Расчётно-пояснительная записка

 

 

Разработал студент гр. ЭНЭм-151 А.А. Скоморохов

 

Руководитель Е.Ю. Плотникова

 

 

Защищено _________________ Оценка _________________

 

2016
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

(ФГБОУ ВО «ВГТУ», ВГТУ)

 

ЗАДАНИЕ

на курсовую работу

по дисциплине «Моделирование физических процессов в микро- и

наноэлектронике»

Тема: «Моделирование силового CoolMOS в САПР Silavaco TCAD»

 

Студент группы ЭНЭм-151 Скоморохов Александр Александрович

Содержание и объем работы: В первом разделе говорится о САПР Silvaco TCAD, во второй главе о CoolMOS транзисторе, в третье главе приведены результаты моделирования. Курсовая работа содержит 24 страниц, 9 иллюстраций, использовано 4 источника литературы.

 

 

Содержание и объем проекта 24 страниц

Руководитель Е.Ю. Плотникова

Задание принял студент А.А. Скоморохов

 

Замечания руководителя

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

Задание на курсовую работу 2

Замечание руководителя 3

Введение 5

1 САПР Silvaco TCAD 6

2 Устройство MOSFET-транзистора 7

3 Принцип работы CoolMOS-транзистора 12

4 Характеристики и преимущества CoolMOS-транзистора 16

5 Моделирование силового CoolMOS в САПР Silavaco TCAD 18

5.1 Листинг программы 18

5.2 Структура CoolMOS транзистора 21

Заключение 23

Список литературы 24

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Построение модели и расчет электрических характеристик различных элементов СБИС проводят с использованием САПР конструктивно-технологического моделирования. В настоящее время существует несколько таких систем, называемых TCAD (Technology Computer Aided Design), разработанными фирмами TMA Inc. (США), ISE Integrated Systems Engineering AG (Швейцария), Synopsys Inc. (США) и Silvaco International (США). Эти системы обеспечивают возможность сквозного моделирования технологического процесса производства СБИС.

Целью данной работы являлось получить навыки моделирования в САПР Silvaco TCAD. Создать структуру CoolMOS транзистора и промоделировать ее, получить выходную характеристику данного транзистора.

 

1 САПР Silvaco TCAD

Система автоматизированного проектирования (САПР) Silvaco TCAD (англ. Technology Computer Aided Design) является пакетом программ для автоматизированного проектирования приборов и структур, и моделирования физических процессов, проходящих в них.

Моделирование играет огромную роль в развитии и совершенствовании приборов. Технологические модели и правила проектирование являются основными строительными блоками интегрированного процесса проектирования схем и приборов. От их качества и точности зависит надежность полупроводниковых приборов, закладываемая на стадии проектирования, поэтому очень важно учесть большой ряд внешних факторов, для её обеспечения.

TCAD включает в себя следующие пакеты:

- Victory Process является 3D Process Simulator, включает в себя основной симулятор технологических процессов и три продвинутых модуля симуляции: расчет ионной имплантации методом Монте-Карло, продвинутый расчёт диффузии и окисления;

- Victory Cell является 3D Process Simulator, предназначен для больших структур, например CMOS-матриц, множеств TFT, силовых устройств и других;

- Athena представляет собой группу технологических продуктов моделирования. ATHENA предоставляет платформу для моделирования ионной имплантации, диффузии, травления, осаждения, литографии и окисления полупроводниковых материалов;

- Atlas представляет собой группу продуктов для моделирования электрических, оптических и термических характеристик полупроводниковых приборов;

- Virtual Wafer Fab представляет собой группу TCAD продуктов, которые автоматизируют и имитируют изготовление физической пластины.

 

2 Устройство MOSFET-транзистора

 

Для сравнения рассмотрим для начала работу обычного MOSFET-транзистора

На рисунке 3 показано поперечное сечение стандартного мощного MOSFET-транзистора. В направлении прямого тока поток электронов течет от n⁺ - области (исток) n-канал, который сформирован положительным напряжением затвора на поверхности шейной области p-well, через область дрейфа n^- к контактному слою n⁺, который связан с потенциалом стока.

