автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Исследование и разработка конструктивно-технологических решений создания планарных мощных МОП-транзисторов с повышенным значением пробивного напряжения для интеллектуальных силовых интегральных схем

На правах рукописи

КРАСЮКОВ АНТОН ЮРЬЕВИЧ *;

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ СОЗДАНИЯ ПЛАНАРНЫХ МОЩНЫХ МОП - ТРАНЗИСТОРОВ С ПОВЫШЕННЫМ ЗНАЧЕНИЕМ ПРОБИВНОГО НАПРЯЖЕНИЯ ДЛЯ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ СИЛОВЫХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ

Специальность 05.27.01 -твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2005

Работа выполнена на кафедре Интегральной электроники и микросистем

Московского государственного института электронной техники (Технического университета).

Научный руководитель:

д. т. н., проф. Королёв Михаил Александрович

Научный консультант:

д. т. н., Козлов Юрий Федорович

Официальные оппоненты:

д. т. н., проф. Петросянц К. О. к. т. н. Амеличев В.В.

Ведущая организация:

ОАО НИИМЭ и з-д "Микрон"

Защита диссертации состоится "20 " Уе&Б/Х . 2005 г., в ^1 часов на заседании диссертационного Совета Д 212. 134. 01 при Московском государственном институте электронной техники по адресу: 124498, Москва, Зеленоград, проезд 4806, д.5

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке МИЭТ

Автореферат разослан " ^ " /"Я_2005 года

Ученый секретарь диссертационного совета: доктор технических наук,

профессор

¿М02>£О Ъ

' 7 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Одним из перспективных направлений современной полупроводниковой силовой электроники являются интеллектуальные силовые интегральные схемы - монолитные ИС, содержащие на одном кристалле как мощные элементы, так и интеллектуальные компоненты-схемы управления и самозащиты силовых приборов. Интеллектуальные ИС находят широкое применение в системах автоматики и управления индустриальной и бытовой электроники.

При создании таких ИС возникает ряд проблем, в частности проблема совместимости технологий изготовления мощных и маломощных элементов схемы, а также необходимость обеспечения изоляции между ними. Мощные элементы реализуются, как правило, в виде объемных ДМОП транзисторов, а интеллектуальная часть схемы выполняется на основе планарных КМОП транзисторов. Совмещенная технология изготовления этих элементов удорожает производство и приводит к существенному влиянию силовых элементов на функционирование маломощных приборов.

Одним из возможных технических решений этой проблемы является полная диэлектрическая изоляция элементов схемы, например, с помощью использования структуры кремний на изоляторе (КНИ). Однако КНИ структуры не вышли пока на уровень массового производства силовых ИС. Большое распространение в серийном производстве микроэлектронных устройств получила КМОП технология. Широкий диапазон преимуществ КМОП транзисторов приводит к разнообразию сфер использования данной технологии, что наряду с цифровой микроэлектроникой позволяет рассматривать как актуальную задачу применение КМОП технологии для силовой полупроводниковой электроники.

Однако существующие планарные мощные МОП - транзисторы имеют недостаточное для ряда применений пробивное напряжение.

Для решения этой проблемы необходимо провести исследование и разработку планарных МОП транзисторов, обладающих повышенным пробивным напряжением и формируемых на основе КМОП - совместимой технологии.

Эффективным методом исследования конструкции мощного МОП - ключа является приборно-технологическое моделирование, позволяющее без проведения многочисленных экспериментов

исследовать влияние всех параметров конструкции и технологического маршрута создания планарного мощного МОП - транзистора на его напряжение пробоя (и другие электрические параметры) и получить представление о происходящих внутри прибора процессах, для чего необходимо разработать методику моделирования, применительно к расчету параметров пленарных мощных МОП-транзисторов

Цель работы.

Целью данной работы является исследование и разработка конструктивно-технологических решений создания планарных мощных МОП - транзисторов с повышенным значением пробивного напряжения для интеллектуальных силовых интегральных схем.

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

1. Анализ структуры мощного МОП - транзистора с целью выявления параметров областей прибора, обуславливающих низкое пробивное напряжение транзистора и создание, на основе анализа, упрощенной модели оптимизируемой конструкции для проведения расчетов.

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 пробивным напряжением.

4. Разработка технологического маршрута и топологии на основе базового процесса технологии КМОП БИС для формирования планарных мощных МОП - транзисторов с пинч - резистором, имеющих повышенные значения пробивного напряжения в закрытом состоянии

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

Научная новизна.

С помощью приборно-технологического моделирования установлены основные закономерности, характерные дня мощного планарного МОП - транзистора с пинч-резистором, определяющие

зависимость напряжения лавинного пробоя перехода сток-подложка от

ряда конструктивно-технологических параметров прибора, а именно:

1. Для структуры перехода сток-подложка планарного мощного МОП -транзистора, состоящей из областей пинч-резистора и мелкозалегающего стока, установлена и объяснена зависимость напряжения лавинного пробоя перехода от параметров пинч-резистора, имеющая максимум в узком диапазоне значений концентраций примеси пинч-резистора. При этом увеличение перекрытия электродом затвора пинч-резистора, приводит к расширению диапазона концентраций примеси данной области, при которых наблюдается максимум

2. Установлено, что зависимость напряжения лавинного пробоя перехода сток-подложка от параметров глубокого стока имеет максимум в узком диапазоне концентраций примеси глубокого стока. Это объясняется тем, что, при низкой концентрации примеси в области стока, максимум электрического поля смещается из глубокой слаболегированной части перехода к его мелкозалегающей сильнолегированной части

3. Для структуры перехода сток-подложка планарного мощного МОП -транзистора, состоящей из областей пинч-резистора и глубокого стока, установлена и объяснена зависимость напряжения лавинного пробоя перехода от параметров пинч-резистора. При этом увеличение перекрытия электродом затвора области пинч-резистора приводит к увеличению концентрации примеси пинч-резистора, при которых переход имеет максимальное напряжение лавинного пробоя. Однако, в отличие от структуры перехода сток-подложка без области глубокого стока, в данном случае происходит уменьшение величины пробивного напряжения перехода.

Практическая значимость работы.

1. Разработана методика математического приборно-технологического моделирования, позволяющая провести исследование возможности увеличения пробивного напряжения р-п переходов и планарных мощных МОП - транзисторов.

2. Результаты приборно-технологического моделирования позволили внести изменения в топологию и технологический маршрут создания планарного мощного МОП - транзистора для увеличения его пробивного напряжения.

3. С целью апробации разработанных конструктивно-технологических решений, были изготовлены в условиях опытного производства образцы ИС пленарных мощных МОП - транзисторов. Измерения параметров изготовленных приборов показали, что транзисторы имеют увеличенное до 192 В пробивное напряжение при величине произведения сопротивления во включенном состоянии на занимаемую прибором площадь 1^*8 = 22-29 мОм*см2, что соответствует параметрам лучших зарубежных аналогов

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 планарных мощных МОП - транзисторов, имеющих увеличенное до 190 пробивное напряжение при относительно низком соотношении Яоп*8, что соответствует параметрам лучших зарубежных аналогов.

Представляются к защите.

1. Разработанная методика математического приборно-технологического моделирования, позволяющая провести исследование возможности увеличения пробивного напряжения р-п переходов и планарных мощных МОП - транзисторов.

2. Полученные с использованием системы приборно-технологического моделирования ТСАБ закономерности, связывающие напряжение лавинного пробоя перехода сток-подложка пленарного мощного МОП - транзистора с конструктивно-технологическими параметрами прибора.

3. Модифицированные, на основе результатов моделирования, конструкция и технологический процесс формирования пленарного мощного МОП - транзистора имеющего повышенное пробивное напряжение.

4. Результаты исследования электрических параметров экспериментальных образцов планарных мощных МОП транзисторов, изготовленных на основе оптимизированного технологического маршруте и топологии и имеющих увеличенное до 192 В пробивное непряжение стоке при приемлемой величине

произведения сопротивления транзистора во включенном состоянии и занимаемой прибором площади.

Апробация результатов работы.

Результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

- УШ Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов "Микроэлектроника и информатика-2001", Москва Зеленоград, 2001 г.

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

- VIII Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика", Москва,

2002 г.

- IX Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов "Микроэлектроника и информатика-2002", Москва, Зеленоград, 2002 г.

Восьмая международная научно-техническая конференция "Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники", Таганрог, 2002 г.

- IV Международная научно-техническая конференция "Электроника и микроэлектроника-2002", Москва Зеленоград, 2002 г.

- IX Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, Электротехника и Энергетика", Москва,

2003 г.

