автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Исследование и разработка конструктивно-технологических методов улучшения параметров силовых планарных МОП транзисторов

Введение.

Глава 1. Литературный обзор по мощного приборам \/\У применяемым в силовых интеллектуальных схемах.

1.1 Интеллектуальные силовые интегральные схемы.

1.2 Способы объединения маломощных и мощных частей схемы на одном кристалле.

1.3 Основные силовые приборы, используемые в качестве ключа.

1.4 Особенности использования силовых МОП транзисторов.

1.5. Планарные силовые МОП транзисторы.

1.6 Классификация методов самосовмещения.

1.7 Применение моделирования при разработке полупроводниковых приборов.

1.8 Выводы.

Глава 2 Разработка методики моделирования мощных планарных МОП-транзисторов.

2.1 Обоснование необходимости применения приборно-технологического моделирования при разработке приборов.

2.2 Структура и характеристики пакета ISE TCAD.

2.3 Приборно-технологическое моделирование мощных МОП транзисторов.

2.4 Выводы.

Глава 3. Исследование влияния геометрии слоев структуры на электрофизические параметры прибора.

3.1 Структура МОП-транзисторов.

3.2 Исследование влияния способа формирования локального окисла на пороговое напряжение.

3.3 Исследование влияния длины затвора над активным и пассивным каналами мощного МОП- транзистора.

3.4 Выводы.

Глава 4. Моделирование структуры самосовмещенного п-МОП транзистора.

4.1 Структура самосовмещенного n-МОП транзистора со "спейсером".

4.2 Структура самосовмещенного n-МОП транзистора без "спейсера".

4.3 Структура самосовмещенного n-МОП с двумя локальными окислами.

4 . 4 Выводы.

Глава 5. Экспериментальная апробация конструктивно технологических решений.

5.1 Технологический маршрут изготовления мощных МОП транзисторов с применением методов самосовмещения.

5.2 Измерения электрических характеристик образцов мощных МОП транзисторов.

5.3 Выводы.

Актуальность темы: Перспективным направлением развития современной силовой полупроводниковой электроники являются интеллектуальные силовые интегральные схемы — SMART POWER SWICH. Это монолитные ИС, которые включают в кристалла/как мощные транзисторы — силовые \У элементы, так и схемы управления и самозащиты силовых приборов — интеллектуальные элементы. Такие ИС находят широкое применение в системах управления индустриальной и бытовой электроники.

При создании таких ИС возникают проблемы совместимости технологий изготовления силовых и маломощных элементов схемы, а также создания и обеспечения удовлетворительной изоляции между ними. Одним из возможных технических решений этой проблемы является полная диэлектрическая изоляция элементов схемы, например, с помощью использования структуры "кремний-на-изолятореи (КНИ). Конструктивно- v технологический вариант КНИ позволяет создать плёночный мощный МОП транзистор с надёжной изоляцией от интеллектуальной части схемы при совместимом технологическом маршруте изготовления. Однако КНИ структуры не вышли пока на уровень массового производства силовых ИС.

Одним из способов решения этой проблемы является использование планарного МОП транзистора в качестве силового элемента, который самоизолирован от других приборов обратносмещенным р-n переходом. Однако традиционные планарные МОП транзисторы имеют малое пробивное напряжение стокового перехода и значительное сопротивление в открытом состоянии, а силовым планарным транзисторам, имеющим большую площадь, характерна высокая входная емкость, которая ухудшает динамические параметры прибора. Для устранения этих недостатков и улучшения рабочих характеристик силовых ключей в части повышения пробивного напряжения, снижения сопротивления открытого транзистора и повышение быстродействия необходимо провести разработку мощных планарных МОП транзисторов, как элементов коммутации силовых цепей с использованием методов приборно-технологического моделирования и предложить новые конструктивно-технологических решения, в частности, с применением принципов самосовмещения.

Цель работы - исследование и разработка самосовмещенной структуры мощного планарного МОП транзистора как элемента интеллектуальных силовых интегральных КМОП микросхем с улучшенными параметрами.

Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих научно-технических задач.

1. Анализ известных структур мощных МОП транзисторов и выявление основных причин снижения пробивного напряжения и быстродействия.

2. Разработка методики приборно-технологического моделирования применительно к структурам мощных планарных МОП транзисторов.

3. Анализ и разработка различных вариантов конструкций мощных МОП транзисторов, обладающих повышенным быстродействием и пробивным напряжением перехода сток-подложка.

4. Разработка технологического маршрута для формирования самосовмещенной структуры мощных транзисторов на основе базового процесса технологии КМОП БИС.

