高压VDMOS的设计与工艺仿真优秀毕业论文.pdf

硕士学位论文硕士学位论文 （工程硕士）（工程硕士） 高压 vdmos 的设计与工艺仿真 design and process simulation on high voltage vdmos 郑守国郑守国 哈尔滨工业大学 2010 年 6 月 国内图书分类号：tn432 学校代码：10213 国际图书分类号：621.3.049.774 密级：公开 硕士学位论文硕士学位论文 （工程硕士）（工程硕士） 高压 vdmos 的设计与工艺仿真 硕 士 研 究 生： 郑守国 导师： 兰慕杰 教授 申请学位级别： 工程硕士 学 科 、 专 业： 集成专业工程 所 在 单 位： 微电子科学与技术系 答 辩 日 期： 2010 年 6 月 授予学位单位： 哈尔滨工业大学 classified index: tn432 u.d.c.: 621.3.049.774 a dissertation for the masters degree of engineering design and process simulation on high voltage vdmos candidate： zheng shouguo supervisor： prof. lan mujie academic degree applied for： master of engineering specialty： integrate circuit engineering affiliation: dept. of microelectronics science and technology date of defence： june, 2010 degree-conferring-institution： ： harbin institute of technology 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 - i - 摘 要 随着电力电子技术的高速发展， 高压 vdmos 器件的作用正日益显现出来。 但是目前 vdmos 功率器件的研制在我国还处于起步阶段，对于高压 vdmos 的研究还不够成熟。因此本课题旨在设计高压 vdmos 功率器件结构并对其进 行仿真和工艺研究。 本文从 vdmos 的特点和应用领域出发，介绍了 vdmos 功率器件的基本 结构和工作原理，详细分析了影响 vdmos 性能的重要参数，其中最重要的就 是击穿电压和导通电阻的权衡问题；着重论证并建立了 vdmos 的导通电阻模 型和寄生电容模型；另外还分析了转移特性、击穿特性等器件重要特性。 在器件结构设计方面，从物理结构及相关参数出发进行了设计计算。分析 了元胞基本结构及工作原理，在满足预设击穿电压基础上，设计器件各部分尺 寸及掺杂浓度；在工艺方面，优化设计了高压 vdmos 的工艺流程，计算并调 整了工艺参数，最后利用 sentaurus process 编译仿真了 vdmos 模型， 将工艺仿真结果导入到 sentaurus device 中进行器件仿真；在终端设计方 面，分析并设计了最常用的终端结构，对比了场板和场限环相结合方式与结终 端扩展技术的仿真结果。 通过计算机仿真与分析找出高压 vdmos 器件结构最优设计参数，器件达 到漏源击穿电压 1200v 的基本要求，并留有一定余量；阈值电压在 35v 范围 内；优化设计终端结构，以确保达到器件耐压的要求。 关键词：vdmos；击穿电压；导通电阻；终端；sentaurus tcad； 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 - ii - abstract with the rapid development of power electronics technology, the role of high voltage vdmos device are becoming increasingly apparent. according to our research, the design and manufacture of vdmos power device are in the elementary stage in china. the research on high-voltage vdmos has not been mature enough. the purpose of this thesis is to design and simulate vdmos power device model, and to find the best structure through computer simulation and analysis. in this paper, the basic structure of vdmos power devices and working