（微电子学与固体电子学专业论文）增强型与耗尽型集成vdmos设计.pdf

摘要 摘要 近年来，功率集成电路得到了突飞猛进的发展，集成度越来越高。作为最常见的高压功率器件 之一，v d m o s 更多地集成在芯片里，而不仅仅以分立器件的形式出现。为了将高压功率开关与高 压控制电路集成在一起，出现了增强型与耗尽型v d m o s 的集成。论文设计的增强型与耗尽型集成 v d m o s 击穿电压b v 为6 5 0 v 。 对于增强型与耗尽型集成v d m o s 的设计，首先要解决工艺集成的问题，即如何在一套工艺下 同时实现增强型v d m o s 和耗尽型v d m o s ，在参考了增强型v d m o s 的工艺流程并对耗尽管的结 构进行分析之后，确定了能同时形成增强管和耗尽管的工艺流程。通过理论公式初步计算出两管的 结构参数，通过t - c a d 软件进行模拟仿真，确定参数最优值，最后通过对工艺偏差进行仿真，改进 设计。为了避免增强管与耗尽管工作时互相干扰，论文设计了隔离结构。 对流水生产的增强型与耗尽型集成v d m o s 进行封装和测试。经测试，增强管b v 为6 9 3 v ， v t h 为2 8 9 v ，导通电阻为5 3q ；耗尽管b v 为6 8 7 v ，v t h 为1 1 v ，芯片达到了预定的设计指标。 论文对v d m o s 参数的分析以及测试方法的讨论有助于进一步理解v d m o s ；采用的v d m o s 参数 设计方法可以运用到高压v d m o s 的设计中；隔离结构也可用于同类高压集成芯片的设计中。 关键词：v d m o s 、集成、终端结构、隔离、工艺偏差 英文摘要 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h ed e v e l o p m e n to fp o w e ri n t e g r a t e dc i r c u i t s ，t h ei n t e g r a t i o ni n c r e a s e d a st h e m o s tc o i m i l o no n eo ft h ep o w e rd e v i c e s ，v d m o sw a sm o r ei n t e g r a t e dw i t ht h el o w - v o l t a g ec i r c u i ti nt h e c h i p i no r d e rt oi n t e g r a t eh i g h - v o l t a g ep o w e rs w i t c hw i t hh i g h - v o l t a g ec o n t r o lc i r c u i t ，t h e r eh a sb e e n e n h a n c e m e n ta n dd e p l e t i o ni n t e g r a t e dv d m o s b vo fe n h a n c e m e n ta n dd e p l e t i o ni n t e g r a t e dv d m o s d e s i g n e di nt h e s i si s6 5 0 v t h ee n h a n c e m e n ta n dd e p l e t i o ni n t e g r a t e dv d m o s d e s i g n ，f as to fa l lt os o l v et h ei n t e g r a t i o no f p r o c e s s ，n a m e l yh o wt oa c h i e v ee n h a n c e m e n tv d m o sa n dd e p l e t i o nv d m o sa tt h es a m et i m e t h r o u g h t h ef o r m u l at od e t e r m i n e dt h ei d e a lv a l u e so ft h ep a r a m e t e r s ，a n dm a k e st h ed e s i g np a r a m e t e r sc a n w i t h s t a n dac e r t a i nd e g r e eo fp r o c e s sf l u c t u a t i o n s f i n a l l yas p e c i f i ci s o l a t i o ns t r u c t u r ew a s d e s i g n