Untersuchung der elektrischen Eigenschaften von Trench-MOS-Leistungstransistoren
©2003
Diplomarbeit
66 Seiten
Zusammenfassung
Inhaltsangabe:Zusammenfassung:
Als das Ziel dieser Diplomarbeit wurde die Untersuchungen der elektrischen Eigenschaften der 40V-MOS-Leitungstransistoren festgelegt, die auf der Basis einer 0,6 µm-Technologie mit vertikalen Gräben (Trenchen) am IMS entwickelt wurden.
Insbesondere standen in dem Vordergrund die Ausbeuteprobleme bei dem Gateoxid zu analysieren. Dazu wurden die Varianten des Gateoxidkomplexes, die innerhalb einer Charge durchgeführt wurden, gegenübergestellt und beurteilt. Eins weiteres Hauptziel der Untersuchungen war die auftretenden untypischen Verläufe der Drain-Source-Durchbruchspannung. Hier wurden die möglichen Ursachen des Kennlinie-Verlaufs analysiert und die Verbesserungsmöglichkeiten nachgeprüft. Weiterhin wurden die aktuellen Probleme bei den anderen Transistorparametern vermessen und diskutiert.
Im Rahmen der Charakterisierung der elektrischen Eigenschaften der Bauelementen wurden für die technologische Bewertung die wichtigen Parameter, die Schwellspannung Uth, die Drain-Source-Durchbruchspannung Uds(br)), der Gateleckstrom IGL und der Einschaltwiderstand RDS(on) gemessen und ausgewertet.
Inhaltsverzeichnis:Inhaltsverzeichnis:
Abkürzungen3
1.Einleitung5
2.Theoretische Grundlagen7
2.1Der MOSFET8
2.2Entwicklungsgeschichte der vertikalen Leistungstransistoren9
2.340V-Trench-MOS-Leistungstransistor13
2.3.1Prozess zur Herstellung vertikaler Leistungstransistoren15
2.4Elektrische Eigenschaften von Leistungstransistoren17
2.4.1Einschaltwiderstand RDS(on)17
2.4.2Schwellspannung Uth19
2.4.3Drain-Source-Durchbruchspannung20
2.4.4Gateleckstrom IGL22
3.Messungen an Leistungstransistoren24
3.1Wesentliche Unterschiede zwischen den Transistorstrukturen24
3.1.1Designvariationen25
3.1.2Prozessvarianten28
3.2Messparameter29
3.2.1Messung der Schwellspannung Uth29
3.2.2Messung der Drain-Source-Durchbruchspannung UDS(br)30
3.2.3Messung des Gate-Source-Durchbruchspannung UGS(br)31
3.2.4Messung des Durchlasswiderstand RDS(on)32
3.3Messsysteme33
3.4Versuchsdurchführung mit dem HP-Messgerät37
3.4.1Teil 1:Messung der Trench-Transistoren mit der Oberfläche von 56 mm237
3.4.2Teil 2: Messung der Testinsert-Transistoren38
4.Auswertung39
4.1Untersuchung der Drain-Source-Durchbruchspannung39
4.1.1Untersuchung des Stromanstieges bei dem Drain-Source-Durchbruch39
4.1.2Untersuchung der Schichtdickenvariationen42
4.1.3Untersuchung der Trenchtiefe43
4.1.4Untersuchung der Dicke der Hartmaske43
4.1.5Einfluss der Dicke der […]
Als das Ziel dieser Diplomarbeit wurde die Untersuchungen der elektrischen Eigenschaften der 40V-MOS-Leitungstransistoren festgelegt, die auf der Basis einer 0,6 µm-Technologie mit vertikalen Gräben (Trenchen) am IMS entwickelt wurden.
Insbesondere standen in dem Vordergrund die Ausbeuteprobleme bei dem Gateoxid zu analysieren. Dazu wurden die Varianten des Gateoxidkomplexes, die innerhalb einer Charge durchgeführt wurden, gegenübergestellt und beurteilt. Eins weiteres Hauptziel der Untersuchungen war die auftretenden untypischen Verläufe der Drain-Source-Durchbruchspannung. Hier wurden die möglichen Ursachen des Kennlinie-Verlaufs analysiert und die Verbesserungsmöglichkeiten nachgeprüft. Weiterhin wurden die aktuellen Probleme bei den anderen Transistorparametern vermessen und diskutiert.
Im Rahmen der Charakterisierung der elektrischen Eigenschaften der Bauelementen wurden für die technologische Bewertung die wichtigen Parameter, die Schwellspannung Uth, die Drain-Source-Durchbruchspannung Uds(br)), der Gateleckstrom IGL und der Einschaltwiderstand RDS(on) gemessen und ausgewertet.
