4.5 Beispiel einer Leckstromsimulation  

Um angrenzende, elektrisch aktive Bereiche gegenseitig zu isolieren, umgibt man diese Bereiche mit einer Raumladungszone, die durch einen in Sperrichtung gepolten pn-Übergang hervorgerufen wird. Dieser Übergang bewirkt jedoch einen Leckstrom, der von entsprechenden Treibern nachgeliefert werden muß. Dieser Leckstrom ist in der Regel unerwünscht, da er einen Beitrag zur Verlustleistung liefert. Dies ist auch dann der Fall, wenn die elektrisch aktiven Bereiche nicht eingeschaltet sind. Die Höhe des Leckstromes ist vor allem in sog. ,,Low Power`` -Bauelementen ein entscheidendes Kriterium. Der Leckstrom entspricht dabei dem Sperrstrom des in Sperrichtung betriebenen pn-Überganges. Sperrströme weisen jedoch ein sehr empfindliches Temperaturverhalten auf. Für Silizium kann man näherungsweise annehmen, daß sich der Sperrstrom ca. alle $10\mathrm{K}$ verdoppelt [47]. Betrachtet man einen Temperaturbereich von $200\mathrm{K}$, so ergibt das einen Leckstromanstieg um den Faktor 10<sup>7</sup>. Die untersuchte Struktur ist in Abbildung 4.1 schematisch dargestellt. Dabei handelt es sich um einen Bauteil der ,,Smart Power Technology`` (SPT). SPT Bauteile werden überwiegend dort eingesetzt, wo hohe Schaltströme erforderlich sind. Ein typisches Anwendungsgebiet sind die Zündschaltungen von Airbags, wie sie in Kraft fahrzeugen üblich sind. Um die notwendigen Ströme zu erhalten, sind entsprechende Bauteilspannungen erforderlich. Typische Bauteilspezifikationen liegen deshalb im Bereich von 100-200V. In Abbildung 4.1 sind die aktiven Bauteile durch die ,,p-bodies`` angedeutet. Sie entsprechen dem Substrat in herkömmlichen npn-Transistoren. Wegen der benötigten hohen Ströme sind oft mehrere hundert ,, p-bodies`` über einem ,,Buried Layer`` angeordnet. Die Source- und Gatekontakte der DMOS Transistoren sind in Abbildung 4.1 nicht eingezeichnet, sie liegen innerhalb der ,,p-bodies``. Schalten die Transistoren ein, so fließt der Strom aus den ,,p-bodies`` über die Epitaxieschicht zum ,,Buried Layer``, der den gemeinsamen Kollektor der Einzeltransistoren bildet. Im Betriebsfall ist der ,,Buried Layer`` Kontakt auf positivem Potential. Bulkkontakt und Isolationskontakt bilden dabei gleichzeitig den Kathodenkontakt der Buried Layer/Isolations Diode. Die ausgebildete Raumladungszone erstreckt sich deshalb unterhalb des ,,Buried Layer``, folgt dann ein kurzes Stück der Grenze Bulk-Epitaxieschicht und verläuft schließlich links der beiden Isolationsimplantate zur Bauteiloberfläche. Während der Simulation wird der Einfluß der ,,p-bodies`` vernachlässigt. Die hohen Betriebsspannungen bewirken ausgedehnte Raumladungszonen. Die dabei auftretenden maximalen Felder liegen in Bereichen, wo feldabhängige Generationsprozesse (siehe Kapitel 5) noch keine wesentliche Rolle spielen. Dadurch ist gewährleistet, daß der Leckstrom gering bleibt. Die maximal zulässigen Felder und der erforderliche Spannungsbereich begrenzen deshalb die Steilheit des pn-Überganges und sind letztlich ausschlaggebend für die Ausdehnung der Raumladungszonen.

  

Abbildung 4.1: Schematische Struktur des Leckstrombauteils.

Für die Leckstromsimulation des Bauteils ist daher in erster Linie das Modell der gittertemperaturabhängigen SRH Generation (4.26), (4.27) von Bedeutung. Die Ergebnisse der Simulationen sind in Abbildung 4.2 gezeigt.

  

Abbildung 4.2: Strom-Spannungskennlinien bei unterschiedlichen Gittertemperaturen. Die Simulationen entsprechen den durchgezogenen Linien, die Messungen sind durch Quadrate angedeutet.

Man erkennt, daß der Strom nahezu unabhängig von der angelegten Spannung ist. Der leichte Stromanstieg bei höheren Spannungen wird durch die größere Ausdehnung der Raumladungszone und der damit verbundenen stärkeren Generation von Ladungsträgern hervorgerufen. Diese Stromzunahme ist bei niedrigeren Temperaturen stärker ausgeprägt, da der Anteil des Diffusionsstromes zum Generationsstrom in der Raumladungszone geringer ist. Der Strom zwischen ,,Buried Layer`` und Substrat ist proportional zur Ausdehnung der ,,Buried Layer`` Fläche. Da die Isolation rund um den ,,Buried Layer`` reicht, ist der Isolationsstrom proportional zum Umfang des ,,Buried Layer``. Von Interesse bei der Simulation dieses Bauteils ist der Einfluß der Isolation auf das Gebiet des ,,Buried Layer``. Da der Isolationskontakt den Kathodenkontakt darstellt, ist der Isolationsstrom durch den Löcherstrom bestimmt, welcher in der Raumladungszone generiert wird. Durch die relativ hohe Akzeptorkonzentration der Isolationsdotierung ist im Betriebsfall der Bereich des Isolationsringes auf niedrigerem Potential als der Substratkontakt. Dies bewirkt, daß die Isolation auch Einfluß auf generierte Löcher unterhalb des ,,Buried Layer`` hat. Dieser Einfluß ist in Abbildung 4.3 gezeigt. Man erkennt, daß der generierte Löcherstrom bis zu einer Tiefe von $50 \mu\mathrm{m}$ von der Isolation gesammelt wird.

  

Abbildung 4.3: Kollektorwirkung der Isolation auf den in der Raumladungszone generierten Löcherstrom. Die angelegte ,,Buried Layer`` - Isolationsspannung beträgt 90V, die Simulationstemperatur 500K.

Technologisch von Interesse ist die Änderung des Isolationsstromes, wenn sich der Abstand des Isolationsringes zum ,,Buried Layer`` ändert. Die Ergebnisse dieser Simulationen sind in Abbildung 4.4 dargestellt.

  

Abbildung 4.4: Isolationsstrom bei unterschiedlichem Abstand der Isolation zum ,,Buried Layer``. Der Abstand 0.0 entspricht dem Originallayout. Bei negativem Versatz ist die Isolation näher beim ,,Buried Layer``.

Vergrößert man den Abstand, so nimmt der Leckstrom zu. Die Ursache dafür ist eine Verlängerung der Raumladungszone Epitaxieschicht - Substrat zwischen ,,Buried Layer`` und Isolation. Das maximale lokale Feld zwischen ,,Buried Layer`` und der unteren Isolation beträgt bei der Originalstruktur $E_{max}=7.4\cdot10^4\mathrm{V/cm}$, während es bei der um $-8.0\mu\mathrm{m}$ versetzten Struktur $E_{max}=1.7e5\cdot10^5\mathrm{V/cm}$ beträgt.