автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Численное моделирование структур мощных высоковольтных биполярных и ДМОП транзисторов

КУРШЕВА Елена Николаевна

ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СТРУКТУР МОЩНЫХ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ БИПОЛЯРНЫХ И ДМОП ТРАНЗИСТОРОВ

Специальность 05.27.01 - Твердотельная электроника, микроэлектроника и наноэлектроника

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Воронеж 1995

•/icx^j. ^uiiiin.*! uu^wnc^ivuriA-iA i UL<y iccnnui VJ /niioc^uiuc i a.

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор Б.К.Петров

Официальные оппоненты: доктор технических наук»

профессор А.М.ГуляеЕ

доктор технических наук, профессор М.И.Горлов

Ведущая организация: Научно-исследовательский институт

электронной техники [ г. Воронеж

Защита состоится " пдЭ-Ггода в 1330 час(

а заседании диссертационного совет^ К 063.48.02 при Воронежем! осударственном университете по адресу : 394693, Воронеж, Униве1 итетская пл. 1, ВГУ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Воронежской осударственного университета.

Автореферат разослан "Л? " хсл^эл 1995 года.

Актуальность темы.Среди многообразных направлений современ-юй полупроводниковой электроники важное место занимает разработ-са и производство кремниевых транзисторов, предназначенных для заботы при бысоких уровнях мощности ( десятки и сотни ватт ). 06-1асть применения таких транзисторов весьма широка: они использу-ртся в выходных каскадах усилителей модности, 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 1аправлении, являются приборы с высокими и промежуточными значенными максимального напряжения сток-исток исимах = 300 - Ю00 В, оиеющие при определенном значении Ь'скыах наибольший максимально допустимый ток стока 1с = 10 - 30 А и наименьшее сопротивление зток-исток во включенном состоянии Г?сивкл = 0,5 - 3 Ом.

Работа мощных ДМОП транзисторов на пределе физических возмолс-юстей 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 ватаость триобретает 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 интегральных схем, представляющий собой по сути дела метод проб и ошибок, ртал совершенно непригоден. Возрастающий уровень интеграции тре-рует постоянного уменьшения размеров разрабатываемых элементов штегральных 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-

рактером растекания тока и формой р-n 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 i раметров мощных высоковольтных биполярных и МОП структур с це; обеспечения надедной работы приборов ( в подавляющем большиьс; зарубежная) содержит отдельные противоречивые сведения, нет пс робного описания методов расчета и систематических исследован! проведенных в широких диапазонах параметров приборов.

Целью настоящей работы яиляется разработка и исследование к тодов повышения устойчивости мощных высоковольтных биполярных ДМОП транзисторов к явлениям лавинного пробоя и оптимизации конструкции на основе многомерного математического и машиннс моделирования.

Для достижения этой цели в работе были поставлены следуют задачи:

1. 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.

2. С помопц>ю численного моделирования проанализировать возмс ность обеспечения необходимых значений напряжения пробоя плана ных р-n переходов с помощью оптимально заданной краевой защиты виде системы минимального числа оптимально расположенных дел тельных колец с учетом отрицательного влияния положительного ио ного заряда в защитном окисле.

3. 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.

4. Разработать метод расчета сопротивления в открытом состоян Кси мовщых высоковольтных ДМОП транзисторов с учетом вклада вел

чины топологических размеров и технологических параметров, а также Еыбора 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:

1. На основании математического моделирования пленарных р-п переходов установлены зависимости 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 1'10го 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.

2. Установлена прямопропорциональная зависимость электрического поля в структуре мощных ДМОП транзисторов между диффузионными ис-токоеыми р-ячейками от их взаимного расстояния, а также почти об-ратнопропорциональная зависимость максимальных значений электрического поля от глубины залегания р-п перехода потоковых ячеек.

3. Предложен строгий численный метод расчета важнейшей характеристики ДМОП транзистора - сопротивления в открытом состоянии, а также получены графические зависимости значений 1?сивкл от топологии истоковых р-ячеек и толщины высокоомного слоя ДМОП транзистора.

4. На основании проведенного машинного эксперимента установлены зависимости пробивных напряжений мошдех 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.

5. 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 полож! тельного ионного заряда в защитном окисле. Зависимость оказываем ся монотонно убывающей при Оз^ог/Ч > Г 10 й см~~.

?. Из численного моделирования реальных планерных р-п переходе с периферийной частью отличной от формы идеального полувдлинд{ установлено, что их пробивные напряжения рагны 0.9 - 0.95 иПре идеального полуцилиндра.

