（微电子学与固体电子学专业论文）高压mosfetⅠⅤ特性宏模型的建立与研究.pdf

2 0 0 8 强华东师范大学硕士学位论文 信息科学技本学院 摘要 近年来，高压集成电路工艺的发展以及高压晶体管与低压模块兼容工艺的进 步，使高压器件越来越广泛地应用于各种功率集成电路，如驱动电路、接口电路、 电源芯片管理电路等，人们对高压m o s 晶体管的研究也日益深入。高压双扩散 漏m o s f e t ( h vd o u b l e d i f f u s e dd r a i nm o s f e t ，h vd d d m o s f e t ) 就是应 用较为广泛的一种高压m o s 晶体管，其实现工艺简单且与传统c m o s 工艺兼容， 在提高耐压的同时节约了成本，一般工作电压在1 4 v 一3 5 v 左右，能满足耐压要 求不高的高压电路需求。 由于人们对集成电路的设计制造日益依赖于计算机辅助软件，缺少高压 m o s f e t 模型成为高压器件电路仿真的较大障碍。针对不同结构特点、不同耐 压的h v m o s f e t ，人们提出了各种高压器件模型，但至今尚未有业界公认的、 适用于通用e d a 软件的标准h v m o s f e t 模型。 研究中发现：使用b s i m 3 模型对h vd d d m o s f e t 进行仿真时，存在明显 偏差，高偏置下的源漏电流模拟值远大于实际测量值。 论文针对s p i c eb s i m 3 模型对d d d m o s f e t 的i v 特性模拟时产生的偏差， 提出了基于b s i m 3 的h v m o s f e t 宏模型。研究中采用0 3 5 9 m1 4 vh vc m o s 工艺对d o u b l ed i 饰s e dd r a i n 结构的h vm o s f e t 进行流片，并使用a g i l e n t h p 4 1 5 6 系统、c a s c a d e 探针台与i c c a p 软件对不同几何尺寸的d d d m o s 进行 数据采集筛选。主要提取三组尺寸的器件特性：大沟道器件( w = 2 0 t m ，l = 2 0 i ，t m ) 、 窄沟道器件( w = i 8 9 m 2 9 m 5 9 m ，l = 2 0 i t m ) 、短沟道器件( w = 2 0 9 m ， l = i 2j ，t m 1 5 9 m 2j t m 3 9 r n 5 9 m ) 。 文中，结合实际数据分析了h v m o s f e t 中“准饱和效应 等特有的工作机 制，根据这些效应，提出了适用于d d d m o s f e t 的宏模型。此宏模型的特点为： 它由常规s p i c e 器件组成( n m o s f e t 、m e s f e t 、二极管) ，结构简单使用方 便，能准确描述h v m o s 的i v 特性。且由于子电路中的器件直接取自s p i c e 模型，因此能够方便应用于各种基于s p i c e 模型的仿真器和e d a 软件，有较强 实用性与兼容性。 研究中采用参数优化的方法，即通过调节m e s f e t 的参数k 1 ( 阈值电压对 体电压的敏感因子) ，使该宏模型能够模拟不同宽长比h vm o s f e t 的i v 特性， 并提取了不同沟道尺寸( w l ) 下k 1 取值的半经验公式，最终实现了h v d d d m o s 的尺寸可变宏模型( s c a l a b l em a c r o m o d e l ) 。 关键词：高压双扩散漏m o s 晶体管，尺寸可缩放宏模型，s p i c e 模型， m e s f e t ，参数优化 2 0 0 8 强华东l 碌范大学硕士学位论文信息科学技术学院 a b s t r a c t n o w d a y s ，w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h eh i g h - v o l t a g ei n t e g r a t e dc i r c u i t s ( h v i c ) p r o c e s sa n dt h ea d v a n c e m e n to ft h ec o m p a t i b l ep r o c e s sb e t w e e nh i g h v o l t a g e ( h v ) m o s f e ta n dl o w v o l t a g e ( l ，v ) m o d u l e ，i ti sp r e v a l e n tt oi n t e g r a t eh vd e v i c e si n t o p o w e ri c ，s u c ha sd r i v e rc i r c u i t ，i n t e r f a c ec i r c u i t sa n dp o w e rm a n a g e m e n tc i r c u i t s s o t h eh v m o sh a sb e e nr e s e a r c h e dm o r ea n dm o r ed e e p l y