e da g a i n s t t h es p e c i a la p p l i c a t i o n so f t h i si n t e g r a t e dv d m o s a f t e rt h ee n h a n c e m e n ta n dd e p l e t i o ni n t e g r a t e dv d m o sw a st a p eo u t ，p a c k a g e da n dt e s t e dt h ec h i p b vo fe n h a n c e m e n tv d m o si s6 9 3v v t hi s2 8 9 va n dr d s o ni s5 3 f 1 b vo fd e p l e t i o nv d m o si s6 8 7 v ； v t hi s - 1 i v , t h ec h i pa c h i e v e dt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s v d m o sp a r a m e t e ra n a l y s i sa n dd i s c u s s i o no f t e s t m e t h o d sw i l lh e l pt of u r t h e ru n d e r s t a n dt h ev d m o s ，t h ed e v e l o p m e n to fp r o c e s s e s0 1 1t h eh i g h - v o l t a g e i n t e g r a t i o nv d m o sd e s i g nh a sac e r t a i ns i g n i f i c a n c e ，t h ev d m o sd e s i g nm e t h o dc o u l db eu s e db yo t h e r p o w e rd e v i c ed e s i g n ，f u r t h e r m o r et h ei s o l a t i o ns t r u c t u r ec a l la l s ob eu s e df o rs i m i l a rh i g h - v o l t a g ei c k e yw o r d s ：v d m o s ，i n t e g r a t i o n ，t e r m i n a ls t r u c t u r e ，i s o l a t i o n ，p r o c e s sd e v i a t i o n i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所 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， 也不包含为获得东南大学或其它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了谢意。 研究生签名： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相 一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括以电子信息形式刊登) 论文的全部内容或中、英文摘要等部分内容。论文的公布( 包括以电子信息形式刊登) 授权东南大 学研究生院办理。亚 研究生躲孕冷师签名丝坐吼型经丝 第一章绪论 第一章绪论 本章叙述了功率器件的发展，并针对高压集成电路中的隔离结构做了简要介绍，最后指出了本 论文的主要工作，并介绍本文的组织结构。 1 1 功率器件综述 1 9 5 2 年i l n h a l l 研制出世界上第一个功率半导体整流器。1 9 5 7 年1 2 月，通用公司推出了商用 可控硅整流器，标志着功率器件技术的诞生。到了二十世纪7 0 年代，已经派生了快速晶闸管、逆导 晶闸管、双向晶闸管、不对称晶闸管等半控型器件。电力电子器件的功率也越来越大，性能日益完 善。但是由于晶闸管的固有特性工作频率较低( 一般低于4 0 0 h z ) ，大大限制了它的应用范围，并且 由于其固有的特性，如关断这些器件必须有强迫换相电路，使得整体体积增大、重量增加、效率降 低、可靠性下降。 从上世纪六七十年代至八十年代初，功率半导体器件主要是可控硅整流器( s c r ) 、双极型晶体 管( g 像) 和其后的栅关断晶闸管( g t o ) 等。