МИНОБРНАУКИ РОССИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
“ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ”
(ФГБОУ ВО «ВГУ»)
Физический факультет
Кафедра физики полупроводников и микроэлектроники
ПРИБОРНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
ТЕХНОЛОГИИ НИЗКОВОЛЬТНЫХ LDMOS-СТРУКТУР
Выпускная квалификационная работа
Направление 11.03.04 Электроника и наноэлектроника
Интегральная электроника и наноэлектроника
Зав. кафедрой ____________ д.ф.-м.н., проф., Бормонтов Е.Н. __.__.2021
Обучающийся ___________
Полтавцев М.В.
Руководитель ____________ к.т.н., доцент
Быкадорова Г.В.
Воронеж 2021
2
РЕФЕРАТ
УДК 621.385.6
Полтавцев
М.В.
Приборно-технологическое
моделирование
технологии
низковольтных LDMOS-структур. Выпускная квалификационная работа
бакалавра направления 11.03.04 «Электроника и наноэлектроника», Воронеж,
ВГУ, 2021. – 65 стр., 49 рис., 2 табл. и 25 источников.
Ключевые слова: LDMOS-транзисторы, приборно-технологическая модель
LDMOS-структур
Цель
работы
разработка
программных
средств
приборно-
технологического моделирования технологии низковольтных
LDMOS-
структур для элементной базы СВЧ-электроники
Результаты выпускной квалификационной работы получены в рамках
совместных научно-практических исследований, проводимых с АО «НИИ
электронной техники» (Воронеж).
3
Содержание
Введение.................................................................................................
1. Физико-математические основы проектирования LDMOS-транзисторов
4
5
1.1. Обзор технологий производства LDMOS-транзисторов .............. …
5
1.2. Математическое моделирование LDMOS-технологии ……………
17
1.2.1. Моделирование ионной имплантации ..................................
17
1.2.2. Моделирование диффузии примесей …………………….. …
24
1.2.3. Моделирование термического окисления ............................…
28
2. Исследование технологии низковольтных LDMOS-транзисторов …….
32
2.1. Конструкция и технология ячейки LDMOS-структуры ………….
32
2.2. Проект для моделирования низковольтной LDMOS-структуры ..…
40
2.3. Расчет основных конструктивно-технологических элементов низковольтной LDMOS-структуры ....................................................
45
2.4. Анализ полученных результатов ..................................................
60
Заключение ................................................................................................
62
Библиографический список .........................................................................
63
4
ВВЕДЕНИЕ
Одни из важнейших направлений научно-технического прогресса в
настоящее время – развитие систем связи, радиолокации и других подобных
систем. Связь на больших расстояниях требует большой выходной мощности
передатчика. Традиционно это достигалось использованием в выходных
каскадах передатчика мощных биполярных СВЧ транзисторов. Их частотные
свойства уже не хуже биполярных транзисторов, а потребляемая мощность и
мощность, необходимая для переключения, меньше. DMOS-транзисторы
превосходят
биполярные
транзисторы
также
по
некоторым
другим
параметрам. В настоящее время мощные СВЧ DMOS-транзисторы (особенно
латеральные) широко применяются в системах сотовой связи, в авиации, в
радиолокации, в телевизионных передатчиках и др. СВЧ LDMOS-транзисторы
выгоднее вертикальных, но технология их производства сложнее и с более
высокими
требованиями
к
точности
задания
всех
технологических
параметров. В нашей стране серийно производятся в основном вертикальные
DMOS транзисторы, поэтому во многих невоенных системах используются
LDMOS транзисторы зарубежного производства. Очевидно, что очень важно
разработать технологию производства отечественных LDMOS-транзисторов.
В этом заинтересованы не только разработчики военной техники, но и
производители бытовой техники, аппаратуры связи и т.д. В данной работе
рассматривается физико-технологическая модель СВЧ LDMOS-транзистора,
созданная в среде САПР TCAD. Модель разрешает изучать и улучшать
технологию изготовления, а еще имеет возможность применяться для
приборного
моделирования
электро-
и
теплофизических
параметров
транзистора.
Цель
работы
разработка
программных
средств
приборно-
технологического моделирования технологии низковольтных
LDMOS-
структур для элементной базы СВЧ-электроники
5
1. ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
ПРОЕКТИРОВАНИЯ LDMOS-ТРАНЗИСТОРОВ
1.1. Обзор технологий производства LDMOS-транзисторов
Транзисторные структуры типа LDMOS (Laterally Diffused Metal Oxide
Semiconductors)
широко
используются
в
качестве
полупроводниковых
устройств во многих областях, и прежде всего как высоковольтные высокочастотные MOS-транзисторы. Особенностью LDMOS-транзисторов является
наличие слаболегированной n-LDD-области стока для повышения напряжения пробоя. Таким образом, транзисторы типа LDMOS обладают более высоким сопротивлением из-за наличия LDD-области.
На рисунке 1.1 схематично показано сечение типичной LDMOSструктуры,
являющейся
базовой
частью
современных СВЧ
LDMOS-
транзисторов (рис. 1.2).
Рис. 1.1. Сечение типичной LDMOS-структуры
На исходную пластину кремния, например, Si-p+-типа наносится эпитаксиальный слой Si-p-типа. Такую p+-подложку можно легировать в значительной степени с концентрацией 1018-1019 см-3, а эпитаксиальный слой может
иметь концентрацию менее чем 1014-1015 см-3. В эпитаксиальном p-слое мето-
6
дом ионной имплантации в поверхность создаются области истока и стока соответственно.
Рис 1.2. Конструкция базовой ячейки мощного СВЧ LDMOS-транзистора [20]
Эпитаксиальный p-слой обычно покрыт изолирующим диэлектрическим
слоем, таким как оксид кремния SiO2, в котором поликремниевый затвор Sipoly (Si*) выполнен с возможностью перекрытия канала между стоковой LDDобластью, стоковым контактом и истоком. Сверху изолирующего слоя обычно
расположен пассивирующий слой. Сток в классическом LDMOS-транзисторе
включает в себя первую область, которая является высоколегированной n+областью с дозой легирования 51015 см2, и содержит соединение со стоковым
металлическим электродом, расположенным над этой областью, через окно в
диэлектрическом слое. Эта n+-область может быть окружена дополнительно
легированной n-областью с дозой легирования порядка 41012 см2.
Со стороны истока LDMOS-транзистора предусмотрен р+-легированный
канал, который протирается от поверхности эпитаксиального слоя до Si-p+подложки, чтобы обеспечить связь с контактом истока. Область n+-контакта
соединяет истоковую область с каналом. Контакт с исходным металлом может быть размещен вдоль всей нижней стороны пластины.
Взаимосвязь между напряжением пробоя и сопротивлением канала связана с максимальным электрическим полем, определяемым pn-соединением,
которое должно оставаться ниже критического значения электрического поля
7
для полупроводника (кремния), чтобы избежать пробоя. Это максимальное
электрическое поле определяется уровнем легирования, например, n-LDDлегированного стока в LDMOS-транзисторе. Кроме того, в приложениях, в которых транзистор большую часть времени вынужден находиться, длительное
пребывание в данном состоянии может привести к существенной инжекции
горячих носителей, приводящей к параметрическому дрейфу постоянного тока. Это очень распространенная проблема в структурах LDMOS-транзисторов,
потому что в LDD-области стока дозы ионно-имплантированных n-примесей
увеличены с целью снизить сопротивление, что приводит к более высокому
значению электрического поля и инжекции горячих электронов с течением
времени.
В работе [] предлагается свежая конструкция LDMOS-транзисторов. К
примеру, полупроводниковая конструкция LDMOS-транзисторов имеет подложку, имеющую эпитаксиальный слой первого на подобии проводимости,
область истока, простирающуюся от плоскости эпитаксиального слоя второго
на подобии проводимости, немного легированную район стока в эпитаксиальном слое 2 на подобии проводимости, канал, находящийся меж участками стока и истока, и затвор, находящийся над каналом изнутри изолирующего слоя,
в котором учтена зона имплантации первого на подобии проводимости, простирающаяся от плоскости эпитаксиального слоя до конца легированной области стока вблизи с затвором.
Стоковая n-LDD-область с малым уровнем легирования может содержать первую n-область ниже стокового контакта и вторую n-область, простирающуюся от первой сильно легированной n+-области в направлении к затвору, причем вторая область менее легирована, чем первая (рис. 1.3). В этом
варианте реализуется LDD-область с положительным градиентом латерального распределения примеси. Латеральное градиентное соединение создается
многослойной структурой, в которой первая n-область, выходит из-под затвора до стокового контактного электрода.
8
Рис. 1.3. Сечение типичной LDMOS-структуры
с дополнительным легированием области стока
Полупроводниковая структура LDMOS-транзистора может также содержать дополнительный инверсно по отношению к примеси n-LDD-области легированный р-карман (рис. 1.4), расположенный в области между каналом и
n-LDD-областью.
Рис. 1.4. Сечение типичной LDMOS-структуры
с дополнительным легированием области стока и р-карманом
9
Для транзистора с низкими частотными параметрами и для транзисторов
с большой длиной затвора/канала зона дополнительной р-имплантации кармана может доходить вдоль канала до контакта с р-имплантированной зоной
или даже перекрывать ее (рис. 1.5)
Рис. 1.4. Сечение типичной LDMOS-структуры
с дополнительным легированием области стока
и р-карманом с перекрытием
Эта область р-кармана, созданная внедрением примеси р-типа с дозой
имплантации, например, 21012 см2, может иметь приблизительную горизонтальную длину около 0,5 мкм и приблизительную вертикальную длину пиковой концентрации около 0,6 мкм (рис. 1.5). Однако, как указано пунктирной
линией, в высокочастотных транзисторах и для транзисторов с короткими
длинами затвора/канала зона имплантации
р-легирования кармана может
фактически перекрываться с p-областью канала. Зона имплантации кармана
глубже проникает в эпитаксиальный p-слой, образуя таким образом барьер.
Зона имплантации кармана может компенсировать 10-20% от дозы n-LDDобласти, локально подавляя дрейф в электрическом поле канала и инжекцию
горячих носителей заряда, таким образом, уменьшая модуляцию длины канала
и возможность дрейфа тока смещения постоянного тока со временем.
10
Рис. 1.5. Концентрационные профили в p-кармане
в сечении А-А структуры, приведенной на рисунке 1.4 [33]
Инжекция горячих электронов является локальным эффектом, обычно
происходящим в пределах расстояний ~0,5 мкм от стоковой стороны затвора.
Область имплантации может дополнительно иметь приблизительную нормальную
к
поверхности
структуры
глубину
залегания
пиковой
p-
концентрации около 0,6 мкм. Сопротивление сток-исток в открытом состоянии Rdson является распределенным значением в несколько микрон от размера
стока. Оптимизируя режимы ионной имплантации р-кармана, например, используя дозу ионной имплантации бором 51011 см2 с энергией ионов бора порядка 180 кэВ (или любую другую подходящую примесь p-типа), и путем увеличения дозы имплантации примеси n-LDD-области, например, до уровня
более 21012 см2, может быть достигнуто существенное снижение сопротивле-
11
ния сток-исток в открытом состоянии Rdson и улучшение радиочастотных характеристик мощного СВЧ LDMOS-транзистора без значительного дрейфа тока смещения постоянного тока со временем. Такая имплантация также обеспечивает особый боковой профиль диффузии из-за диффузионного перераспределения бора и высокой энергии имплантации.
