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Modellierung und Simulation von hochsperrenden Bauelementen für Schaltkreise der angesteuerten Leistungselektronik

Bearbeiter: H. Gajewski , R. Hünlich , W. Röpke  

Kooperation: J. Knopke, R. Rothe (alpha microelectronics gmbh Frankfurt (Oder)), B. Heinemann (Institut für Halbleiterphysik Frankfurt (Oder) GmbH), N. Strecker (ISE Zürich, Schweiz)

Förderung: BMBF

  Beschreibung der Forschungsarbeit: In diesem Projekt geht es um die Erweiterung des Bauelementesimulators WIAS-TeSCA  durch die Kopplung des van-Roosbroeck-Systems  mit der Wärmeleitungsgleichung , damit Anwendungsfälle mit hohen Temperaturgradienten adäquat behandelt werden können. Der Betrieb von Leistungstransistoren  ist hierfür ein typisches Beispiel. Die in den Smart-Power-Schaltkreisen der Partnerfirma alpha microelectronics gmbh auftretenden Hochvoltbauelemente (HV-Bauelemente) mit einer Spannungsfestigkeit von mehreren 100V sind gut geeignete Testobjekte für solch einen Anwendungsfall.

Im Berichtszeitraum wurden Arbeiten zu folgenden Punkten durchgeführt:

·Untersuchungen zur physikalischen und mathematischen Modellierung,
·Implementierung der Wärmeleitungsgleichung in das Programmsystem,
·Testrechnungen an einfachen Standardstrukturen,
·Testrechnungen an realen Strukturen der Partnerfirma.

Über die Aktivitäten zu den ersten beiden Punkten wird im Beitrag auf S.  berichtet. Die Testrechnungen an einfachen Strukturen dienten zur Prüfung der neu entwickelten Programmteile und der benutzten physikalischen Modelle.

Zum vierten Punkt ergaben sich neue Fragestellungen aus der Tatsache, dass die Partnerfirma Änderungen der Technologie vorbereitet, nämlich den Wechsel von Siliziumscheiben mit komplett dielektrisch isolierten Wannen (DI-Substrat) zu Scheiben mit durchgehender Oxidschicht in definierter Tiefe und Trench-Seitenisolation der Wannen (TDI-Substrat). Die wesentlichen Vorteile der neuen TDI-Scheiben sind deren einfachere Herstellung sowie die definierte Lage der Trenches, was eine bessere Ausnutzung der Chipfläche garantiert. Zur Vorbereitung dieser Technologie werden Prozess- und Bauelementesimulation eingesetzt, um begründete Forderungen an die neuen TDI-Scheiben zu formulieren und Abschätzungen über das Verhalten der HV-Bauelemente zu erhalten. Die Anzahl der sehr teuren Testpräparationen soll auf diese Weise reduziert werden.

Als repräsentative Vertreter für die Schalttransistoren, die mit der vollen Spannung belastet werden, sind zwei typische DMOST-Teststrukturen mit einem rotationssymmetrischen Aufbau ausgewählt worden. Diese Strukturen wurden mit dem Prozess-Simulator DIOS  berechnet, wobei dank der Erfahrungen aus den Simulationen zu den HV-pMOST-Strukturen, deren Optimierung in der ersten Phase des Projekts im Vordergrund gestanden hatte, keine weiteren Probleme auftraten. Die anschließende Berechnung der Kennlinien erfolgte mit WIAS-TeSCA. Wesentliche Kriterien für die Bewertung von HV-Bauelementen sind die Durchbruchspannung und der Einschaltwiderstand. Deshalb wurden Kennlinien bis zum Durchbruchbereich für 0V Gate-Spannung (Kurzschluss Source-Gate, Messbedingung für die Durchbruchspannung) und für 10V Gate-Spannung (Messkurve für die Bestimmung des Einschaltwiderstandes) berechnet.

 

Abb. 1: Rotationssymmetrische DMOST-Struktur mit zwei Kanalringen. Potentialverlauf in der Struktur bei einer Gate-Source-Spannung von 10V und einer Drain-Source-Spannung von 792V (links), zugehörige Avalanche-Rate (rechts).

 

Abb. 2: Kennlinien zur Bauelementestruktur von Abb. 1 in verschiedenen TDI-Substraten bei Gate-Source-Spannungen von 0V und 10V. Legende: Dotierung zuerst in der Trägerscheibe, dann in der n⁺-Schicht über dem Oxid, danach die Dicke der Si-Schicht über dem Oxid in $\mu$m.

Abbildung 1 zeigt den Potentialverlauf in einer DMOST-Struktur mit zwei Kanalringen bei einer Drainspannung im Durchbruchbereich und die zugehörige Verteilung der Avalancherate. Kennlinien zu typischen Varianten der TDI-Substrate sind in Abb. 2 dargestellt. Durch derartige Rechnungen konnten Aussagen erhalten werden, die für die Firma wertvolle Entscheidungshilfen beim Übergang von den DI-Substraten zu den TDI-Substraten darstellen.

Die eben genannten Ergebnisse sind mit dem jeweils aktuellen Stand von WIAS-TeSCA, aber noch ohne Berücksichtigung von Temperatureffekten erzielt worden. Gegenwärtig wird untersucht, wie die DMOST-Strukturen von WIAS-TeSCA mit angekoppelter Wärmeleitungsgleichung bewältigt werden und wie sich die bisher erhaltenen Ergebnisse ändern. Als Beispiel zeigt Abb. 3 simulierte Temperaturverläufe in einer DMOST-Struktur bei verschiedenen Drain-Source-Spannungen.

 

Abb. 3: Temperaturverlauf in einem DMOST bei verschiedenen Drain-Source-Spannungen (links 350V, rechts 750V). Minimale Temperatur an den Kontakten (300 K), maximale Temperatur auf der Rotationsachse (links 348 K, rechts 468 K).

Die Simulation der hier betrachteten HV-Bauelemente stellt hohe Anforderungen an den Simulator WIAS-TeSCA. Es handelt sich dabei um

·sehr große Strukturen,
·steile Profile und starke Felder in kleinen Teilgebieten,
·das Auftreten sehr großer floatender Gebiete,
·Heteroeffekte in und zwischen den verschiedenen Materialien,
·eine starke Abhängigkeit der Modellparameter von der Temperatur,
·eine Variation der Drain-Source-Spannung über einen weiten Bereich.

Zur Bewältigung dieser Anforderungen mussten einige Algorithmen verbessert werden. Insbesondere ging es darum, die Steuerung der Iterationsverfahren so zu gestalten, dass sie über einen weiten Bereich mit stark wechselndem Bauelementeverhalten zuverlässig funktioniert.

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