Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературы 12
1.1 Области применения силовых полупроводниковых приборов. 12
1.2. Основные типы силовых полупроводниковых приборов 14
1.2.1. Мощные диоды 14
1.2.2. Мощные МОП транзисторы 16
1.2.3. Биполярно полевые транзисторы (IGBT) 20
1.2.4. Запираемые тиристоры (GTO) 21
1.3. МОП управляемые тиристоры . 22
1.4. Высоковольтная полевая изоляция приборов. 33
1.5. Методы снижения статических потерь 34
1.6 Снижение динамических потерь радиационным методом регулирования времени жизни носителей 37
1.7. Выводы и постановка задачи 39
Глава 2. Критерий оценки максимальной управляемой плотности тока выдвинутый на основе анализа 2D модели РТ p-i-n диода с катодом, шунтированным МОП транзистором 41
2.1. Принципиальная эквивалентная схема МОП тиристора 41
2.2 Динамическое моделирование принципиальной эквивалентной схемы МОП тиристора .. 43
2.3 Структура МОП тиристора 45
2.4. 2D модель РТ р-І-п диода 48
2.5. Моделирование анодного шунтирования 52
2.6. Моделирования влияния напряжения затвора на В АХ модели p-i-n диода 53
2.7 Проект траншейного МОП управляемого тиристора 64
Глава 3. Изготовление экспериментального МОП тиристора и экспериментальная проверка предложенного критерия определения максимального управляемого тока 71
3.1 Выбор материала для изготовления высоковольтного тиристора...71
3.2 Охранная изоляция периферии МОП тиристора 74
3.3. Статические вольт - амперные характеристики МОП тиристора 77
3.4. Регулирование времени жизни носителей в МОП тиристоре облучением электронами 83
3.5. Динамические характеристики МОП тиристора 84
Основные результаты и выводы .95
Заключение 97
Литература
- Основные типы силовых полупроводниковых приборов
- МОП управляемые тиристоры
- Динамическое моделирование принципиальной эквивалентной схемы МОП тиристора
- Охранная изоляция периферии МОП тиристора
Введение к работе
Производство и распределение энергии в современном мире играет ключевую роль. Доля преобразованной энергии (из постоянного тока в переменный и наоборот) постоянно возрастает. По оценкам энергетиков доля преобразованной энергии в России в 3 раза ниже чем в промышленно развитых странах. В связи с этим особую актуальность приобретает создание силовых полупроводниковых приборов нового поколения. Так как современные силовые приборы создаются: с использованием технологии КМОП СБИС (размеры элементов -1-Ю цм) то при проектировании таких приборов встает вопрос о тщательном моделировании физических процессов, происходящих в таких приборах. К приборам силовой электроники предъявляются требования, такие как: способность выдерживать большие напряжения (до 6 кВ), пропускать большие токи (до 1 кА) при низком падении напряжения на приборе, иметь малые времена включения и выключения, низкая себестоимость и технологическая простота изготовления. Так как такие требования одновременно удовлетворить трудно, то для нахождения технически приемлемого компромисса необходимо предварительное моделирование приборов. Для приборов с положительной обратной связью по току (тиристоры) статическое моделирование процесса выключения невозможно из-за расходимости итерационных алгоритмов. Динамическое же моделирование требует вычислительной мощности суперкомпьютеров. Выходом в этом случае является статическое моделирование физически эквивалентных приборов.
В данной работе на основе спроектированного и испытанного МОП управляемого тиристора предлагаются топологические, модельные и физические решения, имеющее общее значения для силовой электроники.
В работе предложена эквивалентная схема МОП тиристора и обобщенная: статическая ВАХ МОП тиристора с анодным шунтированием. Предложена методика диагностики Р- канальных МОП транзисторов и анодных шунтов по нерабочей ветви ВАХ при отрицательном анодном напряжении.
