CC BY
158
УДК 539.12:621.3.049
ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКТИВНОГО ИСПОЛНЕНИЯ КРАЕВЫХ УЧАСТКОВ СТОКОВЫХ ОБЛАСТЕЙ МОЩНЫХ СВЧ ЬБМ08 ТРАНЗИСТОРОВ
А.Ю. Ткачев, Б.К. Петров,
В.В. Асессоров, В.А. Кожевников, В.И. Дикарев, А.Н. Цоцорин
С помощью приборно-технологического моделирования в САПР 18Е ТСЛБ исследованы и определены оптимальные конструктивные варианты краевых участков стоковых областей мощных СВЧ ЬБМО8 транзисторных структур с напряжением питания 32 и 50 В. Обсуждаются физические эффекты, наблюдаемые в периферийных областях стока транзисторной структуры
Ключевые слова: моделирование, ЬБМО8, СВЧ транзистор, краевой участок стоковой области
В современных условиях мощные кремниевые СВЧ ЬБМО8 транзисторы являются наиболее перспективной компонентной базой для комплектования средств радиосвязи, радиолокации, телевещания и другой аппаратуры [1-3]. При сравнительно низкой стоимости, по основным электрическим характеристикам ЬБМО8 транзисторы превосходят все другие типы СВЧ транзисторов на основе кремния.
Однако при разработке и производстве современных СВЧ ЬБМО8 транзисторов возникает целый ряд проблем. Трудности обусловлены не только отсутствием в нашей стране специализированной технологической базы требуемого уровня, но и недостаточной теоретической проработкой физических процессов, происходящих в реальных транзисторных структурах.
Одним из важнейших вопросов при разработке СВЧ ЬБМО8 транзисторов является выбор оптимального конструктивного исполнения периферийных областей транзисторной ЬБМО8 структуры, а именно краевых областей стоковых п+-полос. Проектирование ЬБМО8 транзисторных структур всегда связано с выбором компромиссного конструктивного решения. Так, для снижения выходной емкости транзистора необходимо использовать узкие стоковые п+-полосы, однако этот фактор затрудняет обеспечение требуемого пробивного напряжения на краях стоковых полос. Далее, задача обеспечения более высокого значения пробивного напряжения в периферийных участках стоковых областей, чем в активных областях, существенно усложняется при введении в конструкцию ЬБМО8 транзисторной структуры заземленного полевого электрода над дрейфовой областью стока. Полевой электрод по-
Ткачев Александр Юрьевич - ФГУП «НИИЭТ», аспирант, E-mail: [email protected]
Петров Борис Константинович - ВГУ, д-р техн. наук, профессор, E-mail: [email protected] Асессоров Валерий Викторович - ФГУП «НИИЭТ», д-р техн. наук, профессор, E-mail:[email protected] Кожевников Владимир Андреевич - ФГУП «НИИЭТ», канд. техн. наук, ст. науч. сотрудник, E-mail:[email protected] Дикарев Владимир Иванович - ФГУП «НИИЭТ», E-mail:[email protected]
Цоцорин Андрей Николаевич - ФГУП «НИИЭТ», канд. физ.-мат. наук, E-mail:[email protected]
зволяет увеличить концентрацию примеси в дрейфовой п---области стока, что снижает сопротивление сток-исток в открытом состоянии и проходную емкость. Однако, при этом требуется применять специальные меры для достижения требуемого пробивного напряжении сток-исток на краях стоковых полос. Сложность данной задачи еще более возрастает при попытке увеличить напряжение питания транзистора для повышения выходной мощности.
Данная работа посвящена рассмотрению вопросов конструктивного исполнения краевых областей стоковых п+-полос мощных СВЧ ЬБМ08 транзисторов. Анализ проведен применительно к ЬБМ08 транзисторным структурам, рассчитанным на работу при напряжении питания 32В и 50В. Численное моделирование проводилось в среде приборно-технологической САПР І8Е ТСЛБ ге1.10.0 [4,5].
Электрические параметры моделей транзисторных структур определялись по вольтамперным характеристикам, которые, в свою очередь, рассчитывались путем решения системы уравнений, состоящей из уравнения Пуассона и уравнений непрерывностей для электронов и дырок:
У(є ■ V ц) = -д(р - п + Ы+в - МА),
УЗп = д(Я - О) + дд-,
ОЇ
•-VI р = д(Я - О)+ д °р,
СЇ
Зп =-д(Мпп ■ ^- °п Vn),
Зр =-д(МрР ^у + Ор Vp)
где є - диэлектрическая проницаемость кремния; у -электростатический потенциал; д - заряд электрона; р - концентрация дырок; п - концентрация
электронов; - концентрация ионизированных
атомов доноров; ЫА - концентрация ионизированных атомов акцепторов; Зп - плотность электронного тока; - плотность дырочного тока; Я -
скорость рекомбинации электронов и дырок; О -скорость генерации электронов и дырок; ц„, ¡лр -подвижности электронов и дырок в кремнии соответственно; Вп, Бр - коэффициенты диффузии электронов и дырок в кремнии соответственно.
