Исследование и разработка конструкции и технологии изготовления силовых интегральных микросхем на основе КМОП транзисторов

• Автор: Тихонов, Роберт Дмитриевич
• Шифр специальности: 05.27.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2001
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 126 с. : ил

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР ПО ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫМ СИЛОВЫМ ИНТЕГРАЛЬНЫМ СХЕМАМ (ИСИС)
1.1. Силовые ключи на МОП 'гранзисторах
1.2. Особенности МОП транзисторов, как силовых
элементов
1.3. Планарные силовые МОП транзисторы
1.4. Интеллектуальные силовые интегральные схемы
1.5. Драйверы силовых ключей
1.6. Выводы
ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО МАРШРУТА ИЗГОТОВЛЕНИЯ СИЛОВОГО МОП ТРАНЗИСТОРА
2.1. Топология силового МОП транзистора
2.2. Конструктивно-технологические варианты изготовления силовых МОП транзисторов
2.3. Изготовление опытных партий микросхем
2.4. Выводы
ГЛАВА 3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ СИЛОВЫХ п- И р-МОП ТРАНЗИСТОРОВ
3.1. Особенности моделирования силовых МОП транзисторов
3.1.1. Структура МОП транзисторов
3.1.2. Протрамное обеспечение
3.1.3. Формулировка задачи
3.2. Оптимизация конструкции пМОП транзистора
3.3. Анализ способов повышения пробивного напряжения ИМОП транзистора при переменных параметрах
3.3.1. Концентрация примеси в подложке
3.3.2. Длина пинч-резистора

3.3.3. Длина поликремниевого затвора
3.4. Оптимизация конструкции рМОП транзистора
3.5. Выводы
ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ И ХАРАКТЕРИСТИК МОП ТАНЗИСТОРОВ
4.1. Технологический контроль силовых транзисторов
4.2. Измерение параметров пМОП транзисторов на АИК
4.2.1. Выводы
4.3. Исследование параметров и характеристик рМОП транзисторов
4.3.1.Вывод ы
ГЛАВА 5. РАЗРАБОТКА И МОДЕЛИРОВАНИЕ СХЕМ УПРАВЛЕНИЯ, ЗАЩИТЫ И ТЕЛЕМЕТРИИ СИЛОВОЙ ЧАСТИ
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ ЭЛЕКТРОННЫХ СХЕМ
5.1. Микросхема МСК
5.2. Функционирование микросхемы интеллектуальных силовых ключей МСК
5.3. Динамические параметры силовых ключей
5.4. Исследование элементов микросхемы силовых транзисторов МСТ
5.4.1. Состав МСТ. Контролируемые параметры
5.4.2. Методики контроля
5.4.3. Влияние температуры на параметры МСТ
5.4.4. Основные результаты контроля
5.5. Исследование параметров микросхемы силовых ключей МСК в диапазоне температуры
5.6. Выводы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

ВВЕДЕНИЕ.
Актуальность темы определяется тем, что в настоящее время в серийном производстве микроэлектронных устройств лидирующее положение занимает КМОП технология. Широкий диапазон преимуществ КМОП транзисторов приводит к разнообразию сфер использования данной технологии. Так наряду с цифровой микроэлектроникой, интенсивно развивающуюся и обширную область деятельности в науке и технике представляет силовая
полупроводниковая электроника. Особенно перспективными в полупроводниковой микроэлектронике являются так называемые
интеллектуальные силовые приборы или SMART POWER SWITCH [1], которые тоже могут быть выполнены по КМОП технологии.
Три фундаментальных функции, которые выполняются интеллектуальными силовыми ключами это - управление мощностью, считывание/защита и сопряжение. Типичным примером является
автомобильная мультиплексная система с распределенными модулями, которые управляют освещением, двигателем, кондиционером, стеклоочистителями и т.п.
Основанные на достижениях технологии интегральных схем
полупроводниковые кристаллы - чипы вошли во все области, где применяются мощные полупроводниковые приборы. Например: однокристальная система управления соленоидом разработана фирмой SGS-Thomson[l] и использует интеграцию квази-вертикалъного DMOSFET с КМОП и биполярными схемами.
Наилучшими параметрами для силовых приборов обладают ДМОП транзисторы, но их объёмная конструкция не позволяет размещать на одном кристалле обрамляющие схемы. Поэтому является актуальным постановка задачи создание интеллектуальных силовых ключей, изготавливаемых только по КМОП технологии. Для этого, во-первых, необходимы разработка, моделирование и исследование планарных МОП транзисторов, как элементов коммутации силовых цепей при больших напряжениях и при больших токах с целью улучшения рабочих характеристик силовых ключей: повышения пробивного напряжения и снижения сопротивления открытого транзистора; во-

для обеспечения воспроизводимого получения параметров микросхем интеллектуальных силовых ключей на основе результатов измерения уточнялся в части выбора доз ионного легирования.
Проведено изготовление шести опытных партий микросхем по комплекту фотошаблонов Л27.
На партии 27-02 выбраны дозы легирования:
1. кармана фосфором - 1,8 мкКул/см2 и бором - 1,0 мкКул/см2,
2. ионного легирования пинч-резистора р- транзисторов бором 6,0 мкКул/см2, п-транзисторов фосфором 0,6 мкКул/см2.
3. активного канала п- и р-транзисторов по всей пластине без фотомасок бором с дозой 0,1 мкКул/см2,
В последующих партиях 27-03, 04, 05, 07 эксперимент был направлен на снижение утечек в силовых МОП транзисторах.
Начиная с партии 27-07 легирование р’ проведено через фотомаски, используя фотошаблоны, образующие маски раздельного легирования истоков п-и р- канальных МОП транзисторов.
На партии 27-07 часть пластин имела только одни слой 8Ю2 без БіЗШ между двумя слоями алюминия. Совокупность отличий в изготовлении партии 27-07 и полученные на ней результаты по параметрам схем, позволяют считать её эталонной для представления технологии интеллектуальных силовых ключей.
Партия 27-10 изготавливалась по тому же самому маршруту, как партия 27-07 и как опытная партия, подверждающая результаты, полученные на партии 27-07. На этой же партии нарабатывались образцы для предварительных испытаний.
Полученные структуры транзисторов представлены на Рис. 6,7 в виде декорированных травлением в травителе для поликремния сколах пластин при получении изображения на сканирующем электронном микроскопе.
Результаты измерения параметров и исследование характеристик опытных образцов представлены в следующих главах.
Часть материалов опубликована в работе [19].