它们的主要用途是用于高压输电，以及制造将电网的 3 8 0 v 或2 2 0 v 交流电变为各种各样直流电的中大型电源和控制电动机运行的电机调速装置等，这些 设备几乎都是与电网相关的强电装置。因此，当时我国把这些器件的总称为p o w e rs e m i c o n d u c t o r d e v i c e s ，没有直译为功率半导体器件，而是译为电力电子器件。此后，这些器件在设计和制造方面 不断有所改进，如图1 1 所示，它们的功率控制容量不断增大，工作频率不断提高 1 】- 网。 v 删 仲 磊 鞘 僻 霄 工作频率( h z ) 图1 1 功率半导体器件的功率控制范围及其工作频率 在上世纪八十年代末期和九十年代初期发展起来的、以功率m o s f e t 和i g b t 为代表的、集高 频、高压和大电流于一身的功率半导体复合器件，标志着传统电力电子技术已经进入现代电力电子 时代。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技术指标和技术性能却起着十分重要的作用，其可靠性决定了装置和系统的 可靠性。这些器件或集成电路能在比以前高l o 倍以上的频率下工作，而电路在高频工作时能更节能、 1 东南大学硕士学位论文 节材、大幅减少设备体积和重量。尤其是集成度很高的单片片上功率系统( p o w e rs y s t e m0 1 1ac h i p ， 简写为p s o c ) ，它能把传感器件与电路、信号处理电路、接口电路、功率器件和电路等集成在一个 硅芯片上，使其具有按照负载要求精密调节输出和按照过热、过压、过流等情况自我进行保护的智 能功能，因此其优越性不言而喻。 当前功率器件的发展有如下特础9 】【1 1 j ： 1 、进一步改进性能来提高效率： 以功率m o s f e t 为例，5 0 0 v 、t 0 2 2 0 封装的v d m o s 自1 9 9 6 年以来，其r d s o n 正以每年5 0 的速度下降。用于d c d cb u c kc o n v e r t e r 的m o s f e t ，既有注重r d s o n 的s y n c h r d s o n o u sf e t ( 同 步整流v d m o s ) ，也有r d s o n 及q g 需同时兼顾的c o n t r o lf e t 。前者的r d s o n 下降速度为每两年 5 0 ，后者的r d s o n q g ( 称为优值f o m ) 下降速度为每年3 0 。 t r e n c h v d m o s 的t r e n c h ( 沟槽) 原胞密度已达到1 1 2 m i n c h 2 ( 即每平方英寸一亿多原胞) 。为 迎合微处理器降低电源电压的要求，r d s o n 的下限正向3 1 1 1 q 趋近。 本来分工明确的功率m o s f e t 和i g b t ，现在也出现新一轮的竞争。两年前有w a r pi g b t 逼近 了m o s f e t 的频率，现在又有垂直p + 结构的m o s f e t 来夺取更低的正向电阻( 如c o o l m o s ) 。新 一代的n p ti g b t ( 非穿通型i g b t ) 在高压i g b t 领域以其耐用度( r u g g e d n e s s ) ( 抗短路能力、防 止热逸走) 和更佳的s o a 夺走了1 2 0 0 伏i g b t 的市场。使i g b t 内的载流子分布趋近g t o 的注入 增强结构，又使i g b t 增添了一种改善正向压降的新途径( i e g 卜注入增强门极晶闸管) 。 肖特基( s c h o t t k y ) 二极管首先和p n 结二极管相结合，迈上了高压、快速又软恢复的领域，成 为i g b t 的重要伙伴。和v d m o s 组合封装后，产生了新型器件。最近利用t r e n c h 结构，有望出现 压降更小的肖特基二极管( t m b s 沟槽m o s 势垒肖特基) 。这样也就减少了肖特基二极管在极 低电源电压应用中被同步整流m o s f e t 迅速取代的可能。 g t o 也没有在这场竞争中停滞。g t o 和i g b t 在发展中互相吸取对方的工艺。如n p t o l g b t 和 g c t 都采用低发射效率的阳极。把g c t ( 一种特殊设计的g 1 o ) 和特殊的封装及门极触发技术结 合在一起的i g c t ( 集成门极换向晶闸管) ，由于门极触发电路寄生电感极小，可通过每微秒3 0 0 0 安的关断电流，就使g t o 既保持p n p n 低压降的优越性、又具有在关断时迅速从p n p n 转向晶体管 关断的特殊性能。从而使g t o 继续稳坐超高压领域的宝座。 