（微电子学与固体电子学专业论文）高压ldmos器件性能的优化研究.pdf

上海火学硕上学位论文 摘要 基于在众多领域的设计中所遇到的多参数求解问题，以高压l d m o s 器件 性能的优化设计为对象，重点研究如何实现工艺和器件设计时的多参数优化。 本文使用t c a d 工具对一种运用场板技术和d o u b l er e s u r f 技术设计的高 压l d m o s 进行研究，在此基础上主要研究如何通过实验设计利用响应表面方 法和基于b p 神经网络的优化方法对高压l d m o s 进行多参数优化设计。 以高压l d m o s 的制造工艺参数和结构参数n d r i f t 层注入剂量、p t o p 层 注入剂量和p t o p 层长度作为控制因素，将高压l d m o s 的击穿电压作为响应， 在实验设计的基础上运用响应表面方法建立多项式响应表面模型。结果表明只 要选择合适的实验设计和模型公式，所得到的模型就既能很好地拟合实验数据， 又能很好的反映出控制因素变化对响应影响的趋势，具有良好的预测能力。 用一个3 5 l 的3 层b p 神经网络结构对高压l d m o s 的器件性能进行 优化设计。将工艺参数n d r i f t 层注入剂量、p t o p 层注入剂量和p - t o p 层长度作 为网络的输入，l d m o s 击穿电压作为网络的输出，利用训练得到的网络对工 艺参数进行优化。结果表明训练样本和测试样本的网络输出值和通过t c a d 工 具得到的测量值均非常接近，得到的最优工艺参数非常理想。 关键词：高压l d m o s ；优化；响应表面方法；b p 神经网络 v 上海火学硕 ：学位论文 a bs t r a c t b a s e do nt h ep r o b l e mo ft h ed e t e r m i n a t i o no fm u l t i p a r a m e t e ri nm a n yd e s i g n s ， a n dw i t ht h eh vl d m o s sd e v i c ep e r f o r m a n c eu s e da st h er e s e a r c ho b j e e l ：， m u l t i p a r a m e t e ro p t i m i z a t i o ni sr e s e a r c h e dm a i n l y a u t h o rr e s e a r c h e sah vl d m o s ，i nw h i c ht h ef i e l dp l a t e sa n dd o u b l er e s u r f a r ei n t r o d u c e d ，a n dt h e ns t u d i e sh o wt oa c h i e v eo p t i m i z a t i o nd e s i g no fh vl d m o s u s i n gr s ma n db pn e u r a ln e t w o r km e t h o d o l o g y ，w h i c ha r eb a s e do nt h ed o e w i t ht h et h r e em a i np r o c e s sp a r a m e t e r s ( n - d r i f td o s e ，p - t o pd o s ea n dp - t o p l e n g t h ) u s e da st h ec o n t r o lf a c t o r s ，a n dt h el d m o sb r e a k d o w nv o l t a g ea st h e r e s p o n s e ，t h i sp a p e ru s e st h er s ma n dd o e t og e n e r a t ep o l y n o m i a lr e s p o n s es u r f a c e m o d e l s t e s tr e s u l t ss h o w st h a tt h ec h o o s eo ft h ed o em e t h o d o l o g ya n dm o d e l e x p r e s s i o n si sc r u c i a lt ot h eo p t i m i z a t i o nr e s u l t s u s i n g3 5 1t h r e el a y e rb pn e u r a ln e t w o r k t h eo p t i m i z a t i o nd e s i g no fh v l d m o s sd e v i c ep e r f o r m a n c ei ss t u d i e d w i t hp r o c e s sp a r a m e t e r s ( n - d f i t td o s e ， p t o pd o s ea n dp - t o pl e n g t h ) u