Влияние конструктивно-технологических факторов на элек трические параметры мощных свч ldmos тра н зисторов
На правах рукописи
ТКАЧЕВ Александр Юрьевич
Влияние конструктивно-технологических факторов
на электрические параметры мощных СВЧ LDMOS
транзисторов
Специальность: 05.27.01 – Твердотельная электроника,
радиоэлектронные компоненты,
микро- и наноэлектроника, приборы
на квантовых эффектах
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Воронеж – 2011
Работа выполнена в ГОУ ВПО «Воронежский государственный университет»
Научный руководитель доктор технических наук, профессор
Петров Борис Константинович
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор
Нисков Валерий Яковлевич;
кандидат технических наук, доцент
Красюков Антон Юрьевич
Ведущая организация ОАО «Ангстрем», г. Зеленоград
Защита состоится 5 апреля 2011 г. в 14.00 часов в конференц-зале на заседании диссертационного совета Д 212.037.06 ГОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» по адресу: 394026, г. Воронеж, Московский просп., 14.
С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ГОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет».
Автореферат разослан "____" марта 2011 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета Горлов М.И.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. В современной полупроводниковой электронике важное место занимают разработка и производство кремниевых мощных СВЧ LDMOS транзисторов. Область применения таких транзисторов постоянно расширяется. Они используются в каскадах усилителей мощности систем радиосвязи и телерадиовещания, в базовых станциях сотовой связи, в РЛС различного назначения и других телекоммуникационных системах. Мощные СВЧ LDMOS транзисторы обладают рядом существенных преимуществ перед биполярными и DMOS транзисторами аналогичного функционального назначения – отсутствие накопления и рассасывания избыточных зарядов неосновных носителей, возможность реализации более высоких значений коэффициента усиления по мощности, тепловая устойчивость во всем диапазоне рабочих температур. Кроме того, LDMOS технология предусматривает формирование контакта истока на обратной поверхности кристалла, что делает возможным монтаж транзисторных кристаллов непосредственно на фланец без использования керамики из BeO.
Необходимо отметить тот факт, что в настоящее время в Российской Федерации мощные СВЧ LDMOS транзисторы серийно не производятся. Основным сдерживающим фактором в развитии перспективных разработок отечественных мощных СВЧ LDMOS транзисторов является отсутствие теоретических основ проектирования современных транзисторов данного класса. СВЧ LDMOS транзисторы являются достаточно специфичным конструктивно-технологическим решением, и до настоящего времени в литературе отсутствуют сведения по аналитическим методам расчета параметров данного класса транзисторов. Однако, в связи с высоким уровнем развития современных высокопроизводительных ЭВМ и программных комплексов для численного моделирования полупроводниковых приборов (САПР), становится возможным исследование и проектирование современных LDMOS транзисторов с использованием данных систем приборно-технологического моделирования без привлечения аналитических методов расчета. Поэтому построение комплексной модели СВЧ LDMOS транзисторной структуры в среде современной приборно-технологической САПР является актуальной задачей. Построение такой модели позволит изучить влияние конструктивно-технологических факторов на электрические параметры LDMOS транзисторных структур, выработать рекомендации для проектирования LDMOS транзисторов и разработать конструктивно-технологический базис производства новейших отечественных мощных СВЧ LDMOS транзисторов. Разработка методик моделирования и проектирования мощных СВЧ LDMOS транзисторных структур в среде приборно-технологической САПР позволит создавать транзисторы с требуемыми электрическими параметрами при минимальном количестве верификаций и экспериментальных партий.
Данная работа проводилась в соответствии с планом ГБ НИР кафедры физики полупроводников и микроэлектроники Воронежского госуниверситета, а также ФГУП «НИИЭТ», в рамках реализации программных мероприятий по ФЦП «Развитие электронной компонентной базы и радиоэлектроники» на 2008-2015 годы и Государственной программы вооружения до 2015 года.
Цель работы – установление с помощью численного моделирования в среде приборно-технологической САПР ISE TCAD зависимостей основных электрических параметров СВЧ LDMOS транзисторных структур от конструктивно-технологических факторов, а также исследование и разработка конструктивно-технологического базиса перспективных СВЧ LDMOS транзисторных структур. Для достижения поставленной цели в диссертации решались следующие задачи:
- Разработка модели СВЧ LDMOS транзисторной структуры в среде САПР ISE TCAD, методик моделирования и программного обеспечения для расчета в среде данной САПР конструкции, технологии и основных электрических параметров (Uпор, Uси проб, Rси, S, Iси нас, Свх, Спрох, Свых) СВЧ LDMOS транзисторных структур.
- Установление с помощью численного моделирования зависимостей пробивного напряжения сток-исток Uси проб, сопротивления сток-исток Rси, проходной Спрох и выходной Свых емкостей СВЧ LDMOS транзисторных структур от параметров дрейфовой области стока (LDD) и других конструктивно-технологических параметров.
- Исследование влияния заземленного полевого электрода над дрейфовой областью стока на основные электрические параметры (Uси проб, Rси, Спрох, Свых) СВЧ LDMOS транзисторных структур.
- Исследование перспективной LDMOS транзисторной структуры с суперпереходом, конструкция дрейфовой области стока которой основана на системе полос с чередующимся типом проводимости.
- Разработка конструкции торцевых участков стоковых областей полосковой структуры СВЧ LDMOS транзисторного кристалла, предназначенной для работы при напряжении питания на уровне 50 В.
