Моделирование транзисторных структур силовой электроники

МОДЕЛИРОВАНИЕ ТРАНЗИСТОРНЫХ СТРУКТУР

СИЛОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

1, 1,

2, 2, 2, 2

1Московский государственный институт электроники и математики,

[e-mail]

2 и завод Микрон», [e-mail]

Прогресс в области создания систем промышленной автоматики, робототехники, авто - и авиаэлектроники, морской и космической навигации, аппаратуры связи и телекоммуникаций, периферийных устройств ЭВМ, измерительной и бытовой техники и т. д., требует развития элементной базы силовых интегральных схем.

Силовые интегральные схемы являются новой перспективной элементной базой, пришедшей на замену громоздким электрическим системам. Конструктивно они содержат на одном п/п кристалле или в одном корпусе мощные выходные управляющие транзисторы и/или блоки с рабочими токами более 1 А, напряжениями до 1000 В совместно со средне- и маломощными схемами контроля, диагностики и защиты, а также со схемами памяти, цифровой логики, АЦ и ЦА преобразования информации и др. [1-5].

Для создания современных силовых приборов необходим анализ и оптимизация как технологии их изготовления, так и электрофизических процессов работы. Такие задачи решаются путем использования приборно-технологических САПР, учитывающих специфику силовых приборов [6-8].

Авторами отработана методика приборно-технологического моделирования транзисторных структур силовой электроники. Методика реализована на базе САПР ISE TCAD [9] и включает три основных этапа:

1. Расчет физической структуры прибора по заданному технологическому маршруту его изготовления. Он выполняется путем численного решения уравнений математической физики, описывающих последовательно процессы эпитаксии, диффузии, ионной имплантации, окисления, травления и др. с помощью программы DIOSISE. В результате получаем двумерное распределение примеси в структуре.

2. Расчет совокупности электрических параметров и характеристик прибора путем численного решения систем уравнений переноса токов и уравнения Пуассона для распределения потенциала в структуре прибора, на этом этапе возможен также учет процессов тепловыделения в приборе. Расчеты выполняется с помощью программы DESSISISE.

3. Экстракция параметров электрических и электро-тепловых моделей, предназначенных для схемотехнического расчета.

Особенности настоящей работы, отличающей ее от большинства опубликованных работ, является то, что она ориентирована на широкий круг силовых приборов. С этой целью в среде ISE TCAD нами созданы модели и макромодели технологических операций и микроциклов двух типов: универсальные, пригодные для проектирования силовых транзисторных структур различных типов, и оригинальные, учитывающие специфику изготовления и конструкции конкретного типа силовых приборов. Кроме того, в настоящей работе уделено внимание учету эффекта саморазогрева силовых полупроводниковых структур, который слабо рассмотрен в отечественных публикациях по моделированию силовых приборов.

Ниже приведены результаты моделирования технологических процессов изготовления и расчета электрических параметров и характеристик мощных транзисторов: n - и p-канальных ДМОП транзисторов, высоковольтного биполярного транзистора, биполярного транзистора с изолированным затвором (IGBT). Результаты расчетов хорошо согласуются с данными измерений, проведенных на реально изготовленных приборах.

1. N-канальный ДМОП-транзистор изготовлен на n-подложке толщиной 50 мкм с удельным сопротивлением 20 Ом×см. Структура активной части транзистора представлена на рис. 1.

Известно, что плавающий потенциал p-области значительно снижает напряжение пробоя ДМОП транзистора, поэтому в данной структуре создается контакт, замкнутый накоротко с истоком. Проведенные нами расчеты подтвердили необходимость фиксации потенциала p-области.

С помощью программы DIOSISE промоделирован технологический процесс изготовления n-ДМОП транзистора. Полученное распределение легирующих примесей в структуре n-ДМОП транзистора служит исходной информацией для расчета его электрических характеристик.

С помощью программы DESSISISE проведено моделирование электрических характеристик n-ДМОП транзистора. На рис. 2 показана входная характеристика. Пороговое напряжение, UПОР=1.1 В, определяется как напряжение на затворе, при котором ток стока равен 50 нА, при этом напряжение UСИ поддерживается постоянным и равным 5 В.

Рис. 1. Структура активной части n-ДМОП транзистора:

1 - n+ исток, 2 - p область, 3 - n- сток, 4 - подзатворный SiO2, 5 - затворный поликремний,

6 - толстый окисел, 7 - Si3N4, 8 - контакт истока и p-области, 9 - контакт затвора,

10 – истоковый p-n – переход, 11 – стоковый p-n – переход,

12 – загиб стокового p-n – перехода вблизи поверхности.