Р-карман может быть успешно имплантирован с использованием процесса самосовмещения, как показано, например, на рисунке 1.6.
а
б
Рис. 1.6. Моделирование процесса самосовмещения при формировании р-кармана:
а LDD-область с имплантированной n-областью стока;
б имплантация бора в окно резистивной маски
На рисунке 1.6а показан фрагмент LDMOS-структуры с имплантированной n-LDD-областью стока. На следующем этапе образуется окно в фоторезистивной маске, закрывающей часть затвора и заданную границу над n-LDDобластью стока, как показано на рисунке 1.6б. Это окно может открывать небольшую часть затвора, которая в этом примере образует левую границу фо-
12
торезистивной маски для последующей стадии имплантации бора. Тем не менее, эта граница окна в фоторезистивной маске также может просто быть
сдвинута к левому краю затвора. Окно имеет оптимальный латеральный размер около 0,5 мкм. Таким образом, этот карман будет наименьшим образом
влиять на сопротивление сток-исток в открытом состоянии Rси откр, пока он еще
эффективен для подавления горячих электронов, уменьшая электрическое поле перехода.
На следующем рисунке 1.7 приведён еще один конструктивнотехнологический вариант создания р-кармана, подобный варианту, показанному на рисунках 1.3 и 1.4. Аналогичные элементы имеют одинаковые параметры, но в дополнение к структуре, показанной на этих рисунках, этот вариант осуществления дополнительно включает в себя полевой электрод, осуществляющий, по меньшей мере, частичное перекрытие электрода затвора. С
этой целью полевой электрод размещен сверху окисного слоя, закрывающего
электрод затвора, шина разводки которого изолирована от полевого электрода
и размещена в окисном слое. Этот полевой электрод, кроме того, растянут
вправо от электрода затвора, чтобы перекрыть p-карман.
Рис. 1.7. Конструктивно-технологический вариант создания р-кармана
с полевым электродом [33]
13
Область имплантации может частично перекрываться с областью слабо
легированного стока. Полупроводниковый транзистор может дополнительно
содержать углубление первого типа проводимости, по меньшей мере частично
окружающего область истока и проходящую внутри канала. Зона имплантации
может частично перекрываться с углублением. Первый тип проводимости может быть p-типом, а второй тип проводимости - n-типом, или наоборот. Область имплантации может рассеиваться в боковом направлении. Слабо легированная область стока может содержать первую область второго типа проводимости для установления контакта с электродом, причем вторая область того
же типа проводимости менее легирована, чем первая область, находящаяся
внутри эпитаксиального слоя и простирающаяся от первой области горизонтально в направлении к затвору, а третья область имеет второй тип проводимости, менее легирована, чем вторая область, и простирается вертикально от
поверхности эпитаксиального слоя и горизонтально от второй области до подвода, верхний слой первой проводимости типа, простирающегося от поверхности эпитаксиального слоя до второй области, и нижний слой первого типа
проводимости, простирающийся от второй области до эпитаксиального слоя.
Третья область может содержать первую подобласть второго типа проводимости, простирающуюся от второй области по горизонтали к затвору, и вторую
подобласть второго типа проводимости, проходящую вертикально от поверхности эпитаксиального слоя и горизонтально от первой подобласти до затвора.
Первая подобласть может быть менее легированной, чем вторая область, а
вторая подобласть менее легирована, чем первая подобласть. Первая и вторая
подобласти перекрываются, а первая подобласть частично менее легирована,
чем вторая подобласть. Полупроводниковая структура транзистора может дополнительно содержать замыкание напряжения второго типа проводимости,
проходящего от стокового электрода глубже в эпитаксиальный слой, чем первая область. Вторая область может иметь приблизительную горизонтальную
длину 0,5-3 мкм. Полупроводниковая структура транзистора может дополнительно содержать полевую пластину, расположенную между стоковым элек-
14
тродом и электродом затвора поверх изоляционного слоя, который, по меньшей мере, частично перекрывает электрод затвора.
Полупроводниковая транзисторная конструкция LDMOS имеет возможность держать способы первого на подобии проводимости для формирования
подложки с эпитаксиальным слоем, способы 2 на подобии проводимости для
формирования истока, размещенного от плоскости эпитаксиального слоя, способы 2 на подобии проводимости для формирования стоковой области в обозначенном эпитаксиальном слое, канал, находящийся меж отмеченными способами для формирования стока и истока, средство для формирования затвора,
размещенного над каналом в изолирующем слое, и средство для формирования зоны имплантации с первым типом проводимости, простирающийся от
плоскости эпитаксиального слоя до эпитаксиального слоя, перекрывающего
крышка области стока маленькой степени легированности вблизи с затвором и
проходящую сквозь доля обозначенного повыше канала.
Слабо легированная область стока может дополнительно содержать средство для формирования первой сильно легированной области ниже стокового
контакта и средство для формирования второй области, простирающейся от
первой области в направлении к затвору, причем вторая область менее легирована, чем первая область. Область имплантации может частично перекрываться со средством для формирования второй области. Полупроводниковый транзистор может дополнительно содержать средство для формирования углубления первого типа проводимости, по меньшей мере, частично окружающего
упомянутое средство для формирования истока и проходящего внутри канала.
Область имплантата может частично перекрываться с указанной лункой.
Средство для формирования области имплантации может вызвать боковую
диффузию имплантата.
Способ изготовления структуры LDMOS-транзистора, имеющей подложку и эпитаксиальный слой первого типа проводимости, содержит этапы формирования области истока и слабо легированной области стока второго типа
проводимости в эпитаксиальном слое, образуя по затворный электрод, охва-
15
тывающий область канала между истоком и слабо легированной областью
стока, образуя слой фоторезиста, покрывающий поверхность транзисторной
структуры и образуя окно в слое фоторезиста, открывая часть слабо легированной области стока рядом с затвором и имплантируя через окно носители
первого типа проводимости.
Окно может открыть часть электрода затвора и имеет предпочтительный
горизонтальный размер около 0,5 мкм. За один шаг имплантации можно создать карман с пиковой концентрацией вертикальной длины 0,6 мкм. Область
стока может содержать первую высоколегированную область ниже стокового
контакта и вторую область, простирающуюся от первой сильнолегированной
области в направлении к затвору, причем вторая область менее легирована,
чем первая. Слаболегированная стоковая область может дополнительно содержать третью область, окружающую первую высоколегированную область,
причем третья область менее легирована, чем первая сильнолегированная область, и более легирована, чем вторая область. Область кармана может частично перекрываться со второй слаболегированной средой. Карманная область может также поперечно рассеиваться под затвором. Способ может дополнительно содержать этап формирования лунки первого типа проводимости, который, по меньшей мере, частично окружает область истока и простирается внутри указанного канала. Область имплантата может частично перекрываться с этой лункой. Проводящая структура первого типа проводимости
может быть сформирована внутри эпитаксиального слоя, простирающегося от
области истока до дна эпитаксиального слоя. Подложка может быть сильно
легирована. Первый тип проводимости может быть p-типом, а второй тип проводимости - n-типом, или наоборот.
Кроме того, полупроводниковая структура LDMOS-транзистора может
содержать подложку, имеющую эпитаксиальный слой первого типа проводимости, область истока, простирающуюся от поверхности эпитаксиального
слоя второго типа проводимости, слаболегированную область стока в эпитак-
16
сиальном слое второго типа проводимости состоящего из области первого типа проводимости ниже стокового контакта и второй области, простирающейся
от первой в направлении к затвору, причем вторая область менее легирована,
чем первая область, а также канал, расположенный между областями стока и
источника, и затвор, расположенные внутри изолирующего слоя над каналом,
где слаболегированная стоковая область содержит область имплантации первого типа проводимости, простирающуюся от поверхности эпитаксиального
слоя до эпитаксиального слоя, покрывающего концевую часть слаболегированной области стока рядом с затвором,
Полупроводниковая структура транзистора может дополнительно содержать третью область, окружающую первую область, причем третья область
менее легирована, чем первая , и более легирована, чем вторая. Полупроводниковая структура транзистора может дополнительно содержать канальную
структуру первого типа проводимости, простирающуюся от области истока до
дна эпитаксиального слоя. Подложка может быть сильно легирована. Область
имплантации имеет приблизительную горизонтальную длину около 0,5 микрон. Область имплантации может иметь приблизительную пиковую концентрацию с вертикальной длиной около 0,6 мкм. Первый тип проводимости может быть p-типом, а второй тип проводимости может быть n-типом или
наоборот. Полупроводниковая структура транзистора может дополнительно
содержать полевую пластину, расположенную между дренажным электродом
и электродом затвора поверх изоляционного слоя, который, по меньшей мере,
частично покрывает электрод затвора. Область имплантата может частично
перекрываться со второй областью. Полупроводниковая структура транзистора может дополнительно содержать лунку первого типа проводимости, по
меньшей мере частично окружающего область источника и проходящую
внутри канала. Область имплантата может частично перекрываться с лункой.
17
1.2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ LDMOS-ТЕХНОЛОГИИ
1.2.1. Моделирование ионной имплантации
Основной задачей моделирования процесса ионной имплантации
является расчет распределения концентрации внедряемой примеси в одно- и
многослойной мишенях в одно-, двух- и трехмерном случаях [1].
Наиболее адекватной и физически обоснованной моделью ионной
имплантации
является
метод
Монте-Карло,
обладающий
достаточной
точностью и универсальностью, но весьма трудоемкий для инженерных
расчетов. Существенно сократить затраты машинного времени позволяет
метод кинетического уравнении Больцмана (КУБ), описывающего изменение
функции распределения внедренных ионов в фазовом пространстве импульса
и координат. При достаточно жестких требованиях к точности моделирования
должны быть применены указанные методы.
В
настоящее
время
в практике
используются
аппроксимирующие
распределения,
параметры
которых
инженерных расчетов
аналитические
подбираются
широко
функции
по
f(x,y,z)
совпадению
с
экспериментальными распределениями. Концентрационные профили при этом
записываются в виде N(x,y,z)=Nmf(x,y,z), где Nm – нормирующий множитель,
определяемый из условия нормировки на дозу имплантации Q:
Q N ( x, y, z )dxdydz .
x y z
Рассмотрим двумерное приближение [3]. На рисунке 1.8 показан вид функции
распределения плотности имплантированной примеси для одного иона.