- Разработка методики проектирования перспективных мощных СВЧ LDMOS транзисторных кристаллов, базирующейся на численном моделировании в среде современной САПР, с учетом установленных зависимостей электрических параметров LDMOS транзисторных структур от конструктивно-технологических факторов.
Научная новизна исследований.
- Разработана модель СВЧ LDMOS транзисторной структуры в среде САПР ISE TCAD, а также комплекс методик моделирования и программного обеспечения для расчета в среде данной САПР конструктивно-технологических и электрических параметров (Uпор, Uси проб, Rси, S, Iси нас, Свх, Спрох, Свых) СВЧ LDMOS транзисторных структур.
- Впервые выполнены исследования по установлению зависимостей основных электрических параметров (Uси проб, Rси, Спрох, Свых) СВЧ LDMOS транзисторных структур от важнейших конструктивно-технологических факторов с учетом реального профиля распределения концентрации примеси в эпитаксиальном слое.
- Впервые показано, что для каждого сочетания длины LDD области LLDD, параметров эпитаксиального слоя Dэпи и эпи, глубины истоковой р+-области Xjp+ существует оптимальная концентрация примеси в LDD области Nsd LDD, соответствующая максимуму концентрационной зависимости Uси проб(Nsd LDD), при которой параметры Rси, Спрох и Свых принимают оптимальные компромиссные значения.
- Впервые выполнены исследования по установлению зависимостей основных электрических параметров (Uси проб, Rси, Спрох, Свых) СВЧ LDMOS транзисторных структур от длины Lпэ заземленного полевого электрода над дрейфовой областью стока и толщины окисла DSiO2 под ним. Показано, что использование полевого электрода при оптимальных его параметрах позволяет значительно снизить Rси и Спрох без существенного изменения максимального Uси проб.
- Разработан аналитический метод расчета пробивного напряжения сток-исток Uси проб перспективной конструкции LDMOS транзисторной структуры с суперпереходом, сформированной по технологии кремний-на-сапфире (КНС). Впервые получен критерий выбора ширины полос суперперехода при заданной концентрации примесей в них.
- Разработана оригинальная конструкция торцевых участков стоковых областей полосковой структуры СВЧ LDMOS транзисторных кристаллов, основанная на использовании заземленного полевого электрода.
- Разработана комплексная методика проектирования перспективных конструкций мощных СВЧ LDMOS транзисторных кристаллов с использованием современных приборно-технологических САПР.
Практическая значимость работы. Основные результаты диссертации, а именно: модель СВЧ LDMOS транзисторной структуры в САПР ISE TCAD, комплекс методик и программного обеспечения для моделирования СВЧ LDMOS транзисторных структур в САПР ISE TCAD, результаты исследований зависимостей электрических параметров транзисторных структур от конструктивно-технологических факторов, рекомендации по выбору параметров полевого электрода, методика проектирования мощных СВЧ LDMOS транзисторных кристаллов, конструкция периферийных участков стоковых областей, использованы при разработке новых типов мощных СВЧ LDMOS транзисторов в ходе выполнения ряда НИР и ОКР, проводимых в ФГУП «НИИЭТ» (г. Воронеж). Использование результатов диссертации подтверждается Актом о внедрении результатов диссертации.
Основные положения, выносимые на защиту.
- Модель СВЧ LDMOS транзисторной структуры в среде САПР ISE TCAD, комплекс методик моделирования и программного обеспечения для расчета в среде данной САПР влияния конструктивно-технологических факторов на основные электрические параметры (Uпор, Uси проб, Rси, S, Iси нас, Свх, Спрох, Свых) СВЧ LDMOS транзисторных структур.
- Расчетные зависимости электрических параметров (Uси проб, Rси, Спрох, Свых) СВЧ LDMOS транзисторных структур от основных конструктивно-технологических факторов, учитывающие реальный профиль распределения концентрации примеси в эпитаксиальном слое.
- Для каждого сочетания длины LDD области LLDD, параметров эпитаксиального слоя Dэпи и эпи, глубины истоковой р+-области Xjp+ существует оптимальная концентрация примеси в LDD области Nsd LDD, соответствующая максимуму концентрационной зависимости Uси проб(Nsd LDD), при которой параметры Rси, Спрох и Свых принимают оптимальные компромиссные значения.
- Расчетные зависимости электрических параметров (Uси проб, Rси, Спрох, Свых) СВЧ LDMOS транзисторных структур от длины Lпэ заземленного полевого электрода над дрейфовой областью стока и толщины окисла DSiO2 под ним. Использование полевого электрода при оптимальных его параметрах позволяет значительно снизить Rси и Спрох без существенного изменения максимального значения Uси проб.
- Аналитический метод расчета пробивного напряжения сток-исток Uси проб перспективной конструкции LDMOS транзисторной структуры с суперпереходом, сформированной по технологии КНС, а также критерий выбора ширины полос суперперехода при заданной концентрации примесей в них.
- Конструкция торцевых участков стоковых областей полосковой структуры СВЧ LDMOS транзисторных кристаллов, основанная на использовании заземленного полевого электрода.
