CC BY
13ния Vbd и сопротивления транзистора в открытом состоянии Ron. Для данного класса приборов необходимо, чтобы напряжение пробоя было не меньше удвоенного напряжения питания, а сопротивление в открытом состоянии должно быть минимально возможным. Наиболее предпочтительный метод для решения данной задачи - использование возможностей математического моделирования. В настоящей работе все расчеты проведены с использованием пакета Sentaurus TCAD фирмы Synopsys.
На рис.1 представлена блок-схема взаимодействия программ Synopsys TCAD. При таком согласовании и использовании утилит проще добиться оптимизации отдельных технологических узлов и исследовать способы улучшения характеристик дискретных приборов и устройств.
Рис.1. Блок-схема взаимодействия утилит Synopsys
В целях минимизации машинного времени, требуемого для математического расчета структуры, при помощи утилиты Sentaurus Structure Editor составлена приближенная, максимально параметризированная аналитическая модель прибора. Это позволяет провести расчетные эксперименты за короткое время в результате отхода от традиционной структуры рабочего проекта, когда вначале идет технологическое моделирование, потом промежуточный этап построения приборной конечно-разностной сетки, а только затем расчет электрофизических характеристик прибора с последующим извлечением каких-либо параметров. Задача быстрого изменения или подстановки переменной в рабочем проекте с быстрым перерасчетом электрофизических характеристик решается путем отказа от проведения технологического моделирования. Переменной в данном случае может быть геометрический и любой технологический параметр, соотнесенный с соответствующей операцией из эскизного маршрута (например, аналогом дозы легирования служит пиковая концентрация примеси, энергии - глубина и т.д.) Технологический разрез СВЧ LDMOS-транзистора со всеми параметрами, учтенными в командном файле Sentaurus Structure Editor, показан на рис.2.
^хтк ¿НвИ / ( ■■.'•. ¿пг.ТИг/ ^С1ГС11П
_'-юш/_
Рис.2. Технологический разрез СВЧ LDMOS-транзистора: Иер, - толщина эпитаксиальной пленки; - толщина подзатворного окисла; Ьуагае - перекрытие платой Фарадея резистив-ной области и-геБшГ; - длина канала; Х^^ - глубина перехода и-геБшГ /подложка; Хр^ц -глубина перехода карман/подложка; Х^ - глубина переходов сток (исток)/подложка; ЬеЛгЬгеш,[ - топологическая длина резистивной области и-геБшГ; Ь^ - расстояние между поликремнием и границей контактного окна к истоку; И^ - толщина межслойной изоляции
Примесные профили также не содержат в своем описании параметров с присвоенными конечными алгебраическими значениями, основные характеристики примесного распределения заменены переменными.
Выбранным критерием оптимизации является расчет совокупности конструктивно-технологических параметров, обеспечивающих получение минимального значения Яа„ при Уъа > 60 В. Для параметра Ьгетг[ (см. рис.2) нахождение оптимального значения во многом зависит от выбранного метода оптимизации. Если рассматривать функционирование прибора, то параметр ЬгеШг/ оказывает существенное влияние на пробивное напряжение и сопротивление транзистора в открытом состоянии, т.е. на важнейшие характеристики транзистора.
С использованием аналитической модели прибора определена зависимость пробивного напряжения от длины геБигГ-области с различными значениями пиковой концентрации в ней. При этом параметр Ь[агаЛеу =сопб1. Результаты эксперимента представлены на рис.3. Из рисунка видно, что пробивное напряжение входит в некоторое насыщение от параметра Ьгешг[. Предположено, что для заданной пиковой концентрации примеси в геБигГ-области оптимумом по шкале абсцисс будет точка перегиба кривой Уъл(Ьгешг[). Имеющиеся данные по примесным профилям в коммерческих СВЧ LDMOS-транзисторах подтверждают вероятность того, что выбор методики анализа характеристик является верным. Например, для профиля ЯгеШг/ -области с пиковой концентрацией фосфора равной 5,61016 см-3 значение длины ^геж[-области составляет (в зарубежном аналоге) 3,5 мкм при пробивном напряжении 65-70 В.
