1.4 Моделирование и оптимизация конструктивно-технологических параметров мощных дмоп транзисторов

Структура вертикального ДМОП транзистора схематически показана на рисунке 6.

Рассмотрим модель вертикального ДМОП транзистора, состоящую из емкостной и резистивной эквивалентной схем (рисунки 7, 8), на которых показаны разрезы фрагментов активной области кристалла вертикального мощного n-канального ДМОП транзистора с указанием геометрических параметров элементарной ячейки, подлежащих оптимизации, а также элементов, составляющих её эквивалентные резистивные и емкостные электрические схемы.

Исходя из эквивалентной резистивной электрической схемы сопротивление элементарной ячейки в открытом состоянии прибора равно:

R_{SD S} = R_1S + R_2S + R_3S + R_4S + R_5S, (1)

где R_1S – сопротивление канала обогащенного n-МОП транзистора;

R_2S – сопротивление канала обедненного p-МОП транзистора;

R_3S – сопротивление управляемого полем n-МОП транзистора;

R_4S – объёмное сопротивление трапецеидальной области эпитаксиального слоя n-типа;

R_5S – объёмное сопротивление прямоугольной области эпитаксиального слоя n-типа.

Сопротивление канала обогащенного n-МОП транзистора элементарной ячейки вычисляется как сопротивление горизонтального n-МОП транзистора:

R_1S = L_ch / _n1 C_ox W_s (U_{GD R} - U_{TH n}) (2)

где L_ch – длина канала;

_n1 – подвижность носителей в канале обогащенного n-МОП транзистора;

C_ox – удельная емкость подзатворного окисла;

W_s– периметр элементарной ячейки;

U_{GD R} – напряжение затвор-исток при замере R_SD;

U_{TH n} – пороговое напряжение обогащенного n-МОП транзистора.

Длина канала транзистора определяется как функция значений глубины диффузии р^- -канала (X_jp-) и n⁺ - истока (X_jn+):

L_ch = 0,85 (X_jp- X_jn+). (3)

Удельная ёмкость подзатворного слоя SiO₂ зависит от оптимизируемого конструктивного параметра, а именно от его толщины (D_OX) и технологического параметра – диэлектрической постоянной окисла ( _OX):

C_OX = ₀  _OX / D_OX (4)

Периметр элементарной ячейки прибора находится исходя из выбранной формы элементарной ячейки, т.е. W_S = 4 L_S для квадратной и W_S = 3.4641 L_S для гексагональной ячейки.

Сопротивление канала обедненного p-МОП транзистора элементарной ячейки определяется аналогично R_1S:

R_2S = 0,17 (L_g – 1,7 X_jp-) / _n2 C_OX W_s (U_{GD R} - U_{TH p}) (5)

где L_g – топологический зазор между ячейками;

_n2 – подвижность носителей в канале обедненного p-МОП транзистора;

U_{TH p} – пороговое напряжение обедненного p-МОП транзистора.

Рисунок 6 – Фрагмент структуры мощного ДМОП транзистора

Р исунок 7 – Разрез фрагмента активной области кристалла вертикального мощного n-канального ДМОП транзистора с учётом параметров резистивной модели

Рисунок 8 – Разрез фрагмента активной области кристалла вертикального мощного n-канального ДМОП транзистора с учётом параметров емкостной модели

Рисунок 9 –Зависимость нормализованных уровней электрическиех параметров ДМОП транзистора от толщины подзатворного слоя SiO₂

В формуле (5) величина 0,5 (L_g – 1,7 X_jp-) равна эффективной длине канала обедненного p-МОП транзистора, а дополнительный сомножитель 1/3 и, соответственно, сомножитель 0,17 в формуле (5) отражают реальную двумерную картину протекания носителей заряда в обогащенном поверхностном слое (получен экспериментально).

Компонент R_3S моделирует область ДМОП структуры, ограниченную с боковых сторон p-n- -переходами двух соседних элементарных транзисторных ячеек. На рисунке 8 боковые границы этой области представляют собой части окружности с радиусом кривизны X_jp, равным глубине p-канала, причем вследствие реально существующего различия в диффузии примесей в горизонтальном и вертикальном направлении центры окружностей смещены относительно краев затвора (защитной маски при проведении имплантации примеси) на расстояние 0,15 X_jp-. При этом точки p-n-переходов, через которые проходит нижняя граница области управляемого полем n-МОП транзистора, определяется углом к горизонтали  = 45.

Для вывода расчётной формулы величины R_3S в описанных границах при допущении равномерного растекания носителей по поперечному сечению и при условии малого значения напряжения исток-сток (U_DS) проведено интегрирование сопротивления в полярных координатах по углу .

Вывод формулы для расчета объёмного сопротивления резистора R_4S элементарной ячейки, представленного на рисунке 8 в виде трапецеидальной области n^--эпитаксиального слоя, проводится путем интегрирования по линейной координате X, перпендикулярной поверхности кристалла.

