Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Интеллектуальные силовые интегральные схемы- перспективные элементы силовой электроники 10
1.1 Назначение и состав интеллектуальных силовых ИС 10
1.2 Требования к мощному элементу интеллектуальной силовой ИС 12
1.3 Возможные конструкции и технологии создания мощного элемента для интеллектуальной силовой ИС 13
1.4 Создание мощного элемента интеллектуальной силовой ИС на основе модификации технологического маршрута формирования низковольтных схем..23
1.4.112Т-технология 23
1.4.2 SVX-технология 25
1.4.3 Формирование мощного элемента интеллектуальной силовой ИС в виде планарного силового МОП - транзистора с пинч-резистором 26
1.5 Методы оптимизации конструкции и технологического маршрута создания мощного планарного МОП-транзистора с пинч-резистором имеющего повышенное значение пробивного напряжения 27
1.6 Общие выводы и постановка задачи диссертации 29
Глава 2. Анализ структуры мощного моп - транзистора с целью выявления факторов, обуславливающих низкое пробивное напряжение транзистора, и создание, на основе анализа, расчетной модели оптимизируемой конструкции 30
2.1 Анализ факторов определяющих напряжение пробоя р-n перехода 30
2.2 Анализ факторов влияющих на пробивное напряжение планарного мощного МОП-транзистора с пинч-резистором 34
2.3 Анализ базовых ячеек мощных планарных МОП - транзисторов 36
2.4 Анализ структуры планарного мощного МОП - транзистора с пинч - резистором с целью выбора параметров областей для расчетной оптимизации с использованием CAnPISETCAD 40
2.5 Выводы 43
Глава 3. Методика моделирования характеристик планарного мощного моп-транзистора с пинч-резистором 44
3.1 Существующие программы анализа характеристик полупроводниковых приборов 44
3.2 Возможности САПР ISE TCAD 45
3.2.1 Выбор программ пакета TCAD для проведения оптимизации конструкции и технологического маршрута изготовления планарного мощного МОП -транзистора с пинч-резистором 46
3.2.2 Способы оценки пробивного напряжения с использованием инструментов пакета TCAD 49
3.3 Выводы 50
Глава 4. Исследование закономерностей, связывающих пробивное напряжение с конструктивно - технологическими параметрами мощного планарного моп -транзистора 51
4.1 Исследование зависимости напряжения лавинного пробоя перехода сток-подложка планарного мощного МОП - транзистора от параметров области пинч-резистора 51
4.2 Исследование зависимости напряжения лавинного пробоя перехода сток-подложка планарного мощного МОП - транзистора от параметров области глубокого стока 62
4.3 Исследование зависимости напряжения лавинного пробоя перехода сток-подложка планарного мощного МОП - транзистора от параметров области стока, состоящей из областей пинч-резистора и глубокого стока 70
4.4 Исследование влияния заряда на границе раздела Si-SiO: на напряжение лавинного пробоя стока планарного мощного МОП - транзистора с пинч-резистором 80
4.5 Исследование влияния конструктивно-технологических режимов формирования планарного мощного МОП - транзистора с пинч - резистором на пробивное напряжение прибора на основе расчета ВАХ транзистора в закрытом состоянии 82
4.5.1 Исследование влияния технологических параметров формирования пинч-резистора и глубокого стока на пробивное напряжение планарного мощного МОП-транзистора 88
4.5.2 Исследование электрических параметров планарного мощного МОП -транзистора с пинч - резистором на основе расчета ВАХ прибора 91
4.6 Выводы 95
Глава 5. Разработка топологии и технологического маршрута создания тестового кристалла оптимизированного планарного мощного моп-транзистора с пинч-резистором 99
5.1 Варианты топологии и технологического маршрута создания тестового кристалла 99
5.2 Выводы 106
Глава 6. Экспериментальное исследование характеристик оптимизированного планарного мощного моп - транзистора с пинч-резистором 107
6.1 Методика и средства измерения основных характеристик изготовленных образцов мощных планарных МОП - транзисторов с пинч-резистором имеющих повышенное пробивное напряжение 107
6.2 Результаты измерения характеристик планарных мощных МОП - транзисторов с пинч-резистором 107
6.3 Сопоставление расчетных и экспериментальных данных 119
6.4 Выводы 122
Заключение 123
Список использованных источников 127
- Возможные конструкции и технологии создания мощного элемента для интеллектуальной силовой ИС
- Анализ факторов влияющих на пробивное напряжение планарного мощного МОП-транзистора с пинч-резистором
- Выбор программ пакета TCAD для проведения оптимизации конструкции и технологического маршрута изготовления планарного мощного МОП -транзистора с пинч-резистором
- Исследование зависимости напряжения лавинного пробоя перехода сток-подложка планарного мощного МОП - транзистора от параметров области глубокого стока
Введение к работе
При создании таких ИС 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 объемных ДМОП транзисторов, 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.