Вычисление концентрации имплантированной примеси в точке (x, y)
производится по формуле (суперпозиция функций распределения для всех
имплантированных примесей):
18
Рис. 1.8. Функция концентрационного распределения иона
имплантированного в точку (ξ, η)
Двумерные
профили
распределения
примесей
рассчитываются
путем
разбиения на два одномерных профиля в двух взаимно перпендикулярных
направлениях: главном и латеральном. Т.е. общий профиль распределения
примесей характеризуется функциями распределения в главном направлении
Р(у) и в латеральном L(x):
На рисунке 11 показано разбиение подложки на локальные одномерные
структуры:
Рис. 1.8. Латеральные интервалы и локальные одномерные структуры
19
Для описания одномерных распределений ионно-имплантированных примесей
в однородных аморфных мишенях используются гауссовские распределения:
- неусеченная гауссиана (Rp>3Rp):
(x R p )2
N x
exp
;
2R p2
2 R p
Q
(1.1)
- усеченная гауссиана (Rp<3Rp):
Nm
Q
Rp 1 erf
2
( x Rp ) 2 ,
exp
2Rp2
Rp
2Rp
(1.2)
где N(x)- концентрация примеси на глубине х; Rp и Rp – нормальный пробег и
среднеквадратичное отклонение.
Реальные профили имеют асимметрию, описываемую нормированным
коэффициентом асимметрии . Слабоскошенные профили могут быть
аппроксимированы сопряженной гауссианой
(x R )2
2Q
m
exp
,
2
2 (R p1 R p 2 )
2R p 2
N ( x)
(x R )2
2Q
m
exp
,
2R p21
2 (R p1 R p 2 )
0 x Rm ,
(1.3)
x Rm ,
где Rm – модальный пробег; Rp1 , Rp2 – среднеквадратичные отклонения
сопряженных полугауссиан. Приведенная аппроксимация верна только для
слабоскошенных профилей с 0,5'1.
По начальной энергии Е определяются Rp, Rp и '. Модальный пробег
Rm рассчитывается по формуле
R m R p 0,8( R p2 R p1 ) ,
а связь между Rp1, Rp2, ' и Rp приведена в виде таблице 1.1.
(1.4)
20
Таблица 1.1
Параметры распределения для сопряженных полугауссиан
'> 0
0,0
0,1
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
Rp1/Rp
1,000
1,062
1,123
1,241
1,360
1,486
1,633
Rp2/Rp
1,000
0,936
0,871
0,729
0,570
0,373
0,081
Если ' < 0, то тождественно Rp1 Rp2, Rp2 Rp1.
Между исходными параметрами Rp, Rp, ' и параметрами сопряженных
полугауссиан существует и аналитическая связь:
R p1, 2 R m ;
3 0 R p
0
a
R m
2a
1
cos arccos
3 3
0
;
1
2
3 3 2 1,022887 ;
3
2
(1.5)
;
2
R p 1 3 4a 2
R 2p
1
2
.
Применение данного приближения трех параметров ограничено условием
, что не позволяет описывать профили внедрения легких ионов с
достаточно высокой энергией. Так, при легировании кремния ионами бора
диапазон допустимых энергий ограничен сверху величиной 70 кэВ, в то время
как для фосфора она составляет 700 кэВ, а для ионов мышьяка и сурьмы более 1000 кэВ.
Наиболее
точно
описываются
асимметричные
профили
ионно-
имплантированных примесей функцией Пирсон-4:
N ( x) N m b2 x 2 b1 x b0
1
2b2
exp
2b2 x b1
,
arctg
2
2
4b0 b2 b1
4b0 b2 b1
b1
2a 0
b2
(1.6)
где a0, b0, b1, b2 – константы, которые выражаются через интегральные
параметры распределения Rp , Rp, и (нормированный эксцесс):
21
a0 21 / 2 ( 3) / A,
b0 2 (4 3 2 ) / A,
(1.7)
b1 a0 ,
b2 (2 3 2 6) / A,
где A 10 12 2 18 .
Нормированное затухание аппроксимируется квадратичным многочленом
= 2,8 +2,42.
(1.8)
Распределение Пирсон-4 существует при следующих условиях:
39 2 48 6 2 4
0< <32 и
32 2
2
32
.
Для монокристаллического кремния реальные профили распределения имеют
в области глубин больших, чем нормальный пробег, заметные отличия от
гауссовских и Пирсон-4 распределений. Это обусловлено такими причинами
как каналирование, междоузельная диффузия внедренной примеси в процессе
проведения ионного легирования и т.д. На практике в большинстве случаев
для повышения воспроизводимости технологических процессов влияние этих
эффектов стараются уменьшить.
В частности, каналирование существенно подавляется путем дезориентации
ионного пучка относительно кристаллографических осей с малыми индексами
или имплантацией через аморфный слой. Однако и в этом случае концентрационный профиль в области отрицательного градиента имеет экспоненциальный характер. Этот участок получил название экспоненциального “хвоста”, а
его наличие указывает на присутствие эффекта каналирования.
Распределение ионно-имплантированных примесей в однородных разориентированных монокристаллических мишенях с учетом эффекта каналирования
аппроксимируется в следующем виде:
N ( x),
x R0
N ( x)
,
N ( R0 ) e
0 x R0 ,
x R0 ,
(1.9)
22
где N(x) - любое из известных распределений; R0 - координата точки
сопряжения заданного распределения с экспоненциальным “хвостом”, при
этом R0>Rm (Rm - координата точки максимума концентрации);
-
характеристическая длина экспоненциального “хвоста”.
Анализ экспериментальных данных и численные расчеты показывают,
что в первом приближении величина не зависит от дозы и энергии
имплантации. Значение координаты Rm зависит от дозы и энергии ионов и
может быть найдено из соотношения
F*
N ( Rm )
,
N ( R0 )
(1.10)
которое существенно зависит только от дозы для заданной комбинации ионмишень. Значения и F * для ионов бора, фосфора и мышьяка при их
внедрении в монокристаллический кремний приведены в таблице 1.2.
Таблица 1.2
Значения параметров и F *
Тип примеси
бор
=0,045 мкм
фосфор
=0,067 мкм
мышьяк
=0,022 мкм
1013
2,0
5
2,0
1013
2,3
17
2,3
5 1013
2,6
40
5,0
1014
6,0
44
5,3
5 1014
10,2
51
12,4
1015
12,5
55
16,7
5 1015
13,0
62
20,0
1016
14,3
71
33,0
5 1016
21,0
150
42,3
Доза, см 2
В реальных процессах ионного легирования очень часто имплантация
осуществляется через слой оксида. Общим методом построения и расчета
концентрационных профилей
при
ионном
легировании
многослойных
структур, состоящих из N слоев, является метод подбора доз. Если известны
23
функции распределения fi(x) с нормирующими множителями Nmi для каждого
i-го слоя с толщиной di, то распределение примеси описывается системой
0 x d1 ,
N m1 f1 ( x),
N ( x)
N mi f i ( x Wi 1 i 1 ),
Wi 1 x Wi ,
(1.11)
i 2,
где d1 – толщина первого слоя; Wi-1 – суммарная толщина i-1 внешних слоев
мишени; i-1 – эффективная толщина, определяемая из соотношения
i 1
Wi 1
N mi f i ( x)dx N ( x)dx.
Приведенная модель имеет серьезные ограничения в случае тонких
защитных слоев (d1<<Rp1), но в случае толстой маски (d1>Rp1) получается
хорошее совпадение с экспериментальными данными.
В случае двухслойной структуры, когда распределения в каждой среде
аппроксимируются неусеченными гауссианами, концентрационный профиль
описывается методом составных профилей:
( x R p1 ) 2
Q
2 R 2p1
exp
,
0 x d1 ,
2
R
p1
N ( x)
R p 2 2
( x d1 ( d1 R p1 )
)
R p1
Q
2 R 2p 2
exp
,
x d1 .
2 R p 2
Из
известных
моделей
расчета
концентрационных
(1.12)
профилей
в
многослойных мишенях наилучшей, дающей хорошее совпадение с расчетами
по методу Монте-Карло, является модель
N f ( x),
m1 1
N ( x)
R pi
i 1
i N mi f i x d j 1
R pj
j 1
i
где Wi1 d j .
j 1
0 x d1 ,
,
Wi1 x Wi,
i 2,
(1.13)
24
Параметр i вычисляется из условия сохранения дозы Q N ( x)dx :
i 1
R pi
N ( x Wi1 ) i N mi f x W j 1
R pj
j 1
.
1.2.2. Моделирование диффузии примесей
В кремниевой планарной технологии процессы создания диффузионных
областей описываются с помощью законов Фика. Согласно первому закону
Фика поток J диффундирующей примеси состоит из диффузионной и дрейфовой компонент:
J DC ZNE
(1.14)
где D – коэффициент диффузии атомов примеси; - оператор градиента;
C C(x,y,z,t) – концентрация примеси, зависящая от координат x, y, z
времени диффузии t;
Z – зарядовое состояние ионов примеси
акцепторов, -1 – для доноров);
и
( +1 – для
- подвижность заряженных ионов; N
N(x,y,z,t) – концентрация ионизированных атомов примеси; Е – напряженность
внутреннего электростатического поля, созданного градиентом концентрации
ионизированных атомов примеси.
Из закона сохранения вещества следует второй закон Фика:
С
DC ZNE
t
(1.15)
Решение данного дифференциального уравнения в частных производных второго порядка (1.14) проводится при различных начальных и граничных условиях, вид которых зависит от выбранных приближений.
Современные модели
атомистическом
уровне,
диффузии рассматривают этот процесс на
позволяющем
объяснить
и
смоделировать
возникающие основные физические эффекты. Генерация вакансий (например,
при ионной обработке мишеней) и неравновесные процессы (например, на
25
границе раздела SiO2-Si при окислении) определяют “дальнодействующие”
эффекты. “Локальные” эффекты обусловлены концентрацией примеси:
кулоновское взаимодействие
возникновение
атомов примеси с заряженными вакансиями;
внутренних
электростатических
полей,
ускоряющих
диффузию; кластеризация и преципитация примесей; генерация заряженных
вакансий вследствие деформации решетки.
Указанные эффекты сильно влияют на диффузию примесей в кремнии,
причем, при моделировании распределений примесей
необходимо для
каждой примеси и условий процесса установить влияющие на коэффициент
диффузии факторы.
Одним
из
важнейших
электростатических полей,
факторов
влияние
является
наличие
внутренних
которых приводит к увеличению
эффективного коэффициента диффузии в h раз:
h 1
N
2 ni
1
N
2 ni
2
,
(1.16)
1
где ni – собственная концентрация электронов при температуре диффузии,
определяемая из трансцендентного уравнения
ni2
1,21 7,1 1010 ni / T
1,5 10 T exp
kT
33
3
, см-6,
(1.17)
Анализ формулы (16) показывает, что внутреннее электростатическое
поле увеличивает эффективный коэффициент диффузии максимально в два
раза при N>>ni.
В общем случае решение уравнений диффузии Фика (1.14) и (1.15) проводится методами конечных разностей на неравномерной дискретной сетке с
узловыми точками, расположенными в пределах границ прибора или рассматриваемой области моделирования.