2 、进一步减小体积和重量： 减小体积和重量的好处是：可以提高芯片效率；使芯片进一步集成化；在封装中进一步 集成化，如c o - p a c k 。现在甚至出现三维封装的构思和工艺( 3 dm u l t i p l ec h i pp a c k a g i n g ) ；改进封 装技术，使芯片和管脚比( c h i pt of o o t p r i n tr a t i o ) 进一步增大。常规的t 0 2 2 0 仅为百分之十几，现 已在讨论 7 0 的c h i ps c a l e 的封装。 3 、进一步减小污染： 包括减小生产和原材料应用中的污染，尤其是指减小器件使用中的电磁干扰和射频干扰( e m i 及r f i ) 。除采用更“安静”的器件，线路上也需要对功率因数调整、软启动、过零开关等加以重视。 过去输入整流似乎只和整流元件或可控硅有关，现己发现输入整流要用到几乎所有不同的功率器件， 2 第一章绪论 不仅提出了智能整流( s m a r tr e c t i f i e r ) 概念，而且进一步设想以逆变器代替输入整流。因此追求双 逆变器( d o u b l ei n v e r t e r ) 又成为一种新的理想。 4 、增加耐用度和可靠性： 以i g b t 为例，单脉冲的测试往往不能完全表现器件的耐用度。穿通型i g b t ( 采用外延芯片的 i g b t ) 有时具有很好的开关和导通特性，但在高压应用中却显示出耐用度较弱的缺点。把i g b t 描述 为一种有三种基本要求的器件是较为合适的。当然每种器件都需重视其耐用度及可靠性。 5 、增加用户在设计和组装时的方便性： 除了在器件外壳包装上的改进外，器件制造商正在为用户做越来越多的原本是属于用户的工作。 例如p o w i r t r a i n 是把整流和逆变中的所有功率器件组合在一个封装中。a p m ( a d a p t a b l ep l a n a rm o d u l e ) 进一步加强了线路的连接和缩小体积。新一代嵌入式设备( 单立式工业传动) 有望简化为单片的功 率变换处理器( p o w e rc o n v e r s i o np r o c c s s o r ) 加上a p m 。d c d c 变换中的所有半导体器件也有望全部 集成及混合集成化。用户和器件( 包括混合电路) 制造商结合以实行所用器件的国产化和本厂化( 即客 户专用器件) 将是中国家用电器、汽车电器和各种电源生产厂的新热点归1 。 在国内的功率器件市场，电源管理i c 占据着首要位置，m o s f e t 位于第二位，大功率晶体管 位于第三位。此三大产品销售额占整体市场的8 0 以上。i g b t ( 绝缘栅双极晶体管) 销售额虽然不 大，但随着其在工业控制、消费电子领域中的应用不断增多，其市场销售额保持着较快的增长，是 中国功率器件市场中的新兴产品。 在中国功率器件市场中，欧美厂商占有比较大的优势地位。2 0 0 7 年排名前1 0 位的功率器件生 产企业中，欧美厂商占据9 席。在前l o 位的厂商中，德州仪器仪表和美国国家半导体主要专注于电 源管理i c 产品的生产，而威旭则在m o s f e t 细分产品市场中拥有较强的市场竞争力。飞兆、意法、 安森美等企业产品线涵盖广泛，产品包括功率分立器件、电源管理i c 。目前来看，这些企业产品质 量好，技术实力强，在功率器件市场中处于领先地位。在本土企业中，近年来出现了一批从事电源 管理i c 生产的企业，但这些企业多以设计企业为主，产品主要集中在l d o 、d c d c 。对于m o s f e t 、 i g b t 等高端功率分立器件产品，现阶段大陆地区还缺乏有实力的i d m ( 垂直集成型) 企业。综上 所述，欧美日企业在中国功率器件市场上凭借着出色的产品质量处于领先地位，中国台湾企业则凭 借着良好的产品性价比在市场中得到了较快的发展，而中国大陆企业在中国功率器件市场上的竞争 力还很弱，企业实力有待提升。 1 2 隔离技术简介 具有高压结构的集成电路可分为两大类1 2 l ：一类是高压集成电路( h v i c ) ，它一般是指将低压逻 辑与高压输出级集成在同一芯片上。这类器件专门用于显示驱动与电话通讯。在这些应用领域内器 件的主要性能是要求高压容量，其耐压容量可高达1 0 0 0 v ，但其输出电流较小，最大约为1 0 0 m a 。 故h v i c 的功耗可以小到足够将芯片安装在标准封装中。另一类为功率集成电路( p i c ) ，p i c 是将输 入( 控制或功能) 电路与功率器件集成在一块芯片上。这类器件主要用来接通或切断大功率，一般应 3 东南大学硕士学位论文 用于稳压电源、交流马达控制、自动控制电路及日光灯电子镇流器等领域。