Рис. 2. Входная характеристика n-ДМОП транзистора, рассчитанная при напряжении UСИ=5 В	Рис. 3. Выходные характеристики n-ДМОП транзистора при постоянной температуре T=300 K (отмечены знаками) и с учетом саморазогрева (пунктир)

Основные статические параметры n-ДМОП – транзистора приведены в табл. 1. Следует отметить, что они хорошо согласуются с соответствующими параметрами зарубежного прибора - аналога IRF820 фирмы International Rectifier.

Таблица 1

Измеренные и рассчитанные электрические параметры n-ДМОП транзистора

с толщиной подложки 50 мкм

Параметр	Измеренный	Расчетный	Погрешность, %
Сопротивление сток-исток открытого прибора, Ом (IC=3 А)	3	3.088	2.9
Пробивное напряжение, В не менее	500
реально		575.6	12.7
Пороговое напряжение, В	1.0	1.091	9.1

С помощью программы DESSISISE проведен электротепловой расчет n-ДМОП транзистора, результаты которого – выходные характеристики с учетом эффекта саморазогрева, представлены на рис. 3 пунктиром. Видно, что из-за роста температуры прибора пологие участки выходных характеристик имеют падающий характер, что объясняется сильным уменьшением подвижности электронов с ростом температуры. Максимальный перегрев составил 120 К, он достигается в области истока при напряжениях затвора Vg=5.5 В и стока Vd=300 В. Для сравнения, на том же рисунке значками показаны выходные характеристики при постоянной температуре T=300 K, полученные без учета эффекта саморазогрева. Очевидно, что для данного прибора необходимо обеспечить эффективный отвод тепла с кристалла, что достигается соответствующим выбором типа корпуса и элементов теплоотвода.

2. P-канальный ДМОП-транзистор изготовлен в двух вариантах: на высокоомной подложке с удельным сопротивлением 40 Ом×см и на низкоомной подложке с удельным сопротивлением 20 Ом×см, в обоих случаях толщина подложки равна 50 мкм. Также как и в n-ДМОП транзисторе, в данной структуре создается контакт, замкнутый накоротко с истоком. В целом, структура p-ДМОП транзистора аналогична структуре n-ДМОП транзистора.

Рис. 4. Активная область p-ДМОП транзистора на высокоомной подложке(40 Ом×см)

На рис. 4 представлено распределение примеси в активной части p-ДМОП транзистора, изготовленного на высокоомной подложке 40 Ом×см, структура транзистора на низкоомной подложке 20 Ом×см выглядит аналогично.

С помощью программы DESSISISE проведено моделирование электрических характеристик транзисторных структур p-ДМОП транзисторов. Входные характеристики структур на высоко - и низкоомной подложке показаны на рис. 5. Рассчитанные значения пороговых напряжений: -2.38 В для транзистора с высокоомной подложкой и -2.37 В с низкоомной укладываются в интервал экспериментальных значений. Характеристики пробоя обеих структур при напряжении затвор - исток равном нулю показаны на рис. 6, сравнение рассчитанных и измеренных напряжений пробоя приведено в таблице 2.

Рис. 5. Входные характеристики p-ДМОП транзисторов с высокоомной (сплошная) и низкоомной (пунктир) подложками при напряжении UСИ=‑5 В	Рис. 6. Характеристики пробоя p-ДМОП транзисторов с высокоомной (сплошная) и низкоомной (пунктир) подложками, при напряжении UЗИ=0 В

Таблица 2

Измеренные и рассчитанные напряжения пробоя p-ДМОП транзистора

с толщиной подложки 50 мкм

Удельное сопротивление подложки, Ом×см	Напряжение пробоя, В
Измеренное	Рассчитанное	Погрешность, %
40	-500	-478	4.5
20	-250	-286	14

3. Биполярный высоковольтный транзистор изготовлен на 100 мкм n-подложке с удельным сопротивлением 40 Ом×см.

В таблице 3 представлены параметры структуры биполярного высоковольтного транзистора с размерами эмиттера 4000´4000 мкм2.

Таблица 3

Параметры структуры биполярного высоковольтного n-p-n транзистора

№	Слой	Глубина залегания, мкм	Сопротивление	Концентрация у поверхности, см-3.	Примесь
1	подложка	100	40 Ом×см	1.13×1014	фосфор
2	активная база	20	332 Ом/кв	6.5×1016	бор
3	пассивная база	10, 20, 30	96.3 Ом/кв	2.9×1019	бор
4	эмиттер	3	8.1 Ом/кв	1×1020	фосфор
5	подконтактный n+	0.8	39.5 Ом/кв	1×1020	фосфор

С помощью программы MDRAWISE по данным таблицы 3 проведено моделирование структур биполярного высоковольтного n-p-n транзистора с разными толщинами пассивной базы: 10, 20 и 30 мкм. Поскольку лавинный пробой происходит в области пассивной базы, напряжение пробоя зависит от ее толщины.