105
2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 б 6,5 7
L re surf мкм
Рис.3. Зависимость напряжения пробоя CB4-LDMOS-TpaH3№TOpa от параметра LresUrf для конструкции транзистора без платы Фарадея при различных значениях пиковой концентрации в резистивной области: ♦ - 5,61016 см-3; ■ - 3 1016 см-3; х - 8-1016 см"3; Ж - 1 • 1017 см"3; • - 1,5-1017 см"3
Однако представленный расчет не может использоваться для проведения конечного вычисления согласованной пары значений Vbd и Ron, поскольку при этом не учитывается пространственная зависимость в распределении значений пробивного напряжения от Lresurf и пиковой концентрации фосфора в резистивной области Nresufpeakconc, он дает лишь приближенные представления об оптимизации. Поэтому для более точного нахождения точек оптимума проведен численный эксперимент с построением трехмерных характеристических поверхностей, где по оси z откладываются значения пробивного напряжения (в вольтах), по оси х - значения Lresuf (в мкм), по оси y - значения пиковой концентрации примеси в резистивном слое NresurfPeakConc (в см-3).
Цель эксперимента - получение не только конечной согласованной пары значений пиковой концентрации примеси фосфора в области n-resurf, но и топологической длины этой области - параметров, от которых зависят Vbd и Ron. Зная пиковую концентрацию, легко подобрать необходимую для ее получения дозу легирования, а полученный размер длины области использовать при проектировании топологии интегрального элемента.
Проведен анализ контуров, получающихся при сечении построенных поверхностей плоскостью z = Vbd, где Vbd - пробивное напряжение, номинал которого вычисляется из требований ТЗ на изделие как удвоенное значение напряжения питания (в рассматриваемом случае равно 27 В). Двойной запас по превышению значения пробивного напряжения относительно напряжения питания является общепринятым требованием к изделиям данного класса, что обусловлено необходимостью исключения локального пробоя в структуре вследствие скачка напряжения в схеме при протекании больших токов.
Учитывая масштаб запланированного эксперимента, пробивное напряжение в программе Sdevice для всех проектов такого типа определяется пуассон-анализом в целях ускоренного получения результатов расчетов для построения 3.0-поверхностей, где каждый узел является электрофизической нодой в среде Sentaurus Workbench. В данном случае вы-
игрыш во времени достигается не в ущерб достоверности расчета, так как решается лишь самосогласованное уравнение Пуассона без подключения уравнения непрерывности для дырок и электронов, а также уравнений переноса. Расчет заканчивается при достижении условия, при котором ионизационный интеграл становится равен единице, что соответствует пробою.
Построение характеристических поверхностей и их анализ осуществлялся в пакете Ма1ЬаЬ. Составлен да-файл, который определенным образом обрабатывал массив данных, полученных после проведения моделирования. При экспорте матрицы, содержащей массив значений пробивных напряжений, меняющихся по столбцам согласованно со значением Ыгеш^РеакСопс, а построчно - согласованно с Ьгешавтоматически происходило построение соответствующего контура, получаемого при срезе поверхности плоскостью, перпендикулярной оси г и пересекающей ее в заданном значении пробивного напряжения Ум. Обоснование для анализа именно контура и, как следствие, вывод о том, что оптимальная точка находится именно на контуре, появилось в результате изучения экспериментальных данных. Как оказалось, при выборе любого сечения с большим значением пробивного напряжения значение Яоп в точке (Мгешгреак:опс) (Lresurf)j, принятое условно как отношение Ьге<шг^/ Nгеш>:реаСОо„с , по модулю выше полученного в аналогичной точке нижележащего контура. Таким образом, при предъявлении ТЗ на изделие на этапе проектирования решать задачу необходимо таким способом, чтобы пробивное напряжение реально полученного прибора было приближенно равно или немного превышало указанное в ТЗ с точки зрения получения минимального значение ЯоП.