principle are introduced, and the important parameters which affecting vdmos work are also analyzed. one of the most important parameters is the breakdown voltage and the turn-off resistance, the thesis focuses on the argumentation and the establishment of the turn-off resistance model of vdmos. transfer characteristics , output characteristics, and some other important characteristics of the device are analyzed, too. in the structure design process, the design and calculating are complete based on physics structure and relevant states. the essential cell structure has been analyzed. having meet the expected breakdown voltage, the doping concentration and device dimensions are set properly；in the process, the optimal design process of a high-voltage vdmos was selected, the process parameters were calculated and adjusted. at last, compile a vdmos model simulation based on sentaurus process, the process simulation results are imported into sentaurus device to go on with device simulation; in the terminal design, analysis and design of the most common terminal structure was complete, the combining of the field plate and field limiting ring junction termination are compared with the expansion of termination, merit are selected. through computer simulation and analysis to identify the optimal design of high voltage vdmos device structure parameters, the device drain-source breakdown voltage has achieved the basic requirements of 1200v, and leave some margin; threshold voltage is in the range of 3 5v; optimal design terminal structure to meet the requirements of breakdown voltage. keywords：vdmos; breakdown voltage; on-resistance; terminate; sentaurus tcad 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 - iii - 目 录 摘 要 . i abstract . ii 第 1 章 绪论 . 1 1.1 电力电子技术的发展对器件的要求 . 1 1.2 研究背景 . 2 1.2.1 vdmos 的应用 . 2 1.2.2 高压 vdmos 的发展趋势 . 2 1.3 国内外发展现状 . 6 1.3.1 国外研究现状 . 6 1.3.2 国内研究现状 . 7 1.4 本课题的主要研究内容 . 8 第 2 章 vdmos 基本理论 . 9 2.1 vdmos 的元胞结构及工作原理 . 9 2.2 vdmos 基本特性 . 10 2.2.1 转移特性 . 10 2.2.2 击穿特性 . 10 2.2.3 输出特性 . 11 2.3 vdmos 导通电阻模型 . 11 2.3.1 沟道电阻 . 12 2.3.2 积累层电阻 . 12 2.3.3 颈区 jfet 电阻 . 13 2.3.4 外延层电阻 . 