5. Апробация разработанных конструктивно-технологических решений в условиях опытного производства и анализ параметров экспериментальных образцов мощных планарных МОП транзисторов. г

Научная новизна работы.

1. Проведен анализ программного пакета приборно-технологического моделирования ISE TCAD и разработана методика его использования для исследования мощных планарных МОП — транзисторов.

2. Установлена корреляция между значением порогового напряжения мощных планарных МОП — транзисторов и способом формирования прибора.

3. Определены закономерности, связывающие конструктивно-технологические параметры структуры мощного МОП транзистора с его пробивным напряжением.

4. Проведен анализ влияния на быстродействие конструкции мощного МОП транзистора и установлена связь между динамическими характеристиками прибора и конструкцией электрода затвора.

Практическая значимость работы.

1. Разработана методика экспрессного моделирования мощного МОП транзистора пригодная для использования в различных сферах микроэлектроники.

2. Предложена новая самосовмещенная структура ячейки мощного планарного МОП транзистора с восьмигранным кольцевым затвором вокруг стока, обеспечивающая улучшение динамических характеристик. о

3. Разработан технологический маршрут изготовления мощных v планарных МОП транзисторов с улучшеными параметрами по быстродействию (в^три раза) и пробивному напряжению (в 1.5 раза)^ совместимыми^ базовым процессом изготовления КМОП V интегральных схем.

Реализация результатов работы.

Результаты работы (методика, конструкция, технология изготовления приборов) внедрены в опытное производство Государственного учреждения научно-производственного центра «Технологический центр» МИЭТ, где были изготовлены экспериментальные образцы мощногоиМОГ^ Изготовленные приборы и схемы были использованы в НИР и ОКР, проводимых в НПК ТЦ по заказу НИИ «Субмикрон». Испытания приборов, проведенные НИИ «Субмикрон», показывают возможность применения их в скоростных линиях передачи данных.

Представляется к защите.

1. Методика моделирования мощных планарных МОП — транзисторов на основе использования приборно-технологического пакета ISE TCAD.

2. Закономерности, связывающие пороговое напряжение, пробивное напряжение и быстродействие мощного МОП транзистора с его конструктивными параметрами.

3. Новая самосовмещенная структура мощного МОП транзистора, позволяющая существенно повысить его динамические характеристики и эффективность использования площади.

4. Технологический маршрут изготовления самосовмещенной структуры силового планарного МОП транзистора.

5. Экспериментальные образцы мощных планарных МОП транзисторов изготовленных по разработанной технологии^ и результаты исследования их электрических параметров.

Апробация^Результатов Работы V

Результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

IV Международная научно-техническая конференция, Москва, Зеленоград, 19-21 ноября 2002 г

Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники. Таганрог 2002г.

Всероссийская научно-техническая конференция "Микро- и наноэлектроника" 2001 МНЭ - 2001, Звенигород.

VIII Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов, Москва, Зеленоград, 17,18 апреля 2001 г

XIII научно-техническая конференция. "Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления" (Датчик -2001) Крым, май 2001г.

Третья Международная научно-техническая конференция "Электроника и информатика -XXI век", Москва, Зеленоград, 22-24 ноября 2000 г

Третья Международная научно-техническая конференция "Электроника

VII Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов, Москва Зеленоград, 17,18 апреля 2000 г,

Публикации

Результаты диссертации опубликованы в 11 печатных работах, из которых 3 статьи в научных журналах и 8 тезисов докладов на научно-технических конференциях.

М.А.Королёв, Р.Д.Тихонов, А.В.Швец/ Исследование влияния способов формирования локального окисла на параметры мощных МОП-транзисторов в "интеллектуальных" силовых интегральных схемах// Известия высших учебных заведений. Электроника. 2001 г. №1, стр. 29-35

М.А.Королёв, Р.Д.Тихонов, А.В.Швец/ Исследование влияния структуры пинч-резисторного пассивного канала на параметры МОП-транзисторов// Известия высших учебных заведений. Электроника. 2001 г. №3, стр. 91-92

М.А.Королёв, Р.Д.Тихонов, А.В.Швец/ Исследование влияния длины затвора над активным и пассивным каналами на параметры МОП транзисторов интеллектуальных силовых интегральных схем// Известия высших учебных заведений. Электроника. 2001 г. №5, стр. 54-58 информатика - XXI век" Зеленоград, 22-24 ноября 2000 г. vjch^

Статьи

Доклады

Королёв М.А., Швец А.В., Тихонов Р.Д./ Самосовмещенная технология силовых МОП транзисторов // Всероссийская научно-техническая конференция, тез. докл. МНЭ — 2001, Звенигород.

