（微电子学与固体电子学专业论文）功率集成电路兼容技术的研究.pdf

摘要 摘要 在微电子技术和电力电子技术的交叉推动下，功率集成电路( p o w e r i n t e g r a t e dc i r c u i t ，简称p i c ) 得到迅速的发展，其应用领域也在不断扩大，目 前已经广泛运用于马达驱动、电源管理、汽车电子和平板显示等领域当中。特 别是近几年随着新工艺和新器件的不断出现，p i c 也逐步向p s o c ( p o w e r s y s t e m o nc h i p ) 方向迈进，但是其成本和工艺复杂度等问题始终限制着p i c 的进一步 发展。因此，开展功率集成电路兼容技术的相关研究，开发具有自主知识产权 的b c d 工艺，并研制相应的各类功率集成电路仍有着非常重要的现实意义。 本文围绕着p i c 兼容技术及其研发的整个过程，对p i c 的工艺流程、器件 结构和电路设计等方面展开了一些深入研究。主要工作和创新点有： l 、提出了适用于超高压( 5 0 0 v ) 单片智能功率i c 制造的b c dz i 工艺 技术方案。该工艺方案能将无外延的双r e s u r f 结构横向功率l d m o s 器件与 p w m 低压控制器兼容在一起，共同组成p w m 开关电源智能功率集成电路。 该电路流片结果表明该l d m o s 器件性能良好，击穿电压可达7 0 0 v 左右，低 压p w m 开关电源部分亦工作正常，所有参数均达到设计指标。该p i c 芯片的 流片成功( 在国内未见同水平报导) ，验证了b c dz i - i - 艺技术方案的正确性 与切实可行性。 2 、提出了适用于高压( 2 0 0 v ) 、低导通电阻的功率i c 制造的b c dz 2 工艺技术方案。该工艺方案能将纵向功率v d m o s 器件、电平位移电路和低压 控制电路等兼容在一起，共同组成高压平板显示器中的高压驱动集成电路。该 工艺流程具有工艺相对简单、工艺层次少和成本低等特点。经过流片和测试表 明，不仅所有元器件的性能均能达到预先设定的要求，而且该p d p 显示扫描驱 动i c 的功能和性能全部达到设计指标。该p d p 扫描驱动i c 的流片成功，也验 证了b c dz 2 工艺技术方案的可行性和正确性。 3 、为了验证b c dz 2 工艺技术方案的正确性与可行性，开发设计了一种 用于p d p 显示的扫描驱动i c 。该扫描驱动i c 实现p d p 显示系统所需求的所有 功能，能工作在1 5 1 6 0 v 高压下，并具有相当大的驱动电流能力。在完成电 路设计、版图绘制和验证的基础上，进行了流片验证。测试结果表明该扫描驱 i 浙江人学博上学位论文 动i c 的所有功能和性能指标均达到了预先设计的要求，最大工作频率达到 2 0 m h z 。作为检验驱动能力的两个关键参数，它的上升沿和下降沿时间分别为 1 6 5 n s 和3 0 n s ( 高压电源v p v = 9 0 v 和负载c l = 2 0 0 p f 情况下) 。 4 、针对b c dz 2 - i - 艺技术方案中出现的h v - v d m o s 器件，为了更好的降 低其导通电阻，提出了一种计算其导通电阻和特征导通电阻的三维解析模型。 由于集成v d m 0 s 器件的漏极要从芯片表面引出，其横向埋层和漏极注入等寄 生电阻会对导通电阻产生极大的影响，因而这就需要对v d m o s 器件的布局和 元胞数做最优化的处理。利用该3 d 模型，可以很好地预测器件元胞布局和漏 极接触边数对特征导通电阻的影响，从而可以计算出限定面积下达到最小导通 电阻的最佳元胞数和漏极接触边数以及器件结构布局。 整个论文围绕着p i c 兼容技术及其工艺方案实现这一主线，研究提出了两 种不同p i c 类型的b c d 工艺技术方案，并在此基础上成功研制了两种相应类 型的p i c 芯片。这两种工艺技术方案由于针对的p i c 需求不同，其工艺方案也 是截然不同的，以此来满足不同p i c 对耐电压、电流等特殊的需求，这也一定 程度上为p i c 设计者提供了选择余地。该类芯片的研制成功，一方面意味着可 以打破该类芯片只能依赖进口的落后局面，另一方面意味着具有完全自主知识 产权的高压集成电路工艺生产线的国产化也不是不可能的。本文的工作为今后 进一步进行p i c 工艺和电路国产化研究积累了技术经验，同时通过全方位地对 p 1 c 研发整个流程的尝试，为相关技术推广及产业化打下了基础。 