（微电子学与固体电子学专业论文）碳化硅高温集成电路的设计与特性研究.pdf

猿要 摘要 s i c 材料由于其优良的特性而成为制作高温、高频、大功率器件的理想半导体 孝耋料。本文着熬硬究了s i cm o s 集成电路的关键工艺技术，分橱了s i cc v l o s 反 相器的特性与工艺，建应了6 h s i cc m o s 反相器的电路结构和物理模挺，并利用 m e d i c i 软件对其特性遴行了模拟。研究了温度謦珏电路结构参数对s i cc m o s 反提 器电路特性的影响，结果表明，在3 0 0 k 到7 0 0 k 的温度范围肉反相器可以正常工 作。室滠下沟邋长度为1 5 t t m 的6 h s i cc m o s 反相器的闽值电压、离电平噪声容 限和低电平噪声容限分别为1 6 5 7 v 、3 1 5 6 v 和1 4 7 0 v ，且随着温度的升高而减小。 研究褥到了s i cm o s 电路的制 乍工艺流程和工艺条件，进行6 h s i cn m o s 反相 器电路的制作试验。 关键词：碳化硅集成电路反相器模拟 a b s t r a c t a b s t r a c t s i l i c o nc a r b i d ei sb e c o m i n gt h em o s tp r o m i s i n gs e m i c o n d u c t o r m a t e r i a lf o rh i 曲 t e m p e r a t u r e ，h i g hf r e q u e n c y a n dh i g hp o w e rd e v i c e sb e c a u s eo fi t ss u p e r i o rp r o p e r t i e s i nt h i sp a p e r , t h e p r o c e s s e so f s i cm o s i n t e g r a t e dc i r c u i ta r em a i n l yi n v e s t i g a t e d ，a n d t h ep r o p e r t i e sa n dp r o c e s s e so f s i cc m o si n v e r t e ra r ea n a l y z e d t h ec i r c u i ts t r u c t u r e a n dp h y s i c a lm o d e l so f6 h s i cc m o si n v e r t e r a r eb u i l ta n dt h e p r o p e r t i e s a r e s i m u l a t e dw i t ht h eu s eo fm e d i c is o f t w a r e t h e i n f l u e n c eo ft h e o p e r a t i n g t e m p e r a t u r ea n d c i r c u i ts t r u c t u r ep a r a m e t e r so nt h es i cc m o s i n v e r t e r sp r o p e r t i e si s s u m m a r i z e d ，w h i c hi n d i c a t e s t h a tt h ec i r c u i tc a ns u c c e s s f u l l y o p e r a t e o v e rt h e t e m p e r a t u r er a n g e f r o m3 0 0 kt o7 0 0 k t h es w i t c h i n gt h r e s h o l d ，h i 曲n o i s em a r g i na n d l o wn o i s em a r g i no ft h e1 5m i c r o nc h a n n e l6 h s i cc m o si n v e n e ra r e1 6 5 7 v ， 3 1 5 6 va n d1 4 7 0 va tr o o mt e m p e r a t u r er e s p e c t i v e l ya n dd e c r e a s ew i t ht e m p e r a t u r e i n c r e a s i n g a tt h es a m et i m e ，t h ep r o c e s s e so f s i cm o s - b a s e di n t e g r a t e dc i r c u i ta r e s t u d i e da n dt h ef a b r i c a t i o np r o c e s s e ss u i t a b l et os i cm o s b a s e d c i r c u i t sa r ed e v e l o p e d