Для аппроксимации по времени левой части уравнения (1.15) могут
быть использованы явный или неявный методы Эйлера, метод формул
дифференцирования назад (ФДН), другие методы, а также составные
26
алгоритмы на основе указанных выше методов.
В одномерном случае, который обобщается на двух- и трехмерные
задачи, аналог правой части уравнения (1.15) в виде консервативной
разностной схемы можно получить интегро-интерполяционным методом. При
аппроксимации левой части уравнения (15) методом ФДН порядка m конечноразностное представление записывается в виде системы алгебраических
уравнений (СЛАУ)
1
k 1
m
j 0
k 1, m
j
k 1 j
i
C
2
k 1
hi 1/ 2 hik11/ 2
Dik11/ 2 k 1
Dik11/ 2 k 1
k 1
k 1
k 1 Ci 1 Ci k 1 Ci Ci 1
hi 1/ 2
hi 1/ 2
(1.18)
где k 1 t k 1 t k - шаг по времени; tk+1, tk – дискретные моменты времени; C ik концентрация примеси в i-ом узле xi пространственной сетки в момент
времени tk; Dik11/ 2 - аппроксимация коэффициента диффузии на интервалах
( xik 1 , xik11 ) и ( xik11 , xik 1 );
разбиения
x ,
k 1
i
hik11/ 2 (x ik1 - x ik-11 ) - шаг сетки пространственного
i 1,2,..., n ;
x1k 1 , xnk 1 - границы пространственной области
моделирования;
kj 1,m
t k 1 t k
t k 1 t k 1 j
m
t k 1 t k 1l
t k 1 j t k 1l
l 1,l j
m
,
j 1;
m
0k 1,m k 1 t k 1 t k 1l lk 1,m .
l 1
l 1
Метод ФДН позволяет получить хорошее начальное приближение Ck+1 для
каждого последующего шага по времени k+1:
m1
~
C k 1 kj 1,m C k 1 j ;
j 1
где kj 1,m
t k 1 t k 1l
k 1 j t k 1l
l 1,l j t
m 1
,
m 1
j 2; 1k 1,m 1 lk 1,m .
l 2
Сравнительный анализ методов временной аппроксимации показывает,
что наиболее эффективным с точки зрения точности и величины временного
27
шага является метод ФДН, причем его использование с m>2 оправдано лишь в
наиболее сложных расчетах.
В СЛАУ (1.18) используется приближенное значение коэффициента
диффузии Di 1 / 2 на интервале ( xi , xi1 )
Dik11/ 2
1
k
Ci 1 Cik
Cik1
D(C )dC .
(1.19)
Cik
Обычно в программах моделирования используют формулы:
Dik11/ 2
D Cik1 D Cik
2
Dik11/ 2
Cik1 Cik
D
2
,
.
Решение уравнения (1.15) проводится при различных начальных и граничных
условиях.
Начальное условие задается в виде
C ( x,0) f ( x) .
(1.20)
В глубине подложки C ( x , t ) 0 или, с учетом использования равномерно
легированных подложек с исходной концентрацией Сисх:
C ( x , t ) Cисх .
(1.21)
Если поверхность подложки находится в газовой среде, содержащей
диффузант с концентрацией С*, то граничное условие соответствует потоку
примеси через поверхность с координатой х=0:
D
C
x
h* C C * ,
(1.22)
x 0
где h* - константа скорости массопереноса.
При диффузии в окисляющей среде необходимо учитывать сегрегацию
примеси на движущейся границе раздела и поглощение кремния слоем окисла.
Эти два процесса приводят к возникновению потока примеси на движущейся
границе раздела SiO2-Si, связанной с началом координат х=0:
28
D
C
x
x 0
1
C s
,
ms
(1.23)
где Cs – концентрация примеси в подложке; β – коэффициент поглощения
кремния, ~0,44; ms – эффективный коэффициент сегрегации, зависящий от
скорости окисления
dX (t )
:
dt
ms ms 0
1
s
,
1 ms 0
(1.24)
s
где ms0 – равновесный коэффициент сегрегации; υs – сегрегационный
коэффициент массопереноса.
Возникающий при этом поток примеси на границе раздела SiO2-Si будет
равен
1
.
J C s
ms 0 1 s
Исходя из второго уравнения Фика (15), аппроксимация потоков через
границы узлов {xi} имеет вид
J i 1 / 2 J i 1 / 2
xi 1 / 2
xi 1 / 2
C
dx .
t
(1.25)
Границы интегрирования выбираются в серединах соответствующих
интервалов. Если оба узла сетки xi и xi+1 принадлежат одному материалу, то с
учетом (2.2) и (2.3) поток Ji+1/2 аппроксимируется разностным выражением
J ik11/ 2
k 1
k 1
Cik1 Cik
1
k 1 C i 1 C i
k 1
k
h
C
D
C
h
C
D Cik1 / 2
i 1 / 2
i 1 / 2
i 1 / 2
2
xi 1 xi
xi 1 xi
.
1.2.3. Моделирование термического окисления
Кремниевая технология мощных СВЧ транзисторов включает термическое
окисление на этапах создания масок, изолирующих областей, подзатворных
диэлектрических слоев, пассивации поверхности структур. В зависимости от
площади окисления и топологии рабочих областей используются одно-, двух-
29
и трехмерные модели. Моделирование одномерного термического окисления
основано на модели Дила-Гроува, согласно которой толщина окисла X(t) равна
X (t )
A
t
1 2
1 ,
2
A 4 B
(1.26)
где t – время окисления; B – параболическая константа скорости окисления;
B/А – линейная константа скорости окисления; - сдвиг по времени или
поправка на начальную толщину окисла X0:
X 02 AX 0
.
B
Константы скоростей окисления зависят от температуры и от среды
окисления. Для кристаллографической ориентации (111) найдены следующие
формулы для расчета констант B и B/A:
- сухой кислород
В = 12,9ехр(-1,23/kT), мкм2/мин;
В/А = 1,04105 ехр(-2,0/kT), мкм2/мин;
- пары воды:
В = 280ехр(-1,17/kT), мкм2/мин,
Т950 С;
В = 7ехр(-0,78/kT), мкм2/мин,
Т950 С;
В/А = 3,45104 ехр(-1,6/kT), мкм2/мин,
Т950 С;
В/А = 2,95106 ехр(-2,05/kT), мкм2/мин,
Т950 С,
где k – постоянная Больцмана, 8,6210-5 эВ/К; Т - температура, К.
Параболическая константа В слабо зависит от ориентации кремниевой
подложки, в то время как линейная константа В/А(100) при окислении кремния с
ориентацией (100) меньше
В/А(111) в 1,68 раз.
Константы B и B/A прямо пропорциональны парциальному давлению
окислителя pn. Показатель степени n зависит от окислительной среды,
ориентации подложки, наличия примесей.
При моделировании многоэтапных процессов окисления используется
дифференциальная
форма
линейно-параболического
уравнения
(1.26).
30
Параболическая константа В для донорной примеси при окислении во
влажном и сухом кислороде аппроксимируется выражением
где
–
Bi
собственно
pi pi 1
1 pCn0, 22 ,
2
B Bi
параболическая
(1.27)
константа;
pi
–
давление;
p = 9,6310-16ехр(-2,83/kT) – подстроечный параметр; Cn – полная
концентрация донорной примеси у границы раздела SiO2-Si; - поправка,
учитывающая добавление паров Cl2 или HCl.
Линейная константа В/А при окислении в парах воды имеет вид
i
B B pi pi 1
1 L V T 1 ,
A A
2
i
где
B
–
A
(1.28)
собственно линейная константа; L = 2620ехр(-1,1/kT) –
подстроечный параметр; [VT] – суммарная нормированная концентрация
вакансий у границы раздела SiO2-Si:
V
T
1 V V V
n
1 V V 2
ni
2
n
n
V i
n
ni
2
,57 E
V exp E 0kT
i
g
,25 3E
V exp 2E 1kT
2
i
,
;
g
;
V exp 0,35kT E ;
i
1
2
где Ei 1,17
собственная
4,73 10 4 T 2 kT
- уровень Ферми в собственном кремнии; ni –
T 636 4
концентрация
носителей
в
кремнии,
определяемая
из
31
трансцендентного уравнения
ni2
1,21 7,1 10 10 ni T
, см-6;
1,5 10 T exp
kT
33
3
() – зависимость от ориентации кристалла.
При окислении в сухом кислороде происходит аномально быстрое окисление
и в этом случае
B B pi0,75 pi0,175
1 L V T 1
A A
2
i
X (t )
1 k e L ,
(1.29)
где L = 70 Å – характерная длина затухания; k(111),(100) = 7107ехр(-2,35/kT) и
k(110) = 7107ехр(-1,8/kT).
32
2. ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ
НИЗКОВОЛЬТНЫХ LDMOS-ТРАНЗИСТОРОВ
2.1. Конструкция и технология ячейки LDMOS-структуры
Для создания LDMOS-транзисторов используется обычная планарная
технология, принципиально мало отличающаяся от достаточно хорошо
отработанной
технологии
вертикальных
DMOS-транзисторов.
Главное
отличие LDMOS-технологии от всех других технологий – это значительно
более жесткие требования к точности проведения всех технологических
операций. Именно поэтому многие предприятия, производящие вертикальные
DMOS транзисторы, сталкиваются с большими проблемами при освоении
LDMOS-технологии. Технология создания LDMOS-транзистора включает в
себя следующие основные технологические операции при использовании
подложки с высоколегированным p+-Si-слоем и эпитаксиальной структурой
низколегированного p-Si:
1. Окисление в сухом кислороде (толщина окисла ~ 500 Å) (рис. 2.1);
2. Фотогравировка области «р+»;
3. Ионное легирование бором с энергией ~ 90 кэВ и дозой ~ 500мкКл/см 2 (рис.
2.2);
4. Диффузионная разгонка бора (глубина диффузионного проникновения бора
примерно равна толщине эпитаксиального слоя) (рис.2.3);
5. Удаление слоя оксида и очистка поверхности (рис. 2.4);
6. Окисление для выращивания подзатворного слоя оксида толщиной ~ 700 Å
(рис. 2.5);
7. Осаждение поликремния толщиной ~ 400 нм (рис. 2.6);
8. Фотогравировка по поликремнию «Затвор» (рис. 2.7);
9. Травление поликремния (рис. 2.8);
10. Окисление поликремния (рис. 2.9);
11. Фотогравировка области «р-»;
12. Ионное легирование бором с энергией ~ 50 кэВ и дозой ~ 5 мкКл/см2
33
(рис. 2.10);
13. Диффузионная разгонка бора (глубина диффузии ~ 2.5 мкм)
(рис. 2.11);
14. Фотогравировка области «р++»;
15. Ионное легирование бором с энергией ~ 90 кэВ и дозой ~ 300 мкКл/см 2
(рис. 2.12);
16. Диффузионная разгонка бора (рис. 2.13);
17. Фотогравировка областей «n+»;
18. Ионное легирование фосфором с энергией ~ 90 кэВ и дозой
порядка
1500 мкКл/см2 (рис. 2.14);
19. Фотогравировка области «n--»;
20. Ионное легирование фосфором с энергией ~ 90 кэВ и дозой ~ 0.2 мкКл/см 2
(рис. 2.15);
21. Диффузионная разгонка фосфора: глубина залегания p-n-перехода n---слоя
~ 0.5 мкм, концентрация фосфора у поверхности (1.5..2.5)1016 см 3)
(рис.
