（凝聚态物理专业论文）平面型vdmos功率管的设计与研究.pdf

上海大学 本论文经答辩委员会全体委员审查，确 认符合上海大学硕士学位论文质量要求。 答辩委员会签名： 导师：程东方吾4 教授 答辩日期：2 0 0 4 年月日 圭 李 ，之 龄 簟蕊 任 员 主 委 上海大学】学硕士论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究1 二作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 上海大学一l 学硕卜论文 中文摘要 功：誊v d m o s f e t 是功率电力电子器件的主流产品之一。它在人功率开关、 功牢放人器等钡域中的应用日益泛。v d m o s f e t 具有高输入阻抗，低导通 电m ，犬输 b 1 乜流，斤关速度 哭1 作频率岛，无次，h 穿，安伞i 确。宽， f # 导线，脸，收夫火真小，热* e , ；l - - 性好等特点。 小义；i 坚r f l ：址利川集成电路工艺仿真软件t s u p r e m i v 和器件电路懂 拟软件m e d i c i 对平佩型n 沟增强型v d m o s f e t 进行了工艺以及器件结构和 版图的优化发汁，给了该器f t - t f j 纵横向结构参数，材料的物理参数和版h 。 - l i 构的优化没汁使单胞密度达剑5 0 0 万个c m 2 。该器件的设汁土要目的在j 一确 俅刑i i 、_ 手i l 输m i 乜流条仆f ，既要捩得低导通l 电阻，义要尽f 町能减少芯片i ：f i i s 。 保证足够高的制造成l 恼率。为此我们首先对导通电阻与结构参数之阳j 的关系进 h 夫最f l , j t o f f f 【：，利 j 模拟软件，通过计算机进行人量的计算，然后依工艺条 件选择适“1 的结构参数，使其：毒片向积达到最小化，从而使成本最低。本设计 匠芬1 2 了抗e s d 保护f 乜路i d 题。总之，本文所设计的低压大电流v d m o s 品体 * 的整体技术= 水r 已经接近洲o l - i , d 类型7 。l 住性能上完全叮以替代幽外| j 类 ，他f i f j 。 ”外本文l 正分析r h 砸型v d m o s 功二誊错f ：小尺寸时准饱利效应的成创， j 姒进f j ：了理沦分析和模拟聆酲。研究结果表明，在晶体管导通状奁卜 由 h i ij f e ti 1r ，和m o s 沟道电：；nr 。h 的分吓作j 目，致使在m o si _ j 道内域 流f 漂移速度由饱和变为不饱和，而在寄生j f e t 沟道中载流予漂移速度由不 饱，f 一芝为饱和，从j m 决定整个瓣f 牛的输出特陛，导致器件在离栅源电慷v s 对， 擀什漏端 l i 流l d s 人小1 ，跚源电kv ( ，s 无笑，这就是准饱和效应c 关键词：v d m o s f e t ：准饱和设廊 中国分类法：t n 3 8 6 文献标u 码：a 上海大学【学硕：i 论文 a b s t r a c t p o e rv m o s f ? e ti saw i d e l yu s e dd e v i c ei n p o w e rm o s f e tf j m 峙i th a s t r a d i t i o n a l l y b e e nu s e da ss w i t c h e di nh i g hp o w e ra p p l i c a t i o n s ，p o w e ra m p l i f i e r s v d m o s p r o v i d e s t h eh i g h i n p u ti m p e d a n c e ，l o wo n r e s i s t a n c e a n dg r e a to u t p u t c u r r e n t 、f a s ts w i t c hv e l o c i t y h i g hw o r kf r e q u e n c y ；n os e c o n db r e a k d o w n b i gs a f e t y u o r k a r o u n d a n ds m a l lm a g n i f yd i s t o r t i o n g o o dh e a ts t a b i l i t , c h a r a c t e r i s t i c s t h e o p t i m a ld e s i g no fp r o c e s s d e v i c e ss t r u c t u r ea n dl a y o u tf o rp l a n en c h a n n e l e n h a n c e m e n tm o d ev d m o s f e t , u s i n gt s u p r e m i