Modellierung und Simulation von hochsperrenden Bauelementen

[Next]:

Phasenfeldsysteme

[Up]:

Projektbeschreibungen

[Previous]:

Zur Asymptotik von Paardiffusionsmodellen

[Contents]

[Index]

Modellierung und Simulation von hochsperrenden Bauelementen für Schaltkreise der angesteuerten Leistungselektronik

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

Kooperation: alpha microelectronics gmbh Frankfurt (Oder), B. Heinemann (Institut für Halbleiterphysik Frankfurt (Oder) GmbH), N. Strecker (Eidgenössische Technische Hochschule Zürich)

Förderung: BMBF

Beschreibung der Forschungsarbeit: Schaltkreise mit hochsperrenden Bauelementen sind ein wesentlicher Zweig der Produktpalette der Firma alpha microelectronics gmbh Frankfurt (Oder). Sie betreibt vorrangig den Schaltkreisentwurf, verbunden mit einer zielgerichteten Technologieentwicklung [2]. Dabei sollen zunehmend Programme zur Simulation der Bauelemente (WIAS-TeSCA [1]) und deren Technologie (DIOS [3]) eingesetzt werden. Die Besonderheiten der Leistungselektronik erfordern eine Weiterentwicklung der Simulationswerkzeuge, um den Entwurf von hochsperrenden Bauelementen wirkungsvoll zu unterstützen. Dies schließt grundlegende Untersuchungen zur physikalischen und mathematischen Modellierung sowie zur Analysis und Numerik der entsprechenden Modellgleichungen ein.

**Abb. 1:** Hochspannungs-pMOS-Transistor. Prinzipieller Aufbau und Dotierung (Ausschnitt, Längenangaben in $\mu$ m, in vertikaler Richtung verzerrt). Das Bild ist eine Bearbeitung einer mit DIOS durchgeführten Technologiesimulation, wobei hier die Dotierungsverhältnisse nur schematisch dargestellt worden sind.
$\ProjektEPSbildNocap {0.75\textwidth}{fb98_hue_bild1.eps}$

In der ersten Phase des Projekts ging es darum, beide Simulatoren in ihrer aktuellen Version für Aufgaben der Firma zu adaptieren und zu nutzen. Beim derzeitigen Kenntnisstand kann gesagt werden, daß der Modellgehalt sowohl in DIOS als auch in WIAS-TeSCA umfangreich genug ist, daß aber einige Modellparameter weiterhin anzupassen sind.

Mit DIOS wurden Prozeßabläufe für die Bauelemente HV-DMOS-Transistor, I²L-npn-Transistor, und vor allem HV-pMOS-Transistor simuliert (siehe Abb. 1). Die zu erwartenden Schwierigkeiten lagen bei der Gittererzeugung (große Strukturen mit sehr hohen Dotandenkonzentrationen in kleinen Gebieten) und bei der Beschreibung der Dotandenwechselwirkung und der Oxydationseinflüsse. Die bisherigen Rechnungen haben ergeben, daß bei der Erzeugung des Gitters ein sinnvoller Kompromiß zwischen Genauigkeit und Aufwand erreicht worden ist, daß die Diffusionsparameter im bekannten Rahmen zu variieren sind, daß aber der Übergang Silizium/Siliziumdioxid bzgl. der Dotandenumverteilung einer verbesserten Behandlung bedarf. Trotz des zuletzt genannten Umstandes konnten verläßliche Daten (über Struktur, Dotierung und Gitter) an anschließende WIAS-TeSCA-Simulationen übergeben werden.

**Abb. 2:** Hochspannungs-pMOS-Transistor. Isolinien des elektrostatischen Potentials.
Das Bild basiert auf einer mit `WIAS-TeSCA` durchgeführten Devicesimulation.
$\ProjektEPSbildNocap {0.75\textwidth}{fb98_hue_bild2.eps}$

Mit WIAS-TeSCA wurden zahlreiche Rechnungen zum pMOS-Transistor durchgeführt (siehe Abb. 2). Die dabei erhaltenen Kennlinienfelder (siehe Abb. 3) sind das Arbeitsmittel für die Firma, um die Bauelemente zu optimieren und Parameter für die Netzwerkanalyse bereitzustellen. Bisher konnten relevante Aussagen für den Entwurf von HV-pMOS-Transistoren bzgl. der Draindotierung, des Kontaktabstandes, des Substratkontaktes und der kritischen Avalanchebereiche geliefert werden. Um diese Ergebnisse zu erhalten, waren einige Änderungen und Erweiterungen von WIAS-TeSCA notwendig (bessere Berechnung des elektrischen Feldes an der Grenzfläche Silizium/Siliziumdioxid, sensiblere Steuerung des Gummel-Newton-Verfahrens, Ersetzen der $L^\infty$ -Normen für die Fehler durch geeignetere Orlicz-Normen). Dadurch haben sich Durchlauf und Stabilität deutlich verbessert. Die bisherigen Untersuchungen lassen folgende Aussagen zu:

Für die Erzeugung des WIAS-TeSCA-Gitters mit den DIOS-Routinen sind Erfahrungen erarbeitet worden, die eine optimale Simulation ermöglichen.
Ebenso ist nun einiges Wissen vorhanden, um die Kennlinien im sehr kritischen Durchbruchbereich berechnen zu können.
Bei der Verwendung der Standardmodelle für Beweglichkeit, Generation und Rekombination der Ladungsträger treten vor allem im Hochfeldbereich noch größere Abweichungen zu vorliegenden Meßkurven auf, so daß weitere Modellanpassungen erforderlich sind.

Mit dem nun vorliegenden Stand von WIAS-TeSCA sind zuverlässige Simulationen der Leistungsbauelemente möglich. Wegen des hohen Leistungsumsatzes in diesen Bauelementen ist es aber erforderlich, die Wärmeerzeugung und -verteilung in ihnen zu berücksichtigen. Gegenstand der zweiten Phase des Projekts ist die Erweiterung von WIAS-TeSCA durch Einbeziehung der Wärmeleitungsgleichung. Erste Implementierungen und Beispielrechnungen an einfachen Strukturen liegen jetzt vor, so daß nun auch Simulationen für den HV-pMOST in Angriff genommen werden können.

$\makeatletter \@ZweiProjektbilderNocap[h]{0.45\textwidth}{fb98_hue_bild3a.eps}{fb98_hue_bild3b.eps} \makeatother$

Projektliteratur:

H. GAJEWSKI, B. HEINEMANN, R. NÜRNBERG, H. LANGMACH, G. TELSCHOW, K. ZACHARIAS, Der 2D-Bauelementesimulator ToSCA. Handbuch, Karl-Weierstraß-Institut für Mathematik, Berlin, 1986, 1991.
J. KNOPKE, High-voltage-ICs mit DIMOST und DIBIT, Firmenschrift, alpha microelectronics gmbh Frankfurt (Oder), 1995.
N. STRECKER, The 2D process simulator DIOS. User manual. Version 3.6., ISE Integrated Systems Engineering AG, Zürich, 1995.