Влияние конструктивно-технологических факторов на электрические параметры мощных СВЧ LDMOS транзисторов Ткачев, Александр Юрьевич

Содержание к диссертации

Введение

ГЛАВА 1. Особенности конструкции и проектирования современных мощных вч и свч моп транзисторов 12

1.1. Конструкции мощных МОП транзисторов 12

1.2. Электрические параметры мощных ВЧ и СВЧ LDMOS транзисторов 24

1.3. Методология современного подхода к проектированию полупроводниковых приборов с использованием приборно-технологических САПР ! 26

1.4. Моделирование технологических операций создания МОП транзисторов 33

1.5. Моделирование физических процессов в мощных МОП транзисторах 38

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 1 40

ГЛАВА 2. Разработка методик и комплекта программного обеспечения для комплексного моделирования свч ldmos транзисторных структур в среде сапр ise tcad 43

2.1. Разработка методик моделирования транзисторных структур с учетом специфики САПР ISE TCAD : 43

2.2. Создание структурных моделей LDMOS транзисторных структур 52

2.3. Разработка технологических моделей транзисторных структур. 57

2.4. Разработка командных файлов для моделирования основных электрических параметров и электрофизических характеристик LDMOS транзисторных структур 63

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 2 71

ГЛАВА 3. Исследование влияния конструктивно-технологических факторов на электрические параметры мощных свч ldmos транзисторных структур .. 72

3.1. Зависимость пробивного напряжения стока Ucu пров от длины и глубины дрейфовой области стока и концентрации примеси в ней, от толщины и удельного сопротивления эпитаксиального слоя 77

3.2. Зависимость сопротивления сток-исток R^ от глубины контактной диффузионной р -области истока, длины дрейфовой области стока и концентрации примеси в ней 87

3.3. Влияние на проходную С„рох и выходную Свых емкости транзисторной LDMOS структуры длины и глубины дрейфовой области стока и концентрации примеси в ней, а также других конструктивных факторов 92

3.4. Влияние заземленного полевого электрода над дрейфовой областью стока на сопротивление сток-исток Rcu и проходную емкость Спрох LDMOS транзисторных структур 98

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 3 105

ГЛАВА 4. Исследование перспективных высоковольтных моп транзисторов со структурой суперперехода 107

4.1. Аналитический метод расчета пробивного напряжения стока

Ucu Пр0б LDMOS транзисторных структур с суперпереходом 107

4.2. Результаты моделирования в ISE TCAD пробивного напряжения стока исипробИ сопротивления сток-исток Rcu LDMOS транзисторной структуры с суперпереходом 114

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 4 123

ГЛАВА 5. Особенности практического применения разработанного комплекса методик моделирования и программного обеспечения при проектировании мощных вч и свч ldmos транзисторных кристаллов 124

5.1. Структурно-технологическая методика моделирования LDMOS транзисторных структур 124

5.2. Разработка конструктивного исполнения периферийных участков стоковых областей LDMOS транзисторов с напряжением питания на уровне 50 В 128

5.3. Методика проектирования мощных СВЧ LDMOS транзисторных кристаллов с использованием современных приборно-технологических САПР 137

5.4. Результаты экспериментальной проверки разработанной методики проектирования мощных СВЧ LDMOS транзисторных кристаллов 142

Выводы к главе 5 146

Основные результаты и выводы 148

Список использованных источников 151

• Методология современного подхода к проектированию полупроводниковых приборов с использованием приборно-технологических САПР
• Разработка командных файлов для моделирования основных электрических параметров и электрофизических характеристик LDMOS транзисторных структур
• Влияние заземленного полевого электрода над дрейфовой областью стока на сопротивление сток-исток Rcu и проходную емкость Спрох LDMOS транзисторных структур
• Методика проектирования мощных СВЧ LDMOS транзисторных кристаллов с использованием современных приборно-технологических САПР

Введение к работе

Актуальность темы. В современной полупроводниковой электронике важное место занимают разработка и производство кремниевых мощных СВЧ LDMOS транзисторов. Область применения таких транзисторов постоянно расширяется. Они используются в каскадах усилителей мощности систем радиосвязи и телерадиовещания, в базовых станциях сотовой связи, в РЛС различного назначения и других телекоммуникационных системах. Мощные СВЧ LDMOS транзисторы обладают рядом существенных преимуществ перед биполярными и DMOS транзисторами аналогичного функционального назначения – отсутствие накопления и рассасывания избыточных зарядов неосновных носителей, возможность реализации более высоких значений коэффициента усиления по мощности, тепловая устойчивость во всем диапазоне рабочих температур. Кроме того, LDMOS технология предусматривает формирование контакта истока на обратной поверхности кристалла, что делает возможным монтаж транзисторных кристаллов непосредственно на фланец без использования керамики из BeO.