va n dm e d i c i ，i sp r e s e n t e d 1 1 h ev e r t i c a la n dl a t e r a ls t r u c t u r a lp a r a m e t e r s p h y s i c a lp a r a m e t e r so fm a t e r i a la n d l a y o u t f o rt h ef a b r i c a t e dd e v i c ea r ep u lf j n v a j d t h eo p t i m a l d e s i g no fs t r u c t u r e m a k ec e l l d e n s i t y r e a c h e d5 m i l l i o n c m 2i th a ss u p e rh i g hd e n s ec e l lf o rv e r yl o w r d 0 4 ) t h e r e f o r ew ew o r ko v e ra n do v e rt h er e l a t i o nb e t w e e no n r e s i s t a n c ea n d s t r u c t u r e p a r a m e t e r f i r s to f a l l 、u s i n g s i m u l a t i o n s o f t w a r e g oa l o n gp l e n t i f u l c a l c u l a t i o n b y c o m p u t e r a n d t h e n a c c o r d i n g t ot h e p r o c e s sc o n d i t i o n t oc h o o s e p r o p e rs t r u c t u r ep a r a m e t e r , t om a k e t h ec h i pa r e am i n i m u ma n dt h ec o s tl o w e s t t h i s d e v i s ea s ot a k er e s i s te s d p r o t e c tc i r c u i tp r o b l e mi n t oa c c o u n t i nc o n c l u s i o n t h i s l o wv o l t a g eb i gc u r r e n tv d m o s f e t sw h o l et e c h n i q u el e v e li sa l r e a d yc l o s et ot h e s a m et y p ep r o d u c to v e r s e a s i tc a nc o m p l e t e l y s u b s t i t u t et h es a m et y p ep r o d u c t o v e r s e a si np e r f o r m a n c e i na d d i t i o n t h ec a u s eo f q u a s i - s a t u r a t i o ne f f e c t sf o r m a t i o ni ns m a l ls i z ep l a n e p o 、e rv d m o s t r a n s i s t o rh a sb e e nt h e o o a n a l y z e da n ds i m u l a t e db y s o f t w a r ed u e t or e s i s t a n c ed i s t r i b u t i o no f r ja n dr c hc h a n g i n gi nt h ed e v i c e ，c a r r i e r s d r i f tv e l o c i t y i nm o sc h a n n e lc h a n g e sf r o ms a t u r a t i o nt ou n s a t u r a t i o n ，s i m u l t a n e i t y c a r r i e r s d r i f t v e l o c i t y i n a u t o e c i o u sj f e tc h a n n e l c h a n g e s f r o mu n s a t u r a t i o nt os a t u r a t i o n ， c o n s e q u e n t l yd e t e r m i n e dw h o l ed e v i c e so u t p u tc h a r a c t e r i s t i c w h e nd e