s e da st h ei n p u t st o t h en e u r a ln e t w o r k ，a n dt h e l d m o sb r e a k d o w nv o l t a g ea st h eo u t p u tf r o mt h en e u r a ln e t w o r k ，t h ep r o c e s s p a r a m e t e r sh a v eb e e no p t i m i z e db yt h en e t w o r ko b t a i n e db yt r a i n i n g t e s tr e s u l t s s h o wt h a tt h eo u t p u t so fb o t h 仃a i n l n ga n dc h e c k - o u ts a m p l e sf r o mt h en e u r a l n e t w o r ka r ev e r yc l o s et ot h em e a s u r e dr e s u l t sb yt c a d ，t h eo p t i m a lr e s u l t si s u s a b 】e k e y w o r d s ：h vl d m o s ；o p t i m i z a t i o n ；r s m ；b pn e u r a ln e t w o r k v i 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工作。 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 任何贡献均己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) 签名：翌啦导师签名：牡日期： i i 上海大学硕卜学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究的目的和意义 人类从事的一切生产活动都离不开设计，设计是为满足人们需要进行的一 系列创造性思维活动，是把科学技术转化为生产力的重要手段。因此，设计就 是创新。在实际的设计活动中，影响最终设计结果的参数应该有很多。这就有 一个如何快速选择这些参数，使得设计既能满足最终要求，同时又能获得低成 本的问题。这类问题称为最优化基本问题【i 】。 最优化的设计问题广泛出现在各个领域，如化学工程、生化工程、机械工 程、土木工程等。例如在化工工艺设计计算时，常常碰到怎样选择设计参数使 设计方案既满足要求又能降低成本；在配料配比中，如何确定各种成分的比例 使之既有高质量又有低成本等等【2 1 。 在微电子设计领域，同样也广泛存在着求最优化的问题，例如模拟集成电 路设计、新工艺和新器件的开发过程等等。在模拟集成电路设计中，目前广泛 使用的基于仿真的电路参数生成方法【3 】，其基本思路是对电路参数配置进行性 能仿真，然后将电路仿真性能和目标性能进行比较并不断修正电路参数的配置， 如此反复进行，直到能获得满足电路目标性能的参数配置为止。采用这种方法 进行参数分析，其缺点是仿真和比较的迭代次数太多，设计周期很长。如何有 效地减少仿真次数，完成对电路性能“空间 的搜索和优化，可以归结为求解 已知模拟电路拓扑结构的电路参数最优化问题【4 】。 又例如，在开发新工艺和新器件时，有诸多工艺参数、器件结构参数如温 度、时间、注入剂量等它们都会对器件性能产生影响。在确定这些参数的数值 时，往往需要在已有经验的基础上进行反复的实验校准和参数测量，通过得到 的器件实际性能和期望性能的比较，不断的修正才能得到最佳的参数值。这一 过程也需要大量的实验作为确定最终工艺和结构参数的依据。如何通过有限的 实验次数和测量就能满意地得到最佳的工艺、结构参数值和理想的器件性能， 是节约研发成本解决新工艺和新器件的优化设计问题的重要途径。 七海大学硕士学位论文 本课题j 下是基于上述考虑，研究解决在设计中的多参数优化问题。即在有 限实验次数的基础上，通过实测数据运用优化算法快速得到符合期望值性能要 求的最优化参数组合。以求减少实验次数，提高设计效率的目的。 1 2 课题研究的主要内容 作为典型应用的实例，我们以新工艺和新器件的设计为例，研究如何实现 微电子设计领域的多参数优化问题。 随着半导体工艺技术的发展，集成电路的制造过程越来越复杂，其成本和 设计周期不断增长。因此在研发过程中用t c a d 工具代替实际工艺试验，已成 为集成电路新工艺、新器件早期开发的有效途型5 1 。而且，这种虚拟制造技术 还为提高集成电路产品的可靠性和成品率提供了深层次仿真的物理依据，它使 得面向制造的设计成为可能【6 】。t c a d 用计算机来模拟半导体工艺流程和器件 的物理特性，通过数值计算得到生成器件的电学特性。设计者只要输入半导体 工艺流程的参数，如时间、温度、掺杂剂量和离子注入能量、几何尺寸等，t c a d 就可以根据输入的工艺和结构参数生成具有不同杂质分布特性的区域和边界。 然后，利用t c a d 中的器件仿真工具，就可以根据生成器件的结构和浓度分布 以及给定的边界条件，直接模拟出器件的电学特性【7 】。 