Практическая ценность.

1. Показано, что наиболее эффективны охранные кольца, сформирс ванные в виде низколегированной р-полосы по периферии прибора ме тодом ионной имплантации. Такая область работает в 2 раза зффеь тивнее охранного кольца стандартной формы той же глубины, опред? лены оптимальные конструктивно-технологические параметры тага областей.

2. Получены данные, позволяющие при заданных глубине залегаю р-п переходов, удельном сопротивлении подложки и пробивном налря лсении оптимально сформировать периферийную часть прибора с ис пользованием для згой цели минимального числа делительных коле! расположенных на оптимальных расстояниях друг от друга с учете отрицательного влияния положительного ионного заряда в защигне окисле.

3. 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 вагао в биполярных приборах где толвдна 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 X 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 в 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 1'БТИ31 для оптимизации их структуры и прогнозирования предельных режимов работы.

Результаты работы использованы при выполнении х/'д 58/94 с АООТ ВЗПП ( 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 з виде системы необходимого числа оптимально расположенных делительных колец и создана оптимальная внутренняя конструкция диффузионных истоковых р-ячеек с целью минимизации значений электрических полей и сопротивления в открытом состоянии 5?си* На базе указанных исследований проведены опытные рабочие партии по изготовлению кристалла мощного БТИЗ с рассчитанными характернотиками.

Созданные пакеты прикладках программ могут быть применены для исследования ДЕумерного 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.

1. Зависимости пробивных напряжений пленарных р-n переходов от изменения диффузионных профилей распределения акцепторной примеси в р-области и конфигурации их периферии.

2. Зависимости пробивных напряжений мощных высоковольтных структур с периферийной частью в виде системы полевых делительных колец от количества оптимально расположенных делительных колец и их конфигурации с учетом отрицательного влияния значения положительного ионного заряда в защитном окисле.

3. Методика оптимизации структуры мощных ДМОП транзисторов целью уменьшения величины электрического поля е структуре мелу диффузионными потоковыми р-ячейками.

4. Строгий численный метод расчета сопротивления ДМОП транзистс ров в открытом состоянии Кси. учитывавши влияние изменения топе логических размеров конструктивных элементов.

Публикации.

По результатам исследований опубликовано 20 работ: 8 статб и депонированных рукописей и 12 тезисоБ и трудов конференций.

Личный вклад автора.

Расчеты распределения заряда и электрического поля в 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 вьшгения надежности видеомагнитофонов" Седьмой ( Воронеж, 1953 ) Восьмой ( Воронеж, 1984 ) 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, 1994 ); 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" ( Дивноморск, 1995 ); Международно] 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.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследования, определены научная новизна и практическая ценность результатов работы, представлены основные положения, выносимые на защиту и дана краткая аннотация работы.

В первой главе проведен анализ современного состояния проблемы повышения надежности и оптимизации конструкции мощных высоковольтных ДМОП и биполярных полупроводниковых приборов с точки зрения устойчивости их структуры к явлениям лавинного пробоя, а также вопроса применения математического и машинного моделирования для исследования этих проблем по данным отечественных и зарубежных источников.

При использовании плачарной технологии для создания транзисторных структур возникают специфические особенности лавинного пробоя, связанные с их конструктивно-технологическими особенностями. Эта специфика обусловлена прежде всего искривлением фронта диффузии, возникающем при создании локальных областей. Поэтому применение таких переходов в высоковольтных приборах требует создания дополнительных конструкций и приемов (охранных и делительных колец). Приведен обзор различных методик и технических средств для их реализации. Сформулированы основные задачи диссертационной работы.

Предметом численного моделирования полупроводниковых структур является разработка макроскопических моделей структур, основанных на численном решении фукдалентальной системы уравнений.Разумной альтернативой непрерывному классическому подходу к моделирован™ является замена теоретической модели дискретной с привлечением метода конечных разностей или конечных элементов с последующей ее реализацией на ЭВМ. Рассмотрена теория этих методов.

Вторая глава посвящена численным исследованиям проблемы повышения пробивных напряжений полупроводниковых структур путем регулирования диффузионных профилей распределения акцепторной принеси в охранных кольцах и изменения их конфигурации.

Обсуждается метод повышения 1!Проб, в котором предлагаете! достижение необходимых значений ипр0б путем изменения профиле! распределения акцепторов Na в кольце при средних радиусах закругления. С помощью математического и машинного моделирования численным методом рассчитывались пробивные напряжения структур с заданными радиусами закругления охранного кольца и различными задаваемыми поверхностными концентрациями акцепторов Ñas в кольце.