- Комплексная методика проектирования перспективных конструкций мощных СВЧ LDMOS транзисторных кристаллов с использованием современных приборно-технологических САПР.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на следующих конференциях: V Международная научная конференция «Химия твердого тела и современные микро- и нанотехнологии» (Кисловодск, 2005); V Международная научно-техническая конференция «Электроника и информатика - 2005» (Зеленоград, 2005); 13, 14, 15, 16, 17 Всероссийские межвузовские научно-технические конференции студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика» (Зеленоград, 2006, 2007, 2008, 2009, 2010); XII, XIV, XVI Международные научно-технические конференции «Радиолокация, навигация, связь» (Воронеж, 2006, 2008, 2010); 10 Международная научная конференция и школа-семинар «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники» (Таганрог, 2006); IV Международный семинар «Физико-математическое моделирование систем» (Воронеж, 2007); Международный научно-методический семинар «Флуктуационные и деградационные процессы в полупроводниковых приборах» (Москва, 2009).
Публикации. По результатам исследований, представленных в диссертации, опубликовано 26 печатных работ, в том числе 2 – в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. В совместных работах автору лично принадлежат: [1-26] – разработка моделей транзисторных структур в среде САПР ISE TCAD, методик моделирования и программного обеспечения; [1-17, 19-26] – проведение моделирования конструкции, технологии и электрических параметров транзисторных структур в САПР ISE TCAD; [1, 2, 19-26] – разработка конструкции и технологии СВЧ LDMOS транзисторных структур; [1, 23] – аналитический вывод выражений для расчета напряжения поперечного пробоя и критерия выбора ширины полос суперперехода при заданной концентрации примесей в них; [2, 25, 26] – разработка конструкции торцевых участков стоковых n+-полос.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитируемой литературы, содержащего 80 наименований. Объем диссертации составляет 159 страниц, включая 74 рисунка и 9 таблиц.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель работы и основные задачи исследований, приведены положения, выносимые на защиту, показана научная новизна полученных результатов и их практическая значимость, приведены сведения об апробации результатов работы, публикациях, структуре и объеме диссертации.
В первой главе представлен литературный обзор основных этапов развития конструкций мощных ВЧ и СВЧ МОП транзисторов, проведен анализ современного состояния разработок отечественных и зарубежных СВЧ LDMOS транзисторов. Рассмотрены перспективные конструкции МОП транзисторных структур, а также особенности подхода к исследованию и проектированию транзисторных структур с использованием современных приборно-технологических САПР. Проведен анализ методов численного моделирования важнейших технологических операций, а также электрических характеристик LDMOS транзисторных структур. По результатам анализа научно-технической и патентной литературы сформулированы задачи и определены направления исследований.
Во второй главе рассмотрен разработанный комплекс методик моделирования и программного обеспечения, предназначенный для построения модели СВЧ LDMOS транзисторной структуры в среде САПР ISE TCAD и проведения численного моделирования конструкции, технологии и основных электрических параметров СВЧ LDMOS транзисторных структур.
В связи с широким спектром решаемых задач САПР ISE TCAD включает в себя большой набор моделей технологических операций и физических эффектов. В то же время, в данной САПР отсутствуют готовые методики и средства моделирования СВЧ LDMOS транзисторных структур, требующие учета специфики физических эффектов, характерных для данных приборов. С учетом специфики и возможностей САПР ISE TCAD разработаны универсальные методики и комплект командных файлов для моделирования СВЧ LDMOS транзисторных структур в среде данной САПР. Разработанные методики позволяют проводить исследование зависимостей основных электрических параметров (Uпорог, Uси проб, Rси, Iси макс, S, Cвх, Спрох, Свых) от конструктивно-технологических параметров LDMOS транзисторной структуры. Комплексная схема моделирования с использованием разработанных методик моделирования представлена на рис. 1.
Рис. 1. Общая схема методик сквозного моделирования СВЧ LDMOS транзисторных структур в среде САПР ISE TCAD
Всю схему моделирования можно разделить на два самостоятельных цикла, основанных на структурном и технологическом моделировании (рис. 1). Структурная модель транзисторной ячейки отражает лишь основные, первостепенные особенности конструкции, в то время как тонкие технологические эффекты не учитываются. Технологическая модель полупроводникового прибора может быть максимально приближена к реальному прибору. Однако затраты машинного времени на технологическое моделирование существенно больше, чем на построение структурной модели прибора.
Для эффективной реализации разработанных методик сквозного моделирования СВЧ LDMOS транзисторных структур разработаны унифицированные командные файлы для программ DEVISE, DIOS, MESH, DESSIS, INSPECT. В данной главе представлены основные принципы построения командных файлов и их структурная организация.
В третьей главе представлены результаты исследования влияния конструктивно-технологических факторов на основные электрические параметры СВЧ LDMOS транзисторных структур (Uси проб, Rси, Спрох, Свых). Исследование проведено путем моделирования в САПР ISE TCAD на базе разработанных методик и программного обеспечения, рассмотренных во второй главе диссертации. Схема конструкции базовой модели СВЧ LDMOS транзисторной структуры показана на рис. 2.
Рис. 2. Схема конструкции базовой модели СВЧ LDMOS транзисторной структуры
Для учета профиля распределения примеси в эпитаксиальном р--слое определены режимы моделирования эпитаксиального наращивания, обеспечивающие близкое совпадение с экспериментальными профилями эпитаксиальных структур, изготовленных ЗАО «Эпиэл» (г. Зеленоград).
Электрические параметры модели СВЧ LDMOS транзисторных структур определялись по вольт-амперным характеристикам, рассчитанным путем численного решения уравнения Пуассона совместно с уравнениями непрерывности для электронов и дырок при изменении потенциала на заданном электроде модели транзисторной структуры.