关键词：功率集成电路、兼容技术、b c d 工艺、l d m o s 器件、p w m 开关电 源i c 、v d m o s 器件、导通电阻、p d p 扫描驱动i c i i a b s t r a c t a b s t r a c t d r i v e nb yt h ed e v e l o p m e n to fm i c r o e l e c t r o n i c st e c h n o l o g ya n dp o w e r e l e c t r o n i c s ，t h ep o w e ri n t e g r a t e dc i r c u i t s ( p i c s ) a r eb o o m i n gq u i c k l y , a n da r e w i d e l yu s e di nm o t o rd r i v e r s ，p o w e rm a n a g e m e n t ，a u t o m o t i v ea n df l a t - p a n e ld i s p l a y r e c e n t l y , m a n yn e wt e c h n o l o g i e sa n dd e v i c e sa r er a i s e da n dp s o c ( p o w e rs y s t e m o nc h i p ) i sc o m i n gt ot h ef o r e h o w e v e r , t h ef u r t h e rd e v e l o p m e n to ft h ep i e si s r e s t r i c t e db yt h ec o s ta n dp r o c e s sc o m p l e x i t yo fi n t e g r a t i o n t h e r e f o r e ，i ti s s i g n i f i c a n tt od or e s e a r c hi n t ot h ec o m p a t i b i l i t yt e c h n o l o g ya n dd e s i g nf l o wo fp i c s ， t od e v e l o pt h eb e d ( b i p o l a r - c m o s d m o s ) p r o c e s s 谢t h0 1 1 1 o w ni n t e l l e c t u a l p r o p e r t y ( i p ) r i g h t sa n d t oi m p l e m e n tt h ec o r r e s p o n d i n gp o w e ri cc h i p s t h e w o r ko ft h i sd i s s e r t a t i o ni sd e v o t e dt ot h er e s e a r c ho nt h ec o m p a t i b i l i t y t e c h n o l o g ya n dt h ep i cd e s i g nf l o w , i n c l u d i n gt h ep r o c e s sf l o w , d e v i c es t r u e t u r ea n d c i r c u i td e s i g n t h em a i nc o n t e n t sa n di n n o v a t i v ep o i n t so ft h i sd i s s e r t a t i o na r el i s t e d b e l o w ab c dt e c h n o l o g ys c h e m en a m e db c d z ii sp r o p o s e df o rt h em a n u f a c t u r eo f m o n o l i t h i cs m a r tp i e s ，i nw h i c hh i 曲b l o c k i n gv o l t a g em o r et h a n5 0 0 vi sa c h i e v e d i nt h eb c d z ip r o c e s ss c h e m e ，t h en o e p i t a x i a ld o u b l e r e s u r fl d m o si s i n t e g r a t e dw i t ht h el o w v o l t a g ep w m c o n t r o l l e rt oc o n s t i t u t eap w ms w i t c hs m a r t p o w e ri c t h et e s tr e s u l t ss h o w t h a tt h eb r e a k v o l t a g eo f t h el d m o si sa b o u t7 0 0 v a n dg o o df u n c t i o na n dp e r f o r m a n c eo ft h ep w ms w i t c hp o w e ri cw i t ht h el d m o s a r ea c l l i e v e d t h e nt h ep i ei su s e di nt h es w i t c hp o w e rs u p p l ya p p l i c a t i o n s ，a n d w o r k sv e r yw e l l t h ef e a s i b i l i t ya n dt h ev a l i d i