v i c ei si n h i g hv c ；s i d s i s i n d e p e n d e n to fv ( j a n dt h e nt h eq u a s i - s a t u r a t i o ne f f e c tb e g i n st o 1 o r m k e y w o r d s ：v d m o s f e q u a s i s a t u r a t i o ne f f e c t 上海大学工学硕士论文 第一章绪论 1 1 功率半导体器件概论 功率半导体器件( p o w e rs e m i c o n d u c t o rd e v i c e ) ，又称电力半导体器件，它 是电力电子电路中三大核心元件( 开关器件、电感和电容) 中最为关键的一个。 自从1 9 5 5 年美国g e 通用电器公司宣布世界上第一只大功率二极管s r ( s i l i c o n r e c t i f i e r ) 研制成功以来，标志着功率半导体器件这一高科技领域的诞生。【1 】电子 技术步入强电领域，一个电力电子技术的新时代由此开始。电力电子技术是电 子技术、电力技术与控制技术的综合技术，它是以功率开关控制和电力变换为 主要内容的工业电子技术。 现代的电力电子技术无论是在改造传统工业( 电机、动力、电源、自动化、 机械、仪器设备、矿冶、化工、轻纺等) ，交通( 汽车电予化、电气机车等) ，军 事、航天、消费类产品( 如家用电器) ，还是对高技术产业( 激光、通信、机器人 等) 等领域都发挥着至关重要的作用，目前已迅速发展成为- 1 1 独立的学科领 域。它将成为本世纪重要关键技术之一。近几年西方发达的国家，尽管总体经 济的增长速度较慢，电力电子技术仍一直保持着每年百分之十几的高速增长。 经过近5 0 年的发展，至今功率半导体器件已出现了硅整流器( s r ) 、普通晶 闸管( s c r ) 、快速晶闸管( f s c r ) 、高频晶闸管( h f s c r ) 、隔离门极晶闸管( i g t ) 、 逆导晶闸管( r c t ) 、双向晶闸管( t r i a c ) 、非对称晶闸管( a s c r ) 、门极辅助关断 晶闸管( g a t t ) 、光控晶闸管( l a 几- ) 、门极可关断晶闸管( g t o ) 、门极换相晶闸 管( g c t ) 、静电感应晶闸管( s i t h ) 、巨型功率晶体管( g t r ) 、达林顿单极晶体管 ( d t ) 、m o s 控制晶闸管( m c t ) 、m o s 放大门极晶闸管( m s g t ) 、绝缘栅双极型 晶体管( 1 g b t ) 、肖特基结m o s 控制晶闸管( s i n f e t ) 、肖特基势垒二极管( s b d ) 、 静电感应晶体管( s i t ) 、金属- 氧化物一半导体场效应晶体管( m o s f e t ) 等近4 0 个 种类。 目前，单个器件的功率己扩大到了工业用的大功率级( 千瓦级以上) ；工作 频率从5 0 h z 到1 0 0 k h z 乃至百兆h z 很宽的范围：应用领域也日益扩大。由于 电力电子技术在各个领域内的普及，功率器件正呈现出越来越大的经济效益。 尤其在节能和节材方面的应用，对于我国这样一个能源、资源和资金极其紧张 的国家来说，有着特殊的意义。 1 2电力电子用功率半导体器件发展过程的四次突破 从历史上看，每一代新型电力电子器件的出现总是带来一场电力电子技术 的革命。以功率器件为核心的现代电力电子装置在整台装置中通常不超过总价 值的2 0 3 0 ，但是，它对提高装置的各项经济技术指标和整机性能，却起 着十分重要的作用。装置技术的发展，在很大程度上取决于半导体器件的发展。 电力电子用功率半导体器件发展史上的第一次突破，是在1 9 5 5 年发明了世 界上第一只硅整流管( s r ) 之后，1 9 5 7 年g e 公司又发明了世界上的第一只硅晶 闸管( s c r ) 。由于它及其派生器件能以微小的电流控制较大的功率，因此一诞生 便从弱电控制领域进入强电控制领域并取代了水银整流器，从而实现了变流器 的固体化。伴随着材料科学和器件制造技术的发展，以整流管、晶闸管为代表 的第一代功率半导体器件至今已相当成熟，它们的共同特点是换流关断、大电 g 上海大学工学硕士论文 流、高电压，工作频率从几十h z 至1 k h z 左右。 1 9 6 0 年g e 公司首次提出了g t o 的设想，1 9 6 2 年用平面外延工艺制造出 世界上第一只5 a 的g r o ，1 9 7 3 年g t 0 开始批量生产。g t 0 、g t r 及m o s f e t 等自关断器件的出现和批量投产，标志着电力电子功率半导体器件的第二次突 破。由于这些自关断器件可简单地实现电力电子系统装置中的交频、逆变和斩 波；特别是频率提高后易于实现“最佳频率”用电，为电力电子设备的小型化、 高效率创造了条件。