- X Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов "Микроэлектроника и информатика 2003", Москва Зеленоград, 2003 г.

- Международная научно-техническая конференция "Микро- и наноэлектроника 2003(МНЭ - 2003)", Звенигород, 2003 г.

- XI Всероссийская научно-техническая конференция студентов и аспирантов "Микроэлектроника и информатика 2004", Москва Зеленоград, 2004г.

- 11th International Power Electronics and Motion Control Conference EPE-PEMC 2004, Riga, Latvia (ЕРЕ - PEMC 2004)

- XII Всероссийская научно-техническая конференция студентов и аспирантов "Микроэлектроника и информатика 2005", Москва Зеленоград, 2005г.

Публикации.

Результаты диссертации опубликованы в 17 печатных работах, из которых 6 статей в научных журналах и 11 тезисов докладов на научно-технических конференциях. По теме работы получен патент.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, приложений, содержащих акты внедрения и использования результатов работы, списка использованных источников из 57 наименований

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснована актуальность темы, определены цели и задачи исследования, изложены научная новизна и практическая значимость работы.

В главе 1 проведен обзор основных направлений развития такого направления силовой интегральной электроники как интеллектуальные силовые интегральные схемы, объединяющие на одном кристалле, как мощный элемент-ключ, так и низковольтные транзисторы -интеллектуальную часть схемы. Дается определение данного типа схем, определяется их состав и выполняемые функции, а именно: управления мощностью; самозащиты ключа и слежения за состоянием нагрузки; взаимодействия с логическими схемами.

Показано, что параметры конструкции мощного элемента определяют область применения интеллектуальной силовой ИС. Из вышесказанного следует вывод, мощный элемент является доминирующим элементом интеллектуальной силовой ИС.

Проведен анализ требований к мощному элементу схемы. При работе в ключевом режиме мощный элемент характеризуется рядом сильно взаимосвязанных между собой параметров: сопротивление во включенном состоянии; максимальное напряжение пробоя в закрытом состоянии; быстродействие; занимаемая площадь. Максимальная величина напряжения пробоя полупроводникового прибора в частности определяется размером области пространственного заряда перехода. Таким образом, минимальные размеры мощного элемента обуславливаются тем, какое максимальное напряжение способен выдерживать мощный прибор. В свою очередь, чем больше занимаемая прибором площадь, тем больше паразитные емкости и соответственно меньше быстродействие мощного элемента. Таким образом, несмотря

на сильную взаимосвязь параметров силового элемента между собой, именно пробивное напряжение (прибора в закрытом состоянии) в значительной степени обуславливает выбор конструкции мощного элемента разработчиком.

Проводится анализ приборов пригодных для использования в качестве мощного элемента схемы. В этом качестве рассматривается такие приборы как тиристоры, биполярные транзисторы, биполярные транзисторы с изолированным затвором (БТИЗ), вертикальные и планарные ДМОП транзисторы. Показано, что:

- мощные биполярные транзисторы имеют низкое быстродействие из-за накапливания неосновных носителей в базе и требуют больших управляющих токов и сложных схем управления.

- вертикальные ДМОП - транзисторы со скрытым слоем имеют в составе конструкции скрытые и эпитаксиальные слои. Это увеличивает стоимость и ограничивает пробивное напряжение приборов.

- мощные планарные ДМОП - транзисторы используют тонкие эпитаксиальные слои и имеют большее, чем мощные биполярные транзисторы быстродействие. Однако сопротивление ДМОП -транзистора во включенном состоянии велико.

Однако, при создании мощного элемента для интеллектуальной силовой ИС в виде ДМОП - транзистора, технология создания мощного элемента является доминирующей. В результате, технология формирования низковольтной "разумной" КМОП - части схемы использует адаптированный маршрут изготовления мощного элемента. Несовместимость маршрутов формирования мощного элемента и низковольтной части при создании интеллектуальной силовой ИС является серьезным недостатком ДМОП — конструкции

Поэтому большой интерес представляет возможность использования КМОП-технологии не только для формирования низковольтной части схемы, но и для создания пленарного мощного элемента - МОП-транзистора. В связи с этим, в ряде работ предложены методы адаптации стандартного технологического КМОП

- маршрута для создания планарных мощных МОП-транзисторов для интеллектуальных силовых ИС.

Однако традиционный МОП - транзистор имеет низкое напряжение пробоя стокового перехода, что существенно ограничивает области его применения в качестве силового ключа. В ряде работ предложено ввести слаболегированную ионно - имплантированную

область - пинч-резистор между затвором и сильнолегированным контактом к стоку - сместить затвор относительно стока.

Выбор оптимальной конструкции мощного МОП - транзистора с пинч - резистором, имеющего повышенное значение пробивного напряжения стока составляет основную часть данной работы.

Было показано, что использование приборно-технологического моделирования при проведении исследования структуры пленарного мощного МОП-транзистора позволяют существенно уменьшить число варьируемых в эксперименте параметров. При этом необходимо выбрать инструмент и разработать методику моделирования, для эффективного проведения расчетной оптимизации структуры планарного мощного МОП - транзистора.

Проведенный обзор литературы по интеллектуальным силовым интегральным схемам позволил сформулировать основные задачи диссертационной работы, решение которых изложено в последующих главах.

В главе 2 проводится анализ факторов определяющих напряжение лавинного пробоя р-п перехода и рассматриваются методы его увеличения. На основе конструкции и технологического маршрута создания базовых ячеек проводится анализ конструкции планарного мощного МОП - транзистора с пинч-резистором, позволивший определить конкретные параметры областей прибора, влияющие на пробивное напряжение транзистора в закрытом состоянии. В результате проведенного анализа можно заключить, что пробивное напряжение мощного МОП - транзистора зависит от следующих конструктивно-технологических параметров прибора:

Максимальная концентрация области р-подлегирования канала. Данный параметр позволяет устранить ранний пробой прибора из-за смыкания истока и стока

Максимальная концентрация и длина области п-пинч-резистора. Глубина залегания и максимальная концентрация области п- -глубокого стока

Длина активного канала и величина перекрытия затвор - толстый оксид

Плотность поверхностных состояний границы БьвЮг

На основе проведенного анализа создана упрощенная параметризованная модель (рис.1) для проведения начального этапа расчетной оптимизации планарного мощного МОП - транзистора с целью увеличения его пробивного напряжения. На заключительном

этапе расчетной оптимизации необходимо провести моделирование технологического маршрута изготовления прибора и провести расчет ВАХ закрытого мощного транзистора с целью учета эффекта смыкания истока и стока.

Рис.1. Упрощенная структура планарного мощного МОП - транзистора

В главе 3 рассмотрены существующие программы приборно-технологического моделирования. Рассмотрен состав и основные возможности САПР КЕ ТСАЛ, применительно к моделированию мощных приборов. Проведен анализ методов определения напряжения пробоя планарного мощного МОП - транзистора с использованием САПР КЕ ТСАБ. При этом возможно использование нескольких приемов:

- Расчет, построение и анализ ВАХ. Данный метод хорошо подходит для оценки вида ВАХ, токов утечки при пробое, однако, для его реализации необходимо решать уравнение Пуассона совместно с уравнениями непрерывности для электронов и дырок. Данный метод может быть использован на заключительном этапе оптимизации конструкции и технологического маршрута формирования мощного

- МОП - транзистора.

- Расчет напряжения лавинного пробоя перехода сток-подложка на основе решения только уравнения Пуассона и вычисления ионизационных интегралов (Пуассон-анализ). Идея заключается в

Ьк2

I*—»1

р-подложкя

том, что величина напряжения пробоя не зависит от тока, а определяется распределением электрического поля. Последнее рассчитывается на основе распределения примеси с помощью уравнения Пуассона. Ионизационный интеграл представляет собой соотношение для эффективной скорости ударной ионизации для электронов и дырок, полученное при рассмотрении эффекта лавинного пробоя р-n перехода. Интегрирование идет по ширине ОПЗ. Условием пробоя считается равенство ионизационного интеграла единице.

На основе ряда публикаций было проведено сравнение этих двух методов расчета напряжения лавинного пробоя. При расчете эффекта пробоя используются эмпирические зависимости скоростей ударной ионизации от электрического поля Оверстраетена (R. Van Overstraeten) и де Мана (Н. De Man). Было показано, что модель Оверстраетена дает заниженные, по сравнению с экспериментальными, значения пробивного напряжения.

В главе 4 проводится исследование, с помощью системы приборно-технологического моделирования ISE TCAD, закономерностей, связывающих пробивное напряжение с конструктивно - технологическими параметрами мощного планарного МОП - транзистора. При этом расчет напряжения лавинного пробоя стокового перехода проводился для упрощенной структуры прибора, разработанной в главе 3.