Необходимо отметить тот факт, что в настоящее время в Российской Федерации мощные СВЧ LDMOS транзисторы серийно не производятся. Основным сдерживающим фактором в развитии перспективных разработок отечественных мощных СВЧ LDMOS транзисторов является отсутствие теоретических основ проектирования современных транзисторов данного класса. СВЧ LDMOS транзисторы являются достаточно специфичным конструктивно-технологическим решением, и до настоящего времени в литературе отсутствуют сведения по аналитическим методам расчета параметров данного класса транзисторов. Однако, в связи с высоким уровнем развития современных высокопроизводительных ЭВМ и программных комплексов для численного моделирования полупроводниковых приборов (САПР), становится возможным исследование и проектирование современных LDMOS транзисторов с использованием данных систем приборно-технологического моделирования без привлечения аналитических методов расчета. Поэтому построение комплексной модели СВЧ LDMOS транзисторной структуры в среде современной приборно-технологической САПР является актуальной задачей. Построение такой модели позволит изучить влияние конструктивно-технологических факторов на электрические параметры LDMOS транзисторных структур, выработать рекомендации для проектирования LDMOS транзисторов и разработать конструктивно-технологический базис производства новейших отечественных мощных СВЧ LDMOS транзисторов. Разработка методик моделирования и проектирования мощных СВЧ LDMOS транзисторных структур в среде приборно-технологической САПР позволит создавать транзисторы с требуемыми электрическими параметрами при минимальном количестве верификаций и экспериментальных партий.

Данная работа проводилась в соответствии с планом ГБ НИР кафедры физики полупроводников и микроэлектроники Воронежского госуниверситета, а также ФГУП «НИИЭТ», в рамках реализации программных мероприятий по ФЦП «Развитие электронной компонентной базы и радиоэлектроники» на 2008-2015 годы и Государственной программы вооружения до 2015 года.

Цель работы – установление с помощью численного моделирования в среде приборно-технологической САПР ISE TCAD зависимостей основных электрических параметров СВЧ LDMOS транзисторных структур от конструктивно-технологических факторов, а также исследование и разработка конструктивно-технологического базиса перспективных СВЧ LDMOS транзисторных структур. Для достижения поставленной цели в диссертации решались следующие задачи:

1. 1. Разработка модели СВЧ LDMOS транзисторной структуры в среде САПР ISE TCAD, методик моделирования и программного обеспечения для расчета в среде данной САПР конструкции, технологии и основных электрических параметров (U_пор, U_{си проб}, R_си, S, I_{си нас}, С_вх, С_прох, С_вых) СВЧ LDMOS транзисторных структур.

   2. Установление с помощью численного моделирования зависимостей пробивного напряжения сток-исток U_{си проб}, сопротивления сток-исток R_си, проходной С_прох и выходной С_вых емкостей СВЧ LDMOS транзисторных структур от параметров дрейфовой области стока (LDD) и других конструктивно-технологических параметров.

   3. Исследование влияния заземленного полевого электрода над дрейфовой областью стока на основные электрические параметры (U_{си проб}, R_си, С_прох, С_вых) СВЧ LDMOS транзисторных структур.

   4. Исследование перспективной LDMOS транзисторной структуры с суперпереходом, конструкция дрейфовой области стока которой основана на системе полос с чередующимся типом проводимости.

   5. Разработка конструкции торцевых участков стоковых областей полосковой структуры СВЧ LDMOS транзисторного кристалла, предназначенной для работы при напряжении питания на уровне 50 В.

   6. Разработка методики проектирования перспективных мощных СВЧ LDMOS транзисторных кристаллов, базирующейся на численном моделировании в среде современной САПР, с учетом установленных зависимостей электрических параметров LDMOS транзисторных структур от конструктивно-технологических факторов.

   Научная новизна исследований.

   1. Разработана модель СВЧ LDMOS транзисторной структуры в среде САПР ISE TCAD, а также комплекс методик моделирования и программного обеспечения для расчета в среде данной САПР конструктивно-технологических и электрических параметров (U_пор, U_{си проб}, R_си, S, I_{си нас}, С_вх, С_прох, С_вых) СВЧ LDMOS транзисторных структур.

   2. Впервые выполнены исследования по установлению зависимостей основных электрических параметров (U_{си проб}, R_си, С_прох, С_вых) СВЧ LDMOS транзисторных структур от важнейших конструктивно-технологических факторов с учетом реального профиля распределения концентрации примеси в эпитаксиальном слое.

   3. Впервые показано, что для каждого сочетания длины LDD области L_LDD, параметров эпитаксиального слоя D_эпи и _эпи, глубины истоковой р⁺-области X_jp+ существует оптимальная концентрация примеси в LDD области N_{sd LDD}, соответствующая максимуму концентрационной зависимости U_{си проб}(N_{sd LDD}), при которой параметры R_си, С_прох и С_вых принимают оптимальные компромиссные значения.

   4. Впервые выполнены исследования по установлению зависимостей основных электрических параметров (U_{си проб}, R_си, С_прох, С_вых) СВЧ LDMOS транзисторных структур от длины L_пэ заземленного полевого электрода над дрейфовой областью стока и толщины окисла D_SiO2 под ним. Показано, что использование полевого электрода при оптимальных его параметрах позволяет значительно снизить R_си и С_прох без существенного изменения максимального U_{си проб}.

