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

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-вертикального 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 транзисторавовторых, разработка КМОП схем обрамления, реализуемых на одном кристалле с силовым ключом, что позволяет повысить функциональную надежность при применении силовых ключей в ответственных узлах автоматизированных систем контроля и управления стационарными и подвижными объектами. С учетом особенностей силовых МОП транзисторов должна быть проведена разработка электрических схем и топологии микросхем, включающих силовые ключи, схемы управления, защиты и телеметрии, с целью изготовления их на одном кристалле по КМОП технологии.

Цель работы заключается в исследовании и разработке силовых интеллектуальных интегральных КМОП микросхем.

Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих конструктивно-технологических задач.

1. Анализ известных структур силовых МОП транзисторов и интегральных схем, включающих силовые МОП транзисторы.

2. Разработка и усовершенствование структуры МОП транзисторов для достижения параметров, удовлетворяющих требованиям к элементам силовых электрических цепей: низкое сопротивление транзисторов в открытом состояниивысокое пробивное напряжение и малая величина токов утечки транзисторов в закрытом состоянии;

3. Исследование маршрутов формирования структур силовых транзисторов для приближения их к базовым процессам технологии КМОП БИС.

4. Разработка и исследование КМОП схем: управления по входу силовыми ключами при согласовании с КМОП цифровыми схемамизащиты силовых ключей по выходу от перегрузки по току, от всплесков напряжениязащиты силовых ключей по входу от воздействия электростатического электричествазащиты силовых ключей по входу от перегрева;

5. Исследование функционирования интеллектуальных силовых КМОП интегральных схем.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. С помощью приборно-технологическоо моделирования определены основные закономерности, связывающие конструктивно-технологические параметры структуры силового МОП транзистора с его электрическими характеристиками.

2. Проведен анализ различных топологических структур силового МОП транзистора и показано, что кольцевая структура силового МОП транзистора с восьмигранной топологией, позволяет уменьшить площадь занимаемую единичным транзистором.

3. На основании экспериментальных исследований показано, что структура МОП транзистора с осажденным толстым окислом имеет рельеф со ступеньками, ограничивающий возможности формирования последующих слоев металлизации. В результате анализа выбран оптимальный маршрут формирования структуры силовых транзисторов с локальным толстым окислом над пинч-резисторной областью между стоком и затвором.

4. С помощью приборно-технологического математического моделирования на САПР фирмы ISE установлены зависимости напряжения пробоя закрытого транзистора и сопротивления открытого транзистора от размеров структуры и уровня легирования всех областей. Предложены методы оптимизации геометрии структуры силового МОП транзистора для выбранной топологии.

5. Анализ характеристик переключения силовых микросхем показал их работоспособность в схеме включения истокового повторителя при 1 МГц, в схеме усилителя при 600 кГц.

6. Исследование характеристик микросхем при температуре в диапазоне от минус 60 до 150 С0 показало работоспособность силовых ключей во всем температурном диапазоне при величине утечек стоков силовых транзисторов — менее 1,0 мкА.

Практическая значимость работы состоит в том, что:

1. Предложенная структура ячейки силового МОП транзистора с восьмигранным кольцевым затвором вокруг стока обеспечивает сокращение площади, занимаемой ячейкой на кристалле на 20%.

2. Предложенные по результатам математического приборно-технологического моделирования технологические проекты позволяют для выбранной топологии ячейки провести оптимизацию структуры и повысить рабочие характеристики планарных МОП транзисторов до напряжения пробоя 100 В для пканального и 70 В для рканального при изготовлении в одном кристалле.

3. Конструкция силового ключа на планарном МОП транзисторе, исследованная в данной работе позволяет изготовить по модифицированной КМОП технологии электронные ключи с отношением сопротивления закрытого и открытого транзисторов более 10 миллионов, с пробивным напряжением стока более 100 В, с сопротивлением открытого транзистора менее 0,1 Ом.

4. Разработана оригинальная схема управления на МОП транзисторах, обеспечивающая при трансформаторной связи выпрямление импульсных сигналов.

5. Разработана схема защиты от перегрузки по току на выходе ключа, работающая без дополнительных источников питания.

6. Разработана схема защиты от перегрева, не требующая опорных источников напряжения.

7. Изготовлены и исследованы экспериментальные образцы интегральных микросхем интеллектуальных силовых ключей на основе МОП транзисторов совместно со всеми обрамляющими схемами. Показана возможность изготовления интеллектуальных силовых ключей по КМОП технологии.

8. Разработаные электрические схемы и топологии микросхем, включающих силовые ключи и схемы управления, защиты и телеметрии позволяют изготовить их в одном кристалле по технологии КМОП БИС. Создана библиотека элементов для проектирования интеллектуальных силовых ключей, что в дальнейшем даст возможность выпустить серию микросхем для выдачи команд управления исполнительными устройствами в автоматизированных системах контроля и управления.

Представляется к защите.

1. Новая структура топологии силового МОП транзистора, позволяющая существенно повысить эффективность использования площади кристалла.

