CC BY
38
УДК 621.382.323
КРЕМНИЕВЫЕ ДМДП-ТРАНЗИСТОРЫ С ИЗОЛИРОВАННЫМ ЗАТВОРОМ И ИНДУЦИРОВАННЫМ ^-КАНАЛОМ
В.В.Гаврушко, В.А.Ласткин*, Т.А.Мохова INDUCED ^-CHANNEL SWITCHING POWER ISOLATED GATE DMOSFET
V.V.Gavrushko, V.A.Lastkin*, Т.A.Mokhova
Институт электронных и информационных систем НовГУ, [email protected] *ОАО «ОКБ-Планета», Великий Новгород, [email protected]
Рассмотрено влияние на параметры приборов технологии изготовления мощных кремниевых ДМДП-транзисторов с изолированным затвором и индуцированным p-каналом. Исследована зависимость тока стока от толщины подзатворного диэлектрика для подложек с удельным сопротивлением 1,5, 3 и 4,5 Омсм. Установлено, что с уменьшением толщины подзатворного диэлектрика от 150 нм до 90нм величина тока стока транзисторов не зависела от удельного сопротивления подложек. Для меньших толщин проявлялось положительное влияние подложек с низким удельным сопротивлением. С уменьшением толщины подзатворного диэлектрика в пять раз от 150 нм до 30 нм величина тока стока для разных эпитаксиальных структур возросла в 3,5-4,5 раза. Максимальные значения тока стока при изи = -10 В, иси = -10 В достигали 9 А. Напряжение лавинного пробоя транзисторов зависело от удельного сопротивления и находилось в пределах от 125 до 64 В. Ключевые слова: ДМДП-транзистор, индуцированный канал, подзатворный диэлектрик, ток стока, напряжение лавинного пробоя
This article considers the effect of manufacturing technology for powerful silicon DMOSFETs with an isolated gate and induced p-channel on the parameters of devices. The dependence of the drain current on the thickness of the gate dielectric for substrates with the resistivity of 4.5, 3 and 1.5 Ohm • cm is investigated. It was found that with a decrease in the thickness of the gate insulator from 150 nm to 90 nm, the value of drain current of the transistors did not depend on the resistivity of the substrates. For smaller thicknesses, a positive effect of substrates with a low specific resistance was observed. With a decrease in the thickness of the gate insulator five times from 150 nm to 30 nm, the drain current for different epitaxial structures increased 3.5-4.5 times. The maximum drain current at Ui = 10 V, Uc = 10 V reached 9 A. The voltage of avalanche breakdown of transistors depended on the resistivity and was in the range from 125 to 64 V. Keywords: DMOSFET, induced channel, gate insulator, drain current, avalanche breakdown voltage
МДП-транзисторы находят широкое применение в современной энергетической электронике. Главные области применения мощных МДП-транзисторов — электрические приводы переменного тока, преобразователи частоты для электротехнических установок, источники вторичного электропитания и т.п. [1]. По сравнению с другими полупроводниковыми приборами, такими как биполярные транзисторы и тиристоры, они обладают малыми
временами переключения (1-10 нс против 1 мкс убиполярных приборов) и, вследствие этого, малыми потерями на переключение, а также характеризуются более высокими рабочими напряжениями и температурами.
Классический МДП-транзистор представлял собой планарную структуру со встроенным или индуцированным каналом, минимальная длина которого ограничивается процессами фотолитографии [2]
(рис.1а). Для обеспечения токов, необходимых в силовых устройствах, планарная конструкция требовала больших размеров приборов. Это приводило к увеличению паразитных емкостей, росту сопротивления канала, уменьшению произведения коэффициента усиления на ширину канала МДП-транзистора и снижению его быстродействия. Именно поэтому на смену планарному пришел вертикальный МДП-транзистор, который получался методом двойной диффузии сначала р-кармана, затем я+-кармана в одно и то же окно (рис.1б). Последовательная диффузия примесей позволяла сформировать ДМДП-транзистор с коротким каналом, размеры которого определялись границами двух диффузионных областей. Особенностью ДМДП-транзистора является направление внутри такого транзистора тока, который протекает сначала горизонтально по поверхности через индуцированный в р-области п-канал, затем заворачивает вниз и течет вертикально по эпитаксиальному слою (область дрейфа) стока.
