（微电子学与固体电子学专业论文）基于vdmos结构参数的tcad模拟研究.pdf

哈尔滨理工人学t 学硕：t ：学位论文 基于v d m o s 结构参数的t c a d 模拟研究 摘要 随着电力电子技术的高速发展，高性能和高电压v d m o s 功率器件的作用 正日益显现出来。近年来我国在v d m o s 功率器件的研制方面取得了进展，但 在工艺方面还不够成熟。国外的器件由于性能优良及自主产权的优势占据了巨 大的市场份额。因此，对工艺流程及工艺控制的研究具有现实意义。 本文选取国外一种典型的v d m o s 的器件( 击穿电压5 0 0 v 、阈值电压 3 2 v ) 。用浓硫酸热分解法去除封装及芯片表面的铝层，分析内部引线；通过 扫描电镜对芯片表面和横断面进行观察测试，提取器件的表面结构参数及纵向 结构参数。 基于提取的结构参数，利用s i l v a c o 软件的a t h e n a 模块设计工艺流程及 丁艺条件，仿真得到v d m o s 的元胞结构模型，将仿真得到的结果导入到器件 仿真模块a t l a s 中，对元胞的转移特性、输出特性、击穿电压、开关时间等 参数进行器件仿真。仿真结果得到v d m o s 元胞的击穿电压约为5 15 v ，阈值 电压约为3 2 v ，开启时间为0 2 8 9 s ，关断时间为0 1 9 9 s 。 通过结构剖析、工艺仿真、器件仿真三个步骤完成一次逆向设计。分析栅 氧厚度、p 阱掺杂浓度和外界温度等对器件性能的影响，结果表明：随栅氧化 层厚度及p 阱浓度的增加，器件的转移特性逐渐右移，阈值电压增大；且阈值 电压随栅氧化层厚度的增大而线性增大；在5 0 - 1 2 5 。c 温度范围内，阈值电压 随温度的升高而下降。 关键词v d m o s ；微观结构；工艺模拟；器件仿真 哈尔滨理工人学r t 学硕 ：学位论文 t c a d a n a l o gr e s e a r c hb a s e d o nv d m o s s t r u c t u r ep a r a m e t e r s a b s t r a c t ， w i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n t o ft h e p o w e r e l e c t r o n i c t e c h n o l o g y , h i g h p e r f o r m a n c ea n dv o l t a g ep o w e rd e v i c ev d m o sb e c o m em o r ea n dm o r ei m p o r t a n t a l t h o u g hw eh a v em a d ep r o g r e s si nm a n u f a c t u r eo fv d m o sp o w e rd e v i c e ，w eh a v e n o ta c h i e v e dam a t u r es t a g ei np r o c e s s b e c a u s eo ft h ea d v a n t a g ei nt h ee x c e l l e n t p e r f o r m a n c ea n ds e l f - p r o p e r t yr i g h t ，d e v i c em a d ei nf o r e i g nc o u n t r i e so c c u p i e da g r e a ts h a r eo ft h em a r k e t t h e r e f o r e ，t h er e s e a r c ho nt e c h n o l o g i c a lp r o c e s sa n d p r o c e s sc o n t r o lh a sp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e i nt h i sp a p e r , av d m o sd e v i c ew h i c hh a sr e l i a b l ep e r f o r m a n c e ( t h r e s h o l d v o l t a g ei s3 2 v , b r e a k d o w nv o l t a g ei s5 0 0 v ) i ss e l e c t e d t h ep a c k a g ea n da l u m i n u m l a y e ro nt h es u r f a c eo fc h i p h a sb e e nr e m o v e db yt h e r m a l d e c o m p o s i t i o no f c o n c e n t r a t e ds u l f u r i ca c i d ，a n di n t e m a ll e a dw i r eh a sb e e na n a l y z e d t h r o u g h o b s e r v i n ga n dt e s t i