   5. Разработан аналитический метод расчета пробивного напряжения сток-исток U_{си проб} перспективной конструкции LDMOS транзисторной структуры с суперпереходом, сформированной по технологии кремний-на-сапфире (КНС). Впервые получен критерий выбора ширины полос суперперехода при заданной концентрации примесей в них.

   6. Разработана оригинальная конструкция торцевых участков стоковых областей полосковой структуры СВЧ LDMOS транзисторных кристаллов, основанная на использовании заземленного полевого электрода.

   7. Разработана комплексная методика проектирования перспективных конструкций мощных СВЧ LDMOS транзисторных кристаллов с использованием современных приборно-технологических САПР.

   Практическая значимость работы. Основные результаты диссертации, а именно: модель СВЧ LDMOS транзисторной структуры в САПР ISE TCAD, комплекс методик и программного обеспечения для моделирования СВЧ LDMOS транзисторных структур в САПР ISE TCAD, результаты исследований зависимостей электрических параметров транзисторных структур от конструктивно-технологических факторов, рекомендации по выбору параметров полевого электрода, методика проектирования мощных СВЧ LDMOS транзисторных кристаллов, конструкция периферийных участков стоковых областей, использованы при разработке новых типов мощных СВЧ LDMOS транзисторов в ходе выполнения ряда НИР и ОКР, проводимых в ФГУП «НИИЭТ» (г. Воронеж). Использование результатов диссертации подтверждается Актом о внедрении результатов диссертации.

   Основные положения, выносимые на защиту.

   1. Модель СВЧ LDMOS транзисторной структуры в среде САПР ISE TCAD, комплекс методик моделирования и программного обеспечения для расчета в среде данной САПР влияния конструктивно-технологических факторов на основные электрические параметры (U_пор, U_{си проб}, R_си, S, I_{си нас}, С_вх, С_прох, С_вых) СВЧ LDMOS транзисторных структур.

   2. Расчетные зависимости электрических параметров (U_{си проб}, R_си, С_прох, С_вых) СВЧ LDMOS транзисторных структур от основных конструктивно-технологических факторов, учитывающие реальный профиль распределения концентрации примеси в эпитаксиальном слое.

   3. Для каждого сочетания длины LDD области L_LDD, параметров эпитаксиального слоя D_эпи и _эпи, глубины истоковой р⁺-области X_jp+ существует оптимальная концентрация примеси в LDD области N_{sd LDD}, соответствующая максимуму концентрационной зависимости U_{си проб}(N_{sd LDD}), при которой параметры R_си, С_прох и С_вых принимают оптимальные компромиссные значения.

   4. Расчетные зависимости электрических параметров (U_{си проб}, R_си, С_прох, С_вых) СВЧ LDMOS транзисторных структур от длины L_пэ заземленного полевого электрода над дрейфовой областью стока и толщины окисла D_SiO2 под ним. Использование полевого электрода при оптимальных его параметрах позволяет значительно снизить R_си и С_прох без существенного изменения максимального значения U_{си проб}.

   5. Аналитический метод расчета пробивного напряжения сток-исток U_{си проб} перспективной конструкции LDMOS транзисторной структуры с суперпереходом, сформированной по технологии КНС, а также критерий выбора ширины полос суперперехода при заданной концентрации примесей в них.

   6. Конструкция торцевых участков стоковых областей полосковой структуры СВЧ LDMOS транзисторных кристаллов, основанная на использовании заземленного полевого электрода.

   7. Комплексная методика проектирования перспективных конструкций мощных СВЧ LDMOS транзисторных кристаллов с использованием современных приборно-технологических САПР.

   Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на следующих конференциях: V Международная научная конференция «Химия твердого тела и современные микро- и нанотехнологии» (Кисловодск, 2005); V Международная научно-техническая конференция «Электроника и информатика - 2005» (Зеленоград, 2005); 13, 14, 15, 16, 17 Всероссийские межвузовские научно-технические конференции студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика» (Зеленоград, 2006, 2007, 2008, 2009, 2010); XII, XIV, XVI Международные научно-технические конференции «Радиолокация, навигация, связь» (Воронеж, 2006, 2008, 2010); 10 Международная научная конференция и школа-семинар «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники» (Таганрог, 2006); IV Международный семинар «Физико-математическое моделирование систем» (Воронеж, 2007); Международный научно-методический семинар «Флуктуационные и деградационные процессы в полупроводниковых приборах» (Москва, 2009).

   Публикации. По результатам исследований, представленных в диссертации, опубликовано 26 печатных работ, в том числе 2 – в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. В совместных работах автору лично принадлежат: [1-26] – разработка моделей транзисторных структур в среде САПР ISE TCAD, методик моделирования и программного обеспечения; [1-17, 19-26] – проведение моделирования конструкции, технологии и электрических параметров транзисторных структур в САПР ISE TCAD; [1, 2, 19-26] – разработка конструкции и технологии СВЧ LDMOS транзисторных структур; [1, 23] – аналитический вывод выражений для расчета напряжения поперечного пробоя и критерия выбора ширины полос суперперехода при заданной концентрации примесей в них; [2, 25, 26] – разработка конструкции торцевых участков стоковых n⁺-полос.

   Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитируемой литературы, содержащего 80 наименований. Объем диссертации составляет 159 страниц, включая 74 рисунка и 9 таблиц.

   Методология современного подхода к проектированию полупроводниковых приборов с использованием приборно-технологических САПР

   Программные средства исследования и разработки современных полупроводниковых приборов — так называемые системы автоматизированного проектирования (САПР) [45] — классифицируются по уровням моделирования, для которых они предназначены. В качестве основных уровней выделяются моделирование технологии, расчет приборов и расчет схем, причем каждый уровень включает программы, основанные на моделях различной размерности [46, 47].

   Комплексное решение задач автоматизации проектирования полупроводниковых приборов должно осуществляться на основе разработки системы взаимосвязанных моделей и программ для обеспечения цикла «сквозного» проектирования. Такие комплексы программ должны выполнять задачи трех взаимосвязанных этапов:

   - моделирование физической структуры элемента по описанию технологического процесса;

   - моделирование требуемой совокупности выходных электрических характеристик и параметров прибора;

   - синтез электрических моделей для схемотехнических расчетов с учетом характерных режимов работы элементов, что придает такому подходу к моделированию «сквозной» характер [46, 47].

   Для задач разработки мощных МОП транзисторов наибольшее значение имеет конструктивно-технологическое моделирование приборов CAD (Technology Computer Aided Design). TCAD - это область научных, знаний и прикладных программных инструментов, позволяющая осуществлять многомерное моделирование полупроводниковых структур, используя в качестве исходной информации описание технологического процесса их изготовления. Приборно-технологическое моделирование является одним из основных элементов систем автоматизированного проектирования полупроводниковых приборов.

   Существует несколько причин, по которым прогресс в электронике сопровождается усилением роли приборно-технологического моделирования. Во-первых, с уменьшением размеров элементов усиливается взаимосвязь технологических параметров и электрических характеристик интегральных приборов. Влияние периферийных областей уже не может считаться пренебрежимо малым. В результате, эффективный анализ и проектирование интегральных элементов можно выполнить только с использованием двух- и трехмерного приборно-технологического моделирования.

   Во-вторых, проблемой реального производства является сохранение высокого процента выхода годных при уменьшении топологических размеров и повышении сложности изделий. Сокращение этапа запуска в производство достигается с помощью предварительной отладки и оптимизации технологических процессов и конструкций с помощью средств приборно-технологического моделирования. Возможности TCAD позволяют «находиться внутри» виртуального производственного процесса. На основе виртуального производства можно проводить анализ влияния разброса технологических параметров на приборные и схемотехнические характеристики, выбирать наилучшие решения с точки зрения выхода годных.

   В-третьих, в условиях сокращения жизненного цикла изделий микроэлектроники и конкуренции между их изготовителями, сроки и стоимость этапа разработки новых изделий и технологий имеют определяющее значение. TCAD позволяет в кратчайшие сроки успешно решать проблемы, связанные с разработкой.

   Средства приборно-технологического моделирования в настоящее время представляют собой комплекс программных модулей, интерактивных оболочек и средств визуализации, позволяющих решать следующие задачи:

   — моделировать отдельные технологические операции, рассчитывать профили распределения примеси, толщины и электрофизические параметры слоев;

   — моделировать приборные структуры, получаемые в результате последовательности технологических операций — технологического маршрута;

   — рассчитывать на основе численного моделирования электрические, оптические, электромагнитные и другие характеристики полупроводниковых структур;

   — выполнять экстракцию схемотехнических параметров прибора по его электрическим характеристикам, рассчитывать фрагменты схем;

   — проводить планирование эксперимента, моделировать прохождение «виртуальной партии» пластин по базовому технологическому маршруту с расщеплением входных технологических параметров («сплит»-партии); - выполнять оптимизацию параметров технологических операций, технологического маршрута, размеров элементов с целью получения заданных характеристик изделия [46, 47]. Рассмотрим факторы, от которых зависит эффективность практического использования систем приборно-технологического моделирования. Эффективность в данном случае может оцениваться по двум основным показателям: - по точности полученного решения, - по трудоемкости его получения. Хотя эти показатели, как правило, являются противодействующими, и окончательный результат представляет собой некоторый компромисс между точностью и трудоемкостью, можно выделить ряд факторов, определяющих качество процесса моделирования в целом. Сюда относятся, во-первых, факторы, связанные собственно с программным обеспечением: -наличие большого набора специализированных программ, объединенных общим интерфейсом;

   - возможность объединения разнородных программ в процессе моделирования через общие массивы численных переменных;

   - наличие программ и алгоритмов эффективного перестроения и адаптации

   сетки в процессе моделирования; -наличие разработанного интерфейса, позволяющего пользователю расширять набор доступных моделей и/или параметров;

   - эффективные программы визуализации результатов численного моделирования, включая построение графиков зависимостей, сечений и Др.