Конструкции современных ДМДП-транзисторов позволяют уменьшить сопротивление открытого канала до величины, меньшей 0,1 Ом. Такое малое сопротивление имеют многоячеистые (многоканальные) структуры, в которых ячейки, представляющие собой отдельные элементарные транзисторы, соединены параллельно. При этом число таких ячеек на кристалле транзистора может достигать десятков тысяч. Параллельное соединение ячеек ДМДП-транзистора возможно потому, что при росте температуры сопротивление их канала увеличивается. Если по какой-либо причине ток одной из ячеек увеличится, вырастет и его температура. Это приведет к увеличению сопротивления канала и уменьшению тока. Таким образом, при параллельном соединении ячеек ДМДП-транзистора автоматически обеспечивается выравнивание токов и исключается локальный перегрев и выход из строя транзистора [3].
Как показано на рис.1б, канал транзистора образуется в зазоре между двумя границами карманов р- и я+-типа путем подачи в данном случае положительного напряжения на поликремниевый затвор,
который лежит непосредственно на тонком подза-творном диэлектрике.
В данной работе рассматривается технология изготовления мощных коммутационных кремниевых ДМДП-транзисторов с изолированным затвором и индуцированным р-каналом. Поскольку такие транзисторы работают преимущественно в ключевом режиме, одним из важнейших параметровдля них является максимальное значение тока стока в открытом состоянии. Ток стока транзистора определяется сопротивлением сток-исток (Яси), основной вклад в которое вносят сопротивление канала транзистора и сопротивление эпитаксиального слоя подложки [3]. Сопротивление канала обычно определяется следующим выражением [4]:
^д* Асан
Я,
ц-8д-Во • г-(и зи "ипор )
(1)
где Цш — напряжение на затворе транзистора; иШр — пороговое напряжение транзистора; р — подвижность носителей заряда на поверхности (в нашем случае дырок); 8д — диэлектрическая проницаемость подзатворного диэлектрика; г — ширина затвора транзистора; ^ — толщина подзатворного диэлектрика; Акан — длина канала.
Сопротивление эпитаксиального слоя определяется выражением [3]:
Р*^эп • /
Яэ
(2)
где р — удельное сопротивление эпитаксиальной пленки; dэп — толщина эпитаксиальной пленки; А — активная площадь кристалла; / — множитель, зависящий от того, какую часть кристалла занимает его активная площадь.
Согласно выражению (1), при неизменных размерах кристалла (а следовательно, и ширине затвора) основными параметрами, которыми управляется сопротивление канала транзистора, являются толщина подзатворного диэлектрика и длина канала. Уменьшать длину канала нецелесообразно, поскольку это приводит к уменьшению напряжения пробоя транзистора. В связи с этим в работе были проведены исследования зависимости максимального значения тока стока транзисторов от толщины подзатворного
Рис.1. Вид поперечного сечения классического планарного МДП-транзистора (а) и элементарной ячейки вертикального ДМДП-транзистора (б) с л-каналом
диэлектрика. Для этого были изготовлены транзисторы с различной толщиной подзатворного диэлектрика, которые формировались на эпитаксиальных р-р+-структурах кремния с ориентацией кристаллографических осей <111> и удельным сопротивлением 1,5, 3 и 4,5 Омхм.