功率器件与控制电路的 集成使用其能获得多种功能，如实现温度控制、过压保护与低电流保护等，从而使其性能更为优异 和完善。近年来，p i c 的功能日趋强大，芯片结构更加复杂，出现了将低压逻辑与控制电路、高压 控制单元和功率器件相结合的新型p i c 。对于高压电路与低压电路间的隔离，以及高压电路与高压 电路间隔离的研究，逐渐成为热点。 众所周知，在半导体集成电路中，硅是导电的，必须与各电路元件电隔离，以避免彼此之间的 电连接。高压晶体管和低压晶体管之间的电隔离尤为重要。例如图1 2 所示，如果在n 衬底上制作 一个高压n p n 晶体管和一个低压p m o s ，两者之间若不加隔离，一方面会产生一个微小的无用电流 使功耗增加；另一方面p m o s 栅极与衬底之间将跨接一个高压，对于栅氧化层厚度为1 0 0 r i m 左右的 低压p m o s ，很难承受这一高压。因此两者之间必须加以隔离。目前最常用的隔离技术是：p n 结隔 离、自隔离和介质隔离。每种隔离都有各自的优缺点： 图1 2 说明h vn p n 管与l vp m o s 必须隔离的示意图 1 自隔离( s i ) m o s 具有自隔离特征，因为当其导通时源、漏和沟道三区都被耗尽区所包围，与衬底之间形成 隔离；当其截止时，漏衬底间p n 结处于反偏，因此漏区上的高电压又被耗尽区所隔离。故在全部 为m o s 时可以采用自隔离。 自隔离的优点是工艺较为简单，集成度高，高压m o s 击穿电压高，在工艺上高压管与低压管可 以兼存。但是自隔离有以下限制：高压管必须设计成环形结构，漏区在当中，漏区完全被栅极和 源区所包围，这种环形结构可以避免寄生的场反型问题；自隔离可用于集成多个输出m o s ，但必 须采用共源联接；( 查) v d m o s 不是自隔离的，故不能采用自隔离。 2 p n 结隔离( j i ) j i 是大家都很熟悉的，传统j i 是将有源器件制作在p 衬底上的n - 夕p 延层上，穿通外延层的p + 深扩散使各器件或元件间得以隔离，高浓度的n + 埋层使串联体电阻减小。传统j l 一般用于电压小 于6 0 v 的情况，最高可达1 5 0 v ，采用厚外延层和对通扩散，可将电压容量扩展到4 0 0 v 。在传统的 j i 中，采用r e s u r f 高压器件也能扩展其电压范围。在j i 的h v i c 或p i c 中可以采用纵向器件，从 而降低高压器件的导通电阻并扩大电流容量；可以同时采用双极晶体管和m o s ，因为在各个j i 隔离 区内的器件基本上是彼此独立的，故对m o s 来说消除了自隔离中高压m o s 必须受共源结构的限制。 上述两点，使j i h v i c 或j i p i c 有更大的应用范围。 原则上j i 对各种工艺都适用，应用范围很广，但是在h v i c 中隔离结所占面积较大，集成度较 4 第一苹绪论 低，有寄生电容和p n p n 寄生效应。j i 和s i 都有在高温时漏泄电流增大这一缺点，虽然这种漏泄电 流增加对大多数功率应用是允许的，但这使同一芯片上元件之间的绝缘程度降低，导致器件间的交 联和在某些情况下产生电压锁定。 在h v i c 或p i c 中的纵向高压器件是通过增加外延厚度来提高其电压容量。电压容量越高则要 求外延层厚度越厚，从而隔离扩散时间就越长，隔离结因有横向扩散所占的面积就越大。另外传统 的高温隔离扩散是在外延后进行的，结果使n + 掩埋层在隔离扩散中向上推移，使双极晶体管基区与 埋层之间的距离减小，导致击穿电压降低。改进的方法是采用图1 3 所示的对通结隔离。对通结隔 离由两步形成：首先在n - 夕 延生长前，对p 衬底进行高剂量的p + 离子注入；然后在外延生长后， 从表面进行p + 预淀积和再分布，从而缩短高温扩散过程的时间，并使击穿电压提高，隔离结面积减 小。在高压双极型器件中，外延层较厚，集电极串联电阻较大，可以通过引入n + 埋层联接来得以减 卅、。 图1 3 对通结隔离示意图 3 介质隔离( d i ) 介质隔离是应用绝缘介质将集成电路中的元件隔离开来，其基本结构如图1 4 所示。在隔离区 内制作了一个v d m o s 。由于s i 0 2 的绝缘性能较好，故没有泄露电流，且隔离电压可高达1 0 0 0 v 。 在温度很高时，s i 0 2 的漏电流也是非常小，隔离的元件间仅有寄生的耦合电容起不良作用。另外， 介质隔离中没有p n p n 结构，故不会发生电压锁定。在介质隔离中，器件与衬底的绝缘，抑制了衬 底电流，但是衬底的偏置对器件的性能有一定的影响【埔。用介质隔离的器件是与其他器件完全隔离 的，故在电路设计时可以按独立器件来考虑，这是十分方便的。双极工艺和m o s 工艺可以应用于同 一芯片上，而且互补功能也是可行的。