Исследование и разработка конструктивно-технологических решений создания мощных ДМОП-транзисторов с оптимальной площадью при помощи средств приборно-технологического моделирования тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.27.01, кандидат технических наук Ключников, Алексей Сергеевич

• Ключников, Алексей Сергеевич
• кандидат технических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат технических наук Ключников, Алексей Сергеевич

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ДМОП - как мощный элемент интеллектуальных силовых интегральных схем и проблемы, возникающие при его разработке и 8 изготовлении

1.1 Интеллектуальные силовые схемы

1.2 Возможные конструктивно-технологические особенности создания мощного элемента для интеллектуальной силовой схемы.

1.3 Принцип работы, ВАХ и формулы, связывающие основные характеристики.

1.3.1 Вол ьтамперные характеристики

1.3.2 Связь пробивного напряжения и сопротивления в открытом состоянии.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование и разработка конструктивно-технологических решений создания мощных ДМОП-транзисторов с оптимальной площадью при помощи средств приборно-технологического моделирования»

Актуальность темы: Одной из основных тенденций развития современных силовых ключей, основанной на достижениях монолитной и гибридной технологий, является объединение в едином корпусе прибора функций переключателя, его управления и защиты. Данные приборы, получившие название «разумные» (Smart) или интеллектуальные (Intelligent), позволяют избавиться от громоздких и неэкономичных дополнительных цепей защиты. Среди широкого перечня подобных приборов можно выделить следующие основные группы:

1. Силовые ключи с одной или несколькими встроенными системами защиты. Для управления данными приборами требуется применение внешнего драйвера. Эти ключи, называемые также самозащищенными, обеспечивают защиту от перенапряжений, токовых перегрузок и температурных воздействий.

2. силовые ключи с интегрированными функциями защиты и управления. Данные приборы получили название силовых интегральных схем и, как правило, разрабатываются для конкретной области применения, например в ключевых источниках электропитания или схемах управления электродвигателями на мощности до единиц киловатт.

3. Силовые интеллектуальные модули IPM (Intelligent Power Modules). Данные схемы строятся на базе биполярных транзисторов с изолированным затвором (БТИЗ) для применения в преобразователях на десятки и сотни киловатт мощности нагрузки. Интеллектуальные ИС находят широкое применение в системах автоматики и управления индустриальной и бытовой электроники.

В интеллектуальных 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. Также существующие планарные мощные МОП - транзисторы имеют недостаточное для ряда применений пробивное напряжение. Поэтому изготовление мощных ДМОП-транзисторов ведется на отдельном кристалле, что значительно повышает напряжение пробоя прибора и увеличивает ток.

Но в таком приборе возникает ряд проблем связанных с зависимостью напряжения пробоя и сопротивления в открытом состоянии. При увеличения пробивного напряжения увеличивается сопротивление и наоборот при уменьшении сопротивления уменьшается напряжение пробоя. Для уменьшения сопротивления возможно использование ячеистой структуры, однако это приводит к возрастанию площади прибора, что ведет к увеличению стоимости и возрастанию емкостей прибора и в результате приводит к ухудшению динамических характеристик ДМОП-транзистора.

Для решения данной проблемы необходимо провести исследование и разработку мощных ДМОП-транзисторов обладающих при заданных электрических характеристиках (напряжении пробоя, сопротивления) минимальной площадью.

Самым эффективным методом исследования мощных ДМОП-транзисторов является приборно-технологическое моделирование, которое позволяет исследовать влияние конструктивно-технологических особенностей на характеристики прибора, кроме того, позволяет проникнуть внутрь прибора и посмотреть распределение различных физических величин (например потенциал, ток и т.д.). Для чего необходимо разработать методику моделирования ДМОП-транзистора.

Цель работы: является разработка методики моделирования с использованием современных программных пакетов с целью оптимизации площади ДМОП-транзистора.

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

1. Провести анализ исследуемых приборных структур как объектов приборно-технологического моделирования.

2. Анализ факторов влияющих на основные параметры ДМОП-транзистора.

3. Разработка методики расчета охранной области ДМОП-транзистора при помощи приборно-технологического моделирования.

4. Разработка методики приборно-технологического моделирования применительно к структурам мощных вертикальных ДМОП-транзисторов. Научная новизна работы:

1. Разработана вычислительная модель для расчета мощных ДМОП-транзисторов, позволяющая получить оптимальную площадь прибора при заданных электрических характеристиках (пробивное напряжение и сопротивление).