На рис.2 изображен эскиз поперечного сечения элементарной ячейки описываемого транзистора с индуцированным р-каналом. А-карман был образован ионной имплантацией фосфора с последующей разгонкой на глубину порядка 4,5 мкм и слоевым сопротивлением около 100 Ом/^. Карман р+образован диффузией бора на глубину около 0,8 мкм и слоевым сопротивлением около 30 Ом/^ и служил истоком транзистора. Диффузия бора осуществлялась в те же окна, что и ионное легирование фосфора (Ы-карман), это позволило осуществить операцию самосовмещения канала транзистора. Обратная сторона Р-Р+-подложки со сформированным на ней металлическим контактом служила контактом стока. Для улучшения омического контакта с Ы-областью при формировании «истоковой перемычки» между р+- и п-карманами, в центр транзисторных ячеек проводилась диффузия фосфора на глубину 1,5 мкм и слоевым сопротивлением около 60 Ом/^. Как известно, данная «перемычка» необходима для исключения влияния «паразитного» биполярного транзистора р+-п-р-типа [2]. Одновременно с помощью данной диффузии фосфора для увеличения напряжения пробоя формировались охранные кольца по периферии центральной (активной) части кристалла.
Рис.2. Поперечное сечение элементарной ячейки ДМДП-транзистора с каналом р-типа проводимости
В качестве подзатворного диэлектрика транзистора использовалась комбинация пленок SiO2-SiзN4 в соотношении 1:2. При этом пленка нитрида кремния осуществляла пассивирующую функцию. Пленка SiO2 выращивалась в атмосфере сухого кислорода при температуре 900-1000°С. Пленка нитрида кремния осаждалась методом взаимодействия газов моносилана и аммиака при температуре 850°С. Пленка поликристаллического кремния толщиной около 0,5 мкм, выполняющая роль затвора, осаждалась поверх затворного диэлектрика методом разложения моносилана при температуре 630°С. Для уменьшения сопротивления
затвора проводилась диффузия фосфора в поликремний при температуре 870°С. Конфигурация поликремниевого затвора в центральной части кристалла между транзисторными ячейками формировалась фотолитографией с последующим плазмохимическим вытравлением поликремния в плазме С?4 в ненужных областях над ячейками и по периферии кристалла. Изоляция между электродами истока и поликремниевым затвором осуществлялась последовательным осаждением диэлектрических пленок SiзN4-SiO2-SiзN4 с последующим вытравливанием контактных окон к транзисторным ячейкам и поликремниевому затвору. Далее поверх сформированного изолятора производилось напыление пленки алюминия толщиной 2-3 мкм вакуум-но-термическим способом с последующим формированием электродов истока (объединяющего все транзисторные ячейки) и затвора. Для контакта к стоку на обратную сторону пластины напылялась система металлизации Ть№-Аи и осаждалось гальваническое золото толщиной 3-4 мкм. По завершении технологического цикла проводились измерения электрических характеристик транзисторов на измерителе параметров полупроводниковых приборов Л2-56. Контролируемыми параметрами являлись напряжение лавинного пробоя и ток стока транзисторов в режиме Ци = -10 В, иси = -10 В.
В таблице представлены результаты измерений и расчетные значения [5] напряжения лавинного пробоя исследуемых транзисторов, изготовленных на различных эпитаксиальных структурах.
Напряжение лавинного пробоя ДМДП транзисторов
Удельное сопротивление эпитаксиального слоя подложки транзисторов, Омхм 4,5 3,0 1,5
Напряжение лавинного пробоя транзисторов, В 115-125 95-100 64-70
Расчетное значение напряжения лавинного пробоя р-п-перехода [5], В ~ 130 ~ 95 ~ 70
Как видно из таблицы, наблюдалось хорошее согласие теоретических и экспериментальных данных по значениям пробивного напряжения транзисторов для различных эпитаксиальных структур.
На рис.3 представлены результаты измерений величины тока стока от суммарной толщины подза-творного диэлектрика транзисторов, выполненных на различных эпитаксиальных структурах.