n gt h ec h i ps u r f a c eb ys c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e ( s e m ) ，t h e s u r f a c es t r u c t u r ea n dv e r t i c a ls t r u c t u r ep a r a m e t e r sh a sb e e no b t a i n e d b a s e do nt h ee x t r a c t e ds t r u c t u r e p a r a m e t e r s ，t e c h n o l o g i c a lp r o c e s s a n d c o n d i t i o n sa r ed e s i g n e db yt h ea t h e n am o d u l eo fs i l v a c o t h e nc e l ls t r u c t u r e m o d e lo fv d m o sh a sb e e no b t a i n e d a l lt h er e s u l t sg o ti np r o c e s ss i m u l a t i o nh a s b e e ni n t r o d u c e di n t od e v i c es i m u l a t i o ns o f t w a r ea t l a s t h et r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c ， o u t p u tc h a r a c t e r i s t i c ，b r e a k d o w nv o l t a g ea n ds w i t c h i n gt i m eo f t h ec e l la r es i m u l a t e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t et h eb r e a k d o w nv o l t a g ei s515 v , t h r e s h o l dv o l t a g ei s 3 2 v , o p e n i n gt i m ei so 2 8 t s ，t u r no f f t i m ei s0 19 p s t h r o u g ht h ep r o c e s so fs t r u c t u r ed i s s e c t i o n ，p r o c e s ss i m u l a t i o na n dd e v i c e s i m u l a t i o n ，ar e v e r s ed e s i g nw i l lb ec o m p l e t e d t h ep e r f o r m a n c eo fd e v i c e so nw h i c h o x i d et h i c k n e s s ，p w e l lc o n c e n t r a t i o na n dt h eo u t e rt e m p e r a t u r ei n f l u e n c eh a sb e e n a n a l y z e d t h er e s e a r c hr e s u l t s i n d i c a t et h a tt r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i cs h i f t st or i g h t g r a d u a l l ya n d t h r e s h o l dv o l t a g ei n c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s i n go fo x i d et h i c k n e s sa n d i i p 、e uc o n c e n t r a t i o n 。w h e no x i d et h i c k n e s si n c r e a s e s ，t h r e s h o l dv o l t a g ei m p r o v e s l i n e a r l y w i t h i nt h et e m p e r a t u r er a n g eo f 一5 0 12 5 。c ，t h et h r e s h o l dv o l t a g ed e c r e a s e s w i t ht h ei n c r e a s eo ft e m p e r a t u r e k e y w o r d sv d m o s ，m i c r o s t r u c t u r e ，p r o c e s ss i m u l a t i o n ，d e v i c es i m u l a t i o n i 哈尔滨理工人学t 学顾f ：学位论文 第1 章绪论 1 1 功率器件的发展 电力电子技术是一门跨学科的综合技术，其核心是各种变换技术，而各种 变换器则是基于各种电子控制的电力电子开关器件。