t h eh vd o u b l e d i f f u s e d d r a i nm o s f e t ( d d d m o s f e t ) i sat y p i c a lh v m o st h a ti sw i d e l yu s e d i t sp r o c e s s i ss i m p l ea n dc o m p a t i b l ew i t ht h et r a d i t i o n a lc m o st e c h n o l o g y , s ot h ec o s ti sl o w i n g e n e r a l t h eo p e r a t i n gv o l t a g eo fd d d m o si sb e t w e e n14 va n d3 5 vw h i c hc a nm e e t t h er e q u i r e m e n to ft h em e d i u mh i g h v o l t a g ec i r c u i t s s i n c et h ei cd e s i g na n df a b r i c a t i o nr e l yi n c r e a s i n g l yo nt h ee d as o f t w a r e ，t h e a b s e n c eo fh v m o s f e tm o d e lb e c o m e sab i go b s t a c l ei nc i r c u i ts i m u l a t i o n m a n y g r o u p sh a v ea t t e m p t e dt om o d e lh vm o st r a n s i s t o r sw i t hd i f f e r e n ts t r u c t u r e sb y d i f f e r e n ta p p r o a c h e s h o w e v e r , a ni n d u s t r ys t a n d a r dm o d e lf o rh v m o st h a tc a nb e s u p p o r t e db yg e n e r a le d as o f t w a r eh a sn o tb e e ne s t a b l i s h e d i nt h ew o r k i ti sf o u n dt h a tt h es i m u l a t e da n de x p e r i m e n t a ld a t ao fd d d m o s f e t a r eo b v i o u sd i f f e r e n td u r i n gt h ei vs i m u l a t i o n sw i t ht h eb s i m 3m o d e l t h e s i m u l a t e dv a l u eo fi d si sm u c hl a r g e rt h a nm e a s u r e dv a l u ea tt h eh i g hv o l t a g eb i a s a c c o r d i n gt ot h ed i s t o r t i o no ft h eb s i m 3 as c a l a b l em a c r o m o d e lb a s e do ns p i c e b s i mm o d e li sp r e s e n t e di nt h i sp a p e r t h eh v m o s f e l sw i t hd d ds t r u c t u r eh a v e b e e nt a p e do u tw i t h0 3 5 u m14 vc m o st e c h n o l o g y a n dt h ed a t ao fd i f f e r e n t d i m e n s i o nd e v i c e sh a v eb e e nc o l l e c t e db ya g i l e n th p 415 6s y s t e m ，c a s c a d ep r o b e s t a t i o n a n di c c a ps o f t w a r e t h et h r e ed e v i c eg e o m e t r i e sa r el a r g ed i m e n s i o n s ( w = 2 0 i t m ，l = 2 0 p m ) ，n a r r o wd i m e n s i o n s ( w = 1 8 1 x m 2 i t m 5 a m ，l = 2 0 1 t m ) ，a n ds h o r t d i m e n s i o n s ( w = 2 0 1 上m ，l = i 2 1 a m 1 5 m n 2 m 3 m i l 5 u m ) i nt h ep a p e r , t h es p e c i a