ОСОБЕННОСТИ ПОСТРОЕНИЯ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ ДМОП ТРАНЗИСТОРОВ С ПОНИЖЕННЫМ СОПРОТИВЛЕНИЯ СТОК-ИСТОК

​FEATURES OF BUILDING HIGH-VOLTAGE INTEGRATED DMOS TRANSISTORS WITH REDUCED DRAIN-TO-SOURCE RESISTANCE

Mishustin Alexander Ivanovich

Student, Department of Electronics, Radio Engineering and Communication Systems, Orel State University named after I.S. Turgenev,

Russia, Orel

АННОТАЦИЯ

В статье представлен анализ и описание современных подходов к проектированию силовых ДМОП транзисторов с пониженным сопротивлением сток-исток. Приведены основные физические уравнения для расчета сопротивления сток-исток силового транзистора.  Представлены данные о сопротивлении сток-исток современных высоковольтных ДМОП транзисторов и сравнение в зависимости от технологического процесса производства.

ABSTRACT

The article presents an analysis and description of modern approaches to the design of power DMOP transistors with reduced drain-to-source resistance. The basic physical equations for calculating the drain-to-source resistance of a power transistor are given. The data on the drain-to-source resistance of modern high-voltage DMOP transistors and a comparison depending on the technological process are presented.

Ключевые слова: МОП-транзистор; ДМОП-транзистор; сопротивление сток-исток; trench-gate; VD-MOSFET; P–N-переход; Super-Junction.

Keywords: MOS transistor; DMOS transistor; drain-to-source resistance; trench-gate; VD-MOSFET; P–N junction; Super-Junction.

Введение

При разработке и проектировании новых изделий микроэлектроники на этапе проектирования прибора необходимо определить параметры его структуры. Для полупроводниковых приборов такими параметрами являются, в частности, тип и уровни легирования полупроводника, глубины p-n переходов, топологические размеры. Для того, чтобы проектируемый прибор соответствовал заданным требованиям, необходимо верно подобрать и тщательно оптимизировать его параметры.

В основе процесса производства силовых транзисторов лежит планарно-эпитаксиальная технология, включающая в себя процессы нанесения и удаления вещества, окисления, фотолитографии, ионной имплантации и локальной диффузии. Последовательность выполнения операций и параметры проводимых процессов определяются структурой изготавливаемого прибора, условиями получения требуемой структуры и состава слоев, составляющих устройство, совместимостью и физическими свойствами материалов.

Одним из основных определяющих параметров ограничивающий конструктивно, физически и принципиально топологическую структуру МОП-транзистора является сопротивление сток-исток транзистора. В настоящее время перед разработчиками силовых МОП-транзисторов стоит задача по поиску и анализу возможностей уменьшения данного параметра.

Силовые МОП-транзисторы изначально считались идеальными силовыми переключателями из-за их высокого входного сопротивления и высокой скорости переключения. Однако их способность управлять мощностью была ограничена внутренним сопротивлением внутри конструкции между электродами стока и источника. Мощность, рассеиваемая из-за падения омического напряжения на внутреннем сопротивлении, ограничивала пропускную способность силовых МОП-транзисторов, а также эффективность силовых цепей, в которых они использовались [1].

Вертикальный силовой полевой транзистор металл–оксид–полупроводник (MOSFET) структура была разработана в середине 1970-х годов для получения улучшенной производительности по сравнению с существующими силовыми биполярными транзисторами.

Структура силового МОП-транзистора содержит два взаимных перехода, созданных между областями источника N+, P-базы и стока N-типа Одной из основных проблем, связанных со структурой силового биполярного транзистора, было его низкое усиление по току, когда он был разработан для поддержки высоких напряжений. Кроме того, силовые биполярные транзисторы не могли работать на высоких частотах из-за большого времени хранения, связанного с введенным зарядом в их области дрейфа, и были подвержены разрушительному выходу из строя при жестком включении применение с индуктивными нагрузками. Замена этих устройств, управляемых по току, устройством, управляемым по напряжению, была привлекательной с точки зрения применения. Высокое входное сопротивление структуры затвора металл–оксид–полупроводник (MOS) упростило требования к схеме привода по сравнению с биполярными транзисторами, использовавшимися в то время. Кроме того, их превосходная скорость переключения открыла новые области применения, работающие в частотной области 10-50 кГц.