背面作为支撑的多晶硅的热导率和s i 0 2 的热导率都比单晶硅 的热导率低，降低了芯片所能承受的功耗，限制了介质隔离在大功率集成电路中的应用。介质隔离 工艺复杂，成本昂贵，故在应用方面受到了一定的限制。尽管如此，介质隔离在通信中还是用得比 较多的。 sgd 彭形 图1 4 介质隔离结构 5 东南大学硕士学位论文 1 3 本文的主要工作 前面提n - j 将低压逻辑与控制电路、高压控制单元和功率器件相结合的新型p i c 。如果将三部 分在同一工艺平台下制作，工艺复杂度高，实现较为困难；如果将三个模块分开制作，最后封装在 一起则封装难度大，实现也较为困难；将两种方案进行折中，将高压控制单元与功率器件集成在一 起，再通过封装与低压模块相结合，最终形成完整芯片，无论是芯片设计难度还是封装难度都有所 降低，可行性较高。 本文设计的增强型与耗尽型集成v d m o s ，设计目标是在一块外延上，通过一套工艺同时实现 增强型v d m o s 和耗尽型v d m o s ，并且整个结构的击穿电压大于6 5 0 v 。对于这样一种集成v d m o s 的设计，工作的重难点主要有以下两项：一是确定集成v d m o s 的工艺流程和结构参数；二是设计 隔离结构，使得增强型v d m o s 和耗尽型v d m o s 工作时互不干扰。本文所设计的集成v d m o s 主 要有如下参数指标：增强管的耐压超过6 5 0 v ，v t h 典型值为3 v ，导通电阻在5 f 2 左右；耗尽管耐压 超过6 5 0 v ，v t h 的典型值为2 。5 v ；隔离结构使得增强管和耗尽管在工作时互不干扰，并且隔离结构 的耐压也超过6 5 0 v 。 论文的第二章从v d m o s 的结构和工作原理入手，对v d m o s 的击穿电压b v 、开启电压v t h 、 导通电阻r d s o n 这三个最重要的静态参数的物理意义进行分析，得出影响这些参数的主要因素。并 且对v d m o s 的动态参数进行了分析，并对它们的测试方法展开了讨论。第三章针对增强型与耗尽 型集成v d m o s 的参数要求展开设计。首先分析增强管和耗尽管的特征，并据此确定其工艺流程。 然后对各项参数进行理论分析和软件模拟仿真，确定集成v d m o s 的结构参数。对于隔离结构，给 出两种设计方案，并分别设计版图。第四章主要对增强型与耗尽型集成v d m o s 流水完成后的测试 进行分析，并对芯片进行了封装，通过实测的数据来检验设计的好坏。 本文设计的增强型与耗尽型集成v d m o s 器件，增强管b v 实测为6 9 3 v ，v t h 实测2 8 9 v ，导 通电阻为4 , 9 f l ，完全达到了设计上的指标要求；耗尽管b v 实测为6 8 7 v ，v t h 实测1 1 v ，实现了耗 尽管的功能，但下次流片需要对v t h 进行相应调整以更好的满足组设计参数要求。隔离结构经过验 证符合隔离要求。论文对v d m o s 参数的分析以及测试方法的讨论有助于进一步理解v d m o s ：制 定的工艺流程对高压集成v d m o s 的设计具有一定的指导意义；采用的v d m o s 参数设计方法可以 运用到高压v d m o s 的设计中；设计的隔离结构也可用于同类高压集成芯片。 6 第= 章v d m o s 结构b 最 第二章v d m o s 结构与原理 2 1v d m o s 的结构 v d m o s 结构采用双扩散或双注入的工艺形成淘遒区延伸的n 漂移区是垂直的，作为高阻漏 区，漏极从村底n + 区引出，位于芯片底部i m 。如图2l 显示了一个n 沟道v d m o s 的简化结构 人们称之为垂直、双扩散结构，其主要特点是：源极载流子通过沟道以后是垂直于石 = 片表面方向流 向漏极的，选种结构在保证击穿电压的同时有效的减小了芯片面积。 星! 吣 二乏! ! ! = ! 要 3 0 0 v ) 中出现这一区域。 其解释如下：在反偏的v d 作用下，p n 结在外延层耗尽区相当于一个结型场效应管，有一个沟道电 阻，用r 表示。这相当于在v d m o s 有源区的沟道电阻上又串联一个电阻。r i 受v d 的调制，在二 维近似下r = l g 0 ( 1 a v i ) u 2 ) ，其中g o 为v d = 0 时，结型场效应管的沟道电导a 为常数。当v d 增加 时，i i = j 也随之增加，在其上的压降也增加，使得有源区的漏电压v - d 始终低于夹断电压，电流不会 饱和。结果是v d m o s 运用在准饱和区时，电阻增加，且电流有了一个本征限制，不再无限制的增 力口。 对于n 型m o s f e t ，开关速度仅受限于m o s f e t 内寄生电容的充电和放电速率。