lm e c h a n i s mo fh v m o s f e th a sb e e na n a l y z e da c c o r d i n g t ot h em e a s u r e dc u r v e s s u c ha sq u a s i s a t u r a t i o ne f f e c t a n das c a b l em a c r o m o d e lf o r h vd d d m o s f e ti sp r e s e n t e d t h em a c r o m o d e lh a sm a n yf e a t u r e s i ti sc o m p o s e d o fr e g u l a rs p i c ed e v i c e s ，s u c ha sg e n e r a ln m o s f e t , m e s f e t a n dd i o d e t h e s t r u c t u r eo ft h em a e r o m o d e li ss i m p l ea n dc o n v e n i e n tt ou s e i tc a nd e s c r i b et h ei v c h a r a c t e r i s t i c sa c c u r a t e l y m o r e o v e r , s i n c et h em a c r o m o d e ls u b c i r c u i td e v i c e sd e r i v e f r o ms p i c em o d e l ，i tc a nb ew i d e l yu s e di ng e n e r a ls i m u l a t o r sa n de d as o f t w a r e 1 1 1 ep r a c t i c a l i t ya n dc o m p a t i b i l i t yo ft h em o d e lh a sb e e ni m p r o v e dg r e a t l y i nt h er e s e a r c h ，t h em e t h o do fp a r a m e t e ro p t i m i z a t i o nh a sb e e na d o p t e dt or e a l i z ea s e a l a b l em a c r o m o d e l t h em e s f e tp a r a m e t e rk 1 ( t h r e s h o l dv o l t a g es e n s i t i v i t yt o b u l kn o d e ) i se x t r a c t e da saf u n c t i o no fc h a n n e ld i m e n s i o n ( w l ) t h u sa c h i e v i n gt h e o p t i m i z a t i o no ft h em o d e lf o rv a r i a b l ed i m e n s i o nh vm o s f e l s k e y w o r d s ：h i g h - v o l t a g e d o u b l e d i f f u s e dd r a i nm o s f e t ( h v d d d m o s f e t ) ，s c a l a b l em a c r o m o d e l , s p i c em o d e l , m e s f e t , p a r a m e t e r o p t i m i z a t i o n 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经 发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在 文中作了明确说明并表示谢意。 作者签名：二褪 日期：型型 学位论文使用授权声明 本人完全了解华东师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学校有权保 留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版。有权 将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅。有 权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索。有权将学位论文的标题和摘要 汇编出版。保密的学位论文在解密后适用本规定。 学位论文作者签名：导师签名： 日期：海! 皇窒洲日期： 乃p 沙一6 ，同 信息科学技术学院 第一章绪论 1 1 高压集成电路与高压m o s 器件简介 2 0 世纪7 0 年代末，功率器件在大规模集成电路中的出现，使人们对功率器 件的集成越来越关注，与此同时，集成电路中高压、高功率器件的设计与制造也 和传统低压模块一样逐步发展起来。