t yo fb c d _ z 1t e c h n o l o g ys c h e m ea r e v e r i f l e d a b e dt e c h n o l o g ys c h e m en a m e db c dz 2i sp r o p o s e df o rt h em a n u f a c t u r eo f t h ep i e sw i t hh i g hb l o c k i n gv o l t a g eb e l o w2 0 0 va n dl o wo n - r e s i s t a n c e i nt h e b c d _ z 2p r o c e s ss c h e m e ，t h ev e r t i c a ld m o s i si n t e g r a t e dw i t ht h el e v e l s h i f t e ra n d l o w v o l t a g ec o n t r o lc i r c u i t ，a n dah i g h v o l t a g ef i a t d i s p l a yd r i v e ri ci si m p l e m e n t e d t h i sb c d _ z 2t e c h n o l o g ys c h e m ef u r t h e rs i m p l i f i e st h ep r o c e s ss t e p s ，r e d u c e s 1 1 1 浙江大学博l 学位论文 p r o c e s sc o m p l e x i t ya n dc o s t t h et e s tr e s u l t ss h o wt h a ta l lt h ed e v i c e si m p l e m e n t e d w i t hb c dz 2h a v er e a c h e dt h ed e s i g ns p e c i f i c a t i o n sa n dt h ec o r r e s p o n d i n gp d p s c a nd r i v e ri ci sr e a l i z e d t h es u c c e s so ft h ep d ps c a nd r i v e ri ca l s oc o n f i r m st h e v a l i d i t yo f t h ep r o p o s e d8 c pz 2t e c h n o l o g ys c h e m e ap d ps c a nd r i v e ri ci sd e s i g n e da n di m p l e m e n t e dt ov e r i f yt h ef e a s i b i l i t yo f t h eb c d z 2t e c h n o l o g ys c h e m e a l lo ft h ef u n c t i o n so ft h ep d ps y s t e mr e q u i r e d a r er e a l i z e db yt h ep d ps c a nd r i v e ri c i ti sa b l et ow o r ku n d e rt h ev o l t a g e1 5 1 6 0 v a n da l s op r o v i d e sh i g hd r i v i n gc u r r e n t t h ep i ci si m p l e m e n t e dw i t ht h eb c d 丑 p r o c e s s t h et e s tr e s u l t ss h o wt h a tt h ef u n c t i o n sa n dp e r f o r m a n c eo ft h i sp d p s c a n d r i v e ri ca r ea c h i e v e d ，a n dt h em a x i m u mo p e r a t i o n a lf r e q u e n c yi s2 0 m h z a st h e k e yp a r a m e t e r se s t i m a t i n gt h ed r i v i n gc a p a b i l i t y , t h er i s i n ga n df a l l i n gt i m ea r c 1 6 5 n sa n d3 0 n su n d e rt e s tc o n d i t i o n so f v p p = 9 0 va n dc l = 2 0 0 p f , r e s p e c t i v e l y a ni n - d e p t hs t u d yi sc a r r i e do u tt or e d u c et h eo n - r e s i s t a n c eo ft h ei n t e g r a