Inhaltsverzeichnis:Inhaltsverzeichnis:
Abkürzungen3
1.Einleitung5
2.Theoretische Grundlagen7
2.1Der MOSFET8
2.2Entwicklungsgeschichte der vertikalen Leistungstransistoren9
2.340V-Trench-MOS-Leistungstransistor13
2.3.1Prozess zur Herstellung vertikaler Leistungstransistoren15
2.4Elektrische Eigenschaften von Leistungstransistoren17
2.4.1Einschaltwiderstand RDS(on)17
2.4.2Schwellspannung Uth19
2.4.3Drain-Source-Durchbruchspannung20
2.4.4Gateleckstrom IGL22
3.Messungen an Leistungstransistoren24
3.1Wesentliche Unterschiede zwischen den Transistorstrukturen24
3.1.1Designvariationen25
3.1.2Prozessvarianten28
3.2Messparameter29
3.2.1Messung der Schwellspannung Uth29
3.2.2Messung der Drain-Source-Durchbruchspannung UDS(br)30
3.2.3Messung des Gate-Source-Durchbruchspannung UGS(br)31
3.2.4Messung des Durchlasswiderstand RDS(on)32
3.3Messsysteme33
3.4Versuchsdurchführung mit dem HP-Messgerät37
3.4.1Teil 1:Messung der Trench-Transistoren mit der Oberfläche von 56 mm237
3.4.2Teil 2: Messung der Testinsert-Transistoren38
4.Auswertung39
4.1Untersuchung der Drain-Source-Durchbruchspannung39
4.1.1Untersuchung des Stromanstieges bei dem Drain-Source-Durchbruch39
4.1.2Untersuchung der Schichtdickenvariationen42
4.1.3Untersuchung der Trenchtiefe43
4.1.4Untersuchung der Dicke der Hartmaske43
4.1.5Einfluss der Dicke der […]
Leseprobe
Inhaltsverzeichnis
ID 6907
Benkendorf, Valeri: Untersuchung der elektrischen Eigenschaften von Trench-MOS-
Leistungstransistoren
Hamburg: Diplomica GmbH, 2003
Zugl.: Düsseldorf, Fachhochschule, Diplomarbeit, 2003
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Printed in Germany
Inhaltsverzeichnis
Abkürzungen ... 3
1
Einleitung... 5
2
Theoretische Grundlagen ... 7
2.1
Der MOSFET ... 8
2.2
Entwicklungsgeschichte der vertikalen Leistungstransistoren... 9
2.3
40V-Trench-MOS-Leistungstransistor ... 13
2.3.1
Prozess zur Herstellung vertikaler Leistungstransistoren... 15
2.4
Elektrische Eigenschaften von Leistungstransistoren... 17
2.4.1
Einschaltwiderstand R
DS(on)
... 17
2.4.2
Schwellspannung U
th
... 19
2.4.3
Drain-Source-Durchbruchspannung... 20
2.4.4
Gateleckstrom I
GL
... 22
3
Messungen an Leistungstransistoren ... 24
3.1
Wesentliche Unterschiede zwischen den Transistorstrukturen... 24
3.1.1
Designvariationen... 25
3.1.2
Prozessvarianten... 28
3.2
Messparameter... 29
3.2.1
Messung der Schwellspannung U
th
... 29
3.2.2
Messung der Drain-Source-Durchbruchspannung U
DS(br)
... 30
3.2.3
Messung des Gate-Source-Durchbruchspannung U
GS(br)
... 31
3.2.4
Messung des Durchlasswiderstand R
DS(on)
... 32
3.3
Messsysteme... 33
3.4
Versuchsdurchführung mit dem HP-Messgerät... 37
3.4.1
Teil 1: Messung der Trench-Transistoren mit der Oberfläche von 56 mm
2
... 37
3.4.2
Teil 2: Messung der Testinsert-Transistoren ... 38
4
Auswertung... 39
4.1
Untersuchung der Drain-Source-Durchbruchspannung... 39
4.1.1
Untersuchung des Stromanstieges bei dem Drain-Source-Durchbruch... 39
4.1.2
Untersuchung der Schichtdickenvariationen ... 42
4.1.3
Untersuchung der Trenchtiefe ... 43
4.1.4
Untersuchung der Dicke der Hartmaske... 43
4.1.5
Einfluss der Dicke der Epitaxieschicht auf den Kennlinienverlauf der Durchbruchspannung.. 44
4.1.6
Einfluss der Feldringanzahl auf die Drain-Source-Durchbruchspannung ... 45
4.1.7
Vorschläge zur Verbesserung der Drain-Source-Durchbruchspannung... 48
4.2
Untersuchung des Gateoxids ... 49
4.2.1
Einfluss der Oxidationstemperatur auf die Gate-Source-Durchbruchspannung... 49
4.2.2
Einfluss der Wasserstoffbehandlung auf die Gate-Source-Durchbruchspannung... 51
4.2.3
Vorschläge zur Verbesserung des Gateoxides... 54
4.3
Ausbeute der gemessenen Parameter... 54
5
Zusammenfassung und Ausblick... 59
Abbildungsverzeichnis ... 61
Tabellenverzeichnis ... 62
Literaturverzeichnis... 63
Abkürzungen
U
GS (th)
Schwellspannung
U
DS(br)
Drain-Source-Durchbruchspannung
U
GS(br)
Gate-Source-Durchbruchspannung
I
GL
Gateleckstrom
R
DS(on)
Durchlasswiderstand
R
sp
spezifischer Durchlasswiderstand
P
V
Verlustleistung
U
DS
Drain-Source-Spannung
U
GS
Gate-Source-Spannung
I
D
Drainstrom
I
G
Gatestrom
W Kanalweite
L Kanallänge
D
ox
Dicke des Oxides
N
D
Donatorkonzentration
N
A
Akzeptorkonzetration
SiO
2
Siliziumdioxid
Zellpitch Transistorzelle
CVD
Chemical Vapor Deposition
R
S
Sourcewiderstand
R
CH
Kanalwiderstand
R
epi
Widerstand der Driftstrecke
R
SUB
Substratwiderstand
R
ext
externer Widerstand
E
max
maximalen Feldstärke
T
ox
Gateoxidationstemperatur
C
U
Temperaturkoeffizient
Kurzzusammenfassung
Als das Ziel dieser Diplomarbeit wurde die Untersuchungen der elektrischen
Eigenschaften der 40V-MOS-Leitungstransistoren festgelegt, die auf der Basis
einer 0,6 µm-Technologie mit vertikalen Gräben (Trenchen) am IMS entwickelt
wurden.