2.16);
22. Осаждение защитных слоев оксида (d ~ 300 нм) и нитрида (d ~ 50 нм)
кремния (рис. 2.17);
23. Вскрытие контактных окон (рис. 2.18);
24. Осаждение алюминия толщиной ~ 1 мкм;
25. Фотогравировка по алюминию «контакты»;
26. Травление алюминия и формирование контактов (рис. 2.19);
27. Нанесение защитных покрытий на готовый кристалл (рис. 2.20).
Рис. 2.1. Окисление исходной структуры
34
Рис. 2.2. Легирование бором области «р+».
Рис. 2.3. Диффузия бора. Создание области «р+»
Рис. 2.4. Стравливание окисла.
35
Рис. 2.5. Выращивание подзатворного окисла.
Рис. 2.6. Осаждение поликремния.
Рис. 2.7. Фотогравировка по поликремнию.
36
Рис. 2.8. Травление поликремния.
Рис. 2.9. Удаление фоторезиста.
Рис. 2.10. Окисление поликремния
37
Рис. 2.11. Легирование бором области «р-».
Рис. 2.12. Диффузия бора. Создание области «р-».
Рис. 213. Легирование бором области «р++»
38
Рис. 2.14. Диффузия бора. Формирование области «р++».
Рис. 2.15. Легирование фосфором областей «n+».
Рис. 2.16. Легирование фосфором области «n--».
39
Рис. 2.17. Диффузия фосфора. Формирование областей «n+» и «n--»
Рис. 2.18. Осаждение защитных слоев оксида и нитрида кремния
Рис. 2.19. Вскрытие контактных окон
40
Рис. 2.20. Формирование контактов
2.2. Проект для моделирования низковольтнойLDMOS-структуры
Моделирование технологии создания ячейки низковольтного LDMOSтранзистора проводилось в программе Structure Editor. Для моделирования
создан командный файл, в котором задается каждая технологическая операция
и ее параметры. В качестве подложки использовалась эпитаксиальная
структура 8КДБ-10.0/200КЭС-0.05. Ниже приведен листинг командного
файла.
Командный файл Structure Editor
(sde:clear)
;/----------------------------------------------------------------------\
(define P_CONC_SUBS 5e20)
(define H_SUBS
120)
(define CONC_POLY
5e20)
(define
CONC_P+ 1e19)
(define
CONC_N+ 5e20)
(define D_TRENCH
0.4)
(define CON1
0.24)
(define CON1_GAP
0.32)
(define CON1_SOURCE_NUM 16)
(define X1_CON1_SOURCE
22.26)
(define D_POLY
0.4)
(define D_ME
0.2)
41
;\---------------------------------------------------------------------/
(define CONC_EPI
(/ 1 (* @Rho_Epi@ (* 1.6e-19 450))))
(define D_EPI
@D_Epi@)
(define DISTORT_LAYER
@Distort_subs@)
(define TRENCH_LENGHT
@Source_trench_size@)
(define P+_SIZE
@P_plus_size@)
(define XJ_P+
@Xj_p_plus@)
(define CONC_P_CHANNEL
@Na_p_channel@)
(define XJ_P_CH
@Xj_p_channel@)
(define X1_GATE
@X1_gate@)
(define X1_N+_SOURCE
@X1_source_n_plus@)
(define L_GATE
@Lgate@)
(define GATE_OX
@D_gate_ox@)
(define L_LDD
@L_LDD@)
(define CONC_LDD
@Nd_LDD@)
(define XJ_LDD
@Xj_LDD@)
(define DRAIN_N+_SIZE
@L_drain_n_plus@)
(define XJ_N+
@Xj_n_plus@)
(define DOX1
@Dox1@)
(define X1_GFP
@X1_GFP@)
(define L_GFP
@L_GFP@)
(define DOX2
@Dox2@)
(define L_TOP_DRAIN_ME
@Lme3@)
;\--------------------------------------------------------------------/
; Calculation parameters
;/--------------------------------------------------------------------\
(define X_SIZE
(+
X1_GATE
(+
L_GATE
(+
L_LDD
DRAIN_N+_SIZE))))
(define Y_SIZE
(+ H_SUBS D_EPI))
(define Y_OX1
(* -1 DOX1))
(define PERIOD_CON1
(+ CON1 CON1_GAP))
(define X2_SOURCE_CONWINDOWS (+ X1_CON1_SOURCE (- (* PERIOD_CON1
CON1_SOURCE_NUM) CON1_GAP)))
(define X1_CON1_DRAIN
(- X_SIZE (+ CON1 (/ CON1_GAP 2))))
(define Y_TOP_GATE
(* -1 (+ D_POLY GATE_OX)))
(define Y_BOT_GATE
(* -1 GATE_OX))
(define Y_TOP_ME1
(- Y_OX1 D_ME))
(define Y_OX2
(- Y_OX1 DOX2))
(define Y_TOP_ME2
(- Y_OX2 D_ME))
;\--------------------------------------------------------------------/
; boundary
;/-----------------------------------------------------------------------------------------------------\
(sdegeo:set-default-boolean "ABA")
(sdegeo:create-rectangle (position 0 0 0) (position X_SIZE Y_SIZE 0) "Silicon" "Silicon_Substrate")
(sdegeo:create-rectangle (position 0 0 0) (position TRENCH_LENGHT D_TRENCH 0)
"SiO2" "Source_trench")
(sdegeo:create-rectangle (position 0 Y_OX1 0) (position X1_CON1_SOURCE 0 0)
"SiO2" "OX1")
(sdegeo:create-rectangle (position (+ X1_CON1_SOURCE CON1) Y_OX1 0) (position
(+ CON1_GAP (+ X1_CON1_SOURCE CON1)) 0 0) "SiO2" "OX2")
(define TRANSLATE (transform:translation (gvector PERIOD_CON1 0 0)))
42
(sdegeo:translate-selected (find-body-id (position (+ 0.1 (+ X1_CON1_SOURCE CON1))
(+ Y_OX1 0.05) 0)) TRANSLATE #t (- CON1_SOURCE_NUM 2))
(sdegeo:create-rectangle (position X2_SOURCE_CONWINDOWS Y_OX1 0) (position
X1_CON1_DRAIN 0 0) "SiO2" "OX3")
(sdegeo:create-rectangle (position (+ X1_CON1_DRAIN CON1) Y_OX1 0) (position
X_SIZE 0 0) "SiO2" "OX4")
(sdegeo:create-rectangle (position X1_GATE Y_TOP_GATE 0) (position (+ X1_GATE
L_GATE) Y_BOT_GATE 0) "PolySi" "Poly_Gate")
(sdegeo:set-default-boolean "BAB")
(sdegeo:create-rectangle (position 0 Y_OX1 0) (position X1_GATE 0 0) "Aluminum"
"Source_contact1")
(sdegeo:create-rectangle (position X1_CON1_DRAIN Y_OX1 0) (position X_SIZE 0 0)
"PolySi" "Drain_Contact1")
(sdegeo:create-rectangle (position (- X1_CON1_SOURCE 0.3) Y_TOP_ME1 0) (position
(+ X2_SOURCE_CONWINDOWS 0.3) 0 0) "Aluminum" "Source_Me1")
(sdegeo:create-rectangle (position X1_GFP Y_TOP_ME1 0) (position (+ X1_GFP
L_GFP) 0 0) "Aluminum" "GFP")
(sdegeo:create-rectangle (position (- X_SIZE DRAIN_N+_SIZE) Y_TOP_ME1 0) (position X_SIZE 0 0) "PolySi" "Drain_Me1")
(sdegeo:create-rectangle (position 0 Y_OX2 0) (position X1_CON1_DRAIN 0 0) "SiO2"
"OX5")
(sdegeo:create-rectangle (position (+ X1_CON1_DRAIN CON1) Y_OX2 0) (position
X_SIZE 0 0) "SiO2" "OX6")
(sdegeo:create-rectangle (position (- X_SIZE L_TOP_DRAIN_ME) Y_TOP_ME2 0) (position X_SIZE 0 0) "PolySi" "Drain_Me2")
;\------------------------------------------------------------------------------------------------------------/
; Contacts:
;\------------------------------------------------------------------------------------------------------------/
(sdegeo:define-contact-set "source" 4 (color:rgb 1 0 0) "##")
(sdegeo:set-current-contact-set "source")
(sdegeo:define-2d-contact (find-edge-id (position 1 Y_SIZE 0)) (sdegeo:get-currentcontact-set))
;;;;(sdegeo:define-2d-contact (find-edge-id (position X1_CON1_SOURCE Y_TOP_ME1
0)) (sdegeo:get-current-contact-set))
(sdegeo:define-contact-set "drain" 4 (color:rgb 0 1 0) "##")
(sdegeo:set-current-contact-set "drain")
(sdegeo:define-2d-contact (find-edge-id (position (- X_SIZE 1) Y_TOP_ME2 0))
(sdegeo:get-current-contact-set))
(sdegeo:define-contact-set "gate" 4 (color:rgb 0 0 1) "##")
(sdegeo:set-current-contact-set "gate")
(sdegeo:define-2d-contact (find-edge-id (position (+ X1_GATE 0.2) Y_TOP_GATE 0))
(sdegeo:get-current-contact-set))
(sdegeo:define-contact-set "Gfp" 4 (color:rgb 0 1 1) "##")
(sdegeo:set-current-contact-set "Gfp")
(sdegeo:set-contact-boundary-edges (find-region-id "GFP"))
(render:rebuild)
(sdeio:save-tdr-bnd (get-body-list) "@tdrboundary/o@")
;\-----------------------------------------------------------------------------------------------------/
; profiles
;/-----------------------------------------------------------------------------------------------------\
; - Epi P(sdedr:define-constant-profile "Epi-Prof-Subs" "BoronActiveConcentration" CONC_EPI)
43
(sdedr:define-constant-profile-region
"Place-Epi-Subs"
"Epi-Prof-Subs"
"Silicon_Substrate")
; - Poly profile
(sdedr:define-constant-profile
"Prof-Gate"
"PhosphorusActiveConcentration"
CONC_POLY)
(sdedr:define-constant-profile-material "Place-Prof-Gate" "Prof-Gate" "PolySi")
; - P+_Substrate
(sdedr:define-gaussian-profile "Gauss-P+" "BoronActiveConcentration"
"PeakPos" 0 "PeakVal" P_CONC_SUBS
"ValueAtDepth" CONC_EPI "Depth" DISTORT_LAYER
"Gauss" "Factor" 0.8)
(sdedr:define-refeval-window "Ref-P+" "Rectangle" (position 0 D_EPI 0) (position
X_SIZE Y_SIZE 0) )
(sdedr:define-analytical-profile-placement "Place-P+" "Gauss-P+" "Ref-P+" "Symm"
"NoReplace" "Eval")
; - P+ Source
(sdedr:define-gaussian-profile "Gauss-P+_Source" "BoronActiveConcentration"
"PeakPos" 0 "PeakVal" CONC_P+
"ValueAtDepth" CONC_EPI "Depth" XJ_P+