但由于g r r 和g t o 均属电流控制器件，存在着开关频率 低( 一般、 6 a ，耐压2 0 伏，导通电阻仅为2 0 3 0 m q 左右。以前主要是由美国f 安森美、仙童、v i s h a y , 9 l i c o n i x 、i r 等) 和台湾地区 生产，但以美国生产的质量最好。v d m o s 晶体管的用量在我国目前至少数十 亿颗年。 这一款v d m o s 芯片，其中的予单元数达5 6 万个，集成的规模不小。其 工艺水准也很高，有效沟道长度控制在约o 1 u m 0 2 p m ，需要4 p m 1 u m 的薄 外延。m a s k 要1 0 层左右。采用0 8 p r o 一1 2 p m 的s t e p 光刻机，还要用到h i g h p o l y 高阻多晶硅等多层薄膜技术。 上海大学工学硕士论文 1 6 本论文简介 第一章绪论 第二章重点介绍了平面型v d m o s f e t 器件的结构和基本工作原理，并 归纳了它的器件特点。 第三章介绍了低压大电流v d m o s 的软件模拟分析。包括用工艺模拟软 件t s u p r e m i v 对其工艺流程进行模拟，和用m e d i c l 对其进行器件模拟，并 给出了在不同栅宽条件下的器件模拟结构。 第四章研究功率v d m o s 晶体管准饱和效应，运用软件对准饱和效应进 行了较为深入的模拟验证。 第五章针对耐压特性和导通电阻，对器件的工艺和结构参数的设计与优 化。 第六章介绍用于v d m o s 功率晶体管的e s d 静电保护电路结构。 第七章结论与小结 1 3 上海大学工学硕士论文 第二章v d m o s f e t 器件的结构和工作原理 功率m o s f e t 的典型结构是平面型v d m o s f e t 。功率v d m o s f e t 属于多 子器件，它除具有，j 、功率m o s 器件的所有特性外，还具有较强的功率处理能力， 采用自对准工艺，提高了单位面积中元胞的数量，有利于大电流的实现；有更 短的沟道，线性好，实用性强。关断时，p + n 。结承受v d s 电压，n 漂移区高阻层 配合结终端技术可提高耐压至几百上千伏。 2 1v d m o s f e t 的结构 图2 1v d m 0 6 f e l 兀胞立体结构不意图 图2 1 是平面型v d m o s 功率场效应晶体管的元胞立体结构示意图。本文 以该v d m o s 晶体管的正方形元胞为例。它是由许多短沟道m o s 晶体管元胞 并联而成的集成器件，以此满足大电流场合的应用。p 型栅区表面上覆盖着薄 氧化层和掺磷的多晶硅栅，器件的源金属电极由表面注磷区引出，并由它将沟 道区与源区短路联接起来。硅栅多晶连接网络将各单胞栅极相连，它们具有公 共的漏金属电极，并由背面引出。 v d m o s 器件的制作过程是在外延层( n ) 上采用了平面多晶硅栅d s a ( d i f f u s i o ns e r fa i i g n m e n t ) 自对准双扩散工艺，以提高单位面积元胞的密集度。 源极金属覆盖在整个芯片表面，有利于改善芯片的散热性能，降低源极串连电 阻。利用在同一窗口进行硼磷两次扩散差，在水平方向形成与常规平面m o s 结 构相同的多子导电沟道。由两次杂质扩散横向结深之差可精确地决定沟道长度， 形成短沟道。本论文研究的v d m o s 勾道长度只有0 1 u m 。 2 2v d m o s 器件的基本工作原理 占 1 4 上海大学工学硕士论文 图2 _ 2 是v d m o s f e t 的工作原理示意图。由图可以看出v d m o s 是一种垂 直导电的m o s 功率器件。削它工作时，当栅源电压v g s 明显低于器件的阈值电压 v t h 或为负值时，栅极下面的半导体p 区表面不会形成n 型导电沟道，漏源间没 有沟通，漏极与源极之间有一个反偏p n 结，这时耗尽层主要扩展在外延层一侧， 可以维持较高的阻断电压，即使加上漏源电压v d s ，也不能形成漏源电流l d s ， 器件处于截止状态。但当v o s 大于击穿电压b v d s 时，反偏p n 结被击穿，i d 出0 增。 当栅源电压v g s 等于或大于v t h 时，在多晶硅栅与栅区之间的电场作用下， 栅极下面的p 型表面出现强反型层，即有n 型导电沟道存在，该n 型沟道将漏源沟 通。这时加上漏源电压v d s ，源区电子在沟道内达到饱和漂移速度，电流将由衬 底垂直流向表面，再经过沟道流向源极，即有一定的漏源电流i d s 。从而，通过 改变栅源电压v g s 就可以控制漏源之间的主回路的开通与关断，以及漏极电流的 大小。 对长沟m o s 器件，由缓变沟道近似知，漏源电流f d s 取决于沟道中单位面积 反型层中的载流子( 电子) 电荷q 。及其在沟道中的漂移速度v ， i o s = z q v( 2 1 ) 其中，z 为器件沟道宽度。 漂移速度v 又取决于沟道中载流子( 电子) 的迁移率u 。