Одним из возможных технических решений этой проблемы является полная диэлектрическая изоляция элементов схемы, например, с помощью использования структуры кремний на изоляторе (КНИ). Однако КНИ структуры не вышли пока на уровень массового производства силовых ИС. Большое распространение в серийном производстве микроэлектронных устройств получила КМОП технология. Широкий диапазон преимуществ КМОП транзисторов приводит к разнообразию сфер использования данной технологии, что наряду с цифровой микроэлектроникой позволяет рассматривать как актуальную задачу применение КМОП технологии для силовой полупроводниковой электроники.
Однако существующие планарные мощные МОП - транзисторы имеют недостаточное для ряда применений пробивное напряжение.
Для решения этой проблемы необходимо провести исследование и разработку планарных МОП транзисторов, обладающих повышенным пробивным напряжением и формируемых на основе КМОП - совместимой технологии.
Эффективным методом исследования конструкции мощного МОП - ключа является приборно-технологическое математическое моделирование, позволяющее без проведения многочисленных экспериментов исследовать влияние всех параметров конструкции и технологического маршрута создания планарного мощного МОП - транзистора на его напряжение пробоя (и другие электрические параметры) и получить представление о происходящих внутри прибора процессах, для чего необходимо разработать методику моделирования, применительно к расчету параметров планарных мощных МОП-транзисторов
6 Цель работы: исследование и разработка конструктивно-технологических решений создания планарных мощных МОП - транзисторов с повышенным значением пробивного напряжения для интеллектуальных силовых интегральных схем.
Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих научно-технических задач:
Анализ структуры мощного МОП - транзистора с целью выявления параметров областей прибора, обуславливающих низкое пробивное напряжение транзистора и создание, на основе анализа, расчетной модели оптимизируемой конструкции.
Разработка методики приборно-технологического моделирования применительно к структурам мощных планарных МОП транзисторов.
Анализ и разработка различных вариантов конструкций мощных МОП транзисторов, обладающих повышенным пробивным напряжением.
Разработка технологического маршрута и топологии на основе базового процесса технологии КМОП БИС для формирования планарных мощных МОП - транзисторов с пинч - резистором, имеющих повышенные значения пробивного напряжения в закрытом состоянии
Апробация разработанных конструктивно-технологических решений в условиях опытного производства и анализ параметров экспериментальных образцов мощных планарных МОП транзисторов.
Научная новизна работы:
С помощью приборно-технологического моделирования установлены основные закономерности, характерные для мощного планарного МОП - транзистора с пинч-резистором, определяющие зависимость напряжения лавинного пробоя перехода сток-подложка от ряда конструктивно-технологических параметров прибора, а именно:
для структуры перехода сток-подложка планарного мощного МОП - транзистора, состоящей из областей пинч-резистора и мелкозалегающего стока, установлена и объяснена зависимость напряжения лавинного пробоя перехода от параметров пинч-резистора, имеющая максимум в узком диапазоне значений концентраций примеси пинч-резистора. При этом увеличение перекрытия электродом затвора пинч-резистора, приводит к расширению диапазона концентраций примеси данной области, при которых наблюдается максимум
установлено, что зависимость напряжения лавинного пробоя перехода сток-подложка от параметров области глубокого стока имеет максимум в узком диапазоне
значений концентраций примеси глубокого стока, что объясняется тем, что, при низкой концентрации примеси в области стока, максимум электрического поля смещается из глубокой слаболегированной части перехода - к его мелкозалегающей сильнолегированной части 3. для структуры перехода сток-подложка планарного мощного МОП - транзистора, состоящей из областей пинч-резистора и глубокого стока, установлена и объяснена зависимость напряжения лавинного пробоя перехода от параметров пинч-резистора. При этом увеличение перекрытия электродом затвора области пинч-резистора приводит к увеличению концентрации примеси пинч-резистора, при которых переход имеет максимальное напряжение лавинного пробоя. Однако, в отличие от структуры перехода сток-подложка без области глубокого стока, в данном случае происходит уменьшение величины пробивного напряжения перехода.