Типовая поверхность, построенная в координатах пробивного напряжения, откладываемого по оси г, и пиковой концентрации с длиной геБий-области по осям х и у соответственно, представлена на рис.4. Зависимость приведена для ЬВМОБ-транзистора с длиной канала 1,2 мкм.
■ 80,0
''ьф в
60,0 _
и - 100,0-120,0 В 40 0 ' ^ 80,0-100,0 В :' - 60,0-80,0 В 20 0 :1 ^ 40,0-60,0 В - - 20,0-40,0 В
0,0 □ - 0,0-20,0 В
100,0
120,0
о
' -3
Нкэиг/Реак С'опе> см
Рис. 4. Типовая зависимость пробивного напряжения от Ь^^ и Мгеш1уреакСопс для конструкции транзистора без платы Фарадея
Таким образом, решением задачи является нахождение на полученной поверхности точки оптимума, в которой при заданных параметрах транзисторная структура обладает напряжением пробоя не ниже предъявляемого по ТЗ, а также минимальным сопротивлением в открытом состоянии. Выбор конструкции ставился вторичной сопутствующей задачей - приоритетным являлась отработка стратегии для анализа данных моделирования.
В составленный да-файл заложен алгоритм поиска наименьшего значения величины условного сопротивления прибора Лусл = / Nгеии1реаксопс вдоль полученного конту-
ра. Методика апробировалась для транзисторных структур с поддерживаемым напряжением питания 27 В, длиной канала 1,2 мкм и пороговым напряжением 2 В, с расчетной величиной £ = 5,6 ГГц. Найденные оптимальные значения пиковой концентрации
-3 „
(в см ) и длины Ягешг/-области (в мкм) для различных конструкций транзистора приведены на рис.5. Рассмотренные конструкции транзисторов приведены на рис.6.
Рис.5. Точки оптимума пиковой концентрации и длины Л^иу-области для трех вариантов конструкции СВЧ ЬБМ08-транзистора. Данные для конструкции № 3 и № 2 представлены при Ьуагасееу = 1,25 мкм
Рис.6. Конструкции СВЧ ЬБМ08-транзистора: а - без платы Фарадея с обычным истоковым контактом, не продленным до области поликремниевого затвора; б - конструкция с истоковым контактом, совмещающим в себе дополнительно функции платы, т.е. перекрывающим собой затвор; в - конструкцияс обособленными друг от друга истоковым контактом и отдельно организованной
платой Фарадея
Точки оптимальных значений пиковой концентрации и длины Rresurf-области для различных конструкций LDMOS-транзистора
Тип конструкции Rусл NresurfPeakConc-, ат/см 3 Lresurf, мкм Vbd, В
Без платы перекрытия 0,2679 9,301016 2,50 60,5
C платой перекрытия, закороченной с истоковым электродом 0,2261 1,44 • 1017 3,25 63
C платой перекрытия, закороченной с истоковым электродом 0,2433 1,131017 2,75 61
Таким образом, конструкция без платы Фарадея проигрывает в значении условно принятого сопротивления транзистора другим конструкциям (таблица). Прибор без платы Фарадея больше подходит для функционирования в качестве силового ключа. Результаты получены при помощи разработанной расчетной методики, суть которой состоит в анализе трехмерных характеристических поверхностей, представляющих зависимость пробивного напряжения от пиковой концентрации примеси фосфора в рези-стивном слое и топологической длины резистивного слоя. Как выяснилось в ходе численного эксперимента, именно к данным величинам проявляется наибольшая чувствительность оптимизируемых параметров - сопротивления в открытом состоянии и пробивного напряжения.