随着电力电子技术的发 展，电力电子器件已逐渐发展成为其中的一个重要的独立分支。主要应用于电 力的传输、变换、配送、机车牵引、智能控制等方面【l 2 1 。由于电力电子技术 在各个领域内的普及，功率器件j 下体现出越来越大的技术优势和经济效益。尤 其在节能和节材方面，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。从晶闸管、双极功率晶体管到m o s f e t 、v d m o s ( 垂 直双扩散金属氧化物半导体场效应晶体管) 、i g b t 以及功率集成电路( p i c ) 功率半导体器件，功率器件在物理和工艺技术方面取得巨大发展，使电力电子 学作为一门独立的学科高速向前发展p 删。 击穿电压是电力电子器件重要的参数之一，它和最大电流容量一起决定了 电力电子器件的额定功率。对击穿电压的要求随电力电子器件应用场合的不同 而变化，击穿电压的范围可从2 0 v 延伸到6 0 0 0 v ，例如用于开关电源的高速 整流器只需要2 5 v ，用于高压直流传输网络的晶闸管则高于6 0 0 0 v 1 5 6 1 。 1 2 课题背景 1 2 1 高压v d m o s 的发展 相比于双极性晶体管，两者具有相似的输出特性，但m o s 属于压控器 件，具有简单的驱动电路，工作频率要高于双极性晶体管，即开关速度快。并 且m o s 管具有负温度系数，不存在管子的二次击穿，安全工作区更高。 功率器件的发展是在保留m o s 器件优点的前提下，提高器件的功率和工 作电流。早期的m o s 管是在低掺杂浓度的衬底上制备高掺杂浓度的源区和漏 区，这样当漏电压提高时耗尽层将向低浓度区偏移，这样容易使器件击穿。因 此为了提高耐压，避免击穿，必须增加沟道长度。由晶体管原理得到漏电流与 沟道的宽长比成正比，因此，提高沟道长度会使器件的工作电流降低，为了解 决这一矛盾，最先设计了l d m o s 的新结构。但这种结构芯片的表面利用率不 高，影响频率特性。因此在l d m o s 结构的基础上衍生出v v m o s ( 垂直导电 沟道m o s ) ，将漏区、漂移和沟道区移至器件内部和底部，每个v 型槽有两个 导电沟道，这种结构的表面面积大大较小，提高了芯片利用率。但v v m o s 存 在很强的尖端电场，可靠性不高，严重影响器件的耐压，并且器件的导通电阻 比较大，因此在这种结构的基础上改进得到了u 型槽结构。经过进一步的完 哈尔滨理工人学工学硕f ：学位论文 善，最终研制出不暴露氧化层的v d m o s 11 - 1 4 1 。v d m o s 结构克服了上述结构 中存在的缺点，但导通电阻仍较高，在制备过程中通过改善制造工艺，减小漂 移区的厚度及电阻率，降低导通电阻来完善器件的性能，导通电阻和耐压之间 的矛盾是v d m o s 进一步发展的主要矛盾。我国陈星弼院士提出的超结结构 1 1 5 - 2 0 】，突破了v d m o s 在高压领域遇到的瓶颈。超结结构的外延层掺杂浓度提 高了一个数量级，特征电阻降低到以前的1 5 ，打破了s i 特征电阻的极限限制 1 2 0 2 1 。在器件材料改进方面，可选用s i c 新型作为外延材料。s i cl t s i 击穿电 场高、电子饱和速度高、热导率高，这些材料的特性使其在高功耗、高速、高 温开关器件中有巨大的应用潜力1 2 2 - 2 3 ，以s i c 作为外延材料的v d m o s 器件的 导通电阻是用s i 材料的1 2 0 0 2 钔，因此用s i c 做的v d m o s 比用s i 做的i g b t 具有 更优越的性能。 1 2 2v d m o s 的应用 v d m o s 兼有双极晶体管和普通m o s 器件的优点。v d m o s 的应用主要范 围有以下几个方面： 1 在电力电子技术中的应用 ( 1 ) 在开关稳压电源方面可以大幅度地提高工作频率、减小体积、减轻重 量、降低成本、提高效率； ( 2 ) 在变换器中作为功率变换器件，由于驱动简单，开关速度快，大大改 善了变换器的性能。在中小功率变换器中，其优势更为明显； ( 3 ) 在高频加热、超声波加工等设备中，用做主功率振荡和放大器件，这 种设备一般具有高效率、高频率、简单可靠等优点。 2 在计算机中的应用 由于v d m o s 的特性，可直接用集成电路的逻辑信号作为驱动信号，输出 数安培电流带动各类执行部件，如继电器、步进机、打印机、光电指示阵列、 磁盘机等等。用它做接口，比用其它功率器件具有电路简单，使用元器件少， 体积小，重量轻，工作可靠，速度快等优点。许多原先无法实现的系统，现在 使用v d m o s 后可以方便地实现。 3 在音响设备中的应用 v d m o s 具有非常理想的线性转移特性，因此，利用它制造音响设备可以 大大降低失真度，简化电路，也容易实现各种保护功能，因而大量运用于现代 高保真音响设备中。 4 在高频范围内的应用 由于v d m o s 的沟道都很短，又是多数载流子导电器件，所以截止频率都 很高，在高频范围内，v d m o s 功率器件比双极型功率器件具有明显的优点， 因此在通信，微波雷达等设备中都获得同益广泛的应用。 