Как показали проведенные исследования, наибольшее влияние на пробивное напряжение стока Uси проб, помимо параметров эпитаксиального р--слоя, оказывают параметры дрейфовой n--области стока (LDD). В данной главе приведены результаты моделирования влияния на Uси проб длины и глубины LDD области, а также концентрации примеси в ней. На рис. 3 приведены зависимости Uси проб от концентрации примеси Nsd LDD в LDD области.
Зависимость пробивного напряжения Uси проб СВЧ LDMOS транзисторной структуры от концентрации примеси в LDD области имеет явно выраженный максимум (рис. 3), положение и величина которого зависят от длины LDD области, толщины, концентрации примеси и степени автолегирования эпитаксиального слоя.
Оптимальная концентрация примеси в LDD области Nsd LDD соответствует положению максимума на концентрационной зависимости пробивного напряжения. При оптимальной концентрации примеси Nsd LDD LDD область практически полностью обедняется при Uси = Uси проб, максимум напряженности электрического поля находится на границе n+-области стока, пробой при этом локализован также на границе n+-области стока (рис. 4а).
Рис. 3. Расчетные зависимости Uси проб СВЧ LDMOS транзисторной структуры от концентрации примеси Nsd LDD в LDD области: а) Dэпи = 6 мкм, эпи = 5 Омсм; б) Dэпи = 10 мкм, эпи = 5 Омсм; в) Dэпи = 10 мкм, эпи = 20 Омсм
Если поверхностная концентрация примеси Nsd LDD меньше оптимальной, LDD область полностью обедняется до наступления пробоя, т.е. при Uси < Uси проб. Соответственно, падение напряжения на обедненной LDD области снижается, и пробой происходит при более низком напряжении.
В том случае, если концентрация примеси Nsd LDD больше оптимальной, LDD область полностью не обедняется даже при пробивном напряжении Uси = Uси проб. При этом по мере увеличения Uси резко возрастает напряженность электрического поля между краем затвора и необедненной частью LDD области, и область пробоя перемещается под край затвора (рис. 4б).
 |  |
| Рис. 4. Распределение интенсивности лавинной генерации носителей при пробое. Dэпи = 10 мкм, эпи = 20 Омсм. а) Nsd LDD = 91016 см-2; б) Nsd LDD = 111016 см-2 | |
В данной главе приведены результаты моделирования влияния на Uси проб параметров эпитаксиального слоя и глубины истоковой р+-области. Максимальное пробивное напряжение стока в значительной мере лимитируется толщиной эпитаксиального р--слоя, что объясняется ограничением распространения ОПЗ стока вглубь границей сильнолегированной р+-подложки. При проведении длительной высокотемпературной обработки при разгонке истоковой р+-области происходит диффузия примеси из р+-подложки в эпитаксиальный слой, что эквивалентно уменьшению толщины эпитаксиального слоя с соответствующим снижением пробивного напряжения стока.
Как показывают расчеты, основной вклад в сопротивление сток-исток в открытом состоянии Rси СВЧ LDMOS транзисторных структур вносит сопротивление LDD области и сопротивление участка соединительная металлизация – контакт истока. Сопротивление LDD области обратно пропорционально концентрации примеси в ней, поэтому увеличение концентрации примеси более значения, соответствующего максимуму зависимости Uси проб(Nsd LDD), нецелесообразно, так как приводит лишь к незначительному снижению Rси при резком снижении Uси проб. С точки зрения минимизации Rси и максимизации Uси проб существует оптимальная компромиссная глубина истоковой р+-области Xjp+. Для заданных в данном исследовании эпитаксиальных структур оптимальная глубина р+-области лежит в диапазоне от 0,5Dэпи до (0,5Dэпи+1) мкм. Увеличение Xjp+ больше оптимального значения нецелесообразно, т.к. Rси при этом уменьшается незначительно, а максимальное пробивное напряжение стока Uси проб резко снижается.
Проходная Спрох (Сзс) и выходная Свых (Сси) емкости LDMOS транзисторной структуры в наибольшей степени зависят от параметров LDD области. Во всем диапазоне концентраций примеси Nsd LDD, близком к области максимума зависимости Uси проб(Nsd LDD), проходная и выходная емкости LDMOS транзисторной структуры достаточно резко увеличиваются с ростом Nsd LDD. Проходная емкость СВЧ LDMOS транзисторных структур значительно снижается при увеличении длины и глубины LDD области.
На основе результатов проведенных исследований показано, что выбор оптимальной концентрации примеси в LDD области при заданных других конструктивно-технологических параметрах определяется лишь требованием максимизации пробивного напряжения сток-исток. При этом Rси, Спрох и Свых принимают оптимальные компромиссные значения.
Рис. 5. Расчетные зависимости Uси проб от концентрации примеси Nsd LDD в LDD области при заданных значениях длины полевого электрода Lпэ. LLDD = 6 мкм, DSiO2 = 0,4мкм
Полевое воздействие заземленного электрода на LDD область приводит к усилению обеднения данной области, что выражается в сдвиге максимума концентрационной зависимости Uси проб(Nsd LDD) в область более высоких концентраций (рис. 5). Эффективность полевого электрода увеличивается с увеличением его длины, но лишь до определенного предела, что связано с неравномерным падением напряжения на участке LDD области под электродом.
В СВЧ LDMOS транзисторных структурах с заземленным полевым электродом сопротивление сток-исток Rси может быть значительно ниже, чем без полевого электрода – снижение Rси достигает 30%. Под действием полевого электрода в наибольшей степени обедняется участок LDD области, прилегающий к затвору, в связи с чем проходная емкость Спрох может быть также существенно снижена – в 2-10 раз. Недостатком конструкции СВЧ LDMOS транзисторной структуры с полевым электродом является увеличение на 10-30% выходной емкости Свых, связанное с увеличением концентрации примеси в LDD области и, соответственно, увеличением геометрических размеров необедненого при напряжении питания n-участка области стока.
