Влияние конструктивно-технологических факторов на электрические параметры мощных СВЧ LDMOS транзисторов

Актуальность темы

В современной полупроводниковой электронике важное место занимает разработка и производство кремниевых мощных СВЧ ЬЛЗМОБ транзисторов. Область применения таких транзисторов постоянно расширяется. Онииспользуются в каскадах усилителей мощности систем, радиосвязи и телерадиовещания, в базовых станциях сотовой связи, в РЛС различного назначения и других телекоммуникационных системах. Мощные СВЧ ЬБМОЗ транзисторы обладают рядом существенных преимуществ перед биполярными и ОМОБ 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, ЫЗМОБ технология предусматривает формирование контакта истока на обратной поверхности кристалла, что делает возможным монтаж транзисторных кристаллов непосредственно на фланец без использования керамики из ВеО.

Необходимо отметить тот факт, что в настоящее время в Российской Федерации мощные СВЧ Ы) М08 транзисторы серийно не производятся. Основным сдерживающим фактором в развитии перспективных разработок отечественных мощных СВЧ ЫЗМОБ транзисторов является отсутствие теоретических основ проектирования современных транзисторов данного класса. СВЧ 1Х) М08 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 ЬБМОЗ 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:

1. 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 (Unop> Ucu 11роб, Rcu, S, Icll uac, Свх, Cnpox, Свых) СВЧ LDMOS транзисторных структур.

2. Установление с помощью численного моделирования зависимостей пробивного напряжения сток-исток Ucu &bdquo-роб, сопротивления сток-исток Rcu, проходной Спрох и выходной СвЬ1Х емкостей СВЧ LDMOS транзисторных структур от параметров дрейфовой области стока (LDD) и других конструктивно-технологических параметров.

3. Исследование влияния заземленного полевого электрода над дрейфовой областью стока на основные электрические параметры (Ucu про6, Reu, Спрох, Свых) СВЧ LDMOS транзисторных структур.

4. Исследование перспективной LDMOS транзисторной структуры с суперпереходом, конструкция дрейфовой области стока которой основана на системе полос с чередующимся типом проводимости.

5. Разработка конструкции торцевых участков стоковых областей полосковой структуры СВЧ LDMOS транзисторного кристалла, предназначенной для работы при напряжении питания на уровне 50 В.

6. 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.

1. 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 (Unop, Ucunpo (?, Rcu, S, 1си, шс, Свх, Спрох, Свых) СВЧ LDMOS транзисторных структур.

2. Впервые выполнены исследования по установлению зависимостей основных электрических параметров (Ucu проб3 R-Clll Спрох, Свых) СВЧ LDMOS транзисторных структур от важнейших конструктивно-технологических факторов с учетом реального профиля распределения концентрации примеси в эпитаксиальном слое.

3. Впервые показано, что для каждого сочетания длины LDD области Lldd, параметров эпитаксиального слоя Д, ш и рЭ1Ш, глубины истоковой р±области XJP+, существует оптимальная концентрация примеси в LDD области NSd LDD, соответствующая максимуму концентрационной зависимости Ucu npo6(Nsd ldd), при которой параметры Rcu, Спрох и Сеых принимают оптимальные компромиссные значения.

4. Впервые выполнены исследования по установлению зависимостей основных электрических параметров (Ucu проб, Rcm Спрох, СвЬ1Х) СВЧ LDMOS транзисторных структур от длины Lno заземленного полевого электрода над дрейфовой областью стока и толщины окисла Ds, o2 под ним. Показано, что использование полевого электрода при оптимальных его параметрах позволяет значительно снизить Rcll и Спрох без существенного изменения максимального Ucu проб.

5. Разработан аналитический метод расчета пробивного напряжения сток-исток Ucu &bdquo-роб 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.

6. Разработана оригинальная конструкция торцевых участков стоковых областей полосковой структуры СВЧ LDMOS транзисторных кристаллов, основанная на использовании заземленного полевого электрода.