哈尔滨理t 大学t 学硕上学位论文 1 3 国内外发展现状 v d m o s 在国际上己经形成规模化生产，大批量投放市场。主要的国外厂 商有i r 、h a r r i s 、s g s 、m o t o r o l a 、同立、东芝 2 5 1 、i x y s 、a p t 、三菱、富 士、三星、s e m i k r o n 。 新加坡国立大学在结构方面的，通过开槽淀积的方法形成p 槽结构，并 在p 槽和n 衬底之间生长氧化层，解决了p 区和n 区的杂质在相互扩散中的 称这种结构为p f v d m o s l 2 6 1 。美国p u r d u e 大学结合研制的s i c 材料的u m o s 结构，导通电阻为1 9 9 m f 2 c m 2 ，阻断电压为3 3 6 0 v ，创造了新的记录，可以 看出s i c 在高压领域的研发前景。在纵向导电智能功率器件方面，m o t o r o l a 、 i r 、s i e m e n s 、f a i r e h i l d 、三菱、东芝、意法半导体公司等已有一系列v d m o s 问世【2 引，意法半导体研制的自振荡驱动器芯片型一系列产品占有主导地位， 在交直流变换和开关电源方面有广阔的应用前景。 我国经过几年的攻关，v d m o s 研制方面已取得一定的成果，生产功率器 件的公司有杭州士兰、绍兴华悦、吉林华微、辽宁电力电子集团公司、北京电 力电子总公司、汇能电力电子与上海新进。但与国际先进水平相比，在研制、 生产能力以及工艺方面还存在较大的差距1 2 9 - 3 0 l 。许多高校联合企业对 v d m o s 等功率器件进行研究，例如0 7 年起电子科技大学微电子与固体电子 学院张波教授团队与华润上华联合进行功率半导体领域的工艺与器件技术开 发，涉及v d m o s 工艺平台、s o l 高压集成、高压b c d 工艺等三个领域，已 开发5 2 种m o s f e t 产品并销售全球，2 0 1 0 年电子科大张波教授团队在新型 功率半导体器件内场关键技术与应用项目取得的成果获国家科技进步二等奖。 士兰微电子近期推出了新一代v d m o s 产品s r i n 系列高压v d m o s 。 这是士兰微电子历经多年自主研发推出的第三代高压功率器件产品。较之前的 产品，s 。r i n r m 系列性能更加优越，工作电压覆盖4 0 0 v 9 0 0 v 区间，可以兼容 多晶稳压管结构以提高e s d 特性；具有高可靠性，高效率，高e a s 能力，导 通电阻低，动态参数优等特点，己被广泛应用于交直流功率电源，交直流转换 器以及p w m 马达驱动等领域。s - r i n 由于采用了尺寸较小的g r 环作为其 保护环，相同规格的条件下，s - r i n 。m 具有相对较小的芯片面积，这一优势能 有效降低成本，增加芯片的利用效率。 1 4 本课题的目的和意义 为了得到高性能的半导体器件，需要合理地选择和调整各工艺过程，选择 最佳的工艺条件，即进行工艺优化。过去只能采用“流片法即采取试片的方 法进行多次的反复试验，这种方法既费时又费钱，有时还得不到合理的结果。 当前微电子产业发展同新月异，工序逐步细化，流片周期越来越长，以工艺试 验形式取得最佳工艺条件的传统做法已经不能满足生产的需要。由t c a d 构 哈尔滨理t 大学- t 学硕f ：学位论文 建的虚拟f a b 完成新器件及新工艺的开发，不仅突破了标准工艺的限制，而 且可以为自己的产品“量身定制”最合适的制造工艺。另外在对器件进行优化 设计时各种性能之间往往存在矛盾而不能同时得到优化。采用t c a d 的设计 方法则能在较短时间内以很小的代价设计出合乎要求的器件，本文通过对国外 的一种工艺控制优良的v d m o s 器件进行剖析，分析其结构参数，结合 t c a d 技术进行工艺模拟和器件仿真，完成一次完整的逆向验证，为高性能及 高可靠性v d m o s 器件的设计及制造积累知识和经验。 1 5 课题的主要内容 本课题来自国家引进国外技术、管理人才项目计划“v d m o s 器件设计及 工艺分析研究( 2 0 1 0 2 3 0 0 0 9 8 ) 、教育部春晖计划“v d m o s 器件可靠性研究 ( z 2 0 0 5 2 15 0 0 1 ) 、黑龙江省教育厅科技项目“v d m o s 器件可靠性研究 ( 1 1 5 5 1 1 0 0 ) 。 论文选用国外一种击穿电压为5 0 0 v 、阈值电压为3 2 v 的v d m o s 器件 进行结构剖析，提取结构参数，基于结构参数进行工艺仿真和器件仿真。 主要研究内容如下： ( 1 ) 利用半导体特性图示仪与x j 4 8 3 2 数字存储大功率半导体管特性图示 仪对器件的击穿曲线、输出曲线、转移特性等进行测试，保证器件性能良好， 不存在失效； ( 2 ) 采用扫描电镜和光学显微镜观察去除封装后芯片的表面形貌和微观结 构，提取芯片各层结构参数，为工艺仿真阶段提供器件结构参数； ( 3 ) 将工艺仿真得到的v d m o s 模拟元胞结构导入器件仿真模块a t l a s 中进行器件仿真，获取器件的击穿电压、阈值电压、关断时间、开启时间等参 数，并将仿真结果与器件的出厂值进行比较，结构及性能相吻合时证明工艺流 程可行，工艺控制正确； ( 4 ) 利用软件分析栅氧厚度、p 阱浓度等参数对器件性能的影响。