Распределение потенциала в исследуемой области полупроводникового прибора находится из уравнения Пуассона:

seo Дф = - q ( р - n - Na + Nd ") íl)

концентрации свободных носителей заряда в котором, вообще говоря, находятся из уравнения неразрывности для электронов и дырок. Но е случае наличия обратного смещения и отсутствия дрейфа носителей заряда решается одно уравнение Пуассона с дополнительными физическими предположениями:

Однако, б условиях обратного смещения потоком носителей чере; электроды можно пренебречь. Согласно условию Шокли, может быт] сделана аппроксимация граничных значений квазипотенциалов Ферм] для дырок и электронов фр и фп на всю область прибора:

Применяя эту аппроксимацию, уравнение Пуассона в структур1 полупроводника может быть выражено как функция только потенциала

п . Nj ехр [ 3

а г, - в

р = Na ехр С ]

Фр = о

Фп = Unрил

d2<p dír

+

~ i Nd - Na - Nd ехр (-

££й

q

kT

( иПрИд " Ф ))

qo

+ Na ехр t - — ) >

Краевая защита мощных высоковольтных приборов в виде охранного или системы делительных колеи представляет собой полосу, близкую по форме к окружности, длина которой (милиметрьп на несколько порядков больше ее ширины (микрометры), поэтому здесь можно ограничиться двумерной моделью, считая структуру бесконечно длинной в третьем измерении.

Таким образом, задача сводится к решению двумерного трансцендентного уравнения Пуассона, правая часть которого является нелинейной функцией ¡? с граничными условиями;

Ф = 0 , Ч> = иПрое на контактах.

С|ф (б) - = и - на остальной границе.

ап

Интеграл ионизации (критерий лавинного пробоя') находился из формулы:

I <Х\ (к) ах = 1 (7)

Ь

Ь - длина силоесй линии; эффективный коэффициент ионизации «1 зависит экспоненциально от величины, обратной напряженности электрического поля:

¡3

1'Е) = а ехр ( - —— (8)

ь

где а и а - константы, которые в полях диапазоном Е = (1.75 - 6.4)'10® В/см имеют следующие значения: а = и. 7- 1С6 см"1: с! =1.47"10б В/см

Пользуясь критерием пробоя (?) можно легко установить, имеется л и явление пробоя в исследуемой области полупроводника или нет. Для этого необходимо знать распределение напряженности электрического поля Е (х) в исследуемой области. Затем вычисляется значение интеграла (?), если оно >1, то это значит, что в исследуемой структуре наблюдается явление лавинного пробоя.

На основе рассмотренной математической модели создан пакет прикладных программ, в котором двумерное уравнение Пуассона в

— I о -

структуре решалось методом конечных разностей с использование неравномерного шага разностной сетки. Трансцендентное уравнени Пуассона решается итерационным методом Ньютона (внешние итера ции), получающаяся в результате линеаризации система линейных ал гебраических уравнений - методом верхней релаксации. Одна внешня итерация занимает 3 мин машинного времени на 1ВМ АТ 386 при ис пользовании сетки с минимальным шагом 0.5 мкм ( около 2000 узло сетки). Для получения одного значения распределения поля требует ся 20-40 внешних итераций.

Рассматривались транзисторы, работающие в высоковольтны схемах с радиусом закругления охранного кольца 5-40 мкм, кон центрация донороЕ в подложке N<3 = 0.5 - 2-Ю14 см"'5 ( р = 90 - 1 им см ). При уменьшении поверхностной концентрации от 1-1013 д 5-1016 см-3 наблюдается эффект увеличения ипр0б по сравнению с случаем резкого асимметричного р-п перехода для средних с^ = £0 30 мкм на 15 7. в случае концентрации подложки На = 1-Ю14 см-3 до 30 % для Иа = 2"1014 см"3 . С уменьшением N(3 до 0.5-1014 см" и <3^ до 7 мкм эффект увеличения пробивных напряжений вследстви снижения Маг в охранном кольце снижается и даже становится отри цательным. Аналогичные результаты получены для мощных СЕЧ тран зисторов.

