Предельные напряжения двух и трехмерных p-n переходов в высоковольтных полупроводниковых приборах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.27.01, кандидат технических наук Шалимов, Олег Николаевич

• Шалимов, Олег Николаевич
• кандидат технических наук
• 2003

Оглавление диссертации кандидат технических наук Шалимов, Олег Николаевич

ОГЛАВЛЕНИЕ.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ПРЕДЕЛЬНЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ р-п ПЕРЕХОДОВ В ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРАХ И МЕТОДЫ ИХ РАСЧЕТА.

1.1. Контакт электронного и дырочного полупроводников.

1.2. Пробой р-п перехода.

1.2.1. Лавинный пробой р-п перехода.

1.2.2. Туннельный пробой.

1.2.3. Методы повышения напряжения лавинного пробоя в планарныхр-п переходах.

1.3 Предельные параметры мощных биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT).

1.4 Постановка задачи численного моделирования полупроводниковых структур.

1.5 Современные численные и аналитические модели планарных р-п переходов для определения напряженности электрических полей и потенциалов.

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 1.

ГЛАВА 2. РАСЧЕТ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ ОТ РАЗЛИЧНЫХ ЧАСТЕЙ ПЛАНАРНОГО РЕЗКОАССИМЕТРИЧНОГО р-п ПЕРЕХОДА МЕТОДАМИ "ЗАРЯЖЕННЫХ ЦИЛИНДРОВ" И "ЗАРЯЖЕННЫХ ШАРОВ".

2.1. Постановка задачи.

2.2. Метод "заряженных цилиндров" для расчета двумерных электрических полей в планарном р-п переходе.

2.2.1. Расчет двумерных электрических полей от плоского заряженного слоя бесконечной ширины методом "заряженных цилиндров".

2.2.2. Расчет двумерных электрических полей от боковой части планарного р+-п перехода бесконечной ширины.

2.3. Метод "заряженных шаров" для расчета электрических полей от различных частей трехмерного р-п перехода.

2.3.1. Расчет электрического поля от однородно заряженного тонкого цилиндра конечной длины методом "заряженных шаров".

2.3.2. Расчет электрического поля от прямоугольного заряженного слоя конечных размеров методом "заряженных шаров".

2.3.3. Расчет электрического поля от боковой цилиндрической части планарного р-п перехода конечной ширины методом "заряженных шаров"

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 2.

ГЛАВА 3. ПРИМЕНЕННИЕ МЕТОДОВ "ЗАРЯЖЕННЫХ ЦИЛИНДРОВ" И "ЗАРЯЖЕННЫХ ШАРОВ" ДЛЯ РАСЧЕТА ЭЛЕТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ ОТ

ЗАРЯЖЕННЫХ ТЕЛ С ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ СИММЕТРИЕЙ.

3.1. Расчет поля от заряженного цилиндра конечной длины.

3.2 Примеры расчета поля от заряженного сплошного цилиндра конечной длины.

3.3 Расчет электрических полей в конденсаторах с электродами в виде круглых дисков и произвольной толщиной диэлектрика.

3.4 Примеры расчетов поля в конденсаторах с произвольной толщиной диэлектрика.

3.5 Расчет электрических полей и предельных напряжений в мезадиоде с круговой /?+-областью.

3.6 Пример расчета полей и напряженностей в трехмерном р-п переходе мезадиода с круговой р+ - областью.

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 3.

ГЛАВА 4. ПРИМЕРЫ РАСЧЕТОВ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ДВУМЕРНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ И ПРОБИВНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ р+-п

ПЕРЕХОДОВ В РАЗЛИЧНЫХ ТИПАХ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ.

4.1. Расчет распределения двумерных электрических полей в плоских р+-п-п+ переходах конечных размеров методом "заряженных цилиндров".

4.2 Пример расчета поля в двухмерномр+-п-п+ диоде.

4.3 Расчет составляющих напряженности электрического поля в мезадиоде

4.4 Пример расчета составляющих поля в двухмерном мезадиоде.

4.5 Расчет составляющих полей и пробивных напряжений в планарных р-п переходах.

4.5.1 Пример расчета составляющих полей и пробивных напряжений в одномерных планарных р-п переходах.

4.5.1 Пример расчета составляющих полей и пробивных напряжений в двухмерных планарных р-п переходах.

4.6 Расчет напряженности поля в эмиттерном р-п переходе и падения напряжения коллектор-эмиттер Ukd в транзисторах с инжекцией, усиленной затвором (IEGT).