及沟道中的电场强度 忒 苡。 r d v 、 以l i j ( 2 2 ) 加漏源电e , v d s 后，沟道中的电位v 将随地点变化。单位面积的载流子( 电 子) 电荷q ，为 q = c 。( ，一v 锄一y ) c ：盟 。 k ( 2 3 ) ( 2 4 ) 其中6 n 和5 m 分别为真空介电系数和s i 0 2 相对介电系数，- - o 是栅氧化层厚度。 将式( 2 2 ) ，( 23 ) ，( 2 4 ) 代入( 21 ) 得 ，矿掣( v g s 一一v ) a v ( 2 5 ) o x “ 将上式对整个沟道区积分，并注意到边界条件：当x = 0 时，v = o ：当x = l 时， v = v o s 。以及l d s 在整个沟道区都是一个常数，则得 2 警b 一) 一下v 2 d s j ( 2 6 ) 当v d s 4 艮4 , 时，上式变为 1 5 上海大学上学硕士论义 “。= 专等眠。 f 二7 ) ： | jl d s 与v d s 成线性关系，称之为线性区。 当v d s 增j j h h , l ，l o s 随之增加，这时靠近漏端沟道逐渐变窄，沟道电阻逐渐 增夫，l d s 增加速率逐渐变慢，当i d s 增加到菜一数值时。i d s 达到最大值，将( 2 6 ) 一f 。a 产爿j 丝：o a 一v f 2 8 ) 【j j 求得l o s 达到最大值时的v d s = v 潞一v t m 这时的v d s 弥为饱和电压v o s s a 对 应j 一沟道末端刚刚出现失断的情况。当v d s v d s ( 。时，l d s 不再随v d s 增加，返 u 寸沟道术端出现耗尽区，其上胜降为v d s v d s 怕 j 阿沟道中的电场基小小蜚， 放电流i d s 不变，即不再随着v d s 的增加丽增加，维持茛饱利值 ，1 。= 等笋竽( t 。) 2 ( 2 “f 7j 17 r 、f “ ，h ， 、 。 称该区为饱和区。 上面的分析是对一般m o s 器件而言的。对功率m o s 器件，由于其沟道跃 度l 。i ，( l p m ) 甚至更短，上而的分析只有在v d s 很小时适用，v d s 稍人时( 有效漏 电压只要肯儿伏时) ，沟道中的电场v t ，s l 就可足以达到使其中电了漂移速7 室v 达到饱千| 速度r 。的数值( k 。i l l f f 4 c m ) ，这时 昕以。( 2 9 ) 就变为 9 z 【j 。( 1 。一。) = 之字生( k 。一k ，) ， 跨导g m = f 2 io ) r 2 i 】、 k 。矿警r 刊 1 ( 2 ，13 、 i 阿km o s 器件的跨导小是一个常数，其值随v g s 线性增加。 、 _ j j 自型v d m o s 功率器件与一般m o s 器件还有一个重要区别足其输h i v 特性t l t 出现r 准饱和区。关于这个区域的特点和原囡将在本文第四章详述。 警 上海大学工学硕士论文 v d m o s 场效应晶体管的等效电路如图2 3 所示。 d ( 潺极) g ( 栅极) 一 s 图2 3v d m o s 场效应晶体管的等效电路图 图2 4 给出了v d m o s 特性曲线。其c o ( a ) 为在一定栅源电压下的输出特性 曲线；( b ) 为击穿曲线；( c ) 为转移特性曲线。图2 4 ( c ) 表明，当电流增大后，器 件很快进入转移特性的高度线性区( 即c d 段) 。该器件适宜在功放中使用。 1 1 百i 矿了_ f 一 f a ) 输出特性 c j i f ；i ts - 7 i 孑b a c k ( b ) 击穿曲线 1 7 上海大学工学硕士论文 ( c ) 转移特性 图2 4v d m o s 的特性曲线 2 3 平面型v d m o s 器件的特点 ( 1 ) v d m o s 器件属多子器件，没有少数载流子存储效应，开关速度快、 工作频率高，开关损耗小。 ( 2 ) v d m o s 器件也称电压控制器件。输入阻抗高、驱动电路简单且驱动 功率小； ( 3 ) 安全工作区大，无二次击穿效应。 ( 4 ) 4 由于载流子迁移率随温度的上升而减少，使得v d m o s 器件的漏极电 流具有负的温度系数，并有良好的电流自调节能力，可有效地防止电流局部集 中和热点的产生。 ( 5 ) 热稳定性好，在环境温度1 0 0 还能正常工作； ( 6 ) 电流分布均匀，容易通过并联方式增加电流容量，具有较强的功率处 理能力。 ( 7 ) v d m o s 器件采用“自对准双扩散”工艺，利用周一多晶硅栅进行p 、 n 两次“白对准双扩散”。并利用两次扩散的横向扩散差形成沟道长度，这样大 大提高了单位面积中元胞的密度，有利于大电流性能的实现。 ( 8 ) 短沟道器件在一定的栅源电压下，跨导为常数，线性很好，放大失真小， 丙此不需要深度负反馈便可实现高保真功率放大，实用性较强。 