f a b r i c a t i o no f 6 h s i cn m o s i n v e r t c ri sp u tf o r w a r d k e y w o r d ： s i c i n t e g r a t e dc i r c u i t s i n v e r t e rs i m u l a t i o n 创新性声明 本人声明所呈交的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中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或 其它教育机构的学位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。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：夔毽查日期：丝址i 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。( 保密的论文 在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 退蓥耋 粕盟垄 日期：丝1 2 ： ：亟 日期：让世写：! ： 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究的意义 s i c 是一种宽带隙半导体，其室温下的禁带宽度约为3 e v 。s i c 存在很多不同 的密集结构，称为多型体，各多型体的物理性质不同。在多型体内由s i 和c 原 子组成密集的面，这些面的不同堆积顺序就产生了不同的多型体。s i 是这两种原 子中的较大者，在每一个面中，原子密集形成二维六边形结构。沿着c 轴方向的 堆积顺序用a b c 符号表示，如图1 1 ( a ) 和( b ) 所示，其中每个方块、圆圈和三角形 符号均表示四面体中的s i c 原子对。堆积顺序( a b c a b c a b c ) 确定了s i c 唯一的立方多型体，3 c s i c 。其它所有的多型体是六边形的，称为a s i c 。最普通 的a s i c 多型体是顺序为( a b c a c b a b c a c b ) 的6 h s i c 和顺序为 ( a b a c a b a c ) 4 h s i c 1 2 1 。 母bq 镫a镑 c b a 图11二维紧密结构的堆积顺序 s i c 具有4 1 0 6 v c m 的高击穿电场，2 1 07 c m s 的高饱和电子漂移速度， 4 9 w c m k 的高热导率，这些性质使得s i c 能够应用于大功率、高频和高温环 境中。表1 1 比较了s i c 的多型体与另外两种主要半导体材料( s i 和g a a s ) 的性 质。由于s i c 为立方结构，3 c s i c 的点阵特性为各向同性，6 h 和4 h s i c 为各向 异性【3 】。6 h 和4 h 的重要差异在于，垂直于c 轴方向，4 h s i c 的电子迁移率是 6 h s i c 的两倍，平行于c 轴方向的电子迁移率是6 h s i c 的近l o 倍。这些特性表 明4 h s i c 在某些领域，特别是需要导通电阻较小的功率开关器件的发展潜力口j 。 s i c 的另外一个优点是可以采用与s i 相似的技术热生长s i 0 2 层。氧化技术的 不断发展降低了s i 0 2 s i c 界面的界面态密度【4 】i ”，氧化物的质量的提高为s i c m o s f e t 的发展打好了基础。已经有关于6 h s i c 反型沟道和埋层沟道栅控二极 碳化砘高温集成电路的设计与特性研究 管和场效应晶体管的报道【6 】。通过降低氧化温度和氧化后再退火，可以改善p 型 6 h s i c 上生长的氧化层的界面【7 】，而运用改进的氧化技术，能够提高s i cm o s 器件的沟道迁移率，从而提高器件性能。 s i c 是一种高温下稳定的半导体，它具有较宽的带隙。温度高于3 0 0 时漏电 流的大小可以忽略，高温下s i cp n 结能够保持较高的截止电压，s i cm o s f e t 在 温度高于6 5 0 时仍可以正常运行【8 】，直至大约1 0 0 0 时才会由于高温而失去它 的半导体性质。s i c 器件的高温工作能力，可以简化冷却系统，因而也减小了系 统的重量和价格。 s i c 的特性使得它可以用来制作高温、高频的分立功率器件。人们已经研制 出了多种的s i c 器件，包括通过c v d 生长外延层制作p n 结整流器【9 】【1 们、b j t 1 1 】、 肖特基二极管【1 3 】、埋层栅j f e t l l 叭、肖特基栅m e s f e t 【15 1 、u m o s t l 6 1 、可控硅 1 7 】、d i m o s 1 8 】以及i g b t t l9 1 。 