4.7 Пример расчета полей и пробивных напряжений в IEGT.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Предельные напряжения двух и трехмерных p-n переходов в высоковольтных полупроводниковых приборах»

Актуальность темы. В большинстве современных кремниевых биполярных, МОП- транзисторах, биполярных транзисторов с изолированным затвором (БТИЗ), в биполярных и МОП интегральных схемах используются планарные р-п переходы. Планарная технология является основным методом формирования современных транзисторных структур, одним из преимуществ которой является ее универсальность, позволяющая на одном и том же оборудовании организовать производство различных по параметрам транзисторов путем применения различных фотошаблонов и режимов диффузии примеси.

Одной из актуальных проблем при разработке высоковольтных транзисторов является повышение их пробивного напряжения. Определение оптимальных технологических параметров непосредственным подбором на практике не выгодно из-за высокой стоимости производства приборов. Поэтому все большее значение приобретает моделирование полупроводниковых структур с помощью различных математических методов. Распределение поля и потенциала в планарных р-п переходах имеет свою специфику, обусловленную искривлением фронта диффузии, возникающем при создании локальной базовой или истоковой области. Атомы примеси во время диффузии проникают не только вглубь области коллектора (в вертикальном направлении), но и под окисную маску на значительную глубину, образуя искривленный участок р-п перехода. Математический анализ этого случая диффузии показывает, что фронт диффузии у края окисной маски имеет почти цилиндрическую форму [1].

В общем случае планарный р-п переход можно разбить на три области: плоскую часть, цилиндрическую и сферическую части. Последние две области нельзя описать с помощью одномерных дифференциальных уравнений. Поэтому расчет электрического поля в планарных р-п переходах сильно затруднен, так как необходимо учитывать очень сильное влияние кривизны перехода.

Моделирование планарных р-п переходов, находящихся под обратным смещением, во многих случаях производится не совсем корректно. Так, весьма приблизительно задаются граничные условия: считается, что напряженность электрического поля на поверхности перехода и за его пределами равняется нулю [1]-[5], что на самом деле некорректно, так же считается, что распределение полей в плоской части р-п перехода носит линейный характер. Кроме того, решение уравнения Пуассона для р-п перехода по методу конечных разностей или конечных элементов, является сложным из-за трудности задания граничных условий и из-за большого объема машинного времени, необходимых для реализации этих методов.

Поэтому на кафедре физики полупроводников и микроэлектроники ВГУ профессором Петровым Б.К. были предложены новые методы расчета полей в резкоасимметричных планарных р-п переходах - метод "заряженных цилиндров" и "заряженных шаров", смысл которых заключается в том, что сам планарный р-п переход, находящийся под обратным смещением заменяется слоями, состоящими из положительно и отрицательно заряженных цилиндров, которые в свою очередь заменяем набором заряженных шаров, при этом вводится эффективная концентрация акцепторов (доноров), учитывающая наличие полостей между шарами и цилиндрами. Методы "заряженных цилиндров" и "заряженных шаров" отличаются простотой и наглядностью, для них нет необходимости в строгих граничных условиях, требуется только лишь равенства нулю нормальных составляющих полей на границах р-п переходах.

Работа является частью исследований, проводимых на кафедре физики полупроводников и микроэлектроники ВГУ по госбюджетной теме НИЧ -802 "Разработка многомерных моделей в мощных биполярных транзисторах с изолированным затвором (БТИЗ)".

Цель работы. Целью данной диссертации являлся расчет составляющих напряженности электрического поля и пробивных напряжений в высоковольтных планарных р^-п переходах, находящихся под обратным смещением, в биполярных транзисторах, диффузионных истоковых р -ячейках высоковольтных ДМОГТ транзисторов различной конфигурации методами "заряженных цилиндров" и "заряженных шаров" с учетом влияния неоднородного распределения примеси по глубине. Поставленная цель определяет следующие задачи: вывод формул для расчета составляющих электрического поля в различных частях планарного р-п перехода при любых соотношениях ширины, длины и толщины р-п перехода; математическое моделирование различных полупроводниковых структур с помощью метода "заряженных цилиндров" и "заряженных шаров"; определение оптимальных конструктивных параметров для достижения заданных пробивных напряжений при проектировании мощных высоковольтных полупроводниковых приборов.