Швец А.В., Тихонов Р.Д./ Использование элементов самосовмещения при изготавлении планарных силовых транзисторов/Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники, тез. докл. ТРТУ Таганрог 2002г.

Королёв М.А., Швец А.В. / Самосовмещенная технология силовых МОП транзисторов // Восьмая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов тез. докл. МЭИ, Москва 2002.

М.А.Королёв, А.В .Швец/ Конструктивно-технологические особенности планарных МОП-транзисторов // IV Международная научно-техническая конференция, Москва, Зеленоград, 19-21 ноября 2002 г, тез. докл., стр.90

М.А.Королёв, Р.Д.Тихонов, А.В.Швец, Н.А.Шелепин. / Исследование влияния способов формирования локального окисла на параметры мощных МОП-транзисторов в "интеллектуальных" силовых интегральных схемах// Третья Международная научно-техническая конференция "Электроника и информатика —XXI век", Москва, Зеленоград, 22-24 ноября 2000 г, тез. докл., стр.6,7

А.В.Швец, Р.Д.Тихонов/ Математическое моделирование структуры и электрических параметров силовых п- и р-МОП-транзисторов// VIII Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов, Москва, Зеленоград, 17,18 апреля 2001 г, тез. докл., стр.25

М.А.Королёв, Р.Д.Тихонов, А.В.Швец/ Исследование влияния длины затвора над активным и пассивным каналами на параметры МОП-транзисторов интеллектуальных магниточувствительных интегральных схем// XIII конференция. "Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления" (Датчик -2001) Крым, май 2001г., тез. докл., стр.101

Королев М.А., Тихонов Р.Д., Швец А.В., Шелепин Н.А. /Исследование влияния способов формирования локального окисла на параметры мощных МОП-транзисторов в "интеллектуальных" силовых интегральных схемах .// стр 6., Электроника и информатика — XXI век. Третья Международная научно-техническая конференция (Зеленоград, 22-24 ноября 2000 г. ). Объем и структура работы.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, приложений, содержащих акты внедрения результатов работы, списка использованных источников из 56 наименований.

Основные результаты работы внедрены в НПК "Технологический/ центру Апробированы в ШВД^Субмикрон" и использованы в учебном^ v процессе на ЭКТ факультете МИЭТ. /

Заключение ill

1. Проведен литературный обзор развития технологии SMART POWER 1 4—' ч схем, рассмотрены основные приборы применимые в качестве силового прибора в SMART POWER схемах. Обоснованы преимущества применения в качестве силового элемента планарного МОП транзистора. Указаны недостатки мощного планарного МОП \J транзистора. Определены основные направления исследований для решения основной задачи — улучшения параметров мощного планарного МОП транзистора.

2. Проведен анализ программного пакета приборно-технологического О моделирования ISE TCAD и разработана методика его использования 7 для исследования мощных план арных МОП — транзисторов. Указаны основные программы; необходимые для проведения моделирования. \) Разработана методика экспрессного моделирования мощного МОП транзистора пригодная для использования при моделировании мощных \) планарных МОП -транзисторов.

3. Проведен анализ влияния на быстродействие конструкции мощного МОП транзистора и установлена связь между динамическими характеристиками прибора и конструкцией электрода затвора. Предложены методы оптимизации геометрии структуры силового МОП транзистора, которые позволили для выбранной топологии ячейки матрицы транзисторов провести оптимизацию структуры и повысить напряжение пробоя, быстродействие.

4. При помощи приборно-технологического моделирования определены основные закономерности, связывающие конструктивно-технологические параметры структуры мощного планарного МОП транзистора с его электрическими характеристиками, а именно определена зависимость порогового напряжения^/ от способа \J формирования локального изолирующего окисла и зависимость пробивного напряжения от способа формирования поликремневого затвора. С помощью приборно-технологического математического моделирования установлены зависимости напряжения пробоя закрытого транзистора от конструктивно-технологических параметров. Проведено моделирование двух структур с самосовмещением электрода затвора и края локального окисла, проведен сравнительный анализ полученных результатов. Указаны достоинства и недостатки данных структур. Проведено моделирование структуры с двумя локальными изолирующими окислами, которая обеспечивает постоянную длину канала у мощного МОП —транзистора и уменьшает нахлест электрода затвора на толстый окисел.

5. Предложена новая самосовмещенная структура ячейки мощного планарного МОП транзистора с восьмигранным кольцевым затвором вокруг стока, обеспечивающая улучшение динамических характеристик. Разработан^технолог^^ изготовления ^ мощных планарных МОП транзисторов с улучшенными параметрами по быстродействию и пробивному напряжению совместимым с базовым процессом изготовления КМОП интегральных схем.