"Gauss" "Factor" 0.4)
(sdedr:define-refinement-window "Ref-P+_Source1" "Line" (position 0 D_TRENCH 0)
(position TRENCH_LENGHT D_TRENCH 0))
(sdedr:define-analytical-profile-placement "Place-P+_Source1" "Gauss-P+_Source" "RefP+_Source1" "Symm" "NoReplace" "Eval")
(sdedr:define-refinement-window "Ref-P+_Source2" "Line" (position TRENCH_LENGHT
0 0) (position P+_SIZE 0 0))
(sdedr:define-analytical-profile-placement "Place-P+_Source2" "Gauss-P+_Source" "RefP+_Source2" "Symm" "NoReplace" "Eval")
; P Base profile
(sdedr:define-gaussian-profile "Gauss-Base" "BoronActiveConcentration"
"PeakPos" 0 "PeakVal" CONC_P_CHANNEL
"ValueAtDepth" CONC_EPI "Depth" XJ_P_CH
"Gauss" "Factor" 0.5)
(sdedr:define-refinement-window "Ref-Base" "Line" (position 0 0 0) (position X1_GATE
0 0) )
(sdedr:define-analytical-profile-placement "Place-Base" "Gauss-Base" "Ref-Base" "Positive" "NoReplace" "Eval")
; - N+
(sdedr:define-gaussian-profile "Gauss-N+" "ArsenicActiveConcentration"
"PeakPos" 0 "PeakVal" CONC_N+
"ValueAtDepth" CONC_EPI "Depth" XJ_N+
"Gauss" "Factor" 0.4)
(sdedr:define-refinement-window "Ref-N+_Source" "Line" (position X1_N+_SOURCE 0
0) (position X1_GATE 0 0) )
(sdedr:define-analytical-profile-placement
"Place-N+_Source"
"Gauss-N+"
"RefN+_Source" "Positive" "NoReplace" "Eval")
(sdedr:define-refinement-window "Ref-N+_Drain" "Line"
(position (+ (+ X1_GATE
L_GATE) L_LDD) 0 0) (position X_SIZE 0 0) )
(sdedr:define-analytical-profile-placement "Place-N+_Drain" "Gauss-N+" "Ref-N+_Drain"
"Positive" "NoReplace" "Eval")
; - LDD
(sdedr:define-gaussian-profile "Gauss-LDD" "PhosphorusActiveConcentration"
44
"PeakPos" 0 "PeakVal" CONC_LDD
"ValueAtDepth" CONC_EPI "Depth" XJ_LDD
"Gauss" "Factor" 0.5)
(sdedr:define-refinement-window "Ref-LDD_dop" "Line" (position (+ X1_GATE L_GATE)
0 0) (position X_SIZE 0 0) )
(sdedr:define-analytical-profile-placement "Place-LDD" "Gauss-LDD" "Ref-LDD_dop"
"Positive" "NoReplace" "Eval")
;\---------------------------------------------------------------------------------------------------------------/
; grid
;/---------------------------------------------------------------------------------------------------------------\
; Substrate
(sdedr:define-refinement-size "Size-Subs"
5 5 ; max_x max_y
0.1 0.1) ; min_x min_y
(sdedr:define-refinement-function "Size-Subs" "DopingConcentration" "MaxTransDiff" 1)
(sdedr:define-refinement-region "Ref-Place-Subs" "Size-Subs" "Silicon_Substrate" )
; Epitax
(sdedr:define-refeval-window "Ref-Epi" "Rectangle" (position 0 0 0) (position X_SIZE
D_EPI 0) )
(sdedr:define-refinement-size "Size-Epi"
1 1
0.2 0.2)
(sdedr:define-refinement-function "Size-Epi" "DopingConcentration" "MaxTransDiff" 1)
(sdedr:define-refinement-placement "Ref-Place-Epi" "Size-Epi" "Ref-Epi" )
; Active
(sdedr:define-refeval-window "Ref-Act" "Rectangle" (position P+_SIZE 0 0) (position
X_SIZE (- D_EPI DISTORT_LAYER) 0) )
(sdedr:define-refinement-size "Size-Act"
0.5 0.5
0.05 0.05)
(sdedr:define-refinement-function "Size-Act" "DopingConcentration" "MaxTransDiff" 1)
(sdedr:define-refinement-placement "Ref-Place-Act" "Size-Act" "Ref-Act" )
; Source
(sdedr:define-refeval-window "Ref-Src" "Rectangle" (position (- X1_N+_SOURCE 0.2) 0
0) (position (+ X1_GATE 0.2) 0.3 0) )
(sdedr:define-refinement-size "Size-Src"
0.5 0.05
0.008 0.008)
(sdedr:define-refinement-function "Size-Src" "DopingConcentration" "MaxTransDiff" 1)
(sdedr:define-refinement-placement "Ref-Place-Src" "Size-Src" "Ref-Src" )
; LDD
(sdedr:define-refeval-window "Ref-LDD_grd" "Rectangle" (position (+ X1_GATE 0.2) 0
0) (position X_SIZE 1.0 0) )
(sdedr:define-refinement-size "Size-LDD_grd"
0.2 0.08
0.008 0.008)
(sdedr:define-refinement-function "Size-LDD_grd" "DopingConcentration" "MaxTransDiff"
1)
(sdedr:define-refinement-placement
"Ref-Place-LDD_grd"
"Size-LDD_grd"
"RefLDD_grd" )
; Channel
45
(sdedr:define-refeval-window "Ref-Ch" "Rectangle" (position X1_GATE 0 0) (position (+
X1_GATE L_GATE) 0.1 0) )
(sdedr:define-multibox-size "Size-Ch"
0.05 0.05
0.01 0.002
1.0
1.35)
(sdedr:define-multibox-placement "Ref-Place-Ch" "Size-Ch" "Ref-Ch" )
; Meshing structure
(sde:build-mesh "snmesh" " " "n@node@")
2.3. Расчет основных конструктивно-технологических элементов
низковольтной LDMOS-структуры
На рисунках 2.21-2.35 показаны основные стадии конструктивнотехнологического моделирования низковольтной LDMOS-структуры.
Рис. 2.21. Структура после окисления
Рис. 2.22. Структура после легирования бором
46
Рис. 2.23. Распределение бора после диффузии
Рис. 2.24. Структура после выращивания подзатворного окисла
и осаждения поликремния
Рис. 2.25. После травления поликремния
47
Рис. 2.26. Профиль распределения концентрации бора после легирования
области р
Рис. 2.27. Распределение концентрации бора после диффузии
Рис. 2.28. Структура после легирования бором области р++
48
Рис. 2.29. Распределение концентрации бора после диффузии
Рис. 2.30. Распределение фосфора после легирования n+-области
Рис. 2.31. Распределение фосфора после легирования n---области
49
2.32. Распределение концентрации примесей после диффузии фосфора:
формирование pn-переходов
Рис. 2.33. После осаждения защитных слоев оксида и нитрида кремния
Рис. 2.34. Структура со вскрытыми контактными окнами
50
Рис. 2.35. Структура со сформированными контактами
Командный файл Structure Editor
(sde:clear)
;/----------------------------------------------------------------------\
(define P_CONC_SUBS 5e20)
(define H_SUBS
120)
(define CONC_POLY
5e20)
(define
CONC_P+ 1e19)
(define
CONC_N+ 5e20)
(define D_TRENCH
0.4)
(define CON1
0.24)
(define CON1_GAP
0.32)
(define CON1_SOURCE_NUM 16)
(define X1_CON1_SOURCE
22.26)
(define D_POLY
0.4)
(define D_ME
0.2)
;\---------------------------------------------------------------------/
(define CONC_EPI
(/ 1 (* @Rho_Epi@ (* 1.6e-19 450))))
(define D_EPI
@D_Epi@)
(define DISTORT_LAYER
@Distort_subs@)
(define TRENCH_LENGHT
@Source_trench_size@)
(define P+_SIZE
@P_plus_size@)
(define XJ_P+
@Xj_p_plus@)
(define CONC_P_CHANNEL
@Na_p_channel@)
(define XJ_P_CH
@Xj_p_channel@)
(define X1_GATE
@X1_gate@)
(define X1_N+_SOURCE
@X1_source_n_plus@)
(define L_GATE
@Lgate@)
(define GATE_OX
@D_gate_ox@)
51
(define L_LDD
@L_LDD@)
(define CONC_LDD
@Nd_LDD@)
(define XJ_LDD
@Xj_LDD@)
(define DRAIN_N+_SIZE
@L_drain_n_plus@)
(define XJ_N+
@Xj_n_plus@)
(define DOX1
@Dox1@)
(define X1_GFP
@X1_GFP@)
(define L_GFP
@L_GFP@)
(define DOX2
@Dox2@)
(define L_TOP_DRAIN_ME
@Lme3@)
;\--------------------------------------------------------------------/
; Calculation parameters
;/--------------------------------------------------------------------\
(define X_SIZE
(+
X1_GATE
(+
L_GATE
(+
L_LDD
DRAIN_N+_SIZE))))
(define Y_SIZE
(+ H_SUBS D_EPI))
(define Y_OX1
(* -1 DOX1))
(define PERIOD_CON1
(+ CON1 CON1_GAP))
(define X2_SOURCE_CONWINDOWS (+ X1_CON1_SOURCE (- (* PERIOD_CON1
CON1_SOURCE_NUM) CON1_GAP)))
(define X1_CON1_DRAIN
(- X_SIZE (+ CON1 (/ CON1_GAP 2))))
(define Y_TOP_GATE
(* -1 (+ D_POLY GATE_OX)))
(define Y_BOT_GATE
(* -1 GATE_OX))
(define Y_TOP_ME1
(- Y_OX1 D_ME))
(define Y_OX2
(- Y_OX1 DOX2))
(define Y_TOP_ME2
(- Y_OX2 D_ME))
;\--------------------------------------------------------------------/
; boundary
;/-----------------------------------------------------------------------------------------------------\
(sdegeo:set-default-boolean "ABA")
(sdegeo:create-rectangle (position 0 0 0) (position X_SIZE Y_SIZE 0) "Silicon"
"Silicon_Substrate")
(sdegeo:create-rectangle (position 0 0 0) (position TRENCH_LENGHT D_TRENCH 0)
"SiO2" "Source_trench")
(sdegeo:create-rectangle (position 0 Y_OX1 0) (position X1_CON1_SOURCE 0 0)
"SiO2" "OX1")
(sdegeo:create-rectangle (position (+ X1_CON1_SOURCE CON1) Y_OX1 0) (position
(+ CON1_GAP (+ X1_CON1_SOURCE CON1)) 0 0) "SiO2" "OX2")
(define TRANSLATE (transform:translation (gvector PERIOD_CON1 0 0)))
(sdegeo:translate-selected (find-body-id (position (+ 0.1 (+ X1_CON1_SOURCE CON1))
(+ Y_OX1 0.05) 0)) TRANSLATE #t (- CON1_SOURCE_NUM 2))