Научная новизна. Основные результаты работы, имеющие научно-техническую новизну, следующие:

1. Разработаны новые аналитические методы для расчета составляющих напряженностей электрического поля - метод "заряженных цилиндров" для двумерных р-п переходов и "заряженных шаров" для трехмерных р-п переходов. В отличие от методов конечных разностей и элементов эти методы просты в реализации, не требует задания сложных граничных условий, здесь требуется лишь равенство нулю нормальных составляющих полей на границах р-п перехода;

2. С помощью этих методов впервые выведены формулы для расчета полей от различных структур (цилиндра конечной длины, плоского заряженного слоя и др.);

3. Впервые выведены формулы для расчета поля от боковых и плоской частей двух и трехмерных планарных р-п переходов;

4. Разработана методика расчета напряженностей электрических полей и пробивных напряжений в планарных р-п переходах, мезадиоде, одной из новых разновидностей биполярных транзисторов с изолированным затвором (транзистор с инжекцией, усиленной затвором (IEGT)), методом "заряженных цилиндров".

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Новые методы расчета составляющих напряженностей электрических полей в двумерных и трехмерных р-п переходах - метод "заряженных цилиндров" и метод "заряженных шаров" соответственно.

2. Аналитические выражения для расчета распределения составляющих напряженности электрического поля от различных частей планарного р-п перехода, в мезадиодах, в БТИЗ-ах.

3. Положение о необходимости наличия заряда на внешних, сторонах металлических контактов для соблюдения условия электронейтральности в квазинейтральных частях р-п переходов.

4. Вывод об уменьшении пробивных напряжений на 15-50% в случае р-п переходов малой длины /в, сравнимой с толщиной р-п перехода х2-х0, по сравнению с одномерными р-п переходами с большой длиной (1а>10(х2

Xq)).

Практическая значимость диссертации и использование полученных результатов. Предложенная в диссертации методика расчета распределения составляющих напряженности электрического поля в планарных р-п переходах может найти широкое применение для оптимизации полупроводниковых структур по пробивному напряжению, как в лабораторных условиях, так и в промышленности, так как предполагает использование стандартного промышленного оборудования и легко поддается автоматизации. Полученные аналитическими методами инженерные формулы для расчета распределения составляющих напряженности электрического поля могут быть использованы для оптимизации параметров различных мощных полупроводниковых приборов (биполярных, МОП транзисторах, БТИЗ и других приборах) на ЗАО "Микрон", ВЗПП, НИИЭТ в производстве сильноточных мощных полупроводниковых приборов.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на: всероссийской межвузовской научно-технической конференции "Микроэлектроника и информатика - 98", научно-техническом семинаре "Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах (метрология, диагностика, технология, учебный процесс) (Москва 2001г., 2002г.)", научной конференции преподавателей и сотрудников ВГУ (2001г.), VIII междунородной научно-технической конференции "Радиолакация. Навигация. Связь" (Воронеж 2002г.), IV международной научно-технической конференции "Электроника и информатика 2002",

Публикации. По результатам исследований, представленных в диссертации, опубликовано 10 печатных работ, в том числе 3 статьи в сборниках научных трудов, 1 статья в центральной печати, 2 тезисов докладов и 4 доклада на научно-технических конференциях и семинарах. В совместных работах автору принадлежит вывод формул, обработка результатов, проведение расчетов и написание программного средства.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения. Работа содержит 135 страниц печатного текста, включая 43 рисунка, 9 таблиц и список литературы из 39 наименований.

Заключение диссертации по теме «Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и нано- электроника на квантовых эффектах», Шалимов, Олег Николаевич

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 4:

1. Рассчитано распределения поля в плоском двухмерном р-п переходе, в котором длины / акцепторной и донорной области одинаковы и в двухмерном мезадиоде. Показано, что распределение поля не является линейным, и, чем меньше длина р-п перехода /, тем более распределение поля отличается от линейного закона. Показано, что в мезадиоде толщина слоя, состоящего из полностью ионизованных положительных доноров, изменяется по закону (4.13).

2. Рассчитано распределение поля и пробивные напряжения в одномерных и двумерных планарных р-п переходах. Напряжение пробоя двумерного р-п перехода с плоской частью длиной 1а=40мкм оказалось меньше на 18% (U„Po6=272B), чем напряжение пробоя, рассчитанное по известной формуле (1.32) (Unpo6=330B), и, чем уже р-п переход, тем это отличие больше.

3. Показано, что боковая часть реального р-п перехода не является симметричной как полагалось раннее в [1-3] и соответственно пробой наступает не вдоль биссектрисы, а практически на поверхности перехода.

4. Впервые рассчитано распределение поля в двухмерном эмиттерном р-п переходе одной из новых разновидностей БТИЗ - транзисторе с инжекцией усиленной затвором (IEGT) не только в эмиттерной области, но и под затворным диэлектриком. Показано, что пробой наиболее вероятен в эмиттерной области и напряжение пробоя в этом приборе оказалось равным 661В.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящей работе решена актуальная задача для полупроводниковой электроники - установление зависимости пробивного напряжения высоковольтных р+-п переходов в диодах, биполярных транзисторах, биполярных транзисторах с изолированным затвором (БТИЗ), истоковых переходов в МОП - транзисторах от геометрических размеров переходов наряду с такими известными параметрами, как глубина металлургического перехода и уровень легирования высокоомной «-области.