 

 

Рисунок 1 – Поперечный разрез мощного MOSFET-транзистора

 

В направлении протекания обратного тока (к стоку приложено отрицательное напряжение относительно потенциала истока) основной p-n переход находится в прямом смещении. Дырки (положительные заряды) пересекают p-n переход и текут через область дрейфа к контактному слою n⁺, где уничтожаются доминирующими там электронами (отрицательные заряды). Напротив, электроны движутся от n⁺ контактного слоя через область дрейфа вверх, пересекая p-n переход. Немногие из них могут достигать n⁺ области истока, остальные уничтожаются в шейной области p-well, где доминируют дырки. В дрейфовой области электроны и дырки сосуществуют.

Мы говорим здесь об электронно-дырочной плазме, поскольку концентрация и электронов, и дырок выше, чем степень легирования n-примесей в области дрейфа. Электроны и дырки могут рекомбинировать в данном случае с некоторой скоростью в зависимости от присутствия центров рекомбинации. Эти центры обычно создаются облучением устройства или диффузией Au или Pt. Электронно-дырочная плазма имеет высокую проводимость с результирующим падением напряжения всего 0,7–1,2 В в режиме протекания обратного тока в мощном MOSFET-транзисторе. Если к транзистору снова прикладывается положительное напряжение, плазма должна быть удалена прежде, чем транзистор будет способен блокировать напряжение. Эта плазма — источник тока обратного восстановления в течение переключения диода. Заряд, который получается в результате интегрирования по времени тока обратного восстановления, называется зарядом обратного восстановления Qrr [1].

Процессы, происходящие в мостовом резонансном преобразователе в течение этих четырех стадий (t₁–t₄) схематично показаны на рисунке 2 в следующей последовательности: слева направо и сверху вниз. В течение стадии t в силовом транзисторе протекает обратный ток. Активная область заполняется электронно-дырочной плазмой, обозначаемой пурпурным цветом. В начале стадии 2 силовой транзистор находится во включенном состоянии за счет положительного напряжения, приложенного к затвору. Часть электронного тока, который течет от контактного слоя n⁺ к выводу истока, теперь может течь через канал вместо протекания через p-n переход, что способствует уменьшению концентрации электронов и дырок между шейными областями p-well. Это показано на второй части рисунка 2.

 

 

Рисунок 2 - Потоки электронов и дырок внутри обычного силового MOSFET-транзистора, протекающих в течение четырех стадий работы мостового резонансного преобразователя (t₁–t₄: слева направо, сверху вниз)

 

На стадии 3 направление тока изменилось из-за переключения транзисторов в противоположной диагонали мостового резонансного преобразователя. Обратите внимание, что на третьей картинке рисунка 2 стрелки для электронного потока теперь указывают на контактный слой n⁺, и поток дырок течет вверх, к шейной области p-well - p-n-переход начинает закрываться. Из-за очень низкого падения напряжения на открытом переходе транзистора (примерно 1 или 2 В) вокруг p-n-перехода формируется небольшая обедненная область. Она обозначена белым цветом. Далее инжекция электронно-дырочной плазмы в активную область силового транзистора прекращается. Однако в нижней части активной области электронно-дырочная плазма пока еще присутствует [2]. Эта плазма все еще поддерживает поток дырок к шейной области p-well. Из-за искривления областей p-well поток дырок сосредоточен в области ниже электрода затвора.

На стадии 4 силовой транзистор закрывается. На высоких частотах переключения заряд обратного восстановления внутреннего диода может не полностью быть вытеснен из активной области транзистора, особенно при незначительной или средней нагрузке. Эта ситуация продемонстрирована на четвертой картинке рисунка 2 областью светло-пурпурного цвета возле обратной стороны слоя n⁺. Если теперь на силовой прибор подать напряжение за очень короткое время dv/dt, область заряда (обозначенная белым цветом) быстро расширится, занимая n^–-область дрейфа по направлению к контакту n⁺. Оставшаяся электронно-дырочная плазма будет далее выдавлена, как паста из тюбика, в результате чего большой поток дырок устремится вверх к области p-well. Данный поток дырок снова сосредоточится вокруг искривления области p-well, что и показано большим количеством стрелок на четвертой картинке рисунка 2.