Граничные условия для данной системы уравнений задавались путем указания потенциалов на контактах стока, истока и затвора. Данная система уравнений решается методом сеток с использованием алгоритма Ньютона при изменяемых граничных условиях.
Пробивное напряжение исипроб рассчитывалось по вольт-амперной характеристике как напряжение, при котором ток стока лавинообразно возрастает на несколько порядков.
Наиболее полное теоретическое исследование физических явлений в периферийных областях транзисторной структуры может быть выполнено при трехмерном моделировании. Однако, ввиду повышенной сложности трехмерных моделей и неоправданно больших для рассматриваемой задачи затрат машинного времени, авторам представляется допустимым анализ явлений в двумерном вертикальном сечении. На рис. 1 показана схема типичного варианта полосковой топологии участка СВЧ LDMOS транзисторного кристалла, применительно к которой выполнен анализ.
п+ исток А
затвор
В п— Р
В п+ сток А
металлизация стока
Р+ Р+
затвор
Р п+ исток
Рис. 1. Схема топологии участка кристалла СВЧ LDMOS транзистора.
Рассмотрим активную область кристалла транзистора в сечении А-А. На рис. 2 приведены схемы рассматриваемых вариантов конструкции вертикального сечения А-А: рис. 2(а) - классический вариант LDMOS транзисторной структуры; рис. 2(б) -LDMOS структура с заземленным полевым электродом над дрейфовой п---областью стока (LDD областью). Для классического варианта LDMOS структуры достаточно одноуровневой системы металлизации, а для структуры с полевым электродом оптимальной является двухуровневая металлизация.
Как показали проведенные ранее исследования [6], длина дрейфовой п---области стока определяется лишь требуемым пробивным напряжением сток-исток в закрытом состоянии. Оптимальная концентрация примеси в данной области соответствует максимуму на концентрационной зависимости пробивного напряжения сток-исток при фиксированной длине LDD области. При оптимальной концентрации примеси LDD область полностью обедняется лишь при напряжении пробоя, причем область пробоя локализована на границе п+-области стока. При уменьшении концентрации примеси резко возрастает сопротивление сток-исток в открытом состоянии. В случае, если концентрация примеси больше оптимальной, LDD область не обедняется полностью даже при пробое стока. При этом область пробоя
перемещается под край затвора, и пробивное напряжение резко снижается. Глубина LDD области на пробивное напряжение сток-исток практически не влияет.
соеди нте л ьн ы и металл
А-А
полиБІ-затвор
сток
П+ ) А п~ V П +
Р+ 1 Р У
Р-
Р+
ИСТОК
а)
А-А
полевой электрод^
сток
п+ 1 11-1=,— А п- V п+
р У
р+ р-
Р+
исток
б)
Рис. 2. Схемы рассматриваемых вариантов конструкций вертикального сечения в активной области LDMOS транзистора: а) классический вариант LDMOS структуры; б) LDMOS структура с заземленным полевым электродом над LDD областью.
Использование заземленного полевого электрода, расположенного над дрейфовой областью стока, усиливает обеднение LDD области и снижает напряженность электрического поля между краем затвора и LDD областью [7]. Данные эффекты приводят к увеличению оптимальной концентрации примеси в дрейфовой области стока. В качестве примера на рис. 3 приведены расчетные концентрационные зависимости пробивного напряжения LDMOS структур с полевым электродом и без него. В целом, введение заземленного полевого электрода в конструкцию LDMOS транзисторной структуры позволяет при неизменном пробивном напряжении сток-исток существенно снизить проходную емкость Сзс и сопротивление сток-исток в открытом состоянии Иси.
