Введение к работе
Актуальность темы.Среди многообразных направлений современ-юй полупроводниковой электроники важное место занимает разработ-са и производство кремниевых транзисторов, предназначенных для заботы при еысоких уроЕнях мощности ( десятки и сотни ватт ). 06-іасть применения таких транзисторов весьма широка: они использу-зтся в выходных каскадах усилителей мощности, операционных, дифференциальных и импульсных усилителях, генераторах кадровой и строчной разверток, высоковольтных преобразователях и стабилизаторах постоянного напряжения, переключающих устройствах, устройствах управления газоразрядными панелями переменного тока, устройствах зажигания двигателей внутреннего сгорания и др.
В последние годы в различных радиоэлектронных устройствах наряду с мощными биполярными транзисторами начали широко использоваться и мощные ДМОП транзисторы с изолированным затвором. По уровню выходной мощности они успешно конкурируют с биполярными транзисторами.
Лучшими, перспективными образцами, разработанными в данном іаправлении, являются приборы с высокими и промежуточными значеними максимального напряжения сток-исток исимах = 300 ~ Ю00 В, имеющие при определенном значении искмах наибольший максимально допустимый ток стока Ic = 10 - 30 А и наименьшее сопротивление зток-исток во включенном состоянии Rc-ивкл = 0,5 - 3 Ом.
Работа мощных ДМОП транзисторов на пределе физических возможностей делает их чувствительными к перегрузкам по напряжению. Высокая стоимость приборов и их дефицитность приводят к тому, что разработчики приборов бывают вынуждены отказаться от серьезных экспериментальных исследований. В таких условиях особую важность іриобретает моделирование структуры и параметров приборов на ЭВМ. Математическое моделирование играет все большую роль в микроэлектронике. Достигнут тот уровень, при котором чисто экспериментальный подход к оптимизации конструкции элементов интеграль-1ых схем, представляющий собой по сути дела метод проб и ошибок, :тал совершенно непригоден. Возрастающий уровень интеграции тре-зует постоянного уменьшения размеров разрабатываемых элементов їнтегральньїх схем и рассеиваемой мощности. Одновременно должно осуществляться более точное управление функциональными характеристиками современных МОП и биполярных приборов, которые теперь 5удут определятся существенно двумерным или даже трехмерным ха-
-4.-
рактером растекания тока и формой р-п перекода.
Для адекватного анализа сложных современных приборов поэт< требуются многомерные модели учета явлений переноса и распреде. ния потенциала. Реальные физические процессы здесь наиболее ад< ватно отражают численные математические модели, реализуемые ЭВМ.
Известная литература по вопросу моделирования' топологии и і раметров мощных высоковольтных биполярных и МОП структур с це; обеспечения надеяной работы приборов ( в подавляющем большиьс; зарубежная) содержит отдельные противоречивые сведения, нет пс ровного описания методов расчета и систематических исследовані проведенных в широких диапазонах параметров приборов.
Целью настоящей работы яеляєтся разработка и исследование к тодоб повышения устойчивости мощных высоковольтных биполярных ДМОП транзисторов к явлениям лавинного пробоя и оптимизации конструкции на основе многомерного математического и машинне моделирования.
Для достижения этой цели в работе были поставлены следуш задачи:
-
Исследовать с помощью машинного моделирования возможное повышения пробивных напряжений коллекторного перехода биполярн транзисторов и стокового перехода ДМОП транзисторов с помощью & тода охранного кольца различной конфигурации, а также путем per лирования диффузионных профилей распределения акцепторной приме в охранном кольце.
-
С помошью численного моделирования проанализировать возмс ность обеспечения необходимых значений напряжения пробоя плана ных р-n переходов с помошью оптимально заданной краевой защиты виде системы минимального числа оптимально расположенных дел тельных колец с учетом отрицательного влияния положительного ио ного заряда в защитном окисле.
-
Разработать методику оптимизации структуры мощных ДМОП тра висторов с точки врения уменьшения величины электрического поля структуре между диффузионными истоковыми р-ячейками и, следов тельно, увеличения надежности прибора с точки зрения пробивн напряжений.
-
Разработать метод расчета сопротивления в открытом состоян ]?си мощных высоковольтных ДМОП граиаисторов с учетом вклада вел
- 5 ~
чины топологических размеров и технологических параметров, а также выбора их оптимальных значений с целью минимизации сопротивления.
