Электроника
Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах
Трудновская Е.А. Лагун А.М. Машевич П.Р. Воробьев А.Д. Сладков М.В. Лукьянов А.А. Артюхов В.В., соискатель Ерошкин А.Л., соискатель (Московский государственный технический университет радиотехники, электроники и автоматики)
ПРОБЛЕМЫ ИНТЕГРАЦИИ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ СИЛОВЫХ КЛЮЧЕЙ
ВВЕДЕНИЕ
На рынке электронных ключей в 2010 году пока еще доминируют дискретные силовые ДМОП транзисторы. По основным параметрам - малым сопротивлениям (от единиц мОм), высоким напряжениям (до 1000 В), высокому быстродействию (частота работы до 500 кГц) они являются почти идеальными ключами. ДМОП транзисторы выпускаются в огромном количестве большим количеством производителей.
Использование ДМОП транзисторов требует комплектации их соответствующими драйверами и, для снижения динамических потерь мощности, быстро восстанавливающимися диодами. Основными недостатками дискретных ДМОП транзисторов являются отсутствие внутренних защит от перегрузок по току и напряжению и необходимость построения внешних схем управления логикой работы ключей. Использование внешних защит не всегда эффективно, например, перегрев кристалла ДМОП транзистора должен контролировать температурный датчик, расположенный на том же кристалле. Перегрузку по току лучше контролировать отводом тока от истока в соотношении, например 1:5000. Для дискретного транзистора это приводит к появлению дополнительного вывода.
Из-за больших плотностей тока и работы на индуктивные нагрузки дискретные ДМОП транзисторы в нештатных ситуациях могут выходить из строя и приводить к отказу соответствующей электронной системы. Поэтому с самого начала массового использования мощных ДМОП транзисторов использовались различные внешние схемы защиты, а также возникали идеи интегрировать транзистор со встроенной защитой и схемой управления логикой работы.
Термин «интеллектуальная мощная ИС» впервые появился в статье Г. Бирмана в 1985 году в журнале «Electronics. С этого времени ведущими полупроводниковыми компаниями проделана огромная работа и достигнут значительный прогресс.
Массовая замена дискретных ДМОП транзисторов интеллектуальными силовыми ключами началась с автомобильной промышленности, где действуют высокие стандарты безопасности. Все крупные полупроводниковые компании Infineon (Siemens), STMicroelectronics, Philips, Motorola, Fuji Electric, International Rectifier и др. выпустили семейства автомобиль-
ных интеллектуальных ключей на напряжения 12, 24 и 42 В. В настоящее время сфера применения интеллектуальных силовых ключей (ИСК) расширяется, затрагивая, в первую очередь, те направления, где нужна повышенная надежность. Это относится, прежде всего, к военной технике, авиации, транспорту, связи и т. д.
В работе рассмотрены технологические и схемотехнические проблемы интеграции интеллектуальных силовых ключей с малыми сопротивлениями в открытом состоянии. В настоящее время по этому параметру хорошо решен диапазон коммутируемых напряжений до 60 В. Для этого диапазона используется вертикальная конструкция силового ДМОП транзистора с традиционной эпитаксиальной структурой. Более высоковольтный диапазон коммутируемых напряжений с малыми сопротивлениями в открытом состоянии в настоящее время не имеет удовлетворительного решения в монолитном исполнении.
1. ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ СИЛОВЫХ КЛЮЧЕЙ
В работах [1-6] рассмотрены технологические процессы и элементная база, используемая для разработки монолитных интеллектуальных силовых ключей на коммутируемые напряжения до 60 В. Для обеспечения защитных функций, управления мощным ДМОП транзистором и вывода информации о состоянии ключа на контроллер (употребляется термин - интеллектуальные функции), технологический процесс должен обеспечить широкую номенклатуру компонентов, приведенную в таблице 1.
_Таблица 1
Компоненты Максимальное рабочее напряжение, В
Высоковольтные (НУ) КМОП транзисторы 90
Низковольтные (ЬУ) КМОП транзисторы 15
Силовой ДМОП транзистор 90
Высоковольтные КРК подложечные транзисторы 90
Высоковольтные (НУ) КМОП транзисторы со встроенным каналом или 90
Высоковольтные (НУ) резисторы, Я8=1...5 кОм/кв 90
Диоды Зенера (стабилитроны) ~7и~14 В
Низковольтные (НУ) емкости 30
Высоковольтные (ЬУ) емкости 90
2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ МОНОЛИТНОЙ ИНТЕГРАЦИИ
В ОАО «Ангстрем» силовые интеллектуальные ключи выполнены по эпитаксиальной технологи на N+ подложке с «самоизоляцией» компонентов и интеграцией перечисленных в таблице 1 компонентов на одном кристалле. На Рис.1 представлены основные низковольтные и высоковольтные компоненты, используемые при изготовлении интеллектуальных силовых ключей. Не показаны стабилитроны двух типов, высоковольтные NMOn транзисторы со встроенным каналом и LV и HV емкости.
При разработке конструкции транзисторов и маршрута изготовления основными технологическими проблемами явились следующие:
□ создание на относительно слаболегированной эпитаксиальной пленке (pV =2-5 Ом-см) и толщиной порядка 8...10 мкм HV КМОП и силового ДМОП транзисторов с пробивными напряжениями 90.100 В.
□ разработка конструкции и технологии HV КМОП транзисторов с напряжениями пробоя 90.100 В по технологии с полным прообеденением стоковой области под затвором, т.н. RESURF технология (REduced SURface Field).
□ Обеспечение поверхностной изоляции НУ компонентов созданием поликремниевых расширенных электродов, К+ и Р+ охранных колец.