t e d v e r t i c a ld m o si nt h eb c dz 2t e c h n o l o g ys c h e m e a3 - d i m e n s i o na n a l y t i c a lm o d e l i sp r o p o s e dt oc a l c u l a t ei t so n r e s i s t a n c ea n ds p e c i f i co n r e s i s t a n c e s i n c ea l lt h e c o n t a c t so ft h ei n t e g r a t e dv d m o sa r eo nt h et o ps i d eo ft h ec h i p ，t h ec a l c u l a t i o n a n dc h a r a c t e r i s t i co fi t so n r e s i s t a n c ea t en o ti d e n t i c a lw i t ht h ec o n v e n t i o n a l v d m o s t h eo n r e s i s t a n c eo fa ni n t e g r a t e dv d m o sv a r i e sw i t ht h ep l a c e m e n ta n d t h en u m b e ro fs o u r c ec e l l s s ot h ec e l ll a y o u ta n dt h es i d en u m b e ro fd r a i nc o n t a c t s n e e dt ob ec o n s i d e r e di nt h ed e s i g no ft h ei n t e g r a t e dv d m o s u s i n gt h i sm o d e l ，t h e o p t i m a ll a y o u to ft h ei n t e g r a t e dv d m o s w i t ham i n i m a ls p e c i f i co n - r e s i s t a n c ec a n b ea c h i e v e dw i t h i nal i m i t e dc h i pa r e a ，a n dt h ec o r r e s p o n d i n gn u m b e ro fc e l l sm x n a n ds i d en u m b e ro f d r a i nc o n t a c t sc a l lb ec a l c u l a t e d t h ew o r ko ft h i sd i s s e r t a t i o ni sf o c u s e do nt h ep i cc o m p a t i b i l i t yt e c h n o l o g y a n dt h ec o r r e s p o n d i n gd e s i g nr e a l i z a t i o n i tp r o v i d e st w od i f f e r e n tb c dt e c h n o l o g y s c h e m e sf o rp 1 cd e s i g n ，a n dt w oc o r r e s p o n d i n gp i cc h i p sa r ed e s i g n e da n d m a n u f a c t u r e d t h et w ot e c h n o l o g ys c h e m e sa r ed i s t i n c to b v i o u s l yf o rd i f f e r e n t a p p l i c a t i o n s ，a n dt h e yp r o v i d es o m ed e g r e e so ff r e e d o mo ft h ep i cd e s i g n t h e s u c c e s so ft w ob c dp r o c e s si n d i c a t e st h a tt h ed o m e s t i cm a n u f a c t u r eo fb c d a b s t r a c t p r o c e s sw i t ho u ro w ni n t e l l e c t u a lp r o p e r t yr i g h t si sr e a l i z a b l e t h ew o r ko ft h i s d i s s e r t a t i o np r o v i d e ss o m ee x p e r i m e n t sf o rf u r t h e rp i cp r o c e s sa n dc i r c u i t r y r e s e a r c h ，a n da l s