Для описания процессов, происходящих в МОП тиристоре построена 2D эквивалентная физическая модель p-i-n диода с катодом, шунтированным МОП транзистором. Для моделирования анодного шунтирования предложен метод понижения концентрации акцепторов Na в Р аноде. Свободный параметр модели (концентрация примеси Na) определяется из статических ВАХ МОП тиристоров с различными временами жизни методом подгонки. Совпадение расчетных и экспериментальных ВАХ при временах жизни носителей 25 и 3.5 цс позволяет утверждать, что данная модель хорошо описывает поля ОПЗ и распределение концентрации носителей. На данной модели проведено исследование зависимости плотности анодного тока от напряжения на затворе. Показано, что величина модуляции анодного тока зависит от его плотности. На основе сравнения концентраций акцепторов Na в Р базе и свободных электронов предложен критерий оценки управляемой плотности тока в МОП тиристоре. Предлагаемый критерий сформулирован так: если при открытом канале выключающего МОП транзистора концентрация неравновесных электронов ниже концентрации акцепторов N, в Р-базе в сечении, где концентрация электронов максимальна, то данная плотность тока является управляемой.
Критерий подтвержден сравнением расчетной максимальной управляемой плотности тока при различных временах жизни с экспериментальными результатами. Хорошее совпадение с экспериментом (отличие расчета и эксперимента -30% ) позволяет утверждать, что предложенный критерий работоспособен. Более детальное доказательство критерия может быть проведено с применением динамического метода расчета переходных характеристик МОП тиристора, однако это потребует использования суперкомпьютера.
На. основе анализа влияния поля ОПЗ затвора на максимальную управляемую плотность тока в МОП тиристоре предложен новый прибор
6 силовой электроники - траншейный МОП тиристор. Предварительные расчеты показывают увеличение управляемой плотности тока в этом приборе на 50%.
Предлагаемый критерий также может найти применение для расчета максимальной управляемой плотности тока других типов тиристоров и определению плотности тока вторичного пробоя; (включение паразитного тиристора) для IGBT.
Таким образом, в данной работе, представлены статические модели для: расчета; основных параметров МОП! тиристора — падения напряжения в открытом состоянии, статических потерь и максимальной плотности управляемого тока. Ошибка в определении плотности управляемого тока при использовании этих моделей составляет 30%, что подтверждено экспериментом. Показано, как при изменении параметров модели изменяются характеристики МОП тиристоров, что служит основой для их оптимизации:
Для экспериментальной проверки модельных расчетов был спроектирован, изготовлен и испытан МОП управляемый тиристор с большой (0.33 см) активной площадью и плотностью управляемого тока 100 — 150 А/см . Большая активная площадь (~0.3 см2) имеет решающее значение для; правильной интерпретации модельных расчетов, поскольку представленные в литературном обзоре образцы МОП управляемых тиристоров имеют завышенные (до 600 А/см2) плотности управляемых токов. Высоковольтные тиристоры со сравнимой площадью имеют этот же параметр до 40 А/см . Таким образом, представленный МОП тиристор имеет плотность управляемого тока в 1.5-2 раза выше, чем аналогичные, описанные в литературе. В работе представлено обоснование выбора высокоомного (2000 Ом-см) БЗП кремния, как материала удовлетворяющего всем требованиям для изготовления высоковольтных приборов. Описание структуры предложенного тиристора соответствует изготовленному МОП тиристору с рядом конструктивных особенностей. К таким особенностям относятся: 1. Размеры катодного N* эмиттера 10 цм
Длина канала выключающего Р канального транзистора 1 рм, изготовленного по ДМОП технологии (двойная боковая диффузия доноров и акцепторов под маску поликремния).
Элементарная ячейка состоит из матрицы 5x5 N4" эмиттеров, в центре ячейки эмиттер убран, сформирован сток для включающего N канального МОП транзистора в № базу,
Плавающие охранные кольца (FGR - Float Guard Rings) обеспечивающие работу тиристора до напряжения 2500 В.
5; Стоп канальный конденсатор по периферии кристалла, выравнивающий потенциал при переходе от края кристалла к охранным кольцам.
Анодное шунтирование, уменьшающее время рассасывания избыточного заряда в N" базе.
Регулирование времени жизни носителей методом облучения электронами с энергией 2 МэВ с целью уменьшения динамических потерь, на фронте выключения тиристора.
Применение трехслойной металлизации анода Ti-N-Ag.