Поперечное сечение структуры биполярного транзистора изображено на рис. 7. Одномерный профиль примеси в активной области транзистора под эмиттерным контактом представлен на рис. 8.

С целью увеличения точности моделирования и уменьшения вычислительных затрат делается расчет не всей структуры, а только малой ее части. Структура делится на линейный размер эмиттера lЭ=4000 мкм. Тогда диапазону рабочих токов коллектора 10 ¸ 100 мА будет соответствовать диапазон нормированных токов 2.5´10-6 ¸ 2.5´10-5 А/мкм.

Используя полученное распределение примеси, с помощью программы DESSISISE проведено моделирование электрических характеристик биполярного высоковольтного транзистора. Были рассчитаны значения напряжения пробоя для разной толщины пассивной базы, представленные в таблице 4. Расчеты показывают, что с увеличением толщины пассивной базы от 10 до 20 мкм напряжение пробоя растет более, чем на 100 В, но с дальнейшим увеличением толщины пассивной базы напряжение пробоя практически не меняется.

Рис. 7. Распределение примеси в активной области мощного

биполярного n-p-n транзистора с толщиной пассивной базы 10 мкм

1 – n+ эмиттер, 2 – эмиттерный контакт, 3 – p активная база,

4 – p+ пассивная база, 5 – базовый контакт, 6 – n коллектор

Таблица 4

Зависимость напряжения пробоя от толщины пассивной базы

Толщина пассивной базы, мкм	10	20	30
Напряжение пробоя, В	935.5	1068.4	1070.0

Рис. 8. Одномерный профиль примеси в сечении активной структуры транзистора под эмиттерным контактом	Рис. 9. Зависимость коэффициента усиления тока (bN) мощного n-p-n транзистора от тока коллектора, UКЭ=250 В

На рис. 9 представлены зависимости от тока коллектора интегрального (IК/IБ) – сплошная линия, и дифференциального (dIК/dIБ) – пунктир, коэффициентов усиления биполярного транзистора с толщиной пассивной базы 10 мкм при UКЭ=250 В. Было показано, что в отличие от параметра UКБ ПРОБ, входные характеристики и коэффициенты усиления транзистора от толщины пассивной базы практически не зависят.

Из рис. 9 видно, что коэффициент усиления тока (bN) имеет выраженный максимум, значение bNmax=30 достигается при токе 40 мА. Рабочие значения bN=20 ¸ 30 лежат в интервале токов 10-4 ¸ 2×10-1 А. Для токов IK=4×10‑1 А и более bN резко уменьшается. Рассчитанный оптимальный диапазон токов транзистора, практически совпадает с экспериментальными данными.

4. Биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT) изготовлен на n-подложке толщиной 60 мкм с удельным сопротивлением 20 Ом×см. Его структура представлена на рис. 10. Эмиттер p-n-р IGBT – транзистора (13) имеет толщину 1 мкм и концентрацию на поверхности 5×1017 см-3, базой является n - подложка (3), коллектор (2) аналогичен p области n-ДМОП транзистора, истоком МОП-структуры является n+ область (1). IGBT – транзисторы изготавливаются в едином технологическом процессе с n-ДМОП транзисторами.

Рис. 10. Структура IGBT – транзистора:

1 - n+ область, 2 - p коллектор, 3 - n- база, 4 - подзатворный SiO2, 5 - затворный поликремний,

6 - толстый окисел, 7 - Si3N4, 8 - контакт коллектора и n+ области, 9 - контакт затвора,

10 – p-n – переход, 11 – коллекторный p-n – переход,

12 – загиб коллекторного p-n – перехода вблизи поверхности,

13 – p+ эмиттер, 14 – эмиттерный контакт, 15 – МОП - структура.

С помощью программы DESSISISE проведено моделирование электрических характеристик и параметров данной транзисторной структуры: напряжения пробоя, порогового напряжения, входных и выходных характеристик.

По данным расчетов напряжение пробоя равно UКЭПРОБ=527 В, экспериментальные значения лежат в пределах 500 ¸ 530 В.

Входная характеристика приведена на рис. 11. Из нее определяется пороговое напряжение, которое равно 1.20 В. На рис 12 представлено семейство выходных характеристик IGBT транзистора. Интерес представляет начальный участок выходных характеристик в области малых напряжений, показанный на рис. 13. Выходные характеристики IGBT транзистора имеют порог напряжения, равный 0.8 В. Кроме того, начальный крутой участок выходных характеристик рис. 13 используется для определения важного параметра UКЭ НАС, который в нашем случае равен 4.4 В при токе IК=45 А. Для сравнения, этот параметр для зарубежного прибора – аналога IRG4PH50U компании International Rectifier равен 3.7 В при том же токе.