Проведено исследование зависимости напряжения лавинного пробоя перехода сток-подложка планарного мощного МОП -транзистора от параметров области пинч-резистора. Результаты расчета представлены на рисунке 2. Полученные зависимости (рис.2) можно объяснить тем, что:

При низкой концентрации (NmiH4<1.5.10UicM'3) при увеличении потенциала на стоке происходит быстрое обеднение области пинч -резистора, и максимальное электрическое поле смещается на границу пинч-резистор - сток, как показано на рис.З(а). При высокой концентрации (Нпинч>2.1016см~*) при увеличении потенциала на стоке происходит неполное обеднение области пинч - резистора, и пробой происходит на границе области п - пинч -резистор - р-подлегирование (рис.З(б))

Следует учесть, что величина напряжения пробоя стокового р-п перехода характеризует мощный транзистор в закрытом состоянии. В то же время, открытое состояние прибора описывается сопротивлением

мощного транзистора (в открытом состоянии). Сопротивление прибора в открытом состоянии уменьшается при увеличении концентрации примеси в области пинч-резистора (Мпинч). Однако при этом (как и показал расчет) пробивное напряжение стокового р-п перехода существенно уменьшается из-за неполного обеднения пинч-резистора (рис.З(б)).

Ыпинч, 1е16 см-3

Рис. 2. Расчетная зависимость напряжения лавинного пробоя стока от концентрации примеси

Рис. 3(а,б). Распределение электрического поля (при пробое) р-п перехода пинч - резистор - подложка при: а - Т^щщ^ЛО1 см"; б - М„инЧ=3.1016 см"3. Штриховыми линиями показаны границы ОПЗ.

В этом случае, для увеличения пробивного напряжения при сохранении низкого сопротивления открытого транзистора, необходимо принудительно обеднять пинч-резистор каким-либо способом -например введением полевого электрода. Введение электрода отделенного от области пинч-резистора толстым оксидом позволит, как известно, обогатить или обеднить нижележащую диффузионную область (в зависимости от потенциала электрода).

В нашем случае, в качестве такого электрода может выступать поликремневый п+ - затвор, правый край которого выводится на толстый оксид. Эффективность использования полевого электрода -затвор характеризуется следующими параметрами: величиной захода затвора на толстый оксид (Ь^) толщиной подэлектродного оксида (Ток=0.8 мкм)

Рассмотрим влияние на напряжение лавинного пробоя стокового перехода планарного мощного МОП - транзистора. Будем считать, что смещение затвора равно нулю, а встроенный потенциал п+ 81* составляет 0.55 В. Также будем считать, что Ток=0.8 мкм.

На рис.4 представлены результаты расчета напряжения лавинного пробоя р-п перехода сток-подложка с учетом перекрытия затвором области пинч - резистора.

Рис.4. Зависимость напряжения лавинного пробоя стока от концентрации пинч - резистора при разных величинах перекрытия затвор - толстый оксид. Ъ„иич=20 мкм

Из рис.4 следует, что увеличение длины перекрытия электродом затвора области пинч-резистора позволяет в 2-3 раза увеличить его концентрацию примеси при сохранении высокого напряжения лавинного пробоя стокового перехода.

Таким образом, в результате расчета на данном этапе было установлено, что использование конструкции стока мощного транзистора только с пинч - резистором не позволяет получить пробивное напряжение более 130-138 В, так как при больших напряжениях область пробоя перехода смещается в объем к сильнолегированной части стока. Для дальнейшего увеличения пробивного напряжения необходимо принять меры по снижению электрического поля непосредственно в объемной части стока.

Проведено исследование зависимости напряжения лавинного пробоя перехода сток подложка планарного мощного МОП -транзистора от параметров области глубокого стока. Результаты расчета представлены на рис.5.

Х]=9 мкм

Рис. 5. Зависимость пробивного напряжения перехода сток-подложка от параметров структуры при XJ—9 мкм

Зависимость пробивного напряжения от поверхностной концентрации области глубокого стока для всех рассмотренных вариантов имеет максимум при МСТОК=6.10'5 см'3. При меньших концентрациях примеси в области слаболегированного стока обеднение стока происходит уже при малых смещениях перехода и пробой происходит на границе п - сток - п- -сток. При больших концентрациях, п- -сток обедняется частично, и область пробоя смещается на внешнюю границу перехода п- -сток - р- подложка.

Проведено исследование зависимости напряжения лавинного пробоя перехода сток-подложка планарного мощного МОП -транзистора от параметров области стока, состоящей из областей пинч-резистора и глубокого стока. Кроме того проведено исследование влияния расширенного электрода затвора и положительного заряда граница раздела БьБЮг на напряжение лавинного пробоя.

Результаты расчета представлены на рисунках 6-9.

Из рис.6-9 следует, что увеличение длины перекрытия затвором области пинч-резистора позволяет в 2 раза увеличить концентрацию примеси пинч-резистора при которой переход сток-подложка имеет максимальное пробивное напряжение. Однако, при этом, в отличие от структуры перехода сток-подложка без области глубокого стока, максимум пробивного напряжения снижается. Для объяснения данного эффекта на рис.8 представлено распределение поля и ОПЗ перехода сток-подложка при пробое, из которого следует, что, когда расширенный электрод пересекает область глубокого стока, изменяется распределение его ОПЗ, и максимум электрического поля смещается к поверхности пластины.

1.пинч=22 мкм

190 - -170 -

150 -| 130 "

э 110 -90 -70 -50 —

0,2 0,7 1,2 1,7 2,2 2,7 3,2

Ыпинч, 1е1в см-3

Рис. 6. Зависимость пробивного напряжения перехода сток-подложка сложной конфигурации от концентрации пинч-резистора при вариации величины перекрытия затвор - толстый оксид. Ьпиич=22 мкм при NcnM1=10'6CM'3

150 130

ю

§. 110

5 90 70

1_к2, мкм

• 1

•5 -10

0,2 0,5 0,8 1,1 1,4 1,7 2 2,3 2,6 2,9 3,2 Ыпинч, 1е1в см-3

Рис. 7. Зависимость пробивного напряжения перехода сток-подложка сложной конфигурации от концентрации пинч-резистора при вариации

величины перекрытия затвор N^=3.1016 см'3, Х,сток=7 мкм

ТОЛСТЫЙ ОКСИД При Ьпиич=22 мкм,

алшрод

о г 4 б а ю к и и я го а

1-Й,(КМ

\ \ +1 +2 -■3

1

—1

1 3 5

Ив,Шя

г2

9 11

Рис. 8(слева). Распределение электрического поля и ОПЗ при пробое перехода сток-подложка для структуры с электродом при N„„4 = 2.9.1016 см'3

Рис. 9(справа). Расчетная зависимость напряжения лавинного пробоя структуры с электродом затвора от заряда границы раздела БьвЮг при 1^2= 0-6 мкм, Ьпннч=24 мкм.

Зависимости, представленные на рис.7 и рис. 9 позволяют связать напряжение лавинного пробоя стока с величиной перекрытия затвор -пинч-резистор, концентрацией примеси пинч-резистора и положительным зарядом границы раздела 8ь8Ю2.

С помощью САПР КЕ ТСАО проведено моделирование технологических операций создания областей глубокого слаболегированного стока и пинч - резистора, результаты которого представлены на рис.10. Результаты моделирования позволили составить перечень вносимых изменений в базовый технологический маршрут создания планарного мощного МОП - транзистора с пинч-резистором для повышения его пробивного напряжения.

Рис.10 Зависимость концентрации примеси пинч-резистора от дозы легирования пинч-резистора

С помощью САПР ТСАО проведено исследование электрических параметров планарного мощного МОП - транзистора с пинч -резистором на основе расчета ВАХ прибора. Расчет показал, что влияние эффекта смыкания на пробивное напряжение сток-исток прибора проявляется только при одновременном уменьшении длины активного канала до 2 мкм и дозы р- подлегирования канала (для п-канального МОП-транзистора) до 0.1 мкКл/см2.

В главе 5 на основе полученных зависимостей напряжения лавинного пробоя стокового перехода и пробивного напряжения сток-исток планарного мощного МОП-транзистора от конструктивно-технологических параметров прибора проведена разработка топологии

и технологического маршрута создания тестового кристалла прибора, показанного на рис. 11.

О 4 1 12 16 20 г^^

Рис. 11 Иллюстрация разработанного технологического маршрута создания пленарного мощного МОП - транзистора с пинч-резистором, имеющего увеличенное до 200-220 В пробивное напряжение

В главе 6 представлены результаты экспериментальных исследований характеристик оптимизированного пленарного мощного МОП - транзистора с пинч-резистором.