表1 1s i ，g a a s 和s i c ( 6 h ，4 h 和3 c ) 的材料特性 特性单位 s ig a a s6 h s i c4 h s i c3 c s i c 带隙( 3 0 0 k ) e v1 11 4 32 93 22 2 介电常数 er 1 1 81 2 89 79 79 7 击穿电场( n d _ v c m6 1 0 56 5 1 0 5。3 5 1 0 5。3 5 1 0 52 0 1 0 5 1 1 0 ”c m 3 ) 饱和速率c m s e c1 1 0 71 1 0 72 1 0 7 2 x 1 0 72 1 0 7 电子迁移率 c m z n s e c1 3 5 06 0 0 03 8 0 上c 轴8 0 0 上c 轴1 0 0 0 空穴迁移率 c m 2 v - s e c4 5 03 3 04 01 2 04 0 热导率 w c n - k1 50 4 6555 熔点1 4 2 01 2 3 8升华 1 8 0 0升华 1 8 0 0升华 1 8 0 0 以n m o s f e t 与p m o s f e t 的设计及实现技术为基础，研究s i c 集成电路的 技术，并对s i c 集成电路的特性进行分析研究，其意义在于可以促进新型高温电 子系统的发展，推动s i c 电子学技术的进步，研制出实用化的s i c 集成电路，满 足高温、高频和大功率的要求，为s i c 集成电路的发展提供理论和实验的基础。 1 2 国内外发展动态 对s i c 分立器件的研究已经取得了较为理想的结果，s i c 电子系统的设计也 已经取得了进步。1 9 9 1 年研制的s i cn 沟道m o s f e t 可以在6 5 0 下工作【8 ，s i c m o s 器件的酬高温能力推动了集成电路系统的发展，使系统在高温下仍能稳定运 行。由增强型n 沟道m o s f e t 可以实现s i c 单片集成电路1 2 2 ，包括单一的门、 第一章绪论 d 触发器、r s 触发器、二进制计数器和半加器等，并且可以在3 0 0 以上的高温 环境下稳定地运行，这些数字电路能够用于实现不易挥发的存储器逻辑【2 ”。同时 还实现了s i c 高温控制电路，采用n 沟道耗尽型器件的单片运算放大器可以在3 5 0 下运行【2 4 1 。研制出的p 沟增强型m o s f e t ( p m o s ) 器件和模拟电路可以在高 于5 0 0 的环境下运行l z ”。 s i c 工艺技术的进步促进了s i cc m o s 电路的发展。采用6 h s i c 增强型 m o s f e t 的互补技术可以实现c m o s 运算放大器的功能，且直流增益可以达到 1 0 4 ( 8 0 d b ) 2 6 】，但存在的问题是注入n 阱上的p 沟道器件的阈值电压约为1 7 v ， 如此高的阈值电压提高了设计c m o s 电路的难度。近来，注入p 阱c m o s 工艺 己成功用于制作在较低外加电压下工作的数字电路【2 ”，其n 型和p 型沟道器件的 阈值电压在室温下分别为3 v 和一8 v ，数字电路可以在3 0 0 下运行，且噪声容限 电压较高。如果采用多晶硅栅，n m o s 和p m o s 器件的阈值电压均可以增大1 v 。 s i cc m o s 逻辑门可以在5 v 的外加电压下运行 2 ”，低电压减小了热氧化层上的 应力，这样就提高了m o s 电路的可靠性。 s i c 对紫外光的敏感性使它可以用于影像系统。电荷耦合器件( c c d ) 移位 寄存器【2 9 1 采用埋层沟道m o s f e t 6 1 。氧化层高温下击穿特性的研究推进了s i c m e s f e t 和j f e t 电路的发展。运用s i cm e s f e t 器件对制作了混合运算放大器 1 3 0 。在6 h s i c 上淀积隔离层制作了早期的单片b s i cm e s f e to p a m p 3 1 l 。在这 一时期，s i cj f e t 电路也已经研制出，由于j f e t 漏电流较小，可以用来研制高 温集成电路。 在n 型s i c 外延层上注入硼可以形成p 阱，采用相同的技术可以制作双注入 m o s ( d n 讧o s ) 功率晶体管和s i cc m o s 。由于它们的工艺兼容，这样就可以在 同一晶片上集成功率器件和c m o s 电路以形成大功率集成电路。发展s i cc m o s 的主要目的是要提供m o s 功率开关器件的单片控制电路。功率器件通常是在大 电流和高电压下运行的，由于自热效应，额外耗散的功率将使芯片的温度升高， 因此，大功率芯片上的集成电路要能够在较宽的温度范围内运行，且功能稳定。 s i cn m o s 和c m o s 电路能够在3 0 0 下稳定运行，是制作大功率器件控制电路 的首选材料。 垂直d d v l 0 s 被认为是极具潜力的导通电阻较低的s i c 功率m o s f e t 。由于 加在s i c 功率器件上的截止电压预期值高于1 m v ，这样就会在衬底和n 型外延层 上加上极高的漏电压，这一极高的漏电势将严重损坏同一块电路板上c m o s 电路 的运行，因此要实现大功率，必须隔离功率器件和c m o s 电路。