Из рис.3 видно, что с уменьшением толщины подзатворного диэлектрика в пять раз от 150 нм до 30 нм величина тока стока транзисторов для разных эпи-таксиальных структур возросла в 3,5-4,5 раза. Это является хорошим подтверждением влияния толщины подзатворного диэлектрика на ток стока. Существенного уменьшения напряжения лавинного пробоя транзисторов при этом не наблюдалось. Вместе с тем следует учитывать, что уменьшение толщины подза-творного диэлектрика снижает максимально-допустимое рабочее напряжение на затворе изи max.
• 4,5 Ом*сгл 3,0 Ом*см А 1,5 Ом*сгл
20 40 60 SO 100 120
Толщина подзатгорно го диэлектрика, им
140
160
Рис.3. Зависимость тока стока от суммарной толщины подзатворного диэлектрика транзисторов, выполненных на эпитаксиаль-ных структурах кремния с различным удельным сопротивлением (режим измерения тока стока изи = -10 В, иси = -10 В)
Это не всегда целесообразно, так как с увеличением ЦЗИ растет крутизна транзистора.
При больших толщинах подзатворного диэлектрика (90-150 нм) существенной разницы по току стока между транзисторами, выполненными на разных подложках, не наблюдалось. Заметное увеличение тока на низкоомных подложках происходило при толщине подзатворного диэлектрика менее 90 нм. Данное явление можно связать с тем, что при толстых пленках подзатворного диэлектрика основной вклад в общее сопротивление транзисторов вносило сопротивление канала. С уменьшением толщины подзатворного диэлектрика сопротивление канала уменьшалось и основную роль начинало играть сопротивление эпитаксиального слоя подложки. Однако, как отмечалось ранее, это влечет за собой уменьшение напряжения лавинного пробоя транзистора.
Таким образом, результаты настоящей работы могут быть использованы для обоснованного составления технических требований к полевым ДМДП-транзисторам на основе кремния и выбором оптимальной технологии их изготовления.
1. Довгун В.П. Электротехника и электроника: учеб. пособие: в 2-х ч. Ч.2. Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2006. 252 с.
2. Керенцев А., Ланин В. Конструктивно-технологические особенности MOSFET-транзисторов // Компоненты и технологии. 2007. №4. С.100-104.
3. Окснер Э.С. Мощные полевые транзисторы и их применение / Пер. с англ. М.: Радио и связь, 1985. 288 с.
4. Блихер А. Физика силовых биполярных и полевых транзисторов / Пер. с англ. Л.: Энергоатомиздат, 1986. 248 с.
5. Sze S.M. and Gibbons G. Effect of Junction Curvature on Breakdown Voltage in Semiconductors // Solid State Electron. 1966. V.9. P.831-845.
References
1. Dovgun V.P. Elektrotekhnika i elektronika [Electronics and electrical engineering]. In 2 parts. Part 2. Krasnoyarsk, KSTU Publ., 2006. 252 p.
2. Kerentsev A., Lanin V. Konstruktivno-tekhnologicheskie osobennosti MOSFET-tranzistorov [Structural and technological characteristics of MOSFETs]. Komponenty i tekhnologii -Components & Technologies, 2007, no.4, p.100-104.
3. Oxner E.S. Power FETs and their applications. Englewood Cliffs, Prentice-Hall, Inc., 1982. (Russ. ed.: Oksner E.S. Moshchnye polevye tranzistory i ikh primenenie. Moscow, "Radio i sviaz'" Publ., 1985. 288 p.).
4. Blicher A. Field-Effect and Bipolar Power Transistor Physics. New York, Academic Press, 1981. 336 p. (Russ. ed.: Blikher A. Fizika silovykh bipoliarnykh i polevykh tranzis-torov. Leningrad, "Energoatomizdat" Publ., 1986. 248 p.).
5. Sze S.M., Gibbons G. Effect of junction curvature on breakdown voltage in semiconductors. Solid State Electronics, 1966, vol. 9, no. 9, pp. 831-845.