Настоящая работа выполнялась в соответствии с тематикой госбюджетной НИР и х/д 1990 - 1995 г.г. кафедры физики полупроводников и микроэлектроники ВГУ.
Научная новизна:
В работе получены следующие теоретические результаты:
-
На основании математического моделирования пленарных р-n переходов установлены вависимости увеличения пробивных напряжений пленарных р-п переходов от изменения диффузионных профилей распределения акцепторной примеси в р-области. При снижении поверхностной концентрации акцепторной примеси на 3-4 порядка ( с J/IO20 см-3 до 1-Ю16 см-3) можно получить эффект увеличения напряжения пробоя по сравнению со случаем резкого асимметричного р-п перехода для средних радиусов закругления от 15 до 30 % в зависимости от концентрации доноров в п~ подложке.
-
Установлена лрямопропорциональная зависимость электрического поля в структуре мощных ДМОП транзисторов между диффузионными ис-токовыми р-ячейками от их взаимного расстояния, а также почти об-рагнопропорциональная зависимость максимальных значений электрического поля от глубины залегания р-п перехода потоковых ячеек.
-
Предложен строгий численный метод расчета важнейшей характеристики ДМОП транзистора - сопротивления в открытом состоянии, а также получены графические зависимости значений Rc-ивкл от топологии потоковых р-ячеек и толщины высокоомного слоя даоп транзистора.
-
На основании проведенного машинного эксперимента установлены зависимости пробивных напряжений мощных высоковольтных структур с периферийной частью в виде системы полевых делительных колец от количества оптимально расположенных делительных колец в широких диапазонах конструктивно-технологических параметров таких структур.
-
Из численных расчетов установлено, что пробивные напряжения структур с делительным кольцом большей глубины чем основной р-п переход полностью определяются глубиной залегания р-п перехода делительного кольца, а при увеличении ширины делительного кольца пробивные напряжения повышаются и стремятся к насыщению.
6. Определены зависимости снижения пробивных напряжений стру! тур, содержащих полевые делительные кольца, от величины положі тельного ионного заряда в защитном окисле. Зависимость оказывав': ся монотонно убывающей при Q3i02/Q > Г 10й см~~.
?. Из численного моделирования реальных планарных р-п переходе с периферийной частью отличной от формы идеального полуцшшнд{ установлено, что их пробивные напряжения раЕНЫ 0.9 - 0.95 иПре идеального полуцилиндра. Практическая ценность.
-
Показано, что наиболее эффективны охранные кольца, сформирс ванные е виде низколегированной р-полосы по периферии прибора ш тодом ионной имплантации. Такая область работает в 2 раза зффеь тивнее охранного кольца стандартной формы той же глубины, опред? лены оптимальные конструктивно-технологические параметры такі областей.
-
Получены данные, позволяющие при заданных глубине залегаю р-п переходов, удельном сопротивлении подложки и пробивном напря жении оптимально сформировать периферийную часть прибора с ис пользованием для згой цели минимального числа делительных колеї расположенных на оптимальных расстояниях друг от друга с учете отрицательного влияния положительного ионного заряда в защигне окисле.
-
Так как пробивные напряжения структур с делительным кольцом определяются его глубиной при прочих равных условиях, то дели тельное кольцо можно делать более глубоким, чем основной перехс ( по типу охранного ), что особенно ватао в биполярных приборах где толщина базы определяет усилительные и частотные свойства.
4'. В зависимости от задаваемых предельных напряжений ДМОП тран зисторов 1'симах, глубин залегания р-п перехода истоковых ячеек концентраций доноров в области стока определены максимально воз можные взаимные расстояния р-ячеек, при которых еще не происходи явления электрического пробоя, и рекомендуемые оптимальные расстояния между ними.
5. Установлено совпадение в пределах 10 Z результатов расчето Ксивкл для серийно выпускаемых приборов с экспериментальными из мерениями. Проведен анализ влияния различных топологических раз меров элементов конструкции ДМОП транзисторов и их технологичес ких параметров на значение сопротивления з открытом состоянии
определены их оптимальные значения с целью минимизации Есивкл-
Реализация научно-технических результатов.