Практическая значимость работы:
Разработана методика математического приборно-технологического моделирования, позволила провести исследование возможности увеличения пробивного напряжения р-п переходов и планарных мощных МОП - транзисторов.
Результаты приборно-технологического моделирования позволили внести изменения в топологию и технологический маршрут создания планарного мощного МОП -транзистора для увеличения его пробивного напряжения.
С целью апробации разработанных конструктивно-технологических решений, были изготовлены в условиях опытного производства образцы ИС планарных мощных МОП -транзисторов. Измерения параметров изготовленных приборов показали, что транзисторы имеют увеличенное до 190 В пробивное напряжение при величине произведения сопротивления во включенном состоянии на занимаемую прибором площадь R<,n*S = 22-29 мОм*см2, что соответствует параметрам иностранных аналогов
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 планарных мощных МОП - транзисторов, имеющих увеличенное до 190 пробивное напряжение при относительно низком соотношении Ron*S, что соответствует параметрам иностранных аналогов.
Представляется к защите:
Разработанная методика математического приборно-технологического моделирования, позволяющая провести исследование возможности увеличения пробивного напряжения р-п переходов и планарных мощных МОП - транзисторов.
Полученные с использованием системы приборно-технологического моделирования TCAD закономерности, связывающие напряжение лавинного пробоя перехода сток-подложка планарного мощного МОП - транзистора с конструктивно-технологическими параметрами прибора.
Модифицированная, на основе результатов моделирования, топология и технологический маршрут изготовления планарного мощного МОП - транзистора имеющего повышенное пробивное напряжение.
Результаты исследования электрических параметров экспериментальных образцов планарных мощных МОП - транзисторов, изготовленных на основе оптимизированного технологического маршрута и топологии и имеющих увеличенное до 190 В пробивное напряжение стока при приемлемой величине произведения сопротивления транзистора во включенном состоянии и занимаемой прибором площади.
Апробация результатов работы:
результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:
VIII Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов "Микроэлектроника и информатика-2001", Москва Зеленоград, апрель 2001 г.
Всероссийская научно-техническая конференция "Микро- и наноэлектроника 200ЦМНЭ -2001)", Звенигород, октябрь 2001 г.
VIII Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика", Москва, февраль 2002 г.
IX Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов "Микроэлектроника и информатика-2002", Москва, Зеленоград, апрель 2002 г.
Восьмая международная научно-техническая конференция "Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники", Таганрог, сентябрь 2002 г.
IV Международная научно-техническая конференция "Электроника и микроэлектроника-2002", Москва Зеленоград, ноябрь 2002 г.
IX Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, Электротехника и Энергетика", Москва, март 2003 г.
IX Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов "Микроэлектроника и информатика 2003", Москва Зеленоград, апрель 2003 г.
Международная научно-техническая конференция "Микро- и наноэлектроника 2003(МНЭ -2003)", Звенигород, октябрь 2003 г.
XI Всероссийская научно-техническая конференция студентов и аспирантов "Микроэлектроника и информатика 2004", Москва Зеленоград, апрель 2004г.
- 11th International Power Electronics and Motion Control Conference EPE-PEMC 2004, 2-4 September 2004, Riga, Latvia (EPE - PEMC 2004)
Публикации
Результаты диссертации опубликованы в 16 печатных работах, из которых 6 статей в научных журналах и 10 тезисов докладов на научно-технических конференциях. По теме работы получен патент РФ N 2229758 С1: Планарный силовой МОП - транзистор с блокирующим емкость стока барьером Шоттки
Объем и структура работы.
Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, приложений, содержащих акты внедрения результатов работы, списка использованных источников из 57 наименований
Возможные конструкции и технологии создания мощного элемента для интеллектуальной силовой ИС
Первыми мощными полупроводниковыми приборами, способными работать с большими токами и напряжениями были дискретные биполярные транзисторы и тиристоры. С изобретением биполярных транзистора и тиристора возникла необходимость усовершенствовать их возможности по управлению мощностью для расширения области применения таких приборов. В девяностых годах появились тиристоры, способные управлять током более 2000 А в открытом и выдерживать напряжения 6500 В в закрытом состоянии [1]. Данный тип конструкции силового прибора позволяет максимально эффективно использовать площадь полупроводниковой пластины. Вертикальная структура позволяет получать приборы, имеющие минимальное сопротивление во включенном состоянии при больших значениях пробивного напряжения в закрытом состоянии, по сравнению с планарной конструкцией. Поэтому только данный тип конструкции используется разработчиками при проектировании силовых ключей, рассчитанных на работу с высокими и сверхвысокими мощностями (мегаватты).