Таким образом, достижение необходимых значений пробивног напряжения можно получить, уменьшая поверхностную концентраци акцепторной примеси в охранном кольце. В зтом случае р-п перехо изменяется от резкоасимметричного, ступенчатого к линейному, пла ному, а напряжение пробоя линейного перехода выше напряжения про боя резкого р-п перехода при соответствующих Ыа-

На основании проведенных расчетов впервые наш подроби рассмотрено влияние регулирования распределения концентрации ак цепторной примеси в кольце на увеличение напряжения пробоя, уста новлены зависимости иПро<з от радиуса закругления охранного кольц е широком диапазоне поверхностных концентраций акцепторной приме си в охранном кольце и концентраций донороЕ в высокоомном слое Установлены области применения данного метода. Показано, что дл типовых транзисторных структур наблюдается эффект увеличени ипроб порядка 15 - 25 % по сравнению со случаем однородных силь нолегированных р+-колец, что позволяет значительно уменьшить глу бины залегания делительных и охранных колец.

При диффузионном формировании охранных колец периферийная часть р-n перехода кольца не является идеальным цилиндром. По литературным данным параметр перехода на поверхности составляет 0.7-0.8 от глубины залегания перехода в объеме., что приводит к росту кривизны и градиента концентрации примеси в месте выхода перехода на поверхность. Вследствие этого пробивные напряжения структуры оказываются меньше рассчитанных в приближении радиального распределения поля. Из зависимостей иПров кольца от радиуса закругления для различных параметров djX можно определить, что напряжение пробоя кольца, когда глубина р-n перехода на поверхности составляет 0.7 от глубины в объеме, меньше напряжения пробоя правильного полуцилиндра на 12.5-14.5 %, для случая 0.S dj>; -на 7.5 - 9 % и 0.9 djX - 4 - 5 % , что позволяет с этой погрешностью использовать приближение радиального распределения поля при моделировании пленарных структур с целью исследования их устойчивости к явлениям лавинного пробоя.

Рассматривается применение формирования высокоомной р" области по периферии прибора методом ионной имплантации либо диффузии с целью уменьшения значений электрического поля на р-n переходе. Анализировалась задача определения оптимальных параметров Mas и длины области Н при различных задаваемых глубинах и значениях донсрной концентрации п~ области прибора . Для Nj = 1-1014 см"3, используя полоску с самым мелким р - п переходом 5 мкм можно повысить напряжение пробоя с 0.2 иПробплоск до 0.5 иПробплоск» а увеличив dj до 10 мкм получим ипр0б = 0.63 1!Пробплоск- Для Nj = ЕЧО14 см"3 , dj = 5 мкм можно получить пробивное напряжение равное 0.7 1)пробплоск. а для dj = 10 мкм 0.82 иПроеплоск-

Следовательно, эффективным еидом охранных колец являются длинные р - полосы, создаваемые методом диффузии либо ионной имплантации по периферии основного р-n перехода. При оптимальном выборе параметров такой области она работает в 2 раза эффективнее охранного кольца стандартной формы такой же глубины. Ограничением этого метода является требование жесткого соблюдения значений поверхностной концентрации Nas (с точностью до 30 %) .

Третья глава посвящена моделированию полупроводниковых структур, содержащих полевые делительные кольца.Распределение потенциала в исследуемой области полупроводникового прибора, которое рассчитывается из уравнения Пуассона (1) с применением допол-

нительных соотношений (2) и ('3), но с той особенностью, что на неизвестен плавающий потенциал, под которым находятся нейтральны! части делительных колец, и которому равны квазипотенциалы дырок находящихся в этих областях.

Эти потенциала находятся из следующх соображений. Так ка! полный ток через р-n переход между областью плавающего потенциал* и подложкой должен быть равен нулю, то почти Есе части р-n перехода имеют обратное смещение, и только в боковой части, ближайшез к основному р-n переходу, имеется прямое смещение. Рассматривав распределение потенциала по кратчайшей траектории от боковой части делительного кольца до основного р-n перехода, мы находим минимальное значение потенциала 9. Значение этого потенциала и будет значением квазипотенциала Ферми для дырок <рр в области плавающего потенциала. На основе использования двумерной модели распределения потенциала и электрического поля в полупроводниково! приборе создан пакет прикладных программ RING, предназначении] для исследования структур, содержащих области , находящиеся по; плавающим потенциалом. В программе используется численный мето; конечных разностей для решения уравнения Пуассона.