Insbesondere standen in dem Vordergrund die Ausbeuteprobleme bei dem
Gateoxid zu analysieren. Dazu wurden die Varianten des Gateoxidkomplexes, die
innerhalb einer Charge durchgeführt wurden, gegenübergestellt und beurteilt. Eins
weiteres Hauptziel der Untersuchungen war die auftretenden untypischen Verläufe
der Drain-Source-Durchbruchspannung. Hier wurden die möglichen Ursachen des
Kennlinie-Verlaufs analysiert und die Verbesserungsmöglichkeiten nachgeprüft.
Weiterhin wurden die aktuellen Probleme bei den anderen Transistorparametern
vermessen und diskutiert.
Im Rahmen der Charakterisierung der elektrischen Eigenschaften der
Bauelementen wurden für die technologische Bewertung die wichtigen Parameter,
die Schwellspannung U
th
, die Drain-Source-Durchbruchspannung U
DS(br)
, der
Gateleckstrom I
GL
und der Einschaltwiderstand R
DS(on)
gemessen und
ausgewertet.
1 Einleitung
5
1 Einleitung
Der Metall-Oxid-Silizium-Feldeffekt-Transistor (MOSFET) ist seit Anfang der 60er
Jahren bekannt. Es gab mehrere Gründe, warum dieses Konzept sehr breite
Anwendung gefunden hat, wie einfacher Transistoraufbau, einfache
Herstellungstechnik durch Silizium-Planar-Prozess, der geringe Flächenbedarf
und das leistungslose Steuerprinzip [1]. Wegen der geringen zulässigen
Verlustleistung ist der konventionelle MOSFET für höhere Spannungen und
Ströme nur bedingt geeignet. Die Situation hat sich etwa ab 1980 grundsätzlich
verändert. Mit den technologischen Fortschritten in der Halbleitertechnik ließen
sich auch Feldeffekttransistoren mit nennenswerten Leistungen bauen [2]. Damit
erschienen neue MOS-Leistungstransistoren auf dem Markt. Als erstes wurden die
MOS-Leistungstransistoren mit dem vertikalen V-förmigen Graben entwickelt. Erst
im Jahr 1983 wurde das erste Patent für den vertikalen U-förmigen
Transistoraufbau angemeldet. Bei dieser Struktur ist das Gateoxid entlang der
Seitenwände eines geätzten Grabens (Trench) angebracht. Damit eröffneten die
Leistungstransistoren neue Möglichkeiten der Anwendung. Nun konnten bessere,
zuverlässige und billigere Systemlösungen geschaffen werden [2]. Die
Entwicklung nahm einen rasanten Verlauf, die Strukturen wurden kleiner und
leistungsfähiger, und damit der Durchlasswiderstand niedriger [2].
Die heute verwendeten MOS-Leistungstransistoren bestehen aus vielen kleinen
Einzelelementen, die entweder aus lateralen oder vertikalen Strukturen bestehen.
Diese Elemente können sehr einfach miteinander auf einer Chipfläche
parallelgeschaltet und damit als ein diskretes Bauelement realisiert werden. Die
moderne Integrationstechnik ermöglicht darüber hinaus die Parallelschaltung von
Millionen von Einzelzellen auf einem Chip [3].
Die Stärke des MOS-Leistungstransistors liegt im Betriebsspannungsbereich bis
200 V (Niederspannungsbereich). Oberhalb dieser Spannungsklasse dominieren
noch die bipolaren Transistoren. MOSFETs haben sich als Leistungsbauelement
fest etabliert und die Bipolartransistoren weitgehend ersetzt. Die
Anwendungsgebiete des Niederspannungsbereichs besitzen ein sehr breites
Spektrum, in dem der Konsum- und der Automobilbereich einen großen Anteil
haben. Diese Marktsegmente stellen mit der Kombination aus extrem hohem
Kostendruck und Wachstumspotential eine hohe Anforderung an die
Leistungsbauelemente. Deswegen ist es wirtschaftlich erforderlich, ein
Herstellungsverfahren zu entwickeln, das geringste Prozesskomplexität mit
geringstem Materialverbrauch pro Bauelement verbindet [4].