Однако биполярные ключи имеют ряд серьезных недостатков: - Для коммутации больших токов (100 А) требуются большие величины управляющих токов в базовой цепи (1-Ю А) Большие управляющие токи требуют наличие сложной схемы управления - При работе с большими токами, биполярные силовые ключи имеют малое быстродействие, что связанно с накапливанием неосновных носителей заряда в базе прибора. Из-за этого силовые биполярные ключи имеют характерную задержку после переключения - так называемый "токовый хвост" (current tall) [2]. Перечисленные недостатки биполярных силовых приборов стимулировали разработку новых конструкций силовых ключей с полевым управлением, которые в настоящее время практически полностью заменили традиционные биполярные ключи во всех диапазонах коммутируемых мощностей. Развитие МОП - технологии привело к созданию базовой конструкции силового ключа с полевым управлением - вертикального силового МОП- транзистора с двойной диффузией (ДМОПТ) рис. 1.1.(а) [4]. Для более эффективного использования площади пластины была разработана конструкция вертикального ДМОПТ с вертикально расположенным затвором рис. 1.1.(6) [5]. ДМОП - конструкция имеет следующие достоинства: - отсутствие тока затвора - упрощение конструкции схем управления ключом отсутствие эффекта накапливания неосновных носителей и соответственно большее быстродействие по сравнению с силовыми биполярными ключами. затвор Рис.1.1 (а,б) Базовая конструкция вертикального силового ключа с полевым управлением - А. Вертикальный n-канальный ДМОПТ Б. Вертикальный n-канальный ДМОПТ с вертикальным затвором В случае формирования мощного элемента в виде дискретного вертикального элемента, интеллектуальная силовая микросистема может быть реализована только в виде многокристальной сборки. При этом интеллектуальная часть микросистемы разметается на отдельном кристалле и ее возможности по защите мощного элемента от перегрева. перегрузки существенно ограничены. Кроме того, данный тип реализации силовой микросистемы менее надежен, чем монолитная реализация интеллектуальной силовой ИС. При создании монолитной интеллектуальной силовой ИС, для совмещения мощного элемента с низковольтной (разумной) частью схемы наиболее распространен способ, при котором базовой является технология создания мощного элемента. Обычно такая технология включает создание на одном кристалле следующих элементов [6]-[8]: - Низковольтные КМОП транзисторы для обработки цифрового сигнала - Низковольтные биполярные транзисторы для обработки аналогового сигнала - Мощный пленарный ДМОП транзистор Монолитная реализация интеллектуальной силовой ИС подразумевает использование планарной технологии не только для формирования низковольтной части, но и для создания мощного элемента схемы.
В случае создания мощного элемента схемы в виде вертикального ДМОП-транзистора со скрытым слоем [9] традиционный вертикальный ДМОГІ - транзистор преобразовывается в планарный за счет вывода контакта к стоку на поверхность (с использованием скрытых и эпитаксиальных слоев) как показано на рис. 1.2. Вертикальные транзисторы со скрытым слоем изготавливаются на эпитаксиальном слое n-типа. Канал расположен под электродом затвора в области р-типа. Эпитаксиальная дрейфовая область играет роль резистора, на котором падает все прикладываемое к стоку напряжение и определяет пробивное напряжение транзистора. Выбор степени легирования дрейфовой области позволяет управлять распределением электрического поля в эпитаксиальном слое. Напряжение лавинного пробоя стокового перехода увеличивается с увеличением толщины дрейфовой области и с уменьшением ее степени легирования. Для того чтобы транзистор пропускал значительные токи, паразитное сопротивление эпитаксиального слоя должно быть минимизировано.