o m a k e ss o m e p r e p a r a t i o n f o r t e c h n o l o g y t r a n s f e ra n d i n d u s t r i a l i z a t i o n k e y w o r d s ：p o w e r i n t e g r a t e dc i r c u i t ，c o m p a t i b i l i t yt e c h n o l o g y , b i p o l a r - c m o s - d m o sp r o c e s s ，l d m o s ，p w ms w i t c hp o w e ri c ，v d m o s ， o n - r e s i s t a n c e ，p d ps c a nd r i v e ri c v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得堑鎏盘茎或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的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谢意。 学位论文作者签名： i 菱殇 签字日期：知冶7 年7 月 ，。日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解迸鎏盘鲎有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权堑姿态鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： ：笈岛 导师签名： 签字e t 期：如刃年f 月，i f t 学位论文作者毕业后去向： 工作单位； 通讯地址： 疆屈 签字醐：叼年j 肌堋 电话： 邮编： 第一章绪论 第一章绪论 近十多年来，随着各种半导体材料制备技术、集成电路制造工艺以及新型 功率器件技术的不断涌现和提高，将功率器件、信号处理系统、通信接口和控 制电路等集成在一个芯片上的功率集成电路，得到了实质性的快速发展【1 5 】。 迄今已有一系列p i c 产品问世，包括电源管理电路、电机驱动电路、平板显示 驱动电路和智能功率m o s 开关等【6 ，7 】。 面对当今信息社会，环境和生活需求的不断提高，p i c 也需要不断发展来 适应时代的要求。特别是近几年来，出于电子系统对体积、可靠性、性能和成 本等方面的不断要求，p i c 也需要向更快速度、更多功能、更低成本、更大功 率处理和更低功耗等方面发展，因此对p i c 集成技术的研究，特别在兼容技术、 电热效应和功率器件库模型等方面仍面l 临着很多挑战。 1 1 功率集成电路简介 功率集成电路( p i c ) 是指将功率器件、控制电路、信号处理和通讯接口 电路等集成在同一芯片中的特殊集成电路。p i c 作为集成电路中的一个重要分 支，一直发挥着至关重要的作用。与分立器件相比，p i c 不仅在电路性能、电 路稳定性和功耗方面有很大的优势，而且在降低成本、减小体积和减轻重量等 方面也有着巨大的潜能。 正是有着这些优势，p i c 被广泛地运用于通信与网络、计算机与消费电子、 工业与汽车电子等诸多应用领域，其典型的应用领域如图1 1 所示【8 ，9 】。从图 中可以看出，一般低压低电流( 电流 i a 且电压 3 0 v ) 的p i c 主要应用于消费 类电子，如音响功放、l e d 驱动和l c d 驱动等；中等电流和中等电压( i a 电流 1 0 0 a ，或者1 0 0 v n 。u b ( 近似认为n 印i 大于n 。b 的1 0 倍) 时，击穿 电压主要取决于衬底的浓度。衬底浓度越低，在保证n w e l l 结深足够的情况下， 耐压越高。当在实际运用中，低浓度的衬底材料制备难度很高，而且低浓度的 衬底材料易导致c m o s 电路的闩锁效应，从而不利于该功率器件在标准c m o s 工艺中的运用。从这个角度出发，需要综合考虑衬底的浓度。由于击穿电压主 要取决于衬底浓度，为了使b v 7 0 0 v ，从式中可以计算出衬底浓度 n s u b n n w c i l n s u b 。根据公式( 3 3 ) 4 1 报办 浙江j = 学博上学位论文 和( 3 4 ) 可推得，q p t , , 矗1 4 e 1 2 c m 2 和q n 。盟8 e 1 2 c m 。2 。由于双r e s u r f 结 构下q n 。比单r e s u r f 结构提高了近倍，从而可以大大降低器件在漂移区 的导通电阻。 为了保证p r o p 层和n w e l l 层在击穿之前己完全耗尽，这两层单位面积电荷 数还必须满足q _ m 一1 4 x 1 0 ”硎- 2 。由此可以得到双r e s u r f 结构的 l d m o s 器件最佳优化区域，如图3 4 所示 7 2 1 。当n w e l l 单位面积电荷数较小 时，p t o p 层单位面积电荷数可调节范围也更小。