Основываясь на разработанных ранее методиках расчета [6,7], в САПР ІББ ТСАЭ созданы 4 эталонных модели LDMOS транзисторных структур в сечении А-А с полевым электродом и без него, рассчитанные на напряжение питания 32В и 50В. Длина LDD областей моделей LLDD32 = 3 мкм и LLDD50 =
6 мкм выбиралась таким образом, чтобы обеспечить пробивные напряжения на уровне 65В и 100В соответственно. Для транзисторной структуры, рассчитанной на напряжение питания 32В, концентрация примеси в эпитаксиальном слое имеет порядок 1015 см-3, а для структуры с напряжением питания 50В -1014 см-3. Полученные в результате моделирования значения конструктивно-технологических параметров использованы далее для моделирования пробивного напряжения различных конструктивных вариантов периферийных участков стоковых областей транзисторной структуры.
М$с!п-. 1°16 С“-3
Рис. 3. Расчетные зависимости пробивного напряжения сток-исток LDMOS структур от поверхностной концентрации примеси в LDD области.
Так как при исследовании периферийных областей стока используется двумерное моделирование, необходимо, чтобы конструкция данных областей обеспечивала с некоторым запасом пробивное напряжение большее, чем в активной области. В качестве целевого пробивного напряжения периферийных областей принято напряжение пробоя плоской части стоковой п+-области, которое составило, соответственно, 85В и 125В.
В~В сток
исток
Рис. 4. Оптимальное конструктивное исполнение периферийной области стока для LDMOS транзисторных структур с напряжением питания 32В.
Как показал анализ результатов численного моделирования, вариант конструктивного исполнения периферийной области стока в сечении В-В, показанный на рис. 4, является оптимальным для LDMOS транзисторных структур с напряжением питания 32 В. Конструкция периферийной области второго края стоковой полосы аналогична данной, за исключением того, что металлизация стока лишь
незначительно выступает за край п+-стока и не перекрывает промежутка до р-области.
В отличие от активной части кристалла, периферийная область стока в сечении В-В полностью перекрывается металлизацией стока, на которой в рассматриваемом режиме работы присутствует высокий положительный потенциал. Полевое воздействие металлизации стока препятствует обеднению LDD области. Однако, при этом возникает обедненный основными носителями приповерхностный слой в промежутке между LDD и р-областью. Действие этого слоя аналогично действию LDD области в активной области - возникает плавное падение потенциала вдоль слоя, изгиб эквипотенциальных линий стока уменьшается (рис. 5), что соответствует снижению напряженности электрического поля, и область пробоя перемещается в плоскую часть п+-стока. В этом случае пробивное напряжение стока достигает своего предельного значения.
области стока при напряжении сток-исток 85В.
При уменьшении зазора L1 между п-- и р-областью снижается падение потенциала на обедненном слое и происходит сгущение эквипотенциальных линий на границе р-области. Соответственно, на границе р-области возрастает напряженность электрического поля. При достаточно малой величине данного зазора область пробоя перемещается на границу р-области, что сопровождается значительным снижением пробивного напряжения. Таким образом, в рассматриваемой конструкции периферийной области стока в сечении В-В определяющее влияние на величину пробивного напряжения оказывает не длина LDD области L2, а величина зазора L1 между LDD и р-областью.
Как показали результаты моделирования, конструкция периферийной области стока, приведенная на рис. 4, может использоваться и в LDMOS транзисторных структурах с полевым электродом, рассчитанных на напряжение питания 32В. Так как LDD область в периферийной области стока не оказывает решающего влияния на пробивное напряжение стока, то увеличение концентрации примеси в LDD области мало сказывается на значении пробивного напряжения.
На рис. 6 приведены зависимости пробивного напряжения сток-исток в периферийной области в сечении В-В от длины п---области L2, выраженной в долях длины LDD в активной LDMOS структуре. Зависимости приведены для разных значений зазора между п-- и р-областью. На рис. 6(а) представлены
зависимости для классической конструкции LDMOS структуры, на рис. 6(б) - для LDMOS структуры с полевым электродом.
• • -Ц 0 Ц 0,6Ц_оо32 • - Ц 1.3Ц_0032 Ц 21|_0032
908070т 60-|50-=> < 403020-
- _ - - ' " ' " ~
" . - * * *
0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 *-2 1 4.0032 а)
• -ц-0 —Ц -°'6і-іррз2 Ч = 1-эЧ.орз2 Ч -2коозг
90807060-а ■
504030200.4 0.6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6
■-2' 4.0032
б)
Рис. 6. Зависимости пробивного напряжения сток-исток в сечении В-В от длины п---области Ь2: а) классическая конструкция ЬОМОБ структуры; б) ЬЭМОБ структура с полевым электродом.