14 2.4 vdmos 电容模型 . 14 2.5 终端技术 . 16 2.5.1 设计终端的必要性 . 16 2.5.2 场板结构 . 16 2.5.3 场限环结构 . 17 2.5.4 结终端扩展 . 18 2.6 小结 . 18 第 3 章 vdmos 的结构设计 . 19 3.1 结构参数设计 . 19 3.1.1 外延层的设计 . 19 3.1.2 栅氧厚度的设计 . 21 3.1.3 n+源区的设计 . 22 3.1.4 p 体区的设计 . 22 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 - iv - 3.1.5 结构设计结果 . 23 3.2 终端设计 . 24 3.2.1 场板模型 . 24 3.2.2 场限环的优化 . 26 3.2.3 终端设计结果 . 27 3.3 工艺流程设计 . 28 3.4 结论 . 30 第 4 章 计算机仿真结果 . 31 4.1 vdmos 工艺仿真 . 31 4.1.1 仿真工具 . 31 4.1.2 仿真结果 . 32 4.2 vdmos 器件仿真 . 38 4.2.1 仿真工具 . 38 4.2.2 仿真结果 . 39 4.2.2.1 vdmos 重要参数仿真 . 39 4.2.2.2 准饱和效应 . 40 4.2.2.3 温度特性 . 41 4.2.2.4 动态特性 . 43 4.3 终端仿真结果 . 45 4.4 小结 . 47 结 论 . 48 参考文献 . 49 致 谢 . 53 哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明 . 错误错误!未定义书签。未定义书签。 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 - 1 - 第 1 章 绪论 1.1 电力电子技术的发展对器件的要求 早在上个世纪五十年代初，第一只双极型晶体管就己研制成功，但直到五 十年代末第一只晶闸管才真正进入商业领域，电力电子器件至此才达到了应用 阶段1。在那以后的几十年当中，功率半导体器件物理和工艺技术方面的突破， 使得功率器件得到了突飞猛进的发展。从晶闸管、双极功率晶体管到 mos 管、 静电感应晶体管(sit)及晶闸管 (sith)、绝缘栅晶体管(igbt)以及功率集成电 路(pic)，一代又一代的电力电子器件应运而生，电力电子学作为一门独立的学 科高速向前发展2。 电力电子技术的研究对象是利用电力电子器件（功率器件）实现电能高效 率传输、转换及在这些过程中的有效精确控制。它在工业、商用、民用、航空 及军事等方面得到广泛的应用与长足发展。其目的简单而明确：节省能源、节 约材料、减少污染。电力电子技术对于解决能源危机，改善环境与可持续发展 有着重要意义，因而受到普遍重视3。 从根本上说，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，而各种技术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一个重要的独立分支4。 目前，电力电子器件的功率已扩大到工业可应用的大功率级，工作频带从 50hz 到 100khz 以上 5。应用范围也延伸到如汽车、电冰箱、电视机、洗衣机 和电子镇流器等日常生活用品6。由于电力电子技术在各个领域内的普及和推 广，功率器件正体现出越来越大的技术优势与经济效益。尤其在节约能源和节 约材料方面，对于我国这样一个能源、资源和资金均较为紧张的国家来说，有 着特殊的意义。 正是由于电力电子器件的研究与开发，才使得电力电子技术得到如此迅速 发展，它正朝着大容量、高频化、高效节能、高可靠性和低成本的方向发展。 反过来，由于技术上的（特别是高频变换技术）和成本上的需求，电力电子技 术也对电力电子器件提出了更高的要求，主要包括以下几个方面： 1. 更大的电流容量，更高的击穿电压及更高功率容量； 2. 更低导通电阻和更低通态压降，以降低功耗； 3. 更快的开关速度和更高的工作频率，以降低开关损耗； 4. 驱动更为简单，更加易于控制； 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 - 2 - 5. 提高稳定性、可靠性，降低成本7。 击穿电压是电力电子器件最重要的参数之一，它和最大导通电流一起决定 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 同而不同， 对于集成电路中常用的开关型电源中的高速输出整流器只需要 25v， 而高压直流传输网络中使用的晶闸管则要高达 6000v8。在这些器件中电压主 要由 pn 结、金属-半导体(肖特基势垒)接触或者金属-氧化物-半导体(mos)结构 中的耗尽层来承担。 1.2 研究背景 1.2.1 vdmos 的应用 vdmos（垂直双扩散金属-氧化物半导体场效应晶体管）兼有双极晶体管 和普通 mos 器件的优点，无论是开关应用还是线形应用，vdmos 都是理想的 功率器件。