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东南大学 硕士学位论文 功率vdmos物理结构与特性的研究与建模 姓名：陈龙 申请学位级别：硕士 专业：微电子学与固体电子学 指导教师：沈克强 20060201 摘要 功率v d m o s 是功率电力电子的主流产品之一。它具有高输入阻抗、高开关速度、宽安全工作区 以及很好的热稳定性等特点，广泛地应用于开关电源、汽车电子、马达驱动、节能灯等各种领域。 由于我国9 0 以上v d m o s 产品需要进口，因此对v d m o s 器件的物理特性及电学特性研究与建模有 着重要实际意义。本文研究和建立了两个在v d m o s 设计与应用中的关键模型。 一个是v d m o s 导通电阻模型，导通电阻是衡量v d m o s 性能的重要指标。本文从v d m o s 器件 物理结构出发，利用半导体基本物理方程，提出了一种建立导通电阻模型的新方法。本文提出的导 通电阻二维模型与数值模拟结果以及试验数据的吻合度较好。该模型具有显示( c l o s e df o r m ) 解析 表达式，勿需迭代，物理意义明显，它可以准确分析导通电阻随各种结构参数变化的关系，这对于 优化设计该类器件具有指导意义。 另一个是v d m o s 等效电路s p i c e 模型。本文详细分析了v d m o s 的物理结构中各种寄生效应 对v d m o s 电学性能的影响，在此基础上建立了v d m o s 等效电路模型，并利用m e d i c i 软件给出 了提取v d m o s 等效电路模型参数的方法与步骤。所建立的模型能够进行直流分析和瞬态分析，能 够得到全电压范围内连续的i - v 特性曲线，其中包括线性区、饱和区和准饱和区，并实现了线性区 与饱和区之间的平滑过渡。该等效电路模型能够应用于电力电子电路的c a d 设计之中，满足工程应 用的需要。此外，由于本文建立的模型基于器件物理结构，因此也可以用来对v d m o s 器件进行结 构优化设计。 除以上两个模型以外，本文还补充分析了其他需要重点考虑的与v d m o s 密切相关的参数与特 性。 关键词：v d m o s ，导通电阻，s p i c e ，模型，m e d i c i a b s t r a c t p o w e rv d m o si sa w i d e l yu s e dp o w e rs e m i c o n d u c t o rd e v i c ei ns w i t c h e d - m o d e lp o w e rc o n v e r t e r s a m o m o t i v ee l e c t r o n i c s 。m o t o rc o n t r o l 。l a m ph a l l a s t s ，a n ds of o m lb e c a u s ei to f f e r sb e t t e rp e r f o r m a n c ei n i n p u ti m p e d a n c e ，s w i t c h i n gs p e e d , s a f e t yo p e r a t i n ga r e aa n dt h e r m a ls t a b i l i t yt h a nb i p o l a rp o w e rt r a n s i s t o r n o w a d a y sm o r et h a n9 0p e r c e n t so f v d m o sp r o d u c t si nc h i n an e e dt ob ei m p o r t e d t h e m f o m i ti sv e r y i m p o r t a n tt os t u d ya n dm o d e lt h ep h y s i c a la n de l e c t r i c a lc h e r a c t e r i s t i co f v d m o s t w 0k e ym o d e l sf o r v d m o sf o rd e s i g na n da p p l i c a t i o na r ed e v e l o p e db yt h ea u t h o r o n ei sa n e wo n - r e s i s t a n c em o d e lf o rv d m o sd e v i c a s t b eo n - r e s i s t a n c ai so n eo f t h em o s ti m p o r t a n t d m c t e s t i c so f p o w e r v d m o s t r a n s i s t o r s a n e w m e t h o d o f m o d e l i s p r o p o s e d b a s e do n p h y s i c a l s t r u c t u r ea n dp o i s s o ne q u a t i o n 他m o d e lw i t hac l e a rp h y s i c a lc o n c e p ta n da n a l y t i c a lc l o s e df o r m e x