Диапазон пробивных напряжений ДМОП приборов со скрытым слоем меняется от 50 В при толщине эпитаксиального слоя (Оэпи) Оэпи = 5 мкм до 1000 В при Оэпи = 50 мкм
Анализ факторов влияющих на пробивное напряжение планарного мощного МОП-транзистора с пинч-резистором
Также можно выделить следующие основные факторы, определяющие пробивное напряжение реального р-п перехода:
Уровень легирования эмиттера перехода. Высокая концентрация примеси в эмиттере перехода ограничивает проникновение электрического поля в переход. Электрическое поле концентрируется вблизи глубины залегания р-п перехода и уменьшает пробивное напряжение.
Состояние границы раздела Si-SiO:. Обычно в технологическом процессе производства ИС на пластине формируются слои SiOj (например, LOCOS). На границе раздела Si - S1O2 присутствует заряд, связанный с плотностью поверхностных состояний границы раздела. Положительный заряд границы раздела может приводить к обогащению нижележащей области n-типа электронами, что в свою очередь будет изменять ширину ОПЗ перехода вблизи поверхности (а, следовательно, и пробивное напряжение прибора).
Напряжение пробоя р-n перехода может быть увеличено за счет применения таких методов, как использование полевых обкладок и диффузионных колец [29]-[30J. Цель методов: во-первых, уменьшение вероятности электрического пробоя на поверхности путем создания, по возможности, условий для пробоя в объеме полупроводника, а во-вторых, максимальное уменьшение напряженности электрического поля в объеме, чтобы как можно полней использовать все возможности полупроводника.
Использование полевой обкладки [3 ] ] является наиболее распространенным методом, который заключается в нанесении слоя металла поверх п+-р перехода как показано на рисунке 2.2(а,б). При подаче положительного смещения на п+ область, границы перехода у поверхности обогащаются электронами, и распределение ОПЗ сглаживается. Такое влияние электрода возможно при достаточно толстом оксиде чтобы предотвратить образование паразитного канала. Кроме того, сам оксид может влиять на распределение ОПЗ, так как имеет встроенный положительный заряд. Следует отметить, что данный метод используется для повышения пробивного напряжения прибора до 1000 В, так как при больших напряжениях требуется толщина подэлектродного оксида - более 8 мкм, что нетехнологично. (На рисунке 1.16 показано распределение ОПЗ перехода до и после введения электрода - случаи А и Б соответственно). обратносмещенного п+-р перехода при использовании полевых электродов При использовании диффузионных ограничительных колец [32]-[33] для увеличения пробивного напряжения около основного сильнолегироаанного р-п перехода вводится аналогичная ему диффузионная область Б, как показано на рис.2.3. При обратном смещении перехода А область Б находится под плавающим потенциалом. Расстояние между областями А и Б выбирается достаточно малым, чтобы ОПЗ этих областей смыкались непосредственно перед лавинным пробоем основного перехода. В результате этого напряженность электрического поля перед пробоем не достигает критической величины.
Рассматриваемый метод более технологичен, чем метод, использующий для повышения пробивного напряжения полевые обкладки, однако он имеет существенный недостаток.. Так в работе [34] показано, что при вариации плотности поверхностных состояний от 510 до 510 см"2, напряжение лавинного пробоя структуры (аналогично представленной на рис.2.3) уменьшается от I ] 00 до 850 В. Кроме того, если величина заряда, захваченного поверхностными состояниями, зависит от времени, то силовой прибор будет иметь зависящее от времени пробивное напряжение. Таким образом, возникнут проблемы со стабильностью характеристик прибора.
Для устранения всех недостатков, присущих описанным ранее методам увеличения пробивного напряжения планарных р-п переходов с относительно малыми глубинами залегания (1-20 мкм) в работах [34]-[38] разработан метод плавного уменьшения концентрации, и глубины залегания сильнолегированной части р-п перехода с использованием нескольких областей, как показано на рисунке 2.4.
Так в работе [34] показано, что напряжение лавинного пробоя структуры слабо зависит от плотности поверхностных состояний на границе раздела оксид - кремний.