6 1 1 8 上海大学工学硕士论文 第三章v d m o s 器件的软件模拟分析 随着微电子技术的迅速发展，集成电路工艺技术不断提高，大规模集成电 路器件的尺寸越来越小，使得集成电路技术更趋复杂，多维效应越来越显著。 9 0 年代进入了以超大规模和甚大规模集成电路为主导的微电子技术时代，由此 推动了以计算机技术为核心的信息技术的发展，从而掀起了一场世界工业革命。 人类已逐步掌握了在一个只有几平方厘米大小的半导体材料芯片上制造几千万 个甚至上亿个晶体管技术，大量的工艺技术难点需要深入研究，晶体管工艺结 构参数与电特性的复杂关系已无法通过实验或人工计算获得，必须采用计算机 辅助设计( c a d ) 技术，方可实现微电子工业的技术进步。集成电路计算机辅助 设计已成为分析和设计大规模和超大规模集成电路的重要手段。v 1 它在半导体 器件的物理分析、新型结构器件的预研、超大规模集成电路的设计和优化等许 多方面均有较高的实用价值，因而受至了科技人员的普遍重视，并得到了日益 广泛的应用。集成电路计算机辅助设计技术还包括工艺仿真、器件模拟和电路 分析三大部分。 3 1低压大电流v d m o s 的工艺仿真 近代计算机技术的发展出现了二维乃至三维器件仿真以及虚拟f a b ，传统 的依靠经验的设计方法被多视角高效能的仿真设计所代替。这对提高设计效率， 降低研发成本，缩短产品上市对间方面有众多优点，堪称器件设计学领域的一 场革命。 3 1 1 集成电路工艺仿真系统t s u p r e m - i v 集成电路工艺模拟系统就是根据给定的器件结构、工艺步骤和工艺参数， 利用数值技术，求解半导体器件内部的结构变化和杂质分布，即求解由工艺模 型所描述的微分方程或代数方程，从而实现对集成电路制造工艺过程的计算机 仿真，为设计者提供有价值的参考数据。因为集成电路工艺模拟系统是集成电 路计算机辅助设计的基础环节。工艺仿真为工艺工程师完成集成电路工艺的优 化设计提供了重要的工具。自8 0 年代初期，以美国斯坦福大学集成电路实验室、 美国加州大学伯克利分校半导体实验室以及美国贝尔实验室等率先进行了大量 工作，开发出并逐步升级、完善了多种集成电路工艺模拟系统。目前，比较成 熟的集成电路工艺模拟系统是由美国斯坦福大学开发的s u p r e m ( s t a n f o r d u n i v e s i t yp r o c 笛s e n g i n e e r i n gm o d 蹦s ) 系列集成电路工艺模拟系统。 s u p r e m 系列集成电路工艺模拟系统已经是当今国际上用户群最大的集成 电路工艺计算机辅助设计系统。随着人们对集成电路制造工艺过程的深入研究 和对工艺过程的控制要求越来越高，对集成电路工艺过程仿真的要求也更高。 因此，开发者对s u p r e m 集成电路工艺模拟系统进行了不断的改进和补充。到 目前为止，已经先后推出了四代s u p r e m 工艺模拟系统，第一代名为 s u p r e m i ，发表于1 9 7 7 年，仅在试验室条件下进行了试用。1 9 8 0 年推出了第 二代版本名为s u p r e m i i ，s u p r e m i i 进行了世界范围内的技术转让，有了一 定的产业化应用。1 9 8 3 年又对原版本做了较大修改，推出了第三代版本 s u p r e m 一。美国t m a ( t e c h n o t o g ym o d da d v a n c e d ) 公司集楣关技术成果在前 j 三个版本的一维模拟基础之上，历经近十年的时间，于1 9 9 7 年推出了对集成电 路平面制造工艺进行二维模拟的第四代版本t s u p r e m i v 。 1 9 上海大学工学硕士论文 s u p r e m 系列系统版本的不断升级完全是应集成电路技术发展的需要、电 子系统高度集成的需要、集成度大幅提高给集成电路各个环节的设计工作所带 来的障碍而不断提出的。版本升级的主要标志有以下几点：模拟的维数由一维 二层结构、一维多层结构至二维多层结构；可模拟的效应由一级效应、二级效 应扩展到二维状态下的诸多效应；相应的数学物理模型逐步扩展，模型精度明 显提高；数值算法更趋完善，从而使模拟的精度更为精确，算法精度有所保障。 3 1 2t s u p r e m - i v 的仿真功能 t s u p r e m i v 是当前最新一代的集成平面工艺仿真系统，它是集成电路工 艺仿真s u p r e m 系列系统的最高版本，它适用于深亚微米层次的二维集成工艺 仿真【8 】。t s u p r e m i v 与前几种版本主要的区别就是由实施集成电路平面工艺 的一维纵向模拟扩展到了二维平面模拟。自然，实现二维模拟，无论在模型上 还是算法上都有了很大的变化。一些在一维的s u p r e m 模拟系统中无法进行的 模拟在二维仿真系统中得到了很好的描述。 t s u p r e m l v 集成电路制造工艺仿真系统适用于小尺寸超大规模集成化 工艺仿真的系统，被广泛地应用于集成电路的物理验证和工艺层次的设计领域。 