p r e s s i o n si si ng o o da g r e e m e n tw i t hs i m n i a t i o na n de x p e r i m e n t a lr e s u l t s i ta n c o m r sf o rt h eo r l r e s i s t a n c e v a r i a t i o n sw i t hd i f f e r e n tp a r a m e t e r i nt h i sp a p e r , o p t i m a ld e s i g np r i n c i p l e sa n dp h y s i c a lp a r a m e t e r so f v d m o sa r eo b t a i n e db a s e d0 1 1t h eo n - r e s i s t a n c 宅m o d e l t h eo t h e ri sa na c c u r a t es p i c em o d e lf o rp o w e rv d m o s t h ev a r i o u sp a r a s i t i cd e v i c e si n s i d e v d m o sa r ea n a i y s e da n dd i s c u s s e d a ne q u i v a l e n tc i r c u i tm o d e lf o rv d m o si sd e r i v e db a s e d0 1 1t h e p a r a s i t i cd e v i c e s 1 1 1 ea p p r o a c ha n ds y s t e m a t i cp r o c e d u r ef o rp a r a m e t e re x t r a c t i o na l eg i v e n s i m u l m e d r e s u l t so f t h i sm o d e ia r ei ne x c e l l e n ta g r e e m e n tw i t ht h er e s u l t so b t a i n e db yh 也d i c i 1 1 1 i ss p i c em o d e li s s u i t a b l ef o rm o d e l i n gt h es t a t i ca n dd y n a m i cs w i t c h i n gc h a r a c t e r i s t i c sw i t h i nt h ee n t i r ev o l t a g er a n g e i tc a n u n i 白t h ed e v i c el i n e a r , s a t u r a t i o na n dq u a s i - s a t u r a t i o nr e g i o n t h ep r o p o s e ds p i c em o d e li su s e f u la sa c o m p u t e r - a i d e dd e s i g nt o o lf o ra n a l y s i sa n dd e s i g no f c i r c u i t so f p o w e rm o s f e t s i ti sa l s oa v a i l a b l ef o r o p t i m u md e s i g no f v d m o sb e c a u s ei ti sb a s e do np h y s i c a ls t r u c t u r e a p a r tf r o mt h ea b o v et w om o d e l ，t h eo t h e ri m p o r t a n tp a r a m e t e r sa n dc h a r a c t e d s t i c sa r ea n a l y s e d k e yw o r d s ：v d m o s ，o n - r a s i s t a n c e , s p i c e ，m o d e l , m e d i c 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己在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 研究生签名：2 垒笸画期：旦t 出 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( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：1 篮 1 导师签名 1 第章绪论 第一章绪论 功率m o s 场效应晶体管是在m o s 集成电路工艺基础上发展起来的新一代电力电子开关器件，在 微电子工艺基础上实现电力设备高功率大电流的要求。自从垂直导电双扩散v d m o s ( v e r t i c a l d o u b l e - d i f f u s e dm e t a lo x i d es e m i c o n d u c t o r ) 新结构诞生以来，电力m o s f e t 得到了迅速发展。 