因此，开关 速率可以很快，开关损耗很低。开关频率很高时，使得功率m o s f e t 具有很高的效率。 2 3v d m o s 静态特性分析 2 3 1 阈值电压 阈值电压是沟道区表面实现反型所需的最低栅源电压 1 8 1 ，用v t h 表示。与普通m o s 结构的阈 值电压一样，它由平带电压v m 、表面电势v s 和栅氧化层电压降v o x 组成 = + 圪+ ( 2 1 ) 1 、栅上首先需要加电压v n 3 使半导体表面能带是平的 栅电压为零时，半导体表面层可能已存在电荷，要使它无电荷，即要使半导体表面能带是平的， 栅上应加电压v m ，这就是平带电压。这是因为：1 ) 栅与p 型半导体之间存在着接触电势差巾m s ， 即使栅电压为零，此接触电势已使得栅表面的静电位比p 型半导体低了一个t p m s ，即半导体表面层 已有正电荷，栅上已有负电荷。为了消除这些电荷，栅上应加正电荷( p m s ：2 ) 半导体在与氧化层接 触的界面上常存在着面电荷，此面电荷的密度用q s s 表示。为了使这些电荷产生的电力线都终止在 栅的表面上，而不是进入半导体使半导体能带弯曲以产生感应电荷q s s ，那么栅上应有负的电荷， 其面密度为q s s 。这对正、负电荷在氧化层上的电压为q s s t o x e o x ，即q s s c o x 。由此可见，平带电 压为 - - 妣一级巳( 2 2 ) 9 东南大学硕士学位论文 如果氧化层内还有其它电荷，则它的作用可以用半导体表面有一个等效电荷来反映，上式中的 q s s 应包括这种等效电荷在内。 2 、若要使表面反型，则半导体能带应有2 q q o f b 的弯曲。 其中qf b 是体内费米能级到近带中央的距离，故栅上还应加上2 9 f b 的电压。然后，处于沟 道区强反型，表面电势v s 为 圪= 2 办 式中， s s 是抵消硅与硅栅功函数差所需加的栅源电压，常温下： 丸= o 0 2 6 l n 哗 ( 2 3 ) ( 2 4 ) 其中n d 为栅多晶掺杂浓度，在数值上等于n + 源区掺杂浓度。 3 、能带弯曲2 q 由f b 对应着表面反型层到体内有一过渡的耗尽层，就像n + p 结一样，此耗尽层 有电荷面密度一q - - - 2 ( q n a s g f b ) i 2 ，n a 为p 型衬底的杂质浓度。这个负电荷需由栅上相应的正电荷 来屏蔽，因此氧化层上需要加电压： = 一争 ( 2 5 ) o “ q b 。为栅氧化层在半导体表面感应的最大电荷量，由于感应的为等量异种电荷，所以在式中提 出负号。且 绋一= ( 2 岛乞g 以纷) u 2 ( 2 6 ) o 为真空介电常数，取e o = 8 8 5 x l f f l 4 ；s 为硅相对介电常数，取岛= 1 1 7 ；n a 为v d m o s 的p 区掺杂浓度；嘶为硅的费米势；n i 为本征硅载流子浓度，取n i - - 1 5 x1 0 1 0 。常温下： 纷：o 0 2 6 l n 丝 协 ( 2 7 ) 单位面积栅氧化层电容： 巳2 警 ( 2 8 ) 为s i 0 2 相对介电常数，取o x = 3 9 ；t o 】【为栅氧化层厚度；q o x 为栅氧化层表面等效电荷面密度， 它的值由工艺条件的不同而取不同值。 因此阈值电压的表达式为： 巧= 一警+ 2 纷一 ( 2 9 ) 实际使用时，所加栅源电压是阈值电压的1 5 - - 2 5 倍，以获得较小的沟道压降。 影响阈值电压的主要因素有以下几个方面： 第二章v d m o s 结构与原理 1 、作为介质的二氧化硅( 栅氧化层) 中的电荷q s s 以及电荷的性质。 这种电荷通常是由多种原因产生的，其中一部分带正电，一部分带负电，其净电荷的极性会对 衬底表面产生电荷感应，从而影响反型层的形成。要么是使器件耗尽，要么是阻碍反型层的形成。 q s s 通常为可动正电荷。 2 、衬底的掺杂浓度。 从前面的分析可知，要在衬底的上表面产生反型层，必须施加能够将表面耗尽并且形成衬底少 数载流子的积累的栅源电压。这个电压的大小与衬底的掺杂浓度有直接的关系。衬底掺杂浓度( q b ) 越低，多数载流子的浓度也越低，使衬底表面耗尽和反型所需要的电压v g s 越小。 衬底掺杂浓度是一个重要的参数，衬底掺杂浓度越低，器件的阈值电压数值将越小；反之则阈 值电压值越高。对于一个成熟稳定的工艺和器件基本结构，器件阈值电压的调整，主要通过改变衬 底掺杂浓度或衬底表面掺杂浓度来进行。 3 、由栅氧化层厚度t o x 决定的单位面积栅电容的大小。 单位面积栅电容越大，电荷数量的变化对v g s 的变化越敏感，器件的阈值电压则越小。 