实际工作时，由于n w c l l 和p t o p 掺杂分布呈现不规则的形状，同时会在p t o p 层产生中和，所以需要借助t c a d 软件仿真才能得到最优的工艺参数值。 图3 4 双r e s u r f 结构的l d m o s 器件最佳优化区1 7 2 l 3 2 2 工艺参数对l d m o s 器件性能参数的影响 对于双r e s u r f 结构的l d m o s 器件而言，由于其复杂性的原因目前还没 有精确的解析模型可以借鉴，因而其工艺参数分析和优化需要在初步理论计算 基础上，依靠t c a d 工艺仿真软件( t s u p r e m 4 和m e d i c i ) 模拟才能得到。 在双r e s u r f 结构的l d m o s 器件中，p t o p 层和n w e l l 层的掺杂浓度、衬 底掺杂浓度、漂移区长度、场板间距以及场氧厚度等都影响着器件耐压和导通 电阻等特性。这里就其中几个较关键参数在理论计算基础上进行分析；从而得 出相应的规律。为了更好地分析各个层次对击穿电压和导通电阻的影响，沟道 注入区采用固定注入剂量6 e 1 2 c m ，特征扩散长度1 6 9 i n ，栅氧厚度为7 0 0 a 。 ( 1 ) p r o p 层注入剂量的影响 拍“抽u啦o i z 9 第三章基于b c dz i 工艺方案的双r e s u r f 结构l d m o s 器件及p w m 开关电源s p i c 的设计和实现 对于双r e s u r f 结构的l d m o s 器件而言，n w e l l 中的p r o p 注入剂量和结 深对击穿电压和导通电阻有着强烈的影响。由于p t o p 注入会和n w e l l 注入在硅 表面起中和作用，从而影响最终注入到p r o p 区和n w e l l 区的单位面积总电荷数。 因而实际p t o p 区和n w e l l 区注入剂量并不呈如图3 4 所示关系，但是趋势还是 基本保持一致。 图3 5 首先给出在三种n w e l l 注入剂量( 结深均为7 3 t u n ) 情况下的击穿 电压随p t o p 注入( 特征扩散长度1 1 t t m ) 的变化关系。从中可以看出随着p r o p 层注入剂量的增大，在p t o p 到达一定值时，击穿电压达到最大值。这是因为 p t o p 层注入剂量过大时该降场层不易耗尽，击穿首先发生在漏极表面硅附近， 该处电场升高最快；p l o p 注入剂量过小时该降场层很容易耗尽，造成器件表面 栅电极处电场升高并形成过早击穿。所以为了更好地弱化这两处的峰值电场分 布，需要增加场板技术。从图中还可以看到，随着n w c l l 注入剂量提高到 5 5 e 1 2 c m 。2 ，器件达到7 0 0 v 耐压时p r o p 剂量可选择的冗余范围逐步减小，此 时p t o p 注入剂量偏差不能超过6 ( 图中p t o p 剂量约为5 0e 1 2 c m 也5 6 e 1 2 c m 。2 之间变化) 。因而n w e l l 注入剂量不能太高，否则会给工艺精度控制带 来较大难度，造成成品率下降。图3 6 给出相应7 0 0 v 耐压以上的器件单位电流 密度随p t o p 注入剂量变化关系。对于固定的n w c l l 注入，随着p t o p 注入不断 提高，实际n w c l l 漂移区的单位面积电荷数下降，因而单位电流密度也不断下 降；同时随着n w c l l 注入不断提高，单位电流密度也明显上升。这与理论推导 趋势是保持一致的。 从图3 5 和3 6 中还可以看出，在许可范围内无论n w e l l 的注入剂量怎么变 化，总可以找到相应的p t o p 注入剂量使得击穿电压达到最大值。随着n w e l l 注入剂量的增大导通电阻呈显著减小趋势，这也是双r e s u r f 结构l d m o s 器 件相比单r e s u r f 结构的最大优点。由于n w e l l 的注入剂量和p t o p 层存在很 大的关系，在实际设计过程需要综合考虑。 浙江大学博士学位论文 f = = 彳亘商 1 e - ! - 二4 1 垩垂1 1 1 8 18 2 43 03 642485 46 0 p b 口层注入剂量( x 1 0 1 2 c m 。) 图3 5 击穿电压随p r o p 层注入剂量变化图( - - - 种n w e i 注入剂量下) ? 亘 i 乙 = v 牲 龆 蜒 删 d 岳 1 4 0 8 一- 一35 e 1 2 w o - - 45 e 1 2 一 一55 e 1 2 l 、 182 43 03 6424 85 46 0 p t o p 层注入剂量( x 1 0 1 2 锄2 ) 图3 6 单位电流密度随p r o p 注入剂量变化图( 三种n w e l l 注入剂量下) ( 2 ) p t o p 注入结深和剂量影响 图3 7 给出在三种p t o p 结深( 特征扩散长度分别为1 1 “m 、1 6 肛m 和2 1 岬) 情况下的击穿电压随p t o p 注入剂量变化的关系。从中可以看出随着p t o p 层结 深变大，击穿曲线整体向左移，达到最大击穿电压的p t o p 层注入剂量也减小。 