Испытания МОП тиристора при токах, близких к максимальным управляемым (30-50 А), предполагают распайку кристалла в корпус. Были использованы 3 типа корпусов для высоковольтной электроники, с распайкой кристалла, как на воздухе, так и в водородной атмосфере. На основе сравнения В АХ кристаллов сделан вывод о безусловной необходимости распайки кристалла в корпус в водородной атмосфере, так как при распайке на воздухе падение напряжения в открытом состоянии возрастает в 1.4 раза при том же токе.
Целью работы являлось исследование физических принципов работы МОП тиристора и экспериментальное обоснование моделей для оптимизации параметров приборов на их. основе. Для этого предполагалось решить следующие задачи:
1. Разработка модели влияния полей ОПЗ и времени жизни носителей на максимальный управляемый ток МОП тиристора, рассчитываемой статически., 2 .„ Оптимизация параметров МОП тиристора на основе предложенных модели. 3. Создание экспериментального образца МОП тиристора для проверки предложенной модели.
Научная новизна работы
При решении поставленных задач получены следующие новые результаты:
Предложена и обоснована 2D модель р-І-п диода с катодом, шунтированным МОП транзистором физически эквивалентная МОП тиристору в открытом состоянии и до момента необратимого ограничения тока.
Проведено моделирование анода с шунтированием. Анод с шунтированием в модели заменяется сплошным- анодом с пониженной концентрацией, примеси, которая определяется из экспериментальных данных. Обоснована эквивалентность замены шунтированного анода на анод с пониженной инжекцией в модели. Данная модель позволяет хорошо описать концентрацию дырок в области катода.
Предложен критерий оценки максимальной управляемой плотности тока в МОП тиристоре на основе разработанной модели, заключающийся в сравнении концентрации свободных электронов с концентрацией примеси акцепторов^ в Р базе. Данный критерий применим для других типов тиристоров.
Предложено использование облучения электронами МОП тиристора для увеличения плотности управляемого тока.
5. Предложена структура траншейного (Trench) МОП тиристора с максимальной управляемой плотностью тока в 1.5 раза выше, чем у аналогичного планарного.
Положения и результаты, выносимые на защиту
Для физически эквивалентной модели МОП тиристора возможен статический расчет максимальной управляемой плотности тока, который ранее моделировался только динамически.
Сохранение управляемости; МОП тиристора при больших плотностях тока в случае меньшего времени жизни носителей связано с тем, что в этом случае концентрация свободных электронов в прикатодной области; Р базы не возрастает. Экспериментально это наблюдается как увеличение максимальной управляемой плотности тока при уменьшении: времени жизни носителей после облучения.
Распределение поля ОПЗ (области пространственного заряда) затвора зависит от геометрии и; взаимногоf расположения N эмиттера и затворного электрода. Увеличение тока дырок в область Р истока приводит к увеличению максимальной управляемой плотности тока МОП тиристора. В этой связи предложена схема нового прибора силовой электроники - траншейного (Trench) МОП тиристора. Усиление влияния поля ОГО происходит за счет вертикального расположения затвора и приводит к увеличению максимальной управляемой плотности тока в 1,5 раза.
Практическая ценность работы
Предложена и подтверждена экспериментально простая модель расчета максимального управляемого тока в МОП тиристоре, рассчитываемая статически. На основе предложенной модели разработан и изготовлен экспериментальный МОП тиристор. Достигнуты рекордные показатели плотности управляемого тока 100-150 А/см2, в 1,5-2 раза превышающие описанные в литературе. На основе радиационной модификации проведена оптимизация динамических характеристик МОП тиристора..
Личный вклад автора
Результаты, изложенные в диссертации, получены лично автором, а также и в совместных работах с сотрудниками ИФП СО РАН. Участие в работе каждого сотрудника отражено в совместных публикациях. Данная диссертационная работа планировалась как часть комплексных исследований физических: основ силовой электроники. Они проводились лабораторией физических основ материаловедения кремния ИФП СО РАН под руководством инициатора этих исследований к.ф.-м.н., Попова В.П. Совместно с научным руководителем; Поповым^ В.П. был определен план работы и обсуждались результаты исследований. Личный вклад автора включает разработку технологического маршрута МОП тиристора, проектирование фотошаблонов, авторский надзор за изготовлением на ОАО "Ангстрем", проведение измерений и их интерпретация, построение физической модели и ее расчет. Большая часть публикаций по теме диссертации написана автором после обсуждения результатов с соавторами работ.