Основываясь на представленных зависимостях (см. рис. 6), для LDMOS транзисторов, рассчитанных на напряжение питания 32В, можно принять оптимальными величины зазора Ь1 и длины LDD области Ь2 в периферийной области в сечении В-В, равные длине LDD области Ь^ш2 в активной зоне транзистора.
В периферийной области второго края стоковой полосы, ввиду отсутствия перекрытия стоковым металлом, LDD область обедняется, и на ней падает значительная часть напряжения сток-исток. Однако зазор между LDD и р-областью по-прежнему играет существенную роль, особенно для LDMOS структур с полевым электродом в связи с относительно большой концентрацией примеси в LDD области и, соответственно, неполным обеднением данной области. Если рассматриваемый зазор чрезмерно мал, то р-область препятствует распространению ОПЗ стока по мере увеличения напряжения сток-исток, что при малой длине LDD приводит к росту напряженности поля и локализации пробоя на границе р-области. Основываясь на результатах моделирования, можно заключить, что выводы об оптимальной величине зазора между LDD и р-областью и длине LDD об-
ласти, сделанные для сечения В-В, справедливы и для второго края стоковой полосы LDMOS транзисторов с напряжением питания 32В.
Как показали результаты численного моделирования, для второго края стоковой полосы LDMOS транзисторов, рассчитанных на напряжение питания 50В, оптимальные значения зазора между LDD и р-областью и длины LDD области определяются аналогично 32В транзисторам и равны длине LDD области LLDD50 в активной зоне транзистора. При этом напряжение пробоя в указанной периферийной области находится на уровне 120В как для классических LDMOS транзисторных структур, так и для конструкций с полевым электродом.
Однако в сечении В-В при данном конструктивном исполнении периферийной области пробивное напряжение не поднимается выше 95В для классических LDMOS структур и выше 115В для структур с полевым электродом. Как выяснилось, причина столь значительного снижения пробивного напряжения заключается в высоком сопротивлении эпитаксиальных пленок, необходимом для реализации требуемого пробивного напряжения в активной области кристалла. В зазоре между LDD и р-областью в сечении В-В под действием высокого положительного потенциала стоковой металлизации происходит инверсия типа проводимости в приповерхностном слое кремния, и образуется канал п-типа от LDD вплоть до р-области. Падение напряжения вдоль канала относительно невелико, поэтому на границе р-области резко возрастает напряженность электрического поля и происходит пробой. Этим объясняется также и слабая зависимость пробивного напряжения от величины зазора и длины LDD области. Более высокое напряжение пробоя для структур с полевым электродом объясняется тем, что суммарная толщина двух слоев диэлектрика, используемых при создании двухуровневой системы металлизации, существенно больше толщины слоя диэлектрика классических LDMOS транзисторных структур. Соответственно, напряжение инверсии типа проводимости больше, что и увеличивает пробивное напряжение. Контрольное моделирование показало, что увеличение толщины меж-слойного диэлектрика с 1 мкм до 2 мкм привело к увеличению максимального пробивного напряжения до 125В. Таким образом, один из способов достижения требуемых пробивных напряжений LDMOS транзисторов с напряжением питания 50В - это существенное увеличение толщины межслойного диэлектрика.
В LDMOS транзисторных структурах с полевым электродом существует и другой путь достижения требуемых пробивных напряжений. Он заключается во введении заземленного полевого электрода в периферийные области стока для предотвращения инверсии типа проводимости либо для принудительного обеднения LDD области. Как показало моделирование, наилучшие результаты достигаются
при использовании конструкций периферийной области в сечении В-В, показанных на рисунке 7.
В-В
Пя-
сток
Г1 +
1 р V п- \
У и 12
р+ / )-
Р+
исток
а)
В-В
сток
исток
б)
Рис. 7. Конструктивные варианты периферийной области стока с заземленным полевым электродом для LDMOS транзисторов с напряжением питания 50В.
Длина полевого электрода в периферийной области может быть небольшой, порядка 2 мкм. В первом варианте конструкции периферийной области, показанном на рис. 7(а), полевой электрод располагается над границей р-области, позволяя отсечь от нее канал и, тем самым, не допустить резкого увеличения напряженности поля на границе р-области с открытием канала. Оптимальные величины зазора L1 и длины LDD L2 соответствуют длине LDD области в активной зоне транзистора LLDD50.