Для измерения статических характеристик приборов был использован аналоговый измеритель полупроводниковых характеристик Л2-56. Измерения напряжения пробоя планарных мощных МОП -транзистров с пинч-резистором проводились по ВАХ прибора в закрытом состоянии (и^ор-.«««^ В, ивсп)11.1Юд1ОЖ1а|=0 В, >0) по

уровню тока стока 10 мкА. Для определения сопротивления прибора в открытом состоянии проводились измерения тока стока транзистора при иятор.ИСТМ!=10 В, и1стж_подждп1ж=0 В, испж.исто„=0.5 В.

Результаты измерений параметров изготовленных планарных мощных МОП - транзисторов представлены на рис.12-15.

На основе измерений в таблице 1 представлены средние значения пробивного напряжения сток-исток и тока стока для всех тестовых ячеек

Таблица 1 Результаты измерения пробивного напряжения сток-исток (при изи = О В) и тока стока (при и^Ю В, исн=0.5 В) изготовленных планарных мощных МОП - транзисторов ___

Прибор Псток> ^пинч. 1^ПИНЧ» Ь«2, проб) 1с, мА

мкКл мкКл мкм мкм мкм В среднее

/см2 /см2 среднее

вТ301 2 0.2 22 1 3 176 0.346

2 0.4 22 1 3 184 0.525

2 0.5 22 1 3 44 0.664

8Т305(а) 2 0.2 22 5 3 176 0.376

2 0.4 22 5 3 182 0.533

2 0.5 22 5 3 192 0.653

БТ501 10 0.2 22 1 5 178 0.456

10 0.4 22 1 5 182 0.691

10 0.5 22 1 5 65 0.85

БТ305(б) 10 0.2 22 5 3 174 0.47

10 0.4 22 5 3 179 0.806

10 0.5 22 5 3 182 0.851

50

40 ■ 30 -

мкм

38 40 42 44 46 55 60 65 70

ипроб.в

Рис.12. Гистограммы распределения значения пробивного напряжения сток-исток (ипро6) для стандартного (левый рисунок) и модифицированного (правый рисунок) приборов, иллюстрирующие влияние длины активного канала (Ьц) на и„роб пленарного мощного МОП - транзистора.

На рис. 12-15 - слева показаны результаты измерения параметров базового варианта - транзистора 8Т301 с фиксированными параметрами (Ьпиич=22 мкм, Ц.,=3 мкм, 1^2=1 мкм, ВП1ШЧ=0.5 мкКп/см2, Осто1с=2 мкКл/см2); справа - показаны результаты измерения параметров модифицированного транзистора

40 30

20 10

»0 ®ПННЧ= =0.5 мкКл'см2

ft i

Т 4

'г•} 1

1 1

DnHH4=0.4 мкКл/см2

38

40

42

44

46 180 Unpo6,B

Рис. 13. Гистофаммы распределения значения пробивного напряжения сток-исток (UnpofO для стандартного (левый рисунок) и модифицированного (правый рисунок) приборов, иллюстрирующие влияние дозы легирования пинч-резистора (Dn„m) на XJnpog планарного мощного МОП - транзистора.

60 50

Ьк2 =1 мкм

°о

Íí 1

% Щ

V Л

í¿ 1

Эв 40 42 44 46

ипроб, В

Рис.14. Гистофаммы распределения значения пробивного напряжения сток-исток (ипроб) для стандартного (левый рисунок) и модифицированного (правый рисунок) приборов, иллюстрирующие влияние величины перекрытия затвор - LOCOS (Ltí) на U,^ планарного мощного МОП - транзистора.

LK2=1 МКМ

30

20

10

% =0.5 мкКлсм^

i V

П 9-

п ri -j 1

38

40

42

44

46 180

Unpo6, В

Рис.15. Гистограммы распределения значения пробивного напряжения сток-исток (ипроб) для стандартного (левый рисунок) и модифицированного (правый рисунок) приборов, иллюстрирующие совместное влияние Lk2 и DnHH4 на ипроб пленарного мощного МОП -транзистора

Результаты измерений позволяют сделать следующие промежуточные выводы:

- максимальное пробивное напряжение сток-исток 192 В наблюдается для транзисторов при Dn„„4=0.5 мкКл/см2; Dctoi1=2mkIOi/cm2; 1^= 5 мкм. При L¿¿= I мкм - пробивное напряжение падает до 40-46 В при DCTOIt=2 мкКл/см2 и до 60-70 В при DCTOK=10 мкКл/см2

- при Dn„„4=0.4 мкКл/см2 пробивное напряжение всех транзисторов превышает 170 В для всех приборов (как с перекрытием затвором -пинч-резистора, так и без него). При этом для DCTO1( = 2 мкКл/см2 пробивное напряжение равно 182-184 В

- при Dn„H4=0.5 мкКл/см2; DCT0K=2 мкКл/см2 (для транзисторов ST305) ток стока равен 0.65 мА при величине пробивного напряжения 192 В (среднее значение).

Для наглядности в таблице 2 параметры приборов изготовленных по базовому (Ьпинч=22 мкм, LK|=3 мкм, Ltí=l мкм, 0„инч=0-5 мкКл/см2, DCT01t=2 мкКл/см2) и оптимизированному (Ьпинч=22 мкм, LKl=3 мкм, L1¡2=5 мкм, DI1HH4=0.4 мкКл/см2, DCT0It=2 мкКл/см2) маршрутам.

Таблица 2 Сопоставление параметров исходного и оптимизированного

Параметр/прибор базовый Оптимизированный

Занимаемая площадь (мкм2) 3600 3600

Напряжение пробоя сток-исток (В) при: изи=0 44 182

Ток стока (мА) при: из„=10 В, иси=0.5 В 0.664 0.533

Пороговое напряжение (В) 0.78 0.81

Проведено сопоставление характеристик разработанного мощного транзистора с аналогами. Считая что транзистор занимает квадрат площадью 8= (2*30)2 мкм2 и сопротивление транзистора во включенном состоянии К-вкл=0-5/1с получим, что:

- при В„ок=2 мкКл/см2, 0ПИНЧ=0.5 мкКл/см2, 1^=3 мкм, 1^=5 мкм ищХ)б=190 В, 1С=0.62 мА произведение = 29 мОм.см2 (Тр1)

- при Бсг<ж=10 мкКл/см2, Впинч=0.5 мкКл/см2, 1^1=3 мкм, 1^2=5 мкм ипро^^О В, 1С=0.85 мА произведение = 22 мОм.см2 (Тр2)

1000т

Tpl S.Nezar ^

теория рля LDMOSFET

200 250 300 Цлроб.В

Рис. 16 Сопоставление параметров разработанного прибора с аналогами Как видно из рис.16, приборы Tpl и Тр2 имеют параметры на уровне лучших зарубежных аналогов в классе пленарных мощных МОП -транзисторов имеющих пробивное напряжение 180-190 В.

Для сравнения расчетных и экспериментальных значений пробивного напряжения планарного мощного МОП - транзистора с пинч-резистором на рис.17(а,б) представлены расчетные и экспериментальные зависимости пробивного напряжения от конструктивно-технологических параметров структуры.

Бсток=2 мкКл см2 1л2=5 мкм

И сток =2 мкКд'см2 Ьк2=1 »км

200 190

в180 «ГО

§•160

& 150

140

130

1 экспер имеет-

/ ч >

< {

рас ч,

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 Опиич, мкКл см2

0.6

180 160 в 140 "§120 (11 & 80 6« 40

\

1 \ жспрмеп

расч

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 Бинго, мкКл'см2

0.6

Рис. 17(а,б) Расчетная и экспериментальная зависимости пробивного напряжения мощного МОП-транзистора от дозы легирования пинч-резистора при:-а(слева) 1^=5 мкм; -б(справа) Ьк2=1 мкм.

Из рис.17 следует, что результаты расчета пробивного напряжения стока пленарного мощного МОП - транзистора дают заниженные значения, по сравнению с экспериментальными данными. Данное обстоятельство может быть объяснено несовершенством модели ударной ионизации, используемой в расчете, как было показано в главе 3. Кроме этого следует отметить, что, при моделировании технологического процесса создания областей пинч-резистора и глубокого стока, предварительная настройка моделей диффузии -калибровка не проводилась. Данное обстоятельство может являться причиной того, что расчетный максимум пробивного напряжения (при Ь«2=1 мкм, зависимости представленные на рис.17) достигается при меньших значениях дозы легирования пинч-резистора (Впинч=0.3 мкКл/см2), чем в случае экспериментальной зависимости (Ото^НМ мкКл/см2).