Теперь более детально рассмотрим ячейку силового MOSFET-транзистора. Рис. 5 содержит поперечное сечение ячейки обычного MOSFET-транзистора, используемой в таком или почти таком виде всеми производителями силовых MOSFET-транзисторов. Металлизация истока контактирует с областью p-well и с совместной или разделенной на разные стороны областью n⁺, p-контакт необходим для закрытого состояния, и n⁺-контакт для открытого состояния транзистора. Затвор изолирован от области p-well тонким оксидным слоем, который обозначен желтым цветом на рисунке 3.

 

 

Рисунок 3 - Детальный вид обычной ячейки силового MOSFET-транзистора, иллюстрирующий механизм разрушения движущимися с разных сторон дырками ниже области n⁺

Поток дырок, проходя через дрейфовую область n^–, достигает области p-well - таким образом, он пересекает шейную область p-well с разных сторон по направлению к металлическому контакту (показан серым цветом). Ток создаст разность потенциалов вдоль своего пути к контакту. Это падение напряжения стремится к организации прямого смещения p-n-перехода, сформированного областями p-well и n⁺, приводя к открыванию свойственного ячейке паразитного биполярного n-p-n-транзистора. Так как этот ток имеет положительный температурный коэффициент, полный ток через транзистор, вероятно, создаст шнурование в одной или нескольких ячейках, приводя транзистор к термодеструкции. Вероятность данной ситуации зависит (помимо скорости нарастания напряжения dv/dt при выключении) от нескольких технологических факторов, таких как размещение контакта относительно области p-well, объем заряда обратного восстановления, уровень легирования области p-well и т. д. Для обычного MOSFET-транзистора всегда существует вероятность отказа силового транзистора при неудачной комбинации перечисленных технологических факторов. Данная ситуация достаточно неприятна для потребителей из-за риска возникновения серии эксплуатационных отказов силовых MOSFET-транзисторов в схемах с резонансным преобразованием.

3 Принцип работы CoolMOS-транзистора

 

Ключевым моментом в понимании невосприимчивости CoolMOS-транзистора к механизму пробоя в резонансных схемах являются его отличия во внутренней структуре. Рисунок 4 демонстрирует поперечный разрез ячейки. Здесь видно единственное отличие от обычного транзистора, показанного на рисунке 2: столб p-области глубоко проникает в активную область силового транзистора. Дополнительная p-зона обеспечивает более высокую степень легирования соседнего <n-столбца, снижая тем самым присущее данной области сопротивление в открытом состоянии CoolMOS-транзистора в пять раз по сравнению с обычным транзистором. Степень легирования данной p-зоны должна тщательно контролироваться, так как при закрытом состоянии транзистора свободные носители в ней полностью отсутствуют.

 

Рисунок 4 - Поперечное сечение ячейки CoolMOS-транзистора

 

Данная структура прямо влияет на динамические свойства CoolMOS-транзистора. Ее воздействие на 4 стадии переключения в мостовом резонансном преобразователе показано на рисунке 5.

 

Рисунок 5 - Протекание электронов и дырок внутри CoolMOS™ ячейки транзистора в течение четырех стадий мостового резонансного преобразователя (t₁–t₄: слева направо, сверху вниз)

 

В течение стадии t₁ транзистор работает как внутренний паразитный диод с током, текущим в обратном направлении. На данной стадии нет существенного отличия от обычного транзистора, поскольку концентрация плазмы все еще на порядок выше, чем степень легирования p- и n-столбцов транзистора. Из-за включения полевого канала на стадии t₂ концентрация электронов и дырок между областями p-well уменьшается, структура p-столбца начинает появляться вновь.