7. 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 1ЛЭМ08 транзисторных кристаллов, конструкция периферийных участков стоковых областей, использованы при разработке новых типов мощных СВЧ ЬОМОБ 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.

1. Модель СВЧ 1ЛЭМ08 транзисторной структуры в среде САПР 18Е ТСАХ), комплекс методик моделирования и программного обеспечения для расчета в среде данной САПР влияния конструктивно-технологических факторов на основные электрические параметры (ипор, 1]си проо, Яси, 1си нас, Свх, Спрох, Свых) СВЧ ЬБМОБ транзисторных структур.

2. Расчетные зависимости электрических параметров (иси пров, Яси, Спрох, Свых) СВЧ Ы) М08 транзисторных структур от основных конструктивно-технологических факторов, учитывающие реальный профиль распределения концентрации примеси в эпитаксиальном слое.

3. Для каждого сочетания длины 1ЛЖ области параметров эпитаксиального слоя Д, ЙИ и рэпи, глубины истоковой р±области Хр+, существует оптимальная концентрация примеси в ЬББ области Л^ соответствующая максимуму концентрационной зависимости иси «роб (Ы^ шэ), при которой параметры Яси, Спрох и Свых принимают оптимальные компромиссные значения.

4. Расчетные зависимости электрических параметров {IIси проо, Спрох, Свых) СВЧ ЬЭМ08 транзисторных структур от длины Ьт заземленного полевого электрода над дрейфовой областью стока и толщины окисла 0 $ю2 под ним. Использование полевого электрода при оптимальных его параметрах позволяет значительно снизить Яси и Спрох без существенного изменения максимального значения иси проб.

5. Аналитический метод расчета пробивного напряжения сток-исток иси проб перспективной конструкции ЫЭМОЗ транзисторной структуры с суперпереходом, сформированной по технологии КНС, а также критерий выбора ширины полос суперперехода при заданной концентрации примесей в них.

6. Конструкция торцевых участков стоковых областей полосковой структуры СВЧ ЬБМОЭ транзисторных кристаллов, основанная на использовании заземленного полевого электрода.

7. Комплексная методика проектирования перспективных конструкций мощных СВЧ 1Л) М08 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 микрои 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 1БЕ ТС АО, методик моделирования и программного обеспечения- [117, 19−26] — проведение моделирования конструкции, технологии и электрических параметров транзисторных структур в САПР 1БЕ ТС АХ) — [1,2, 19−26] - разработка конструкции и технологии СВЧ ЬВМОБ 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 п±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.

10. Основные результаты диссертации, а именно: модель СВЧ 1ЛЗМ08 транзисторной структуры в САПР 18Е ТСАЕ), комплекс методик и программного обеспечения для моделирования СВЧ 1Л) М08 транзисторных структур в САПР 18Е ТС АЛ), результаты исследований зависимостей электрических параметров транзисторных структур от конструктивно-технологических факторов, рекомендации по выбору параметров полевого электрода, методика проектирования ЬБМ08 транзисторных структур, конструкция периферийных участков стоковых областей, использованы при разработке новых типов мощных СВЧ ЬЭМОБ транзисторов в ходе выполнения ряда НИР и ОКР, проводимых в ФГУП «НИИЭТ» (г. Воронеж). Были разработаны транзисторы в следующих параметрических рядах:

— Б = 500−860МГц, ипих = 28−32 В, Рвых = 12., 150Вт;

— Б = 2000МГц, ипит = 26−32 В, Рвых импульс — 30. 100Вт- -Б до 1000МГц, ипих = 12,5 В, Рвых = 2.80Вт;

— Б = 500−1000МГц, ипих = 28−32 В, Рвых = 80.300Вт;

— Б до 1000МГц, ипих = 50 В, Рвых — 30. .480Вт.

Использование результатов диссертации подтверждается соответствующим Актом о внедрении результатов диссертации.