Сегодня силовые МОП-транзисторы являются наиболее часто используемыми силовыми переключателями в приборах где рабочее напряжение выше 500 В. Первые коммерчески успешные силовые МОП-транзисторы были разработаны с использованием процесса двойной диффузии в середине 1970-х годов. В этих структурах VD-MOSFET канал был сформирован путем регулирования глубины двух переходов. Это позволило формировать структуры с короткой длиной канала, не прибегая к дорогостоящей литографии с высоким разрешением. Чтобы увеличить пропускную способность VD-MOSFETs по току, их внутреннее сопротивление было существенно снижено с середины 1970 -х до середины 1980-х годов за счет использования усовершенствованных правил проектирования. Однако это стало очевидно, что структура VD-MOSFET содержала основные паразитные сопротивления, которые препятствовали дальнейшему прогрессу в улучшении внутреннего сопротивления.

В 1990-х годах была разработана альтернативная структура устройства, основанная на использовании технологии trench, разработанной для динамической оперативной памяти (DRAM) приложения.

Структура trench-gate или U-MOSFET дала возможность снизить внутреннее сопротивление силового MOSFET-транзистора ближе к идеальному значению за счет устранения области JFET в структуре VD-MOSFET. Оптимизация использование этой структуры также позволило увеличить рабочую частоту для питания МОП-транзисторы в диапазоне 1 МГц. В структуре силового МОП-транзистора протекание тока между электродами стока и истока регулируется образованием инверсионного слоя, индуцируемого смещением, приложенным к электроду затвора.

Основные физические уравнения для расчета сопротивления силовых транзисторов.

Производительность силовых ДМОП-транзисторов ограничена внутренним сопротивлением. Полезно определить минимальное значение внутреннего сопротивления для силовой структуры MOSFET, способной поддерживать желаемый блокирующее напряжение. В идеализированном случае предполагается, что структура может поддерживать блокирующее напряжение без ухудшения из-за прекращения действия границы или локального усиления электрического поля внутри структуры ячейки. Кроме того, все сопротивления в структуре устройства, за исключением сопротивления области дрейфа, считаются паразитными сопротивлениями, которые были сведены к нулю. По распределению электрического поля, было выведено уравнение для сопротивления на единицу площади для области дрейфа:

                                                      (1)

где BV_PP - напряжение пробоя в параллельной плоскости, e_S - диэлектрическая проницаемость полупроводника, µ - подвижность, а EC - критическое электрическое поле для пробоя. Это сопротивление называется идеальным удельным сопротивлением включению. В случае кремниевых силовых МОП транзисторов концентрация легирования в области дрейфа достаточно низка, так что подвижность можно считать постоянной.

В случае кремниевого силового МОП-транзистора концентрация легирования в области дрейфа достаточно низка, так что подвижность можно считать постоянной. Для случая области дрейфа N-типа, которая используется для питания n-канала МОП-транзисторов, идеальное удельное сопротивление при включении определяется

                             (2)

после учета изменения критического электрического поля в зависимости от концентрации легирования. Аналогичным образом, для случая области дрейфа P-типа, которая используется для p-канальных силовых МОП-транзисторов, идеальное удельное сопротивление при включении задается формулой после учета разницы в подвижности электронов и дырок.

