равна 300 К.