   Во-вторых, важную роль играет полнота и степень подготовленности входной информации, включая:

   - характеристики материалов, используемых в качестве конструктивных слоев;

   - характеристики оборудования, используемого в технологическом процессе;

   зо

   - откалиброванные под конкретное технологическое оборудование значения параметров моделей технологических операций, полученные по результатам ранее проведенных исследований;

   - точное описание конструктивных характеристик моделируемого прибора;

   -диапазон допустимого изменения входных параметров в процессе оптимизации технологии/конструкции прибора и значения целевых функций. Наконец, в-третьих, необходимо учитывать критерии, определяющие методологическую проработанность самого процесса моделирования, а именно:

   - наличие четко выделенной последовательности действий, направленных на решение поставленной задачи;

   - наличие процедур обработки промежуточных результатов, позволяющих в случае необходимости максимально быстро принимать решения по корректировке процесса моделирования;

   Разработка командных файлов для моделирования основных электрических параметров и электрофизических характеристик LDMOS транзисторных структур

   Структурная модель LDMOS транзисторной структуры изначально имеет оптимальную для приборного моделирования расчетную сетку. Технологическая модель требует адаптации расчетной сетки перед проведением приборного моделирования. Адаптация расчетной сетки производится с помощью программы MESH. Для управления адаптацией сетки используется специальный командный файл. Назначение функциональных блоков командного файла программы MESH полностью аналогично командам построения сетки программы DEVISE. На рис. 2.5 показана сетка модели LDMOS транзисторной ячейки, сгенерированная программой DIOS при физико-технологическом моделировании, а на рис. 2.6 - сетка после адаптации в программе MESH.

   Приборное моделирование LDMOS транзисторных структур в программе DESSIS производится путем решения системы уравнений, состоящей из уравнения Пуассона и уравнений непрерывности для электронов и дырок, на расчетной сетке модели по алгоритму Ньютона. В качестве начальных и граничных условий расчета задаются потенциалы на электродах модели. В процессе расчета потенциал одного или нескольких электродов увеличивается, и для каждого нового значения потенциала рассчитывается состояние структуры путем решения системы уравнений. Для моделирования LDMOS транзисторных структур в качестве модели переноса носителей оптимальным является использование диффузионно-дрейфовой модели. В расчете учитываются модели физических эффектов, характерных для LDMOS транзисторных структур.

   Командный файл программы DESSIS, предназначенный для приборного моделирования мощных СВЧ LDMOS транзисторных структур, состоит из нескольких функциональных блоков, содержание которых зависит от моделируемой электрической характеристики. Основными функциональными блоками являются:

   1. Задание входных и выходных файлов;

   2. Определение начальных и граничных условий;

   3. Задание моделей учитываемых в расчете физических эффектов;

   4. Настройка математических методов расчета;

   5. Указание рассчитываемых физических характеристик;

   6. Описание цели и режимов расчета. Рассмотрим подробнее состав каждого функционального блока.

   1. Входные и выходные файлы моделирования определяются в блоке

   File{}. Входные файлы — это файл сетки .grd и файл распределения примесей .dat. Выходные файлы: файл описания распределения электрофизических параметров — _des.dat; файл электрических характеристик (вольтамперных и т.п.) - _des.plt; файл протокола расчета _des.log. Данные файлы задаются с помощью универсальных автоматических команд:

   2. Начальные и граничные условия задаются путем перечисления используемых в расчете электрических контактов модели с указанием потенциалов на них: Electrode { {пате = "Электрод_1" voltage = 0.0} {пате = "Электрод_2" voltage = 0.0} {пате = "Электрод_N" voltage = 0.0} } При моделировании лавинного пробоя обратносмещенного стокового р-п перехода для обеспечения сходимости уравнений при лавинообразном увеличении тока стока необходимо к контакту стока модели LDMOS структуры подключить токоограничительный резистор: Electrode { {name = "Drain" voltage = 0.0 resistor = lei0}

   3. В программу DESSIS встроены аналитические и полуэмпирические модели широкого спектра физических эффектов, наблюдаемых в полупроводниковых приборах, позволяющие адекватно отразить специфику большинства классов приборов. Для целей моделирования LDMOS транзисторных структур необходимо учитывать следующие физические явления [52]: - зависимость подвижности носителей от степени легирования полупроводника; - насыщение дрейфовой скорости носителей в сильном электрическом поле; - снижение подвижности носителей под действием нормального электрического поля затвора; - для учета обратных токов необходимо моделирование тепловой генерации носителей; - наличие встроенного заряда на границе раздела окисел-кремний; - при моделировании пробоя стока: лавинная генерация носителей, а также генерация носителей путем туннельного перехода через дефектные уровни при напряжениях на стоке, близких к пробивному; - при моделировании транзисторной структуры, находящейся не в изотермических условиях: выделение тепла при прохождении тока в структуре, зависимость подвижности и скорости рекомбинации носителей от температуры.

   Для моделирования LDMOS транзисторных структур выбраны следующие модели перечисленных физических эффектов, обладающие достаточной для поставленной задачи точностью [52]:

   а) сужение запрещенной зоны кремния в сильнолегированных областях — модель Slotboom;

   б) снижение подвижности в сильнолегированных областях - модель Masetti; в) снижение подвижности носителей в сильном электрическом поле - модель Canali;

   г) влияние нормального электрического поля затвора на подвижность носителей - расширенная модель Lombardi;

   д) тепловая генерация и рекомбинация носителей — модель Шокли-Рида Холла;

   е) лавинная генерация носителей — модель ван Оверстраетена - де Мана (vanOverstraeten — de Man).