                           (3)

Идеальное удельное сопротивление включению для кремния, рассчитанное с использованием. При выполнении этих расчетов учитывалось изменение критической напряженности электрического поля и подвижности с концентрацией легирования, связанные с каждым напряжением пробоя. Идеальное удельное сопротивление включению для кремния P-типа примерно в три .раза больше, чем для кремния N-типа , из-за разницы между подвижностью дырок и электронов. По этой причине, n-канальный силовой МОП-транзистор предпочтительнее p-канального силового МОП-транзистора для большинства применений. Следовательно, большинство силовых МОП-транзисторов, имеющихся в продаже, являются n-канальными структурами. Однако устройства p-канала требуются в цепях питания, в которых используются дополнительные устройства, а также в цепях зарядных устройств аккумуляторных батарей [2].

Идеальным удельным сопротивлением включения считается наименьшее сопротивление на единицу площади, которое может быть достигнуто для силового МОП-транзистора, сконструированного с выбранным блокирующим напряжением. Сравнение фактического внутреннего удельного сопротивления включению любой конкретной архитектуры ячейки с идеальным удельным сопротивлением включению позволяет оценить качество конструкции ячейки. Прогресс в архитектуре силовых МОП-транзисторов и усовершенствования правил проектирования ячеек позволили снизить удельное сопротивление включения ближе к идеальному значению в последующих поколениях устройств.

Основная работа МОП-транзистора заключается в формировании проводящего канала на поверхности полупроводника под изолятором путем подачи напряжения на электрод затвора. О первой кремниевой структуре MOSFET, изготовленной с использованием термически выращенного оксида затвора, сообщалось в 1960 году. Эти боковые структуры не были предназначены для поддержания высоких напряжений или работы с большими токами. В 1970 годах было признано, что для работы с высокими напряжениями и токами при создании силового устройства требуется вертикальная архитектура. В конструкции бокового устройства слив и электроды источника должны быть соединены друг с другом. Этого можно достичь только с помощью тонких металлических электродов, которые плохо пропускают ток. В вертикальной конструкции устройства два сильноточных электрода могут быть расположены на противоположных сторонах пластины. Вертикальная конструкция позволяет использовать толстые электроды источника и стока, избегая прохождения тока через тонкие металлические пальцы. Кроме того, распределение потенциала внутри вертикальной конструкции более благоприятно для поддержания высоких напряжений.

Во всех вертикальных силовых МОП-транзисторах источник и сток N+ области разделены областью с P-основанием. P–N-переход, образованный между областью Pbase и стоком, используется для поддержания высоких напряжений за счет использования слабо легированной области дрейфа. Для подавления N–P–N паразитного транзистора, сформированного внутри в силовой структуре MOSFET P–N-переход, образованный между областью источника N+ и областью P-основания, замыкается коротким замыканием путем перекрытия металла источника поперек этого перехода. Это также позволяет исходному электроду действовать в качестве контакта с подложкой для структуры MOS, сформированной между затвором и областью P-основания.

В структуре силового МОП-транзистора не происходит инжекции неосновных носителей во время протекания тока во включенном состоянии. Следовательно, устройство может быть быстро переключено из включенного состояния в выключенное путем устранения смещения затвора для гашения канал. Скорость, с которой канал может быть удален под управлением затвора, определяется входной емкостью. Более быстрое переключение может быть достигнуто за счет увеличения тока затвора в течение интервалов переключения. Исторически сложилось так, что первые силовые структуры MOSFET были изготовлены с использованием технологии V-образной канавки. Из-за нестабильности этих структур впоследствии была разработана плоская структура, основанная на процессе двойной диффузии, которая быстро вытеснила структуру V-MOSFET. Совсем недавно была разработана структура U-MOSFET разработан с использованием конструкции траншейных ворот. Структура U-MOSFET позволила значительно снизить сопротивление силовых MOSFET-транзисторов.