Um die Leistungsfähigkeit eines Leistungsbauelements bei einer bestimmten
Durchbruchspannung zu optimieren, ist es nötig, die Packungsdichte zu erhöhen -
was besonders in den letzten Jahren geschehen ist. Dadurch konnte der für die
Verlustleistung verantwortliche spezifische Durchlasswiderstand R
sp
=R
DS(on)
·A
m·mm
2
ebenfalls gesenkt werden. Vor fünf Jahren wurde in der
Spannungsklasse von 50 V der Durchchlasswiderstand von 100 m als ein
Rekord gemeldet [5]. Nach den Berichten der Industrie haben die aktuellen
Entwicklungen des MOS-Leistungstransistors einen Widerstandswert von ca. 1
m erreicht. Eine der Entwicklungen der Leistungsbauelemente kommt aus dem
IMS Duisburg. Der Trench-MOS-Transistor ist für die Spannungsklasse von 40 V
1 Einleitung
6
bestimmt und erreicht den Durchlasswiderstandswert unter 1 m. Die Technologie
des Bauelements ermöglicht es, mit den senkrecht zur Siliziumoberfläche
angeordneten Kanälen eine hohe Packungsdichte des Transistors zu erzielen. Die
Herstellung des Bauelements basiert auf einem CMOS-Prozess und hat eine
minimale Strukturbreite von 0,6 µm. In der vorliegenden Arbeit wurden die
elektrischen Eigenschaften der Trench-MOS-Leistungstransistoren charakterisiert.
Inhaltlich folgt im Kapitel 1 nach der kurzen Einordnung der MOSFETs in die
Familie der Feldeffekttransistoren die Erläuterung der Entwicklungsgeschichte der
vertikalen Leistungstransistoren. Anschließend werden die Spezifikation und der
Herstellungsprozess der untersuchten Trench-Transistoren erklärt. Und danach
werden die elektrischen Messverfahren beschrieben, die für die Charakterisierung
der elektrischen Eigenschaften eines Leistungsbauelements notwendig sind. Das
Kapitel 3 beschäftigt sich mit der Beschreibung der untersuchten
Transistorstrukturen und der Versuchsplanung. Hier werden die wesentlichen
Variationen des Designs und des Prozesses erläutert, die für die Optimierung bzw.
Untersuchung benötigt wurden. Danach werden die Messparameter und die
Schaltungen erklärt, die bei der Messung der Trench-Transistoren verwendet
wurden. Bevor es zu der Beschreibung der Versuchdurchführung kommt, werden
die Messsysteme und deren wesentliche Merkmale erklärt. Die Ergebnisse
werden im Kapitel 4 präsentiert und erläutert. Dieses Kapitel ist in zwei Abschnitte
geteilt. Der erste Teil widmet sich den Problemen der Drain-Source-
Durchbruchspannung, wo die Abhängigkeit von der Epitaxieschichtdicke und von
der Anzahl der Feldringe am Rand des Transistors untersucht wurde. Im zweiten
Teil werden die Ausbeuteprobleme des Gateoxids, wie der Einfluss der
Wasserstoffbehandlung auf die Qualität des Gateoxids und die Änderung der
Oxidationstemperatur, erforscht. Anschließend folgt der Ausblick und Vorschläge
für die Optimierung des Herstellungsprozesses und des Designs.
2 Theoretische Grundlagen
7
2 Theoretische Grundlagen
Lange Zeit waren die bipolaren Leistungsbauelemente konkurrenzlos auf dem
Halbleitermarkt. Vor ca. 30 Jahren hat sich das Bild mit der Entwicklung des
vertikalen DMOS-Leistungstransistors geändert. Die unipolaren
Leistungstransistoren, die eine geringe Steuerleistung benötigen, haben die
bipolaren aus dem unteren und zunehmend auch aus dem mittleren
Leistungsbereich verdrängt [6]. Während die Bipolartransistoren einen relativ
hohen Dauerstrom an die Basis erfordern, der in der Ansteuerung recht aufwendig
ist, werden die MOS-Transistoren durch Anlegen eines Potentials sehr viel
einfacher leistungslos gesteuert. Eins der Einsatzgebiete der diskreten MOSFETs
ist die Leistungstechnik. Das Hauptkriterium eines Leistungstransistors ist, für
einen gegebenen Spannungsbereich eine möglichst hohe Stromstärke mit einem
möglichst kleinen Durchlasswiderstand zu erzielen.
Die Leistungselektronik wird im allgemeinen eingesetzt, um Energie und Leistung
mit möglichst geringen Verlusten umzusetzen [7]. Beim Stromdurchgang durch
den Kanal und andere Gebiete des Transistors wird die elektrische Energie in
Wärme ungewandelt. Die in die Wärmeleistung umgesetzte Verlustleistung P
V
eines Feldeffekttransistors ist das Produkt aus Drainspannung U
DS
und Drainstrom
I
D
[8].
P
V
= I
D
.
U
DS
Die höchstzulässige Verlustleistung hängt davon ab, welche
Sperrschichttemperatur der Transistor vertragen kann und welche Wärmemenge
pro Zeiteinheit abgeführt wird. Um die Leistungsfähigkeit zu erhöhen, ist es
wichtig, den Leistungstransistor zu kühlen. Damit entsteht weniger Verlustwärme,
so dass sich kleine Kühlkörper und Geräte realisieren lassen. Dazu muss der
Durchlasswiderstand für die gegebene Fläche des Chips reduziert werden [5].
Die MOS-Transistoren werden einzeln (diskret) oder als Komponenten in
integrierten Schaltungen (ICs) in einem Gehäuse eingebaut.