随着微电子技术的进步，这种由功率半导体 器件和微电子技术结合的产物功率集成电路( p o w e ri c ，p i c ) 逐渐成熟， 并且取得了迅猛的发展。 所谓的p i c 是指，将高功率器件与信号处理系统，外围驱动电路、保护电路、 接口电路、检测电路等集成在一个或几个芯片上的集成电路。大致分为两类，一 类是高压功率集成电路h v i c ( h i g h v o l t a g ei c ) ，它是高压器件与起到控制作用 的传统逻辑电路或模拟电路的集成。第二类是智能功率集成电路s p i c ( s m a r t p o w e ri c ) ，它是功率电子器件与控制电路、保护电路以及传感器电路等多功能 的单片集成。 如今，p i c 广泛应用到人们的同常生活中。如马达控制( m o t o rc o n t r 0 1 ) 、电 子镇流器( e l e c t r i c a lb a l l a s t ) 、液晶显示器驱动( l c dd r i v e ) 1 1 1 1 2 l 、平板显示驱 动( p a n e ld i s p l a y d r i v e ) 、开关电源( s w i t c h i n gp o w e r ) 、计算机及外围设备( 软、 硬盘驱动器、打印机、扫描器等) 、消费类电子产品、通信装置、汽车电子及工 业控制等领域。可以说p i c 既是机电一体化技术中的关键接口电路，也是实现片 上系统( s y s t e m0 1 1ac h i p ，s o c ) 的核心技术之一。而高压集成电路器件作为 p i c 的核心器件，也成为人们研究和开发的焦点。 首先，随着系统整合度的提高以及s o c 技术的发展，越来越多的系统中既 要处理较低电压的数字信号，又要处理较高电压的模拟信号，或者说，许多低功 率系统都包含对高压信号的处理，这就需要将高压功率器件和低压电路集成在同 一芯片上。 此外，随着v l s i 电路集成度的提高以及人们对电子产品低功耗的要求，电 路的电源电压一直持续下降，由早期5 v 的典型值降至3 3 v 。如今许多采用深亚 微米技术制造的数字电路工作电压低至小于1 v 。所以，对于深亚微米制造工艺 而言，标准的5 v 输入输出电压( i ov o l t a g e ) 已然被视为“高电压”，这就需要 我们将芯片接口处的器件加工为高压器件以承受较高的接口电压。 人们对高压m o s 器件的开发与制造进行了不懈的探索和努力。一方面从结构 上对传统的m o s f e t 进行改造使其承受更高电压，从u 型m o s 管( u m o s ) 1 3 1 1 4 i 2 0 0 8 属华东师范大学硕+ 学位论文 信息科学技术学院 到垂直扩散m o s 管( v e r t i c a ld i f f u s e dm o s ，v d m o s ) i s l l 6 l ，再到横向扩散m o s 管( l a t e r a l l yd i f f u s e dm o s ，l d m o s ) 1 7 1 。另一方面也加入新的耐压工艺，如： 降低表面场( r e d u c e ds u r f a c ef i e l d ，r e s u r f ) 瞪l ，双扩散漏极( d o u b l ed i f f u s e d d r a i n ，d d d ) 1 9 卜1 1 3 l ，轻掺杂漏极( l i g h t l yd o p e dd r a i n ，l d d ) 1 1 2 1 1 1 引，或者各种 隔离结构，以及在s o i ( s i l l i c o n o i li n s u l a t o r ) 1 1 4 l 结构上制造高压结构的晶体管0 1 5 1 1 1 6 j 等等。 在芯片上实现高压m o s 器件通常有两种方法：一是采用含有高压单元的 c m o s 工艺，这种方法比较直接，但是由于加入了若干高压工艺和光刻次数，成 本较高。二是使用标准c m o s 工艺生产添加高压器件1 1 7 i ，即在保持原有低压工 艺的同时通过改变版图规则或插入新的高压工艺模块来获得高压器件。这种方法 保留了原有低压器件的标准单元库，可以采用原有的模型和工艺参数，提高了效 率，简化了制备流程，大大降低了成本。当然，第二种方法通常是在对电压及功 率要求不是很高的情况下使用。 本文所涉及的高压i c 在保留原低压工艺流程和参数的同时，采用特殊的版 图设计规则并插入新的高压工艺模块来实现高压器件。l c 中的高压器件为 d o u b l ed i f f u s e dd r a i n 结构的高压m o s 晶体管( h vm o s f e t ) 。在同一芯片上 同时集成了1 4 v 的h vm o s f e t 与3 3 v 的低压m o s 晶体管( l vm o s f e t ) 。 在高压m o s 集成电路的开发、设计和生产过程中，对电路进行仿真是必不 可少的。从电路级的仿真到版图级的仿真，即缩短了开发周期，又降低了成本。 而电路仿真结果能否j 下确地反映高压集成电路的电学性能，很大程度上依赖于所 选取的器件模型的准确程度。