Микроэлектроника, 2020, T. 49, № 4, стр. 304-313

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время в автомобильной электронике, системах промышленного контроля, телекоммуникациях и космической электронике широкое применение находят интеллектуальные монолитные интегральные схемы (ИМИС). ИМИС состоят из низковольтных и высоковольтных МОП транзисторов. Последние изготавливают с использованием технологии High Voltage LDMOS, далее – HV LDMOS. Диапазон рабочих напряжений HV LDMOS достаточно широк и определяется назначением ИМИС. Большое распространение получили ИМИС класса низковольтной мощной электроники (Low-LVPE) [1]. LVPE включают в себя преобразователи напряжений, контроллеры для управления двигателями, различные мощные переключатели. Рабочие напряжения LVPE находятся в пределах 50 В. Часто к LVPE предъявляется требование сохранения работоспособности в экстремальных условиях, характеризующихся, прежде всего широким диапазоном рабочих температур (от –60 до +250°С), а также воздействием ионизирующего излучения.

Решение может быть найдено в использовании технологии кремний-на-изоляторе (КНИ) [2]. При этом формирование HV LDMOS транзисторов сочетается с традиционной КМОП КНИ технологией [3]. Эти преимущества позволяют использовать монолитную интеграцию нескольких силовых устройств, низковольтных схем управления и процессорных ядер на одном чипе. До настоящего времени фирма X-FAB использует КНИ процесс формирования HV LDCMOS транзисторов в сочетании с традиционными КМОП транзисторами с проектными нормами 1 мкм. ИМИС, изготовленные в этом процессе, имеют рабочий диапазон температур от минус 40 до +250°С [4].

В данной работе была поставлена задача разработки технологии и исследование параметров HV LDCMOS транзисторов в экстремальных условиях, изготовление которых совмещенно с ранее разработанными базовыми технологическими процессами КМОП КНИ с проектными нормами 0.25–0.5 мкм.

КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ HV LDMOS КНИ ТРАНЗИСТОРОВ

В зависимости от требуемых параметров используются различные конструкции LDMOS транзисторов [5]. В данном варианте конструкция во многом определялась параметрами уже применяемой ранее КНИ структуры: толщина рабочего слоя кремния (SOI) 190 нм, толщина изолирующего захороненного слоя окисла (BOX) , полученного по технологии SIMOX 150 нм, удельное сопротивление кремниевой подложки р-типа 10–20 Ом ⋅ см. На рис. 1а схематично представлено сечение конструкции LDMOS транзистора. На нем показаны основные конструктивные размеры, влияние которых на электрофизические параметры исследовалось в процессе разработки технологии [6].

Рис. 1.

Конструкция LDMOS КНИ транзистора (а), фото на пластине сборки LDMOS КНИ транзистора (б), SEM сечение LDMOS КНИ транзистора (в).

Конструкция предполагает работу LDMOS КНИ транзистора в режиме частичного обеднения (PDSOI). Контакт к карману осуществляется за счет вставок в области истока с тем же типом проводимости, что и в кармане. Воспроизводилась конструкция транзистора А-типа. В таком варианте наиболее просто реализовать конструкцию мощного транзистора, состоящего из параллельно включенных транзисторов А-типа (сборки) с суммарной шириной затвора W = 1 мм, длиной канала L = 0.8 мкм и DRIFT области 6 мкм площадью 6550 мкм². Фотография мощного транзистора на пластине показана на рис. 1б. Технология формирования полевого изолирующего окисла (FOX) сохраняла исходную толщину слоя SOI, что предполагает снижение сопротивления DRIFT области. Преемственность технологии n‑канальных (NLDMOS) и p-канальных (PLDMOS) транзисторов с базовыми технологическими процессами изготовления низковольтных КМОП транзисторов заключалась в использовании апробированных технологических приемов:

– изоляции LDMOS транзисторов по технологии STI;

– использование режимов ионной имплантации при создании областей исток-стока (S-D),

– ретроградных карманов (WELL) и DRIFT областей;

– затвора (GATE) на основе поликристаллического кремния толщиной 250–270 нм;

– использование быстрых термических процессов (RTP) при формировании затворного окисла и активации имплантированной примеси в кремнии;

– использование технологии SALICIDE для шунтирования областей легированного монокристаллического и поликристаллического кремния низкоомным силицидом титана TiSi₂.