由于其具有接近无限大的静态输入阻抗特性，非常快的开关时间， 导通电阻正温度系数，近似常数的跨导等优点，它已经不声不响的深入到我们 生活的每一个角落。且不同工作电压的 vdmos 的应用范围差异很大9，表 1-1 显示了不同工作电压的 vdmos 在应用领域分布情况。 表 1-1 vdmos 的应用领域10 工作电压（v） 应用领域 20 手机、数码相机 30 计算机主板、显卡 40 机顶盒、电动自行车 60 不间断电源、汽车雨刷、汽车音响、马达控制 80-140 液晶电视/显示器、其他仪器仪表 150-400 照明、crt 电视/显示器、背投电视、电热水器、洗衣机 400-800 发动机启动器、车灯控制、电机控制、嵌入式电源、电源适配器 800-1000 风力发电、电焊机、中低压变频器 1000 以上 高压变频器、发电、变电设备 1.2.2 高压 vdmos 的发展趋势 vdmos的关键技术是解决导通电阻与耐压之间的矛盾，因为vdmos导通 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 - 3 - 电阻主要集中在漂移区，漂移区掺杂浓度越大，导通电阻越小，所以需要高掺 杂的漂移区；而耐压正好相反，漂移区掺杂浓度越大，耐压越小，需要低掺杂 的漂移区，vdmos设计的主要工作就是平衡这两个参数。目前高压vdmos设 计出现两个趋势，一是在结构上改进，如超结结构（superjunction）；另一个是 利用新型材料，如sic材料。 (1) superjunction结构 1998年电子科技大学的陈星弼院士提出了功率器件vdmos新结构11，即 日后在国际上被称为superjunction的高压mosfet结构，突破了vdmos在高压 领域遇到的瓶颈问题。superjunction结构在提高外延层掺杂浓度的同时而不降 低器件的击穿电压。德国西门子公司率先利用这一技术制造出了600v高压功率 器件，称之为coolmos，它的n型外延层掺杂浓度提高了近一个数量级，特征 电阻却降低到五分之一，导通损耗只有相同耐压igbt的三分之一，打破了 vdmos的高压应用极限 12。如图1-1所示，采用superjunction结构研制成的 vdmos的特征导通电阻在si的理论极限以下，这是传统结构根本无法达到的。 图中实线代表si的理论极限，方形表示superjunction结构，三角形表示trench 结构13。 图1-1 vdmos 阻断电压与特征导通电阻关系图 superjunction结构如图1-2(a)所示，通过在n型外延层注入p柱，形成p柱与n 柱交替出现的结构。在漏极的高压作用下，p柱与n柱将反偏形成耗尽层。当精 确控制p柱与n柱的宽度和杂质浓度，就可以使两者达到完全耗尽，正负固定电 荷正好相互抵消。因此在理论上它的击穿电压几乎与零掺杂的功率mosfet相 同。在superjunction结构中，击穿电压与掺杂浓度近似呈线性关系。图1-2(b) 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 - 4 - 是普通vdmos的电场示意图，1-2(c)是引入superjunction的近似电场分布。多 边形面积代表击穿电压，显然在同样的击穿电场下，后者极大提高了耐压，若 想进一步提高耐压，可以增大p柱的深度。 图1-2 (a) superjunction结构 (b)无p柱的电场分布 (c)插入p柱的电场分布 superjunction理论一经提出，立即就成为国际研究的热点。由于p柱与n柱 的电荷补偿程度决定了耐压的高低，因此它的技术难点在于p精确控制，以及 解决superjunction技术的高成本和工艺复杂性。infineon新一代的coolmos把 离子注入与外延生长的次数从六次降到了三次 14。 新加坡国立大学研制了一种 新型的pfvdmos，通过开槽淀积的方法实现p柱的制造，并在p柱与n柱之间生 长一层薄氧化层，解决了两者杂质的相互扩散问题。他们研制的另一种 obvdmos，把p柱作为一个可调制电极，打破了superjunction导通电阻的理论 极限15。利用superjunction结构制造的vdmos能达到几千瓦的输出功率，同时 在低压领域也有高效的利用，例如充电器、线路适配器等。 (2) sic新型材料 由于sic材料的独特属性， 例如高击穿电场， 高的电子饱和速度， 高热导率， 因而在高功耗、高速、高温开关器件应用中具有巨大的潜力16，sic与si的主要 特性参数比较见表1-2。 在6002000v范围内，用sic材料制作的vdmos比用si材料制作的vdmos 具有更优越的性能，其击穿电压与漂移区特征导通电阻的关系为： 2 () 3 4 dss on sp ideal cn s bv r e (1-1) 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 - 5 - 其中： dss bv为击穿电压， s 为电介质常数， c e为临界电场， n 为载流子迁移 率， 3 cn se 被称为baliga品质因数。