2. Получены и объяснены зависимости лавинного пробоя охранной области от параметров структуры с кольцами. Установлено что зависимость лавинного пробоя от расстояния между кольцами имеет максимум. При увеличении числа колец пробивное напряжение растет и стремится к напряжению пробоя плоского перехода, но не достигает его.

3. Разработана методика расчета охранной области высоковольтного ДМОП-транзистора, применимая ко всем приборам данного типа.

Практическая значимость работы:

1. Разработана методика математического приборно-технологического моделирования, позволяющая провести оптимизацию площади мощных ДМОП -транзисторов.

2. Разработана методика приборно-технологического моделирования охранной области ДМОП-транзистора применимая ко всем типам приборов такого класса, позволяющая получить прибор с заданным пробивным напряжением.

Реализация результатов работы:

Результаты работы внедрены в рамках научно-исследовательских работ и в учебном процессе в Московском государственном институте электронной техники.

Методика моделирования мощных ДМОП-транзисторов апробирована при выполнении научно-исследовательских работ в ОАО «НИИМЭ и Микрон».

Представляется к защите:

1. Разработанная методика моделирования мощного ДМОП-транзистора с заданными электрическими параметрами и имеющим оптимальную площадь.

2. Разработанная методика расчета охранной области ДМОП-транзистора.

3. Полученные с использованием системы приборно-технологического моделирования TCAD закономерности, связывающие напряжение лавинного пробоя ячейки мощного ДМОП - транзистора с конструктивно-технологическими параметрами прибора.

Апробация результатов работы:

Результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

- Двенадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», Москва, 2006 г.

- VIII международная конференция «актуальные проблемы электронного приборостроения», Новосибирск, 2006 г.

- Девятая международная научно-техническая конференция «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники», ПЭМ 2006, Дивноморское, 2006.

- IV Международная научно-техническая школа-конференция «Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения Intermatic-2006», 2006 г.

- 13-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов "Микроэлектроника и информатика - 2006", Москва, Зеленоград, 2006 г.

- 14-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов "Микроэлектроника и информатика - 2007", Москва, Зеленоград, 2007 г.

- Восьмая международная конференция по электронным приборам и материалам "EDM-2007", 2007 г., Эрлагол.

- Шестая научно-техническая конференция "Твердотельная электроника, сложные функциональные блоки РЭА", 2007 г., Владимир.

- Международная конференция «Микро- и наноэлектроника - 2007» (МНЭ-2007), 2007 г., Липки.

Публикации

Результаты диссертации опубликованы в 11 печатных работах, из которых 5 статей и 6 тезисов докладов на научно-технических конференциях.

Объем и структура работы.

Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, приложений, содержащих акты использования результатов работы, списка использованных источников из 53 наименований.

Заключение диссертации по теме «Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и нано- электроника на квантовых эффектах», Ключников, Алексей Сергеевич

Основные результаты опубликованы в следующих работах: Статьи:

1. Михаил А. Королев, Александр В. Швец, Антон Ю. Красюков, Алексей С. Ключников / Численное моделирование пробивного напряжения обратносмещенного р-n перехода // Материалы Восьмой международной конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения» АПЭП 2006, Новосибирск, 2006 г., стр. 118-123

2. Королев М.А., Ключников А.С. / Исследование влияния конструктивно-технологических параметров ДМОП транзистора на сопротивление в открытом состоянии // Труды Десятой международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники», Дивноморское, 2006 г., стр.200-202

3. М.А. Королев, А.В. Швец, А.С. Ключников / Численное моделирование пробивного напряжения ДМОП транзистора с охранными кольцами // Материалы международной научно-технической конференции «Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения,» «INTERMATIC - 2006», Москва, 2006 г., стр. 183-186.

4. М.А. Королев, А.Ю. Красюков, А.С. Ключников / Программа расчета напряжения лавинного пробоя силовых р-n переходов с плавающими диффузионными кольцами // Материалы международной научно-технической конференции «Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения,» «INTERMATIC - 2006», Москва, 2006 г., стр. 200-201.