На стадии t₃ направление тока изменит свой знак, электронный поток движется теперь вниз к контакту n⁺, а поток дырок течет вверх, к области p-well. Обратите внимание на то, что на этой стадии электронно-дырочная плазма все еще присутствует в активной области транзистора, и область объемного заряда фактически отсутствует. Такая область, которая полностью очищена от подвижных носителей, должна распределиться вокруг p-n-перехода устройства [3].

Так как в CoolMOS-транзисторе глубина p-n-перехода достигает нескольких десятков микрометров, плазма должна быть вытеснена практически полностью из всей активной области силового транзистора прежде, чем на транзисторе установится некоторое блокирующее напряжение. Работа силового транзистора во многом подобна источнику тока. Благодаря току нагрузки, электронно-дырочная плазма уменьшается во всей активной области транзистора. Относительно сильно легированные p- и n-столбцы появляются вновь, но они не обеднены подвижными носителями. Эта ситуация обозначена областью синего цвета и цвета охры ниже красных областей p-well.

В наиболее важной стадии 4 транзистор находится в выключенном состоянии. CoolMOS-транзистор действует как источник тока, пока заряд обратного восстановления не будет фактически полностью вытеснен из активной области. Только после того, как произойдет полное удаление носителей, введенных в течение работы внутреннего паразитного диода на стадии t₁, силовой транзистор начинает блокировать некоторое напряжение. Здесь силовой транзистор выключается в жестком режиме, как и при обычном переключении. Область объемного заряда, поддерживающая повышающееся напряжение на силовом транзисторе, распространяется вокруг глубокого p-n-перехода.

Электроны n-столбца текут в пределах своей области сгущения к n⁺-контакту, поток дырок устремлен вверх, в пределах своего столбца. Ни один из носителей не должен пересечь расширяющуюся область объемного заряда. Снова мы имеем только ток смещения, или, другими словами, ток и напряжение не в фазе внутри силового транзистора. На данной стадии нет никакой мощности рассеяния. Этот эффект делает CoolMOS наибыстрейшим переключающимся силовым транзистором с самыми низкими потерями при выключении. Транзистор быстро переключается, когда его активная область полностью освобождена от заряда обратного восстановления; он демонстрирует фактически полное отсутствие повышения напряжения на предыдущем интервале времени. Благодаря своей структуре, транзистор CoolMOS ожидает момента безопасного быстрого переключения. При частично удаленном заряде обратного восстановления воздействие напряжения dv/dt отсутствует.

P-столбец, который выровнен к области p-well и металлическим контактам терминала истока, имеет другой приятный эффект с точки зрения надежности работы в мостовом резонансном преобразователе: как показано на рисунке 6, ток дырок не сосредоточен в искривленной шейной области p-well, подобно стандартной ячейке транзистора, а подходит непосредственно к металлическому контакту. Причиной данного поведения является то, что p- и n-столбцы создают горизонтальное электрическое поле глубоко внутри структуры транзистора, которое отделяет электроны и дырки. Поток дырок поэтому сосредоточен внутри p-колонки подобно световым лучам в лупе или сиропу в воронке. Благодаря этому силовой транзистор не подвергается боковым потокам дырок ниже n⁺-области истока, которые, как предполагается, запускают паразитный биполярный n-p-n-транзистор. Таким образом, транзистор CoolMOS не страдает от второй вышеупомянутой причины эксплуатационных отказов мостового резонансного преобразователя.

 

 

Рисунок 6 - Детальное представление CoolMOS-ячейки транзистора, иллюстрирующее сфокусированный поток дырок, протекающий вертикально вверх к металлическому контакту

Кроме того, транзистор CoolMOS способен выдерживать высокие значения di/dt при жестком переключении диода. Рисунок 7 демонстрирует результаты измерения, близкие к 1000 A/мкс. Дальнейшие измерения до 3000 A/мкс были выполнены без отказа силового транзистора [4].