Апробация работы
Основные результаты докладывались на конференциях: Materials and Processes for Power Electronic Devices, 5th АРАМ Topical Seminar (Moscow-2001), E-MRS-2001, Symposium B: Defect Engineering of Advanced Semiconductor Devices (Strasbourg-2001),
Микро- и нано-электроника-2001 (Звенигород-2001), Совещание по росту кристаллов, пленок и дефектам структуры кремния "Кремний-2002" (Новосибирск - 2002),
Третья Российская конференция по материаловедению и физико-химическим основам технологии получения легированных кристаллов кремния и приборных структур на их основе - "Кремний-2003" (Москва - 2003), Шестая Российская конференция по физике полупроводников — "Полупроводники -2003" (С.-Петербург - 2003).
11 Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из 119 страниц машинописного текста и включает в себя введение, три главы, 40 рисунков, 3 таблицы и 113 наименований цитируемой литературы.
Основные типы силовых полупроводниковых приборов
Рассмотрим основные типы силовых полупроводниковых приборов. Исторически, первыми мощными диодами были германиевые диоды. Однако, вследствии малой; ширины запрещенной зоны (Eg=0.72: эВ), германиевые диоды имели большие токи утечки при обратном смещении. Более широкое применение получили кремниевые диоды на эпитаксиальном кремнии. В качестве подложки использовалась пластина N+ кремния, на который эпитаксиально наносился слой, N" кремния, толщина, которого зависела от максимального напряжения обратного смещения. Р анод изготавливался диффузионно..
В 1970 г. появился мощный диод с барьером Шоттки (Schottky barrier diode - SBD) в качестве перехода (рис. 1.2). Диоды с барьером Шоттки обладают меньшим падением напряжения в прямом смещении, чем диоды с диффузионным переходом. Статические потери мощности в SBD в среднем в 2 раза ниже, чем в диффузионных диодах. Однако, диоды с барьером Шоттки имеют большие, чем диффузионные диоды, токи утечек при обратном смещении. В 1980 г. появился комбинированный диод с диффузионными переходами и барьером Шоттки. Такая комбинация позволила снизить потери мощности как при прямом смещении, так и при обратном. Следующий этап; развития мощных диодов связан с развитием Trench технологии., Плазмохимическое травление монокристаллического кремния с последующей планаризацией поверхности позволило в 1990 г. создать траншейный диод с барьером Шоттки.
Сохраняя г преимущества низкого падения напряжения в прямом смещении, Trench технология позволила существенно уменьшить токи утечки в обратном смещении за счет уменьшения напряженности поля на барьере. Это достигается компенсацией внешнего поля полем ОПЗ, создаваемого = траншеями. Этапы развития высоковольтных ( 100 В) диодов показаны нарис. 1.3.
На начальном этапе высоковольтные ( 100 В) диоды копировали низковольтные диоды путем масштабирования толщины эпитаксиального N" слоя, толщина которого зависела от величины обратного смещения. Но увеличение толщины эпитаксиального N" слоя приводило к увеличению падения напряжения в прямом смещении. Для уменьшения потерь в прямом смещении в 1987 г. был предложен: диод с комбинацией диффузионных переходов и барьеров Шоттки. Однако, проблема токов утечки; в обратном смещении все же оставалась. Этот недостаток преодолен в предложенном в; 1992 г. высоковольтном диоде на основе гетероэпитаксильного слоя карбида кремния SiC. Барьер Шоттки на карбиде кремния SiC обладает меньшими утечками в обратном смещении, сохраняя конкурентное падение напряжения в сравнении с диффузионным диодом с толстым N" слоем.