Сечение сформированного LDMOS КНИ транзистора, полученное методом SEM, с указанием отмеченных выше областей представлено на рис. 1в.

Оптимизация процесса создания транзисторной структуры проводилась с использованием методов технологического моделирования [7].

ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ LDMOS КНИ ТРАНЗИСТОРОВ

Оценка электрофизических параметров LDMOS КНИ транзисторов проводилась на измерительном комплексе Keysight Technologies с зондовым устройством, позволяющим проводить измерения на пластине в диапазоне температур от –60 до +300°С, а также имеющим в своем составе импульсный генератор (SPGU) и высокомощный источник (HPSMU).

Проведенные ранее исследования показали, что величина напряжения пробоя LDMOS КНИ транзисторов в закрытом состоянии слабо зависит от длины канала L и в большей степени определяется протяженностью DRIFT и FOX областей [7] и составляет 44–45 В для NLDMOS и 55–60 В для PLDMOS. В открытом состоянии влияние указанных параметров на напряжение пробоя наиболее сильно проявляется для NLDMOS транзисторов. На рис. 2 представлены ВАХ NLDMOS и PLDMOS транзисторов с шириной затвора W = = 20 мкм и разными значениями длины канала L и величины перекрытия затвора и FOX области-H.

Рис. 2.

ВАХ NLDMOS-а и PLDMOS-б транзисторов при напряжении на затворе V_gs = +5 и –5 В и значениях H = 1, 2, 3 мкм кривые 1, 2, 3 соответственно.

Для NLDMOS резкое увеличение тока стока I_ds при больших напряжениях, обусловленное “Kink”-эффектом, наиболее критично для транзисторов с меньшей длиной канала L и FOX области. Для них же в большей степени проявляется эффект “саморазогрева” и связанное с ним уменьшение тока. Из представленных ВАХ следует, что выбор конструктивного варианта может определяться, исходя из требований к параметрам, необходимых для работы схемы. Для заявленных рабочих напряжений 28–30 В с учетом необходимого запаса, целесообразно использовать вариант транзистора с L = 0.8 мкм и FOX = 6 мкм, который обеспечивает больший ток.

Все варианты PLDMOS транзисторов сохраняют работоспособность во всем исследуемом диапазоне напряжений стока. Учитывая указанные выше рабочие напряжения, возможно использование транзистора с длиной канала 0.5 мкм и области FOX = 3 мкм, при которых обеспечиваются максимальные токи. Принимая во внимание полученные результаты для обоих типов транзисторов, при проектировании схем, использующих комплементарную пару LDMOS транзисторов, целесообразно придерживаться соотношений ширины затвора NLDMOS и PLDMOS транзисторов как 1 : 1.5.

На рис. 3 представлены вольт амперные характеристики мощных NLDMOS-а и PLDMOS-б транзисторов, измеренных в режиме DC и в импульсном режиме в рабочем диапазоне напряжений. При максимальном напряжении на стоке V_ds 30 В рассеиваемая мощность составляет Р_mах-3.6 и 1.65 Вт для NLDMOS-а и PLDMOS-б соответственно. В этом случае эффект “саморазогрева” наблюдается для обоих типов транзисторов. Импульсный режим работы мощных транзисторов исследовался при длительности импульса на стоке в диапазоне 6–500 мкс с периодом следования 40 мс, а длительность импульса на затворе составила 1 мс с амплитудой от 1 до 5 В. В импульсном режиме эффект “саморазогрева” в значительной степени нивелируется для PLDMOS. Для NLDMOS наиболее полное восстановление характеристик происходит при самых коротких импульсах 6 мкс.

Рис. 3.

ВАХ мощных NLDMOS-а и PLDMOS-б транзисторов, снятых в режиме DC – 1 и импульсном режимах – 2, 3.

В табл. 1 приведены диапазоны изменения основных параметров n- и p-канальных LDMOS транзисторов с W = 20 мкм при различных значениях длины канала L и области FOX, а также мощных LDMOS на основе сборки этих транзисторов с L = 0.8 мкм и W = 1 мм. Измерения проводились по методике, описанной в работе [4]. Определялись следующие параметры: I_on – ток стока в открытом состоянии при напряжениях на истоке-подложке V_s = 0 В, стоке V_ds = 5 В и затворе V_gs = 5 В; V_br – напряжение пробоя стока при V_s = = 0 В, V_gs = 0 В по уровню тока стока I_ds = 10 нА и I_ds = 1 мкА для сборки транзисторов; V_th – пороговое напряжение; R_on – сопротивление в открытом состоянии при V_s = 0 В, V_ds = 0.2 В и V_gs = 5 В; Be – крутизна транзистора.