应用t s u p r e m l v 集成电路制造工艺仿真系统对分析和研究、监控、抑制深 亚微米级器件的小尺寸效应是十分必要的。 t s u p r e m i v 在常规工艺模型的基础上，收人了众多小尺寸效应模型。通 过二维数值运算，可描述深亚微米特征线宽条件下诱发出的诸多二级效应，描 述小尺寸效应中的杂质的迁移行为。 t s u p r e m i v 集成电路工艺仿真系统可仿真半导体晶片内的二维剖面结 构。以集成平面工艺过程中的刻蚀步骤为例，二维仿真要实现定域的选择性刻 蚀描述，必须考虑到腐蚀行为的二维效应。显然，若在工艺结构过程中不能模 拟出实际的横向结构特征来，随后的器件物理特性仿真则无从傲起。因为恰恰 是器件特征尺寸的缩小才使得诸多横向效应不可忽略。 t s u p r e m - i v 集成工艺仿真系统可完成的主要功能如下： m 单极性m o s 器件和双极性器件结构平面工艺过程的仿真，用于实现工 艺结构参数的提取与验证，可实现二维工艺仿真的工序包括：离子注人过程、 选择性定域刻蚀、常规热扩散或热驱动( 高温热氧化、再分布过程) 、外延生长 过程及其自掺杂效应、各种硅化物的汽相淀积过程； ( 2 ) 收入的非本征态杂质迁移模型为研究杂质瞬态增强扩散( t e d ) 效应、氧 化增强扩散( o e d ) 效应、掺杂剂界面间隙结团和陷阱效应所造戌的损耗 ( d o s e - l o s s ) 效应提供了精确的模型平台； ( 3 ) 可进行非均匀定域氧化的定量分析以及氧化层错沉积行为的模拟； ( 4 ) 可以模拟器件若干结构形式下的电特性参数，如：薄层扩散电阻、闽 值电压、c v 特性曲线等： ( 5 ) 仿真系统设置了可与m e d i d ，d a v i n c i ，t a u r u s d e , i c e 等器件物理特 性仿真系统进行数据接口的功能，可方便地进行两仿真系统的数据传递或联机 仿真。 t s u p r e m l v 集成电路工艺仿真系统可实施的仿真功能覆盖了当今各类集 成电路的平面工艺工序，诸如各种环境下的扩散工序、各种氧化剂形式以及各 种组合方式下的氧化行为、硅化物介质淀积过程的仿真、各类集成电路制造所 使用的掺杂元素的离子注入行为、各种外延生长( 正外延、反外延、同质外延、 上海大学工学硕士论文 异质外延) 过程的描述、氧化介质膜淀积工艺、多形态选择性窗口刻蚀的二维描 述、多晶硅介质的淀积等等。更为重要的是t s u p r e m i v 集成电路工艺仿真系 统依据二维工艺模型，适时地反应出各种工艺过程中杂质元素的各向异性行为。 这样，可以在考察掺杂杂质纵向行为的同时连带考察它们的横向行为，特别是 对于小尺寸器件工艺；0 d z - 过程的仿真尤为重要。 t s u p r e m i v 集成电路工艺仿真系统的模型升级重点在杂质扩散过程二维 仿真上。其主要扩充点是与杂质属性密切相关的若干二级效应，诸如离子激活 效应、杂质分凝效应、点缺陷复合效应等等。正是因为引入了上述效应的二维 描述，则需要考虑掺杂环境分气压的动态变化、不同掺杂气氛及其气氛流量并 建立二维各向异性的杂质属性模型，它包含了众多具有各向异性特征的、与杂 质属性密切相关的特征参量。如杂质以间隙运动方式或替位运动方式运动的扩 散通量因子：杂质以间隙或替位模式状态下的扩散系数；施主杂质离子或受主 杂质电量取值的不同；非平衡条件下热缺陷对两种扩散机制的不同影响，以不 同的扩散增强因子来描述。 3 1 3t s u p r e m i v 的小尺寸效应模型 t s u p r e m i v 系统涵盖了深亚微米级小尺寸效应的行为，有效地描述小尺 寸集成化器件所必须考虑的问题。例如：侧向腐蚀所造成的边沿乌嘴刻蚀形态， 这就需要引人腐蚀的各向异性数据模型及侧向腐蚀效应。在体内的杂质迁移、 扩散过程的描述方面，t s u p r e m i v 扩充了与杂质属性密切相关的离子激活效 应、二维分凝效应、点缺陷界面复合效应。在深亚微米层次下实施高能离子的 注人及退火行为，t s u p r e m - i v 将杂质元素的迁移分解为间隙运动方式及替位 运动方式两类扩散模式。这样，常规的一维流量连续性方程变形为以下二维扩 散流量方程，其扩散流量方程的通式如下： l _ c ：一v ( j 。，+ j 。) ( 3 1 ) a t “ “ 、 式( 1 ) 中c 是模拟位置点的杂质化学浓度；t 是当前扩散状态下的绝对温度值； v 是浓度梯度算子； 与 分别表示间隙方式及替位方式两类迁移模式的面密 度通量。 l 。一砜1v h 等卜面m 胭l q e | ( 3 2 ) ，。一或1 v i c , 。等j 铊“c 。等j 等 ( 3 3 ) 上两式为山与 的表达式。式中：d 。是杂质间隙机制下的扩散系数；d 。是杂质 替位机制下的扩散系数；z 8 是杂质离子电量：q 是电子电荷电量：k 是波尔兹曼 常数；c 。是动态杂质浓度。