然而，t c a d 工具都是基于物理模型和数值求解，只能分析给定条件下的 器件性能。多变量函数之间往往存在着相关性，因此设计者需要不断调整多个 设计参数，反复进行模拟，才能获得理想的器件特性，这就使得设计效率大大 降低了。当要对诸多因素的影响进行分析时和在一定范围内进行性能优化时， 单纯用t c a d 工具就很难实现。例如在对高压l d m o s 进行设计和研究时，若 干个工艺参数和器件结构参数均对器件的性能( 如击穿电压和导通电阻) 产生影 响。我们可以通过t c a d 进行一系列的仿真得到任何单个工艺参数的最优值。 然而当对l d m o s 的整体性能进行优化时，却并不能简单地把以上所有与之相 关的单参数最优值简单排立或叠加起来，作为获得l d m o s 的整体性能最优的 选择参数。这是因为这些参数之间并不是相互独立的，它们之间存在一定的相 关性。因此，我们必须考虑如何实现多个参数( 变量) 下的全局最优化设计问题。 2 ：海大学硕十学位论文 本论文首先利用t c a d 技术对高压l d m o s 进行设计和研究，并对l d m o s 的器件性能与主要的工艺参数、结构参数之间的关系进行深入的模拟和分析。 在此基础上，将最优化设计方法引入到高压l d m o s 的器件设计中来，利用多 种优化方法对l d m o s 的优化设计进行比较研究，借此获得一种比较理想的解 决设计中遇到的多参数优化问题的方法。 1 3 应用工具的简介 本论文的研究主要是通过t c a d 技术( 工艺的计算机辅助设计技术) 来实 现。我们利用计算机软件模拟工艺过程，并进行相关的测试和分析，把基本的 工艺过程和性能表征结合在一起。能方便地对器件和制作工艺进行全面评估和 优化，结合实际经验的指导尽可能地减少昂贵而又耗时的工艺实验验证次数。 使用的计算机软件工具是美国s i l v a c o 公司出品的虚拟制造软件 v w f ( v i r t u a lw a f e rf a b ) ，运行于u n i x 环境下，功能十分强大。它主要有以下 三部分组成： 1 核心工具( c o r et o o l s ) 。这些工具既可以模拟正在进行工艺处理的半导体 器件，也可以模拟正在进行电学测试的半导体器件。其中包括工艺模拟器 a t h e n a ，器件模拟器a t l a s 和s s u p r e m 3 、s s u p r e m 4 。 2 v w f 交互式工具( t h ev w fi n t e r a c t i v et o o l s ) 。这是一些图形化的工具程 序，是为了方便用户使用核心工具而开发的。懈交互式工具运行于图形界面 下，非常直观。其中包括了d e c k b u i l d 、t o n y p l o t 、m a s k v i c w s 和o p t i m i z e r 等 工具。 3 啪自动控制工具( t h ev w fa u t o m a t i o nt o o l s ) 。这些工具程序用于比 较复杂的用途，其中使用了分布式数据库、交互过程通信等计算机技术，可以 用于大规模的实验研究，利用并行算法对实验中的数据进行分析和统计，适用 于复杂的模拟工作。 本文较多采用的是核心工具和v w f 交互式工具，较少使用v f 自动控制 工具。下面就结合使用情况简要介绍一下这两种工具。 上海人学硕上学位论文 1 3 1 核心工具 在核心工具中，常用的是a t h e n a 工艺模拟器和a t l a s 器件模拟器。 a t h e n a 可以对器件进行工艺模拟，生成器件的结构；以此结果为基础，再用 a t l a s 进行器件模拟，即可对生成的特征器件进行参数提取，并可分析其电学 特性。 其实，a t h e n a 是一个综合的软件工具。主要作用是模拟半导体的制造过 程。a t h e n a 工具可以提供有效的模拟分析，在一定程度上可以有条件地替代 费时和费钱的真实实验过程。可以重复实验，有利于参数的快速优化。a t h e n a 包括高温过程模型，比如：杂质扩散和氧化，构形模拟和光刻模拟。 a t h e n a 具有模块化的结构，内含以下的工具： a t h e n a 进行结构初始化和处理，提供基本的淀积、刻蚀等操作。 s s u p r e m 4 用作硅半导体结构的设计、分析和优化。它主要模拟工艺过 程中的离子注入、扩散和氧化。 e l i t e 这个工具是一个外形模拟器，在现代i c 技术中的大范围淀积、刻 蚀和再注入过程都可以用它来精确的模拟。 o p t o l i t h 主要用来作光刻模拟，包括二维空气成像，非平面光刻胶曝 光、后烘、和开发。 ( 垦) f l a s h 用来进行化合物半导体结构的设计分析和优化。主要模拟砷化镓 及其它化合半导体材料( 包括锗硅) 的注入和扩散过程。 在实验中我们先编辑好一个输入文件，其中包含要模拟的工艺流程的每道 工序及流程顺序。工艺流程中的各种步骤，如氧化、淀积、注入、光刻等等， 都有对应的语句进行描述。编辑好输入文件后，就可以运行a t h e n a 来进行模 拟，最后通过哪交互式工具得到模拟结果。 