   Эмпирические коэффициенты, входящие в выражения моделей физических эффектов, входят в состав библиотеки параметров программы DESSIS, и могут быть изменены при калибровке данных моделей.

   Влияние заземленного полевого электрода над дрейфовой областью стока на сопротивление сток-исток Rcu и проходную емкость Спрох LDMOS транзисторных структур

   СВЧ LDMOS транзисторную структуру с заземленным полевым электродом над дрейфовой областью стока возможно реализовать с использованием одноуровневой системы металлизации, как и обычную LDMOS структуру. Однако гораздо предпочтительнее использовать многоуровневую систему металлизации, позволяющую реализовать все преимущества LDMOS структуры с полевым электродом. В данном исследовании использована двухуровневая система металлизации с толщиной металлизации 0,2 мкм для первого уровня и 1 мкм для второго. Величина выступа металлизации стока над LDD областью фиксирована и равна 1 мкм для первого уровня металла и 2 мкм для второго. Толщина первого межслойного диэлектрика менялась в пределах 0,2-Ю,6 мкм, толщина второго межслойного диэлектрика фиксирована и равна 0,8 мкм.

   Модель мощной СВЧ LDMOS транзисторной структуры с заземленным полевым электродом над LDD областью.

   Полевой электрод в данном исследовании выполнен в виде шины над LDD областью, не перекрывающей затвор. Полевой электрод расположен над LDD областью таким образом, чтобы топологические координаты краев затвора и полевого электрода совпадали (рис. 3.31). Смещение полевого электрода от затвора к стоку нецелесообразно, так как приводит к уменьшению максимального пробивного напряжения стока, а также создает дополнительные технологические трудности реализации подобной конструкции [72, 73].

   Полевое воздействие заземленного электрода на LDD область приводит к усилению обеднения данной области, что выражается в сдвиге максимума концентрационной зависимости UCH npo6(NSd LDD) В область более высоких концентраций (рис. 3.32) [72, 73]. Длина LDD области LLDD = 6 мкм, глубина Xj LDD - 0,5 мкм. Толщина эпитаксиального слоя D3nH = 10 мкм, удельное сопротивление рЭ1Ш = 20 Ом-см. Глубина истоковой р+-области Xj р+ = 5 мкм. Толщина первого межслойного диэлектрика DSio2 = 0,4 мкм.

   Как видно по рис. 3.32, воздействие полевого электрода на LDD область несколько увеличивает максимальное значение пробивного напряжения стока. Эффективность полевого электрода увеличивается с увеличением его длины, но лишь до определенного предела. При дальнейшем удлинении полевого электрода максимальное UCH проб снижается и пик зависимости UCH npo6(Nsd LDD) смещается в область более низких концентраций. Данное снижение эффективности полевого электрода обусловлено двумя факторами.

   Во-первых, при значительном увеличении длины полевого электрода падение напряжения на участке LDD области под электродом становится неравномерным (рис. 3.33) - у стокового края полевого электрода эквипотенциальные линии начинают сгущаться, что свидетельствует о росте напряженности электрического поля, в результате чего снижаются пробивное напряжение и концентрация пика зависимости UCH npo6(NS(j LDD)- ЭТОТ эффект можно предотвратить использованием ступенчатого диэлектрика под полевым электродом, утолщающегося в сторону стока. Ступенчатый диэлектрик позволяет выровнять падение напряжения под полевым электродом и повысить пробивное напряжение.

   Во-вторых, при значительном удлинении полевого электрода расстояние между ним и стоковой металлизацией 1-го уровня уменьшается до 1,0-2,0 мкм, и в данном промежутке резко возрастает напряженность электрического поля. Область пробоя при этом может перемещаться от п+-области стока под данный промежуток. Степень обеднения и эффективная длина LDD области снижаются, что приводит к уменьшению пробивного напряжения стока и сдвигу максимума зависимости UCH npo6(NS(j LDD) В область более низких концентраций. Одновременно наблюдается более плавный спад пробивного напряжения при концентрациях Nsd LDD, больших, чем концентрация пика зависимости UCH npo6(Nsd LDD)- ЭТО объясняется тем, что напряженность электрического поля под стоковым краем полевого электрода становится больше, чем под краем затвора, и область наиболее интенсивной ударной генерации локализуется под промежутком между полевым электродом и стоковой металлизацией (рис. 3.34). При этом напряженность поля при увеличении концентрации Nsd LDD нарастает существенно медленнее, что и обуславливает более медленный спад зависимости иси npo6(Nsd LDD) Следует, однако, заметить, что LDMOS транзисторную структуру с малым зазором между полевым электродом и стоковой металлизацией 1-го уровня трудно реализовать на практике из-за технологических ограничений, поэтому данный конструктивный вариант представляет только научный интерес. Также следует отметить, что полевой электрод малоэффективен и труднореализуем для СВЧ LDMOS транзисторных структур с малой длиной LDD области ( 2 мкм).