因此，建立精确实用的高压m o s 器件模型，对于 实现高压电路的设计与制造，显得尤为关键。 1 2高压m o s f e t 模型国内外研究现状 在国外，对于器件模型的研究由来已久。以m o s f e t 模型为例，最早的s p i c e l e v e l1 模型上世纪6 0 年代就已经出现。到了8 0 年代则出现了有一定实用价值 和精确度的模型，其中最为著名的就是加州大学伯克莱分校开发的b s i m l 模型 ( b e r k e l e ys h o r t - c h a n n e li g f e tm o d e le d i t i o n1 ) 。它是一个为l l a mm o s f e t 技术 开发的模型，包含很多对短沟道效应更好的理解，对沟道长度大于或等于l 岬的 器件的模拟结果非常准确。随着器件沟道长度的进一步缩小和各种二级效应的产 生，他们又相继推出了b s i m 2 ( 1 9 8 3 ) ，b s i m 3 ( 1 9 9 6 ) ，和b s i m 4 ( 2 0 0 0 ) 模 型。其中，b s i m 3 v 3 模型由于对器件特性描述完整、预测准确，在业界广泛使 用。1 9 9 6 年c o m p a c tm o d e lc o u n c i l 将b s i m 3 v 3 模型选为m o s f e t 标准模型， 从而使b s i m 3 v 3 模型成为半导体界第一个，也是唯一一个被广泛接受的工业标 2 2 0 0 8 涵华东师范夫学硕士学位论文 信息科学技术学院 准器件模型i 埔l i l 9 l 。所以，现在大家使用的很多模拟器，大都采用b s i m 3 模型， 如s y n o p s y s 的h s p i c e 。 无论是在电路设计的模拟中，还是在工艺生产的参数设定中，各种结构的高 压m o s f e t ( h vm o s f e t ) 都需要准确的模型。但对于高压m o s 器件，b s i m 3 模型对其的描述还是显得力不从心，在特性曲线的拟合上，存在较为明显的偏差。 人们在对高压器件模型的研究中，开发出了各种模型，主要有数值模型 ( n u m e r i c a lm o d e l ) 1 2 0 1 ，紧凑模型( c o m p a c tm o d e l ) 1 1 5 1 1 2 1 1 1 2 2 i ，宏模型( m a c r o m o d e l ) 1 2 3 1 1 2 6 1 等，它们在不同的场合体现出各自的优势，并衍生出很多建模方法，满足 不同的需求。 其实，国外从很早就开始了对高压器件的理论研究，h u s s e i nb a l l a n 和m i c h e l d e c l e r c q 在“h i 曲v o l t a g ed e v i c ea n d c i r c u i t si ns t a n d a r dc m o st e c h n o l o g i e s ”一 书中书详尽地叙述了高于5 v 和3 3 v 电源电压的高压c m o s 工艺，研究了 h v m o s 的内在物理机制，并且提出了h v m o s 的s p i c e 电路宏模型i _ 7 。 同时，一些著名的半导体公司和模拟器提供商也在不断的开发完善自己的高 压m o s 器件模型。原p h i l i p ss e m i c o n d u c t o r ( 现为n x p 公司) 提出了基于p h i l i p s m o sm o d e l9 ，m o d e l1 1 1 2 7 l 的高压模型解决方案，并提出了针对横向扩散m o s ( l a t e r a l l yd i f f u s e dm e n t a lo x i d es e m i c o n d u c t o r ，l d m o s ) l 拘p h i l i p sm o s m o d e l 2 0 1 2 7 1 。此外，他们还进一步研究7s o i 结构上的l d m o s f e t 模型1 1 5 i ，并提出了 m o sm o d e l4 01 2 7 1 。德州仪器( t e x a si n s t r u m e n t s ) 很早就提出了针对l d m o s 的 c o m p a c tm o d e l l 2 1 i 用来描述其d c 特性，并称将在模型中加入自加热效应 ( s e l f - h e a t i n ge f f e c t s ) 。2 0 0 3 年1 0 月，f a i rc h i l d 公司针对其原有的垂直扩散m o s 管宏模型( v e r t i c a ld i f f u s e dm o sm a c r o m o d e l ) ，提出了“自加热”模型( s e l f - h e a t i n g m o d e l ) 的概念，不仅考虑了环境温度对功率m o s f e t 的影响，还把功率 m o s f e t t 作时本身功耗引起的发热也计入模型，将器件的电气特性和热特性动 态地联系起来。