sic的baliga品质因数比si大200倍，也就是 说在同样的击穿电压条件下，理论上以sic作为外延材料的vdmos导通电阻仅 有si材料的200分之一 17。 表 1-2 sic 与 si 的主要特性参数比较18 材料 特性 si 4h-sic 6h-sic 晶格常数() 5.43 3.081/10.061 3.081/15.092 熔点(k) 1420 2100升华 2100升华 热稳定性 good excellent excellent 带宽(ev) 1.1 3.26 3.02 最高工作温度(k) 600 1580 1580 电子迁移率(cm2/v s) 1500 1140 400 空穴迁移率(cm2/v s) 600 50 50 饱和电子速率(107cm/s) 1.0 2.0 2.0 临界电场(106v/cm) 0.3 3.0 3.2 介电常数 11.8 9.6 10 热导率(w/cm k) 1.5 4.9 4.9 虽然如此，用sic制成的vdmos由于 2 sio /si界面态存在过多的陷阱，这将 造成沟道处载流子的迁移率大大降低，实际的特征导通电阻会远大于理论值， 另外在栅氧处存在高电场容易击穿。为了解决这个问题出现了积累层功率 mosfet(accufet) 19，如图1-3所示。 图 1-3 accufet 结构 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 - 6 - 其原理是利用离子注入技术做一个p+埋层，在零栅压时这一层埋层与它上 面的n+层耗尽形成阻断结构。当漏源加上高电压时，形成的栅氧高电场大部分 转移到pn 结上，在导通时由于栅极下不是p型层，加上栅压后载流子将在积累 层而不是反型层中导电，大大提高了电子迁移率。利用这一技术，tan等人研 制成了阻断电压850v，导通电阻只有 2 27mcm 的umos 20。 1.3 国内外发展现状 功率器件具有越来越广阔的应用市场，仅中国 vdmos 每年就有 20 亿美 元的市场需求，目前国内 vdmos 器件 90%以上依赖进口。功率器件的国内需 求量每年增长达 15%，己超过 3 亿只，而新型功率器件 vdmos 与 igbt 每年 的需求量增幅更达 25%。2009 年，vdmos 需求量达到了近 6 亿只，功率器件 和基础类产品销售收入达近 5000 亿元。 vdmos 器件因其输入阻抗高和开关速度快及温度稳定性好等优点而被广 泛用于中高频功率转换和功率控制的各类电路中，是该领域中提高仪器设备性 能和降低成本的更新换代产品。 1.3.1 国外研究现状 新加坡国立大学研制了一种新型的 pfvdmos，通过开槽淀积的方法实现 p 柱的制造，并在 p 柱与 n 柱之间生长一层薄氧化层，解决了两者杂质的相互 扩散问题21。他们研制的另一种 obvdmos，把 p 柱作为一个可调制电极，打 破了 superjunction 导通电阻的理论极限22。由于 sic 独特的材料性能，例如高 击穿电场，高的电子饱和速率，高热导率，因而在高功耗、高速、高温开关器 件中具有巨大的潜力。1999 年 peters 等人研制出的击穿电压 1800v，特征电阻 2 82mcm的功率 mosfet，比相同的 si 材料 vdmosfet 的特征电阻降低了 一个数量级以上23。而美国 purdue 大学结合 trench 技术研制的 sic umos 创 造了阻断电压为 3360v，导通电阻为 2 199mcm的新纪录24，这显示出 sic 在 高压领域的广阔研发前景。 在国际上，vdmos 己经形成批量化生产，产品己经大批量投入市场。n 沟 vdmos 己有 3000 多个品种在市场上销售，p 沟功率 mosfet 也有 500 多 个品种在市场上销售25。功率 mosfet 产量最大的公司是美国的 ir 公司、 motorola 公司、harris 公司，欧洲的 sgs 公司，日本的日立、东芝等公司也具 有相当大的生产规模。ir 公司最新推出的产品在击穿电压为 100v 的情况下将 电流提高到了 175a；在低功耗方面将电流降到了 na 级别，功耗降到了 w 级 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 - 7 - 别。除此之外，还有 ixys 公司，apt 公司，日本的三菱公司、富士公司，韩国 的三星公司，德国的 semikron 公司等。 在智能功率方面，motorola、ir、siemens、fairehild、三菱、东芝已经有 了系列产品问世26。在含有 vdmos 的纵向导电智能功率器件方面，意法半导 体公司(st)的 vipower 自振荡驱动器芯片的系列产品占有主导地位， 在 ac-dc 变换和开关电源方面有着广泛的应用。 