□ Обеспечение высоких пробивных напряжений исток-подложка ЬУ РМОП транзисторов, учет влияния потенциала подложки на изменение порогового напряжения РМОП транзисторов.
ЬУ КМОП
Б
РМОП в
Р
РМОП Б в Р
НУ КМОП
Б в Р
, Р Б _ Р Б
Ш I
НУ |м- 1М+ Г Р-
М- эпитаксия
Вертикальный силовой ДМОП
Б в
ь±1,
Ън 1Р-Ги
М+
Ы+ подложка
"Г
+ Усе
Сток силового ДМОП
Рис. 1. Интеграция низковольтных (ЬУ) и высоковольтных (НУ) компонентов при изготовлении интеллектуальных силовых ключей
Основной недостаток представленной на Рис. 1 схемы интеграции заключается в том, что необходимо обеспечивать высокое пробивное напряжение исток-подложка ЬУ РМОП транзисторов. Необходимо также моделировать работу схемы с учетом правильно определенного коэффициента влияния подложки. На Рис. 2 представлена зависимость порогового напряжения ЬУ РМОП транзисторов от напряжения на подложке.
Р
Зависимость порогового напряжения ЬУ РМОБ транзистора от напряжения на подложке
Обратное смещение между истоком и подложкой,В
Рис.2. Зависимость порогового напряжения ЬУ РМОП транзисторов от напряжения на подложке
На Рис. 3 представлен НУ КМОП транзистор с К-КЕБиКБ областью в области стока. Схема включения такого транзистора предполагает подачу положительных напряжений на сток Б и К+ подложку, а области истока Б с затвором О близким к потенциалу земли. При правильно выбранных концентрациях в Р кармане и К-КЕБиКР области, при подаче соответствующего положительного напряжения область обеднения распространяется до поверхности стока под затвором, прежде, чем наступит лавинный пробой. Таким образом, обеспечивается повышение пробивных напряжений НУ КМОП транзисторов.
+V
N+ подложка
I+V
Рис.3. Иллюстрация полного прообеднения области стока под затвором, введением специальной Ы-КЕБиЯЕ области с малым легированием. Область обеднения показана штриховкой
Известно, например [7], чтобы RESURF область обеспечивала прообеднение слоя до наступления пробоя, произведение толщины слоя на его концентрацию d-N не должно превышать 1.2-1012 см-2.
Р и N - RESURF области широко используются в различных конструктивных вариантах для обеспечения высоковольтности МОП транзисторов. Интегральная RESURF технология успешно используется для получения пробивных напряжений отдельных компонентов до напряжений 700 В. Естественно, выбирается соответствующая величина удельного сопротивления подложки или эпитаксиального слоя.
Для изготовления интеллектуальных силовых ключей с рабочими напряжениями до 60 В был разработан технологический маршрут, включающий 12 фотокопий. Схема маршрута приведена в таблице 2. Напряжение изоляции всех компонентов 95 В.
Таблица 2
1. Фотокопия «Метки совмещения»
2. Фотокопия «Р карман»
3. Фотокопия «К карман 1»
4. Фотокопия «К карман 2»
5. Фотокопия «Активные области»
6. Фотокопия «Затворы»
7. Фотокопия «Б карман»
8. Фотокопия «К+ сток-исток»
9. Фотокопия «Контактные окна»
10. Фотокопия «Металл 1»
11. Фотокопия «VIA»
12. Фотокопия «Металл 2»
Разработанный технологический процесс обеспечил формирование компонентов, необходимых для изготовления монолитных силовых интеллектуальных ключей. Параметры разработанных компонентов приведены в таблице 3.
____Таблица 3
Наименование компонента Vb, В Vt, В Примечания
ЬУ КМОП Ь^=6/10 (мкм/мкм) 18 1.1
ЬУ РМОП Ь^=13/10 (мкм/мкм) 45 1.6 Vbss=90 В
НУ КМОП Ь^=5/48 (мкм/мкм) 95 -1.4
НУ РМОП Ь^=13/32 (мкм/мкм) 95 -1.4
Силовой ДМОП, Б=7.2 мм2 95 2.3 Rdson=50 мОм
НУ КМОП со встроенным каналом 95 -1.5
Стабилитроны 7.5/14
ЬУ конденсатор 45 Суд.=0.65 фФ/мкм2
НУ конденсатор 120 Суд .=0.2 фФ/мкм2
Толщина подзатворного окисла во всех компонентах 500 А
На Рис. 4 представлены типовые выходные характеристики НУ КМОП и РМОП транзисторов, изготовленных по разработанному технологическому маршруту. Фотографии сделаны с экрана прибора для измерения параметров транзисторов ПНХТ-2.
Рис.4. Выходные характеристики НУЫМОП и РМОП транзисторов
3. СХЕМОТЕХНИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ МОНОЛИТНОЙ ИНТЕГРАЦИИ
Современные силовые ключи должны обеспечивать все типы резистивных, индуктивных и ёмкостных нагрузок. В зависимости от подключения к напряжению питания силового ДМОП транзистора интеллектуальные ключи делятся на ключи нижнего уровня и ключи верхнего уровня, Рис. 5.
В ОАО «Ангстрем» были разработаны и изготовлены образцы кристаллов монолитных интеллектуальных силовых ключей верхнего и нижнего уровня с К-канальным мощным ДМОП транзистором.
Ключ верхнего уровня
Силовой ДМОП
Нагрузка
Нагрузка
Силовой ДМОП
Ключ нижнего уровня
Рис. 5. Интеллектуальные ключи верхнего и нижнего уровня
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.