实际的效应是，栅氧化层的厚度越薄，单位面积栅电容越大，相应的阈值电压数值越低。但是 栅氧化层越薄，氧化层中的场强越大。因此，栅氧化层的厚度受到氧化层击穿电压的限制。选用其 他介质材料做栅介质是当前工艺的一个研究方向。例如选用氮氧化硅s i n x o y 替代二氧化硅是一个 微电子技术的发展方向。目前有学者正在研究其它具有高介电常数的材料，称为高k 栅绝缘介质。 4 、栅材料与硅衬底的功函数差q ) m s 的数值。 这和栅材料性质以及衬底的掺杂类型有关。在一定的衬底掺杂条件下，栅极材料类型和栅极掺 杂条件都将改变阈值电压。对于以多晶硅为栅极的器件，器件的阂值电压根据多晶硅的掺杂类型以 及掺杂浓度的不同而不同。 可见，在正常条件下，增强型p m o s 管很容易得到。为了制得增强型n m o s 管，则需注意减少 q s s 、q o x ，增加q b 。采用硅栅工艺对制作增强型n m o s 管和绝对值小的增强型p m o s 管是有利的。 2 3 2 导通电阻 导通电阻是指v d m o s 在完全开启的条件下( 此时v g s v t h ) ，漏源间的电阻。对于一个功率 器件而言，要获得更好的开关效率，必须减小器件本身的功耗，而在器件工作电流一定的情况下， 器件本身的功耗由器件的导通电阻决定。单胞结构、布局、几何尺寸、芯片面积等因数都会影响导 通电阻【1 9 1 。 由于v d m o s 由许多单胞并联而成，因此导通电阻与面积成反比。这里只对单位面积的导通电 阻进行讨论，即特征导通电阻。 东南大学硕士学位论文 o i d e 7 ( ii l | l ，| 、 p b o d y l 划一，a 2 、 p m“i e c t d c ：- n o 、 一二f _ _ 二- = 。j ， t ， 。，d r i f t r e g i o n 、， ( a ) v d m o s 电阻分布图( b ) 单胞电阻计算结构图 图2 4v d m o s 电阻构成图 从图2 4 中可以看出，励为源区扩散电阻；r c h 为沟道电阻；r d ( 下面用r a ) 表示积累层电阻； 彤为结型场效应管电阻，也称j f e t 电阻；r e 为外延层电阻；r n + 为衬底电阻。 在这些电阻中，船电阻由于n s d 区域p 浓度很高，从模拟上知道其浓度高达2 0 次方量级，所 以电阻值较小，通过电阻公式估算，r s 蚓 粤v d d 爆 嘿 k |l k 1 区i 2 区 i 3 区 。 v d s 一 寒 ! t 啪。n 邑量损耗 i 飞 刀峙一 - ；： 7 q g s l q g d l q g g 栅电荷q g 图2 1 0 漏源电压、栅源电压随栅电荷变化曲线 ( v c l s q g ，v g s q g ) i d d v d 图2 1 li d v d 曲线与栅电荷3 个区之间的关系 能够方便地估算器 ( 2 2 0 ) 1 区：初始时，器件关断。对栅极加一个恒定的i g 后，c g s 及c d s 开始以恒定速率进行充电，由 于此时半导体表面为耗尽层，c d s 远小于c g s ，其充电效应可忽略，因此v g s 随c g s 充电而不断增大， 但小于阈值电压v t t l ，器件未开启，v d s 基本为常数，其值近似为外加电压v d d ，对应图2 1 1 中箭 头所指变化形式。 2i s 该区域中，栅源电压v g s 维持在一个恒定值，栅电流对c g d 进行反充电。因此，v d s 下降。 对应图3 中箭头所指变化形式。此时，栅氧化层下的耗尽区宽度下降，由此导致耗尽区积累的空间 1 6 第二章v d m o s 结构与原理 电荷释放到沟道。为保持沟道电中性，栅上必须得到更多的电荷进行补偿，因此c g d 增加，并达到c o x 。 v d s 持续减小，直到达到开态时的电压。2 区中，q g d 定义了将漏源电压v d s 由外加的v d d 转换降低至 开态时的电压值所需的电荷。由q g d 与预期转换时间的比值能得到为达到期望转换速率所需的栅电 流大小。 3 区：此时栅电压已能维持器件开启，但实际电路常采用过驱动设计，即v g s 超过2 区对应的值。因 此，希望v g 更大，增加反型层，并形成积累层。此时，栅电流继续对c g s 及c g d 进行充电使栅源电压 v g s 继续增大，直到达到外加电压v g g 。此时，器件处于线性区此时，v d s 的微小变化就对应于v g s 的快速上升，如图3 中箭头所指变化形式。由于v d s 降至足够小，j 、于v g s ，c g d 基本由c o x 提供， 其值大大增加。因此3 区图像与1 区相似，但其斜率低于1 区 图2 1 2 是栅电荷测试电路的基本原理图。其中，i s o u r c e 为恒流，提供