ИССЛЕДОВАНИЕ НАДЕЖНОСТИ HVLDMOS ТРАНЗИСТОРОВ

Рабочий диапазон напряжений LDMOS транзистора, как правило, существенно уже предельно допустимого диапазона напряжений. Это связано с необходимостью обеспечения надежности работы транзистора в экстремальных условиях. Как и для низковольтных МОП транзисторов в этом случае необходим режим работы, обеспечивающий минимальное воздействие на затворный диэлектрик. Таким воздействием является ток неосновных носителей, возникающий в результате ионизации в области пространственного заряда на границе областей WELL-DRIFT. Наиболее заметно это должно проявляться в PLDMOS транзисторе, где неосновными носителями являются электроны, и который характеризуется большими напряжениями пробоя. На рис. 4 представлены зависимости тока затвора PLDMOS транзистора от напряжения на стоке в закрытом состоянии (V_gs = = 0 В) с W = 20 мкм и различной длиной канала L, измеренные при 25°С. Из представленных зависимостей следует, что при рабочих напряжениях до 65 В ток затвора не превышает 20 пА. При работе в открытом состоянии (V_gs = –5 В) ток затвора достигал сравнимых значений при существенно больших напряжениях. В аналогичных условиях ток затвора I_gs для NLDMOS транзистора был в несколько раз меньше.

Рис. 4

. Зависимость тока затвора I_gs PLDMOS транзистора с длиной канала 1 – 0.5 мкм, 2 – 0.8 мкм, 3 – 1.5 мкм от напряжения на стоке V_ds в (а) закрытом и (б) открытом состоянии.

Надежность LDMOS транзисторов в закрытом состоянии оценивалась при подаче на сток напряжения, близкого к напряжению пробоя в течение длительного времени. В процессе испытания измерялись ток стока и затвора. Результаты представлены на рис. 5. Для PLDMOS в начальный период наблюдается снижение тока стока и его стабилизация в процессе измерений. Ток затвора не превышал значения 5–10 пА за все время наблюдения. Аналогичные зависимости получены для NLDMOS. При этом ток затвора был меньше.

Рис. 5.

Зависимости тока стока I_ds и тока затвора I_gs от времени T, поданного на сток максимального напряжения для PLDMOS (а) и NLDMOS (б) транзисторов.

Таким образом, можно предположить, что при рабочих напряжениях 28–30 В и соответственно меньших стрессовых нагрузках реализованная конструкция LDMOS транзисторов будет обеспечивать работоспособность в течение длительного времени.

ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ТРАНЗИСТОРОВ В ШИРОКОМ ДИАПАЗОНЕ ТЕМПЕРАТУР

На рис. 6 представлены зависимости основных параметров LDMOS транзисторов от температуры. Из них следует, что LDMOS транзисторы сохраняют работоспособность во всем исследуемом диапазоне температур. Температурный коэффициент порогового напряжения составляет 2–2.2 мВ/°С что сопоставимо со значениями, полученными для низковольтных МОП транзисторов [8].

Рис. 6.

Зависимости порогового напряжения V_th (а), тока насыщения I_on (б) и сопротивления в открытом состоянии R_on (в), NLDMOS-1 и PLDMOS-2 транзисторов от температуры t, °C.

Температурные ограничения могут быть обусловлены допустимыми токами потребления транзисторов в схеме. На рис. 7 представлены зависимости тока стока PLDMOS транзистора в закрытом состоянии от температуры. Принимая во внимание рассмотренную выше методику определения напряжения пробоя по уровню тока стока 10 нА, из рис. 7 следует, что максимальная температура составляет +125°С при сохранении значения напряжения пробоя в прежних пределах. При допущении значений стока ~100 нА максимальная температура составит +225°С. При температурах более +125°С зависимость тока стока от напряжения имеет более плавный “резистивный” характер и может быть обусловлена большим вкладом тока утечки по поверхности.

Рис. 7.

Зависимость тока стока I_ds от напряжения на стоке V_ds NLDMOS (а) и PLDMOS (б) транзистора при V_g = 0 В от температуры t, °C: 1 – –60°С, 2 – +25°С, 3 – +75°С, 4 – +125°С, 5 – +225°С, 6 – +300°С.