6. Изготовлены в условиях производства НПК "Технологический центр" и исследованы экспериментальные образцы силовых ключей на основе МОП транзисторов. Сравнение результатов измерений экспериментальных образцов мощных планарных МОП транзисторов выполненных по самосовмещенной технологии с результатами измерения приборов выполненных по технологии без самосовмещения показало, что приборы с самосовмещенной структурой обладают лучшими электрическими параметрами, а именно значение пробивного структуры без самосовмещения. Конструкция силового ключа на напряжения и быстродействие в 3 раза выше чем у ✓V/ планарном МОП транзисторе, исследованная в данной работе позволила изготовить по модифицированной КМОП технологии электронные ключи с отношением сопротивления закрытого и открытого транзисторов более 10 миллионов, с сопротивлением открытого транзистора менее 0,1 Ом.

1. Отчет по НИР НПК ТЦ "Линус-9", Москва, 1998г.

2. ISE TCAD Manuals. Release 4.1.// Zurich.-Vol/1-6/-1997

3. Отчет по НИР НПК ТЦ "Лира-22", Москва, 2000г.

4. MOS field effect transistors formed by gate masked ion implantation / R.W.Bower, H.G.Dill, K.G.Aubuchon, S.A.Thompson // IEEE Trans. Electron Devices, 1968, vol.ED-15, pp.757-761.

5. Hussein Ballan, Michel Declercq "High voltage devices and circuits in standard CMOS technologies" // Kluwer Academic Publishers, Boston, 1999.

6. D.Ueda, H.Tagagi,G.Kano,"An ultra-low on-resistance power MOSFET fabrication by using a fully self-alligned process", IEEE Trans. Electron Devices, vol. ED-34., pp. 926-930, 1987.

7. A complementary pair of high-power MOSFET's / T.Okabe, I.Yoshida, S.Ochi, M.Nagata // Proc.Int.Electron Devices Meet, 1977, pp.416-419.

8. A Complementary Pair of Planar-Power MOSFET's / T.Okabe, I.Yoshida, S.Ochi, S.Nishida, M.Nagata // IEEE Trans. Electron Devices, 1980, vol.ED-27, N2, pp.334-339.

9. N.Fujishima,C.A.Salama, "A trench lateral power MOSFET using self-aligned trench bottom contact holes","IEEE Trans. Electron Devices", vol. 7, pp. 14.3.1, 1997.

10. M.A. Королев И.А. Шумский. /Интеллектуальные силовые ИС на основе технологии кремний на изоляторе // Известия высших учебных заведений. Электроника. 1998. №2. стр. 45-49.

11. Окснер Э.С. "Мощные полевые транзисторы и их применение" // Радио связь, Москва 1985.

12. Известия высших учебных заведений. Электроника. 2001 г. №3, стр. 91-92/ Исследование влияния структуры пинч-резисторного пассивного канала на параметры МОП-транзисторов интеллектуальных силовых интегральных схем// М.А.Королёв, Р.Д.Тихонов, А.В.Швец.

13. М.А.Королёв, Р.Д.Тихонов, А.В.Швец/ Исследование влияния структуры пинч-резисторного пассивного канала на параметры МОП-транзисторов// Известия высших учебных заведений. Электроника. 2001 г. №3, стр. 91-92

14. М.А.Королёв, Р.Д.Тихонов, А.В.Швец/ Исследование влияния длины затвора над активным и пассивным каналами на параметры МОП транзисторов интеллектуальных силовых интегральных схем// Известия высших учебных заведений. Электроника. 2001 г. №5, стр. 54-58

15. М.А.Королёв, Р.Д.Тихонов, А.В.Швец/ Исследование влияния длины затвора над активным и пассивным каналами на параметры мощных МОП транзисторов// Известия высших учебных заведений. Электроника. 2001 г. №5, стр. 54-58

16. М.А Королёв, Р.Д. Тихонов, А.В.Швец/ Самосовмещенная технология силовых МОП транзисторов Тезисы докладов на всероссийской научнотехнической конференции Микро- и наноэлектроника 2001(МНЭ — 2001), Звенигород, октябрь 2001 г.:

17. С. Зи/ Физика полупроводниковых приборов// М. Мир. 1985.

18. Блихер А./ Физика силовых биполярных и полевых тразисторов// М., Мир, 1986.

19. H.Ballan,M.Declercq/ High voltage devices and circuits in standart CMOS technologies// Kluver academic publishers, Boston-London, 1999.