 

Рисунок 7 - Жесткое переключение внутреннего паразитного диода CoolMOS-транзистора при di/dt > 900 А/мкс и напряжении питания 380 В

 

 

4 Характеристики и преимущества CoolMOS-транзистора

 

Основные характеристики и преимущества:

1) Резкое уменьшение потерь мощности в проводящем состоянии силового ключа;

2) Сопротивление во включенном состоянии полевого транзистора CoolMOS при Uds=600 В в 5 раз, а при Uds=1000 В - в 10 раз меньше, чем у стандартного MOS-транзистора;

3) Уменьшение активной площади кристалла в 3 раза, при этом потери мощности в проводящем состоянии снижены на 20%, а плотность энергии на единицу площади кристалла достигает 2,5 Вт/мм2;

4) Компактность корпусов – замена силовых модулей на транзисторы в корпусах ТО 220 и ТО 247;

5) Значительное снижение заряда затвора и потерь при переключении (до 50%);

6) Заметное улучшение частотных свойств – номинальная рабочая частота до 200 кГц и выше;

7)Высокая способность по перегрузке – пиковая мощность рассеивания до 40 кВт при токе КЗ в 114 А;

8) Увеличение помехозащищенности – пороговое напряжение включения: 3,5 - 5,5 В.

Области применения:

1) импульсные источники питания для персональных компьютеров, серверов и рабочих станций, бытовой электроники: телевизоров, видеомагнитофонов, игровых видео-приставок и др.;

2) источники бесперебойного питания (UPS) и устройства коррекции коэффициента мощности;

3) системы электропитания для микроволновых устройств и медицинского оборудования;

4) установки индукционного нагрева;

5) сварочное оборудование мощностью 1 кВт – 1 МВт и квазистатические регуляторы света;

6) резонансные регуляторы с коммутацией в нуле напряжения.

5 Моделирование силового CoolMOS в САПР Silavaco TCAD

5.1 Листинг программы

 

Для моделирования CoolMOS транзистора нужно открыть DeckBuild, который входит в САПР TCAD Silavaco и написать код который приведен ниже.

# Создание и моделирование CoolMOS транзистора в программе Athena

go athena

# задание геометрических размеров структуры и делений сетки по оси x

line x loc=0.00 spac=0.25

line x loc=3.00 spac=0.10

line x loc=10.00 spac=1.0

# задание геометрических размеров структуры и делений сетки по оси y

line y loc=39.00 spac=0.5

line y loc=40.00 spac=0.5

# инициализация сетки для кремниевой структуры заданной ориентации с заданным количеством примеси

init c.phosphor=1.0e18 orientation=100 space.mult=2

# выращивание эпитаксиальной пленки кремния, легированной фосфором в концентрации 1×10¹⁵ см-3, толщина нарощенной пленки 39 мкм, время роста 10 минут, температура процесса 1200 ^оС

epitaxy time=10 temp=1200 thickness=39 divisions=79 dy=0.10 ydy=0.00 c.phos=1.0e15

# нанесение оксидной маски

deposit oxide thickness=0.06 div=1

deposit poly thickness=0.35 div=3

deposit oxide thickness=0.35 div=3

deposit photores thickness=1 div=3

# стравливание оксида

etch photores p1.x=3 left

etch oxide p1.x=3 left

etch poly p1.x=3 left

etch oxide p1.x=3 left

# имплантация бора с заданной концентрацией и энергией

implant boron dose=1e14 energy=80

#

etch photores all

# диффузия, время диффузии 100 минут, температура 1100 ⁰С

diffuse time=100 temp=1100

# имплантация мышьяка с заданной концентрацией и энергией

implant arsenic dose=3e15 energy=100

# диффузия, время диффузии 20 минут, температура 1100 ⁰С

diffuse time=20 temp=1100

# нанесение оксидной маски и вытравливание прямоугольной области

deposit oxide thickness=0.5 div=4

etch oxide thickness=0.5

 

etch start x=0 y=-0.1

etch cont x=0 y=0.8

etch cont x=2.5 y=0.8

etch done x=2.5 y=-0.1

диффузия, время диффузии 1 минут, температура 1100 ⁰С

diffuse time=1 temp=1100

# нанесение алюминия и стравливание

deposit alum thickness=1 div=8

etch alum right p1.x=3.5

# создание электродов

electrode name=source x=0

electrode name=gate x=5 y=-0.2

electrode name=drain backside

 