В четвертой главе рассмотрена перспективная конструкция LDMOS транзисторной структуры на основе так называемого суперперехода (SuperJunction) – SJ-LDMOS структура, сформированная по технологии кремний-на-сапфире (КНС) (рис. 6). Конструктивно суперпереход представляет собой систему достаточно узких областей с чередующимся типом проводимости. Путем подбора ширины областей и концентрации примесей в них можно добиться полного обеднения суперперехода при подаче относительно небольшого обратного напряжения. Использование суперперехода вместо слаболегированной области стока в LDMOS транзисторах позволяет добиться распространения ОПЗ стока в область суперперехода. При этом за счет относительно высокой концентрации примеси в n-полосах сопротивление сток-исток может быть значительно снижено.
Рис. 6. Схема конструкции LDMOS транзисторной структуры с суперпереходом
В данной главе получено выражение для пробивного напряжения сток-исток SJ-LDMOS транзисторной структуры
. (1)
Выражение (1) применимо лишь при достаточно малой ширине полос суперперехода, когда полосы полностью обедняются до наступления пробоя р-n-перехода между ними, возникающего из-за увеличения напряженности поперечной составляющей электрического поля Ey. В противном случае необходимо определять пробивное напряжение Uу_проб из решения трансцендентного уравнения
; где 
. (2)
Для заданной концентрации примесей максимальная ширина полос дрейфовой области, при которой поперечный пробой еще не наступает, определяется из выражения
. (3)
Таким образом, при заданной концентрации примесей в полосах, при расчете пробивного напряжения сток-исток в закрытом состоянии выбор выражения (1) или (2) определяется шириной полос дрейфовой области стока. Если ширина полос меньше, чем критическая ширина Ymax, определяемая по выражению (3), то пробивное напряжение сток-исток нужно рассчитывать с помощью выражения (1). Если ширина полос больше или равна критической ширине Ymax, то пробивное напряжение сток-исток нужно рассчитывать с помощью выражений (2).
В данной главе приведены расчетные значения поперечного и продольного пробивного напряжения SJ-LDMOS транзисторных структур, а также максимально допустимые значения ширины полос при различных концентрациях примесей в полосах. Показано, что увеличение концентрации примесей в полосах суперперехода не приводит к резкому и значительному снижению пробивного напряжения сток-исток, наблюдающемуся в обычных LDMOS транзисторных структурах.
Для проверки полученных выражений проведено численное моделирование электропараметров SJ-LDMOS транзисторных структур в САПР ISE TCAD. Результаты моделирования показали удовлетворительную точность выражений (1), (2) и (3). Расчет Rси и Iси макс показал, что использование суперперехода позволяет существенно улучшить характеристики LDMOS транзисторных структур. Таким образом, применение суперпереходов является перспективным направлением в разработке СВЧ LDMOS транзисторов.
В пятой главе рассмотрены особенности практического применения разработанных методик моделирования и программного обеспечения при проектировании мощных СВЧ LDMOS транзисторных кристаллов.
Рассмотренный во второй главе комплекс методик моделирования и программного обеспечения имеет следующие ограничения, несколько затрудняющие его практическое применение для конкретных узких задач: а) структурная модель может быть чрезмерно упрощенной, так как средствами программы DEVISE затруднительно реализовать сложные геометрические элементы конструкции; б) технологическое моделирование сопряжено с большими затратами машинного времени.
Для преодоления указанных ограничений разработана методика совместного структурно-технологического построения модели СВЧ LDMOS транзисторных структур (рис. 7). Ключевая особенность данной методики заключается в том, что она позволяет построить модель, практически не уступающую по точности технологической модели, при существенной экономии машинного времени по сравнению с технологическим моделированием. Данная методика предоставляет достаточно простую возможность использования в расчете экспериментальных профилей распределения примеси. Структурная методика моделирования целесообразна при исследованиях общего характера, а структурно-технологическая методика более подходит для сравнительно узких конкретных задач при наличии технологического маршрута и экспериментальных технологических данных.
Рис. 7. Схема структурно-технологической методики моделирования LDMOS транзисторных структур
Одним из важнейших вопросов при разработке СВЧ LDMOS транзисторов является выбор оптимального конструктивного исполнения краевых областей стоковых n+-полос транзисторной LDMOS структуры. Задача обеспечения более высокого значения пробивного напряжения в периферийных участках стоковых областей, чем в активных областях, существенно усложняется при введении в конструкцию LDMOS транзисторной структуры заземленного полевого электрода над дрейфовой областью стока, а также при увеличении напряжения питания транзистора для повышения выходной мощности.
 |  |
| Рис. 8. Схемы разработанных вариантов конструкции краевых участков n+-области стока с заземленным полевым электродом | |
В данной главе рассмотрены разработанные варианты конструктивного исполнения краевых участков стоковых областей, основанные на использовании заземленного полевого электрода и обеспечивающие требуемое пробивное напряжение при напряжении питания на уровне 50 В (рис. 8). Преимущество разработанных конструкций по сравнению с обычной конструкцией без полевого электрода в том, что они налагают менее жесткие требования на минимальную толщину межслойного диэлектрика. С помощью моделирования в среде САПР ISE TCAD определены условия достижения требуемого пробивного напряжения в периферийных участках стока.