a t l a s 是一个综合的软件工具，它提供了半导体器件的各种模拟和测试环 境。a t l a s 和a t h e n a 一样，同样具有模块化的结构，包括以下的下具： a t l a s 提供各种器件模拟产品的通用功能。 s s p i c e s 模拟硅器件。 b l a z e 模拟任意的半导体制造的器件( 包括i i v i 、v 、二材料) ， 4 上海大学硕j ：学位论文 同样适用于异质结器件。 g i g a 增加了非等温计算的功能。 t f t 多晶硅和无定型材料的器件模拟。 l u m i n o u s 模拟光电子器件，包括复杂的射线追踪。 ( i ) l a s e r 允许异质结构的模拟，通过光学领域的赫尔姆霍兹等式自相容的 解决。 ( 亘) m i x e d m o d e 提供使用数字的基于物理器件和简单分析模型的模拟。 a t h e n a 和a t l a s 通常要联合使用。在实验中，一般是首先采用a t h e n a 进行工艺模拟，预测从工艺中得到的物理结构，再把这些结果作为a t l a s 的输 入，给出某些条件，进行器件模拟，用来预测指定条件下的电学特性。a t h e n a 和a t l a s 的结合使用使描述器件特性的工艺参数更为简便。 1 3 2i w f 交互式工具 d e c k b u i l d 是使用工艺和器件模拟器的中心环境。它首先可以作为一个输入 平台，在d e c k b u i l d 中可以输入模拟文件，也可以载入己经编辑好的文件。其 次，它可以调用不同的模拟器进行不同的模拟，而模拟器之间的转换是自动进 行的，当前使用的模拟器在屏幕的右下角显示。利用命令行方式运行模拟程序 时，不同的模拟器只能识别相关的文件；利用d e c k b u i l d 可以把所有的文件集 成在一个文件中，d e c k b u i l d 可以自动调用相应的模拟器。例如，先调用a t h e n a 工艺模拟器进行工艺模拟，结束后，在程序中加入一条g oa t l a s 语句，就会启动 a t l a s ，然后即可执行器件模拟。 t o n y p l o t 是一个可视化的绘图工具，它提供了交互式的科学绘图功能，支 持所有显示科技数据的各种功能。利用它可以绘制各种图象、图表以及曲线， 可以显示平面图和轮廓图、s m i t h 图表等。例如，利用t o n y p l o t 可以观察工艺 模拟时，任意时刻器件的结构，或者绘制参数提取生成的曲线等等。 交互式工具中还包括d e v e d i t 、m a s k v i e w s 、o p t i m i z e r 、m a n a g e r 等。 d e v e d i t 是一个用于描述和修改结构的工具。它包括了一个网格模块，用于 提供产生网格的功能，需要很多网格的大器件完全可以用d e v e d i t 来描述，生 i ：海大学硕士学位论文 成网格后再由模拟器调用。 m a s k v i e w s 是一个i c 布局编辑器，用来描述工艺模拟器的布局信息。 o p t i m i z e r 是一个优化器，提供了复杂、有效且易于使用的优化功能，对工 艺设计和校准很有价值。在使用模拟器时，可以指定要求某种输出结果，然后 由o p t i m i z e r 优化参数，使得输出符合要求。 m a n a g e r 就类似于w i n d o w s 系统中的程序管理器，它可以显示出当前系 统中安装了哪些v w f 中的工具程序和它们支持的文件。它支持鼠标的单击和 拖放功能，可以处理不同的文件和支持这些文件的工具。m a n a g e r 的使用非常 直观，例如，可以用鼠标选择一个结构文件，再把它拖到t o n y p l o t 图标上， m a n a g e r 就会自动启动t o n y p l o t 绘出所选择的结构。 所有这些交互式工具都既可以单独使用，也可以由d e c k b u i l d 来调用。 总之，哪交互式工具使得对核心工具的使用更加方便，为使用核心工具 提供了强大的辅助功能。 1 4 论文各章节安排与介绍 本论文的内容是作者以攻读硕士学位期间所承担的课题工作为基础，重点 研究利用响应表面法和基于b p 神经网络的优化法对高压l d m o s 器件进行优 化设计的分析和比较；给出了在允许的工艺、结构参数变量范围内，如何设计 才能得到高压l d m o s 器件性能最优化的一种方法。 第一章绪论部分主要阐述了课题研究目的和意义，以及研究的主要内容。 并简单介绍了课题中所应用到的t c a d 工具。 第二章首先对s p i c 和功率器件进行了简单的介绍，并结合r e s u r f 技术 和场板技术，提出了本文所采用的横向高压l d m o s 结构和相应的与c m o s 工 艺兼容的工艺流程。在实验和理论分析的基础上分析了各种工艺和结构参数对 高压l d m o s 击穿电压和导通电阻的影响。 第三章运用响应表面方法和实验设计相结合的技术，建立反映器件性能和 工艺、结构参数之间关系的二次以及三次多项式模型，在此基础上，通过优化 算法得到最优的工艺参数组合和击穿电压。