# заходим в программу Atlas

go atlas

 

# легирование p-типом с равномерным распределением концентрации по всему кремнию

doping p.type conc=2.0e15 x.min=0.0 x.max=4.0 y.min=1.5 y.max=39.0 uniform

# сохранение результатоы моделирования в файл powerex14_0.str

save outfile=powerex14_0.str

# вывод результатов моделирования на экран

tonyplot powerex14_0.str -set powerex14_0.set

# определение модели

models cvt srh print

impact selb

# задание работы выхода затвора, n.poly задает n⁺ легированный поликремний как материал контакта с работой выхода workfuction=4.17eV

contact name=gate n.poly

# определение численного метода (метод Ньютона)

method newton trap maxtraps=10 climit=1e-4 ir.tol=1e-30 ix.tol=1e-30

# начало расчета

solve init

# вывод результатов в специальный log файл

log outf=powerex14.log

 

# расчет при заданном значении напряжения смещения на затворе и стоке

solve vdrain=0.03

solve vdrain=0.1

# моделирование при заданном начальном напряжении на стоке 0,25 В, изменять с шагом 0,25 В до 2 В

solve vdrain=0.25 vstep=0.25 vfinal=2 name=drain

# моделирование при заданном начальном напряжении на стоке 0,25 В, изменять с шагом 1 В до 10 В

solve vstep=1 vfinal=10 name=drain

# моделирование при заданном начальном напряжении на стоке 0,25 В, изменять с шагом 5 В до 660 В

solve vstep=5.0 vfinal=660 name=drain

 

# моделирование при заданном начальном напряжении на стоке 0,25 В, изменять с шагом 0,25 В до 700 В

solve vstep=0.25 vfinal=700 name=drain compl=1.e-7 cname=drain outf=powerex14_1.str master onefile

 

# расчет напряжения пробоя

extract name="bv" max(v."drain")

вывод результатов моделирования на экран

tonyplot powerex14_1.str -set powerex14_1.set

tonyplot powerex14.log -set powerex14_2.set

 

quit

 

5.2 Структура CoolMOS транзистора

 

После того как был написан код в DeckBuil запускаем моделирование кнопкой Run. По окончании моделирования строится структура CoolMOS транзистора и выходная характеристика.

Как видно из выходной характеристики CoolMOS транзистора напряжение пробоя равно 670 В.

 

 

Рисунок 8 – Структура CoolMOS транзистора

 

 

Рисунок 9 – Выходная характеристика CoolMOS транзистора

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 

В данной работе кратко рассмотрены принцип работы CoolMOS транзистора, его преимущества и применение в современной микроэлектронике.

Для анализа и сравнения была также рассмотрена работа MOSFET транзистора, и сделаны выводы, в силовой электронике, особенно, в мостовых резонансных схемах, наиболее выгоднее использовать CoolMOS транзисторы.

С помощью САПР Silvaco TCAD промоделирована структура CoolMOS транзистора и рассчитана его выходная характеристика.

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

 

1 Андреев В.М. Кремниевые структуры для приборов микроэлектроники / В.М. Андреев, Д.В. Зиновьев. – М: МИЭТ, 2006. – 188 с.

2 Гуртов В.А. Твердотельная электроника: Учеб. пособие / В. А. Гуртов. – Москва, 2005. – 492 с

3 Lorenz L. CoolMOS — a new milestone in high voltage Power MOS / L.Lorenz, G. Deboy. - Proc. ISPSD 99. Toronto, 1999. – 124 p.

4 Денисенко В. В. Новые физические эффекты в нанометровых МОП транзисторах. / В.В. Денисенко // Компоненты и технологии. – 2009. – № 100.
– С. 157 – 162.