对不同 p 阱浓度( 1e l7 i a m 、2 e 1 7 i t m 、3 e l7 1 t m 、4 e l7 1 t m ) 及栅氧厚度( 3 5 n m 、 4 0 n m 、4 5 n m 、5 0 n m ) 下的转移特性进行仿真，研究p 阱浓度、栅氧厚度对阈 值电压的影响，并进行理论分析；外界温度在- 5 0 - 1 2 5 范围内，分析器件的 转移特性，研究阈值电压与温度的关系。 哈尔滨理工人学t 学硕士学位论文 第2 章v d m o s 结构与特性分析 2 1v d m o s 器件的工作原理 图2 1 为v d m o s 的元胞结构图1 3 ，一个高压大电流v d m o s 器件一般 都有几千个元胞并联而成，元胞是v d m o s 的最基本单位。从图中可以看 出，和普通m o s 管一样，v d m o s 具有漏极、源极和栅极三个电极。不同的 是v d m o s 的漏极是在硅片的背面，大大提高的晶圆表面利用率。 l 痒莉帆 揣主峙芝 伊外延l 式 1 1 + 衬麟 图2 一lv d m o s 立体结构幽 f i g2 一iv d m o ss t e r e o s c o p i cs t r u c t u r e 图2 2 是器件内部的电流流向示意图。从图中可以看出电流的流向垂直于 晶圆表面，形成垂直导电沟道，这样便于多个元胞并联，从而实现大电流。其 原理是当栅源电压为零时，漏极电流被p 体区阻挡，漏源电压使p n 结反偏， 器件处于关断状态。当栅源极电压大于阈值电压时，沟道出现反型层，反型的 沟道成为电流的通道，器件处于导通状态【32 i 。 鬣秀穗氇镪酽：、，盛蒸穗濯， 臻二- ?1 r ， 潮 j _ ，l l 瀚麓舻 k 一：。一 1 r r r 、 r1r 图2 2 电流流向示意图 f i g2 - 2c u r r e n tf l o ws t r u c t u r e 哈尔滨理t 大学工学硕j j 学位论文 2 2 元胞结构设计分析 v d m o s 的结构是在在n + 衬底( 晶向为 ) 上进行外延生长n 层，长 栅氧，扩散注入产生p + 区，平面自对准双扩散工艺产生n + 区和p 体区，以此 在水平方向形成多子沟道。分析元胞结构的每层结构的长度、厚度、掺杂浓度 等参数对器件电学性能的影响，为后期t c a d 工艺仿真时修改工艺条件以及 参数提供依据p 弘 j 。 2 2 1 衬底以及外延层 v d m o o s 的导电方向为垂直方向，因此耐压的任务只要落在衬底上，必 须使用轻掺杂的高阻衬底来制作。衬底是背面蒸金后做为漏极引出的。外延是 在n + 衬底上经过炉管高温过程而制备的。低掺杂浓度的外延层，能够提高击 穿电压，但同时也会使导通电阻增加，v d m o s 击穿电压和导通电阻之间存在 矛盾关系。衬底浓度一般情况下比其上的外延层浓度高出四个数量级，这样可 以降低s i 与金属的肖特基势垒，在一定程度上降低导通电阻。 2 2 2 多晶硅栅 栅氧厚度是v d m o s 中至关重要的因素之一，它直接决定阈值电压v 。h 的 大小，同时也决定v d m o s 的栅电荷和栅电容。栅的长度决定v d m o s 结构 中p 体区的间距，如果过短会使两个p 区扩散后连在一起，致使器件失效； 过长会使器件耐压下降，而导通电阻稍有下降。栅的厚度一般比较大，并进行 杂质注入，以便保证器件工作时栅极的电阻不会变大，忽略其对器件的整体电 阻影响。栅氧厚度直接决定v d m o s 阈值电压的大小。 2 2 3p 区 p 区是b 离子注入后推阱得到的，p 区的结深以及剂量决定器件的沟道长 度以及沟道表面浓度，从而影响器件的阈值电压。p 区的掺杂浓度越大阈值电 压越大。同时p 区的结深对器件的耐压也有小幅度的影响。p 区的结深变化影 响两个p 区之间的距离，原理上与栅长变化时一致。 2 2 4n + 源区 源区是通过注入高浓度的n 型杂质清退火形成的，源区的剂量和结深对 v d m o s 器件的耐压b v 没有影响。但是注入剂量对于v d m o s 的阈值电压 v t h 有明显影响，注入剂量过大，阈值电压就越低，这是源区的剂量影响了沟 道的表面浓度，剂量越大，热扩散的时间越长，结深就越深，横向扩散就越 大，当p 区的结深和浓度不变时，源极的结深变深意味着沟道长度变短，沟 道浓度随之下降，沟道电阻下降。所以源区的结深必须控制恰当。 哈尔滨理t 大学工学硕上学位论文 2 3v d m o s 的基本特性 2 3 1 转移特性 转移特性反映栅极电压对漏极电流的控制能力，从转移特性中可以确定阈 值电压大小。阈值电压是使沟道表面产生强反型层时所加的栅压。它由三部分 构成：一是由于未加栅压时，半导体沟道区表面可能已存在电荷，要使它无电 荷，或者说，要使半导体表面能带是平的，栅上首先需加电压，此电压称 为平带电压；二是为了使沟道表面产生强反型，栅上还应加2 缈n 电压，使表面 能带产生2 9 的弯曲( q 缈阳是体内费米能级到禁带中央的距离) ；三是由于表 面能带弯曲2 q 妒邝，表面反型层到体内会产生一个过渡的耗尽层，和p n 结一 样，此耗尽层具有电荷面密度一q = - 2 石瓦丽，这个负电荷也需要栅上加等 量正电荷来屏蔽，因此在栅氧化层上还需加一个电压q ，c 。