并对两种模型和多种实验设计方法 6 上海大学硕十学位论文 进行分析比较。 第四章将b p 神经网络的智能优化方法引入到l d m o s 器件性能优化的设 计中来，用b p 神经网络建立了关于器件性能和工艺、结构参数之间关系的网 络模型，通过优化算法得到最佳的工艺参数和击穿电压。 第五章是对本论文工作的总结，并指出了下一步的工作目标以及努力方向。 7 e 海大学硕上学位论文 第二章高压l d m o s 器件性能研究 2 1 功率集成电路与功率器件简介 涵盖电力、电子和控制三个领域的电力电子技术在国民经济中的地位和作 用十分突出，是信息产业和传统产业的重要接口，是发展机电一体化及其它高 科技的关键基础技术，它已经发展成为一门新兴学科。i e e e 中电力电子学会对 电力电子技术的表述为：应用电路理论和有关设计分析方法，采用电力半导体 器件，实现对电能高效能的变换及控制的一门技术，这种变换和控制包括电压、 电流、频率等几个方面的内容。 电力电子学诞生以后，人们常常把相应的半导体学科分为两个分支：一个 是以集成电路为核心的微电子学，另一个则是以大功率半导体器件为代表的电 力电子学。前者追求集成度越来越高，后者则追求功率越来越大。随着应用领 域的不断扩大，又要求集成电路内既有控制电路又有功率器件，这又把半导体 学科的两个分支有机的结合起来，于是出现了功率集成电路，它使微电子技术 和电力电子技术相辅相成，把信号控制和功率处理合为一体。八十年代以来， 新型功率m o s 器件和以其为基础的智能功率集成电路( s m a r tp o w e ri c ，s p i c ) 随着微电子技术的进步而迅速发展起来【8 】。智能功率集成电路技术融功率半导 体、电力电子、超大规模集成电路和计算机辅助设计为一体，成为未来工业自 动化、汽车电子、未来新概念家电和其它高新技术产业的基础。 智能功率集成电路是指将高压功率器件与信号处理系统及外围接口电路、 保护电路、自检测诊断电路等集成在同一芯片上的集成电路【9 】。s p i c 出现于上 世纪七十年代后期，研究人员将功率器件与控制驱动电路集成在一个芯片里， 实现了功率器件与控制电路的单片集成。s p i c 减少了系统的元件数、互连数和 焊点数，不仅提高了系统的可靠性、稳定性，而且减少了系统的功耗、体积、 重量和成本。但由于当时的功率器件主要为双极型晶体管b j t 、g t o 等，它们 所需要的驱动电流大，驱动和保护电路复杂，s p i c 的研究并未取得实质性进展。 直至上世纪八十年代，由m o s 栅控制，具有高输入阻抗、低驱动功耗、容易 - f ：海大学硕上学位论文 保护等特点的新型m o s 类功率器件( 功率m o s f e t ，i g b t ) 的出现，才使得s p i c 的驱动电路变得十分简单，且易与功率器件集成，s p i c 才得到迅速的发展。但 是，复杂的系统设计和昂贵的工艺成本限制了s p i c 的应用。进入上世纪九十年 代后，s p i c 的设计与工艺水平不断提高，性价比不断改进，s p i c 逐步进入了 实用阶段。现在s p i c 已广泛应用于军用设备、通信设备、汽车电子、工业自动 化控制及消费类电子等领域。 当代半导体功率器件的发展可以追溯到1 9 5 2 年r n h a l l 研制的第一个功 率半导体整流器，经历了第一代各种传统晶闸管和第二代功率双极型晶体管的 发展后，九十年代开始，功率m o s f e t 才广泛应用于中小功率领域。随着半导 体技术的进步，各种微细加工技术得到迅速的发展，使m o s f e t 的性能得到极 大提高。功率m o s f e t 具有高耐压、大电流、低导通电阻、高功率密度和廉价 的优势，使得各种逆变器件、晶闸管、功率双极型晶体管逐步让位于功率 m o s f e t ，功率m o s 管替代功率双极型晶体管占领新市场的速度达到了3 0 的年增长率。目前，功率m o s 管己被广泛应用于开关电源、汽车电子、消费 电子、工业控制等各种场合【1 0 】。 要实现智能功率集成电路的单片集成，就必须将c m o s 电路、双极型器件 和功率m o s 器件集成在同一衬底上，与之相应的半导体集成电路工艺制程称 为b c d ( b i p o l a r - c m o s d m o s ) 工划1 1 】。b c d 工艺的发展和进步为智能功率集 成电路和高压集成电路带来了突破性的变革，并导致面向系统的智能功率技术 的产生和发展。高压b c d 工艺重点就是研究如何将耐高压的功率m o s 器件与 低压的b i c m o s 电路的工艺很好的兼容起来【1 2 】。因为在集成电路高压b c d 工 艺中，各个器件必须在同一平面上互连，所以其中的功率m o s 器件也要求采 用横向结构。 在目前应用较多的横向器件中，l i g b t 和l d m o s 相比具有工作电流密度 大、导通电阻低等优点，但是l i g b t 由于存在少子存储效应使其实际关断过程 很长，并且其寄生的p n p n 晶闸管结构，有可能会触发闩锁效应。而l d m o s 器件的优点是：多子导电，具有负的温度系数，工作稳定性好，线性放大的动 态范围大，输出交流阻抗高，适合小信号放大电路。