Re - examination of Physical Models in the Temperature Range 300 K – 700

In the PARASITICS project physical models used in device simulation are to be verified for the temperature range 300 K – 700 K (lattice temperature) by comparison between simulation and electrical characterization of suitable test structures. A pre-evaluation of the decisive models in DESSIS ISE showed good agreement with existing experimental data up to 500 K and normal physical behavior up to 1000 K. The mobility model of Schenk [1] was fine-tuned by means of a careful analysis of all existing data on the temperature dependence of the mobility. Drift velocity saturation is now perfectly reproduced for both electrons and holes, provided the energy relaxation times are given the values τE;n = 0:75 ps, τE;p = 0:17 ps in the simulation. A complete device analysis of DIODE24_BL from MOD_B_BOSCH based on doping profiles by ST and measured IV-characteristics in the temperature range 300 K – 700 K with the device simulator DESSIS ISE produced the following results: At all temperatures the forward-bias range is dominated by SRH recombination up to a current of 1 10 5 A, and by trap-assisted Auger (TAA) recombination above. The latter is the sum of temperature-dependent contributions from p+-region, n-region, and buried layer. The measured temperature dependence of the high-injection range of the IV-curves is possibly due to the TAA coefficients, which could not be worked out since DESSIS ISE did not converge there. All alternative possibilities band gap, carrier statistics, BGN model, surface recombination, and band-to-band Auger recombination could be systematically ruled out. The temperature dependence of the reverse-bias IV-curves results from the changing contributions of p+-region, nregion, and buried layer, respectively, to the total SRH generation rate. Using the fit parameters of the lifetime models in DESSIS ISE, reasonable overall agreement was achieved without any hypothetical temperature dependence of the minority carrier lifetimes. A good match to the measured breakdown voltages was obtained for all temperatures with a modification of the vanOverstraeten model of the impact ionization coefficient of the form α = const γ Eg(300K) Eg(T ) exp γb F Eg(T ) Eg(300K) : which assumes the temperature-dependent band gap to be the threshold energy. Zusammenfassung Ziel des Projekts ist die Verifizierung der physikalischen Modelle im Temperaturbereich 300 K – 700 K (Gittertemperatur) durch Vergleich von Simulation und elektrischer Charakterisierung geeigneter Teststrukturen. Dazu wurden im Vorfeld die wichtigsten Modelle in DESSIS ISE auf ihr Verhalten bis 1000 K Gittertemperatur hin untersucht. Alle Modelle zeigten gute Übereinstimmung mit vorhandenen Messergebnissen (bis max. 500 K) sowie normales physikalisches Verhalten bis 1000 K. Ein Schwerpunkt des Projekts ist der Test des physik-basierten Silizium BulkBeweglichkeitsmodells von Schenk [1] bei hohen Temperaturen. Zur Vorbereitung der Hochtemperatur-Hall-Messungen wurde das Modell mit sämtlichen vorhandenen Messungen der Abhängigkeit von Gitterund Ladungsträgertemperatur verglichen. Die existierenden Daten über die Sättigung der Driftgeschwindigkeit (bis max. 370 K) wurden benutzt, um eine Feinanpassung der funktionalen Form zu erhalten, nach der sich perfekte Sättigung der Driftgeschwindigkeit für Elektronen und Löcher ergibt. Die optimalen Energie-Relaxationszeiten für die beste Anpassung an experimentelle Daten wurden ermittelt (τE;n = 0:75 ps, τE;p = 0:17 ps). Die benötigten Hall-Faktoren bis 700 K für alle relevanten Dotierungen der im Projekt gegebenen Teststrukturen wurden bereitgestellt. Eine vollständige Bauelemente-Analyse der DIODE24_BL von MOD_B_BOSCH (laterale pPlus/nWell smart-power Diode) wurde basierend auf Dotierprofilen von ST und Kennlinien-Messungen im Temperaturbereich 300 K – 700 K mit dem Bauelemente-Simulator DESSIS ISE durchgeführt. Wegen der grossen Komplexität dieses Bauelements (laterale pn-Übergänge, Durchbruch an der Si-SiO2-Grenzfläche, hochdotierte vergrabene Schicht) sind die Ergebnisse mit gewissen Unsicherheiten behaftet. Sie setzen insbesondere voraus, dass die lateralen Dotierprofile korrekt sind und der Avalanche-Durchbruch nicht wesentlich durch die Grenzfläche beeinflusst wird. Die Analyse der Vorwärts-Kennlinien erbrachte folgende Resultate: SRH-Rekombination dominiert bis zu einer Stromstärke von 1 10 5 A im gesamten Temperaturbereich, wobei der Beitrag des n-Gebiets mit steigender Temperatur zunimmt. Oberhalb 1 10 5 A ist trap-assistierte Auger-Rekombination (TAA) der einzig wichtige Rekombinationsmechanismus, wobei in Abängigkeit von der Temperatur alle drei Gebiete – p+-Gebiet, n-Gebiet und vergrabene Schicht – Anteile liefern. Band-Band-Auger-Rekombination würde um drei Grössenordnungen zu grosse Auger-Koeffizienten erfordern. Die starke Temperatur-Abhängigkeit der Kennlinien im Hochinjektionsbereich könnte nur über die TAA-Koeffizienten erklärt werden. Eine entsprechende Anpassung konnte jedoch nicht erfolgen, weil DESSIS ISE in diesem Bereich nicht konvergierte. Sämtliche alternativen Möglichkeiten für den gemessenen Temperatur-Einfluss – Energielücke, Ladungsträgerstatistik, BGNModell und Oberflächen-Rekombination – konnten systematisch ausgeschlossen werden. Die Dominanz der TAA-Rekombination resultiert aus der Tatsache, dass die Implantation der vergrabenen Schicht ein voluminöses Gebiet mit sowohl hoher Elektronendichte (was einen Auger-Prozess begünstigt) als auch mit hoher TrapDichte erzeugt (was einen SRH-Prozess begünstigt). Die Vorwärts-Kennlinien sind demnach wesentlich durch Eigenschaften der vergrabenen Schicht bestimmt. Die Temperatur-Abhängigkeit der Sperrströme ist durch die wechselnden