(sdegeo:create-rectangle (position X2_SOURCE_CONWINDOWS Y_OX1 0) (position
X1_CON1_DRAIN 0 0) "SiO2" "OX3")
(sdegeo:create-rectangle (position (+ X1_CON1_DRAIN CON1) Y_OX1 0) (position
X_SIZE 0 0) "SiO2" "OX4")
(sdegeo:create-rectangle (position X1_GATE Y_TOP_GATE 0) (position (+ X1_GATE
L_GATE) Y_BOT_GATE 0) "PolySi" "Poly_Gate")
(sdegeo:set-default-boolean "BAB")
(sdegeo:create-rectangle (position 0 Y_OX1 0) (position X1_GATE 0 0) "Aluminum"
"Source_contact1")
(sdegeo:create-rectangle (position X1_CON1_DRAIN Y_OX1 0) (position X_SIZE 0 0)
"PolySi" "Drain_Contact1")
52
(sdegeo:create-rectangle (position (- X1_CON1_SOURCE 0.3) Y_TOP_ME1 0) (position
(+ X2_SOURCE_CONWINDOWS 0.3) 0 0) "Aluminum" "Source_Me1")
(sdegeo:create-rectangle (position X1_GFP Y_TOP_ME1 0) (position (+ X1_GFP
L_GFP) 0 0) "Aluminum" "GFP")
(sdegeo:create-rectangle (position (- X_SIZE DRAIN_N+_SIZE) Y_TOP_ME1 0)
(position X_SIZE 0 0) "PolySi" "Drain_Me1")
(sdegeo:create-rectangle (position 0 Y_OX2 0) (position X1_CON1_DRAIN 0 0) "SiO2"
"OX5")
(sdegeo:create-rectangle (position (+ X1_CON1_DRAIN CON1) Y_OX2 0) (position
X_SIZE 0 0) "SiO2" "OX6")
(sdegeo:create-rectangle (position (- X_SIZE L_TOP_DRAIN_ME) Y_TOP_ME2 0)
(position X_SIZE 0 0) "PolySi" "Drain_Me2")
;\------------------------------------------------------------------------------------------------------------/
; Contacts:
;\------------------------------------------------------------------------------------------------------------/
(sdegeo:define-contact-set "source" 4 (color:rgb 1 0 0) "##")
(sdegeo:set-current-contact-set "source")
(sdegeo:define-2d-contact (find-edge-id (position 1 Y_SIZE 0)) (sdegeo:get-currentcontact-set))
;;;;(sdegeo:define-2d-contact (find-edge-id (position X1_CON1_SOURCE Y_TOP_ME1
0)) (sdegeo:get-current-contact-set))
(sdegeo:define-contact-set "drain" 4 (color:rgb 0 1 0) "##")
(sdegeo:set-current-contact-set "drain")
(sdegeo:define-2d-contact (find-edge-id (position (- X_SIZE 1) Y_TOP_ME2 0))
(sdegeo:get-current-contact-set))
(sdegeo:define-contact-set "gate" 4 (color:rgb 0 0 1) "##")
(sdegeo:set-current-contact-set "gate")
(sdegeo:define-2d-contact (find-edge-id (position (+ X1_GATE 0.2) Y_TOP_GATE 0))
(sdegeo:get-current-contact-set))
(sdegeo:define-contact-set "Gfp" 4 (color:rgb 0 1 1) "##")
(sdegeo:set-current-contact-set "Gfp")
(sdegeo:set-contact-boundary-edges (find-region-id "GFP"))
(render:rebuild)
(sdeio:save-tdr-bnd (get-body-list) "@tdrboundary/o@")
;\-----------------------------------------------------------------------------------------------------/
; profiles
;/-----------------------------------------------------------------------------------------------------\
; - Epi P(sdedr:define-constant-profile "Epi-Prof-Subs" "BoronActiveConcentration" CONC_EPI)
(sdedr:define-constant-profile-region
"Place-Epi-Subs"
"Epi-Prof-Subs"
"Silicon_Substrate")
; - Poly profile
(sdedr:define-constant-profile
"Prof-Gate"
"PhosphorusActiveConcentration"
CONC_POLY)
(sdedr:define-constant-profile-material "Place-Prof-Gate" "Prof-Gate" "PolySi")
; - P+_Substrate
(sdedr:define-gaussian-profile "Gauss-P+" "BoronActiveConcentration"
"PeakPos" 0 "PeakVal" P_CONC_SUBS
"ValueAtDepth" CONC_EPI "Depth" DISTORT_LAYER
"Gauss" "Factor" 0.8)
(sdedr:define-refeval-window "Ref-P+" "Rectangle" (position 0 D_EPI 0) (position
X_SIZE Y_SIZE 0) )
53
(sdedr:define-analytical-profile-placement "Place-P+" "Gauss-P+" "Ref-P+" "Symm"
"NoReplace" "Eval")
; - P+ Source
(sdedr:define-gaussian-profile "Gauss-P+_Source" "BoronActiveConcentration"
"PeakPos" 0 "PeakVal" CONC_P+
"ValueAtDepth" CONC_EPI "Depth" XJ_P+
"Gauss" "Factor" 0.4)
(sdedr:define-refinement-window "Ref-P+_Source1" "Line" (position 0 D_TRENCH 0)
(position TRENCH_LENGHT D_TRENCH 0))
(sdedr:define-analytical-profile-placement "Place-P+_Source1" "Gauss-P+_Source" "RefP+_Source1" "Symm" "NoReplace" "Eval")
(sdedr:define-refinement-window "Ref-P+_Source2" "Line" (position TRENCH_LENGHT
0 0) (position P+_SIZE 0 0))
(sdedr:define-analytical-profile-placement "Place-P+_Source2" "Gauss-P+_Source" "RefP+_Source2" "Symm" "NoReplace" "Eval")
; P Base profile
(sdedr:define-gaussian-profile "Gauss-Base" "BoronActiveConcentration"
"PeakPos" 0 "PeakVal" CONC_P_CHANNEL
"ValueAtDepth" CONC_EPI "Depth" XJ_P_CH
"Gauss" "Factor" 0.5)
(sdedr:define-refinement-window "Ref-Base" "Line" (position 0 0 0) (position X1_GATE
0 0) )
(sdedr:define-analytical-profile-placement "Place-Base" "Gauss-Base" "Ref-Base"
"Positive" "NoReplace" "Eval")
; - N+
(sdedr:define-gaussian-profile "Gauss-N+" "ArsenicActiveConcentration"
"PeakPos" 0 "PeakVal" CONC_N+
"ValueAtDepth" CONC_EPI "Depth" XJ_N+
"Gauss" "Factor" 0.4)
(sdedr:define-refinement-window "Ref-N+_Source" "Line" (position X1_N+_SOURCE 0
0) (position X1_GATE 0 0) )
(sdedr:define-analytical-profile-placement
"Place-N+_Source"
"Gauss-N+"
"RefN+_Source" "Positive" "NoReplace" "Eval")
(sdedr:define-refinement-window "Ref-N+_Drain" "Line"
(position (+ (+ X1_GATE
L_GATE) L_LDD) 0 0) (position X_SIZE 0 0) )
(sdedr:define-analytical-profile-placement "Place-N+_Drain" "Gauss-N+" "Ref-N+_Drain"
"Positive" "NoReplace" "Eval")
; - LDD
(sdedr:define-gaussian-profile "Gauss-LDD" "PhosphorusActiveConcentration"
"PeakPos" 0 "PeakVal" CONC_LDD
"ValueAtDepth" CONC_EPI "Depth" XJ_LDD
"Gauss" "Factor" 0.5)
(sdedr:define-refinement-window "Ref-LDD_dop" "Line" (position (+ X1_GATE L_GATE)
0 0) (position X_SIZE 0 0) )
(sdedr:define-analytical-profile-placement "Place-LDD" "Gauss-LDD" "Ref-LDD_dop"
"Positive" "NoReplace" "Eval")
;\---------------------------------------------------------------------------------------------------------------/
; grid
;/---------------------------------------------------------------------------------------------------------------\
; Substrate
(sdedr:define-refinement-size "Size-Subs"
5 5 ; max_x max_y
54
0.1 0.1) ; min_x min_y
(sdedr:define-refinement-function "Size-Subs" "DopingConcentration" "MaxTransDiff" 1)
(sdedr:define-refinement-region "Ref-Place-Subs" "Size-Subs" "Silicon_Substrate" )
; Epitax
(sdedr:define-refeval-window "Ref-Epi" "Rectangle" (position 0 0 0) (position X_SIZE
D_EPI 0) )
(sdedr:define-refinement-size "Size-Epi"
1 1
0.2 0.2)
(sdedr:define-refinement-function "Size-Epi" "DopingConcentration" "MaxTransDiff" 1)
(sdedr:define-refinement-placement "Ref-Place-Epi" "Size-Epi" "Ref-Epi" )
; Active
(sdedr:define-refeval-window "Ref-Act" "Rectangle" (position P+_SIZE 0 0) (position
X_SIZE (- D_EPI DISTORT_LAYER) 0) )
(sdedr:define-refinement-size "Size-Act"
0.5 0.5
0.05 0.05)
(sdedr:define-refinement-function "Size-Act" "DopingConcentration" "MaxTransDiff" 1)
(sdedr:define-refinement-placement "Ref-Place-Act" "Size-Act" "Ref-Act" )
; Source
(sdedr:define-refeval-window "Ref-Src" "Rectangle" (position (- X1_N+_SOURCE 0.2) 0
0) (position (+ X1_GATE 0.2) 0.3 0) )
(sdedr:define-refinement-size "Size-Src"
0.5 0.05
0.008 0.008)
(sdedr:define-refinement-function "Size-Src" "DopingConcentration" "MaxTransDiff" 1)
(sdedr:define-refinement-placement "Ref-Place-Src" "Size-Src" "Ref-Src" )
; LDD
(sdedr:define-refeval-window "Ref-LDD_grd" "Rectangle" (position (+ X1_GATE 0.2) 0
0) (position X_SIZE 1.0 0) )
(sdedr:define-refinement-size "Size-LDD_grd"
0.2 0.08
0.008 0.008)
(sdedr:define-refinement-function "Size-LDD_grd" "DopingConcentration" "MaxTransDiff"
1)
(sdedr:define-refinement-placement
"Ref-Place-LDD_grd"
"Size-LDD_grd"
"RefLDD_grd" )
; Channel
(sdedr:define-refeval-window "Ref-Ch" "Rectangle" (position X1_GATE 0 0) (position (+
X1_GATE L_GATE) 0.1 0) )
(sdedr:define-multibox-size "Size-Ch"
0.05 0.05
0.01 0.002
1.0
1.35)
(sdedr:define-multibox-placement "Ref-Place-Ch" "Size-Ch" "Ref-Ch" )
; Meshing structure
(sde:build-mesh "snmesh" " " "n@node@")
55
В результате выполнения команд приведенного файла генерируется
структура низковольтного LDMOS-транзистора, изображенная на рисунках
2.36 и 3.37.