2. Результаты исследования структуры силового МОП транзистора и маршрута его изготовления на приборно-технологической САПР математического моделирования фирмы ISE. Зависимости параметров силового МОП транзистора от вариации элементов структуры и технологических параметров.

3. Результаты исследования экспериментальных образцов интеллектуальных силовых ключей на МОП транзисторах.

4. Электрические схемы управления и защиты силовых ключей.

5. Результаты исследования экспериментальных образцов интегральных микросхем интеллектуальных силовых ключей, изготовленных по КМОП технологии.

Реализация результатов работы проведена в условиях опытного производства Научно-производственного комплекса «Технологический центр» МИЭТ, где изготовлены экспериментальные образцы МОП транзисторов, КМОП интегральных схем, демонстрирующие возможности реализации интеллектуальных силовых ключей по близкой к стандартной КМОП технологии.

Апробация результатов работы проведена на следующих конференциях:

• II Всероссийской научно-технической конференции «Электроника и информатика -97», Москва Зеленоград, 25−26 ноября 1997 г, стр. 180,181;

• Третья Международная научно-техническая конференция «Электроника и информатикаXXI век», Москва Зеленоград, 22−24 ноября 2000 г, стр. 6,7;

• VII всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов, Москва Зеленоград, 17,18 апреля 2000 г, стр.25;

• «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления» (Датчик -2001) Крым, май 2001 г.

• Всероссийская научно-техническая конференция «Микрои наноэлектроника 2001(МНЭ — 2001)», Звенигород, октябрь 2001.

Публикации осуществлены в 4 статьях и 10 тезисах докладов. Статьи.

А.И.Галушков, Д. А. Матвеев, Ю. Н. Миргородский, А. Н. Сауров, П. А. Тихомиров, Р. Д. Тихонов, Н.А.Шелепин/ Проектирование и оптимизация силового ключа на основе МОП-транзистора с помощью системы приборно-технологического моделирования ISE TCAD// Юбилейный сборник. «Государственному научному центру Российской Федерации НПК „Технологический центр“ МИЭТ -10 лет». Основные результаты исследований и разработок (1988 — 1998), Москва, 1998 г., стр.85−104.

М.А.Королёв, Р. Д. Тихонов, А.В.Швец/ Исследование влияния способов формирования локального окисла на параметры мощных МОП-транзисторов в «интеллектуальных» силовых интегральных схемах// Известия высших учебных заведений. Электроника. 2001 г. № 1, стр. 29−35.

М.А.Королёв, Р. Д. Тихонов, А.В.Швец/ Исследование влияния структуры пинч-резисторного пассивного канала на параметры МОП-транзисторов// Известия высших учебных заведений. Электроника. 2001 г. № 3, стр. 91−92.

М.А.Королёв, Р. Д. Тихонов, А.В.Швец/ Исследование влияния структуры пинч-резисторного пассивного канала на параметры МОП транзисторов интеллектуальных силовых интегральных схем// Известия высших учебных заведений. Электроника. 2001 г. № 5, стр. 54−58.

Тезисы докладов.

• Ю. Н. Миргородский, П. А. Тихомиров, Р. Д. Тихонов, Д.А.Матвеев/ Оптимизация технологического маршрута изготовления мощного МОП-транзистора с помощью методов математического моделирования// Вторая Всероссийская научно-техническая конференция с международным участием «Электроника и информатика -97», Москва, Зеленоград, 25−26 ноября 1997 г, стр. 180,181.

• М. А. Королёв, Р. Д. Тихонов, А. В. Швец, Н. А. Шелепин. / Исследование влияния способов формирования локального окисла на параметры мощных МОП-транзисторов в «интеллектуальных» силовых интегральных схемах// Третья Международная научно-техническая конференция «Электроника и информатикаXXI век», Москва, Зеленоград, 22−24 ноября 2000 г, стр. 6,7.

• А. В. Швец, Р.Д.Тихонов/ Математическое моделирование структуры и электрических параметров силовых пи р-МОП-транзисторов// VIII всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов, Москва, Зеленоград, 17,18 апреля 2001 г, стр. 25.

• М. А. Королёв, Р. Д. Тихонов, А.В.Швец/ Исследование влияния длины затвора над активным и пассивным каналами на параметры МОП-транзисторов интеллектуальных магниточувствительных интегральных схем// XIII конференция. «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления» (Датчик -2001) Крым, май 2001 г., стр. 101.

• М. А. Королёв, Р.Д.Тихонов/ Исследование влияния структуры пинч-резисторного пассивного канала на параметры МОП-транзисторов магниточувствительных интегральных схем// XIII конференция. «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления» (Датчик -2001) Крым, май 2001 г., стр. 115.

Тезисы докладов на всероссийской научно-технической конференции Микрои наноэлектроника 2001(МНЭ — 2001), Звенигород, октябрь 2001 г.:

1. М. А Королёв., Р.Д.Тихонов/ Планарные МОП-транзисторы для силовых интеллектуальных ключей.

2. М. А Королёв, Р.Д.Тихонов/ Интеллектуальный силовой ключ на основе базовой КМОП технологии.