Показано, что при увеличении ширины окна для диффузии в делительном кольце Н с 5 до 20 мкм пробивные напряжения структур! увеличиваются на 13 - 15 X, с дальнейшим увеличением Н почти к* изменяясь. Пробивные напряжения структур с делительными кольцам! определяются глубиной делительного кольца при прочих равных условиях. Поэтому делительное кольцо можно делать более глубоким (пс типу охранного) с целью увеличения пробивного напряжения, сохраняя неизменной глубину основного перехода, что важно в биполярны) приборах, где толщина базы определяет частотные и усилительны* свойства.

Приведены результаты расчетов пробивных напряжений структур, имеющих различное количество делительных колец при различны) глубинах залегания их р-n переходов и различных концентрациях до-норной примеси в высоковольтной п" - области.

Метод расчета пробивных напряжений структур с нескольким! кольцами аналогичен описанному выше, но здесь дополнительно ДЛ5 каждого кольца n = 1........ N рассчитывается свой плавающий потенциал Ф1,____, фц.

В качестве примера рассчитаны пробивные напряжения мощны;

ф = о 0

5102

0 рг у

к 2 Р+ у

н <3я2 ¿из

Основной р-п переход

3 р+

Делительные кольца

П 51

р Мпроб

Рис. 1. Моделируемая структура, содержащая несколько полевых делительных колец.

высоковольтных транзисторных структур, имеющих концентрацию доноров в высоковольтной области Иа = 1 - 2-1014 см-3 , поверхностную концентрацию акцепторов в р-обласги Маз=1'1019см~3, содержащих 1 - 3 делительных кольца с глубиной залегания р-п перехода 5 - 10 мкм (рис. 1). Для этих случаев определены пробивные напряжения структур и подробно рассмотрен- вопрос определения оптимальных расстояний между кольцами. Наш показано, что уже с помощью трех колец глубиной 10 мкм можно обеспечить пробивное напряжение, составляющее 0.9 иПроб плоек- Оптимальное расстояние между кольцами зависит от концентрации доноров высокоомной п~ области и глубины р -п перехода с!$.

Таким образом, в результате проведенного математического моделирования получены данные, необходимые для создания конкретных классов мощных приборов. Это позволяет, зная заданные глубины залегания р-п переходов , удельное сопротивление подложки р (ад и необходимые пробивные напряжения Ипрсе, оптимально сформировать периферийную часть прибора при использовании для этой цели метода полевых делительных колец.

Так как пленарные приборы имеют на поверхности защитный окисел ЗЮг, нами рассчитаны реальные значения пробивных напряжений структур с учетом влияния положительного заряда б окисле. Из расчетных зависимостей видно, что уже при значениях 0зю2/Ч = З-Ю11 см"2 1)Проб падает на 25 %, а при Оз^ог/Ч = 5-10й см"г эффект падения напряжения увеличивается до 50 X.

Следовательно, для обеспечения заданного пробивного напряжения необходимо контролировать значение заряда в окисле, защищающем периферию приборов, и формировать большее количество колец, чем рассчитано для случал, не учитывающего влияние положительного заряда.

В четвертой главе рассматриваются проблемы моделирования внутренней структуры мощных высоковольтных ДМОП транзисторов.

При рассмотрении вопроса повышения устойчивости ДШ7"- структур к явлениям лавинного пробоя необходимо принять меры не . jjg>ko к обеспечению заданного напряжения пробоя у периферии, но и к понижен;® максимального значения электрического поля внутри самой структуры. Для этой цели мы рассмотрели проблему оптимизации величины и взаимного расположения диффузионных р - ячеек с потоковыми п+- областями с точки зрения уменьшения электрических полей в структуре и, следовательно, вероятности лавинного пробоя.

Задача решалась с помощью математического и машинного моделирования с использованием численного метода конечных разностей для решения двумерного дифференциального уравнения Пуа^сока в структуре.

Пробивные напряжения, распределение поля, потенциала и интегралы " ионизации находились путем решения двумерного уравнения Пуассона в области, включающей две р-ячейки с п+- диффузионными истоками, соединенными металлизацией с потенциалом иэи> и п~-об-ласть стока с приложенным напряжением иСц- Затворное напряжение полагалось иэи =0, и канал гГ-типа на поверхности р-областей, а также слой накопления пт -типа на поверхности п-области отсутствовали.

Нами рассматривалось влияние на изменение величины электрического поля, а, следовательно, интеграла ионизации ¡, взаимного расстояния между р-ячейками L , а также их ширины Н и глубины залегания р-n перехода областей cii.