Для управления токами в мощных схемах применяются биполярные и МОП транзисторы. МОП транзисторы в ключевых схемах предпочтительней биполярных, так как у них нет падения; напряжения на прямосмещенном эмиттерном переходе и падение напряжения определяется только сопротивлением канала во включеном состоянии RdS on. Кроме того, принцип полевого управления не требует мощных цепей управления, как для: биполярных высоковольтных транзисторов, у которых мал коэффициент управления по току. Мощные МОП транзисторы, применяемые в силовой электронике имеют большую ширину канала W, и, как следствие - большую площадь. V-Channel MOS (VMOS), появившийся в 1975 г., изготавливался на эпитаксиальных пластинах cN" слоем (рис. 1.4). N-канал формировался на боковой поверхности V-канавки, изготавливаемой при помощи жидкостного анизотропного травления. Размеры элементарной ячейки составляли 40 цм. Поскольку анизотропное травление является дефектовыявляющим; то при травлении большой площади выход годных кристаллов зависит от качества кремниевых пластин. Также наблюдался большой разброс пороговых напряжений VMOS. Следующим шагом в развитии в 1978 г. стало появление Double diffusion MOS (DMOS, рис. 1.4). Этот силовой МОП транзистор изготовлен по планарной технологии, что позволяет увеличить выход годных кристаллов. Канал МОП транзистора формируется на; разности разгонок Nt истока и Р базы при использовании технологии самосовмещения (материал затвора служит маской для загонки N и Р областей).
Отказ от технологии жидкостного травления позволил уменьшить размеры элементарной ячейки до 20 (їм. Для проектной нормы 10 им в 1978 удельное сопротивление во включенном состоянии составляло Rjs oll = 7 тОм/см . При переходе на проектную норму 1.25 цм удалось снизить величину удельного R ш до - значения; 0.75 тОм/см . Одним из.; узких. мест DMOS технологии является необходимость использования двухслойной металлизации для катода и затвора. Основной причиной дефектности приборов такого типа является пробой или закоротка межслойной изоляции. Дальнейшее уменьшение удельного RdS оп связано с развитием плазмохимического травления кремния и восстановлением поверхности для формирования канала МОП транзистора. В UMOS структуре (рис. 1.4) канал МОП транзистора располагается вертикально, а траншея с поликремнием затвора прорезает Р область. Для подобной структуры с размерами! элементарной ячейки 6 им до стигнуто значение удельного R оп = 0.58 тОм/см2 . Еще большего снижения сопротивления удалось достичь в EXFET структуре (рис. 1.4). В EXFET траншея с поликремнием затвора прорезает не только Р область, но и N область. Однако такое увеличение глубины траншеи приводит к снижению максимального напряжения в 2 раза по сравнению с аналогичным UMOS. При размерах элементарной ячейки 5 им R ds on EXFET составило 0.2 гаОм/см2 .
МОП управляемые тиристоры
Так как при управлении GTO ток управляющего затвора достигает 30% общего тока прибора, то это требует мощных и громоздких цепей управления. Полевой принцип управления тиристором позволяет производить перераспределение токов различных типов носителей непосредственно в приборе и управлять выключением МОП тиристора не током, а потенциалом. Предложенный Temple в 1984 г. МОП тиристор использует полевой принцип управления через N и Р канальные МОП транзисторы через один общий затвор (рис. 1.8). При подаче положительного напряжения на затвор в N" базу тиристора инжектируются электроны. В результате положительной обратной связи по току возрастает инжекция дырок со стороны Р анода, что приводит к "защелкиванию" тиристорной структуры. Для выключения МОП тиристора на. затвор подается отрицательное напряжение, открывающее канал Р канального МОП транзистора, шунтирующего катодный переход N1" катод - Р база. Происходит перераспределение концентраций неравновесных носителей иполей ОПЗ, приводящее к выключению тиристора. Механизм этого выключения будет рассмотрен далее в главе 2.
Дальнейшее развитие МОП технологии привело к появлению Emitter Switched Thyristor (EST). В схеме EST весь ток тиристора течет через канал N канального МОП транзистора соединяющий N катод, имеющий контакт с катодной металлизацией, с плавающим N катодом, который является основным катодным эмиттером EST (рис. 1.8). При выключении канала транзистора контакт с плавающим катодным эмиттером обрывается и происходит выключение тиристора. Следует заметить, что предложенная схема не лишена недостатков - нет механизма выключения паразитного динистора.
Поскольку основным механизмом выключения в МОП тиристорах является изменение направления потока носителей, то в 1995 г. была предложена еще одна схема. МОП тиристора — Dual Gate Base Resistance Thyristor (DG-BRT). Эта схема представляет собой тиристорную структуру со включенной параллельно ей транзисторной P-N-P структурой. Для управления такой структурой используются 2 затвора. Затвор 1 предназначен для включения тиристора, затвор 2 для выключения тиристора путем отклонения потока дырок на Р дивертор. Затворы 1 и 2 имеют независимую металлизацию, изолированы друг от друга межслойноЙ изоляцией и управляются отдельно.