В ходе эксперимента подобраны физические модели расчета, позволяющие в сжатые сроки получать большие массивы данных в программах пакета TCAD Sentaurus, пригодных для качественного построения и дальнейшего анализа 3-мерных поверхностей в среде MatLab.
Литература
1. Кузнецов Е.В., Шемякин А.В. Мощные СВЧ LDMOS-транзисторы для беспроводных технологий передачи данных // Изв. вузов. Электроника. - 2009 - № 6. - С. 8-15.
2. 1W/mm RF power density at 3.2 GHz for a dual-layer RESURF LDMOS transistor / J.Olsson et al. // IEEE Electron Device Lett. - April 2002. - Vol. 23. - P. 206-208.
3. RF LDMOS Power Transistor Technology For Pulsed L-Band Transmitters / G. Formicone, F. Boueri, J. Burger et al. // Integra Technologies, Inc., - 2007. - P. 54-56.
4. Steve V. Cripps. RF Power Amplifiers for Wireless Communications // Artech House. - 1999. -P. 300-315.
5. Stephen A. Maas. Nonlinear Microwave and RF circuits // Artech House microwave library. -January 2003. - P. 600-612.
Статья поступила 6 июня 2011 г.
Шемякин Александр Валерьевич - младший научный сотрудник НПК «Технологический центр» (г. Москва). Область научных интересов: технология микроэлектроники, математическое моделирование полупроводниковых устройств. E-mail: [email protected]
УДК 621.316.8
Теория электрических контактов в аспекте электропроводности резистивных пленок
А.Н. Лугин
НИИ электронно-механических приборов (г. Пенза)
Показана необходимость применения теории электрических контактов при рассмотрении электрической проводимости в макроскопических телах. Предложено в качестве составляющей электрического сопротивления резистивной пленки ввести сопротивление от стягивания электрического тока между контактирующими поверхностями гетерогенных структурных образований.
Ключевые слова: тонкопленочный резистор, тонкая резистивная пленка, контакт, стабильность электрического сопротивления, электропроводность, теория электрических контактов, структура резистивного материала, стягивание электрического тока.
Технические решения последних лет на основе теории проектирования тонкопленочных резисторов (ТПР) позволили производить ТПР и осуществлять их микросборку с ранее недостижимыми параметрами: допускаемое отклонение и нестабильность сопротивления до ±0,001%; температурный коэффициент сопротивления (ТКС) до ±1-10-6 1/°С [1]. На основе ТПР спроектированы и производятся первые отечественные 18-разрядные гибридные интегральные цифроаналоговые преобразователи с дифференциальной и интегральной нелинейностью до ±0,0002% [2] и 16-разрядные аналого-цифровые преобразователи напряжений вращающихся трансформаторов с погрешностью смены кода до ±2 единицы младшего разряда.
Однако существует ряд проблем, от решения которых зависит эффективность производства резисторов (повышение процента выхода годных и снижение себестоимости) и дальнейшее повышение технического уровня изделий. К таким проблемам относится, прежде всего, получение тонких резистивных пленок с прогнозируемой величиной стабильности сопротивления.
Обеспечению как временной, так и температурной стабильности сопротивления ТПР посвящено много работ [3, 4], но для дальнейшего повышения стабильности достигнутых результатов недостаточно. Опыт производства, анализ дефектной продукции, теоретические работы, а также развитие прецизионной техники в целом указывают на необходимость продолжения исследований в этом направлении. В первую очередь следует выяснить роль структуры тонкой резистивной пленки в стабильности электрического сопротивления (электропроводности).
В работах [3, 5-8] представление о структуре резистивных пленок в общем случае связывается с мелкодисперсным гетерогенным состоянием металлической и диэлектрической фазы. Структура представляется в виде проводящих зерен (кристаллитов), разделенных диэлектрической пленкой и имеющих в зависимости от способа, режимов получения и термической обработки различные геометрические размеры и состав [3, 8]. Соответственно и механизмы электропроводности, без учета рассеяния электронов на
© А.Н. Лугин, 2012