Рис. 11. Входная характеристика IGBT: зависимость тока коллектора от напряжения затвора

Рис. 12. Выходные характеристики IGBT транзистора	Рис. 13. Начальный участок выходных характеристик IGBT транзистора

ВЫВОДЫ

В среде ISE TCAD созданы модели и макромодели технологических операций и микроциклов двух типов: универсальные для проектирования силовых транзисторных структур различных типов (n - и p-канальных ДМОП-транзисторов, биполярного высоковольтного транзистора, биполярного транзистора с изолированным затвором (IGBT)), и оригинальные, учитывающие специфику изготовления, конструкции, электрических и тепловых режимов работы конкретных приборов.

Проведены расчеты технологических процессов, физических структур и их электрических характеристик и параметров. Эти результаты были использованы технологами и разработчиками предприятия «НИИМЭ и з-д «Микрон» для настройки и отработки технологического процесса изготовления силовых транзисторов, в частности:

1) n-канального ДМОП-транзистора с параметрами UПОР=1.1 В и UСИПРОБ=550¸570 В, изготовленного на n-подложке толщиной 50 мкм с удельным сопротивлением 20 Ом×см;

2) p-канального ДМОП-транзистора с параметрами UПОР=2.3¸2.4 В и UСИПРОБ=480 В для высокоомной подложки 40 Ом×см и UСИПРОБ=280 В для низкоомной подложки 20 Ом×см с толщиной 50 мкм;

3) биполярного высоковольтного транзистора с коэффициентом усиления тока bN=20¸30 в диапазоне токов IК=10-4 ¸ 2×10-1 А и напряжением пробоя UЭКПРОБ=930 В для толщины пассивной базы 10 мкм и UЭКПРОБ=1040 ¸ 1060 В для толщины пассивной базы 20 ¸ 30 мкм, изготовленного на 100 мкм n-подложке с удельным сопротивлением 40 Ом×см;

4) биполярного транзистора с изолированным затвором (IGBT) с параметрами UПОР=1.2 В и UЭКПРОБ=500 ¸ 530 В, изготовленного на n-подложке толщиной 60 мкм с удельным сопротивлением 20 Ом×см.

Совпадение полученных расчетных параметров приборов с экспериментальными данными составило:

·  5 ¸ 15 % по параметру UПРОБ для всех приборов: n - и p-ДМОП-транзисторов, биполярного транзистора и биполярного транзистора с изолированным затвором;

·  10 % по параметру UПОР для n-ДМОП-транзистора и 20 ¸ 30 % для p-ДМОП-транзистора и биполярного транзистора с изолированным затвором;

·  10 ¸ 20 % по параметру bN для биполярного транзистора.

Для всех типов силовых транзисторов отработана методика учета эффекта «саморазогрева» за счет высокой выделяемой мощности.

Как видно из приведенных данных, по большинству интересующих параметров для всех приборов достигнута удовлетворительная точность прогнозных оценок, что подтверждает эффективность научно-технических и практических результатов, полученных с помощью приборно-технологического моделирования.

ЛИТЕРАТУРА

1.  Baliga B. J. Trends in Power Semiconductor Devices // IEEE Trans. On Electron Devices. – 1996, – V. ED-43. - № 10. - P. .

2.  Smart Power Economics, Technology, and Applications. – Intertec Communications Inc., Ventura CA, USA, 1988.

3.  Pribyl W. Integrated Smart Power Circuits Technology, Design and Application. – Proc. ESSCIRC-96. – http:/www/imec. be/esscirc/papers-96/204/pdf.

4.  Petrosjanc K. O. Smart Power Electronics: New Opportunities for Products and Economy. – Proc. of 7-th International Congress and Exibition on 'Information Technology Vision 2000'(ITV-2000), Nov.1993, New Delhi, India. - Р. 195-200.

5.  , Ю., Тихонов и конструктивно-технологические особенности мощных приборов для интеллектуальных силовых интегральных схем // Изв. Вузов. Электроника. – 2004. – № 6. - C. 10 – 17.

6.  , , Матвеев технологического маршрута изготовления мощного МОП-транзистора с помощью методов математического моделирования // Сборник трудов конференции «Электроника и информатика – 97». – 1997. – C. 180 – 181.

7.  , , Тихонов диодов Шотки для формирования силовых планарных МОП транзисторов // Изв. вузов. Электроника. – 2002. – № 3, - C. 89 – 90.

8.  , , Чиркин -технологическое моделирование транзисторных структур силовой электроники // Тезисы докладов Международного симпозиума «Электроника и электрооборудование транспорта» - Суздаль, март 2005. - C. 45-48.

9.  ISE TCAD Manuals, Release 6, 1999. - V. 6.