Впервые МОП управляемый тиристор упоминается в работе [1]. В основу работы МОП управляемого тиристора положен принцип шунтирования катодного эмиттера каналом МОП транзистора. Дальнейшее развитие эта идея получила в работе [2], где этот же принцип управления развивается как Depletion Mode Thyristor (DMT). Однако, уже в работе [3], предлагается новый тиристор с полевым управлением Emitter Switched Thyristor (EST). В этой схеме ток между N катодом и металлизацией катода течет через канал N-МОП транзистора. Таким образом, при выключении МОП транзистора происходит обрыв тока по эмиттеру. Предложенная схема EST не свободна от недостатков, как то: высокое падение напряжения вследствии большого сопротивления в канале МОП транзистора и сопротивления диффузионной области катодного эмиттера, тиристорного защелкивания N истока транзистора, при котором EST уже не выключается.
Поиски новых решений привели к появлению нового типа МОП управляемого тиристора — Base Resistance Thyristor (BRT) [5,6]. Особенностью этой схемы является наличие Р+ дивертора, имеющего контакт с катодной металлизацией. Управляющий затвор при этом перекрывает области Р базы тиристора и Р+ дивертора. Однако, в работе дана излишне оптимистическая оценка плотности управляемого тока в 300 А/см2. Работа [7] посвящена экспериментальному исследованию EST с напряжением 600 В. В этой работе сообщается о возможности EST выключать токи до 800 А/см ... Однако, площадь прибора составила 4-Ю"3 см2, то есть линейные размеры EST были гораздо меньше его вертикальных размеров по N" базе. При таком соотношении размеров экспериментальные данные по управляемой плотности тока сильно завышаются.
В работах [8,9] рассматриваются различные аспекты проектирования МСТ: размеры и период повторения элементарной ячейки, методы: регулирования времени жизни носителей. Достоинством этой работы является то, что в ней приведены экспериментальные результаты о выключении плотности тока 75 А/см2 при анодном напряжении 1.5 кВ.
На основе моделирования и исследования экспериментальных образцов BRT в работе [10] делается вывод о его способности управлять плотностью тока до 900 А/см2 .Однако площадь катода составила 1.3-10"2 см2,, что не позволяет утверждать, что BRT большей площади способны выключать подобные плотности токов.
Динамическое моделирование принципиальной эквивалентной схемы МОП тиристора
Так как данная схема является схемой с положительной обратной связью, то при моделировании такой схемы статически, при помощи программы PSPICE, расчетные итерации расходятся. Выходом в данном случае является динамический расчет тока схемы, в зависимости от времени. Для этого на управляющий электрод затвора подавалось ступенчатое напряжение амплитудой от -15 до +15 В длительности положительного и отрицательного импульса составляли 25 ц.с, период повторения: импульсов 50 це (Рис. 2.2). Положительная полярность напряжения затвора для данной схемы является включающей, отрицательная — выключающей.
Динамический расчет тока анода, проведенный по эквивалентной схеме показал, что существует максимальный ток, выше которого МОП тиристор не выключается. Для заданных параметров р канального выключающего МОП транзистора, длина канала L=I р.м, W=6.045 м, этот ток составил - 24 А. При токе — 20 А, ток тиристора управляется потенциалом затвора.-Временные диаграммы тока МОП тиристора приведены на рис. 2,3, кривая 1 -управляемый ток МОП тиристора, кривая 2 - неуправляемый ток МОП тиристора.
Однако определить топологические параметры из этой эквивалентной схемы не представляется, возможным, поскольку положительная обратная связь в ней описывается двумя коэффициентами усиления по току транзисторов ТІ и Т2, а для топологического описания шести диффузионных слоев необходимо задание более 30 параметров. Более того, для описания МОП транзистора в модели программы PSPICE используется около 40 параметров, и возможно получить одинаковые вольт амперные кривые при разном наборе этих параметров. Поэтому, дальнейшее исследование ф зависимости максимального управляемого тока от параметров диффузионных слоев и топологии МОП тиристора проводилось при помощи 2D моделирования. МОП тиристор является пятислойной полупроводниковой структурой, слои, изготавливаются при помощи диффузии донорной и акцепторной , примесей. МОП тиристор построен на принципе матрицы одинаковых элементарных ячеек, работающих параллельно. Вид МОП тиристора в сечении показан на рис. 2.4. МОП тиристор является биполярным прибором с полевым управлением. На планарной стороне МОП тиристора размещены N канальные МОП транзисторы, используемые для включения тиристора, и Р канальные МОП транзисторы, используемые для выключения тиристора.