Напряжение пробоя планарного мощного МОП - транзистора с пинч-резистором (в закрытом состоянии) обуславливается двумя основными механизмами: - лавинным пробоем р-п перехода сток-подложка - смыканием областей пространственного заряда (ОПЗ) р-n переходов исток-подложка и сток-подложка Максимально возможное пробивное напряжение структуры определяется лавинным пробоем стокового р-n перехода, когда обратный ток перехода резко возрастает. Смыкание ОПЗ истока и стока МОП - транзистора вызывает так называемый мягкий пробой. ВАХ транзистора при смыкании не имеет четко выраженной точки пробоя -значения потенциала на стоке закрытого транзистора, при котором ток начинает резко увеличиваться. При смыкании ОПЗ транзистор может иметь изначально большие утечки в закрытом состоянии по сравнению со случаем пробоя по лавинному механизму. Для устранения смыкания ОПЗ областей истока и стока необходимо создавать дополнительные защитные диффузионные области у истока В большинстве случаев планарныи мощный транзистор проектируется так, чтобы требуемая величина пробивного напряжения определялась лавинным пробоем стокового перехода, который происходил бы до смыкания ОПЗ. Таким образом, при проектировании силового МОП - транзистора, основной задачей является достижение требуемой величины напряжения лавинного пробоя. Для анализа факторов, обуславливающих напряжение лавинного пробоя стока планарного мощного МОП - транзистора, рассмотрим подробнее структуру прибора (рис.2.5). Как видно из рисунка, переход сток - подложка имеет сложную конфигурацию и состоит из следующих областей: слаболегированного п- -пинч - резистора - сильнолегированного п+ -контакта к стоку - слаболегированного п- - глубокого стока Ведение слаболегированных областей позволяет увеличить ОПЗ перехода п+ -сток -р- подложка в горизонтальном и вертикальном направлениях и следовательно повысить пробивное напряжение перехода. Таким образом, можно выделить следующие параметры диффузионных областей (составляющих переход сток-подложка), влияющих на пробивное напряжение прибора: - Горизонтальный размер и максимальная концентрация примеси области пинч-резистора определяют ширину ОПЗ перехода сток-подложка в горизонтальном направлении - Глубина залегания и максимальная концентрация примеси области глубокого стока определяют ширину ОПЗ перехода сток-подложка в вертикальном направлении Как упоминалось ранее, положительный заряд границы Si-SiO: изменяет ширину ОПЗ перехода в горизонтальном направлении. В нашем случае, заряд границы раздела может привести к эффективному увеличению концентрации электронов в области иинч-резистора и сужению ОПЗ перехода сток подложка к каналу. Введение электрода затвора с перекрытием области пинч-резистора позволяет принудительно увеличить ширину ОПЗ по горизонтали в направлении стока и увеличить напряжение лавинного пробоя стока. Соответственно можно выделить следующие дополнительные параметры конструкции, обуславливающие пробивное напряжение стокового перехода транзистора: - Эффективная плотность состояний границы Si-SiCb Величина перекрытия затвор - пинч-резистор, толщина подэлектродного оксида - Размер активного канала 2.3 Анализ базовых ячеек мощных планарных МОП - транзисторов В предыдущих разделах определены основные конструктивно-технологические параметры, обуславливающие пробивное напряжение прибора. Однако для проведения дальнейшего исследования с целью создания расчетной модели прибора и выявления закономерностей, связывающих конкретные значения параметров прибора и его пробивное напряжение, необходимо рассмотреть конструкцию и технологический маршрут формирования уже существующих мощных планарных ячеек-транзисторов. В работах [39]-[42] на основе конструкции планарного силового транзистора с пинч-резистором были разработаны и изготовлены планарные силовые n-канальные МОП -транзисторы. Данные приборы имеют кольцевую геометрию: в центре кольца расположен сток, по периферии кольца - затвор и исток (как показано на рисунке 2.6).
Выбор программ пакета TCAD для проведения оптимизации конструкции и технологического маршрута изготовления планарного мощного МОП -транзистора с пинч-резистором
В связи с перечисленными сложностями, на начальном этапе оптимизации конструкции предпочтительнее получить зависимость пробивного напряжения от конкретных параметров активных областей транзистора (глубина, поверхностная концентрация, расположение) а не от режимов изготовления (доза, время отжига). Для этого представим распределения примеси: в вертикальном направлении в виде аналитического распределения Гаусса в горизонтальном направлении в виде аналитического распределения Гаусса с коэффициентом бокового ухода равным 0.8.