Мы исследовали высокооыные структуры при приложенном напряжении на стоке 5 - 800 В, концентрации доноров стоковой области Nj = 1 - 1.5"1014 см"3, поверхностной концентрацией акцепторов в р-ячейках Nas = 1"101S см"3. Распределение акцепторной концентрации по глубине р-области задавалось в виде гауссианы.

Рассматривались ячейки с глубиной залегания р-n перехода 5 -10 мкм, шириной диффузионного окна 5 -40 мкм и расстояниями между

10 15 £0 £5 30 35 40 45 '{. мкм

Рис. 2. Расчетное распределение электрического поля вдоль

поверхности структуры между ячейками Еу I 1'си = 800 В. На =

1-Ю14 см-3, Каз ~ 1-Ю13 см~э, с!) = ? мкм, Ь - расстояние между ячейками равно 35 (1), 25 (2), 15 (3) и 5 мкм ¡4)).

краями ячеек 5-40 мкм. Нами показано, что максимальные электрические поля незначительно уменьшаются при увеличении ширины диффузионного окна Н с 5 до 30 мкм ( до ? X ), с дальнейшим увеличением Н не изменяясь. Величина продольного электрического поля Еу значительно зависит от глубины залегания р-п перехода: при увеличении й3 с 5 до 10 мкм поле падает в 1.5 раза; и очень сильно зависит от величины расстояния между краями ячеек. С увеличением расстояния между ячейками поле Еу увеличивается почти линейно и резко увеличивается значение интеграла ионизации, так как он экспоненциально зависит от величины поля. Таким образом, уменьшая взаимное расстояние между ячейками с 40 до 5 мкм, можно уменьшить величину Бушах в 3 раза ( для структур с с), = У мкм с З.З'Ю5 до 1.1*105 В/см (рис. 2). Поле Ехтах с уменьшением расстояния между ячейками падает до значения, характерного для плоского р-п пере-(ада ( в рассмотренном примере 1.9'Ю5 В/см ).

Величина электрического поля обратнопропорционально зависит эт глубины залегания р-п перехода ячеек: при увеличении с 5 до

- IB -

10 мкм поле Емах падает в 1.5 раза, а при увеличении концентрации доноров в области стока с 'Г1014 см"3 до М,з = 1.5"1014 ,см~3 величина максимального поля Етак увеличивается на 10-15

Определены зависимости увеличения максимальных значений электрического поля от увеличения концентрации доноров в гГстоко-вой области при необходимых Исимах- В зависимости ог задаваемых конструктивно-технологических параметров определены максимально допустимые и оптимальные параметры структуры диффузионных истоко-вых р-ячеек.

Омическое сопротивление высокоомного стокового слоя оказывает влияние на такие параметры мощных ДМОП транзисторов как остаточное напряжение е ключевом режиме, которое в свою очередь, определяет КПД ключа по выходной цепи и рассеиваемую мощность.

В работе предложен способ расчета сопротивления растекания мощных МОП транзисторов с вертикальной структурой, основанный на решении двумерного уравнения Лапласа в дрейфовой области стока:

с^фСх.у) а2ф(х,у)

-^ --■■ „ о ¡у)

пх~ ау~

Граничные условия можно написать следующим образом. На границе высокоомного елок с затворным окислом имеем:

dq(x,y) Uni

E;.;tX,y'l = " - =--!10)

fix QliriNd

Ф = û, ч» = Ucmotk " l'il J

потенциал на стоковом контакте, так как низкоомную подложку п+ считаем эквипотенциальной поверхностью.

13пI " плотность электрического тока при х = О, Un - подвижность электронов в п~ слое.

dtp (x,v)

-- = О - на остальных гоаницах. гШ

dn

Решение уравнения 1.9) с граничными условиями (10) - 1,12) нахо дим численным методом конечных элементов, который позволяет дос-

- 1У -

таточно точно описать сложные криволинейные границы ооласти определения решения и краевые условия.

В результате получаем распределение электрического поля и потенциала в структуре, а также значение электрического поля на подзатворной границе Ех (х,у)|дв = Е (0),

Сопротивление растекания высокоомного слоя Кем находим по формуле :

К'СИ = иси /' 1си = иси / 'ук I I q цп Nd Е(0)) (13)

где ¡си ~ полный ток сток - исток, I - расстояние между ячейками, I - длина, к - полное количество полос между ними.