Компонента R_5S появляется только в случае перекрытия трапецеидальных потоков носителей заряда и, при условии равномерного распределения плотности тока по сечению структуры в области перекрытия, рассчитывается как объёмное сопротивление прямоугольного бруска.

Результаты расчётов согласуются с экспериментальными данными в диапазоне малых токов стока. Однако анализ вольтамперных характеристик изготовленных приборов показывает, что при повышении уровней тока стока наблюдается повышение сопротивления в открытом состоянии, что приводит к отклонению экспериментальных значений сопротивления от расчётных. Данное явление объясняется тем, что при протекании через твёрдотельную структуру транзистора достаточно большого тока на стоковом p-n-переходе транзистора появляется разность потенциалов и этот p-n-переход смещается в обратном направлении. Возникающие при этом области пространственного заряда (ОПЗ) сужают сечение области протекания тока и обуславливает повышение сопротивления ДМОП транзистора в открытом состоянии.

Таким образом, допущения о малом уровне тока, сделанные при выводе формул для расчета компонент R_3S и R_4S, становятся неприменимыми, и чтобы адекватно отразить в расчете физический эффект роста сопротивления с увеличением тока процедура расчета сопротивления элементарной ячейки в открытом состоянии корректируется путём разбиения расчёта на три следующих этапа:

1 этап – предварительный расчёт компонент R_iS по выведенным формулам;

2 этап – расчёт геометрических параметров областей с участками R_3S, R_4S, скорректированных с учетом появления ОПЗ;

3 этап – окончательный расчёт компонент R_3S, R_4S, а также R_SD с учетом ОПЗ.

Используя описанные выше подход к задаче оптимизации и построенные модели в НПО «Интеграл» оптимизирована твёрдотельная структура и топология кристалла мощного ДМОП транзистора KP750Г, являющегося аналогом прибора IRL640. При этом обеспечен минимальный уровень величины R_SD. При выборе оптимальных решений варьированию подвергались следующие конструктивные параметры кристалла: толщина подзатворного слоя SiO₂, значения глубины канала и истока, размер ячейки, зазор между ячейками, шаг ячейки, концентрация носителей в верхнем слое эпитаксиальной плёнки. Кроме того, рассчитаны зависимости от зазора между ячейками при L_S и S_CHIP = const, величины сопротивления и его составляющих, выходной и проходной ёмкости приборов, входной ёмкости и крутизны характеристики.

Зависимости расчётных значений электрических параметров ДМОП транзистора – R_SD, C_iss (входная ёмкость), C_oss (выходная ёмкость), C_rss (проходная ёмкость) от толщины подзатворного слоя SiO₂, приведены в нормализованном графическом виде на рисунке 9, а зависимости нормализованных электрических параметров прибора от концентрации носителей в верхней (подлегированной) части эпитаксиального слоя с исходной концентрацией N_n- = 8,310¹⁴ см^-3 – на рисунке 10.

Из приведенных данных следует, что, увеличение толщины подзатворного слоя SiO₂ заметно влияет на величину R_SD, C_iss и крайне незначительно на C_oss, C_rss. Другими словами, увеличение толщины подзатворного слоя SiO₂ на 10% приводит к увеличению R_SD на 1%, уменьшению C_iss на 2,6%, снижению C_oss на 0,1% и уменьшению C_rss на 0,17%. В случае прибора KP750Г с точки зрения снижения R_SD следует выбирать толщину подзатворного слоя SiO₂ на уровне 42 нм, т.к. дальнейшее уменьшение толщины трудновыполнимо по причине ограничения величиной электрической прочности, а также верхней границей входной ёмкости.

Рисунок 10 – Зависимость нормализованных электропараметров ДМОП транзистора от концентрации носителей в вверхней (подлегированной) части эпитаксиального слоя

Исходя из резистивной эквивалентной электрической схемы ДМОП транзистора можно констатировать, что изменение концентрации основных носителей в верхней части эпитаксиального слоя будет влиять только на составляющую R_3S, если пренебречь незначительным изменением составляющей R_4S в верхней горловине трапециидального сечения. Поскольку удельный вес составляющей R_3S в суммарном R_SD для данного прибора равен 22%, то и максимальный выигрыш в снижении R_SD от повышения концентрации носителей в верхней части эпитаксиального слоя не может превысить этот уровень. Окончательный выбор оптимальных топологических параметров кристалла, соответствующих минимуму R_SD, возможен только после эмпирического подбора максимально-возможного уровня концентрации носителей в верхней части слое эпитаксиальной пленки, гарантирующего требуемый уровень пробивного напряжения исток-сток.

Для расчёта величины R_{си откр} в зависимости от параметров геометрии кристалла создана программа расчёта. При выполнении данной лабораторной работы студентам следует воспользоваться программой расчёта и инструкцией к ней (см. п. 2.4).