Основными выводами в диссертации можно считать следующие:

1. Предложены новые методы расчета распределения составляющих напряженности электрического поля в р-п переходах - методы "заряженных цилиндров" и "заряженных шаров". Эти методы отличаются наглядностью и универсальностью, они достаточно просты в реализации, не требуют задания сложных граничных условий, необходимо лишь равенство нулю поля на границах р-п перехода и за его пределами. Впервые получены выражения для составляющих напряженности электрических полей от заряженного цилиндра и заряженной плоскости конечных размеров, выведены формулы для расчета составляющих электрического поля в цилиндрической части планарного р-п перехода.

2. С помощью метода "заряженных шаров" получено распределение поля и пробивное напряжение в трехмерном мезадиоде. Показано, что реальное напряжение пробоя на 50% ниже, чем аналогичное рассчитанное в одномерном приближении. Показано, что для выполнения условия нулевого поля в квазинейтральных частях двух-, трехмерных р-п переходах необходимо наличие заряда на внешних сторонах металлических обкладок.

3. Выполнен расчет распределения поля в плоском р-п переходе и двумерном мезадиоде. Показано, что распределение поля, как предполагается в некоторых методах расчета, не является линейным; чем меньше длина р-п перехода 1а, тем больше распределение поля отличается от линейного закона.

4. На основании расчета получено распределение поля и пробивные напряжения в двухмерных планарных р-п переходах. Напряжение пробоя р-п перехода оказалось меньше на 20-50%, чем напряжение пробоя, рассчитанное по одномерной модели, и, чем уже р-п переход, тем это отличие больше. Показано, что боковая часть планарного р-п перехода не является симметричной относительно биссектрисы, и соответственно пробой наступает практически на поверхности.

5. Проведен расчет распределения поля в одной из новых разновидностей БТИЗ транзистор с инжекцией усиленной затвором IEGT не только в эмиттерной области, но и под затвором. Показано, что пробой наиболее вероятен в эмиттерной области и напряжение пробоя в этом приборе оказалось равным 661В.

На основании выполненных теоретических исследований следует, что на предприятиях электронной промышленности при проектировании и разработке технологических процессов изготовления высоковольтных полупроводниковых приборов и ИС с заданными пробивными напряжениями р+-п переходов Unpoe необходимо учитывать эффект снижения пробивного напряжения переходов, охранных и делительных колец на 25-50%, если поперечные размеры последних (при заданных глубинах залегания металлургического перехода, удельного сопротивления и толщины высокоомной п- области) оказывается меньше толщины Ьр.п(ипроб).

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Шалимов, Олег Николаевич, 2003 год

1. Зи С. Физика полупроводниковых приборов. Tl; М: Мир.- 1984. - 466с.

2. Блихер А. Физика силовых биполярных и полевых транзисторов. -Ленинград: Энергоатомиздат, 1986. 248с.

3. Грехов И.В., Сережкин Ю.Н. Лавинный пробой р-п перехода в полупроводниках. Ленинград: Энергия, 1980. 150с.

4. Колесников В.Г., Никишин В.И., Сыноров В.Ф. Кремниевые планарные транзисторы. Под. Ред. Федотова Я.A.M.:Сов. Радио, 1973, 335с.

5. Флоренцев С.Н. Состояние и перспективы развития приборов силовой электроники на рубеже столетий (анализ рынка)// Электротехника, №4, 1999. С.2-10

6. Ковалев В.Д., Мельников B.C., Орлов В.Н. Силовое полупроводниковое приборостроение в начале XX века// Электротехника, №9, 2001. С.9-12.

7. Польский Б.С. Численное моделирование полупроводниковых приборов. Рига: Зинатне, 1986.- 247с.

8. Бубенников А.Н. Моделирование интегральных микротехнологий, приборов и схем. М. Высшая школа, 1989, 320с.

9. Агаларзаде П.С., Петрин А.И., Изидинов С.О. Основы конструирования и технология обработки поверхности р-п перехода. М: Советское радио. -1978.-223с.

10. Куршева Е. Н., Петров Б. К. Устойчивость мощных высоковольтных ДМОП транзисторных структур к явлениям лавинного пробоя. Известия высших учебных заведений. Электроника. 1996. - №6. - с. 30-34.