In diesem Kapitel werden die Grundlagen der MOS-Leistungstransistoren und
deren Funktionsweise erklärt. Alle MOS-Transistoren, unabhängig von der
Herstellungstechnologie, sind im wesentlichen ähnlich aufgebaut und zeigen
ähnliches elektrisches Verhalten. Als erstes wird die Funktionsweise eines
MOSFETs erklärt, die für alle MOSFETs gilt. Um die Funktionsweise des
vertikalen Trench-MOS-Transistors zu beschreiben, wurde von dem prinzipiellen
Stromverlauf in dem lateralen Aufbau des Transistors ausgegangen. Anschließend
wird im Kapitel 2.2 die Entwicklungsgeschichte der Leistungstransistoren erläutert,
in dem der grundsätzliche Aufbau und die wesentlichen Unterschiede der lateralen
und vertikalen Leistungstransistoren beschrieben werden. Danach werden die
Eigenschaften der hier untersuchten 40V-Trench-MOS-Leistungstransistoren
dargestellt und mit der Beschreibung des prinzipiellen Herstellungsprozesses die
charakteristischen Merkmale des Bauelements erläutert.
2 Theoretische Grundlagen
8
2.1 Der MOSFET
Die unipolaren Transistoren sind Transistoren mit gleichgepolten pn-Übergängen.
Zu ihnen gehören alle Feldeffekttransistoren und Sperrschicht-
Feldeffekttransistoren (JFET) [8]. Das Funktionsprinzip eines n
-
-Kanal-MOS-
Transistors besteht aus der Bildung eines n-leitenden Inversionskanals im p-
leitenden Substrat zwischen zwei n-leitenden Source- und Drain-Inseln. Der
Inversionskanal wird an der Oberfläche des Substrats erzeugt. Inversion bedeutet
dabei, dass der Leitungstyp des Kanals entgegengesetzt zu dem Substrattyp [1]
ist. Der Stromverlauf I
D
erfolgt lateral an der Oberfläche des Bauelements. Im Bild
2.1 ist der prinzipielle Drainstromverlauf im n-Kanal MOSFET dargestellt.
Source
Gate
Drain
n
+
p
-
SiO
2
n
+
R L Z
+
+
+
+
+
+
+
+
+
U
DS
U
GS
=const
L
D
ox
W
N
D
Bild 2.1: Prinzip der Bildung des Inversionskanals bei dem n-Kanal MOS-Transistor.
Beim Anlegen einer genügend positiven Spannung U
GS
an der Gate-Elektrode
eines n
-
-Kanal-MOS-Transistors werden freie Ladungsträger im Substrat vom
Gateanschluss angezogen [8]. Die Raumladungszone (RLZ) dehnt sich aus. Die
Elektronen wandern unter dem Einfluss der Kräfte des elektrischen Feldes bis
unmittelbar an die isolierende SiO
2
-Schicht und sammeln sich dort. Die Löcher
werden in die entgegengesetzte Richtung wie die Elektronen bewegt. Es entsteht
ein leitender n-Kanal zwischen Drain und Source (Inversionskanal). Legt man
zusätzlich zwischen dem Source- und dem Drainkontakt eine positive Spannung
U
DS
an, dann laufen die Elektronen ungehindert von den Sourceanschluss durch
die Inversionsschicht zum Drainanschluss.
Durch die Änderung der folgenden Parameter (Bild 2.1) können die Funktionen
des MOSFETs beeinflusst werden: Kanallänge L, Kanalweite W, Dicke des
Gateoxids D
ox
und Dotierung des Substrates N
D
.
Diese konventionellen MOS-Transistoren sind für leistungselektronische Zwecke
wegen der geringen Spannungsfestigkeit und des großen Durchlasswiderstands
nicht geeignet. Deswegen wurde eine Reihe von Entwicklungen an MOS-
Leistungstransistoren zur Erhöhung der Spannungsfestigkeit unternommen, die im
folgenden Abschnitt beschrieben werden.
2 Theoretische Grundlagen
9
2.2 Entwicklungsgeschichte der vertikalen Leistungstransistoren
Die elektrischen Eigenschaften von Halbleitern sind schon vor längerer Zeit
erkannt worden. Eine technische Nutzung blieb wegen der weit verbreiteten
Anwendung von Elektronenröhren zunächst gering. Eine kapazitive Beeinflussung
der freien Ladungsträger in einer Halbleiterschicht über eine Steuerspannung war
mangels ausreichender Erfahrung nicht möglich. Das später entwickelte
Bauelement, in dem sich nur die Ladungsträger einer Polarität bewegen, erhielt
den Namen Unipolartransistor. Nach den ersten Versuchen mit
Spitzentransistoren kam man bald zum Flächentransistor, dessen Aufbauschema
auch für die modernen Transistoren noch gültig ist [9]. Ein Durchbruch gelang mit
der Planartechnik, die den Transistor als ein billiges und leistungsfähiges Produkt
geschaffen hat und vollständig neue Schaltungskonzepte ermöglichte. Es
entstanden verschiedene Ausführungen der Junction- und MOS-
Feldeffekttransistoren, die neben den Bipolartransistoren ein großes
Anwendungsspektrum haben.
Im Vergleich zum Bipolartransistor hat der Unipolartransistor wesentliche Vorteile,
wie die leistungslose kapazitive Spannungssteuerung und die Überlastsicherheit
(kein Durchbruch zweiter Art). Der MOS-Leistungstransistor hat sich in den letzten
dreißig Jahren zu einem der wichtigsten Bauelemente der Leistungselektronik
entwickelt. In der Entwicklung unterschiedlicher Halbleiterleistungsbauelemente
blieb der MOSFET konventioneller Bauform Bild 2.2 hauptsächlich aus zwei
Gründen fast bedeutungslos [1]:
· Die geringe Leistungsbelastung, bedingt durch ein nicht beliebig wählbares
W/L-Verhältnis (s.u.) beim Einzeltransistor und eine begrenzte
Wärmeabfuhr
· Die niedrige Drain-Source-Durchbruchspannung
Source
Gate
Drain
n
+
p
-
SiO
2
n
+
I
D
L
D
ox
Bild 2.2: Struktur des n-Kanal MOS-Transistors und schematischer Verlauf des Drainstromes.