l d m o s 是横向高压功率 9 一i ：海大学硕t ：学位论文 m o s 器件的典型代表，也是高压集成电路中最早和使用最广泛的横向功率器 件。 2 2 高压l d m o s 的结构 l d m o s 器件又分低耐压高速l d m o s 和高耐压l d m o s 两类。低耐压高 速l d m o s 主要应用于微波、射频等领域。高耐压的l d m o s 用于高压和大功 率控制等应用要求。高压l d m o s 结构，根据漂移区形成方式的不同，可分为 外延型l d m o s 和单晶扩散型l d m o s 两种。外延型l d m o s 1 3 】的漂移区是用 轻掺杂( 均匀掺杂) 的外延层来实现的，器件导通电阻较低，但是其制造成本 略高，参数一致性稍差；单晶扩散型l d m o s 1 4 】的漂移区是由轻掺杂的扩散阱 构成的，在晶圆上可以制作不同形状和掺杂浓度的阱以满足不同的设计要求， 能保证高低压器件性能的需要，也不受有无外延设备的制约并且成本较低，在 工业界得到了广泛的应用。因此本文采用了单晶扩散型l d m o s 结构。又由于 电子的迁移率比空穴高，为了获得较大的电流密度和较高的工作速度，l d m o s t 常常采用n 沟道器件类型。具体结构如图2 1 所示。 图2 1l d m o s t 结构示意图 l d m o s 的沟道可以通过两种方式形成，一种是阱扩散技术，一种是双扩 散技术。阱扩散技术是通过掩模板定义出沟道区，进行离子注入，然后高温退 火形成l d m o s 的沟道区。可以通过对注入离子剂量的控制，按需调整器件的 开启电压，但是需要增加一张掩模板，增加了生产成本。双扩散技术是在同一 窗口相继进行硼砷两次扩散，由两次杂质横向扩散的结深差来精确确定沟道长 度，不需要增加额外的掩模板。 本文所采用的l d m o s 结构中沟道是由双扩散方式形成的，如图2 - 2 - 图 l o e 海大学硕j ：学位论文 2 4 所示。完成多晶硅栅的刻蚀后，光刻出p h v 注入窗口，进行p h v 区硼离子 注入，去掉光刻胶后再进行高温扩散。由于横向扩散效应，p h v 结的边界会伸 入到多晶硅的下方，深入多晶硅下面的部分和多晶硅交叠的区域就形成了 l d m o s 的沟道区。进行源区n + 注入时，仍利用原先多晶硅作掩蔽膜自对准注 入，由于人为控制作用使旷的结深比p h v 的结深小，故n + 横向扩散结深很小， 这样p h v 和矿横向扩散结深之差就是l d m o s 的沟道长度。利用双扩散制作 的l d m o s 可以得到短的沟道长度，这对提高器件的频率响应是有利的。但对 于高压l d m o s 来讲，为了避免沟道长度调制效应及沟道穿通效应，沟道长度 又必须足够长，这就需要折中选取。 p o l y p 襞 | e h yi p s u b p o l y 图2 2 多晶硅屏蔽的p h v 注入图2 3 退火后的p h v 横向扩散 p o l y 图2 - 4n + 注入退火后，n + 和p h v 的横向扩散之差形成了l d m o s 的沟道 为了保证在达到耐压要求下，尽量降低器件的导通电阻，本文采用了双 r e s u r f 结构，在高阻的p 衬底上扩散形成轻掺杂的n 阱作为器件l d m o s 的 漂移区使承受高的反偏电压。然后再在n 型漂移区上面做一个p - t o p 反型层， 上海人学硕士学位论文 形成双r e s u r f 结构。此外，高压l d m o s 还采用了场板技术，从而改善器件 表面电场分布，提高器件表面击穿电压。下面将简单介绍场板技术和r e s u r f 技术。 2 2 1 场板技术 场板是一种常用的提高p n 结击穿电压的结终端技术 1 5 】，其结构如图2 - 5 6 所示。在p n 结反偏时，它可有效地降低p n 结的表面峰值电场，避免p n 结过 早击穿。图2 7 是没有场板和有场板结构时表面电场的比较情况。从图可以看 出，没有场板时p n 结的冶金结界面处出现一高电场峰值，很容易造成p n 结击 穿；当应用了场板后，p n 结的电场峰值大大降低。因为有场板时，一部分电力 线从半导体的表面出发终止于场板，相当于在结的表面引入了附加电荷，附加 电荷的电场方向和原来的空间离子电荷的电场方向相反，降低了结的电场。但 附加电荷也造成在场板的边缘出现了一新的电场峰值，合理的设计应该使该电 场峰值尽量小，避免场板边缘的电场峰值对器件击穿电压产生大的影响。斜场 板结构如图2 5 中图形结构所示，该结构可降低场板边缘的电场峰值，是一种 较好的改进场板结构【1 6 】。斜场板在工艺上实现比较麻烦，一般的设计都是采用 阶梯场板，如图2 - 6 所示。阶梯场板技术兼顾了提高器件击穿电压和易于工艺 实现两个方面的问题。 _ _ _ _ _ _ r _ 一 s i 0 2 - 二 r x n 图2 5 斜场板示意图图2 - 6 阶梯场板示意图 1 2 j 二海大学硕七学位论文 譬j l j一 一1 ，t p ， 图2 7 有、无场板结构的p n 结表面电场分布图 ( a 表示没有场板时的电场；b 表示有场板时的电场) 2 2 2r e s u r f 技术 r e s u r f ( r e d u c e ds u r f a c ef i e l d ) 意即降低表面电场，它是设计横向高耐压 低电阻器件时，应用最为普遍的技术之一【1 7 1 引。