Во втором варианте конструкции, приведенном на рис. 7(б), полевой электрод располагается полностью над LDD областью, начиная от ее края. Длина участка LDD области, не накрытого полевым электродом, от края полевого электрода до п+-области стока, должна быть не меньше длины LDD в активной зоне транзистора LLDD50. В этом случае основная доля напряжения сток-исток будет падать на данном участке, а на границе р-области разность потенциалов будет недостаточной для развития пробоя. Данная конструкция периферийной области значительно менее критична к величине зазора между LDD и р-областью: при величине зазора 0^ШШ0 и более пробой локализован в плоской части п+-стока и, соответственно, пробивное напряжение достигает максимальных значений. Оптимальная длина зазора L1 принята равной LLDD50.
Оба рассмотренных конструктивных варианта периферийной области стока при оптимальных значениях конструктивных параметров обеспечивают локализацию пробоя в плоской части п+-стока. Данные конструкции периферийных областей полностью применимы и для второго края стоковой полосы, а также в LDMOS транзисторах с напряжением питания 32В.
На рис. 8 приведены эквипотенциальные линии при пробое в трех вариантах периферийных областей транзистора с напряжением питания 50В, конструкции которых представлены на рис. 4, 7(а) и 7(б).
Рис. 8. Эквипотенциальные линии при пробое в периферийной области стока LDMOS транзистора с напряжением питания 50В. Конструктивный вариант: а) - по рис. 4, иси Проб = 95В;
б) - по рис. 7(а), иси проб = 125В;
в) - по рис. 7(б), исипроб = 125В.
На рис. 8(а) хорошо видно сгущение эквипотенциальных линий на границе р-области, соответствующее повышенной напряженности электрического поля. Заземленный полевой электрод, расположенный над краем р-области, препятствует образованию п-канала, в результате чего напряженность поля на границе р-области резко снижается и об-
ласть пробоя перемещается в плоскую часть п+-стока (рис. 8(б). Если заземленный полевой электрод расположен над дрейфовой п---областью стока (рис. 8(в), то на неэкранированном участке данной области падает основная доля напряжения сток-исток, и разность потенциалов вблизи границы р-области становится недостаточной для развития лавинного пробоя.
Таким образом, в результате проведенного исследования определены оптимальные конструктивные варианты формирования периферийных участков стоковых областей LDMOS транзисторных структур, рассчитанных на напряжение питания 32В и 50В. Определены условия надежного достижения требуемого пробивного напряжения как для классической конструкции LDMOS структур, так и для перспективной конструкции с заземленным полевым электродом.
Литература
1. Мощные LDMOS транзисторы: преимущества и области применения. -(http://avanti.com.ru/news/LDMOS.htm/).
2. Майская В. Высокочастотные полупроводниковые приборы / В. Майская // Электроника: Наука, технология, бизнес. - 2004. - №8. - С .16-21.
3. Фармикоун Г. Технология мощных СВЧ LDMOS-транзисторов для радарных передатчиков L-диапазона и авиационных применений / Г. Фармико-ун [и др.] // Компоненты и технологии. - 2007. - №10.
- С. 14-16.
4. Тихомиров П. Система Sentaurus TCAD компании
Synopsys. Новое поколение приборно-
технологических САПР / П. Тихомиров, П. Пфеффли, М. Зорзи // Электроника: Наука, Технология, Бизнес.
- 2006. - №7. - С. 89-95.
5. Официальный сайт фирмы Synopsys. -(^^л^ужру s.com).
6. Ткачев А.Ю. Влияние параметров дрейфовой области стока на характеристики СВЧ LDMOS транзисторов / А.Ю. Ткачев [и др.] // Твердотельная электроника и микроэлектроника: межвузовский сборник научных трудов. Воронеж, ГОУВПО «ВГТУ». - 2007. - Вып. 6. - С. 129-136.
7. Ткачев А.Ю. Моделирование электрических характеристик LDMOS транзисторных структур с полевым электродом / А.Ю. Ткачев [и др.] // Труды XIV международной научно-технической конференции «Радиолокация. Навигация. Связь», г. Воронеж. - 2008. -Т.2. - С. 1276-1283.
ФГУП «Научно-исследовательский институт электронной техники», г. Воронеж Воронежский государственный университет
DESIGN FEATURES OF THE FRINGE DRAIN REGIONS OF POWER RF LDMOS TRANSISTORS
A.J. Tkachev, B.K. Petrov,
V.V. Asessorov, V.A. Kozhevnikov, V.I. Dikarev, A.N. Tsotsorin
The optimal embodiment of the fringe drain regions of RF power LDMOS transistor structures with 32V as well as 50V supply voltage was developed by the TCAD simulation. The physical effects being observed at fringe drain regions of transistor structure are discussed
Key words: simulation, LDMOS, RF transistor, fringe drain region