11. Kang-Deog Suh, Soon-Won Hong, Kwyro Lee, Choong-Ki Kim. An Analysis for potential of floating guard rings// Solid-State Electronics Vol. 33, №9, 1990. Pp. 1125-1129.

12. Dong-Gun Bae, Sang-Koo Chung. An analytic model for punch-through limited breakdown voltage of planar junction with multiple floating field limiting rings// Solid-State Electronics Vol. 42, №12, 2000. Pp. 2109-2116.

13. Dong-Gun Bae, Sang-Koo Chung. An analytic model of planar junctions whit multiple floating field limiting ring// Solid-State Electronics Vol. 42, №3, 1998. Pp. 349-354.

14. Basavana Goud C., Bhat K.N. Two-dimensional analysis and design considerations of high-voltage planar junctions equipped with field plate and guard ringII IEEE transaction on electron devices Vol.38, №6, 1991. Pp. 1497-1504.

15. Brown E.R. Megawatt solid-state electronics// Solid-State Electronics Vol. 42, №12,1998. Pp. 2119-2130.

16. Мнацаканов T.T., Юрков C.H., Кюрегян A.C., Поморцева Л.И., Тандоев А.Г. Развитие работ в области моделирования мощных полупроводниковых приборов// Электричество, №9, 2001. С. 62-67.

17. P. Pejovic, D. Maksimovic. A new algorithm for simulation of power electronic systems using piecewise-linear device models// IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 10, No. 3, May 1995, pp. 340-348.

18. Поташников М.Ю. COL MOSTM: Сименс прорывает барьер// Электротехника, №4, 1999. С. 18-20.

19. Kitagawa М., Ogura Т., Matsuda Н. Injection Enhanced Gate Transistor// Toshiba documents corporation. Toshiba corporation, 1997.

20. Ohashi H., Sugimoto T. Future trends in next-generation power devices// Toshiba documents corporation. Toshiba corporation, 1997.

21. Takashi Sugomoto.Senior Fellow, Semiconductor group. Toshiba corporation// TX system rise, nov. 1998.

22. Шалимов O.H. Расчет электрических полей В ДМОП транзисторах методом "заряженных шаров"// Тезисы доклада всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов

23. Зеленоград 20-22апреля 1998г.) "Микроэлектроника и информатика — 98". М.: МИЭТ, 1998. 4.1 С. 288.

24. Петров Б.К., Шалимов О.Н. Метод "заряженных цилиндров" для расчета электрических полей в двумерных р-п переходах// Материалы докладов VIII международной научно-технической конференции "Радиолокация. Навигация. Связь". Воронеж, 2002. С. 2042-2050.

25. Петров Б.К., Шалимов О.Н. Расчет электрического поля и пробивных напряжений в планарных р+-п переходах// В кн.: Синтез, передача и прием сигналов управления и связи. Межвузовский сборник научных трудов. Воронеж: ВГТИ, 2002. №8. С. 151-159.

26. Градштейн И.С., Рыжник И.Н. Таблица интегралов, сумм, рядов и произведений. М.: Государственное издательство физико-математической литературы. 1962, 1100с.

27. Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике. М: Наука, 1985.-512с.

28. Петров Б.К., Шалимов О.Н. Расчет электрических полей и емкости конденсаторов с произвольной толщиной диэлектрика// В кн.:

29. Твердотельная электроника и микроэлектроника. Сборник научных трудов. Воронеж: ВГТИ, 2001. С. 28-33.

30. Кузьмин В.А., Юрков С.Н., Поморцева Л.И. Анализ и моделирование статических характеристик биполярных транзисторов с изолированным затвором// Радиотехника и электроника, №7, 1996.

31. Кузьмин В.А., Юрков С.Н. Теоретический анализ эффекта защелкивания в одномерных транзисторах с изолированным затвором// Радиотехника и электроника, №5, 1994.

32. Петров Б.К., Шалимов О.Н. Расчет электрических полей в биполярных транзисторах методом "заряженных цилиндров"// Петербургский журнал электроники. 2002. №1. С. 30-35.

33. Yamazaki Т., Baliga В. J. Analysis and suppression of patch up during IGBT mode DG - BRT operation// Solid-State Electronics Vol. 42, №3, 1998. Pp. 393-400.

34. Kunlmunn U., Sitting R. Minimum luteral axtantion of planar junction termination// Solid state electronics. Vol. 43, №11,1999. Pp. 2006-2010.

35. Budong You, Alex Q. Huang. Analysis of high-voltage trench bipolar junction diode// Solid state electronics. Vol. 43, №9, 1999. Pp. 1777 1783.