20. D.A.Grant, J.Gowar/ Power MOSFETs theory and applications// John Wiley, New York, 1998

21. B.J.Baliga / Modern Power Devices// New York: Wiley, 1987.

22. A.W.Ludikhuize/ A Versatile 700-1200-V 1С Process for Analog and Switching Applications// IEEE Trans. Electron Devices, vol. 38, №7, pp. 1582-1589,1991.

23. B.J.Baliga / Impact of VLSI technology on Power Devices// New York: Wiley, 1990.

24. M.N.Darwish, M.A.Shibib/ Lateral MOS-Gated Power Devices — A Unified View// IEEE Trans. Electron Devices, vol. 38, №7, pp. 1600-1604, 1991.

25. B.J.Baliga / Special Issue on Power and High-Voltage Integrated Circuits// IEEE Trans. Electron Devices, vol. 33, pp. 1933-2045, 1986.

26. E.M.S.Narayanan,G.A.J.Amaratunga,W.I.Milne, J.I.Humphrey, Q.Huang / Analysis of CMOS-Compatible Lateral Insulated Base Transistors// IEEE Trans. Electron Devices, vol. 38, №7, pp. 1624-1632,1991.

27. H.Shigekane, T.Hosen, N.Terasawa, K.Kuwabara, Y.Inakoshi/ High power transistor modules with intelligent functions// Proc. Symp. on Power semiconductor Devices and Ics, pp. 150-155,1990.

28. B.J.Baliga/ Power semiconductor device figure of merit// IEEE Trans. Electron Device Lett., vol. 10, pp. 455-457,1989.

29. В.Поляков, А.Барышников, Д.Панфилов/ Специализированная ИС для управления электронным балластом для люминисцентных ламп// Chip news, №1,2000.

30. M.F.Chang, K.Owyang/ Optimization of BV and RDS-ON by graded doping in LDD and other high voltage ICs// United States Patent, № 5,132,753,21,07,1992.

31. Шур М./Физика полупроводниковых приборов// Ленинград, Энергоатомиздат, 1992.

32. Bodde M.D./ Silicon planar ACCUFET improved power MOSFET structure// Electron Lett., v.36, №10, pp.913-915.

33. Alok D., Baliga В .J./ High voltage (450 V) 6H-SiC lateral MESFET stracture // Electron Lett., vol.32, №20, pp.1929-1931,1996.

34. Syau Т., Venkatraman P., Baliga B.J./ Extended trench-gate power UMOSFET structure with low specific on-resistance// Electron. Lett., v.28, №9, pp. 865-867, 1992.

35. Ajit J.S., Baliga В J., Tandon S., Reisman A./ The minority carrier injection controlled field-effect transistor (MICFET): a new MOS-gated power transistor structure// IEEE Transection Electron Devices, v.39, №8, pp. 1954-1960, 1992.

36. Baliga В .J./ Power semiconductor devices for variable-frequency drives// Proc. IEEE, v.82, №8, pp.1112-1122, 1994.

37. Бачурин B.B., Садковская E.A., Сопов O.B., Фёдорова Т.И./ Способ изготовления высоковольтных кремниевых приборов// А.с. 1556432, СССР, МКИ6 Н 01 L 21/18, 1995.

38. Министерство образования Российской Федерации

39. Государственное учреждение НАУЧНО-ПРОИЗВОДСТВЕННЫЙ КОМПЛЕКС

40. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ЦЕНТР" Московского государственного института электронной техники

41. Россия, 124498,Москва,Зеленоград. Проезд 4806.Д.5, НПКТЦМИЭТ Телефон (095)534-45-21, факс (095)913-21-92 Я E-mail: tc@tcen.ru

42. Р/с 40603810600320000001 в АКБ «АВТОБАНК» г.Москва БИК 044525774, К/с 30101810100000000774, 4» ИНН/КПП 7735096460/773501001200г. №1. На №ото внедрении результатов диссертационной работы

43. Швеца Александра Валерьевича

44. Исследование и разработка конструктивно-технологических методов улучшенияпараметров силовых планарных МОП транзисторов»

45. Благодаря использованным методам самосовмещения в условиях опытногопроизводства НПК ТЦ были изготовлены и исследованы образцы силовых ключей на МОП транзисторах, обладающих повышенным быстродействием.

46. К.т.н. с.н.с. НПК «Технологический центр» / /1— Р.Д. Тихонов1. УТВЕРЖДАЮ1. Генеральный директор1. Актоб использовании результатов диссертационной работы Швецаконструктивно-технологических методов улучшения параметров силовых планарных МОП транзисторов".

47. Микроэлектроника и твердотельная электроника, 201900 -Микросистемная техника.