Катод имеет вид матрицы элементарных ячеек 80x80 им, состоящих из 24 N эмиттеров расположенных в общем Р- кармане. В центре элементарной ячейки находится колодец в N" базу, являющийся стоком включающего N канального МОП транзистора.. Катодные эмиттеры представляют собой квадраты IsT слоя размером 10x10 цм. По периферии эмиттера расположены Р+ области, являющиеся истоками Р канальных выключающих транзисторов, выполненные в виде кольца. В центре эмиттера расположен контакт к катоду и истокам Р канальных выключающих транзисторов. Длина канала Р канальных ЩІ МОП транзисторов — 1 цм. Стоком для них является Р база тиристора.
Расстояние между N эмиттерами — 6 дм. N эмиттеры изготавливаются имплантацией фосфора по самосовмещенной технологии через маску поликремния. Р+ исток также имплантируется через маску поликремния. Поликремний одновременно является общим затвором для N и Р канальных МОП транзисторов. Поликремний диффузионно легирован фосфором до сопротивления Rs= 12 Ом/кв. Р база - общая для всех N эмиттеров и имеет вид прямоугольника с размерами 7820x4820 цм. Общее число N эмиттеров составляет 144042. Длина периметра эмиттера - 40 цм, следовательно Ф отношение W/L для Р - канальных МОП- транзисторов составляет 50,
Суммарная ширина каналов всех Р - канальных МОП- транзисторов составляет 5,76 ми суммарное отношение W/L составляет 5.76106. Общее число N — канальных МОП- транзисторов равно 5901. Длина канала — 8 им, суммарная ширина W — 0,354 м и суммарное отношение W/L составляет 4.43-104. Контакт к поликремневому затвору транзисторов находится на отдельной площадке. Межслойная изоляция алюминия катода к поликремния затвора изготовлена из фосфорослликатного стекла толщиной 1.2 цм.
Для достижения напряжения пробоя, 2.5 KB в сочетании с низким падением напряжения в открытом состоянии в МОП тиристоре был применен анодный буферный N слой (РТ технология) в сочетании с анодными шунтами. Анодные шунты в силовых приборах применяются для уменьшения времени рассасывания избыточного заряда в процессе выключения. Буферный N слой анода формировался диффузией фосфора на глубину 8 цм, который разгонялся одновременно с Р базой. Анодный Р+ эмиттер формировался имплантацией бора через маску фоторезиста и последующей разгонкой на глубину 1 цм. В слое анодного Р+ эмиттера были оставлены окна для контакта металлизации анода к слою анодного К " буфера. Таким образом формировались анодные шунты. Отношение площади контакта анодного эмиттера Sp+ к площади контакта ь: N буферу Sn+ составило 100:1. Металлизация анода - многослойная. Первый слой состоит из Ті толщиной 1000 А. Далее нанесены слои Ni и Ag щ общей: толщиной 1 цм. Такая металлизация необходима для распайки кристалла в корпус на олово- свинцовый припой.
Охранная изоляция периферии МОП тиристора
Для повышения блокируемого напряжения в закрытом; состоянии, изготавливалась система плавающих охранных колец (FGR) из областей Р-типа, расположенных по периметру кристалла. Введение плавающих охранных колец из Р-областей предотвращает пробой по поверхности кристалла. Охранная изоляция изготавливалась по FGR-технологии, которая позволяет повысить напряжение пробоя на 25-30% по сравнению с охранной изоляцией Р кольцами [46]. Суть этой технологии состоит в том, что между охранными кольцами добавлены металлические обкладки, имеющие контакт или не имеющие контакт с охранным Р-кольцом. (В рассматриваемом случае — контакта нет.) Металл обкладок между кольцами лежит на, диэлектрике межслойной изоляции. Ширина металлической обкладки равняется половине расстояния между соседними кольцами. Таким образом, получается конденсатор, который уменьшает напряжённость электрического поля. на поверхности в местах, где она максимальна. Расположение охранных колец и металлических обкладок показано нарис. 3.3.