2 0 0 5 年2 月，o k ie l e c t r i ci n d u s t r y 发布了应用于l c d 驱动电路的 h v m o s 的标准h s p i c e 模型，该模型和h s p i c e 软件技术结合，能够进行非常精 确的电路仿真。2 0 0 6 年，e d a 供应商s i m u c a dd e s i g na u t o m a t i o n 针对其s m a r t s p i c e 模拟仿真器和s m a r t s p i c e r f 谐波仿真器提供了l d m o s 和h v m o s 的c o m p a c t m o d e l 。其中l d m o s 模型基于i 主i p h i l i p s 研究实验室开发的l d m o s 紧凑模型，这 是针对高电压和r f 应用的专用模型，而h v m o s 紧凑模型则是以加州大学的 b s i m 3 为基础。s i m u c a d 表示，l d m o s 和h v m o s 模型能满足高压模拟和r fi c 设计人员的要求，能精确且高效的模拟l d m o s 、v d m o s 、e d m o s ( e x t e n d e d d r a i nm o s ) 与其他高压m o s 晶体管的行为。 相比之下，国内只有少数企业能够提供高压i c 产品，能提供的h v m o s 模 3 2 0 0 8 弱华东师范大学硕士学位论文信息科学技术学院 型以及相关的电路仿真与设计产品也比较少见。这主要是由于国内对高压集成 电路器件，以及高压m o s 晶体管模型的研究起步较晚，有影响的成果也较少。 国内功率器件的发展水平和国外相比，无论是器件参数，还是可靠性等级水平 均有着明显的差距。中国电力电子器件发展分析报告显示：“直至目前为止我国 仍以生产电流型器件为主，高压m o s 及i g b t 器件的芯片制造技术仍然比较脆 弱，且有与国际进一步拉开差距的现实危险。 同样，关于高压m o s f e t 模型 的研究也开展的不够深入，各大高校在这方面的研究成果较少。 1 3课题的意义与目标 高压m o s 器件建模的挑战主要有以下几点： 第一，高压m o s 器件种类较多，实现的工艺各有区别，要获得业界公认的 通用高压m o s 模型显得较为困难。由于目前应用最为广泛的s p i c eb s i m 3 v 3 模型在对深亚微米高压m o s 器件进行模拟时存在显著问题，各个研究单位都 提出了适合自己产品的模型，但通用性不强。 第二，由于各种高压器件制造工艺的迅速发展，器件模型的建立与完善明 显滞后，所以高压器件模型的开发就显得更为迫切。 第三，目前业界提出的h v m o s f e tm o d e l 大都针对l d m o s ，而针对 d d d m o s f e t 的模型较少。由于d d d m o s 是一种结构简单，成本较低的 h v m o s ，近年来被广泛使用，在很多液晶驱动电路的工艺中都能看到 d d d m o s f e t 的身影，因此随着液晶显示屏的广泛应用与便携式消费类电子的 流行，提出准确有效的d d d m o sm o d e l 有很明确的实际意义。 此外，要获得科学准确的高压m o s f e t 模型，不能停留于数值模型的拟合， 必须探索高压器件的内在物理机制，尤其是要对集成电路尺寸缩小带来的各种 新的复杂效应进行描述，使模型适合不同尺寸的m o s f e t ，这也对高压器件建 模提出了更高的要求。 建立科学的物理模型的意义还在于：更深入地探索器件的内在物理机制， 能够反过来指导高压m o s 器件的生产( 包括工艺控制和性能提高) ，并且促进 开发、制造出工艺较为统一的高压器件，进而建立标准的高压m o s 器件模型。 因此，对于高压m o s 器件模型的探索不仅具有深刻的研究价值，而且有着广 泛的实用性，一直是业界关注与研究的焦点。 本课题针对具有特殊双扩散漏( d o u b l e d i f f u s e dd r a i n ) 结构的高压 m o s f e t 进行建模研究。发现使用b s i m 3 v 3 模型的仿真曲线与实际测量曲线之 问存在较大差异。于是，从高压m o s f e t 的特殊高压结构和电学特性出发，深 入研究了h vm o s f e t 的工作原理和内在物理机制，并且提出了更为精确的高 4 2 0 0 8 翟华东婚范大学硕士学位论文信怠科学技术学院 压m o s f e t 宏模型。 此宏模型由若干低压器件组成，且这些器件都使用原有的常规s p i c e 模型， 因此，这个宏模型可以应用于各种以s p i c e 模型为基础的常用e d a 软件，进行 电路设计以及对器件工艺流程进行验证与测试，具有很强的通用性。 此外，为了使宏模型获得更好的尺寸可缩放特性( s c a l a b l i t y ) ，将模型的器 件参数提取为m o s f e t 宽长比( w l ) 的函数，使此m a c r o m o d e l 在一定尺寸范 围内适用于不同尺寸的h vm o s f e t ，由此获得了具有较高精确度的高压 m o s f e t 尺寸可变宏模型( s c a l a b l em a c r o m o d e l ) 论文的第二章简要概述了高压m o s 的器件的发展和各种结构，以及本课题 中h vd d d m o s f e t 的特殊工艺结构与基本工作原理。 