综上所述，阈值 电压为： = 伽咫+ 坐警堕( 2 - i ) 一甜 2 3 2 击穿特性 击穿特性反映器件击穿电压的大小，当栅源电压为零时，器件处于阻断 状态，漏源之间仅有极小的泄漏电流，室温下小于l0 p a 。但当漏源电压大到 一定程度后，器件的漏极电流激增，此时的电压值即器件的击穿电压。 2 3 3 输出特性 输出特性反映不同栅压下漏极电流与电压的关系，一般分为四个区域。 1 ) 截止区。栅压小于开启电压即阈值电压。不足以在半导体表面形成导 电沟道，漏极电流约为零； 2 ) 线性区。当器件栅压的变化不引起沟道形状改变和沟道中导电电子数 的显著增加，沟道类似于电阻特性，电流随外加电压呈线性变化，导通电阻 凡n 决定器件的最大额定电流及功耗； 3 ) 饱和区。当栅压增大到一定值，沟道夹断，漏极电流达到最大值； 4 ) 准饱和区。指v d m o s 的输出电流达到一定限度后，栅源电压压继续 升高，漏源电流几乎不变，漏电流随漏电压升高呈现不饱和。v d m o s 的准饱 和现象是限制器件最大输出电流的重要因数【4 0 4 。 ， 2 3 4 开关特性 v d m o s 作为高频开关在通态和断态之间来回切换，实现用最小的器件损 耗控制大的负载功率。功率v d m o s 的开关特性是由其电容来决定，电容主 哈尔滨理工人学t 学硕。l 学位论文 要存在于栅极附近及耗尽层，图2 3 为器件内部的电容分布。从图中可以看出 v d m o s 的电容主要有3 个部分：c d s 、c g s 、c g d | 4 列。c d 。为漏源电容，它是一 个p n 结电容，p n 耗尽层的宽度决定c g 。的大小，即c g 。由漏源之间的电压决 定。c g 。为栅源电容，它由c g s p 、c g s m 、c g 。n + 三部分组成，这三个电容的大小 受器件介质层厚度等结构参数的影响。c g d 为栅漏电容，它由c g d mc g d d e p 串 联组成，栅漏电压越大c g d d 。p 会因耗尽层变宽而变小，从而使c g d 变小。 d e m o r a l 图2 3v d m o s 电窬分布图 f i g2 - 3c a p a c i t a n c ed i s t r i b u t i o no fv d m o s 2 4 本章小结 本章分析了v d m o s 的元胞结构、器件工作原理、元胞的各层结构对器 件性能的影响，为第四章的工艺仿真过程的工艺设计、工艺条件设置提供理论 依据；对器件输出特性、电容特性、击穿特性等电学性能讨论，为第五章的器 件仿真打下理论基础。 哈尔滨理工大学t 学硕士学位论文 第3 章v d m o s 性能与结构剖析 对选用的器件进行电性能测试。通过扫描电镜等测试方法，提取元胞的 p + 区结深、p 区结深、源区结深、沟道长度、栅氧厚度等参数，为后期软件仿 真提供实验依据。 3 1 器件的电性能测试 本文选用国外的一种对工艺控制要求高的v d m o s 器件进行结构剖析、 工艺仿真和器件仿真。器件出厂参数：击穿电压5 0 0 v ，阈值电压3 2 v ，工作 电流8 a ，开启时间0 3 0 t s ，关断时间o 1 9 “s 。 利用半导体特性图示仪与x j 4 8 3 2 数字存储大功率半导体管特性图示仪对 器件的击穿特性、输出特性、转移特性进行测试。 3 1 1 输出特性测试 图3 1 为不同栅压下v d m o s 的输出特性曲线。横轴为漏源电压v d s ，纵 轴为漏极电流i d 。从图中可以看出当阈值电压小于3 2 v 的时候，漏极电流随 着漏源电压的增大而成线性增大，此时器件处于线性区即欧姆区。当漏源电压 继续增大，漏极电流的变化很小，此时器件处于饱和区。 v d s ( 聊 图3 1v d m o s 的输 l j 特性测试曲线图 f i g3 - 1o u t p u tc h a r a c t e r i s t i cc h i v eo fv d m o s 3 1 2 击穿特性测试 图3 2 为v d m o s 的击穿特性曲线，反映的器件的击穿电压的大小。横轴 为漏源电压值v d s ，纵轴为漏极电流i d 。从图中可以看出随着漏源电压的增 哈尔滨理t 大学工学硕上学位论文 加，漏电流i d 几乎不变，当漏源电压增加到5 0 0 v 左右时，漏极电流激增，此 时器件击穿，得到器件的击穿电压为5 0 0 v 。 v o 彰 图3 - 2v d m o s 的击穿特性曲线 f i g3 - 2b r e a k d o w nc h a r a c t e r i s t i cc u r v eo fv d m o s 、 3 1 3 转移特性测试 图3 3 为器件的转移特性曲线，转移特性反映栅极电压对漏极电流的控制 能力，图中横轴为栅源电压v g s ，纵轴漏电流i d 。从图中可以看出为当栅源电 压v g s 在0 3 1v 区域逐渐增大过程中，漏电流i d 保持在0 a 水平线上，此时 管子不工作，没有电流。