Произведен расчет сопротивления в проводящем состоянии для серийно выпускаемых приборов. Расчетные величины Ксиекл отличаются меньше чем на 10 % от данных измерений. Показано, что сопротивление дрейфовой п" области является Функцией, прямопропорцио-яально зависящей от толщины эпитаксиальной гГ области. Слабая зависимость Ксш-кл от размеров истоковых областей объясняется существенно большими размерами п" - области по сравнению с истоками, так как поток электронов распространяется"по всей п~ - области. Хотя сопротивление одной секции прибора растет с уменьшением расстояния между потоковыми областями, но сопротивление всей структуры незначительно уменьшается в связи с увеличением числа секций на той же площади до тех пор, пока эффект увеличения 'сИькл» связанный с уменьшением размеров секции, не превысит эффекта его уменьшения, связанного с возрастанием числа ячеек.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. На основании математического моделирования пленарных р-п переходов установлены зависимости увеличения пробивных напряжений манарных р-п" переходов от изменения диффузионных профилей рас-тределения акцепторной примеси в р-области. При снижении поверх-юстной концентрации акцепторной примеси на 3-4 порядка ( с 1-10£С1 см-3 до 1-Ю16 см-3) можно получить эффект увеличения напряжения пробоя по сравнению со случаем резкого асимметричного р-п :ерехода для средних радиусов закругления от 15 до 30 % в зависимости от концентрации доноров в п~- подложке.

- _

Z. На основании проведенного машинного эксперимента установлены зависимости пробивных напряжений моемых высоковольтных структур с периферийной частью в виде системы полевых делительных колец от количества оптимально расположенных делительных колец и их конфигурации в широких диапазонах конструктивно-технологических параметров таких структур.

3. Определены зависимости снижения пробивных напряжений структур. содержащих полевые делительные кольца, от величины положительного ионного заряда в защитном окисле. Зависимость оказывается монотонно убывающей при Qsíos/Q > 1"ЮП см-". При увеличении QSiOS/q ДО типичных значений 3-1011 см-2 иПроб падает на 20 Z.

4. Установлена прямопропорциональная зависимость электрического поля в структуре мощных ДМОП транзисторов между диффузионными ис-токовыми р-ячейками от их взаимного расстояния, а также почти об-рзтнопропорциональная зависимость максимальных значений электрического поля от глубины залегания р-п перехода истоковых ячеек.

5. Предложен строгий численный метод расчета важнейшей характеристики ДМОП транзистора - сопротивления в открытом состоянии, а также получены графические зависимости значений Рсивкл от топологических размеров диффузионных истоковых р-ячеек и толшины высо-коомного слоя ДМОП транзистора, определены их оптимальные значения с целью минимизации йсивкл-

5. В процессе исследования вышеперечисленных проблем на основе использования численных методов для решения основных уравнений полупроводника созданы программы, предназначенные для исследования двумерного распределения электрического заряда, поля и потенциала в структурах, содержащих обратно смещенный р-n переход или области, находящиеся под плавающим потенциалом любой конфигурации и профилем распределения концентраций, а также решения уравнения Пуассона - Лапласа в областях любой формы. Разработанные программы могут стать основой подсистем соответствующих САПР.

Основные публикации результатов работы:

1. Петров Б.К., Куршева E.H. Метод повышения пробигного напряжения в кремниевых пленарных ВЧ транзисторах. // VII Науч. - тех. отраслевая конф. " Состояние и пути повышения надежности водео-ыагнитофонов": Тез. докл. - Воронеж, 1993. - С. 42 - 43.

2. Петров Б.К., Куршева E.H. Физические факторы, влияющие на про-

бИЕНое напряжение в планаркых транзисторных структурах мощных СВЧ ГШ.// Межд.науч.- тех. конф. "Физические основы надежности, методы и средства диагностики ИС": Tes. докл.- Воронеж, 1993.-С.10-11.

3. КуршеваЕ.Н., Петров Б.К. Повышение пробивного напряжения кремниевых планарных транзисторов путем регулирования профилей распределения примесей. // VIII Науч.- тех. отраслевая конф. " Состояние и пути повышения надежности видеомагнитофонов": Тез. докл. - Воронеж, 1994. - С.63 - 65.

4. Петров Б.К., Куршева Е.Н. Особенности лавинного пробоя в планарных транзисторах./ Воронеж, гос. ун-т.- Воронеж, 1S93.- 8с.-Деп. в ВИНИТИ 6.12.93, N ЗОН - В93.

5. Kursheva E.N., Fetrov В.К. Field and voltag-e distribution simulation of planar transistor structures with différent, configuration g-uard and field limting rings. /7 Proc. of the Third Int. Seminar on Semulation of Devices and Technologies.- Obninsk,

1994. - P. 58-59.

