3.2.2.2 Die Durchbruchspannung

Epi-Dotierung und -Weite:

Neben geometrischen Faktoren (siehe oben) hängt die Durchbruchspannung natürlich von der Dicke der Driftzone und deren Dotierung ab. Bei einer zu geringen Dicke der Driftzone erreicht die Raumladungszone im Vorwärts-Blockierfall bereits bei geringen Drainspannungen den buried layer und kann sich nicht weiter ausdehnen. Es kommt zu einer starken Erhöhung der Feldstärke in der Driftzone und zu einem Lawinendurchbruch. Eine zu hohe Dotierung bewirkt auch bei ausreichender Dicke der Driftzone nach Gleichung 2.5 eine Verminderung der Durchbruchspannung. Erste systematische Optimierungen mit numerischer Simulation dazu wurden in [118] durchgeführt. In [60] werden die Durchbruchfeldstärke durch numerische Prozeß- und Bauelementsimulation in Abhängigkeit dieser beiden Faktoren berechnet, und mit Hilfe von response surface-Methoden werden die in der Abb. 3.13 dargestellten Isolinien bestimmt. Das Ergebnis zeigt den erwarteten Verlauf, nämlich daß die Durchbruchspannung mit steigender Epi-Dicke und abnehmender Epi-Dotierung steigt. Der besondere Vorteil dieser Methode ist aber, daß die Auswirkungen einer möglichen Prozeßvariation von z.B. in und um ihren Sollwert sofort abgelesen werden können (siehe Rechteck in Abb. 3.13).

  
Abbildung 3.13: Isolinien der DMOS-Durchbruchspannung (in [V]) als Funktion von Epi-Dicke und -Dotierungskonzentration.

Zellenabstand:

In [27] wurde die Auswirkung des Abstands zwischen den -bodies zweier DMOS-Zellen auf die Durchbruchspannung untersucht. In Abb. 3.14 ist die Ausdehnung der Raumladungszone im Driftgebiet für den Vorwärts-Blockierfall bei kleinem und großem Zellenabstand dargestellt.

  
Abbildung 3.14: Ausdehnung der Raumladungszone im Vorwärts-Blockierfall für großen und geringen Zellenabstand.

Man sieht, daß bei hoher Drain-Source-Spannung und großem Zellenabstand die Raumladungszone zwischen den beiden -bodies eine wesentlich stärkere Krümmung aufweist als bei kleinem Zellenabstand. Im letzteren Fall verschwindet die Einbeulung der Raumladungszone nach oben fast vollständig, da sich die Grenzen dieser Einbeulung bei steigender Ausdehnung der Raumladungszonen lateral nach innen zusammenschieben. Daher weist die Struktur mit dem größeren Zellenabstand eine geringere Durchbruchspannung auf. Dies ist in Abb. 3.15 deutlich zu erkennen. Die Tendenz einer ansteigenden Durchbruchspannung mit kleinerem Zellenabstand ist auch aus Abb. 3.1 abzulesen.

  
Abbildung 3.15: Durchbruchspannung einer DMOS-Zelle als Funktion des Zellenabstands und der Dotierungskonzentration des Epi-Gebiets.

Sourcekontaktweite:

In [113] wird die Auswirkung der Weite der Kontaktlochöffnung auf die Durchbruchspannung untersucht. Im vorhergehenden Unterkapitel ergab die Optimierung des spezifischen On-Widerstands für die untersuchte Struktur eine Soucekontaktweite von (siehe Abb. 3.12). Für verschiedene Weiten der Kontaktlochöffnungen wurden die Durchbruchspannungen gemessen und mit numerischer Bauelementsimulation verglichen (siehe Abb. 3.16).

  
Abbildung 3.16: Durchbruchspannung der DMOS-Zelle in Abhängigkeit von der Weite der Sourcekontaktöffnung.

Es zeigt sich, daß für die betrachteten kleinen Kontaktlochöffnungen eine zweidimensionale numerische Simulation zu hohe Werte für die Durchbruchspannung liefert. Da die Kontaktlochöffnungen keine idealen Quadrate sind, sondern an den Ecken Abrundungen aufweisen, liegt es nahe, zweidimensionale, rotationssymmetrische Geometrien für die Simulation zu wählen [133]. Allerdings werden hier nur für Kontaktlochöffnungen größer etwa mit den Messungen übereinstimmende Durchbruchspannungen errechnet. Das für noch kleinere Abmessungen auftretende Absinken der Durchbruchspannung konnte auf diese Weise nicht erklärt werden. Aufgrund von Messungen konnte festgestellt werden, daß es zum punch through der Raumladungszone im -body zum Sourcegebiet kommt. Dies konnte damit erklärt werden, daß es bei so kleinen Sourcekontaktöffnungen aufgrund von dreidimensionalen Effekten bei der Ausdiffusion des -bodies zu einer wesentlich geringeren Dotierungskonzentration im Kanal kommt, als dies nach den zweidimensionalen Modellen zu erwarten war. Nach Korrektur des Dotierungsprofils für die zweidimensionale, rotationssymmetrische Bauelementsimulation konnte das Absinken der Durchbruchspannung numerisch verifiziert werden. Um diese schwer handhabbaren dreidimensionalen Diffusionseffekte zu vermeiden, wurde im untersuchten Fall eine Kontaktlochöffnung von gewählt. Auch diese geringe Weite der Sourcekontaktöffnung ist nur mit der in Abschnitt 3.1 beschriebenen nichtplanaren Sourcekontaktausführung zu erreichen.