3. М. А Королёв, Р. Д. Тихонов, А.В.Швец/ Самосовмещенная технология силовых МОП транзисторов.

4. М. А. Королёв, А. Ю. Красюков, Р.Д.Тихонов/ Способы повышения пробивного напряжения планарных силовых МОП транзисторов.

5. М. А. Ревелева, У. В. Сопова, А. Х. Тертерян, Р.Д.Тихонов/ Оптимизация структуры и характеристик мощного МОП транзистора.

Объем и структура работы.

Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, списка использованных источников литературы из 61 наименований.

5.6.Выводы.

1. Разработаны два варианта микросхем интеллектуального силового ключа и проведено их изготовление по модифицированной КМОП технологии.

2. Проведенные исследования динамических и температурных характеристик микросхем позволяют рекомендовать принципы принятые при проектировании этих микросхем для применения в новых разработках микросхем различного применения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Проведен литературный обзор путей развития технологии интеллектуальных силовых ключей и определены основные направления исследований для решения основной задачи — разработке интеллектуальных силовых ключей по КМОП технологии, обеспечивающей изготовление в одном кристалле силовых транзисторов совместно со схемами управления, защиты и телеметрии.

2. С помощью приборно-технологического моделирования определены основные закономерности, связывающие конструктивно-технологические параметры структуры силового МОП транзистора с его электрическими характеристиками.

3. Проведен анализ различных топологических структур силового МОП транзистора и показано, что кольцевая структура силового МОП транзистора с восьмигранной топологией, позволяет уменьшить площадь занимаемую единичным транзистором на кристалле на 20%.

4. На основании экспериментальных исследований показано, что структура МОП транзистора с осажденным толстым окислом имеет рельеф со ступеньками, ограничивающими возможности бездефектного формирования последующих слоев металлизации. В результате анализа выбран оптимальный маршрут формирования структуры силовых транзисторов с локальным толстым окислом над пинч-резисторной областью между стоком и затвором.

5. С помощью приборно-технологического математического моделирования установлены зависимости напряжения пробоя закрытого транзистора и сопротивления открытого транзистора от размеров структуры и уровня легирования всех областей. Предложены методы оптимизации геометрии структуры силового МОП транзистора для выбранной топологии. Предложенные по результатам математического приборно-технологического моделирования технические решения позволили для выбранной топологии ячейки матрицы транзисторов провести оптимизацию структуры и повысить рабочие характеристики планарных МОП транзисторов до напряжения пробоя пканального, при изготовлении на подложке — 100 В и рканального, при изготовлении в ретроградном кармане. — 70 В.

6. Конструкция силового ключа на планарном МОП транзисторе, исследованная в данной работе позволила изготовить по модифицированной КМОП технологии электронные ключи с отношением сопротивления закрытого и открытого транзисторов более 10 миллионов, с пробивным напряжением стока более 100 В, с сопротивлением открытого транзистора менее 0,1 Ом.

7. Разработаны и промоделированы схемы управления, защиты и телеметрии силовой части интеллектуальных электронных схем:

— Разработана оригинальная схема управления на МОП транзисторах, обеспечивающая при трансформаторной связи выпрямление импульсных сигналов.

— Разработана схема защиты от перегрузки по току на выходе ключа, работающая без дополнительных источников питания.

— Разработана схема защиты от перегрева, не требующая опорных источников напряжения.

8. Изготовлены и исследованы экспериментальные образцы интегральных микросхем интеллектуальных силовых ключей на основе МОП транзисторов совместно со всеми обрамляющими схемами. Показана возможность изготовления интеллектуальных силовых ключей по КМОП технологии. Получено подтверждение правильности выбранного конструктивно-технологического варианта и его соответствие с расчетными данными.

9. Исследование характеристик изготовленных микросхем при температуре в диапазоне от минус 60 до 150 С0 показало работоспособность силовых ключей во всем температурном диапазоне при величине утечек стоков силовых транзисторов — менее 1,0 мкА.

10. Проведенная работа наглядно демонстрирует эффективность применения компьютерных технологий для проектирования сложных изделий микроэлектроники, экономию при сквозном моделировании времени на проектирование и снижение расходов на натурные эксперименты. Результаты расчетов и экспериментов позволяют проводить в дальнейшем улучшение параметров силовых транзисторов.

11. Разработаные электрические схемы и топологии микросхем, включающих силовые ключи и схемы управления, защиты и телеметрии позволяют изготовить их в одном кристалле по технологии КМОП БИС. Создана библиотека элементов для проектирования интеллектуальных силовых ключей, что в дальнейшем даст возможность выпустить серию микросхем для выдачи команд управления исполнительными устройствами в автоматизированных системах контроля и управления наземной и бортовой электронной аппаратуры. Применение однокристальных микросхем, с разработанными схемами управления, защиты и телеметрии интеллектуальных силовых ключей в серии электронных схем, обеспечивает повышение функциональной надежности и миниатюризацию электронных устройств и совместную работу с цифровыми логическими схемами типа КМОП и ТТЛ.