ô. Куршева E.H., Петров E.K. Влияние диффузионных параметров на лавинный пробой кремниевых р-п переходов высоковольтных биполярных и МОП транзисторов. /7 В кн.: Физика и технология материалов электронной техники. - Воронеж, 1994. - С. 121 - 124. 7. Куршева Е.Н,, Петров Б.К. Влияние реального двумерного распределения примеси в охранном кольце на пробивное напряжение коллекторного перехода в кремниевых высоковольтных транзисторах.// VIII Науч. - тех. отраслевая конф. " Состояние и пути повышения надежности видеомагнитофонов": Тез. докл.- Воронеж, 1994.- С.74-75. 3. Куршева Е.Н., Петров Б.К. Моделирование структур с охранными-кольцами неидеальной цилиндрической конфигурации.- Воронеж, гос. ун-т. - Воронеж, 1995.- 6 е.- Деп. в ВИНИТИ 24.10.95,N 2802 - В95.

9. Куршева Е.К., Петров Б.К. Влияние новых профилей распределения примесей на пробивные напряжения.// Межд. конф. по электротехническим материалам и компонентам: Тез.докл.- Алушта, 1995,- С. 51.

10. Куршева Е.Н., Петров Б.К. Расчет пробивных напряжений мощных высоковольтных ДШП транзисторов.- Воронеж, гос. ун-т.- Воронеж,

1995. - 5 с. - Деп.В ВИНИТИ 24.10.95, N 2801 - В95.

11. Kursheva E.N., Petrov В.К. High voltage semiconductore structures semulation. // Abs. of the 9th Int. Conf. of Physics Students and Postgraduates. - St.Petersburg, 1994. - P. SI - 32.

12. Куршева E.H., Петров E.K. Оптимизация параметров делительных

колец б мощных высоковольтных МДП транзисторах. /,- iX Науч.- тех. отраслевая конф. " Состояние и пути повышения надежности видеомагнитофонов": Тез. докл.- Воронеж, 1995. - С.71 - 72.

13. Куршева Е.Н., Петров Б.К. Оптимизация периферийной части пленарных р-n переходов в мощных высоковольтных полупроводниковых структурах.// Письма в ЖТФ. - 1995. - т.21, Вып. 22.

14. Куршева Е.Н., Петров Б.К. Влияние заряда в окисле на пробивные напряжения стуктур, содержащих полевые делительные кольца. -Воронеж, гос. ун-т,- Воронеж, 1995.- 6 с. - Деп. в ВИНИТИ £4.10.95, N 2800 - В95.

15. КуршеЕа Е.Н., ПетрОЕ Е.К. Повышение устойчивости мощных МДП транзисторов к лавинному пробою. /У IX Науч.- тех. отраслевая конф. " Состояние и пути повышения надежности видеомагнитофонов": Тез. докл. - Воронеж, 1995. - С.70 - 71.

16. Куршева Е.Н., Петров Б.К. Двумерный расчет распределения электрического поля между диффузионными р - ячейками в мощных ДМОП транзисторах.// III Всероссийская науч. конф. студентов и аспирантов физиков: Тез. докл. - Екатеринбург, 1995. - С. 38-39

17. Куршева Е.Н., Петров Б.К. Устойчивость мощных ДМОП транзисторных структур к явлениям лавинного пробоя.// Письма в ЖТФ. -1995. - т,£1, Вып. 22.

18. Куршева Е.Н., Петров Б.К. Расчет сопротивления растекания еы-сокоомного стокового слоя в мощных ДМОП транзисторах.-Воронеж, гос ун-т.- Воронеж, 1995.-11 е.- Деп. в ВИНИТИ £4.10.95,N 2803 - В95.

19. Kursheva E.N., Petrov В.К. High voltage semiconductore structures semulation. // Proc. of the 9th Int. Conf. of Physics Students and Postgraduates. - St.Petersburg1, 1994. - P. 137 - 139.

20. Kursheva E.N., Petrov B.K. Semulation of power DMOS transistor structures. // Proc. of the lOth Int. Conf. of Physics Students and Postgraduates. - Copenhagen, 1995. - P. 42 - 43.

Заказ 395 о? 21.11.95 г. Тим. ICG зкз. ¿орг.ат г и ;; ¿о I/IG. Объег! I п.л. Оооетная лаборатопгя Т;1У.