Структура ячейки VD-MOSFET содержит топологию с плоским затвором, в которой электрод затвора расположен на плоской верхней поверхности полупроводника. Хотя усиление электрического поля происходит на плоских переходах в этой структуре, на затворном электроде усиление электрического поля отсутствует, поскольку края затворных электродов перекрывают области источника N+ с высокой степенью легирования . Края электрода затвора экранированы от приложенного потенциала стока наличием областей источника N+. Кроме того, наличие P–N-переходы под областью затвора могут экранировать его от смещения стока при уменьшении ширины затвора. В этих конструкциях P–N-переходы действуют подобно затворным областям структуры JFET, создавая потенциальный барьер под затворной структурой.

Поток тока во включенном состоянии может быть индуцирован в n-канальной силовой ДМОП-транзисторной структуре путем приложения положительного смещения затвора для создания канала, простирающегося от области N+ источника до области N-дрейфа. Проводимость тока происходит за счет переноса электронов от источника к стоку через канал и область дрейфа. При напряжениях смещения стока, которые малы по сравнению с напряжением смещения затвора, характеристики силового ДМОП-транзистора напоминают характеристики резистора, величиной которого можно управлять с помощью смещения затвора. Это называется линейной областью операция. Когда напряжения смещения стока становятся сравнимыми с напряжением смещения затвора, сопротивление протеканию тока увеличивается, поскольку смещение стока противодействует напряжению смещения затвора. В конечном счете ток стока насыщается при больших напряжениях смещения стока. Это называется рабочей областью насыщения. Ток насыщенного стока также зависит от напряжения смещения затвора.

Характеристики ввода–вывода для силовой структуры MOSFET определяются поведением области канала в зависимости от напряжений смещения затвора и стока. Свойства канала определяются структурой MOS, которую содержит затвор. В случае силовой МОП-транзисторной структуры необходимо учитывать влияние протекания тока через область дрейфа из-за ее относительно большого сопротивления. Низкое сопротивление силового МОП-транзистора во включенном состоянии является его наиболее важным свойством для силовой электроники. В сочетании с присущей силовым МОП-транзисторам способностью к быстрой коммутации это свойство позволяет поддерживать низкие потери мощности. Проводимость канала в структуре силового МОП-транзистора зависит от плотности свободных носителей и их подвижности [2].

Сопротивление по включению (R_ON) для силовой структуры MOSFET определяется как общее сопротивление протеканию тока между электродами стока и источника, когда для включения устройства применяется смещение затвора. Включенное сопротивление ограничивает максимальную возможность управления током силовой структуры MOSFET. Мощность, рассеиваемая в силовой структуре MOSFET во время работы во включенном состоянии, определяется как

                                                      (4)

который также может быть выражен на основе единицы площади:

                                                   (5)

где A - активная область устройства, J_D - плотность тока стока во включенном состоянии и R_ON,SP - это удельное сопротивление включения силовой структуры MOSFET. Рассеиваемая мощность на единицу площади ограничена допустимой максимальной температурой соединения (TJM), основанный на соображениях надежности. Повышение температуры выше значения окружающей среды (TA) определяется тепловым сопротивлением упаковки (rθ). Комбинируя эти соотношения, максимальная плотность тока, ограниченная непрерывной работой в режиме on-state, задается формулой

                                                           (6)

Из этого выражения можно сделать вывод, что способность к управлению током силовой структуры MOSFET может быть увеличена за счет уменьшения ее удельного сопротивления. Это было одной из главных целей сообщества разработчиков силовых полупроводников, использующего комбинацию структурных инноваций и усовершенствований технологического процесса.

Современные метод понижения сопротивления высоковольтных интегральных ДМОП-транзисторов и его сравнение с планарно-эпитаксиальной технологией.

При проектировании высоковольтных интегральных ДМОП-транзисторов, учитывается множество параметров и основную роль среди них играют: структура и конструкция ДМОП-транзистора, производственные и технологические возможности предприятия, геометрические размеры кристалла и базовых ячеек, материал подложки кристалла, примеси легирования физические и т.д. Расчет и выбор параметров зависит от области применения рассчитываемой структуры и ее назначения. Для высоковольтных ДМОП транзисторов одним из определяющих параметров является сопротивление сток-исток . Понижение этого параметра является одной из главных задач конструкторов и разработчиков современных транзисторов [3].