由于v d m o s 具有高输入阻抗、低驱动功率、高开关速度、优越的频率特性、以及很好的热稳定性等 特点，因此它广泛地应用于开关电源、汽车电子、马达驱动、工业控制，电机调速、音频放大、高 频振荡器、不问断电源、节能灯、逆变器等各种领域n 。 1 9 5 7 年晶闸管的问世标志世界电力电子技术的诞生，从此电力电子器件得到了迅速发展。 v d m o s 在1 9 7 9 年由h wc o l l i n s 等人提出后。逐步改变了整个功率半导体器件的面貌i l j 。八十年代 是m o s 器件和晶闸管并行发展的年代。到了九十年, 0 ：m o s 器件迅速占领了相当大部分的中小功率器 件市场。经过近2 0 余年的发展，商用v d m o s 产品日趋成熟，v d m o s 应用渐趋广泛。 本章首先总结了v d m o s 在低压大电流和高压大电流两方面的发展趋势，然后分析了v d m o s 的 市场前景，最后概述了本文的主要内容与工作。 1 1v d m o s 场效应晶体管的研究现状与发展趋势 v d m o s 晶体管经过2 0 余年的发展，目前已经取得了长足的进步。对于低压器件，人们一方面 希望缩小芯片面积，节约成本，另方面想方设法降低导通电阻；对于高压器件，希望外延层在保 持高击穿电压的前提下，降低导通电阻。无论高压还是低压v d m o s ，降低导通电阻是提高v d m o s 性能的主要标志。 1 1 1 低压大电流v d l i o s 晶体管的研发趋势 由于v d m o s 具有高输入阻抗，低导通电阻，高开关速度等一系列优势，因此在低压功率开关半 导体市场上占有统治地位。尽管如此，由于便携式设备及无线通信对功耗要求越来越低，因而减小 导通电阻、降低功耗是功率m o s 研发的首要任务，此外对低压设备输出电流要求越来越大，现在的 处理器电流达蛩j 3 0 a 以上，甚至有的高达1 0 0 a 。低压大电流对封装也是个巨大的挑战。目前，通过 采用先进的沟槽工艺和封装技术，在降低导通电阻和缩小芯片面积方面取得了巨大的进步，特别是 对于5 0 v 以下的功率m o s 。 ( 1 ) u 型沟槽结构( t r e n c h ) 对于低压器件，沟道电阻占了其中绝大部分。降低沟道电阻只有加大栅压，然而这样必然会加 大开关功耗，因此研究人员把目光放在提高元胞密度上。对于普通v d m o s 结构而言，现代技术进 步已经达到了缩小v d m o s 元胞尺寸而无法降低导通电阻的程度，主要原因是由于脚颈区电阻 的限制，即使采用更小的光刻尺寸，特征导通电阻( s p e c i f i co n - r e s i s t a n t , e ) 也难以降到2r n d c m 2 【3 l ， 沟槽结构可以有效解决这个问题。u 型沟槽结构如图1 1 ( a ) 所示，它采用了在存储器存储电容制 备工艺中发明的沟槽刻蚀技术，使导电沟道从横向变为纵向，相比普通结构消除了i f e t 颈区电阻， 如图1 1 ( b ) 所示。因此大大增加了原胞密度，提高了功率半导体的电流处理能力。 东南大学硕士学位论文 过乃商 l 。哕l p + 啪l 眍 j l r 糯 疆掇 任 图1 - 1( a ) 沟槽结构( b ) 普通结构 正基于此，在上世纪九十年代，随着对低压功率m o s f e t 导通电阻要求的提高和刻蚀技术的进 步，t r e n c hm o s f e t 逐渐走向市场。9 1 年，一种阻断电压为5 5 v 的t r e n c hd m o s 研制成功，比此 前报道的普通d m o s 导通电阻降低了2 6 倍 4 1 。研究人员进一步发现当沟槽延伸到n + 漏区，由于槽 侧壁形成的积累层，在n + 漏区提高了沟道处的载流子扩散能力，其特征电阻能够进一步减小口j 。减 少工艺步骤与进一步增加元胞密度也是t r e n c h 技术的重要发展方向。2 0 0 4 年报道一种仅用三层掩模 板( 槽、多晶、金属) 例，采用s p a c e r 隔离层作为反应离子刻蚀的掩蔽膜，以实现窄槽高纵横比刻 蚀，缩d , - j “ 槽的宽度。用这种方法制成的d m o s 在击穿电压4 3 v 的条件下，原胞密度达到每平方英 寸1 3 0 亿个，特征电阻达到o 2 8 m d , e m 2 。台交大最近提出了一种全自对准工艺i o j ，通过沟槽回刻及 斜角离子注入的方法，在0 6 1 a r t 工艺上能实现每平方英寸2 8 6 亿个元胞，在3 5 v 阻断电压条件下特 征电阻仅为0 ，2 1m o m 2 。近年来，微电子技术从亚微米向深亚微米转移也给功率器件发展带来契机， 飞利浦公司与比利时i m e c 研究中心合作研制出槽宽仅为0 1 8 岬l 阻断电压2 0 v ，导通电阻为0 0 4 m o , c m 2 的t r e n c hm o s f e t f f l 。然而沟槽技术的引入，带来了较大的栅漏密勒电容问题，因此如何降 低门极电荷即沟槽底部电荷，从而简化驱动电路设计受到了足够的重视，在沟槽底部生长厚氧化层 是一个理想的解决方案，最近提出了一种底都呈w 形状的门极，可以进一步减少门极电荷。同时由 于沟槽处的栅氧层，特别是在槽底拐角处易于击穿，因此这一技术限于低压应用领域。总之， t r e n c h _ p e t 由于其超低电阻，通态损耗将减少3 0 以上，在d c d c 转换、电池管理、马达驱动等 低压应用中具有显著的优势。