6.3. Мощные мдп-транзисторы с вертикальными каналами

Дальнейшее совершенствование диффузионно-планарной технологии и использование методов двойной диффузии позволили получить многоканальные структуры мощных МДП-транзисторов. Активная область канала данных приборов формируется аналогично базе биполярного транзистора. Благодаря хорошей управляемости диффузионного процесса оказалось возможным изготовление рабочих каналов длиной менее 1 мкм с хорошей воспроизводимостью. Для транзисторов с относительно высокими пробивными напряжениями (более 100.. .300 В) используют DМДП и VМДП- структуры.

Структура базовой ячейки VМДП-транзистора представлена на рисунке 6.10. V-образный МДП-транзистор может быть изготовлен только в виде вертикальной структуры. Исходным материалом является n⁺-слой. Затем в этом слое осуществляют последовательную диффузию соответствующей примеси и формируют глубокую p-область и высоколегированный n⁺-слой истока. На данном этапе технологических операций полученная структура идентична ячейке биполярного транзистора. Однако, используя селективное химическое травление, в структуре формируют V-образные канавки, а также выращивают слои защитного окисла и создают металлизацию под вывод затвора и истока.

Рис. 6.10. Поперечное сечение базовой ячейки VМДП - транзистора

DМДП-мощные транзисторы с коротким каналом имеют как вертикальную, так и горизонтальную структуру базовой ячейки (рисунок 6.11).

В первом случае исток и затвор располагаются на верхней стороне кристалла, а сток - на нижней. Для горизонтальной ячейки характерен планарный вариант расположения всех основных выводов - сверху кремниевой пластины. В настоящее время все высоковольтные DМДП-транзисторы изготавливаются только с вертикальной структурой. Исходным материалом опять же является высоколегированная подложка n⁺-типа (для n-канальных транзисторов).

Для вертикального варианта обратная сторона подложки служит контактом к области стока. На подложке выращивается высокоомный эпитаксиальный

n-слой, после чего с помощью операций окисления, маскирования и травления переходят к диффузионным процессом по созданию р-области канала и высоколегированного n⁺-истока. В горизонтальной структуре проводится также диффузия области n⁺-стока. Затем следует заключительная операция металлизации соответствующих выводов. При сравнительно одинаковой технологии изготовления DМДП и VМДП-транзисторов вертикального типа первые, как правило, имеют более высокое пробивное напряжение, а вторые более низкое сопротивление канала в открытом состоянии. Это связано с тем, что инверсионный слой в р-области DМДП-транзистора расположен в горизонтальной плоскости, тогда как у V-обраного транзистора - под некоторым углом, что уменьшает толщину эпитаксиального слоя, определяющего параметры пробивного напряжения и сопротивление открытого ключа. В рассмотренных вариантах базовых ячеек показан так называемый металлический затвор.

а)

б)

Рис. 6.11. Поперечное сечение базовой ячейки DМДП - транзистора: а) горизонтальная структура, б) вертикальная структура

Большинство современных транзисторов выполняется с кремниевым затвором, называемым также поликремниевым или поликристаллическим (рисунок 6.12). Тип затвора не изменяет принципа работы транзистора. Следует, однако, иметь в виду, что металлический затвор обладает значительно меньшим сопротивлением, что делает его предпочтительным в высокочастотных транзисторах.

а)

б)

в)

Рис. 6.12. Конструкция затвора МДП-транзистора: а) металлический затвор, б) поликремниевый затвор, в) вертикальный затвор (Trench)

Для низковольтных мощных МДП-транзисторов используют, как уже упоминавшуюся, горизонтальную DМДП-структуру, так и более совершенную UМДП-структуру, показанную на рисунке 6.11, а. В данной ячейке затвор помещается в «канавку» (английский термин - trench). Это позволяет в несколько раз увеличить плотность размещения каналов и резко снизить остаточное сопротивление за счет еще большего уменьшения толщины эпитаксиального слоя (по сравнению с VМДП-структурой) и исключения паразитного промежутка между р-областями (по сравнению с DМДП-структурой).

Несмотря на определенные отличия в структурах рассмотренных ячеек, все они основаны на одном и том же принципе работы в закрытом состоянии ключа внешнее поле сосредоточено в эпитаксиальной n⁺-области стока. Основными механизмами возможного пробоя являются лавинный, связанный с увеличением напряженности электрического поля и температуры, и эффекты перемещения полей пространственного заряда (сквозной пробой и смыкание обедненных областей). Все современные МДП-транзисторы с пробивным напряжением более 250 В имеют в структуре ячеек охранные кольца и полевые электроды, изменяющие форму поля и устраняющие опасные эффекты искривления и стягивания силовых линий, оказывающие сильное влияние на пробивное напряжение структуры.

Мощные МДП-транзисторы имеют структуры с индуцированным каналом, в которых для перехода прибора в открытое состояние необходимо осуществить инверсию проводимости канала, расположенного непосредственно под управляющим затвором. Это обеспечивается подачей соответствующего смещения на затвор. Для n-канального транзистора напряжения смещения является положительным, а для р-канального сответственно отрицательным. Рассмотренные типы ячеек относятся к n-канальным транзисторам, которые находят более широкое применение в силу преимуществ электронной проводимости. Положительное напряжение на затворе находит в слое диэлектрика, изолирующего затор от канала, электрическое поле, которое протягивает из глубины

р-области электроны. По мере накопления этих электронов в приповерхностной части р-области происходит инверсия проводимости, т.е. образование обогащенного электронами канала. При этом между стоком и истоком транзистора образуется свободный канал для протекания рабочего тока. Открытое состояние ключа характеризуется прямым падением напряжения между стоком и истоком, которое в свою очередь зависит от сопротивления открытого канала. Основными составляющими этого сопротивления являются (рисунок 6.13): r_И- сопротивление металлизации области истока; r_n+ - омическое сопротивление

n⁺-области истока; r_К - сопротивление канала; r_ЭП -сопротивление эпитаксиального слоя ( в VМДП и UМДП-структурах такие участки практически отсутствуют); r_ЭПi - сопротивление высокоомного эпитаксиального слоя; r - сопротивление исходной подложки. Для высоковольтных МДП-транзисторов наибольший вклад (~95%) вносит сопротивление эпитаксиального слоя.