Одним из критериев работоспособности МОП в схеме является соотношение тока в открытом и закрытом состоянии I_on/I_off. Учитывая данные, представленные на рис. 6а, 6б и 7, получим, что при температурах +300°С это соотношение находится в пределах 10³–10⁴. Для более низких температур это соотношение еще выше.

ИЗМЕНЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ LDMOS ТРАНЗИСТОРОВ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Известно, что изменение параметров МОП транзисторов на КНИ структуре связано с индуцированием и накоплением положительного заряда в окисле при воздействии ионизирующего излучения. Положительный заряд может накапливаться в подзатворном окисле, захороненном BOX окисле и окисле STI изоляции. Отличие изменения параметров высоковольтных HV LDMOS от низковольтных КМОП транзисторов может быть обусловлено влиянием подзатворного окисла большей толщины, а также изменением профиля легирования ретроградного кармана в условиях более длительного окисления подзатворного окисла в сухом кислороде. Эти факторы напрямую связаны с изменениями пороговых напряжений рабочего и паразитного “донного” МОП транзисторов. Накопленный положительный заряд в области STI-изоляции, толстого FOX окисла может повлиять на величину тока утечки при высоких напряжениях на стоке HV LDMOS, что в свою очередь сказывается на измерениях напряжения пробоя, фиксируемого по уровню тока 10 нА. Образцы высоковольтных HV LDMOS транзисторов, собранные в корпусе, подвергались воздействию гамма-излучения по методике, описанной в работе [9]. На рис. 8 представлены зависимости изменения порогового напряжения рабочего n- и р-канального транзистора (а) и донного транзистора (б) от накопленной дозы.

Рис. 8.

Зависимость изменения порогового напряжения ΔV_th рабочего NLDMOS-1 и PLDMOS-2 транзистора (а) и донного транзистора (б) от накопленной дозы ионизирующего излучения D, кРад.

Из рис. 8а следует, что PLDMOS более чувствителен к накопленной дозе, чем NLDMOS транзистор. Разница обусловлена распределением примеси в приповерхностном слое кремния в ретроградных карманах транзисторов. По абсолютной величине пороговые напряжения р-канальных транзисторов увеличиваются, а n-канальных уменьшаются. Аналогично для “донных” паразитных транзисторов рис. 8б. В данном случае более чувствительным является n-канальный “донный” транзистор, что связано с распределением примеси на границе BOX окисла и кремния. С учетом исходных значений пороговых напряжений рабочих NLDMOS и PLDMOS (см. табл. 1), а также пороговых напряжений n- и p-канальных “донных” паразитных транзисторов (13 В и –15 В соответственно) можно утверждать, что работоспособность LDMOS сохраняется при дозах облучения до 600 кРад.

Образцы LDMOS транзисторов с накопленной дозой облучения 600 кРад исследовались в диапазоне температур 25–225°С [10]. Показано, что предварительное облучение существенно не влияет на характер поведения параметров LDMOS при изменении температуры. Температурный коэффициент порогового напряжения находится в тех же пределах. Кроме того, при работе при высоких температурах в условиях саморазогрева наблюдается восстановление параметров до исходных значений, что связано с отжигом накопленного заряда в подзатворном и BOX окислах. Суммарное воздействие высокой температуры и ионизирующего излучения наиболее критично для NLDMOS, для которых оба фактора приводят к уменьшению порогового напряжения. Принимая во внимание приведенные выше данные по изменению порогового напряжения NLDMOS, можно предположить, что работоспособность NLDMOS сохраняется при воздействии данных факторов в исследованных диапазонах температур и накопленной дозы гамма-облучения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Исследованы параметры высоковольтных LDMOS транзисторов, сформированных по технологии, совместимой с технологией изготовления низковольтных КМОП БИС на подложках “кремний на изоляторе”. Измерение значений параметров в экстремальных условиях, характеризующихся высокими значениями рабочих напряжений, температуры и накопленной дозой ионизирующего излучения показывает, что LDMOS транзисторы сохраняют свою работоспособность при температурах от –60 до +300°С и накопленной дозе гамма-излучения до 600 кРад. Разработанная технология высоковольтных LDMOS транзисторов может использоваться при создании ИМИС класса низковольтной мощной электроники, работающих в экстремальных условиях.