На заключительном этапе оптимизации необходимо провести расчет параметров технологического процесса формирования высоковольтного силового МОП - транзистора учесть влияние смыкания ОПЗ сток-исток на пробивное напряжение прибора (вариация LKi и максимальной концентрации примеси области 8 - подлегирования канала NnK)
Проведенный, на основе конструкции и технологического маршрута создания базовых ячеек, анализ конструкции планарного мощного МОП - транзистора с пинч-резистором позволил определить конкретные параметры областей прибора, влияющие на пробивное напряжение транзистора в закрытом состоянии. В результате проведенного анализа можно заключить, что пробивное напряжение мощного МОП - транзистора зависит от следующих конструктивно-технологических параметров прибора: Максимальная концентрация области р-подлегирования канала. Данный параметр позволяет устранить ранний пробой прибора из-за смыкания истока и стока Максимальная концентрация и длина области п-пинч-резистора. Глубина залегания и максимальная концентрация области п- -глубокого стока Длина активного канала и величина перекрытия затвор - толстый оксид Плотность поверхностных состояний границы Si-Si02
На основе проведенного анализа создана упрощенная параметризованная модель для проведения начального этапа расчетной оптимизации планарного мощного МОП -транзистора с целью увеличения его пробивного напряжения. На заключительном этапе расчетной оптимизации необходимо провести моделирование технологического маршрута изготовления прибора и провести расчет ВАХ закрытого мощного транзистора с целью учета эффекта смыкания истока и стока.
Современное производство интегральных схем невозможно без систем автоматизированного производства (САПР). Традиционными составляющими САПР БИС являются системы верификации, логического синтеза, логико-временного расчета, топографического и схемотехнического моделирования [44]. Кроме того, получили развитие программы моделирования технологических процессов и расчета приборных характеристик элементов ИС. Необходимость моделирования технологических процессов и приборов обусловлена сложностью протекающих физических процессов, их многомерностью, нестационарным и неравновесным характером.
Обычно, при проектировании полупроводниковых приборов необходимо получить зависимости электрических параметров прибора (токов, емкостей) от технологических режимов формирования структуры. Таким образом, необходима совместимость программ моделирования технологического процесса с программами расчета электрических характеристик приборов и схем. Большое внимание уделяется разработке именно САПР процессов-приборов-схем (ППС).
В 1979 году в Ирландии была проведена первая международная конференция по численному моделированию [45], на которой были представлены последние (для того времени) достижения в области многомерного моделирования технологических процессов и приборных характеристик ИС, которые (в свою очередь) создали базу для создания современных приборно-технологических САПР. Рассмотрим построение САПР ППС на основе (представленных на этой конференции) достижений фирмы NEC. В состав САПР ППС входили следующие элементы [46]:
PEECHPIE: программа одномерного моделирования технологических процессов - МТАР : программа двухмерного моделирования приборов - CURPTSS: программа стыковки МТАР и COSMOS. Предназначена для определения параметров приборов (экстракция параметров на основе рассчитанных в МТАР ВАХ) для последующего расчета схем в COSMOS - COSMOS: программа моделирования схем Для расчета характеристик МОП-транзисторов с субмикронными размерами канала специалисты фирмы NEC разработали программу приборного моделирования МОП-транзисторов METRO [47]. Программа позволяет проводить совместное решение уравнений непрерывности и уравнений баланса энергии и импульса, что дает возможность учесть эффекты разогрева и всплеска скорости носителей. Также, для многомерного расчета электрических характеристик МОП - транзисторов и других приборов в Стенфордском университете были разработаны программы MINIMOS [48] и PISCES [49]. В работах [50]-[51] были разработаны программы трехмерного моделирования полупроводниковых приборов FIELDAY, TRANAL.
Исследование зависимости напряжения лавинного пробоя перехода сток-подложка планарного мощного МОП - транзистора от параметров области глубокого стока
Для уменьшения электрического поля перехода сток-подложка необходимо увеличить радиус его кривизны за счет введения в конструкцию прибора глубокой слаболегированной области п- - стока 2. Общее количество варьируемых параметров конструкции, включающей область пинч - резистора и глубокий сток велико. Поэтому рассмотрим область глубокого стока отдельно от всей структуры. При расчете пробивного напряжения варьируемыми являются все параметры глубокого стока: Nn0K, XjCTOK, LCTOK Введение глубокой слаболегированной области п- -стока позволит увеличить глубину залегания перехода п+ - сток - р- подложка и наиболее оптимальным вариантом конструкции является сочетание только этих двух областей как показано на рисунке 4.14(a).