1.3.2 国内研究现状 传统的vdmos功率器件导通电阻受击穿电压限制存在一个极限， 称之为硅 限(silicon limit)，它使导通电阻无法再降低27。为了突破这一极限，许多新结 构器件不断涌现出来，其中超结vdmos就是其中比较成功的一种，和一般 vdmos结构相比，超结vdmos采用交替的p-n-结构替代传统功率器件中低掺 杂漂移层作为电压支持层20。超结vdmos电压支持层的杂质掺杂浓度可以提 高将近一个数量级，此外，由于垂直方向上插入p-型区，可以补偿过量的电流 导通电荷。在漂移层加反向偏置电压时，将产生一个横向电场，使p-n-结耗尽， 当电压达到一定值，漂移层完全耗尽，起到电压支持层的作用。由于掺杂浓度 的大幅度提高， 在相同的击穿电压下， 导通电阻 on r可以大大降低， 甚至突破硅 限。同样，在相同的击穿电压、相同的导通电阻 on r下使用更小的管芯面积， 从而减小栅电荷，提高开关频率。超结器件可以同时得到低通态功耗和高开关 速度。 另外，我国有研究者对比研究了 4h-sic 和 6h-sic vdmos 的基本特性， 得出一些结论28：一是 4h-sic vdmos 与 6h-sic vdmos 相比具有较高的体 迁移率；二是 6h-sic vdmos 受准饱和效应的影响较大。证实了 4h-sic 器件 与 6h-sic 相比具有更高的电流密度，对器件开关时间和单位面积损耗的分析 和研究表明 4h-sic 更适合用于功率器件。此外，沟道长度对漏极饱和电流有 一定的影响，随沟道长度的减小，漏极饱和电流增大。此项研究工作对 sic vdmos 的设计和研制有一定参考作用。 我国经过几年的攻关，vdmos 研制已有了十几个品种，也引进了几条生 产线。据报道绍兴华悦、杭州士兰、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都在 100v 以下的 vdmos 有了自 己的产品29。 但与国际先进水平相比， 在研制和生产能力上还存在较大的差距。 许多高校和科研院所对 vdmos 进行了大量的研究，但由于成品率等方面的原 因，我国中等功率和大功率的 vdmos 器件几乎没有。时至今天，vdmos 器 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 - 8 - 件仍然有巨大的市场缺口30。 在含有 vdmos 的纵向智能功率方面，我国的研究刚刚起步。电子科技大 学，东南大学、北京工业大学，浙江大学，江苏大学沈阳工业大学、长春理工 大学以及中国电子科技集团 24 所及 47 所对器件都有了初步研究，但大都集中 在了横向功率器件方面，纵向智能功率方面基本空白31。 1.4 本课题的主要研究内容 本课题旨在设计 vdmos 物理器件结构并对其工艺实现进行仿真研究。从 vdmos 功率器件的基本理论出发，利用先进的 sentaurus tcad 软件，对设计的 器件进行仿真、优化，达到预期的性能；然后设计 vdmos 工艺流程及具体工 艺参数，将工艺仿真结果导入到器件仿真中，优化参数，达到所定目标。本课 题通过计算分析找出高压 vdmos 器件结构最佳化设计，器件达到耐压 1200v 并留有 10%的余量（约 1320v）的基本要求。主要研究内容如下： 1. 分析 vdmos 的基本特性和原理， 为高压 vdmos 器件的设计提供理论依 据。根据优化公式计算出结构参数，设计器件的基本结构。编写仿真程序， 对器件重要参数、 准饱和效应、 动态特性和温度特性分别进行仿真与分析； 2. 依据 vdmos 结构特点和 cmos 常规工艺，设计 vdmos 具体工艺流程； 参照器件设计结果，计算并优化具体工艺步骤与工艺参数，编写工艺仿真 文件；将 sprocess 的仿真结果导入到器件模拟工具 sdevice 当中，仿真所设 计结构的相关特性，调整相关参数，以达到预定目标。 3. 根据所设计结构的特点，设计终端结构，主要是利用场板和场相环相结合 的方式和结终端扩展两种方案。 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 - 9 - 第 2 章 vdmos 基本理论 垂直双扩散金属-氧化物半导体场效应晶体管 vdmos 的漏极不在硅片的 上表面而在底部，电流的流向是垂直上下的。工艺实现时，垂直方向是在 n+ 衬底晶向上生长 n-高阻外延层，外延层的厚度及掺杂浓度直接决定 vdmos 的击穿电压；vdmos 制作过程是在外延层上采用平面自对准双扩散 工艺，以此在水平方向形成与 mos 结构相同的多子导电沟道。 2.1 vdmos 的元胞结构及工作原理 图 2-1 显示的是 vdmos 的元胞结构简图32，一个高压大电流 vdmos 器 件一般都有几千个元胞并联而成，元胞是 vdmos 的最基本单位。从图中可以 看出，和普通 mos 管一样，vdmos 具有漏极 d、源极 s 和栅极 g 三个电极。 不同的是 vdmos 的漏极 d 是在硅片的背面。