Полученные в диссертации результаты могут быть использованы при разработке и проектировании как существующих, так и новых конструкций мощных биполярных транзисторов, ДМОП транзисторов и биполярных транзисторов с изолированным затвором і'БТИЗІ для оптимизации их структуры и прогнозирования предельных режимов работы.
Результаты работы использованы при выполнении х/'д 58/94 с АООТ БЗПП ( г. Воронеж ) на тему: " Оптимизация статических и переключающих параметров мощного высоковольтного биполярного транзистора с изолированным затвором (БТИЗ) ".
В серийно выпускаемых мощных высоковольтных ДМОП транзисторах КП 707 и КП 809, а также разрабатываемых БТИЗ, для обеспечения заданных значений предельных напряжений сформирована оптимальная периферийная часть приборов в виде системы необходимого числа оптимально расположенных делительных колец и создана оптимальная внутренняя конструкция диффузионных потоковых р-ячеек с целью минимизации значений электрических полей и сопротивления в открытом состоянии Ней- На базе указанных исследований проведены опытные рабочие партии по изготовлению кристалла мощного БТИЗ с рассчитанными характерне тиками.
Созданные пакеты прикладках программ могут быть применены для исследования двумерного распределения электрического заряда, поля и потенциала в структурах, содержащих обратно смещенный р-п переход или области, находящиеся под плавающим потенциалом любой конфигурации и профилем распределения концентраций, а также решения уравнения Пуассона - Лапласа в областях любой формы. Эти программы могут быть применены для исследования приборов других классов, а также в учебных целях.
Положения, выносимые на защиту.
-
Зависимости пробивных напряжений пленарных р-п переходов от изменения диффузионных профилей распределения акцепторной примеси в р-области и конфигурации их периферии.
-
Зависимости пробивных напряжений мощных высоковольтных структур с периферийной частью в виде системы полевых делительных колеи от количества оптимально расположенных делительных колец и их конфигурации с учетом отрицательного влияния значения положительного ионного заряда в защитном окисле.
-
Методика оптимизации структуры мощных ДМОП транзисторов целью уменьшения величины электрического поля е структуре иещ диффузионными потоковыми р-ячейками.
-
Строгий численный метод расчета сопротивления ДМОП транзистс ров е открытом состоянии Ren. учитывающий влияние изменения топе логических размеров конструктивных элементов.
Публикации.
По результатам исследований опубликовано 20 работ: 8 стат и депонированных рукописей и 12 тєзисоб и трудов конференций.
Личный вклад автора.
Расчеты распределения заряда и электрического поля б струр турах проведены лично автором. Для этой цели разработаны пакет прикладных программ, основанные на использовании численных мете дов. Определение направлений исследований, обсуждение результате и подготовка работ к печати осуществлялась совместно с научнь руководителем проф. Петровым Б.К.
Апробация работы.
Основные результаты работы докладывались и обсуждались н научно-технических отраслевых конференциях " Состояние' и пути по вышения надежности видеомагнитофонов" Седьмой ( Воронеж, 1993 ) Восьмой ( Воронеж, 1994 ) и Девятой ( Воронеж, 1995 ); Междуна родной научно-технической конференции " Физические аспекты надеж ности, методы и средства диагностирования интегральных схем" С Воронеж, 1993 ); Третьем Международном семинаре по моделирова нию приборов и технологий ( Обнинск, 1SS4 ); Девятой ( Санкт-Пе тербург, 1994 ) и Десятой ( Копенгаген, 1995 ) Международных кон ференциях студентов-физиков; Восьмой школе-семинаре " Математическое и машинное моделирование в микроэлектронике" ( Паланга 1991 ); Семинаре " Состояние и перспективы развития микроэлектронной аппаратуры и ее элементной базы" ( Севастополь, 1991 ) Всероссийской научно-технической конференции " Актуальные проблемы твердотельной электроники" ( Диьноморск, 1995 ); Международна конференции по электротехническим материалам и компонента: ( Алушта, 1995 ); Третьей Всероссийской научной конференции студентов - физиков ( Екатеринбург, 1995 ), а такде на научных сессиях Воронежского госуниверситега в 1990 - 1995 г. г.
Структура и объем диссертации.
Диссертационная работа состоит- из введения. четырех глав
заключения, списка литературы и приложения. Работа содержит 127 страниц машинописного текста, включал 33 рисунков, 5 таблиц и библиографию из 78 наименований.