   Методика проектирования мощных СВЧ LDMOS транзисторных кристаллов с использованием современных приборно-технологических САПР

   Разработана методика проектирования СВЧ LDMOS транзисторных кристаллов, базирующаяся на разработанных методиках моделирования в среде САПР ISE TCAD и результатах исследования влияния конструктивно-технологических факторов на параметры СВЧ LDMOS транзисторных структур. Данная методика позволяет по заданным электрическим параметрам определить оптимальные конструктивно-технологические параметры заданной конструкции LDMOS транзисторной ячейки.

   Разработанная методика проектирования может базироваться на структурной, технологической либо совместной структурно-технологической методике построения модели LDMOS транзисторной структуры. Оптимальным с точки зрения точности и затрат машинного времени является использование структурно-технологической методики для основной части проектирования, и технологической методики для финального контроля и возможной коррекции параметров. Общая схема конструкции LDMOS транзисторной структуры и базовый технологический маршрут разрабатываются отдельно, и используются в качестве отправной точки данной методики проектирования транзисторных кристаллов. Для адекватного проектирования необходима информация о реальном распределении концентрации примеси в исходных эпитаксиальных структурах.

   Разработанная методика проектирования СВЧ LDMOS транзисторных кристаллов в среде САПР ISE TCAD включает в себя следующие основные этапы:

   1. Задание исходных параметров модели СВЧ LDMOS транзисторной структуры. Длина затвора L3 определятся возможностями технологического оборудования и принимается заданной извне. Толщина подзатворного окисла зависит от технологических возможностей и выбирается минимально возможной, допустимый диапазон — 300- -5ООА. Глубина канальной р-области принимается равной 1,3-L3, концентрация примеси в максимуме выбирается на уровне 4-10 см", что обеспечивает пороговое напряжение Unopor на уровне З В при глубине п+-областей 0,25-0,35 мкм. Оптимальная глубина LDD области составляет 0,6-Ю,8 мкм. Топологический размер стоковой п+-области составляет 0,8-1,0 мкм для элементарной LDMOS транзисторной ячейки. Топологический размер истоковой р+-области определяется заданной конструкцией транзисторной ячейки. Расстояние от р+-области до затвора выбирается таким образом, чтобы после всех высокотемпературных операций граница р+-области не доходила до края затвора на 1-2 мкм. Толщина межслойного диэлектрика, в зависимости от технологических возможностей, выбирается максимально возможной, как минимум 1,5-2,0 мкм.

   2. В том случае, если проектируется СВЧ LDMOS транзистор с заземленным полевым электродом над LDD областью и двухуровневой системой металлизации, полная толщина первого межслойного диэлектрика под полевым электродом выбирается из диапазона 0,4-Ю,6 мкм. Толщина второго межслойного диэлектрика выбирается максимально возможной, как минимум 1,0 мкм. Если полевой электрод выполняется в виде шины, расположенной над LDD областью, то его длина выбирается равной (0,3-H),5)-LLDD- Полевой электрод располагается над LDD областью таким образом, чтобы топологический зазор между полевым электродом и затвором приближался к нулю. В том случае, если полевой электрод выполняется за счет перекрытия истоковои металлизацией затвора, величина выступа металла за край затвора выбирается равной также (0,3-H),5)-LLDD- Следует отметить, что для LDMOS транзисторов с напряжением питания 12 В использование полевого электрода малоэффективно.

   3. В зависимости от проектного напряжения питания транзистора ишГг и, соответственно, требуемого пробивного напряжения сток-исток иси Пр0б, выбирается удельное сопротивление эпитаксиального слоя рэпи:

   4. Необходимые значения толщины эпитаксиального слоя D3nil и глубины истоковои р+-области XjP+ в значительной степени определяются профилем распределения примеси в эпитаксиальном слое. Глубина р+-области Xjp+ в первом приближении выбирается равной 0,5D3rm. Глубина р+-области XjP+ является оптимальной в том случае, если после всех значимых высокотемпературных обработок минимальная концентрация примеси в вертикальном сечении, проходящем через р+-область, составляет, в зависимости от топологических размеров р -области, (3-40)-10 см" . Чем больше топологические размеры р+-области, тем ниже допустимая минимальная концентрация в данном сечении.

   5. Рассчитывается семейство зависимостей максимального пробивного напряжения стока от длины LDD области иси проб MUKCCLLDD) при различной толщине эпитаксиального слоя D3tlH. Для длины LDD области используются значения из диапазона 1 -10 мкм, для толщины эпитаксиального слоя — из диапазона 6 -14 мкм. Данные диапазоны могут быть сокращены в зависимости от заданного UnHT. По рассчитанным зависимостям UCH Проб MaKC(LLDD) при различных значениях D3nH определяются оптимальные значения длины LDD области и толщины эпитаксиального слоя. Для расчета каждой точки зависимости UCH пр0б MOKC(LLDD) необходимо определить оптимальную концентрацию примеси Nsd (либо дозу легирования DLDD), соответствующую максимуму зависимости UCH проб(Н ) либо UC{1 HPOGCDLDD)- Оптимальная концентрация Nsd (либо доза легирования DLDD) зависит от рэпи, D3nH, LLDD, И для каждого их сочетания должна рассчитываться отдельно. При оптимальной концентрации NSd (дозе легирования DLDD) R , Спрох и Свых принимают компромиссные оптимальные значения.