5. А.С. Ключников, А.Ю. Красюков / Расчет параметров р-n перехода с плавающими диффузионными кольцами // Материалы Шестой научно-технической конференции «Твердотельная электроника, сложные функциональные блоки РЭА», 2007 г., Владимир, стр. 80

6. А.С. Ключников, А.Ю. Красюков / Использование полевой обкладки для повышения напряжение пробоя ДМОП-транзистора // Материалы Восьмой международной конференции по электронным приборам и материалам "EDM-2007", 2007 г., Эрлагол, стр. 107-108

7. А.С. Ключников / Численное моделирование и оптимизация площади мощного ДМОП транзистора // Известия высших учебных заведений. Электроника. 2007 г. (в печати).

Тезисы докладов на конференциях:

1. М.А. Королев, А.С. Ключников / Исследование изменения пробивного напряжения в ДМОП транзисторе с охранными кольцами // Тезисы докладов Двенадцатой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», март 2006 г., стр. 300.

2. А.С. Ключников / Анализ методов повышения напряжения пробоя силовых приборов // Тезисы докладов Тринадцатой всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика - 2006», Москва, Зеленоград, 2006 г., стр. 103.

3. А.С. Ключников / Разработка мощных ДМОП-транзисторов // Тезисы докладов Четырнадцатой всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика - 2007», Москва, Зеленоград, 2007 г., стр. 91.

4. А.С. Ключников, А.Ю. Красюков / Расчет параметров р-n перехода с плавающими диффузионными кольцами // Материалы Шестой научно-технической конференции «Твердотельная электроника, сложные функциональные блоки РЭА», 2007 г., Владимир, стр. 80

5. Е. Артамонова, А. Балашов, А. Ключников, А. Красюков, А. Швец / Численное моделирование и оптимизация площади мощного ДМОП-транзистора // Тезисы докладов Международной конференции «Микро- и наноэлектроника - 2007» (МНЭ-2007), 2007 г., Липки, стр. Р2-05.

Заключение

1. Проведен литературный обзор развития интеллектуальных силовых схем. Проанализированы требования, предъявляемые к мощному элементу интеллектуальной силовой схемы. Обоснованы преимущества применения в качестве мощного элемента ДМОП-транзистора. Указанны недостатки мощного ДМОП-транзистора. Определены основные направления исследований для решения основной задачи - улучшения параметров мощного ДМОП-транзистора.

2. Проведенный, на основе конструкции и технологического маршрута создания базовых ячеек, анализ конструкции мощного ДМОП - транзистора 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 и разработана методика его использования для исследования мощных ДМОП - транзисторов. Указаны основные программы необходимые для проведения моделирования. Рассмотрены методы расчета напряжения пробоя ячейки ДМОП -транзистора. А также методы расчета сопротивления в открытом состоянии.

4. С помощью приборно-техпологического моделирования установлены зависимости напряжения лавинного пробоя мощного ДМОП-транзистора от конструктивно-технологических параметров областей, составляющих мощный прибор. Определены оптимальные значения данных параметров, позволяющие получить заданные электрические характеристики с наименьшей площадью прибора.

5. Разработана методика моделирования мощного ДМОП-транзистора.

6. Разработана методика расчета структур с охранными кольцами.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Ключников, Алексей Сергеевич, 2007 год

1. BJ.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. С. Ни, М.-Н. Chi, and V.M. Patel., "Optimum Design of Power MOSFET's," IEEE Trans.Electron Devices, ED-31(12), pp. 1693-1700, 1984.

5. P.L. Hower and M.J. Geisler., "Comparison of Various Source-Gate Geometries for Power MOSFET's," IEEE Trans.Electron Devices, ED-28(9), pp. 1098-1101, 1981.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

15. М. К. 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.

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

17. Jin He et al., "Optimum design of punch-through junction used in bipolar and unipolar high voltage power devices," Solid-State Electronics, 46, pp. 847-851,2002.

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

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

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

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

22. S. Selberherr et al., /MIN1MOS a twodimentional MOS transistor analyzer/, IEEE Trans., ED-27, p. 1540, 1980.

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

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

25. A. Yoshii et al., IA Three-Dimensional Analysis of Semiconductor Devices/, IEEE Tran. Electron Devices, vol. ED-29, pp. 184-189, 1982.26. SYNOPSYS TCAD Manuals.

26. M. C. Vecchi and M. Rudan, "Modeling Electron and Hole Transport with Full-Band Structure Effects by Means of the Spherical-Harmonics Expansion of the BTE," IEEE Transactions on Electron Devices, vol. 45, no. 1, pp. 230-238, 1998.