Однако наиболее технологичным вариантом создания силового ключа (с точки зрения возможности использования локального оксида в качестве жесткой маски при создании р-подлегирования), является сочетание трех областей: п+- стока, п -стока и п- -стока как показано на рисунке 4.14(6). А - Сток прибора состоящий из двух областей Б - Сток прибора состоящий из трех областей Рисунок 4.14(а,б) - Конструктивные варианты создания области стока Однако введение области п- стока может привести к уменьшению пробивного напряжения структуры Б по сравнению со структурой А. Таким образом, необходимо провести расчет этих двух вариантов. Результаты расчета зависимости пробивного напряжения структуры А (рисунок 4.14(a)) от варьируемых параметров представлены на рисунке 4.15-4.18. Результаты расчета зависимости пробивного напряжения структуры Б (рисунок 4.14(6)) от варьируемых параметров представлены на рисунках 4.19-4.22. Расчет показал, что для двух рассматриваемых вариантов создания области стока вид зависимостей напряжения лавинного пробоя стока от параметров стока одинаков.
При этом пробивное напряжение увеличивается с уменьшением расстояния LCTOK. Зависимость пробивного напряжения от поверхностной концентрации области глубокого стока для всех рассмотренных вариантов имеет максимум при NCTOK 6 1015 см"3. При меньших концентрациях примеси в области слаболегированного стока обеднение стока происходит уже при малых смещениях перехода и пробой происходит на границе п - сток -п- -сток. При больших концентрациях, п- -сток обедняется частично, и область пробоя смещается на внешнюю границу перехода п- -сток - р- подложка. Для иллюстрации описанных эффектов, на рисунках 4.23-4.24 представлены распределения электрического поля при пробое при разных NCT0K. Как предполагалось, максимальные значения напряжения лавинного пробоя структуры А больше чем структуры Б (при Xj=8 мкм, Unpo6(A)=230 В, Unpo6(B)=230 В). Однако, при увеличении глубины залегания п- -стока (Xj 8 мкм), это различие становится незначительным.
В результате расчета было установлено, введение глубокой слаболегированной области п- -стока позволяет повысить напряжение пробоя пере хода сток-подложка до 240 В (рисунок 4.22, вариант Б, Xj=9 мкм, NCTOK=4 10 см" , LCTOK=20 мкм.), что определяет максимальное напряжение пробоя силового транзистора в целом. 4.3 Исследование зависимости напряжения лавинного пробоя перехода сток-подложка планарного мощного МОП - транзистора от параметров области стока, состоящей из областей пинч-резистора и глубокого стока Рассмотрим совместное влияние параметров областей пинч - резистора и стока на напряжение лавинного пробоя всего стокового перехода. Как упоминалось ранее, общее количество варьируемых параметров рассматриваемой структуры велико: ЬСТока, NCTOK, XJCTOK, Ьпинч, Ипинч- Предыдущие расчеты показали, что Зафиксируем 1_стока=20 мкм, Ьпинч = 24 мкм. В результате варьируемыми являются три параметра: NCT0K, XJCTOK, Nn„H4. Расчетные зависимости пробивного напряжения от варьируемых параметров структуры представлены на рисунках 4.26-4.27. Из рисунков следует, что принципиально возможно достичь величины напряжения пробоя транзистора равное 230 В, в случае формирования области глубокого стока (Х ок = 9 мкм) с низкой поверхностной концентрацией (NCTOK=4 1015 см 3). Однако для более технологичного варианта создания области глубокого стока (NCTOK=8«1015 _ 1.2.1016 см"3) пробивное напряжение слабо зависит от NCTOK И меняется в диапазоне 210-180 В. Из полученных зависимостей также следует, что напряжение пробоя сильно зависит от уровня легирования пинч - резистора (параметр N). При этом значение NnHH4= 1.5«1016 см"3 является критическим. Вид зависимости иПроб(КПинч) транзистора с пинч - резистором и глубоким стоком аналогичен виду зависимости ипроб(ї Пинч) транзистора с пинч - резистором без глубокого стока (рисунки 4.2 - 4.4) (связана со степенью обеднения пинч - резистора). Для иллюстрации эффектов обеднения, на рисунках 4.28-4.29 представлено распределение ОПЗ и электрического поля структуры силового транзистора включающей области пинч -резистора, п- стока, п- -стока, п+ -стока, р+ - подлегирования канала.