r e s u r f 技术就是通过改变漂 移区的尺寸比，在由原来的纵向结构变成横向浅结结构时，使高压漂移区内对 应的耗尽电荷总量不变。这样，巧妙设计的两维电场交叠效应将使p n 结曲率 引起的表面电场有效弱化，实现了高压漂移区浅结结构设计。众所周知，浅结 工艺对于单片集成的高压功率器件和低压电路工艺兼容性的设计尤其重要。 如图2 8 所示，在高阻的p s u b 衬底上，有一个n “r 漂移区，和起隔离及 电极接触作用的p 。区、作为电极接触的n 。区。r e s u r f 结构实际上由一个横 向p + n 二极管( p + n d r i f t ) 和一个纵向p - n 二极管( p s u b n d r i i t ) 构成。此横向二 极管决定了器件导通电阻的特性，同时与纵向二极管提供了维持高耐压的空间 电荷耗尽区。根据r e s u r f 结构的基本原理可知：在器件几何尺寸确定时，该 结构的耐压由三个参数来决定：衬底杂质浓度( p s 曲) ，n 型漂移区( 假设为均匀 掺杂) 杂质平均浓度( n “n ) 和n 型漂移区结深( x j n d r i t t ) 。因此n d r i f t 中积分电荷 面密度为q 。= n “n d 曲。当q 。在一定范围内时，纵向二极管在n d r i f t 侧的 耗尽区与横向二极管在n d r i f t 侧的耗尽区发生交叠，使得横向二极管耗尽区宽 度与若没有p 型衬底时的横向二极管耗尽区宽度相比有大幅度的增加。因此使 在p + n d r i f t 结处的横向电场比一维二极管有明显降低，从而提高了器件击穿电 压。总之，必须在横向电场达到临界击穿电场前n d r i f t 漂移区全部耗尽，这样 上海大学硕l ：学位论文 r e s u r f 结构才能获得最大击穿电压。又如图2 - 8 所示，n d r i i l 漂移区纵向耗尽 区是由p s u b n d r i f t 这一个结提供的，所以称之为s i n g l er e s u r f 结构，此时器 件击穿特性主要由n d r i i t 漂移区中积分电荷q 。决纠1 9 】。如果漂移区电荷总量太 少，漂移区就会过早耗尽，使提前发生穿通击穿，耐压值就会降低；相反如果 漂移区电荷总量过多( 电荷密度大) ，漂移区不能完全耗尽，则耗尽区变窄，那 么p + n d r i f t 的强电场就会变大，p + n d r i f t 就容易发生雪崩击穿，器件耐压也就 会降低。 图2 8s i n g l er e s u r f 结构示意图 如图2 - 9 所示，在n d r i f f 漂移区中注入p 型降场层p t o p ，此时n d r i f l 漂移 区的纵向耗尽区由p s u b n d r i f l 和p t o p n d r i f l 两个结来提供，因此称之为d o u b l e r e s u r f 结构【2 0 】。d o u b l er e s u r f 器件为了维持高的反向击穿特性，要求在器 件击穿前p t o p 降场层和n d r i f f 必须完全耗尽。此时，图2 - 9 可以看作横向有两 个反偏p n 结串联后与纵向反偏p n 结并联的电路。外加反向电压是加在横向两 个反偏p n 结上的，使得横向耐压能力得到了提高。因此其n w e l l 积分电荷q n 增加为s i n g l er e s u r f 时的两倍，从而有效降低器件的导通电阻。 图2 - 9d o u b l er e s u r f 结构示意图 1 4 上海火学硕t ：学位论文 2 3 工艺设计 本文l d m o s 结构的工艺流程如下：首先在一个高阻的p 型 晶向的 晶圆上做一层预氧化，然后定义出n 阱漂移区n d r i f t ，注入磷，退火推进，形 成n 阱漂移区。在n d r i f i 上定义p t o p 降场层，注入硼，退火推进，形成p t o p 降场层；定义场氧化区，生成场氧化层；做栅氧化层；做p o l y 层；做p h v ：做 p 。、n 注入以及b p s g ( 硼磷硅玻璃沉积) ；定义接触孔，做金属淀积。 根据器件制作考虑，参考常规的低压b i c m o s 工艺技术，设计了和标准 c m o s 工艺流程兼容的高压l d m o s 工艺流程【2 l 】，以下是整个l d m o s 工艺流 程的具体步骤： 开始：p 衬底b o r o n 掺杂浓度1 3 e 1 4 c m - 3 一、傲n 阱漂移区 初氧化 涂1 微米得光刻负胶 定义n 阱漂移区 注入磷 刻蚀光刻胶 退火推进 生成氧化层，刻蚀氧化层 二、做p - t o p 层 初氧化 涂1 微米得光刻负胶 定义p - t o p 降场层 注入硼 刻蚀光刻胶 退火推进 刻蚀氧化层 三、做场氧化层 初氧化 涂0 1 1 微米得氮化硅 涂1 微米得光刻胶 定义有源区 刻蚀氮化硅 刻蚀氧化层 刻蚀光刻胶 退火生成场氧区 刻蚀氮化硅 上海人学硕上学位论文 