图3 8 给出相应7 0 0 v 耐压以上的单位电流密度随p t o p 层结深变化的关系。p r o p 层注入越浅，参与n w e l l 的载流子中和越少，造成n w e l l 近表面区的浓度较高， 载流子更容易通过漂移区，所以单位电流密度增大，导通电阻降低。 为了降低导通电阻，p t o p 结深需要尽可能减小，但是实际上由于工艺注入、 退火等因素p t o p 结深并不能无限减小，所以这就需要根据工艺限制来确定最小 值。同时p t o p 结深减小也和前面分析产生矛盾，因为n w e l l 注入剂量提高时 p r o p 剂量也提高( 见图3 5 ) ，导致p r o p 退火时更易向下扩散。这就需要设计时 进行折衷考虑。 湖瑚咖锄彻如枷仰o ( u 出口k 啦 第三章基于b c dz i 工艺方案的双r e s u r f 结构l d m o s 器件及p w m 开关电源s p i c 的设计和实现 273 03 336 3 9 4 2 4 5 485 15 45 7 p p 层注入剂量( x 1 0 1 2 e r a 2 ) 图3 7 三种p r o p 结深情况下的击穿电压随p t o p 层注入剂量变化关系 图3 8 单位电流密度随p l o p 层刺量变化图( 三种p r o p 特征扩散长度下) ( 3 ) p t o p 位置影响 在前面分析的基础上，进一步对p t o p 位置进行分析，找出其中的规律性也 将有助于器件的设计。选取n w e l l = 4 0 e 1 2 c m ，p t o p = 3 3 e 1 2c m ，此时基本上 击穿电压达到最高。考察p t o p 和沟道注入之间的间距以及p r o p 和n + 漏区注入 之间的问距对击穿电压和电流密度的影响。图3 9 给出p l o p 和沟道注入间距对 击穿电压和电流密度的影响。从中可以看出当间距很小时，电流密度很小，这 主要是由于p t o p 和沟道注入之间形成的j f e t ，阻碍载流子的漂移；随着间距 拉大，j f e t 效应减小，电流密度提高到一定值后，上升变得很缓慢。而击穿电 压刚开始保持不变，这是场板在起作用，维持着栅下n w e l l 区的耗尽，但是一旦 距离拉大到一定值之后，击穿电压迅速下降。所以p r o p 和沟道注入层的间距要 结合场板一起考虑控制在一定范围内。 1j444+1，11j上 咖珊瑚锄咖锄吾珊佃 v旧脚坎伯 浙江大学博上学位论文 舍 三 冬 。 嚣 鬈 图3 9p r o p 和沟道注入间距对其器件性能的影响 同样，p t o p 层和n + 漏区的间距也影响着电流密度。当间距增大时，电流 密度缓慢增大。由于场板作用，击穿电压并不马上下降，反而随着间距增加略 有上升。当p t o p 间距超过一定间距，场板作用无法限制漏极附近局部电场强度 的上升，击穿电压开始下降，图3 1 0 给出相应的曲线图。 ； | 二= 二- - - - - 。b r e a k v 。o 呦8 i - ，一 - - ，- j 、 ，一一一一l 一 l 7 一一一一 。 0245 8 1 u1 2 p t o p 层和n + 磊区间距( u r n ) 图3 1 0p r o p 和n + 漏区的间距对其器件性能的影响 由于场板技术的作用是弱化表面峰值电场，许多研究已经给出非常详细的 理论和仿真依据 7 3 - 7 5 1 ，这里就场板优化不再展开讨论。 3 2 3 优化之后的l d m o s 器件的结构和参数 在前面分析的基础上，我们对集成功率l d m o s 器件进行优化，考虑到上 述击穿电压仿真值最高为7 3 8 v 左右，而新工艺易产生偏差，因而在上述的基 础上将漂移区长度稍微增大一些达到6 7 5 p m ，p t o p 层长度为5 8 0 p , m ，距左右 n w e l l 边问距分别为5 0 1 u n 和4 0 1 t i n ( 实际间距) 。同时考虑到p r o p 层要同时做 eb膏v趟却境删 5 4 3 2 1 0 瑚 珊 瑚 瑚 伽 咖 ( v 嘲删慷侣 第三章基于b c dz l 工艺方案的双r e s u r f 结构l d m o s 器件及p w m 开关电源s p i c 的设计和实现 茎薰 浙江大学博士学位论文 于线性电流控制占空比转换的中小型p w m 开关电源当中。 3 3 1 开关电源原理 开关电源与线性电源相比，在输出精度、转换效率、性能和输入电压范围 等方面，特别在体积和重量小型化方面，有着巨大的优势。随着电子系统小型 化和便携化的市场需求，开关电源电路的小型化，有着非常重要的意义。 传统开关电源中主要由四部分组成：p w m 或者p f m 控制器、功率开关管、 变压器和反馈电路。早期的开关电源除了控制器和功率开关管之外，还有几十 个分立元件构成的辅助电路，电源系统的可靠性和成本都受到了很大的影响， 因而开发将功率开关管和低压控制功能、保护功能、自启动电路集成在一块芯 片中的技术已成为目前追求的目标。随着近几年工艺技术的发展，这种技术已 经慢慢成熟。这种集成电路给电源系统带来很多优势，减小了外围元件数目， 使开关电源变得更轻更小，同时随着元件的较小，成本得到降低，降低应用设 计的难度。 