   6. По рассчитанной LLDD и заданным ранее конструктивно-топологическим параметрам, определяется длина элементарной LDMOS транзисторной ячейки. С учетом заданной полной ширины затвора на весь кристалл W3, определяются ширина и количество элементарных транзисторных ячеек на кристалле, а также размеры кристалла. Ширина элементарных ячеек ограничена допустимым поперечным сечением стоковой металлизации и максимальной плотностью тока в металлизации.

   7. По заданной выходной мощности Рвых и напряжению питания Unm определяется величина ток стока 1с. По количеству элементарных транзисторных ячеек на кристалле, величине максимально допустимой плотности тока в металлизации определяется площадь поперечного сечения стоковых шин с учетом 2-3-кратного запаса. По заданной толщине металлизации и площади поперечного сечения определяется размер стоковой металлизации в вертикальном сечении транзисторной ячейки и величина перекрытия LDD области металлом стока. Уточняются ширина и количество элементарных транзисторных ячеек на кристалле, а также размеры кристалла.

   8. Рассчитывается зависимость UCH npo6(NSd) либо UCH UPOGCDLDD) С учетом величины перекрытия LDD области металлом стока и реального значения концентрации зарядов на границе раздела окисел-кремний Nss, по максимуму зависимости определяется оптимальная концентрация примеси в LDD области (либо доза легирования). Уточняются значения иси пр0б макс, Рэпш Дэпи5 LLDD 141

   9. Рассчитываются зависимости проходной емкости Спр0х и сопротивления сток-исток Rc„ от глубины канальной р-области XjP. Определяется компромиссное значение XjP, обеспечивающее минимальное значение Спрох при допустимом увеличении R ,. Рассчитывается доза легирования канальной р-области Dp, обеспечивающая получение заданного порогового напряжения Unopor- Рассчитываются проектные значения S, RcH, 1симакс» -"вхэ прох? вых Ю.Определяются конструктивные параметры периферийных участков стоковых областей. Для LDMOS транзисторов без полевого электрода длина LDD области в периферийном участке и расстояние от нее до р-области (см п.5.2, Lj и L2 на рис. 5.3) выбираются равными либо большими LLDD В активной зоне транзисторной структуры. Для LDMOS транзисторов с заземленным полевым электродом длина полевого электрода в периферийном участке выбирается равной 2-3 мкм. В случае расположения полевого электрода над границей р-области (см п.5.2, рис. 5.6а), величина зазора Li между р-областью и LDD, а также длина LDD области L2 выбираются равными либо большими LLDD В активной зоне транзисторной структуры. В случае расположения полевого электрода над LDD областью (см п.5.2, рис. 5.66), величина зазора Li между р-областью и LDD соответствует LLDD В активной зоне транзисторной структуры. Длина участка LDD области, не накрытого полевым электродом, от края полевого электрода до п+-области стока, должна быть не меньше длины LLDD в активной зоне транзистора.

   Похожие диссертации на Влияние конструктивно-технологических факторов на электрические параметры мощных СВЧ LDMOS транзисторов

   

   Влияние конструктивно-технологических факторов на электрические параметры мощных ВЧ и СВЧ МОП транзисторовБородкин, Игорь Иванович

   

   Влияние конструктивных и технологических факторов на предельные параметры и режимы работы мощных ВЧ и СВЧ ДМОП транзисторовГригорьев Роман Григорьевич

   

   Влияние конструктивных особенностей ВЧ и СВЧ мощных ДМОП транзисторов на входной импеданс и коэффициент усиления по мощностиСемейкин Игорь Валентинович

   

   Исследование влияния СВЧ-излучения высокого уровня мощности на лавинно-пролетные диоды и СВЧ-транзисторы с барьером ШотткиКлецов Алексей Александрович

   Влияние дестабилизирующих факторов на характеристики СВЧ-усилителей входных устройств систем спутниковой связиФан Хонг Фыонг

   Зависимости электрических параметров нано-МОП транзисторов со структурой КНИ от конструктивных и технологических факторовКраснов, Александр Александрович

   

   Исследование и разработка широкополосных акустооптических дефлекторов с поверхностным возбуждением ультразвука для измерителей параметров СВЧ-радиосигналовПелипенко Михаил Иванович

   

   Моделирование малосигнальных параметров мощных ВЧ и СВЧ МОП транзисторов с вертикальной и горизонтальной структурой Меньшиков Павел Александрович

   

   Разработка конструкции и технологии микрополосковых плат для бесфлюсовой сборки ГИС СВЧ с высокой воспроизводимостью параметров и надежностью изделий Климачёв Иван Иванович

   Влияние технологических факторов на параметры трещиностойкости бетона по диаграммам деформированияЛихачевский, Александр Ярославович