Bei MOS-Transistoren werden durch Variation (Bild 2.1) der Kanalweite W bzw.
der Kanallänge L die elektrischen Eigenschaften, wie Durchlasswiderstand,
Maximalstrom, Steilheit und Drain-Source-Durchbruchspannung beeinflusst. Die
prinzipiellen Zusammenhänge für laterale Transistoren lassen sich vereinfacht
beschreiben:
2 Theoretische Grundlagen
10
Drainstrom:
I
D
~ W / L
Durchlasswiderstand:
R
DS(on)
~ L / W
Drain-Source-Durchbruchspannung : U
DS(br)
~ L; D
ox
; N
D
Es ist zu erkennen, dass mehrere elektrische Eigenschaften des MOSFETs mit
den Transistorparametern zusammenhängen. Beispielweise vergrößert eine
Erhöhung der Kanalweite L zwar die Spannungsfestigkeit U
DS(br)
und die
Strombelastbarkeit I
D
des Bauelements
,
erhöht aber ebenfalls den
Durchlasswiderstand R
DS(on)
. Die gewünschte Spannungsfestigkeit des
Leistungstransistors wird durch die Dotierung N
D
des Substrates und der
Oxiddicke D
ox
festgelegt.
Um den Transistor für größere Drain-Source-Spannungen benutzen zu können,
muss man die Gateoxiddicke erhöhen. Diese Maßnahme ist notwendig, weil der
Gatekontakt durch das entstehende elektrische Feld in der Raumladungszone
beeinflusst wird. Das führt zur Erhöhung der Schwellspannung U
th
. Eine
Alternative für die Beibehaltung der Dicke des Gateoxids bietet der Aufbau des
MOS-Transistors nach Bild 2.3.
Source
Gate
Drain
n
+
p
-
SiO
2
n
+
n
-
p
+
L
Driftzone
Bild 2.3: Struktur des lateralen MOS-Transistors mit n
-
-Gebiet (Driftstrecke).
Bei dem lateralen Transistor wurde die Dotierung des p
-
-Gebietes etwas
angehoben und zwischen Drain und Kanal ein schwach dotierter n
-
-Bereich
(Driftstrecke / Driftzone) eingefügt. Die Raumladungszone breitet sich nun in der
Driftzone aus. Mit der Änderung der Driftstrecke ist es möglich, die gewünschte
Drain-Source-Durchbruchspannung zu erreichen. Nachteilig ist der große
Flächenbedarf, weil für eine große Spannung eine relativ lange Driftstrecke
erforderlich ist. Zum anderen entsteht die Verlustwärme nahe an der
Chipoberfläche und kann schlecht abgeführt werden.
Um diese Nachteile zu vermeiden, wurde das n
-
-Gebiet in das Volumen des
Substrates verlegt. Im Bild 2.4 ist der prinzipielle Aufbau eines vertikalen DMOS-
Transistors dargestellt. Der DMOS steht für "doppelt diffundiert" und bezieht sich
auf die p
-
- n
-
-Gebiete im Sourcebereich. Der Stromverlauf erfolgt bei dieser
Bauform vertikal in der Driftstrecke. Die Spannungsfestigkeit wird im wesentlichen
durch die Dicke und die Dotierung der Epitaxieschicht festgelegt.
2 Theoretische Grundlagen
11
Source
Gate
n
+
n
+
SiO
2
n
+
I
D
L
n
-
Source
p
+
p
+
Drain
Driftstrecke
Substrat
Bild 2.4: Struktur eines vertikalen MOS-Transistors und schematischer Verlauf des Drainstromes.
Bei der Herstellung eines solchen DMOS-Transistors bedient man sich eines
Tricks. Auf einem Substrat wird epitaktisch eine dünne niederohmige n
-
-Schicht
(Drinftstrecke) aufgewachsen. Die Dicke und die Dotierung dieser Schicht
bestimmen die Spannungsfestigkeit des Leistungstransistors. Durch doppelte
Diffusion im Sourcegebiet lässt sich die Kanallänge L reduzieren und genau
einstellen. Der Drainanschluss des Leistungstransistors wird auf der Rückseite
des Substrates angeordnet. Durch die Verlängerung der Kanalweite W und/oder
die Parallelschaltung der einzelnen Transistorzellen ist es möglich, hohe
Lastströme - bei gleichzeitig hoher Spannungsfestigkeit des Bauelementes - zu
erzielen [7].
Der Ladungstransport beim vertikalen MOS-Transistor verläuft erst parallel zur
Oberfläche und dann vertikal zum Drainanschluss. Durch Anlegen einer positiven
Gatespannung an das Polysilizium-Gate bildet sich im Bereich der p-Dotierung
unterhalb des Gates ein leitender Inversionskanal wie beim konventionellen
MOSFET. Der Drainstrom I
D
fließt von der Sourcemetallisierung über das n
+
-
Sourcegebiet lateral durch den Kanal. Der weitere Ladungsträgerverlauf erfolgt
vertikal von dem p-Gebiet durch die Driftstrecke und das n
+
-Substrat zum
Drainanschluss. Die von der Drainspannung erzeugte Raumladungszone dehnt
sich im Volumen des Transistorchips aus [2].