Рис. 2.36. Модель LDMOS-транзистора, выполненная в САПР ISE TCAD
(общий план)
Рис. 2.37. Модель LDMOS-транзистора, выполненная в САПР ISE TCAD
(истоковая, канальная и стоковая области)
По рисунку 2.38 определена длина канала получившего транзистора,
которая составила ~ 2.2 мкм.
56
Рис. 2.38. Латеральный профиль распределения примесей
на глубине ~ 0.01 мкм
Для получения профилей распределения примесей в различных областях
полученной структуры были смоделированы одномерные структуры на
контрольных пластинах. В результате получены следующие результаты:
1. Профиль распределения бора после диффузии р+-приведен на рисунке 2.39.
Глубина диффузии составила величину ~ 6 мкм, слоевое сопротивление
Rs = 23.8 Ом/□ (слоевое сопротивление рассчитано при замене р-подложки
на n-подложку с той же концентрацией примеси);
2. Распределение концентрации бора после р++-диффузии приведено на
рисунке 2.40. Глубина диффузионного проникновения бора составила ~ 0.8
мкм, Rs = 17.9 Ом/□.
3. На рисунке 2.41 приведен профиль распределения бора в области
р-
области. Толщина р-области получена ~ 4 мкм, Rs = 1192 Ом/□.
4. Профиль распределения примесей в области стока показан на рисунке 2.42.
Глубина залегания pn-перехода Xj = 0.32 мкм, слоевое сопротивление
n+-области составило 33.9 Ом/□.
57
5. Распределение концентраций примесей в р-области после создания n+области приведен на рисунке 2.43. Xj = 0.22 мкм, Rs = 33.7 Ом/□.
6. Профиль распределения примесей в n -области показан на рисунке 2.44. Xj
= 0.12 мкм, Rs = 16.3 кОм/□.
Рис. 2.39. Распределение концентраций примесей
в р+-области до создания р++-области
Рис. 2.40. Распределение примесей в истоковой области
58
Рис. 2.41. Распределение концентрации бора в р-области
Рис. 2.42. Распределение концентраций примесей в стоковой области.
59
Рис. 2.43. Профиль распределения примесей в р-области
после создания n+-области
Рис. 2.44. Профиль распределения концентрации примесей в n -области
60
2.4. Анализ полученных результатов
Анализ приведенных выше данных, а также результатов приборнотехнологического моделирования позволяет сделать вывод, что получена
физически
верная
Концентрационные
модель
профили,
низковольтного
поверхностные
LDMOS-транзистора.
концентрации
и
слоевые
сопротивления, а также общая структура полученной ячейки LDMOSтранзистора в первом приближении соответствуют общим теоретическим
представлениям об LDMOS-транзисторах и проектным требованиям к ним.
Поэтому данную модель можно использовать для дальнейшей работы,
улучшая ее и строя на ее базе другие модели, более адекватные реальной
технологии и реальным возможностям предприятия-изготовителя.
Для
проверки
процессов
было
контрольных
верности используемых моделей технологических
проведено
пластин
с
сравнение
результатов
экспериментальными
моделирования
данными.
Использована
технология производства вертикальных LDMOS-транзисторов, выпускаемых
АО
«НИИ
электронной
техники»
и
модели
контрольных
пластин,
используемых в данном технологическом процессе. Сравнение показало
большое
расхождение
результатов
между
моделями
и
реальными
измерениями при одинаковых параметрах технологических процессов.
Тогда аналогичное контрольное моделирование было проведено с
использованием параметров технологии производства вертикальных DMOSтранзисторов,
(г.Зеленоград).
выпускаемых
Сравнение
показало
предприятием
близкое
совпадение
«Ангстрем»
результатов
моделирования с результатами измерений с отклонением не более 10%. На
основании полученных результатов сделан вывод о верности используемых
моделей технологических процессов и о хорошем соответствии расчетных
параметров экспериментальным данным.
В НИИ электронной техники необходимо провести более тщательную
настройку технологического оборудования. Для использования результатов
61
моделирования в АО «НИИ электронной техники», необходимо проводить
калибровку моделей, вводя функции для корректировки параметров моделей
с целью обеспечения соответствия параметрам реального технологического
процесса, чтобы добиться хорошего совпадения результатов.
На рисунке 2.45
показана микрофотография скола транзисторного
кристалла в активной области.
Рис. 2.45. Микрофотография скола активной области
низковольтного LDMOS-транзистора
62
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Создана физически верная конструктивно-технологическая модель
низковольтного LDMOS-транзистора, позволяющая вести далее исследования
физических эффектов, наблюдающихся в транзисторах такого типа.
На базе спроектированной конструктивно-технологической модели
возможна разработка других моделей, более адекватных реальной технологии
производства и возможностям предприятия-изготовителя. Это позволяет
проводить разработку технологии отечественных низковольтных LDMOSтранзисторов и их серийный выпуск.
Показана возможность и целесообразность использования САПР TCAD
для разработки и исследования полупроводниковых приборов, а также
хорошее
соответствие
результатов
моделирования
экспериментальным
данным.
Данные исследования проводятся совместно с АО «НИИ электронной
техники» (г. Воронеж). Результаты моделирования говорят о необходимости
проверки
верности
настройки
технологического
оборудования
и
измерительной аппаратуры в НИИЭТ.
Проект передан в АО «НИИ электронной техники» для разработки и
исследования технологии, топологии и электрофизических параметров и
характеристик
низковольтных
LDDMOS-транзисторов
с
заданным
проектными параметрами.
По результатам данной работы сделан доклад на студенческой научной
сессии ВГУ (Воронеж, 2021):
Адамов М., Полтавцев М. Проектирование
мощных СВЧ LDMOS-транзисторов с модифицированной LDD-областью в
среде
приборно-технологического
моделирования
TCAD.
Научный
руководитель – доцент Быкадорова Г.В., научный консультант – инженертехнолог АО «НИИЭТ» Алексеев Р.П.
63
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Семенов Б. Ю. Силовая электроника для любителей и профессионалов /
Б.Ю. Семенов. Москва: Изд. Солон-Р, 2001. 348 с.
2. Воронин П. А. Силовые полупроводниковые ключи: семейства, характеристики, применение / П.А. Воронин. Москва: Изд. Дом Додэка-XXI, 2001.
242 с.
3. Энциклопедия устройств на полевых транзисторах / В. П. Дьяконов [и др.].
Москва: СОЛОН-Р, 2002. 403 с.
4. Особенности конструктивного исполнения краевых участков стоковых областей мощных СВЧ LDMOS транзисторов / А.Ю. Ткачев [и др.]. // Вестник Воронежского государственного технического университета. – 2010.–
Т.6. – №5. – С.112-117.
5. Кремниевые полевые транзисторы / О.В. Сопов [и др.]. // Электронная промышленность. – 2003. – № 2. – С. 176-188.
6. 6. Дидилев С. Мощные LDMOS-транзисторы: преимущества и области
применения. / С. Дидилев. // Компоненты и технологии. – 2002. – №2. –
С.12-23.
7. Майская В. Высокочастотные полупроводниковые приборы / В. Майская //
Электроника: Наука, технология, бизнес. – 2004. – №8. – С.16-21.
8. Фармикоун Г. Технология мощных СВЧ LDMOS-транзисторов для радарных передатчиков L-диапазона и авиационных применений / Г. Фармикоун
[и др.]. // Компоненты и технологии. – 2007. – №10. – С. 14-16.
9. Малышева И. А. Технология производства ИС, 2002.
10. Красников Г. Я. Конструктивно – технологические особенности субмикронных MOS – транзисторов, 2004
11 Дьяконов В.П. Справочник. Схемотехника устройств на мощных полевых
транзисторах / В.П. Дьяконов; под ред. В.П. Дьяконова. // Москва : Радио
и связь. – 1994. – 280 с.
64
12. Березин А. С. Технология и конструирование интегральных микросхем :
учебное пособие для вузов по спец. "Физика и технология материалов и
компонентов электрон. техники" и "Микроэлектроника и полупроводниковые приборы" / сост. : Березин А. С., Мочалкина О. Р. // Москва : Радио и связь, 1992.
13. Петров Б.К. Расчет емкостей Свх, Свых, Спр мощных СВЧ MOS транзисторов
/ Б.К. Петров, П.А. Меньшиков, Ю.К. Николаенков // Петербургский
журн. электроники. – 2003.- № 2. – С. 45–48.
14. Исследование нелинейных емкостей в мощных СВЧ MOS транзисторах /
П.А. Меньшиков [и др.] // Вестн. Воронеж. гос. ун-та. Сер. Физика, математика. - 2004. – № 1. - С. 45-50.
15. Дьяков В. П. Мощные полевые транзисторы: история, развитие и перспективы. Аналитический обзор. / В. П. Дьяков // Компоненты и технологии.
2010. №4.
16. Дидилев С. Мощные LDMOS-транзисторы: преимущества и области применения. Компоненты и технологии, 2002. №2.
17. Майская В. Высокочастотные полупроводниковые приборы. Электроника:
Наука, технология, бизнес. 2004. №8. С.16-21.
18. Фармикоун Г. Технология мощных СВЧ LDMOS-транзисторов для радарных передатчиков L-диапазона и авиационных применений. Компоненты
и технологии, 2007. №10. С. 14-16.
19. Майская В. СВЧ-полупроводниковые технологии – статус равен. Но у кого
он равнее? Электроника: Наука, Технология, Бизнес. 2006. №5. С. 20-27.
20. Томас Ф. САПР микроэлектроники – этапы большого пути / Ф. Томас, А.
Иванов // Электроника: Наука, технология, бизнес. – 2006. – №3. – С.8285.
21. Ткачев А. Ю. Влияние конструктивно-технологических факторов на электрические параметры мощных СВЧ LDMOS транзисторов // Диссертация.
ВГУ, 2011.
65
22. Тихомиров П., Пфеффли П., Зорзи М. Система Sentaurus TCAD компании
Synopsys. Новое поколение приборно-технологических САПР. Электроника: Наука, Технология, Бизнес. 2006. №7. С. 89-95.
23. Официальный сайт компании Synopsys. – (http://synopsys.com/)
24. ISE TCAD User’s manual. – Version H-2013.03, March 2013.
25. Королев М.А. Приборно-технологическое моделирование при разработке
изделий микроэлектроники и микросистемной техники / М.А.Королев,
Т.Ю. Крупкина, Ю.А. Чаплыгин // Известия вузов. Электроника. – 2005. №4-5. – С. 64-71.