在s i 大功率电 路中经常用到的结隔离技术在电压高达i m v 时也失去了作用。s i c 半绝缘衬底的 出现提供了一种新的技术，这是一种与绝缘体上硅( s o i ) 中的埋层氧化层相类 似的介质隔离，制作在半绝缘s i c 衬底上的横向功率d m o s f e t 截止电压为 碳化硅高温集成电路的设计与特性研究 2 6 k v l 3 2 】。要解决大功率c m o s 的这一问题，可以通过采用横向功率器件将漏上 的高偏压转移到表面而得到缓解，图1 2 是这种结构的电路图与截面图。 图1 2s i c 大功率i c 电路图与截面图 c h e n 设计出复杂栅驱动电路，采用的是5 1 a ms i cc m o s 技术p 3 1 。栅驱动模 块包括c m o s 运算放大器，它的直流增益为6 6 d b ，上升和下降时间分别为1 8 5 p s 和7 5 5 p s 。但其中还有一个系统问题没有得到解决。大功率技术通常包括检测电 路以及数字和模拟反馈控制，以防止集成电路出现大的失效，这些电路对良性关 断的反应时间很严格，这是因为在电流过大或电压过大的情况下，负载功率电流 将急剧增大，因此必须有充足的时问，通过采用在短时间内能传输大电流的高性 能数字和模拟电路，来打开和关闭功率开关。 对于中等频率内的应用，例如变速马达驱动器，功率器件的关断时间在0 1 s 到1 0 9 s 之间【3 4 1 。报道的s i c 功率g t o 器件关断时间为0 1p s 1 3 5 1 。c m o s 数字逻 辑电路在v d d = 5 v 下运行时，其门延时为每级4 4 2 p _ s ，当v d d = 2 0 v 时为0 4 5 p s 【2 。 运用这项技术，在系统保护失效的情况下，即使是一个单一的反相器也能够提供 关断功率开关所需要的反应时间，在0 1 u s 内驱动功率器件开和关，这对于功率 第一章绪论 器件的效率很重要，但要提供较大的驱动电流就要求有栅驱动，从实际应用的角 度来说，s i cc m o s 还不能用于高端微处理器的设计。然而，如果一项新技术不 能发展到在安全状态下运行，它将失去应用的价值。s i cm o s 电路的门延时小于 功率器件的关断时间( 1 5 0 0 。c ) 来激活注入杂质。但高剂量的注入会在半导体 中产生点缺陷并造成表面层的无定形态【3 9 】，同时利用离子注入和高温退火还可能 产生多型体晶体管【4 0 1 。s i c 存在的另一个问题是注入离子的不完全激活【删【4 1 】【4 2 。 在6 h s i c n m o s 工艺中，主要困难之一是激活注入的氮离子，由于6 h s i c 的带隙较宽，注入离子通常在较高温度( n 型杂质 1 2 0 0 ，p 型杂质 1 5 0 0 ) 下激活，然而，高温退火将会损伤栅氧化层，热处理工艺的温度高于9 0 0 时， 就可以看到m o s 器件多晶硅栅极的界面态和固定电荷密度都增大了【4 ”。所以有 必要进一步研究注入的退火工艺以得到较高的激活率并取得较好的氧化层界面。 n + 被广泛运用于在s i c 中引入n 型杂质，但是，如果注入剂量超过4 1 0 1 5 c m 。2 就会产生无定形层，而当退火温度为1 5 0 0 c 时则产生了晶体的再生长 4 ”。在注入 剂量较低( + ) ( 3 - 2 ) i 冬k 一一) 2 一嘛一一。) 2 】w + ) 其中： 耻等 p 。， 胁等( 刳 佟a ， 当v j n 由零递增麓v d d 时，根据v i n 值的不同，负载管( p 管) 和输入管( n 管) 分期处于不同的王作状态，为了谨缩研究健输特後，逶鬻鼙将反相器懿v o u t v i n 平面划分为五个赢流工作区来讨论，如图3 7 所永。 翻3 76 h ，s i cc m o s 反相器的电压传输曲线 1 ) 当0 垒， n v 州对，n 管的澡瀑之潮呈现出蔻阻状态，n 管截止，i n = 0 。 对于p 管来醴，其栅源之间有较大的负电压( - - v d d ) ，因此p 管导通，处于充分 导逶豹 饱和态。嚣p 管导通，n 繁截盘，掰以流过反攘爨熬电流为零。这时p 碳化硅高温集成电路的设计与特性研究 管漏源间的电压降为0 v ，故 v o u r = v o = ( 3 - 5 ) ( 2 ) 当v - m v m v o u t + v - r p 时，n 管导通并q - 作在饱和区，在反相器中开始 有较小的电流流过，p 管开始有压降( 工作在非饱和区) ，因此v 。u t 开始降低， 此时有 风( 一) 2 = 屏【( 一一) 2 一( 一一v o 。，) 2j ( 3 - 6 ) 由此解得 。，= 一+ 一一) 2 一缶一y r t s 忉 ( 3 ) 当v i n 进一步增大，到达v o u v 什v i n v o l r r + v t n 时，v o u t 开始急剧 变化，双管同时饱和导通，流过反相器的电流达到最大值。