图3 1 2 给出最简单的p w m 开关电源原理图。它的输入是交流电源电压， 经过二极管整流和电容滤波，生成未经调整的直流电压输入到变压器，然后利 用m o s 管m 1 的开关效应耦合到副边，副边电压经过调整输出直流电压。 c o n t r o l l e r 控制器根据反馈回来的输出电压( 或输出电流) 值的信号调整m i 管 的开关时间的大小，从而使输出电压稳定在一个确定的值上。 图3 1 2 虽简单的开关电源原理图 第三章基于b c d _ z i 工艺方案的双r e s u r f 结构l d m o s 器件及p w m 开关电源s p i c 的设计和实现 3 3 2 开关电源s p i c 的功能及结构 根据智能功率l c 的应用范围和系统要求，它作为离线式p w m 开关电源控 制器，应当把一个开关电源系统中所必需的功能全部集成到芯片中去。它不仅 具有传统开关电源控制器的全部功能，比如p w m 控制器、自启动、过压保护 等，而且在集成功率m o s 管的基础上集成热保护、过流保护、高压启动电路 等功能。图3 1 3 给出这块开关电源智能功率i c 的内部功能框图。 c o m p a r a t o r d r a i n s o u r c e 图3 1 3 开关电源智能功率i c 的内部功能框图 其中c o n t r o l 端作为反馈电流和p w m 控制的输入端，正常工作时，芯片根 据c o n t r o l 的电流来控制功率m o s 管的开关占空比，并提供芯片的供电电流； s o u r c e 端作为低压控制电路和高压m o s 管的公共地；d r a i n 端作为高压m o s 输出管的漏极，在应用电路刚开始启动时，通过内部的高压电流源提供芯片初 始工作电流。随着c o n t r o l 端输入反馈电流的增大，p w m 波形占空比线性变小。 3 3 3 开关电源s p i c 的电路模块设计和仿真 p w m 智能功率开关电源i c 主要完成用线性电流控制功率开关占空比输出 的功能，在此基础上集成其他附加的过流保护、过热保护、过欠压保护和自启 动等等功能。根据这个要求( 见图3 1 3 ) ，这些功能模块分两部分：一部分为 带隙基准源、误差放大器、锯齿波信号发生器、p w m 比较器、驱动电路和逻 辑控制等，这些完成p w m 开关电源i c 的主功能；另一部分为过热保护模块、 浙江火学博士学位论文 过流保护模块、过欠压保护模块、高压启动电路等，这些构成p w m 开关电源 i c 的辅助功能。由于这些模块较为成熟，这里就不一一展开讨论。 对于开关电源智能功率i c 来说，它主要应用于开关电源中，因而还需要对 开关电源整个电路进行分析和仿真，来确定电源系统的稳定性。 3 3 4 开关电源s p i c 的版图设计和验证 由于3 2 章节已经完成双r e s u r f 结构l d m o s 器件的器件和版图设计， 因而这里只需要将它与p w m 低压控制器拼接在一起。由于芯片中集成了功率 l d m o s 管，因而在版图布局中要充分考虑信号的干扰和热影响。实际绘制过 程中，对干扰敏感的模拟电路放在离数字电路最远的地方，同样由于受功率 l d m o s 管热影响，对温度敏感的模拟电路也离得最远。而c m o s 数字电路可 以挨着l d m o s 管迸行布局。为了在流片过程中，测试每个器件的性能参数， 还需要增加一些单元版图( p c m ) ，具体见图3 ，1 4 ( 左边为整体版图，中间为 l d m o s 管，右边为p c m 版图) 。 图3 1 4 芯片版图及p c m 版图 3 4l d m o s 器件及p w m 开关电源s p i c 的测试和应用 3 4 1l d m o s 器件及p w m 开关电源s p i c 的流片 此l d m o s 器件及p w m 开关电源智能功率i c 在基于b c dz i 工艺方案 的3 0 1 a m 工艺线上进行了流片。在流片工艺控制过程中，部分工艺参数在 b c d z 1 工艺方案设计值的基础上进行了局部调整。流片后对该芯片进行了封 装测试。在显微镜下，观测到的l d m o s 器件局部见图3 1 5 ，包含l d m o s 器 件的开关电源智能功率i c 的w a f e r 和封装后的i c 如图3 1 6 所示。 第三章基于b c dz i 工艺方案的双r e s u r f 结构l d m o s 器件及p w m 开关电源s p i c 的设计和实现 图3 1 5 显微镜下l d m o s 器件的局部图 图3 1 6 流片后的w a f e r 和封装芯片图 3 4 2l d m o s 器件的测试分析 针对研发的功率l d m o s 器件，利用半导体参数测试仪进行了测试，下面 给出基于b c dz 1 技术方案的l d m o s 器件的测试结果。 测试结果显示，该l d m o s 器件的阈值电压基本和仿真值保持很好的一致 性。其中最重要的击穿电压曲线见图3 1 7 ，关态击穿电压达到7 0 5 v ( 标号处) 。 在实际流片过程中，曾多次调整p t o p 层注入剂量和退火时间，但是始终