Die Erhöhung der Zelldichte des Leistungstransistors und somit die Verringerung
des spezifischen Durchlasswiderstands ist durch die minimale zulässige Breite der
Gateelektrode begrenzt. Durch Verringerung der Gateelektrodenoberfläche
entsteht ein Effekt, der den Durchlasswiderstand wieder anwachsen lässt: der
JFET-Effekt. Der Name leitet sich vom normalen Sperrschicht-Feldeffekttransistor
ab. Genau wie bei einem JFET können die Raumladungszonen der benachbarten
Kanalgebiete den Stromfluss abschnüren und für einen erhöhten Widerstand
sorgen. Eine weitere Erhöhung der Zelldichte ist nur dann möglich, wenn der
JFET-Effekt eliminiert werden kann.
Eine Lösung bietet das Verlegen der Gateelektrode in das Volumen des
Substrates. Der Kanal verläuft nicht an der Oberfläche, sondern entlang von ins
Silizium geätzten Gräben (Trenchs). Im Bild 2.5 ist der prinzipielle Aufbau eines
Trench-MOS-Leistungstransistors dargestellt.
2 Theoretische Grundlagen
12
n
++
SiO
2
p
+
I
D
n
+
n
-
-Epi
Source
Gate
Drain
n
+
p
+
L
Zellpitch
Kanalgebiet
Driftstrecke
Substrat
Passivierung
Bild 2.5: Drainstromverlauf im Trench-MOS-Transistor.
Als Trägermaterial wird ein hochdotiertes Substrat verwendet. Darauf befindet sich
eine aufgewachsene Epitaxieschicht. Durch eine Ätzung erhält man einen U-
förmigen Graben. Die Seitenwände werden anschließend oxidiert und der Trench
mit Polysilizium aufgefüllt. Der Strom kann sich über eine größere Fläche unter der
Gate-Elektrode verteilen. Der Drainstrom fließt vertikal vom Sourceanschluss
durch den Inversionskanal entlang des Trenches in die niedrig dotierte
Epitaxieschicht (Driftstrecke) und von dort durch das Substrat zum
Drainanschluss. Mit der Trenchtechnologie erreicht man eine sehr kompakte
Transistorzelle. Der JFET-Effekt tritt nicht mehr auf. Der absolute Kanalwiderstand
wird durch die Vergrößerung der Kanalweite pro Flächenelement verringert. Eine
weitere Verkleinerung der Transistorzelle (Zellpitch) verringert den spezifischen
Durchlasswiderstand und den Chipflächenbedarf [2].
Der Aufbau des vertikalen MOS-Transistors bringt viele vorteilhafte Eigenschaften,
die in den Prozessen mit hoher Integrationsdichte angewendet werden können. Es
ist möglich, große Kanalweiten mit einem minimalen Verbrauch von
Chipoberfläche zu realisieren. Ein wesentlicher Vorteil bei vertikalen MOS-
Leistungstransistoren ist, dass die Wärme im Volumen des Substrates auftritt. Dort
kann sie über die Chiprückseite, die gleichzeitig als Drainanschluss dient, leicht
abgeleitet werden. Die Transistoren werden miteinander durch eine
Metallisierungsebene parallelgeschaltet. Entsprechend werden die Gateelektroden
miteinander zusammengeschaltet. Damit ist es möglich mehrere tausend
Einzelzellen in einem MOS-Leistungstransistor zu verwirklichen.
Es wurden verschiedenen Technologien und Varianten von Leistungs-MOS-
Transistoren von einzelnen Herstellern entwickelt. Die vertikalen Aufbauprinzipien
des Bauelements spielten eine tragende Rolle [1]. Das Ziel der Entwicklungen war
eine möglichst kurze Kanallänge für eine hohe Spannungsfestigkeit und eine hohe
Packungsdichte. Die wesentlichen Faktoren der Leistungselektronik sind die
Reduzierung der Kosten und die Verringerung des Durchlasswiderstands, der
wegen seines direkten Einflusses auf die Verlustleistung eine wichtige Rolle spielt.
Neben den allgemeinen Bezeichnungen wurden von mehreren Herstellern
2 Theoretische Grundlagen
13
eingetragene Warenzeichen für die entsprechenden Technologien vergeben, wie
z.B. OPTIMOS von Infineon AG, oder HEXFET von International Rectifier.
Im Folgenden werden die Eigenschaften des 40V-Trench-MOS-
Leistungstransistors beschrieben, der im Rahmen einer Promotionsarbeit im
Fraunhofer Institut für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme Duisburg
(FhG-IMS Duisburg) entwickelt wurde.
2.3 40V-Trench-MOS-Leistungstransistor
Der in dieser Arbeit untersuchte MOS-Leistungstransistor wurde für die
Anwendung im Spannungsbereich von 40V entwickelt. In diesem Bereich geringer
Versorgungsspannungen sind die hohe Ansprüche an die Leistungseigenschaften
gestellt, die bei den Leistungstransistoren der Durchlasswiderstand R
DS(on)
und die
Sperrspannung U
DS(br)
sind. Aufgabe der Leistungstransistoren ist es, mit einem
möglichst kleinen gesamten Durchlasswiderstand ein elektrisches System zu
schalten. Die Verluste des Nennstromes I
D
im Bauelement hängen im
wesentlichen von dem Verhältnis der Kanalweite W und der Kanallänge L ab
(I
D
~W / L).