Рис. 6.13. Составляющие сопротивления мощного МДП-транзистора в открытом состоянии

Для низковольтных приборов сопротивление канала почти равномерно распределено между r_К и r_ЭПi (для UMДП-структур) или между r_К, r_ЭП и r_ЭПi (для горизонтальных DMДП-структур). Представленные данные показывают, что в высоковольтных МДП-структурах необходимо компромиссное решение между желанием повысить пробивное напряжение и снизить прямые потери. Пробивное напряжение повышается с увеличением размеров (главным образом длины) эпитаксиального n^--слоя. В то же время сопротивление r_ЭПi возрастает пропорционально напряжению пробоя в степени 2,5...2,7. С расширением n^-- слоя увеличивается также время пролета носителей от истока к стоку, что следует учитывать в транзисторах высокочастотного применения. Данные ограничения не позволяют высоковольтным МДП-структурам иметь преимущества по остаточным напряжениям перед биполярными транзисторами при заданном уровне прямого тока. Омический характер сопротивления открытого канала приводит к положительному температурному коэффициенту прямого падения напряжения. Это свойство способствует более равномерному распределению плотности протекающего через структуру тока и повышает её теплоустойчивость. Однако, в высоковольтных структурах с высоким удельным сопротивлением следует очень осторожно относится к повышению температуры. При постоянном токе увеличение омического сопротивления с ростом температуры приводит к еще большему рассеиванию мощности, а значит, к новому повышению температуры структуры и т.д. Если процесс становится неконтролируемым, возникает явление теплового пробоя, очень похожее на эффект вторичного пробоя в биполярном транзисторе. Для уменьшения удельного сопротивления канала в высоковольтных структурах увеличивают число параллельных базовых ячеек. Однако это увеличивает размеры кристалла и повышает его стоимость.

Принципиально новым решением проблемы уменьшения остаточного сопротивления является изменение структуры базовой ячейки. На рисунке 6.14 представлен элемент, так называемой CoolMOS-технологии, в котором с помощью специального эпитаксиального процесса сформирована р-область структуры особой геометрии.

Рис. 6.14. Поперечное сечение базовой ячейки CoolMOS-транзистора

Данная область имеет значительное углубление в части структуры, расположенной под затвором. При этом сопротивление открытого канала резко снижается, так как на пути протекания тока присутствует лишь незначительная часть эпитаксиального слоя. Основное поле внешнего напряжения в закрытом состоянии структуры сосредоточено в широких боковых областях эпитаксиального слоя, не принимающих участие в проводимости тока.

Все базовые ячейки мощного МДП-транзистора содержат внутренний «паразитный» биполярный n-p-n-транзистор, образованный n ⁺-истоком (эмиттер), р-областью инверсного канала (база) и эпитаксиальным n^-- слоем (коллектор). Этот транзистор фактически параллельно подключен к рабочему каналу МДП-структуры (рисунок 6.15).

а)

б)

Рис. 6.15. Паразитные элементы структуры мощного МДП-транзистора (а), эквивалентная схема его базовых ячеек (б)

Чтобы сохранить свое положительное свойство полевого транзистора, необходимо исключить любую возможность начала работы биполярного механизма переноса носителей. По этой причине в базавой ячейке мощного МДП-транзистора всегда подключают часть р-области к металлизированному контакту истока. Со схемотехнической точки зрения это эквивалентно закорачиванию эммитерного перехода паразитного n-p-n-транзистора. Однако, из-за конечного продольного сопротивления р-области, утверждать о полном решении указанной проблемы было бы неверно. При высокой скорости изменения напряжения в цепи стока (эффект dv/dt) емкостной ток обратной связи вполне способен навести на продольном сопротивлении р-области смещение, достаточное для отпирания n-p-n-транзистора. Особо это следует учитывать в высоковольтных структурах МДП-транзисторов и применять дополнительные защитные меры.

Подключение р-области транзистора к металлизации n⁺-истока создает внутри структуры еще один дополнительный элемент – обратносмещенный

р-n^- -переход, который можно рассматривать как внутренний встречно-параллельный диод между стоком и истоком (рисунок 6.15, а). Структуру ячейки проектируют таким образом, чтобы данный диод по своим предельным параметрам соответствовал аналогичным показателям МДП-транзистора и имел достаточно малое время восстановления запирающих свойств.

Динамические свойства рассматриваемых ячеек определяются внутренними емкостями, среди которых различают емкости затвор-исток C_ЗИ, затвор-сток C_ЗС и сток-исток C_СИ (рисунок 6.16).

Емкость затвор-исток состоит из двух составляющих: полевой емкости между металлизированными дорожками истока и затвора и дополнительной емкости, создаваемой перекрытием истоковой n⁺-области металлизированной частью затвора и эпитаксиальной n^-- областью. Емкость сток-исток определяется барьерной емкостью стокового р-n^--перехода. Поскольку емкости C_ЗС и C_СИ связаны с обедненной областью n^-- слоя, они становятся зависимыми от изменения напряжения сток-исток, уменьшаясь с его ростом (примерно в зависимости ~( U_СИ)^-0.5).