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ:

1. Проведен аналитический обзор развития интеллектуальных силовых интегральных схем. Проанализированы требования, предъявляемые к мощному элементу интеллектуальной силовой ИС. Показано, что именно пробивное напряжение прибора в значительной степени обуславливает выбор конструкции мощного элемента разработчиком. Рассмотрены основные приборы

применимые в качестве мощного элемента в составе интеллектуальной силовой ИС. Обоснованы преимущества применения в качестве мощного элемента планарного МОП -транзистора. Указано, что одним из недостатков планарного МОП транзистора является его низкое пробивное напряжение, в связи с чем определены основные направления исследований для решения задачи, поставленной в данной работе - увеличение пробивного напряжения мощного планарного МОП транзистора.

2. Проведенный, анализ конструкции планарного мощного МОП -транзистора с пинч-резистором позволил определить конкретные параметры областей прибора, влияющие на пробивное напряжение транзистора в закрытом состоянии. В результате проведенного анализа была разработана упрощенная параметризированная модель мощного прибора для проведения исследования.

3. Проведен анализ программного пакета приборно-технологического моделирования КЕ ТСАО и разработана методика его использования для исследования мощных планарных МОП -транзисторов. Выбраны основные программы необходимые для проведения моделирования. Рассмотрены методы расчета напряжения пробоя р-п перехода и МОП-транзистора

4. С использованием приборно-технологического моделирования установлены основные закономерности, характерные для мощного планарного МОП - транзистора с пинч-резистором, определяющие зависимость напряжения лавинного пробоя перехода сток-подложка от ряда конструктивно-технологических параметров прибора, а именно:

- Для структуры перехода сток-подложка планарного мощного МОП - транзистора, состоящей из областей пинч-резистора и мелкозалегающего стока, установлена и объяснена зависимость напряжения лавинного пробоя перехода от параметров пинч-резистора, имеющая максимум в узком диапазоне значений концентраций примеси пинч-резистора. При этом увеличение перекрытия электродом затвора пинч-резистора, приводит к расширению диапазона концентраций примеси данной области, при которых наблюдается максимум

- Установлено, что зависимость напряжения лавинного пробоя перехода сток подложка от параметров области глубокого стока имеет максимум в узком диапазоне значений концентраций примеси глубокого стока, что объясняется тем, что, при низкой

концентрации примеси в области стока, максимум электрического поля смещается из глубокой слаболегированной части перехода к его мелкозалегающей сильнолегированной части - Для структуры перехода сток-подложка планарного мощного МОП - транзистора, состоящей из областей пинч-резистора и глубокого стока, установлена и объяснена зависимость напряжения лавинного пробоя перехода от параметров пинч-резистора. При этом увеличение перекрытия электродом затвора области пинч-резистора приводит к увеличению концентрации примеси пинч-резистора, при которых переход имеет максимальное напряжение лавинного пробоя. Однако, в отличие от структуры перехода сток-подложка без области глубокого стока, в данном случае происходит уменьшение величины пробивного напряжения перехода.

5. На основе КМОП - совместимого технологического маршрута создания базовых ячеек-транзисторов разработан технологический маршрут изготовления мощных планарных МОП транзисторов с увеличенным пробивным напряжением.

6. Изготовлены в условиях производства НПК "Технологический центр" и исследованы экспериментальные образцы оптимизированных планарных мощных МОП - транзисторов с пинч-резистором. Было установлено, что оптимизированные приборы имеют повышенное пробивное напряжение (192 В) по сравнению с пробивным напряжением транзисторов (44 В), изготовленных на основе стандартного маршрута и топологии. При этом величина произведения сопротивления во включенном состоянии и занимаемой оптимизированным прибором площади Поп*8 = 22-29 мОм*см2, что соответствует параметрам лучших зарубежных аналогов.

7. Основные результаты работы внедрены в НПК "Технологический центр" и использованы в учебном процессе на ЭКТ факультете МИЭТ.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. М.А.Королёв, А.Ю. Красюков, Р.Д.Тихонов / Применение диодов Шоттки при формировании силовых планарных МОП - транзисторов // Известия высших учебных заведений. Электроника. 2002 г. №3, стр. 8990.

2. М.А.Королбв, А.Ю. Красюков, Р.Д.Тихонов / Исследование влияния конфигурации области стока на пробивное напряжение пленарного силового МОП- транзистора // Известия высших учебных заведений. Электроника. 2003 г. №1, стр. 44-45.

3. М.А.Королёв, А.Ю. Красюков, Р.Д.Тихонов / Классификация и конструктивно-технологические разновидности мощных приборов для интеллектуальных силовых интегральных схем// Известия высших учебных заведений. Электроника. 2004 №6, стр. 10-17

4. А.Ю. Красюков / Оптимизация структуры биполярного транзистора в диодном включении // VIII Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов "Микроэлектроника и информатика-2001", Москва Зеленоград, 2001 г, тезисы докладов, стр. 13.

5. МЛ.Королёв, А.Ю. Красюков, Р.Д.Тихонов / Способы повышения пробивного напряжения планарных силовых МОП транзисторов //Всероссийская научно-техническая конференция "Микро- и наноэлектроника 2001(МНЭ - 2001)", Звенигород, 2001 г., тезисы докладов, Р1-10

6. А.Ю. Красюков / Способы повышения пробивного напряжения планарных силовых МОП - ключей // VIII международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика", Москва, 2002 г, тезисы докладов, том 1, стр. 210-211.

7. А.Ю. Красюков / Анализ влияния диодов в цепи стока силового МОП-транзистора на его параметры // IX всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов "Микроэлектроника и информатика-2002", Москва Зеленоград, 2002 г, тезисы докладов, стр. 9.

8. М.А.Королёв, А.Ю. Красюков, Р.ДТихонов / Исследование возможности получения планарных силовых транзисторов на основе КМОП технологии с высоким пробивным напряжением и малыми глубинами залегания р-n переходов //Восьмая международная научно-техническая конференция "Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники", Таганрог, 2002 г., труды конференции, часть 2, стр.37-38.

9. М.А.Королбв, А.Ю. Красюков, Р.Д.Тихонов / Конструктивно-технологические варианты увеличения быстродействия пленарного силового МОП-транзистора.// IV Международная научно-техническая

конференция "Электроника и микроэлектроника-2002", Москва Зеленоград, МИЭТ, 2002 г, тезисы докладов, стр. 84-85.

10. М.А.Королёв, А.Ю. Красюков, Р.Д.Тихонов / Анализ конструктивно-технологических методов увеличения пробивного напряжения пленарного силового МОП-транзистора.// IV Международная научно-техническая конференция "Электроника и микроэлектроника-2002", Москва Зеленоград, МИЭТ, 2002 г, тезисы докладов, стр. 86-87.

11. А.Ю. Красюков / Анализ характеристик силового МОП-транзистора с диодом Шоттки в стоке .// IX Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, Электротехника и Энергетика", Москва, 2003 г, тезисы докладов, том 1, стр. 215-216.

12. А.Ю. Красюков, / Анализ ВАХ планарного силового МОП-транзистора с диодом Шоттки в стоке.// X Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов "Микроэлектроника и информатика 2003", Москва Зеленоград, 2003 г, тезисы докладов, стр. 20.

13. М.А.Королёв, А.Ю. Красюков, Р.Д.Тихонов / Анализ влияния расположения ячеек-транзисторов с диодом Шоттки в стоке интегральной схемы силового ключа на электрические характеристики прибора // Международная научно-техническая конференция "Микро- и наноэлектроника 2003(МНЭ - 2003)", Звенигород, 2003 г., тезисы докладов, Р1-18

14. А.Ю. Красюков, / Анализ методов увеличения напряжения лавинного пробоя перехода сток-подложка силового МОП-транзисторов//, XI Всероссийская научно-техническая конференция студентов и аспирантов "Микроэлектроника и информатика 2004", Москва Зеленоград, МИЭТ, 2004г, тезисы докладов, стр. 17.

15. M.Korolev, A.Krasukov, R. Tihonov,/ Influence of cells-MOSFETs (with Schottky barrier drain contact) location in power 1С on electrical device characteristics. // Proceedings of SPIE Vol. 5401, pp.337-343.

16. M.Korolev, A.Krasukov, R. Tihonov/ Analysis of I-V chaxacterictics of the lateral power NMOSFET with Schottky barrier drain contact//Proceedings of EPE-PEMC 2004, Riga, p.60.