Der 40V-MOS-Leistungstransistor hat eine Fläche von 56 mm
2
und unterscheidet
sich im wesentlichen in den Design- und Herstellungseigenschaften. Als
Ausgangsmaterial des Leistungstransistors wurde ein hochdotierter Siliziumwafer
verwendet, auf dem zwei Schichten epitaktisch aufgewachsen wurden. Die erste
Schicht, die als die Driftstrecke dient, bestimmt den Durchlasswiderstand R
DS(on)
und die Sperrspannung U
DS(br)
des Transistors. Die Dicke und die Dotierung sind
dabei so gewählt, dass ein minimaler Durchlasswiderstand und die erforderliche
Spannungsfestigkeit von 40 V gewährleistet sind. Die zweite Schicht definiert das
Kanalgebiet. Die Dicke der Epitaxieschicht stellt dabei die Kanallänge des
Transistors ein. Die Dotierung wurde so gewählt, dass sich im Laufe des
Prozesses bei einer Gateoxiddicke von 53 nm eine Schwellspannung von ca. 2,5
V einstellt.
Durch eine Parallelgeschaltung der Transistorzellen erreicht man einen niedrigen
Durchlasswiderstand R
DS(on)
. Eine weitere Entwicklung der Zusammenschaltung
der Transistorzellen besteht aus einer Vergrösserung der Kanalweite W entlang
des gesamten Bauelements, ein so genanntes ,,Streifenförmiges Desin". Damit
zählt nur die Breite der Transistorsstruktur [5].
Die Struktur des Zellenaufbaus des MOS-Leistungstransistors mit einer sehr
kurzen Kanallänge L und einer großen Kanalweite W ermöglicht für die
vorgegebene Sperrspannung U
DS(br)
= 40V einen sehr kleinen
Durchlasswiderstand R
DS(on)
zu erreichen. Im Bild 2.6 ist der prinzipielle Aufbau
eines 40V-Trench-MOS-Leistugnstransistors dargestellt.
2 Theoretische Grundlagen
14
n
++
SiO
2
p
+
I
D
n
+
n
-
Source
Gate
Drain
n
+
L
W
2. Epitaxieschicht
Kanalgebiet
1. Epitaxieschicht
Driftstrecke
Substrat
Bild 2.6: Querschnitt eines 40V-Trench-MOS-Leistungstransistors.
Damit der Transistor zuverlässig arbeiten kann, sollten die zulässigen Grenzwerte
der elektrischen Parameter nicht überschritten werden. Eine Übersicht der
Definitionen der elektrischen Parameter des 40V-MOS-Leistungstransistors
verschafft die Tabelle 2.1.
Parameter Messbedingungen
Schwellspannung U
th
(2,5±0,5) V
U
DS
= 0,1 V
I
D
= 250 µA
Drain-Source-
Durchbruchspannung U
DS(br)
40 V
U
GS
= 0 V
I
D
= 250 µA
Gate-Source-Spannung U
GS
10 V
U
DS
= 0 V
I
G
= 100 nA
Durchlasswiderstand R
DS(on)
0,8 m
U
GS
= 10 V
I
D
= 220 A
Tabelle 2.1: Definition der elektrischen Parametern des 40V-Trench-MOS-Leistugnstransistors.
Bei der Messung der Schwellspannung U
th
soll die Eingangsspannung U
GS
bei ca.
2,5 V den Stromwert I
D
= 250 µA erreichen. Für eine Flexibilität der
Ansteuerungsspannung wurde eine Toleranz von ±0,5 V festgelegt. Eine der
wichtigsten Bedingungen des Trench-Leistungstransistors ist eine Gewährleistung
des Sperrverhaltens bei dem Spannungswert von U
DS
<40 V. Erst ab U
DS(br)
40 V
darf der Drainstrom den Wert von 250 µA erreichen. Die hohe Belastbarkeit und
damit lange Lebensdauer des Gateoxids hängt von der maximalen Gate-Source-
Spannung U
GS
ab. Bei der festen Dicke von D
ox
=53 nm sollte das Gateoxid eine
Spannung von U
GS
10 V aushalten. Dabei bewirken bereits relativ kleine Ströme
über 100 nA eine Beschädigung und können den Totalausfall des Transistors
verursachen. Deswegen muss die Spannungsfestigkeit des Gateoxids um ein
Vielfaches höher als die Schwellspannung U
th
=2,5 V sein. Eine weitere Forderung
ist, möglichst verlustfrei zu schalten. Das bedeutet: der Trench-Transistor mit
einem Durchlasswiderstand von maximal 0,8 m ist ein wesentliches
Entwicklungsziel.
Details
- Seiten
- Erscheinungsform
- Originalausgabe
- Jahr
- 2003
- ISBN (eBook)
- 9783832469078
- ISBN (Paperback)
- 9783838669076
- DOI
- 10.3239/9783832469078
- Dateigröße
- 1.1 MB
- Sprache
- Deutsch
- Institution / Hochschule
- Fachhochschule Düsseldorf – Elektrotechnik, Fraunhofer Institut für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme (IMS)
- Erscheinungsdatum
- 2003 (Juni)
- Note
- 2,0
- Schlagworte
- mos-transistor widerstand niederspannung auto