В данной главе представлено описание разработанной комплексной методики проектирования мощных СВЧ LDMOS транзисторных кристаллов, основанной на разработанных моделях и методиках моделирования СВЧ LDMOS транзисторных структур в среде САПР ISE TCAD, а также на результатах исследования влияния конструктивно-технологических факторов на основные электрические параметры СВЧ LDMOS транзисторных структур.
С помощью указанной методики проектирования разработана первая отечественная серия мощных СВЧ LDMOS транзисторных кристаллов с напряжением питания Uпит = 50 В. Разработанные транзисторные кристаллы имеют выходную мощность Рвых = 30…120 Вт и рассчитаны на использование в частотном диапазоне до 1 ГГц. Измерение электрических параметров экспериментальной партии данных транзисторных кристаллов показало достаточно хорошее соответствие расчетным значениям (отклонение не более 20%). В данной главе приведены расчетные и экспериментальные значения электрических параметров разработанных транзисторных кристаллов. На рис. 9 приведены расчетная зависимость Uси проб(DLDD) и экспериментальные значения пробивного напряжения Uси проб разработанных транзисторных кристаллов. Электрические параметры данных транзисторных кристаллов соответствуют уровню лучших зарубежных аналогов.
Рис. 9. Расчетная зависимость Uси проб(DLDD) и экспериментальные значения пробивного напряжения Uси проб разработанных мощных СВЧ LDMOS транзисторных кристаллов
Результаты ряда экспериментальных проверок разработанной методики проектирования мощных СВЧ LDMOS транзисторных кристаллов подтверждают ее эффективность, а также достаточно высокую точность разработанной модели СВЧ LDMOS транзисторной структуры и расчетных зависимостей ее электрических параметров от конструктивно-технологических факторов.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ и выводы
- Разработана модель СВЧ LDMOS транзисторной структуры в среде САПР ISE TCAD, а также комплекс методик моделирования и программного обеспечения для расчета в среде данной САПР зависимостей основных электрических параметров (Uпор, Uси проб, Rси, S, Iси нас, Свх, Спрох, Свых) от конструктивно-технологических параметров LDMOS транзисторной структуры.
- Разработаны алгоритм, методика и командные файлы для совместного структурно-технологического моделирования, позволяющая построить модель СВЧ LDMOS транзисторной структуры, практически не уступающую по точности технологической модели, при существенно меньших затратах машинного времени и лучшей устойчивости и сходимости результатов расчетов.
- С помощью приборно-технологического моделирования установлены зависимости Uси проб, Rси, Спрох, Свых СВЧ LDMOS транзисторных структур от длины, глубины и концентрации примеси LDD области стока, глубины канальной р-области, глубины истоковой р+-области, толщины и удельного сопротивления эпитаксиального слоя, учитывающие реальный характер распределения концентрации примеси в эпитаксиальном р--слое.
- Для каждого сочетания параметров Dэпи, эпи, LLDD, Xjp+ существует оптимальная концентрация примеси в LDD области Nsd LDD, соответствующая максимуму концентрационной зависимости Uси проб(Nsd LDD). При данной концентрации Rси, Спрох и Свых принимают оптимальные компромиссные значения. Если Nsd LDD меньше оптимальной, то резко увеличивается Rси. В случае, если Nsd LDD больше оптимальной, резко снижается Uси проб, область пробоя перемещается от n+-области стока в подзатворную область, что значительно ухудшает стабильность характеристик транзисторной структуры.
- Установлены зависимости Uси проб, Rси, Спрох, Свых СВЧ LDMOS транзисторных структур от длины Lпэ заземленного полевого электрода над дрейфовой областью стока и толщины окисла DSiO2 под ним. Показано, что использование полевого электрода при оптимальных его параметрах позволяет снизить Rси до 30% и уменьшить Спрох в 2-10 раз без существенного изменения максимального Uси проб.
- Получены аналитические выражения, позволяющие рассчитать Uси проб LDMOS транзисторных структур с суперпереходом, сформированных по технологии КНС. Получен достаточно точный критерий выбора ширины полос суперперехода при заданной концентрации примесей в них.
- Разработана конструкция периферийных участков стоковых областей LDMOS транзисторных структур, основанная на использовании заземленного полевого электрода и применимая при напряжении питания на уровне 50 В. Показано, что данная конструкция менее чувствительна к выбору толщины межслойного диэлектрика по сравнению с конструкцией без полевого электрода. Работоспособность данной конструкции подтверждена экспериментально.
- Разработана комплексная методика проектирования перспективных конструкций мощных СВЧ LDMOS транзисторных кристаллов, основанная на разработанных методиках моделирования в среде САПР ISE TCAD и на результатах исследования влияния конструктивно-технологических факторов на электрические параметры LDMOS транзисторных структур.
- Разработаны конструкция, топология и технология серии промышленных образцов мощных СВЧ LDMOS транзисторных кристаллов с заземленным полевым электродом, рассчитанных на напряжение питания 50 В, частотный диапазон до 1 ГГц и выходную мощность 30…120 Вт. Рассчитаны оптимальные значения конструктивно-технологических параметров, позволяющие достичь предельных уровней электрических параметров. Получено достаточно близкое совпадение расчетных и экспериментальных значений основных электрических параметров разработанных транзисторных кристаллов.