17. Королев M.A., Красюков А. Ю., Тихонов Р.Д. / Патент РФ N 2229758 С1, заявка 2002127710: Планарный силовой МОП - транзистор с блокирующим емкость стока барьером Шоттки.

Подписано в печать:

Формат 60x84 1/16. Уч.-изд.л^?. Тираж/^0 экз. Заказ/^/

Отпечатано в типографии ИПК МИЭТ,

124498, Москва, г.Зеленоград, проезд4806, д.5, стр1, МИЭТ.

г

i

Í2I18&

РЫБ Русский фонд

2006-4 18543

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЕ СИЛОВЫЕ ИНТЕГРАЛЬНЫЕ СХЕМЫ -ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ СИЛОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ.

1.1 Назначение и состав интеллектуальных силовых ИС.

1.2 Требования к мощному элементу интеллектуальной силовой ИС.

1.3 Возможные конструкции и технологии создания мощного элемента для интеллектуальной силовой ИС.

1.4 Создание мощного элемента интеллектуальной силовой ИС на основе модификации технологического маршрута формирования низковольтных схем.

1.4.112Т-технология.

1.4.2 БУХ - технология.

1.4.3 Формирование мощного элемента интеллектуальной силовой

ИС в виде планарного силового МОП - транзистора с пинч-резистором.

1.5 Методы оптимизации конструкции и технологического маршрута создания мощного планарного МОП-транзистора с пинч-резистором имеющего повышенное значение пробивного напряжения.

Актуальность темы: Одним из перспективных направлений современной силовой полупроводниковой силовой электроники являются интеллектуальные силовые интегральные схемы - монолитные ИС, содержащие на одном кристалле, как мощные элементы, так и интеллектуальные компоненты: схемы управления и самозащиты силовых приборов. Интеллектуальные ИС находят широкое применение в системах автоматики и управления индустриальной и бытовой электроники.

При создании таких ИС возникает ряд проблем, в частности проблема совместимости технологий изготовления мощных и низковольтных элементов схемы, а также необходимость обеспечения изоляции между ними. Мощные элементы реализуются, как правило, в виде объемных ДМОП транзисторов, а интеллектуальная часть схемы выполняется на основе планарных КМОП транзисторов. Совмещенная технология изготовления этих элементов удорожает производство и приводит к существенному влиянию силовых элементов на функционирование маломощных приборов.

Одним из возможных технических решений этой проблемы является полная диэлектрическая изоляция элементов схемы, например, с помощью использования структуры кремний на изоляторе (КНИ). Однако КНИ структуры не вышли пока на уровень массового производства силовых ИС. Большое распространение в серийном производстве микроэлектронных устройств получила КМОП технология. Широкий диапазон преимуществ КМОП транзисторов приводит к разнообразию сфер использования данной технологии, что наряду с цифровой микроэлектроникой позволяет рассматривать как актуальную задачу применение КМОП технологии для силовой полупроводниковой электроники.

Однако существующие планарные мощные МОП - транзисторы имеют недостаточное для ряда применений пробивное напряжение.

Для решения этой проблемы необходимо провести исследование и разработку планарных МОП транзисторов, обладающих повышенным пробивным напряжением и формируемых на основе КМОП - совместимой технологии.

Эффективным методом исследования конструкции мощного МОП - ключа является приборно-технологическое математическое моделирование, позволяющее без проведения многочисленных экспериментов исследовать влияние всех параметров конструкции и технологического маршрута создания планарного мощного МОП - транзистора на его напряжение пробоя (и другие электрические параметры) и получить представление о происходящих внутри прибора процессах, для чего необходимо разработать методику моделирования, применительно к расчету параметров планарных мощных МОП-транзисторов

Цель работы: исследование и разработка конструктивно-технологических решений создания планарных мощных МОП - транзисторов с повышенным значением пробивного напряжения для интеллектуальных силовых интегральных схем.

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

1. Анализ структуры мощного МОП - транзистора с целью выявления параметров областей прибора, обуславливающих низкое пробивное напряжение транзистора и создание, на основе анализа, расчетной модели оптимизируемой конструкции.

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 пробивным напряжением.

4. Разработка технологического маршрута и топологии на основе базового процесса технологии КМОП БИС для формирования планарных мощных МОП - транзисторов с пинч - резистором, имеющих повышенные значения пробивного напряжения в закрытом состоянии

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

Научная новизна работы:

С помощью приборно-технологического моделирования установлены основные закономерности, характерные для мощного планарного МОП - транзистора с пинч-резистором, определяющие зависимость напряжения лавинного пробоя перехода сток-подложка от ряда конструктивно-технологических параметров прибора, а именно:

1. для структуры перехода сток-подложка планарного мощного МОП - транзистора, состоящей из областей пинч-резистора и мелкозалегающего стока, установлена и объяснена зависимость напряжения лавинного пробоя перехода от параметров пинч-резистора, имеющая максимум в узком диапазоне значений концентраций примеси пинч-резистора. При этом увеличение перекрытия электродом затвора пинч-резистора, приводит к расширению диапазона концентраций примеси данной области, при которых наблюдается максимум

2. установлено, что зависимость напряжения лавинного пробоя перехода сток-подложка от параметров области глубокого стока имеет максимум в узком диапазоне значений концентраций примеси глубокого стока, что объясняется тем, что, при низкой концентрации примеси в области стока, максимум электрического поля смещается из глубокой слаболегированной части перехода - к его мелкозалегающей сильнолегированной части 3. для структуры перехода сток-подложка планарного мощного МОП - транзистора, состоящей из областей пинч-резистора и глубокого стока, установлена и объяснена зависимость напряжения лавинного пробоя перехода от параметров пинч-резистора. При этом увеличение перекрытия электродом затвора области пинч-резистора приводит к увеличению концентрации примеси пинч-резистора, при которых переход имеет максимальное напряжение лавинного пробоя. Однако, в отличие от структуры перехода сток-подложка без области глубокого стока, в данном случае происходит уменьшение величины пробивного напряжения перехода.

Практическая значимость работы:

1. Разработана методика математического приборно-технологического моделирования, позволила провести исследование возможности увеличения пробивного напряжения р-п переходов и планарных мощных МОП - транзисторов.

2. Результаты приборно-технологического моделирования позволили внести изменения в топологию и технологический маршрут создания планарного мощного МОП -транзистора для увеличения его пробивного напряжения.

3. С целью апробации разработанных конструктивно-технологических решений, были изготовлены в условиях опытного производства образцы ИС планарных мощных МОП -транзисторов. Измерения параметров изготовленных приборов показали, что транзисторы имеют увеличенное до 190 В пробивное напряжение при величине произведения сопротивления во включенном состоянии на занимаемую прибором площадь = 22-29 мОм*см2, что соответствует параметрам иностранных аналогов

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 планарных мощных МОП - транзисторов, имеющих увеличенное до 190 пробивное напряжение при относительно низком соотношении Яоп*5, что соответствует параметрам иностранных аналогов.

Представляется к защите:

1. Разработанная методика математического приборно-технологического моделирования, позволяющая провести исследование возможности увеличения пробивного напряжения р-п переходов и планарных мощных МОП - транзисторов.

2. Полученные с использованием системы приборно-технологического моделирования TCAD закономерности, связывающие напряжение лавинного пробоя перехода сток-подложка планарного мощного МОП - транзистора с конструктивно-технологическими параметрами прибора.

3. Модифицированная, на основе результатов моделирования, топология и технологический маршрут изготовления планарного мощного МОП - транзистора имеющего повышенное пробивное напряжение.

4. Результаты исследования электрических параметров экспериментальных образцов планарных мощных МОП - транзисторов, изготовленных на основе оптимизированного технологического маршрута и топологии и имеющих увеличенное до 190 В пробивное напряжение стока при приемлемой величине произведения сопротивления транзистора во включенном состоянии и занимаемой прибором площади.

Апробация результатов работы: результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

- VIII Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов "Микроэлектроника и информатика-2001", Москва Зеленоград, апрель 2001 г.

- Всероссийская научно-техническая конференция "Микро- и наноэлектроника 200ЦМНЭ -2001)", Звенигород, октябрь 2001 г.

- VIII Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика", Москва, февраль 2002 г.

- IX Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов "Микроэлектроника и информатика-2002", Москва, Зеленоград, апрель 2002 г.

- Восьмая международная научно-техническая конференция "Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники", Таганрог, сентябрь 2002 г.

- IV Международная научно-техническая конференция "Электроника и микроэлектроника-2002", Москва Зеленоград, ноябрь 2002 г.

- IX Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, Электротехника и Энергетика", Москва, март 2003 г.

- IX Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов "Микроэлектроника и информатика 2003", Москва Зеленоград, апрель 2003 г.