这一段的特点是v i n 有一个很小的变化，v o u t 就有急剧的变化，称为高增益放大区，这时，利用电流 关系 风( 一) 2 = 屏( 一一) 2( 3 8 ) 求解得到 协”镦巩r ( 3 9 ) 该v i n 特记为v i n v ，v i n v 称为反相器门阈值电压。此时的v o u t v i n 关系成为一 条垂直线。 ( 4 ) 当v o u t + v t n v i n v d d + v t p 时，n 管进入非饱和导通，而p 管仍为饱和 导通，p 管的电阻大于n 管的电阻，流过反相器的电流又开始下降，v o u t 开始减 小，向0 电平过渡，利用 风i 一) 2 一( 一一v o 。) 2j = 佛一一) 2 ( 3 - 1 0 ) 得到v o u t v j n 关系，具体为 协卜蚶一舍c 嘣r p ， ( 5 ) 当v d d + v t p - - v l n v d d 时，p 管截止，n 管进入低电阻的非饱和区，此 时流过反相器的电流为零，n 管上的压降为零，所以 v o o , = 0 ( 3 - 1 2 ) 第三章6 h s i cc m o s 集成电路特性模拟 图3 8 流过6 h - s i cc m o s 反相器的电流与输入电压的关系 图3 8 表示流过反相器的电流与输入电压v i n 之间的关系，图中的v c ( 4 ) 即 v i n ，当0 v i n v m 时，n 管处于截至状态，当v c ( 4 ) 增大到大于n 管的阈值电压 时，反相器开始工作，流过节点( 5 ) 的电流i c ( v d d ) 开始增大，在i c ( v d d ) 达 到最大值时，n 管和p 管同时处于饱和状态，随后，随着v c ( 4 ) 的进一步增大， p 管从饱和状态逐渐转为截至状态，i c ( v d d ) 逐渐减d , n 零。可见在静态的时候， 不管v i n 是“1 ”电平( v d d ) 还是“0 ”电平( 0 v ) ，都没有电流流过，只有在较 窄的双管导通区，方有直流电流i d c 流通，这样就使c m o s 反相器的直流开关功 耗保持在很小状态。 图3 9s i cc m o s 反相器中n m o s f e t 的电位分布图 碳化硅高温集成电路的设计与特性研究 图3 1 0 s i cc m o s 反相器中p m o s f e t 的电位分布图 图3 9 和图3 1 0 分别表示c m o s 反相器的n m o s f e t 与p m o s f e t 的电位分 布情况。 图3 1 1 为v d d 不同值时，上述结构的c m o s 反相器的电压传输曲线，这些曲 线都有前面所述的性质，即在输入电压增加到n 管的阈值电压时，曲线开始向下 弯曲，随输入电压的继续增大，n 管和p 管进入饱和工作区，当输入电压增大到 使p 管截止时，输出电压变为低电平，但由于v d d 的不同，p 管进入截至状态的 输入电压不同，使得曲线族随v d d 的增大，逐渐向右移动，表现出相似的变化趋 势。 图3 1 1 不同v d d 时s i cc m o s 反相器的电压传输曲线 3 1 46 h s i cc m o s 反相器的噪声容限 在研究c m o s 电路时，不可避免的要研究该电路的噪声特性，其中噪声容限 是最为基本的特性。它的定义方法较多，根据临界高、低电平而决定的称为指定 噪声容限。噪声容限是与输入一输出电压特性密切相关的参数。这个参数使我们 可以确定：当门的输出不受影响时，其输入端所允许的噪声电压。通常用两个参 z d b 5 苫)o) 第三章6 h s i cc m o s 集成电路特性模拟 铲号萨 p 聊 9 丫犷 ( 3 - 1 4 ) 改变比值b ，将影响反相器的门阈值，即 竺坐：一生! 二竖 ( 3 1 5 ) d p i + 由上式可看出，b 值增大时v i n v 值将减小，图3 1 2 示出了v t c 随p 比值的变化关 系。 ， h 岁 ： a 图3 1 2v t c 随b 值的变化情况 从图中可以得出，随着b 值的增大，直流传输特性曲线向左平移，且p 1 ，使高电平噪声容限降低。 在这里还要特别提出用来表征数字电路性能的几个电压。 ( d ) 逻辑摆幅：它被定义为 人v o = v o 一 ( 3 - 1 6 ) 可以看出，它表示输出电压的最大变化范围。 ( e ) 过渡区宽度：它被定义为 邢= 一 ( 3 1 7 ) 它给出对输入变化灵敏度的一种量度，此值愈小意味着对输入变化愈灵敏。 ( f ) 电压噪声容限： 根据噪声容限的定义，高电平直流噪声容限v n h 定义为驱动级输出高电平与 被驱动级最小输入高电平之差，因此有 _ = v o 日一巧z y - d d 一巧 ( 3 - 1 8 ) 低电平直流噪声容限v n l 定义为驱动级的最大输入低电平与被驱动级输出低电平 之差，因此有 = 一“ 对数字电路要保证电路功能的正常， 好。 ( 3 - 1 9 ) 电压噪声容限必须大于零，而且越大越 表2 2 ：室温下、v d d - 5 v 时， 6 h s i cc m o s 反相器的电压 符号名称 电压值( v ) v o h 输出高电压5 v o l 输出低电压0 v i h 输入高电压1 8 4 4 v i l 输入低电压1 4 7 0 v n h 高电平噪声容限 3 1 5 6 v n l 低电平噪声容限 1 4 7 0 v i n v 门阈值电压1 6 5 7 v o 逻辑摆幅 5 t w过渡区宽度o 3 7 4 表2 2 为室温下、v d d = s v 时，表征6 h s i cc m o s 反相器性能的几个电压值， 其中，电压噪声容限均大于零，且数值较大，逻辑摆幅等于v d d ，无阈值电压损 失，过渡区较窄，特性良好，表明s i c c m o s 反相器具有良好的应用前景。 第三章6 h s i cc m o s 集成电路特性模拟 3 26 h s i cc m o s 反相器瞬态传输特性 3 2 1 算法的选择 m e d i c i 中提供了两种算法来求解微分方程：耦合算法( n e w t o n s m e t h o d ) 和非耦合算法( g u m m e l sm e t h o d ) 。每一种算法都要求解几个巨大 的线性方程组。器件模拟是在每个格点上进行数值求解，在每一个系统中方程总 量为网格点数量的1 4 倍。使用雅可比高斯消去法的耦合算法，是非常稳定的求 解方法。但在对两种载流子进行仿真时，为了获得最精确的结果，对于内存和时 间的花销很大。对于小电流的求解，非耦合算法是进行雅可比行列式转换的一种 很好的替换方法。该方法的成功与否，取决于方程之间的耦合程度。 在模拟计算中，我们使用耦合算法( n e w t o n sm e t h o d ) 来求解方程，以获 得最精确的结果。 1 ) 算法分析 对于瞬态模拟，m e d i c i 采用b d f l 或b d f 2 公式。 大多数模拟采用一阶反向偏差公式( b d f l ) 6 4 1 ，这就意味着连续性方程 塞2 n 也2 f n o g , n ， 俨：。、 茅一护也吣玑 伊：。、 能量平衡方程 夥守彦讣眦c 。坼甲屯) t 弘 舢2 p9 兰j 十7 1 ( p 叫u p ) 十华 旷：， 以及热流方程 警叫+ 氚r ，屯 。，咽) 可以表示为： i l tn k i a 0 ( 3 - - 2 4 ) 3 2 碳化硅高温集成电路的设计与特性研究 p 耘p k a t k f p t wk t l k l l n , 一时t f 渺 ( 3 - 2 5 ) !：!：，_。cve-，tptt，一t“只7t)，“。t)(326) a t g 凡，( v 盯 桃- 雌。f ”，( 3 2 7 ) 1 t t - f t t - l 2 f r ( x l t l r ；k , p t , t t n , l eu p , t t k ) = f r ( k ) ( 3 2 8 ) 这种方法的缺点是要受到局部中断误差( l t e ) 的影响，它与所采用的时间 步长成正比，这样第k 步的误差大小就为o ( t k ) 。 b d f 2 公式： 点( 鲁盯t 志，十字吼：) 以。，咽， 点( 高价志肛，十字趾：) 铆鼬。删， 丽与忆 h iy y b k _ 2 l l n , k _ 2 _ 2 l l n _ q 女ii i 而”女一l ” 一l 。 ，”。o ( 3 - - 3 1 ) i _ 毛( 再2 - y 即蚶一志趾一k - i4 字p k - 2 u p k - ： = f u t ， r 3 3 2 ) 这里 ，i 一1f 女一2 y 百百了 ，字k 。) 一q 女， 。 r 3 - - 3 3 ) ( 3 3 4 ) 与b d f l 不同的是，b d f 2 需要利用前面t 和t k 2 的结果。 2 ) 时间步长的选择 m e d i c i 通过采用自动时间步长选择( t a u t o ) 和2 n d o r d e r 时i 旬步长算法 作为默认方法，在一给定的时间点，程序会： ( 1 ) 计算b d f l 和b d f 2 方法中的l t e 值。 ( 2 ) 通过比较l t e 与t o l t i m e 参数，来计算两种方法的新的时问步长。 第三章6 h s i cc m o s 集成电路特性模拟 ( 3 ) 选择能够产生最大时间步长的方法。 t o l t i m e 参数霹双在m e t h o d 接述中菠变大小，骞豢越大，模拟熬速度 越快，结果越不精确。 将t o l + t i m e 设梵零裁剪以实现塞动容茇，这秘方法不鬟要瑗户瓣于预裁可 以根据模拟的条件自动调整，产生精确的模拟结果。 m e d i c i 程瓣闯步长上受几个条蛰瓣制约： ( 1 ) 时间步长的最大增加因子不大于2 。 ( 2 ) 搬浆赫豹辩趣步长小于原采熬一半，则重鞭诗算原来的步长。 ( 3 ) 如果时间点不收敛，时间步长减小到原来的一半，然后重新计算。 ( 4 ) 电鼹分辑中，设置中断点，健m e d i c i 计算脉冲波形的边缘点。 3 。2 。2 瞬态传输特性分析 在6 h s i cc m o s 反相器的输入端加一脉冲信号，如图3 1 3 所示，信号振幅 为5 v ，其中r 为信号延时，大小为o s ，t 为上升时间，其德取为1 0 n s ，t p 为脉 冲宽度，值为2 m s ，t f 为下降时间，数值也为1 0 n s ，k 。