- Основные результаты диссертации, а именно: модель СВЧ LDMOS транзисторной структуры в САПР ISE TCAD, комплекс методик и программного обеспечения для моделирования СВЧ LDMOS транзисторных структур в САПР ISE TCAD, результаты исследований зависимостей электрических параметров транзисторных структур от конструктивно-технологических факторов, рекомендации по выбору параметров полевого электрода, методика проектирования LDMOS транзисторных кристаллов, конструкция периферийных участков стоковых областей, использованы при разработке новых типов мощных СВЧ LDMOS транзисторов в ходе выполнения ряда НИР и ОКР, проводимых в ФГУП «НИИЭТ» (г. Воронеж). Были разработаны транзисторы в следующих параметрических рядах:
– F = 500-860МГц, Uпит = 28-32В, Рвых = 12…150Вт;
– F = 2000МГц, Uпит = 26-32В, Рвых импульс = 30…100Вт;
– F до 1000МГц, Uпит = 12,5В, Рвых = 2…80Вт;
– F = 500-1000МГц, Uпит = 28-32В, Рвых = 80…300Вт;
– F до 1000МГц, Uпит = 50В, Рвых = 30…480Вт.
Использование результатов диссертации подтверждается соответствующим Актом о внедрении результатов диссертации.
Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:
Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ
- Моделирование Super Junction LDMOS транзисторных структур / А.Ю. Ткачев, Б.К. Петров, В.В. Асессоров, В.А. Кожевников, В.И. Дикарев, А.Н. Цоцорин // Электронная техника. Серия 2. Полупроводниковые приборы. – 2010. – №1(224). – С.19-30.
- Особенности конструктивного исполнения краевых участков стоковых областей мощных СВЧ LDMOS транзисторов / А.Ю. Ткачев, Б.К. Петров, В.В. Асессоров, В.А. Кожевников, В.И. Дикарев, А.Н. Цоцорин // Вестник Воронежского государственного технического университета. – 2010.– Т.6. – №5. – С.112-117.
Статьи и материалы конференций
- Асессоров В.В. Виртуальное проектирование приборов силовой и СВЧ электроники / В.В. Асессоров, А.Ю. Ткачев, А.В. Деревягин // Химия твердого тела и современные микро- и нанотехнологии: тез. докл. V Междунар. науч. конф. – Кисловодск, 2005. – С.278-280.
- Виртуальное проектирование мощных СВЧ VDMOS и LDMOS транзисторов / А.Ю. Ткачев, А.Е. Бормонтов, А.Г. Арушанов, Г.В. Быкадорова // Электроника и информатика - 2005: материалы V Междунар. науч.-техн. конф. – Зеленоград, 2005. – С.207.
- Проектирование мощных СВЧ вертикальных DMOS транзисторов в среде САПР ISE TCAD / В.И. Дикарев, В.А. Кожевников, В.А. Гольдфарб, А.Ю. Ткачев, А.Г. Арушанов, А.Н. Цоцорин // Твердотельная электроника и микроэлектроника: межвуз. сб. науч. тр. – Воронеж: ВГТУ, 2005. – С.32-37.
- Проектирование мощных СВЧ LDMOS транзисторов в среде САПР ISE TCAD / В.В. Асессоров, В.И. Дикарев, Г.В. Быкадорова, А.Ю. Ткачев, А.Е. Бормонтов, А.Н. Гашков // Твердотельная электроника и микроэлектроника: межвуз. сб. науч. тр. – Воронеж: ВГТУ, 2005. – С.38-43.
- Исследование технологии и электрофизических параметров вертикальных DMOS транзисторов / В.В. Асессоров, В.И. Дикарев, Г.В. Быкадорова, А.Ю. Ткачев // Энергия-XXI век: научно-практический вестник. – Воронеж, 2005. – №1-2 (55-56). – С.42-56.
- Моделирование технологии и электрофизических параметров латеральных LDMOS транзисторов в среде ISE TCAD / В.В. Асессоров, В.И. Дикарев, Г.В. Быкадорова, А.Ю. Ткачев, А.Е. Бормонтов, А.Г. Арушанов, А.С. Ломакин // Энергия-XXI век: научно-практический вестник. – Воронеж, 2005. – №3-4 (57-58). – С.24-30.
- Ткачев А.Ю. Проектирование и оптимизация параметров приборов силовой СВЧ электроники с помощью САПР ISE TCAD / А.Ю. Ткачев // Микроэлектроника и информатика - 2006: тез. докл. 13-й Всерос. межвуз. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов. – Зеленоград, 2006. – С. 111.
- Разработка технологии приборов СВЧ электроники на базе DMOS транзисторов в ISE TCAD / В.В. Асессоров, В.А. Кожевников, В.А. Гольдфарб, Г.В. Быкадорова, А.Ю. Ткачев // Радиолокация, навигация, связь: труды XII Междунар. науч.-техн. конф. – Воронеж, 2006. – С.1306-1313.
- Исследование электрических и тепловых параметров СВЧ VDMOS и LDMOS транзисторов в среде ISE TCAD / В.В. Асессоров, В.И. Дикарев, Г.В. Быкадорова, А.Ю. Ткачев, А.Е. Бормонтов // Радиолокация, навигация, связь: труды XII Междунар. науч.-техн. конф. – Воронеж, 2006. – С.1282-1291.
- Оптимизация конструктивно-технологических параметров мощных СВЧ LDMOS транзисторов с целью обеспечения заданных пробивных напряжений / В.А. Кожевников, В.И. Дикарев, Г.В. Быкадорова, А.Ю. Ткачев, А.Г. Арушанов // Радиолокация, навигация, связь: труды XII Междунар. науч.-техн. конф. – Воронеж, 2006. – С.1292-1300.