半和导则反映了非平衡条件下体内热缺陷对两 m , v 种扩散机制的影响程度，被定义为热缺陷扩散增强因子。问题极为复杂的是， 诸多参数均与杂质属性、扩散温度、掺杂的动态浓度变化、自建电场强度、晶 体取向等因素相关。d 。和o 。又分别具有一系列分量描述。 t s u p r e m i v 基于二维平面模拟，使用户可以定义定域的氧化介质形成过 程及区域结构。可以模拟多晶硅含氧介质的结构变化过程和含氮氧化物介质的 上海大学工学硕士论文 形成，从而使精确模拟非平面介质结构和多晶硅含氧的介质结构成为可能，这 正是对当代c m o s 介质隔离工艺的仿真而设置的。 可模拟硅化过程是t s u p f q e m i v 所扩展的一项新的模拟功能。其硅化模型 中包括了含锑硅化物的淀积、含钨硅化物的硅化过程模拟。t s u p r e m i v 可对 杂质离子的注人过程实现剖面分布的面分布描述；可对离子注人过程中因与晶 体内原子碰撞而造成的损伤程度进行仿真；可实施多层结构靶的注入模拟。 t s u p r e m i v 扩充了外延生长过程的体内杂质补偿效应模型和外延生长过程中 的杂质反扩散效应模型。 3 1 4 功率v d m o s f e t 工艺流程的t s u p r e m i v 仿真例 对于各种不同性能要求的功率v d m o s 器件可采用不同工艺流程，由于工 艺水平的不断提高，其工艺过程也越来越完善。我们设计的这个低压大电流 v d m o s 晶体管的管芯工艺流程共使用掩膜版十张，氧化过程七次。以下为我 们所采用的工艺流程的主要步骤： 1 n + 型低阻衬底片抛光准备：晶向 ，掺磷 2 n 型外延( 4 u m ) ，掺磷 3 基氧：最终生长0 0 2 p m 厚的氧化层 4 淀积s i a n 4 5 光刻有源区( m 1 ) 6 场氧化：最终生长l o r e 厚的氧化层 7 三层腐蚀：刻蚀s i 3 n 止的氧化层，刻蚀s i 3 n 4 ，漂光基氧 8 预栅氧：最终生长0 0 2 p m 厚的氧化层 9淀积光刻胶 1 0 光刻浓硼区( p + ) ：刻蚀光刻胶( m2 ) 1 1 浓硼区( p + ) 注入 1 2 除去光刻胶，漂光基氧 1 3 栅氧化( 3 0 0 a ) 1 4 生长多晶硅：掺磷 1 5 淀积光刻胶 1 6 光刻栅区：除去光刻胶，刻蚀多晶硅( m3 ) 1 7 除去光刻胶 1 8 多晶硅氧化：最终生长o 0 2 p m 厚的氧化层 1 9 淀积光刻胶 2 0 光刻p 阱区：刻蚀光刻胶( m 4 ) 2 1 硼离子注入 2 2 除去光刻胶 2 3 p 阱再分布 2 4 淀积光刻胶 2 5 光刻n + ( 包括等位环) ( m 5 ) 2 6 n + 砷注入 2 7 除去光刻胶 2 8 淀积光刻胶 2 9 光刻多晶硅( i i ) 刻蚀光刻胶( m 6 ) 3 0 刻蚀氧化层，除去光刻胶 上海大学工学硕士论文 淀积多晶硅( 1 1 ) 淀积光刻胶 反刻多晶硅( 1 1 ) 刻蚀光刻胶( m 7 ) 刻蚀多晶硅l ” 除去光刻胶 b p s g 淀积光刻胶 光刻引线孔，刻蚀光刻胶( m 8 ) 刻蚀氧化层 除去光刻胶 蒸镀铝膜 淀积光刻胶 反刻铝，刻蚀光刻胶( m 9 ) 刻蚀铝 除去光刻胶 铝合金 表面钝化( 低温s i 3 n 4 ) 淀积光刻胶 光刻压焊点，刻蚀光刻胶( m 1 0 ) 刻蚀钝化层 除去光刻胶 背面减薄 喷沙 背面多层金属化 芯片测试划片和包装入库 m 1 m 1 0 为十张掩膜版。 3 1 5功率m o s f e t 的核心工艺仿真程序 c o m m e n t l n i t l a l i z e 尸i t a x y d i f f u s e d e p o s i t d i f f u s e e 了c h d e p 0 s | t e 丁c h l m p l a n t e t c h e t c h d i f f u s e m a t e r i a l d e p 0 s i t d e p o s l t t s u p r e m 一4 ，m e d i c li n t e r f a c e p h o s = i e l 8 t h i c k = 4 s 陬c e s = 4 0 t e m 陆1 2 0 0p h o c 4 e 1 6 t i m e = 7 0t e r r g k 9 0 0 n i t r i d e t h i c k = 0 1 t im e = 3 0t e m p = 1 0 0 0f n 2 = 6 n i t r i d e p h a 代) r e s i s t t h l c k = 0 5 p h a k ) r e s i s l il e f ti = 1 x = 0 6 b o r o nd o s 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