- Международная научно-техническая конференция "Микро- и наноэлектроника 2003(МНЭ -2003)", Звенигород, октябрь 2003 г.

- XI Всероссийская научно-техническая конференция студентов и аспирантов "Микроэлектроника и информатика 2004", Москва Зеленоград, апрель 2004г.

- 11th International Power Electronics and Motion Control Conference EPE-PEMC 2004, 2-4 September 2004, Riga, Latvia (ЕРЕ - PEMC 2004)

Публикации

Результаты диссертации опубликованы в 16 печатных работах, из которых 6 статей в научных журналах и 10 тезисов докладов на научно-технических конференциях. По теме работы получен патент РФ N 2229758 С1: Планарный силовой МОП - транзистор с блокирующим емкость стока барьером Шоттки

Объем и структура работы.

Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, приложений, содержащих акты внедрения результатов работы, списка использованных источников из 57 наименований

Основные результаты опубликованы в следующих работах: ф Статьи:

1. АЛО. Красюков, М.А.Королёв, Р.Д.Тихонов / Применение диодов Шоттки при формировании силовых планарных МОП - транзисторов // Известия высших учебных заведений. Электроника. 2002 г. №3

2. А.Ю. Красюков, М.А.Королёв, Р.Д.Тихонов / Исследование влияния конфигурации области стока на пробивное напряжение планарного силового МОП- транзистора // Известия высших учебных заведений.Электроника. 2003 №1

3. А.Ю. Красюков, М.А.Королёв, Р.Д.Тихонов / Классификация и конструктивно-технологические разновидности мощных приборов для интеллектуальных силовых интегральных схем // Известия высших учебных заведений. Электроника. 2004 №6, стр 10-17

4. А.Ю. Красюков, М.А.Королёв, Р.Д.Тихонов / Исследование возможности получения планарных силовых транзисторов на основе КМОП технологии с высоким пробивным напряжением и малыми глубинами залегания р-n переходов //Восьмая международная научно-техническая конференция "Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники", Таганрог, сентябрь 2002 г., труды, часть 2.

5. M.Korolev, A.Krasukov, R. Tihonov,/ Influence of cells-MOSFETs (with Schottky barrier drain contact) location in power 1С on electrical device characteristics. // Proceedings of SPIE Vol. 5401, pp.337-343.

6. M.Korolev, A.Krasukov, R. Tihonov,/ Analysis of I-V characterictics of the lateral power NMOSFET with schottky barrier drain contact //Proceedings of EPE-PEMC 2004, p. 26.

Тезисы докладов на конференциях:

1. А.Ю. Красюков / Оптимизация структуры биполярного транзистора в диодном включении // VIII Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов "Микроэлектроника и информатика-2001", Москва Зеленоград, МИЭТ, апрель 2001 г, тезисы докладов.

2. А.Ю. Красюков, М.А.Королёв, Р.Д.Тихонов / Способы повышения пробивного напряжения планарных силовых МОП транзисторов //Всероссийская научно-техническая конференция "Микро- и наноэлектроника 2001(МНЭ -2001)", Звенигород, октябрь 2001 г., тезисы докладов, Р1-10

3. А.Ю. Красюков / Способы повышения пробивного напряжения планарных силовых МОП ключей // VIII международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика", Москва, МЭИ, февраль 2002 г, тезисы докладов, том I.

4. А.Ю. Красюков / Анализ влияния диодов в цепи стока силового МОП-транзистора на его параметры // IX всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов "Микроэлектроника и информатика-2002", Москва Зеленоград, МИЭТ, апрель 2002 г, тезисы докладов.

5. А.Ю. Красюков, М.А.Королёв, Р.Д.Тихонов / Конструктивно-технологические варианты увеличения быстродействия планарного силового МОП-транзистора.// IV Международная научно-техническая конференция "Электроника и микроэлектроника-2002", Москва Зеленоград, МИЭТ, ноябрь 2002 г, тезисы докладов

6. А.Ю. Красюков, М.А.Королёв, Р.Д.Тихонов / Анализ конструктивно-технологических методов увеличения пробивного напряжения планарного силового МОП-транзистора.// IV Международная научно-техническая конференция "Электроника и микроэлектроника-2002", Москва Зеленоград, МИЭТ, ноябрь 2002 г, тезисы докладов

7. А.Ю. Красюков / Анализ характеристик силового МОП-транзистора с диодом Шоттки в стоке .// IX Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, Электротехника и Энергетика", Москва, МЭИ, март 2003 г, тезисы докладов, том 1.

8. А.Ю. Красюков, / Анализ ВАХ планарного силового МОП-транзистора с диодом Шоттки в стоке.// IX Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов "Микроэлектроника и информатика 2003", Москва Зеленоград, МИЭТ, апрель 2003 г, тезисы докладов

9. А.Ю. Красюков, М.А.Королёв, Р.Д.Тихонов / Анализ влияния расположения ячеек-транзисторов с диодом Шоттки в стоке интегральной схемы силового ключа на электрические характеристики прибора // Международная научно-техническая конференция "Микро- и наноэлектроника2003(МНЭ-2003)", Звенигород, октябрь 2003 г., тезисы докладов, Р1-18

10. А.Ю. Красюков, / Анализ методов увеличения напряжения лавинного пробоя перехода сток-подложка силового МОП-транзисторов//, XI Всероссийская научно-техническая конференция студентов и аспирантов "Микроэлектроника и информатика 2004", Москва Зеленоград, МИЭТ, апрель 2004г, тезисы докладов

Заключение

1. Проведен литературный обзор развития интеллектуальных силовых интегральных схем. Проанализированы требования, предъявляемые к мощному элементу интеллектуальной силовой ИС. Показано, что именно пробивное напряжение прибора в значительной степени обуславливает выбор конструкции мощного элемента разработчиком. Рассмотрены основные приборы применимые в качестве мощного элемента в составе интеллектуальной силовой ИС. Обоснованы преимущества применения в качестве мощного элемента планарного МОП - транзистора. Указанны недостатки мощного планарного МОП транзистора. Определены основные направления исследований для решения основной задачи - улучшения параметров мощного планарного МОП транзистора.

2. Проведенный, на основе конструкции и технологического маршрута создания базовых ячеек, анализ конструкции планарного мощного МОП - транзистора с пинч-резистором позволил определить конкретные параметры областей прибора, влияющие на пробивное напряжение транзистора в закрытом состоянии. В результате проведенного анализа была разработана упрощенная параметризированная модель мощного прибора для проведения исследования.

3. Проведен анализ программного пакета приборно-технологического моделирования 15Е ТС АР и разработана методика его использования для исследования мощных планарных МОП-транзисторов. Указаны основные программы необходимые для проведения моделирования. Рассмотрены методы расчета напряжения пробоя р-п перехода и МОП -транзистора

4. С помощью приборно-технологического моделирования установлены зависимости напряжения лавинного пробоя стокового р-п перехода мощного транзистора от конструктивно-технологических параметров областей, составляющих мощный прибор, а именно: пинч-резистора, глубокого стока, полевого электрода и толстого оксида. Определены оптимальные значения данных параметров, позволяющие существенно увеличить напряжение лавинного пробоя р-п перехода сток-подложка вцелом.

5. На основе КМОП - совместимого технологического маршрута создания базовых ячеек-транзисторов разработан технологический маршрут изготовления мощных планарных МОП транзисторов с увеличенным пробивным напряжением. Проведенный расчет ВАХ мощных приборов, построенных на основе разработанного технологического маршрута, позволил провести сравнение исследуемого прибора с аналогами. На основе результатов расчетов было установлено, что разработанный планарный мощный транзистор имеет сходные с аналогами параметры

Изготовлены в условиях производства НПК "Технологический центр" и исследованы экспериментальные образцы оптимизированных планарных мощных МОП -транзисторов с пинч-резистором. Было установлено, что приборы имеют увеличенное до 192 В пробивное напряжение при величине произведения сопротивления во включенном состоянии и занимаемой прибором площади Я0п*8 = 22-29 мОм*см2, что соответствует параметрам иностранных аналогов

1. B.J.Baliga., / An overview of smart power technology /, IEEE Trans. Electron Devices, vol. 38, №7, pp. 1568-1575, 1991.

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

3. Воронин П.А.,/ Силовые полупроводниковые ключи. Семейства, характеристики, применение./, Москва, Додэка-ХХ1, 2001

4. M.S. Adler et al., /The Evolution of Power Device Technology/, IEEE Trans. Electron Devices, vol. ED-31, pp. 1570-1591, 1984.