Для понижения этого параметра используют несколько приемов, такие как: изменение материала подложки (например, стандартные кремниевые подложки меняют на галий-нитридные) и изменение толщины эпитаксиальных подзатворных слоев. Как показывает практика, изменение материала подложки не дает весомого изменения сопротивления при той же конструкции транзистора и куда более серьезное изменение сопротивления вносят изменение и применение новых структур для понижения толщины эпитаксиальных слоев. Наиболее современным и передовым методом уменьшения сопротивления сток-исток транзистора является применение новейших Junction структур, среди которых можно выделить технологию Super-Junction. Для сравнения возьмем стандартные ДМОП транзисторы и сравним их с структурой Super-Junction.

Рисунок 1. Структура с применением технологии Super-Junction.

Рисунок 2. Структура ДМОП-транзистора выполненная по планарно-эпитаксиальной технологии

На рисунках 1-2 представлены структуры стандартного ДМОП и транзистора с структурой Super-Junction. Различие состоит в том, что структура увеличивает напряжения пробоя за счет применения вертикально ориентированного пакета из слоев n- и p-типов для формирования обедненного слоя, что обеспечивает равномерное распределение электрического поля вдоль p-n-переходов. Структура Super-Junction обычно обеспечивает и более низкие значения потерь проводимости в сравнении с другими структурами. При производстве приборов с структурой Super-Junction используется однофазная эпитаксиальная технология (Single-epi Process) для формирования в пакетах слоев p-типа. Наиболее часто используемая многофазная эпитаксиальная технология (Multi-epi Process), в сравнении с однофазной, чувствительна к изменениям концентрации легирующих примесей на стыках p-n-переходов за счет термодиффузии. Кроме того, при однофазной эпитаксии формируется дополнительный пакет слоев n- и p-типов (рис. 1), что позволяет уменьшить размеры кристалла или увеличить производительность прибора. Однофазная эпитаксиальная технология позволяет также сократить производственный цикл при изготовлении кристаллов транзисторов, так как эпитаксиальный рост слоев p-типа в пакетах производится только один раз. Чтобы оценить, насколько изменяется сопротивление стоик исток сравним несколько транзисторов с этой структурой и ДМОП-транзисторов с другими структурами.

Таблица 1

Параметры ДМОП транзисторов, произведенных по планарно-эпитаксиальной технологии

Таблица 2

Параметры транзисторов структуры Super-Junction

Заключение

Сравнивая таблицу 1 и 2 можно сделать вывод о существенном снижении R_СИ сопротивления сток-исток транзисторов в следствии применения структуры Super-Junction.

Определяющим компонентом в сопротивлении сток исток является толщина эпитаксиальных слоев, и в меньшей мере сопротивление материала подложки.

Перспективным конструктивно-технологическим вариантом для снижения сопротивления R_СИ является переход на объемные конструкции ДМОП транзисторов. Существенный эффект по снижению сопротивления, можно получать применяя конструкцию конструкцию ДМОП-транзистора с каналом типа Junction или Super-Junction.

Список литературы:

1. Конструктивно-технологические особенности субмикронных МОП-транзисторов Издание 2-е, исправленное Москва: Техносфера, 2011. – 800 с.
2. Дьяконов В.П. / Энциклопедия устройств на полевых транзисторах // Дьяконов В.П., Максимчук А.А., Ремнев А.М., Смердов В.Ю. / Солоно-Р - М:. 2002 / стр. 512
3. Старосельский, В. И. Физика полупроводниковых приборов микроэлектроники : учеб. пособие / В. И. Старосельский — М.: Высшее образование; Юрайт-Издат, 2009. — 463 с.