随着栅源电压继续增大曲线的电流强度急剧增大，此 时器件开启，进入工作状态，从转移特性曲线获得阂值电压值为3 2 v 。 v e s ( v ) 图3 - 3v d m o s 的转移特性曲线 f i g3 - 3t r a n s f o r mc h a r a c t e r i s t i cc u r v eo fv d m o s 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 通过击穿特性、输出特性及转移特性曲线的测试，得到器件的击穿电压为 5 0 0 v ，阈值电压为3 2 v ，与出厂规格相符。说明该器件不存在失效现象，性 能f 常，确保后续器件的结构参数提取数值j 下确。 3 2 器件去封装 图3 4 为带封装的v d m o s 器件，其封装形式为t o 2 2 0 。其中1 为栅 极，2 为漏极，3 为源极。图3 5 为器件内部结构示意图，从图中可以看出器 件由一个v d m o s 和一个快恢复二极管组成。 o ( 2 ) s ( 5 ) s c o 鸯jj 约l 图3 4v d m o s 的封装不意图图3 - 5v d m o s 器1 = ，i = 内部不惫幽 f i g3 - 4p a c k a g ed i a g r a mo fv d m o sf i g3 - 5i n t e r n a ls c h e m a t i cd i a g r a mo fv d m o s 去除器件封装的的方法有：高温煅烧法和浓硫酸加热分解法，由于高温煅 烧法时间长短不好控制，芯片表面不清晰、操作过程中芯片易碎等原因，本实 验选用浓硫酸加热分解法。去除封装的v d m o s 见图3 6 所示，可以观察到该 器件是由一个v d m o s 和一个快速恢复二极管组成的。 图3 - 6 去除表面封装的v d m o s 器件 f i g3 - 6v d m o sw i t h o u tp a c k a g i n g 在对器件去封装过程中采用超声波方法对芯片进行清洗。由超声波发生器 发出的高频振荡信号，经过换能器成为高频机械振荡而传播到芯片表面，超声 波在清洗液中疏密相问的向自订辐射，使得液体流动从而产生数以万计的细微小 气泡，这些小气泡在声场的作用下振动，当声压达到一定值时气泡迅速增长， 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 然后又瞬间闭合，气泡闭合时产生冲击波，破坏不溶性污物，使它们分散在清 洗液当中。当团体粒子是被油污包裹着粘附在芯片表面时，油会被乳化，从而 使固体粒子脱离，达到芯片表面净化的目的。 3 3 芯片表面分析 使用f e i s i r i o n 2 0 0 型场发射扫描电子显微镜( 分辨率为1 0 n m ，15 k v ； 2 0 n m ，1 k v ) 对用超声波清洗过的多个裸芯片进行观察。图3 7 是i r f 8 4 0 的 元胞结构。由图看出选用样品的元胞结构为六边形，呈品字型排，4 5 0 斜均匀 分布。常见的v d m o s 元胞种类有正方形、六边形、三角型、长条形、圆 形。六边形结构因其单元能够紧密结合，电流分布更均匀，表面利用率很高。 图3 7 a ) 中每一个小器件为一个元胞，这些单个元胞采用并联排列方式， 从而实现器件的大电流。从图b ) 的测量图看出六边形的内边长为7 3 l l x m ，外边 长为1 1 1 5 1 a m ，利用比例尺得到半元胞长度为1 4 1 a m ，此数据用于后期的工艺 仿真时对半元胞网格设置时使用。 a ) 元胞结构图b ) 局部测量幽 a ) c e lls t r u c t u r eb ) l o c a lm e a s u r e m e n ts t r u c t u r e 图3 7v d m o s 芯片表面形貌 f i g3 - 7s u r f a c es t r u c t u r eo fv d m o sc h i p 图3 8 为样品器件的版图布局示意图。功率v d m o s 的版图结构，即单元 形状、排列方式不同程度的决定器件的性能。版图结构包括单元图形结构和栅 电极结构，其中单元图形结构包括单元图形的几何形状、单元尺寸以及排列方 式三部分。v d m o s 采用双层电极，并且是山成千上万的小单元并联而成，随 着元胞数量增加，管芯面积逐渐增大，这样，必然有一部分元胞单元距离栅极 压焊点较远，为了降低栅极材料分布电阻的影响，通常将栅极压焊点初金属引 伸到距离压焊点较远的地方。本文采用长方形版图结构，并在器件周围和中央 设立四条多晶硅栅的短路通道，更好了减小芯片面积和多品硅栅的输入电阻。 器件的这种品字排列方式和版图布局方式使器件在有限的面积上集成更多的元 跑，导通电阻更小，电流更大。 3 4 芯片断面结构 图3 - 8 芯片的版图布局示意图 f i g3 - 8l a y o u to fv d m o sc h i p 将芯片进行纵向打断，利用f e i s i r i o n 2 0 0 型场发射扫描电子显微镜( 分 辨率为1 o n m ，1 5 k v ；2 0 n m ，l k v ) 观察芯片横断面结构见图3 - 9 。