为脉冲周期，设其值为 5 m s 。 卜世= ：焉圭：型1 闰3 t 3瞬态横攒中所施黼的繇冲波形匿 鬻3 1 4 袭示6 h + s i cc m s 爰裾器输基鸯压夔瓣耀豹交纯。霾3 1 5 为反穗嚣 中n m o s f e t 的漏电流与时间的关系，图3 1 6 为反相器电源电流随时间的变化。 在一个藏；孛窝凌兹辩闫内，菠相器输爨毫垂裘瑰窭莛疑懿装筑。 碳化硅高温集成电路的设计与特性研究 图3 1 46 h s i cc m o s 反相器输出电压随时间的变化 n c h 自n n e ld ra inc u r t t im o 图3 1 5 反相器中n m o s f e t 的漏电流与时间的关系 p o s 。p p l vc 卅e n t ve t i m o 图3 1 6 反相器电源电流随时间的变化 图3 1 7 比较了室温与6 0 0 k 下，1 5 u mc m o s 反相器输入、输出电压随时间 的变化，从图中可以看出，s i cc m o s 反相器在高温下也可以正常运行，但其特 性较室温下要差。 第三章6 h s i cc m o s 集成电路特性模拟 6 0 0 k 时 图3 1 7 室温及6 0 0 k 下，1 5 p mc m o s 反相器输入、输出电压随时间的变化 图3 1 8 表示出了沟道长度为0 8 p r o 的6 h s i cc m o s 反相器输出电压随时间 变化的曲线。 图31 8 室温、相同输入信号下0 8 p mc m o s 反相器输出电压随时间的变化 图3 1 9 为c m o s 或非门的电路图，图3 2 0 表示室温下沟道长度为1 5 p m 的 c m o s 或非门输入、输出电压随时间的变化情况， 3 6碳化碎高温集成电路的设计与特性研究 y 图3 1 9c m o s 或非门电路图 图3 2 0 室温下1 5 9 mc m o s 或非门输入、输出电压随时间的变化 3 36 h s i cc m o s 反相器a c 小信号分析 在对所建立的6 h s i cc m o s 反相器进行d c 分析的基础上，给电路施加给 定振幅和频率的输入信号，计算节点的正弦电流和电压值，利用公式： 第三章6 h s i cc m o s 集成电路特性模拟 p g u 十c n c 一艺 女。j r 7 ( 3 3 5 ) 就可以计算出电容和电导。 正弦稳态分析：在电极i 上旋加a c 正弦电压 _ 。v i 。in r 3 3 6 ) 这里是已有的d c 偏置电压，_ 是要模拟的实际偏压。假设在半导体材料 中只解决基本方程( 泊松与电流连续性方程) ，则 f w i v 辨p ) 一f v 十q ( p np 三一j ) 十p f o ( 3 - - 3 7 ) f 。t v - ”- p ，：寺z u 一一；( 3 - - 3 8 ) f v ，岬) 。一莎和7 f i ( 3 - - 3 9 ) 则( 3 3 7 ) 式可以记为 v f 。v i o + 审，一“( 3 - 4 0 ) - 1 t o ， h f 。”l o + 胛f r( 3 - - 4 1 ) ， ，l p t 。p m + p f ( 3 - - 4 2 ) 这里，。和p 。是节点f 的d c 电势和载流子浓度，多，五和；，分别为 a c 值。 把等式( 3 4 0 ) 至1 j ( 3 4 2 ) 代入等式( 3 3 7 ) 盈j ( 3 3 9 ) ，并展开为一阶泰勒级数( 小信 号近似) ，就可以得到非线性方程 巾m 驯= f ( v 。+ 孙p 。) ，面b f - j m ，誓女，第庐，”r 3 4 3 1 对于上述三个微偏分方程，如果计算出d c 结果，则厅1 队- p 。 _ o ，得出线 件系统 碳化硅高温集成l 乜路的设计与特性研究 o f v1 i f , l ， f l w( ) 门 q 矸nj n 面而1 u l 生堡 d d 玎 ( 3 - - 4 4 ) 这一等式中 ( 1 ) o f a , ，o f o n 和o f o p 是n x n 矩阵，形成了d c 雅可比矩阵。 ( 2 ) d l 为n x n 矩阵，对角线上为一j c _ o ，非对角线上为0 。这是由每个连 续性方程与时间有关部分的展开式。 ( 3 ) b 1 为长度为3 n 的向量，其中包括a c 输入电压的边界条件。 把系统分为实数和虚数部分，可以得到 酬m r 3 - - 4 5 ) 等式中，为3 n 3 n 的d c 雅可比矩阵，d 2 为与d l 有关的3 n 3 n 对角矩阵， b 2 是b l 的变化形式，。和五指a c 结果向量的实数和虚数部分，长度均为3 n 。 图3 2 1 为室温下对1 5 p mc m o s 反相器进行a c 小信号分析所得到的结果。 