27. S. Reggiani et al., "Electron and Hole Mobility in Silicon at Large Operating Temperatures—Part I: Bulk Mobility," IEEE Transactions on Electron Devices, vol. 49, no. 3, pp. 490-499, 2002.

28. S. Takagi et al., "On the Universality of Inversion Layer Mobility in Si MOSFET's: Part I—Effects of Substrate Impurity Concentration," IEEE Transactions on Electron Devices, vol. 41, no. 12, pp. 2357-2362, 1994.

29. G. Baccarani, A Unified mobility model for Numerical Simulation, Parasitics Report, DEISUniversity of Bologna, Bologna, Italy, 1999.

30. M. Valdinoci et al., "Impact-ionization in silicon at large operating temperature," in International Conference on Simulation of Semiconductor Processes and Devices (SISPAD), Kyoto, Japan, pp. 27-30, September 1999.

31. S. M. Sze, Physics of Semiconductor Devices, New York: John Wiley & Sons, 2nd ed., 1981.

32. D. J. Dean, Thermal Design of Electronic Circuit Boards and Packages, Ayr, Scotland: Electrochemical Publications Limited, 1985.

33. C. J. Glassbrenner and G. A. Slack, "Thermal Conductivity of Silicon and Germanium from 3oK to the Melting Point," Physical Review, vol. 134, no. 4A, pp. A1058-A1069, 1964.

34. S. S. Furkay, "Thermal Characterization of Plastic and Ceramic Surface-Mount Components," IEEE Transactions on Components, Hybrids, and Manufacturing Technology, vol. 11, no. 4, pp. 521-527, 1988.

35. R. A. Smith, Semiconductors, Cambridge: Cambridge University Press, 2nd ed., 1978.

36. C. Herring, "The Role of Low-Frequency Phonons in Thermoelectricity and Thermal Conduction," in Semiconductors and Phosphors: Proceedings of the International Colloquium, Garmisch-Partenkirchen, Germany, pp. 184-235, August 1956.

37. Т. H. Geballe and G. W. Hull, "Seebeck Effect in Silicon," Physical Review, vol. 98, no. 4, pp. 940-947, 1955.

38. W. Fulkerson et al., "Thermal Conductivity, Electrical Resistivity, and Seebeck Coefficient of Silicon from 100 to 1300oK," Physical Review, vol. 167, no. 3, pp. 765782,1968.

39. С. M. Зи, / Физика полупроводниковых приборов/, часть 1, М., Мир, 1984.

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

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

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

43. D. Jaume et al., /High voltage Planar Devices Using Field Plate and Semi - Resistive Layers/, IEEE Trans. Electron Devices, 1991, No. 7,pp.l681-1684.

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

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

46. Dong-Gun Bae and Sang-Koo Chung, "An analytic model of planar junctions with multiple floating field limiting rings", Solid-State Electronics, Vol. 42, No. 3, pp. 349354, 1998.

47. Dong-Gun Bae and Sang-Koo Chung, "An analytic model for punch-through limited breakdown voltage of planar junctions with multiple floating field limiting rings", Solid-State Electronics, Vol. 44, pp. 2109-2116,2000.

48. Vrej Barkhordarian, "Power MOSFET Basics," International Rectifier, El Segundo, Ca.

49. Библиотека электронных компонентов. Выпуск 3 : Силовая электроника фирмы HARRIS — М. ДОДЭКА, 1999 г., 32 с.

50. Vinod Kumar Khanna, / Insulated Gate Bipolar Transistor IGBT Theory and Design / Wiley-IEEE Press, 2003.

51. IRFRlN60A.pdf, www.irf.com1. УТВЕРЖДАЮ

52. Настоящим актом подтверждается, что результаты, полученные в диссертационной работе Ключникова А.С. были использованы ООО «Кластек» при выполнении НИР, проводившихся компанией в 2006-2007 г.

53. Проректор по HP В. А. Бархоткин2007г.1. АКТ

54. Об использовании результатов диссертационной работы Ключникова А.С.

55. Исследование и разработка конструктивно-технологических решений создания мощных ДМОП-транзисторов с оптимальной площадью при помощи средств приборно-технологического моделирования» в научно исследовательских работах на кафедре ИЭМС.

56. Проректор по HP В. А. Бархоткин2007г.1. Акто внедрении результатов диссертационной работы Ключникова А.С.