论文第三章主要对器件模型进行了阐述，介绍了主流器件模型的发展过程， 主要特性，以及模型发展的挑战。 论文第四章结合使用b s i m 3 模型在h vd d d m o s f e t 仿真时产生的问题，对 高压m o s 器件内部特有的工作机制进行了详尽的分析，着重研究d d d m o s f e t 中准饱和效应( q u a s i s a t u r a t i o ne f f e c t ) 等特殊工作机制。 论文第五章首先对以往的建模方法进行了讨论，并提出了一个宏模型来对 h vd d d m o s f e t 进行建模，分析了宏模型子电路中各部分器件的作用。并对 此电路中m e s f e t 的参数进行优化，提出了参数k 1 针对不同w l 尺寸的经验函 数，实现了m a c r o m o d e l 对不同沟道尺寸器件描述的准确性。 论文第六章叙述了宏模型的实现方式与具体验证结果，证明了此宏模型在 模拟d d d m o s f e ti v 特性时的准确性。 - 5 2 0 0 8 强华东师范大学硕士学位论文信息科学技术学皖 第二章高压m o s f e t 工作原理 2 1 高压m o s f e t 的发展 2 0 世纪7 0 年代后期，随着大尺寸集成电路应用于功率电路领域，人们就逐 渐开始考虑将功率器件进行集成，由此对高压、高功率集成电路器件的研究开 始和传统的低压模块一起共同发展。当然，这就要求无论是设计规则还是器件 结构都将进行不断的改进和完善。 最早的传统高压m o s 工艺为b c d ( b i p o l a r - c m o s d m o s ) 工艺，这种工 艺制成的h vm o s f e t 大都是纵向结构的，即用衬底材料来形成漏接触，而 m o s f e t 结构内部则形成纵向的漂移区( d r i f t ) 来承受高压。这样，电子就沿 着m o s f e t 的垂直方向，从源极流到漏极。这种三维结构的m o s f e t 有很多种， 图2 1 所示为u m o s 。它的栅极做在u 型槽中，这样的u 型槽由各向同性刻蚀法 形成，因此被称为u m o s f e t l 3 1 1 4 i 。 $ o t j t c e 屏 量 图2 1u m o s f e t 结构截面图 从图2 1 看出，u m o s f e t 的栅极刻蚀工艺很难控制，而且随着器件尺寸缩 小，这样的结构就更难形成。于是，又出现了技术更为成熟 约v m o s f e t j s l l 甜， 这种结构的h vm o s f e t 成为首个用于商业的功率器件。v m o s f e t 的结构如图 2 2 所示，它使用各项异性刻蚀在硅表面形成v 型沟槽，在v 沟槽中生长栅氧和 栅电极，由栅电压控制沟道电子从源极( 硅表面) 流向漏极( 衬底) 。 6 2 0 0 8 嗝华东前泰范夫学硕士学位论文信息科学技术学院 图2 2v m o s f e t 结构截面图( 传统的v 型槽) 但是这个结构也有缺点，一是形成v 型沟槽使用的硅为 面，这个面的 电子迁移率较小，会影响器件速度。二是栅极两边的沟道电流将会汇聚到v 沟 槽的顶点，严重影响了此处的有效电流大小，并且加大了顶点处的电场，使器 件承受外加电压的能力降低。 为了解决第二个问题，人们在v 沟槽的顶点形成之前停止刻蚀，形成一个 有截止平面沟槽的晶体管1 2 8 i ，如图2 3 所示。但是，形成这种结构的晶体管在控 制刻蚀方面要求相当高，一定程度上限制了v m o s f e t 的发展。 图2 。3v m o s f e t 结构截面图( 带切口的v 型槽) 还有一种是纵向双扩散m o s l 2 引( v e r t i c a ld o u b l e d i f f u s e dm o s ，v d m o s ) ， 它结合了纵向的结构和横向的扩散工艺，截面图如图2 4 所示。它的漏极依旧由 衬底接出，源区和栅极在硅片表面。这种结构的m o s f e t 的最大特点是：它的 沟道长度不是由光刻精度来决定的，而是由n + 和p + 的两次扩散来决定。在同一 - 7 2 0 0 8 属华东师范大学硕士学位论文信息科学技术学皖 个氧化层窗口中，进行硼扩和磷扩，通过控制它们的扩散来控制沟道长度。当 栅极接正电压时，沟道在p + 区形成，电子由器件表面的源极向下流至器件底部 的漏极。 9 g a t e 。 n + l 。，。n | p + 剖幢 n e p i l a y e r 多 多 in + s u 搬，a t e r：y 一一 匕一 ，。 。一一一一 图2 4v d m o s f e t 结构截面图 以上几种垂直结构的m o s f e t ( v e r t i c a lm o s f e t ) ，大都是通过垂直结构中 与漏区连接的轻掺杂外延来提高器件的耐压能力，但是垂直的结构使器件集成 与器件的布线、封装变得复杂。所以，平面工艺、横向结构的h vm o s f e t 就 显得更有吸引力。 