5. H.J. Sigg et al.,/D-MOS Transistor for Microwave applications/, IEEE Trans. Electron Devices, vol. ED-29, pp. 45-53, 1972

6. K. Sakamoto, N. Fuchigami et al., / A Three-Terminal Intelligent Power MOSFET with Built -In Reverse Battery Protection for Automotive Applications/, IEEE Trans. Electron Devices, vol. ED-46, pp. 2228-2233, 1999

7. K. Sakamoto, N. Fuchigami et al., / An Intelligent Power 1С with Reverse Battery Protection for Fast-Swithcung High-Side Solenoid Drive/, IEEE Trans. Electron Devices, vol. ED-46, pp. 1775-1780, 1999

8. Infineon technoligies, / Semiconductors. Technical information, technologies and characteristic data/, Publicis Corporate Publishing, second edition, pp. 74- 83,2004

9. B.J. Baliga, /Morden Power Devices/, Krieger, Malabar Florida

10. Y.Tauri et al.,/ Diffusion Self-Aligned MOST: -A New Approach For High Speed Device/, Prossedings of the first Conference On Solid State Devices, pp. 105-110,Tokyo, 1969

11. U.V. Rumennik., /Power Devices Are in the Chips/, IEEE Spectrum, vol.22, pp.42-48, 1985.

12. J. A. Appels, H. M. Vaes, /High-Voltage Thin Layer Devices (RESURF Devices)/, IEEE Int. Trans. Electron Devices Meeting, pp.238-241, 1979.

13. N. Darwish et al.,/ Lateral Resurfed COMFET/, Electronic Letters, vol. 20, №12, pp. 519-520, 1984.

14. M. K. Simpson et al., /Analysis of the lateral insulated gate transistor/, IEDM Tech. Dig., pp. 740-743, 1985.

15. К. А. Валиев, Ю. H. Пашинцев, Г. В. Петров, / Применение контакта металл-полупроводник в микроэлектронике /, М.: Радио и связь, 1981

16. Sin et al., /The SINFET: A New High Conductance, High Switching Speed MOS-Gated Transistor/, Electronic Letters, Nov. 1985, p. 1124.

17. Sakurai et al., / Power MOSFETs Having Schottky Barrier Drain Contact/, Int'l Symposium on Power Semiconductor Devices & les, Tokyo 1990, pp. 126-130.

18. Gough et al., /Fast switching Lateral Insulated Gate Transistor/, IEDM Tech. Dig., pp.219-222, 1986.

19. Sin et al., /Analysis and Characterization of the Hybrid Schottky injection Field Effect Transistor/, IEDM 86 -9.4, pp. 222-225.

20. M. K. Simpson., /Analysis of Negative Differential Resistance in the I-V Characteristics of Shorted-Anode LIGBT's /, IEEE Trans, on Electron Dev., Vol. 38, pp. 740-743, 1985.

21. M. Triverdi, / Switching Characteristics of MCT's and IGBT's in Power Convertors/, IEEE Trans. Electron Devices, vol. 43, №11, pp. 1994-2000, 1996.

22. Alcatel Mietec. I2T Design and Layout Manual, 1997.

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

24. R.W. Bower et al., /MOS Field Effect Transistors formed by gate masked ion implantation/, IEEE Trans. Electron Devices, vol. 15, pp. 757-761, 1968.

25. T.Okabe, et al., /А Complementary Pair of High-Power MOSFET's /, in Proc. Int. Electron Devices Meet., pp. 416-419, 1977.

26. T.Okabe et al., /А Complementary Pair of Planar-Power MOSFET's /, IEEE Trans. Electron Devices, 1980, vol.ED-27, N2, pp.334-339.

27. Zahir Parpia et al., /Modeling and Characterization of CMOS Compatible High-Voltage Device Structures/, IEEE Trans. Electron Devices, 1987, No. 11, pp.334-339.

28. С. M. Зи, / Физика полупроводниковых приборов/, часть 2, M., Мир, 1984.

29. А. Блихер,/ Физика силовых биполярных и полевых транзисторов/, М., Мир, 1986.

30. Ю. А. Евсеев, П. Г. Дерменжи, / Силовые полупроводниковые приборы/, М., Энергоиздат., 1981.

31. D. Jaume et al., /High voltage Planar Devices Using Field Plate and Semi - Resistive Layers/, IEEE Trans. Electron Devices, 1991, No. 7, pp. 1681-1684.

32. V. Boisson et al., /Computer Study of a High-Voltage а р-тг-п--n+-Diode and Comparison with a Field-Limiting Ring Structure/, IEEE Trans. Electron Devices, 1986, No. 1, pp.80-84.

33. A. Nezar, et al., /Breakdown Voltage in LDMOS Transistors Using Internal Fiels Rings/, IEEE Trans. Electron Devices, 1991, No. 7, pp. 1676-1681.

34. Hamza Yilmaz, /Optimization and Surface Charge Sensitivity of High-Voltage Blocking Structures with Shallow Junctions/, IEEE Trans. Electron Devices, 1991, No. 7, pp.1666-1675.

35. V.A.K. Temple et al., /Junction Termination Extension for Near-Ideal Breakdown Voltage in p-n Junctions/, IEEE Trans. Electron Devices, 1986, No. 10, pp. 1601-1608.

36. V.A.K. Temple et al., /Multipe zone Single Mask Junction Termination Extension a High Field Near Ideal Breakdown Voltage Technology/, IEEE Trans. Electron Devices, 1987, No. 10, pp.1601-1608.

37. R. Stengl et al., /Variation of lateral doping as Field Terminator for High-Voltage Devices/, IEEE Trans. Electron Devices, 1986, No. 3, pp.426-428.

38. Bassous. E et al., / Self-Aligned Polysilicon Gate MOSFET's with Tailored Source and Drain Profiles/, IBM Technical Disclosure Bulletin, vol. 22, No. 11, 1980, pp. 5146-5147

39. Королёв М.А., Тихонов Р.Д., Швец А.В. Исследование влияния структуры пинч-резисторного пассивного канала на параметры МОП-транзисторов интеллектуальных силовых интегральных схем // Изв. вузов. Электроника. 2001. №3. -. 91, 92.

40. 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, №5, стр. 54-58.

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

42. К. Board, D. R. J. Owen ., / Simulation of Semiconductor Devices and Processes/, Swanesa, UK, Pineridge Press, 1986, 652 p.

43. Д. Миллер., / Моделирование полупроводниковых приборов и технологических процессов. Последние достижения/, М.: Радио и связь, 1989, 280 с.

44. М. Fukuma et al., /Digest of 1982 Sump. VLSI Tech/, p. 56, 1982.

45. M. Fukuma et al., /Digest IEDM 84/, p. 621, 1984.

46. S. Selberherr et al., /MINIMOS a twodimentional MOS transistor analyzer/, IEEE Trans., ED-27, p. 1540, 1980.

47. R. W. Dutton, / PISCES II: Poisson and continuity equation solver/, Users Manual, Stenfotd University, 1984.

48. E. M. Buturla et al., /Finite-Element Analyses of Semiconductor Devices: The FIELD AY Program/, IBM J. Res. Develop., vol. 25., pp. 218-231, 1981.

49. A. Yoshii et ah, /A Three-Dimensional Analysis of Semiconductor Devices/, IEEE Tran. Electron Devices, vol. ED-29, pp. 184-189, 1982.

50. ISE TCAD Manuals, Release 6.1.

51. K. Hwang, D. H. Navon, "Breakdown Voltage Optimization of Silicon p-7t-v Planar Junction Diodes IEEE Trans. Electron Devices, No. 9, pp. 1126-1134, 1984.

52. R. V. Overstraeten and H. D. Man, "Measurement of the ionization rates in diffused Silicon p-n junctions," Solid-State Electronics, vol. 13, pp. 583-608, 1970.

53. C. Hu, "Optimum doping profile for minimum ohmic resistance and high breakdown voltage", IEEE Trans. Electron Devices, vol. ED-26, pp. 243-245, 1979.

54. S. Xu, K. P. Gan et ah, "120 V interdigitated drain LDMOS (IDLDMOS) on SOI substrate breaking power LDMOS limit", IEEE Trans. Electron Devices, No. 10, pp. 1980-1984, 2000.

55. Начальник отдела ОИМ НПК "Технологический центр" МИЭТ1. В.В. Коняхин1. УТЕШРЖДАЮ

56. Проректор но HP В. Л. Ikipxoi кип2005 г.1. АКТ

57. Проректор по НР В. А. Вархоткинг- . # «--Г ---р--*2005г.об использовании в учебном процессе Московского института электронной техники научных результатов Красюкова Антона Юрьевича.