Актуальность темы
В большинстве современных кремниевых биполярных, МОПтранзисторах, 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 рячейках 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 переходаматематическое 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 2001 г., 2002 г.)», научной конференции преподавателей и сотрудников ВГУ (2001г.), VIII междунородной научно-технической конференции «Радиолакация. Навигация. Связь» (Воронеж 2002 г.), 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.
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 661 В.
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 линейнымчем 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 661 В.
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 побласти) оказывается меньше толщины Ьр. п (ипроб).