横向高压m o s f e t 耐压的基本原理与纵向h v m o s 类似，同样是通过轻掺杂 漂移区( d r i f t ) 来承受高压，不同的是横向m o s 的d r i f t 区位于器件表面，其栅 源漏都从硅片表面接出。d r i f t 区横向连接源漏区，源漏电流从硅片表面流过。 这种结构的高压管与传统低压m o s f e t 的结构较为接近，因此在需要集成高低 压器件的电路中，通常采用二维横向结构的高压m o s f e t 来组成高压模块，使 之与传统低压模块更好的兼容。 横向h v m o s f e t 的另一个优点是，工艺较纵向h v m o s f e t 简单，且可以省 去外延、埋层等工艺步骤，能大大降低制造成本。 图2 5 是一种典型结构的横向扩散m o s f e t ( l a t e r a ld i f f u s e dm o s f e t ， l d m o s l 7 i ) 。l d m o s 的源漏结构有非对称与对称的两种，其主要特征是在漏区 外增加一个轻掺杂n 阱，它可以看作是一个延伸的高电阻漏区，使器件获得耐高 压的性能。而栅极下方既有n 。w e l l 区也有p 区，但是因为只有p 区受栅压控制并 形成反型层和导电沟道，所以通常只把p 区的长度看作沟道长度。 这种l d m o s 的耐压可以做的很高，且为横向平面工艺，能满足耐压较高的 8 2 0 0 8 硅毕彖卿范太学硕士学位论交 信息群学技术学院 电路要求，文献中有的漏击穿电压高达1 5 0 v 1 2 i 。它的缺点是与传统c m o s i 艺 兼容性不强，尤其是金属栅极( p l a t e ) 的制各增加了工艺步骤与工艺复杂程度 ”l ，所以在耐压要求不高的条件下，可以不采用这种工艺结构的高压m o s ，而 采用双扩散漏结构的m o s f e t ( d o u b l e d i f f u s e d d r a i n m o s d d d m o s ) 1 9 1 m i 。 d d d m o s 与l d m o s 的耐压原理相同，在传统m o s f e t 的源漏区外围增加轻掺 杂扩散区以此来增加器件的耐压能力。它的耐压强度虽然不如l d m o s ，但其 工艺与传统c m o s i 艺兼容【1 7 1 ，实现简单，成本较低。本课题中研究的高压 m o s f e t 就采用这种d d d 结构，它被应用于l c d 驱动电路，电路堆高工作电压 为1 4 v ，下一节将详细介绍d d d 结构的m o s f e t 。 p - e p i a ) t l v n m u sa s y m m e t r y b u l ks o u r c e p o l yg a t e d r a i n p - e p i ( b ) i t v n m o s s y m m e l r y 图2 5l d m o s f e t 结构示意圈( a ) 非对称结构( b ) 对称结构 2 2 高压d d d m o s f e t 工作原理 本课题中研究的高压m o s f e t 实际应用于l c d 驱动电路，整个驱动电路的 结构示意图如图26 所示。此电路为i t l c ( o n e t r a n s i s t o r o n e c a p a c i t o r ) 结构， 图中的m o s f e t 为d d d 结构的高压管，栅极与源或漏分别接入行选和列选信 号。当信号选中后，m o s 管导通，对电容充电，使顶层金属( t o pm e n t a l ，t m ) 也带电发光。t m 一般为铝，经过抛光后形成非常光滑的镜面。 9 2 0 0 8 “毕尔卿也k 学碗 。书，论文信包科学娃术一t 皖 制”) 上 。兀 月( c o l u m n ) 图2 6 液品驱动电路简单原理图 幽27 为此i u 蹄片ji ：艺实现后的剖而水意同，t m 以j ：为液品与i t o ( i n d i u m t i no x i d e ) 破璃，是种氧化物半导体透明导电薄膜。l f l i t m 的镜而质节o 液 品发光效率有很大的关系，t m 越f 整则被品发光效果越好。 二二囹互二二二二二二二二= l l i q u i d c 州m l 。，一 i 、fr i n l f y o r l 圈27l c d 骀动电路剖面示意图 2 0 0 8 辕i 阜尔师范| 、学碗七学缱论文馈恿科学技术学皖 t m 以上部分在专门的t f t f a b 制造，t m 以下部分( 包括t m ) ，即片上电路 均在f o u n d r y 厂制造。硅片上的电路主要山左侧的高压m o s f e t 和右侧的电容组 成。f 乜容为多晶硅绝缘层- 多晶硅( p o l y i n s u l a t or _ p o l y , p i p ) 结构，上极板以上 淀积了硅化金属( w s i ) ，抗反射涂层( d a r c ) 和氧化介质层( t e o s 成分 为s i ( o c 2 h 5 h ，含有s l 与氧的有机硅化物，分解后为s i 0 2 ) 。 左侧的高压m o s f e t r 采用源漏双扩散结