Так как охранные кольца предотвращают утечки по поверхности, то глубина колец должна быть максимальной возможной, допускаемой технологическим маршрутом. Лучшим вариантом разгонки колец является совмещение с: разгонкой N буфера. Доза: имплантированной примеси в Р-кольца составляла 200 рКл.
Для предотвращения образования канала утечки и выравнивания потенциала на периферии кристалла изготовлен стоп-канальный конденсатор. Принцип действия стоп-канального конденсатора заключается в уменьшении напряжённости поля на краю кристалла ив выравнивании потенциала на периферии за счёт сильнолегированной области по краям кристалла. Достигается это путём изпользования трех диэлектриков разной толщины между обкладками конденсатора. В качестве первого диэлектрика используется подзатворный окисел,- в качестве второго диэлектрика - базовый окисел, в качестве третьего базовый окисел и межслойная изоляция. Обкладками конденсатора служат N база -с одной стороны, поликремний и алюминий - с другой. По периферии кристалла изготовлен сильнолегированный выравнивающий потенциал пояс N области. За этим поясом лежит слой подзатворного диэлектика над которым расположен поликремний затвора. Далее идёт слой полевого окисла - 1 им. Это полевой окисел служит маской для загонки Р-колец и далее остаётся на кристалле до конца маршрута.. На этом полевом окисле также лежат металлические обкладки Р колец. На поликремний нанесена межслойная изоляция фосфоросиликатного стекла (ФСС). В области N в слое ФСС вскрыто контактное окно где у поликремния имеется контакт с аллюминием, находящимся под плавающим потенциалом. Аллюминий выступает на 10 \ш за поликремний. Таким образом, диэлектрик состоит из трех слоев : подзатворный окисел, полевой окисел, межслойная изоляция. Такая конфигурация стоп-канального конденсатора способствует уменьшению напряженности электрического поля по направлению от периферии к центру. Внешний вид стоп-канального конденсатора приведён на рис. 3.4.
Затвор МОП тиристора изготавливался из поликремния и в технологическом маршруте использовался как маска для загонки примеси в N эмиттер и Р+ исток. Так как металлизация катода является двухслойной (катод и затвор), то контакт к затвору располагался на отдельной площадке размером 400x500 цм. Под поликремнием находился толстый базовый окисел (0.5 им) который использовался в качестве маски для загонки бора в Р кольца. Под контактом к затвору располагалась Р база тиристора. Область затвора с прилегающими к нему ячейками МОП тиристора показана на рис. 3.5. Вид МОП тиристора с кольцами и стоп канальным конденсатором приведен на рис 3.6.
Основной причиной дефектности кристаллов являлись короткое замыкание межслойной изоляции между затвором и катодом. Выход годных кристаллов варьировался от 30 до 50% в зависимости от пластины. Средний выход годных кристаллов составил 40%.
Общие размеры кристалла МОП тиристора составляют 9.4x6.5 мм. Как упоминалось выше, МОП: тиристор изготавливался по стандартному технологическим процессам: КМОП СБИС Кристалл тиристора был мультиплицирован по кремниевой пластине. Общее количество кристаллов на пластине - 100 (кристаллы на краю пластины не учитываются). По завершении технологического маршрута пластина разрезалась на кристаллы методом циркулярной резки. Вид пластины с изготовленными МОП тиристорами показан на рис. 3.7. Габариты корпуса показаны на рис. 3.8.
МОП тиристор с анодным шунтированием является прибором, работающим при положительной полярности анода. Статические вольт — амперные характеристики (ВАХ) МОП - тиристора с анодным шунтированием приведены на рис. 3.9. Рабочей ветвью является положительное анодное напряжение. При положительном анодном напряжении и нулевом напряжении на затворе МОП тиристор является динистором (пороговый элемент). При повышении положительного анодного напряжения нарастает ток утечки, что приводит к самопроизвольному включению тиристора. Требуемый для этого ток утечки зависит от сопротивления: анодных шунтов.