- Исследование конструктивно-технологических и электрофизических параметров мощных СВЧ LDMOS транзисторов / А.Ю. Ткачев, В.В. Асессоров, В.А. Кожевников, В.И. Дикарев, В.А. Гольдфарб, Г.В. Быкадорова // Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники: труды Х Междунар. науч. конф. и школы-семинара. – Таганрог, 2006. – С.111-113.
- Анализ влияния конструктивно-технологических параметров мощных СВЧ LDMOS транзисторов на пробивное напряжение / А.Ю. Ткачев, В.В. Асессоров, В.И. Дикарев, В.А. Кожевников, Г.В. Быкадорова, В.А. Гольдфарб // Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники: труды Х Междунар. науч. конф. и школы-семинара. – Таганрог, 2006. – С.114-116.
- Исследование конструктивно-технологических методов увеличения пробивного напряжения мощного СВЧ LDMOS транзистора / В.В. Асессоров, В.И. Дикарев, В.А. Гольдфарб, Г.В. Быкадорова, А.Ю. Ткачев // Энергия-XXI век: научно-практический вестник. – М., 2006. – №1 (59). – С.36-45.
- Электрические параметры LDMOS структур с трехслойной дрейфовой областью стока / В.В. Асессоров, В.А. Кожевников, В.И. Дикарев, А.Ю. Ткачев, В.А. Гольдфарб, Г.В. Быкадорова // Энергия-XXI век: научно-практический вестник. – М., 2006. – №4 (62). –С.42-51.
- Проектирование мощного СВЧ LDMOS транзистора с трехслойной дрейфовой областью стока / В.В. Асессоров, В.А. Кожевников, В.И. Дикарев, А.Ю. Ткачев, Г.В. Быкадорова // Твердотельная электроника и микроэлектроника: межвуз. сб. науч. тр. – Воронеж: ВГТУ, 2006. – С.162-168.
- Ткачев А.Ю. Проектирование СВЧ LDMOS транзистора с трехслойной дрейфовой областью стока / А.Ю. Ткачев, Е.В. Кучина, С.Е. Стародубцев // Микроэлектроника и информатика - 2007: тез. докл. 14-й Всерос. межвуз. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов. – Зеленоград, 2007. – С.101.
- Петров Б.К. Моделирование влияния дрейфовой области стока на электропараметры СВЧ LDMOS транзисторов / Б.К. Петров, А.Ю. Ткачев // Физико-математическое моделирование систем: материалы IV Междунар. семинара. – Воронеж. – 2007. – С. 16-21.
- Влияние параметров дрейфовой области стока на характеристики СВЧ LDMOS транзисторов / А.Ю. Ткачев, Б.К. Петров, В.В. Асессоров, В.А. Кожевников, В.И. Дикарев // Твердотельная электроника и микроэлектроника: межвуз. сб. науч. тр. – Воронеж: ВГТУ, 2007. – С.129-136.
- Ткачев А.Ю. Моделирование СВЧ LDMOS транзисторных структур с полевым электродом над дрейфовой областью стока / А.Ю. Ткачев // Микроэлектроника и информатика - 2008: тез. докл. 15-й Всерос. межвуз. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов. – Зеленоград, 2008. – С.104.
- Моделирование электрических характеристик LDMOS транзисторных структур с полевым электродом / А.Ю. Ткачев, Б.К. Петров, В.В. Асессоров, В.А. Кожевников, В.И. Дикарев, А.Н. Цоцорин // Радиолокация, навигация, связь: труды XIV Междунар. науч.-техн. конф. – Воронеж, 2008. – С.1276-1283.
- Ткачев А.Ю. Расчет пробивного напряжения Super Junction LDMOS транзисторных структур / А.Ю. Ткачев // Микроэлектроника и информатика - 2009: тез. докл. 16-й Всерос. межвуз. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов. – Зеленоград, 2009. – С.99.
- Особенности моделирования перспективных конструкций СВЧ LDMOS транзисторов / А.Ю. Ткачев, Б.К. Петров, В.В. Асессоров, В.А. Кожевников, В.И. Дикарев, А.Н. Цоцорин // Флуктуационные и деградационные процессы в полупроводниковых приборах: материалы докл. Междунар. науч.-метод. семинара. – М.: МЭИ, 2009. – С.184-188.
- Ткачев А.Ю. Разработка конструкции периферийных участков стоковых областей мощных СВЧ LDMOS транзисторных структур с напряжением питания 50В / А.Ю. Ткачев // Микроэлектроника и информатика - 2010: тез. докл. 17-й Всерос. межвуз. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов. – Зеленоград, 2010. – С.105.
- Разработка конструкции и оптимизация параметров периферийных участков стоковых областей мощных СВЧ LDMOS транзисторов / А.Ю. Ткачев, Б.К. Петров, В.В. Асессоров, В.А. Кожевников, В.И. Дикарев, А.Н. Цоцорин // Радиолокация, навигация, связь: труды XVI Междунар. науч.-техн. конф. – Воронеж, 2010. – С.645-653.
Подписано в печать 24.02.2011.
Формат 60х84/16. Бумага для множительных аппаратов.
Усл. печ. л.1,0. Тираж 90 экз. Заказ №_____
Отпечатано с готового оригинала-макета
в типографии Издательско-полиграфического центра
Воронежского государственного университета.
394000, Воронеж, ул. Пушкинская, 3.