r cr 删1s isc m 0 51 n v er t e r l - 0 t c r o q h l ，i 图3 2 1 室温下1 5 p mc m o s 反相器a c 小信号曲线 3 4s i cc m o s 反相器的温度特性 众所周知，s i c 器件与电路的优势在于它可以在高温环境下稳定运行。图 等等孔 第三章6 h s i cc m o s 集成电路特性模拟 3 2 2 为不同温度下6 h 。s i cc m 0 s 反相器的电压传输特性曲线，从中可以看出， 在寒达7 0 0 k 鲍帻况1 ：，它熬工 乍特性仍很正常，爨特牲良好。温度越低，过渡 区越窄，传输特性越接近理想特性，可获得更好的嗓声容限。 芑 图3 2 2 不同温度下6 h s i cc m o s 反相器的电压传输特性 溷3 2 3 为6 h s i cc m o s 反相器的门阕值电压与温度的关系，随着温度斡井 高，反相器的门阈值电压由3 0 0 k 时的1 6 6 v 逐渐减小至7 0 0 k 时的1 5 7 v ，逐渐 偏离遴怒情况下的v d d 2 ，嘏路静径熊下降。 屠 蛊 1 ” l 建 t 冀 t 5 t e up c 崎 图3 2 3 不同温度下6 h s i cc m o s 反相器的门阈缎电压 甏3 2 4 与3 2 5 分翔表示离电平嗓声容限与低电平噪声容限与温度鲍关系。放 图中可以看出随着温度的升高，高电平噪声容限与低电平噪声容限均减小，电路 特径变差。 碳化硅高温集成电路的设计与特性研究 口dt t e l lp ) 图3 2 4 高电平噪声容限与温度的关系 ，- 印 辱 一“ 卫 1 墓 日a ? r i o t e p0 。 图3 2 5 低电平噪声容限与温度的关系 3 5 本章小结 本章首先介绍了发展s i cc m o s 电路的意义，采用二维仿真软件m e d i c i 建 立了6 h s i cc m o s 反相器的电路结构和物理模型，对其传输特性和温度特性等 进行了模拟。主要结果如下： 1 ) 利用二维器件仿真软件m e d i c i 建立了6 h s i cc m o s 反相器的结构模型和 物理模型，确定了主要物理参数的统计方法和选取。同时选用m e d i c i 中提供的 耦合算法( n e w t o n sm e t h o d ) 来求解方程，以获得最精确的结果。 2 ) 对6 h s i cc m o s 反相器的直流传输特性进行了模拟，结果表明，反相器 的逻辑摆幅等于v d d ，高电平为电源电压，低电平为零：门阈值电压为1 6 5 7 v ， 高电平噪声容限和低电平噪声容限分别为3 1 5 6 v 和1 4 7 0 v ，状态转换区特性陡， 电压噪声容限较大，且高温下能够稳定运行。 3 ) 模拟了6 h s i cc m o s 反相器的瞬态传输特性，在温度从3 0 0 k 到6 0 0 k ! ： 拂 孙 m 挑 ( ) ， 一 第三章6 h s i cc m o s 集成电路特性模拟 4 的条件下，反相器均可正常运行，且性能良好。 4 ) 对6 h s i cc m o s 反相器进行了交流小信号分析，电路性能良好。 5 ) 研究了6 h s i cc m o s 反相器的特性与温度的关系，结果表明，随着温度 的升高，电路的门阈值电压、高电平噪声容限、低电平噪声容限均减小，即温度 越低，传输特性越接近理想特性，可获得更好的性能，充分证明s i c 电路在高温 环境应用的广阔前景。 碳化硅高温集成电路的设计与特性研究 第四章s i cn m o s 集成电路结构与工艺研究 s i c 材料的化学和物理特性十分稳定，所以s i c 电路的加工非常困难，虽然 制作s i c 电路的工艺方法与s i 电路的十分相似，但工艺条件要求十分苛刻，甚至 超出s i 工艺所能工作的极限。目前国内对s i c 材料、器件的研究尚处于模拟阶段， 对制作工艺的研究更是刚刚起步。作者根据实际材料与工艺的条件，研究出一套 6 h s i cn m o s 反相器的制造工艺，给出了6 h s i cn m o s 反相器的制作工艺流程， 为今后进一步加工高性能的s i c 奠定了实验基础。 首先分析了电路的初步测试结果，最后提出了今后工艺加工的改进方法。 4 1 材料和电路版图设计 由于s i c 独特的材料特性，使得在工艺上的可行性变得困难，因而电路结构 参数的选取、版图的选择和设计都比较复杂。n m o s 反相器的设计内容主要包括 以下几个方面： 1 ) 根据已有材料与工艺条件，选择电路结构，确定图形尺寸； 2 ) 确定工艺流程及条件，进行电路的研制： 3 ) 对试制产品的结果进行分析，并进一步修改和完善设计方案。 4 1 1 材料的准备 虽然国内部分单位已开始了对s i c 材料的研究，并取得了一定的成果和进展， 但国内s i c 材料问题距彻底解决仍有很长一段距离。本研究中所用材料购自美国 c r e e 公司，晶向为偏离 0 0 0 1 方向3 5 0 ，1 1 型衬底，n 型掺杂浓度为l x l 0 1 8 e m 一， 衬底上生长有三层外延，参数依次为：n 型，6 1 a m ，1 1x 1 0 1 6e m ：p 型，3 p m ， 2 9 1 0 1