刻蚀0 0 2 5 微米氧化层 淀积0 4 微米的p o l y 淀积1 微米的光刻胶 定义p o l y 区 刻蚀o 0 2 微米的氧化层 刻蚀多晶硅 刻蚀0 0 6 5 微米的氧化层 刻蚀光刻胶 初氧化 涂1 微米得光刻负胶，定义p h v 区 注入硼 刻蚀光刻胶 退火推进 涂1 微米的光刻负胶 定义n + 区 注入砷 刻蚀光刻胶 退火推进 涂1 微米得光刻负胶 定义p + 区 注入硼 刻蚀光刻胶 涂1 微米得光刻负胶 定义多晶硅掺杂区 注入硼 注入磷 退火 刻蚀o 0 2 微米的氧化层 刻蚀光刻胶 淀积1 微米的氧化层 退火 涂1 微米的光刻负胶 定义接触孔 以4 5 度角刻蚀o 2 微米的氧化层 刻蚀1 5 微米的氧化层 四、做栅氧化层 五、做p o l y 层 六、做p h v 七、做n + 注入 八、做p + 注入 九、做多晶硅掺杂 十、做b p s g 十一、做金属层 1 6 卜海大学硕 学位论文 刻蚀光刻胶 淀积1 微米的铝 淀积l 微米的光刻胶 定义金属区 以8 0 度角刻蚀1 5 微米的铝 刻蚀光刻胶 2 4 关键参数对器件击穿电压的影响分析 一个理想的高压l d m o s ，应该在关断状态时承受很高的耐压而漏电流很 小，在开启状态时能流过很大的电流和呈现极低的压降，而且在关断状态和开 启状态之间能快速转换，开关损耗极小。实质上是对该器件定义了四个主要的 性能指标：最大工作电流、导通电阻( 导通压降) 、最高耐压和工作频率。迄今 发展起来的每一种功率m o s 器件都是在为改善这四个参数所表示的性能而努 力，其中导通电阻与击穿电压之间的关系成为制约功率m o s 器件发展的主要 矛盾【2 2 1 。 高压l d m o s 器件的击穿电压和导通电阻与其n d f i f t 漂移区的注入剂量、 p t o p 降场层注a , n 量、p - t o p 降场层长度等诸多工艺及结构参数有关【2 3 】【2 4 】【2 5 】。 下面采用t c a d 工具对如图2 1 所示的器件结构进行理论分析和数值模拟，基 于模拟结果，具体分析器件工艺及结构参数对击穿电压和导通电阻的影响。 2 4 1n d ri f t 漂移区的注入剂量 根据r e s u r f 原理，器件漂移区的杂质浓度必须满足当外加电压达到击穿 电压时，漂移区全部耗尽。这样由整个漂移区承受外加电压，才能得到高的耐 压值。如果漂移区的注入剂量过低，则漂移区的浓度很低，当增大漏端电压时， 漂移区过早耗尽，漏端的电力线集中，器件提早在漏端击穿。反之如果漂移区 的注入剂量过高，则漂移区的浓度很高，漂移区难以完全耗尽，电力线在 p h v n d r i f t 结面处集中，器件也会过早发生击穿。只有当漂移区浓度达到某个 优值时，源端和漏端的电场分布才较为均匀，才能使器件的反向耐压达到最大。 用t c a d 工具仿真漂移区注入剂量对高压l d m o s 器件的击穿电压的影 响，仿真时取衬底浓度为1 3 c 1 4c m 一，漂移区长度为6 0 9 m ，p t o p 层的注入剂 1 7 上海人学硕士学位论文 量为2 e 1 3 c m 之，p t o p 层的结深1 5 9 m ，漂移区的结深5 8 岬。源端金属场板长 度为7 1 x m ，漏端金属场板长度为2 4 i t m 。 当漂移区的注入剂量为2 2 e 1 2c l i i 2 时，l d m o s 器件的表面电场如图2 1 0 所示，由于注入剂量小，漂移区的浓度较低，漂移区的积分电荷偏小，漂移区 提前耗尽，导致漏端电力线密集，电场强度过大，在漏端场板端点处有一峰值 电场，器件在此处击穿，击穿电压b v = 5 1 5 v 。当漂移区的注入剂量为3 0 e 1 2c i i l 2 时，l d m o s 器件的表面电场如图2 1 1 所示，由于注入剂量大，漂移区的浓度 较高，漏端漂移区不能完全耗尽，电压降落在一个较窄的耗尽区上，导致源端 电场过大，在p t o p n d r i f t 处有一峰值电场，器件在此处击穿，击穿电压b v = 6 6 2 v 。当漂移区的注入剂量为2 7 e 1 2c i l l 之时，l d m o s 器件的表面电场如图2 1 2 所示，漏端和源端的电场分布变得较为均匀，此时的击穿电压b v = 8 9 1 v ，此 时的l d m o s 击穿特性曲线如图2 1 3 所示。 图2 1 0 漂移区注入剂量过低时的表面电场图 图2 1 1 漂移区注入剂量过高时的表面电场 上海人学硕l 学位论文 ； - 嚼 j _ 二一 ； 茹 ； ；：。 髫 j ? 一一，i l 以 k k 图2 1 2 漂移区注入剂量优化时的表面电场 图2 1 3l d m o s 击穿特性( b v = 8 9 1 v ) 仿真得到当漂移区注入剂量在2 2 e 1 2c m - 2 3 0 e 1 2c m - 2 之间时，l d m o s 击穿 电压随注入剂量的变化曲线，如图2 1 4 所示，可见，漂移区的注入剂量存在一 最优值，使得击穿电压取得最大值。 图2 1 4 击穿电压随漂移区注入剂量的变化曲线图 1 9 上海人学硕上学位论文 2 4 2p - t o p 注入剂量 在d o u b l