利用比例 提取纵向结构参数，见表3 1 。 图3 - 9 元胞纵向结构 f i g3 - 9 t h es t r u c t u r eo fc r o s s s e c t i o n 表3 1 器1 ；，i ：微观结构参数( 单何：p m ) t a b l e3 1m i c r o s t r u c t u r ep a r a m e t e ro fd e v i c e 1 3 哈尔滨理r t 大学工学硕上学位论文 利用经验公式获得外延参数。对于击穿电压在1 0 0 1 0 0 0 v 范围内的最佳 外延层掺杂浓度、厚度、击穿电压召之问的关系可简化为： = 1 9 3 5 1 0 博日嘧4 c m 。 ( 3 1 ) = 1 7 4 1 0 娟b v 嚣c m ( 3 - 2 ) p 晒27 醵q ne p ? q m ( 3 - 3 一 式中b 代表漏源击穿电压；，代表外延层厚度；代表外延层掺杂 浓度；p 倒代表外延层电阻率。将5 0 0 v 代入上式中公式，得n # i - 延层的厚度 为3 3 8 9 m ，外延层掺杂浓度为2 8 2 x1 0 1 4 c m 一。 通过表面结构提取表面结构参数，通过纵向结构提取纵向结构参数，通过 经验公式计算外延参数，得到完整的结构参数。这些结构参数用于后期的软件 仿真，参考提取得到的参数，调整工艺条件制备模拟结构。 3 5 本章小结 本章对器件击穿特性进行测试，得到击穿电压为5 0 0 v ，对转移特性进行 测试，得到阈值电压为3 2 v ； 对器件表面结构以及纵向结构进行观察，结果表明芯片的元胞结构为六边 形，并成斜4 5 0 分布，版图布局为长方形结构； 获取完整的结构参数：半元胞长度为1 4 9 m ，p 阱结深为7 7 3 1 a m ，栅氧厚 度为0 1 9 i t m ，多晶硅厚度为0 3 8 1 a m ，n + 源区结深为1 2 0 1 a m ，磷硅玻璃层厚 度为0 7 7 1 a m ，外延层的厚度为3 3 8 1 t m 。 哈尔滨理t 大学工学硕十学位论文 第4 章元胞结构工艺设计及仿真 4 1 工艺仿真a t h e n a 软件 为了得到高性能的半导体器件，需要合理地选择和调整各工艺过程，选择 最佳的工艺条件，即进行工艺优化。过去只能采用“流片”法即采取试片的方 法进行多次的反复试验，这种方法既费时又费钱，有时还得不到合理的结果。 随着计算机技术和计算方法的发展，以及对于各个工艺的基本物理过程的深入 了解，现在已经可以将要分析的工艺过程列出数学形式的模拟，或者列出比较 公认的经验公式，然后通过计算机进行数值求解。这时不再需要实际的工艺设 备和准备各种实验条件，就能对各种不同的工艺条件进行分析比较。因此近年 来工艺模拟技术得到了广泛的重视和飞速的发展。 s i l v a c ot c a d 属于微电子专家评估的少数几种有能力缩减i c 开发周期及 研究费用的技术之一。它通过模拟取代了耗费成本的硅片实验，可缩短开发周 期和提高成品率。它具有完善的工艺模型与器件物理模型数据库，使开发者在 虚拟f a b 系统中完成从芯片的生产工艺模拟到性能的测试环节，大大提高了 设计效率1 4 卜4 4 。 软件的工艺仿真模块a t h e n a 是从斯坦福大学仿真的s u p r e m i v 中发 展而来，与众多的学术和工业界伙伴合作开发了很多新颖的功能。a t h e n a 提供一个方便的平台，用于半导体工业的仿真处理：离子注入、扩散、氧化、 物理蚀刻和淀积、光刻、应力成型和硅化。可迅速和精确地模拟应用在 c m o s 、双极、s i g e s i g e c 、s i c 、s o i 、i i i v 、光电子、m e m s 和有源器件 技术的所有关键加工步骤。其主要的特征有： a ) 精确预测多层拓扑、搀杂分布以及多种器件结构的应力； b ) 高级仿真环境允许； c ) 简便创建和修改工艺流程源程序，包括自动控制版图掩模序列； d ) 交互绘n - 维结构和分布以及一维横截面； e ) 运行时提取重要的工艺和器件参数； d 工艺流程优化以及模型参数校准。 工艺仿真软件a t h e n a 的应用示意图如4 1 所示。从4 1 可以看出，将 工艺步骤和工艺条件等作为输入，通过工艺仿真过程，便可以得到器件的二维 结构，并可提取扩散、刻蚀、各结构层厚度及结深等信息。 本文通过工艺仿真软件a t h e n a ，基于实验提取参数，模拟生产，反复 迭代，确定最佳工艺流程，获取最佳工艺条件。模拟结果得到元胞二维结构及 结构参数。 哈尔滨理工人学t 学硕。 学位论文 a t h e n ai n p u t s o u t p u t s 图4 1 工艺模拟软件a t h e n a 输入输出示意图 f i g4 li n p u t o u t p u ts c h e m a t i cd i a g r a mo fp r o c e s ss i m u l a t o ra t h e n a 4 2 工艺流程设计 依据第三章所提取的的v d m o s 结构与参数，参考目前v d m o s 主流平 面工艺，经过多次卫艺模拟比较，设计出如图4 2 所示的工艺流程。根据器件 结构参数要求，选择合适的工艺条件和工艺参数在