成为同步整流电源( 1 5 、3 3 v ) 的理想功率器件。 ( 2 ) 封装工艺 随着个人计算机、服务器、网络及电信系统等很多最终设备对功率水平和功率密度的要求持续 不断提高，对组成电源管理系统的元器件性能提出了越来越高的要求。封装工艺是提高器件与系统 性能的重要技术，传统标准的t o 系列和s o 系列封装已经不能满足市场的需求，各大公司分别采用各 种新型封装技术。这些技术在降低封装电阻、减小芯片p n 结蛰j p c b 的热阻及电感、缩小封装面积这 几个方面取得了长足进步。 由于芯片的导通电阻已大幅度下降，在当今的t r e n c h f e t 技术中，封装电阻几乎占了整个导通 电阻的一半，而其中压焊丝又占据了封装电阻的绝大部分。因此近来提出了以铜带代替铝丝覆盖芯 片顶部的c o p p e r s t r a p 工艺例，通过这种方法大幅度降低了封装电阻及热阻。另一方面，对传统封装 面言，苍片面积仅为整个封装面积的三分之一，为了迎合手机及其他便携式设备对器件体积要求越 来越小的趋势，i r 公司推出了无外壳的倒装( f l i pc h i p ) 技术1 9 ，它通过金属球把芯片与电路板直接 焊接，能提供最短的对外连接距离，在相同电学参数下，它占用的面积仅为s 0 8 封装的3 0 ，此外 它具有更小的热阻及引线电感。与此类似的是f a i r c h i l d 公司采用球栅阵列b g a 封装工艺，去除了 焊线和引线框架，在散热上比s 0 8 提高2 5 0 。对封装的另一大挑战来自于越来越高功耗密度，在 低压功率m o s f e t 广泛应用的d c - - d c 转换器中，其导通电流甚至超过了1 0 0 a ，为此眼公司推 出的另一种d i r e e t f e t 技术1 1 w ，采用独特的金属帽结构，实现双面散热，散热能力大大增强，从而 消除了热量对高级微处理器性能的严重威胁。s 0 8 的结到p c b 的热i j f i ( r t h j - p e h ) 大约是2 0 。 2 圜 第一章绪论 c a v m a x ，而同样尺寸的d i r e c t f e t 封装只有不到1 。c w m a x ；引线电感也降到了l n h 以下，这 对于视听设备降低噪声具有重要意义。另一种先进技术为多芯片封装，特别是堆叠( s t a c k ) 技术， 能减小p c b 板面积，缩短引线距离，据报道i n f i n e o n 推出的t d a 2 1 2 0 1 集成开关在业界标准t 0 2 2 0 封装中集成了一个门驱动器和该公司的两个功率m o s f e t 开关，降低了台式机、膝上型电脑及其它 尺寸有限的电子设备的开关电源成本。 1 1 2 高压大电流v d m o s 晶体管的研发趋势。 根据s i 击穿电压与掺杂浓度呈2 5 次方的关系，在高压领域。v d m o s 导通电阻会随着电压升 高而急剧增大，导通电阻主要取决于漂移区电阻，约占全部电阻的7 0 以上，因此高击穿电压与低 导通电阻具有难以调和的矛盾。然而可喜的是，由于制造工艺的进步，新型s u p e r j u n c t i o n 结构的引 入，以及新材料s i c 的应用，打破了过去的理论极限 t t 】。 ( 1 ) s u p e r j u n c t i o n 结构 1 9 9 8 年我国陈星弼院士提出了功率器件耐压层新结构及理论f 1 2 j ，即日后在国际上被称为 s u p e r j u n c t i o n 的高压m o s f e t 结构，突破了v d m o s 在高压领域遇到的瓶颈。s u p e r j u n c t i o n 的原理 是提高外延层掺杂浓度而不改变器件的击穿电压西门子率先利用这一技术制造出6 0 0 v 高压功率 m o s f e t ，称为c o o l m o s t “”j ，它的n 型外延层掺杂浓度提高了一个数量级，特征电阻可以降低5 倍，导通损耗为i g b t 的三分之一，打破了s i 的高压应用限制。如图1 2 所示，我们看到采用 s u p e r j u n c t i o n 结构研制成的v d m o s 的特征导通电阻在s i 的理论极限线以下，这是传统结构无法达 到的。 百 量 喜 旨 旺 0 v i i 8 s ) 图1 - 2v d m o s 阻断电压与特征导通电阻关系图。图中线段代表s i 的理论极限， 方形表示s u p e r j u n c t i o n 结构，三角形表示t r e n c h 结构，方括号数字表示参考文献 s u p e r j u n c t i o n 结构如图1 - 3 ( 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。这样在漏极电压作用下，p 柱与n 柱将反偏形成耗尽层，当精确控制p 柱与n 柱的掺杂浓 度与宽度，可以使两者完全耗尽，正负固定电荷刚好抵消。因此理论上它的击穿电压几乎与零掺杂 的功率m o s f e t 相同。通过这一技术，击穿电压与掺杂浓度几乎里线性关系。图1 - 3 ( b ) 是普通 v d m o s 的电场示意图，1 - 3 ( c ) 是引入s u p e l ：i u n c t i o n 的近似电场分布1 1 。阴影部分面积代表击穿 电压，显然在同样的击穿电场下，后者大大提高了耐压容量，如果想进一步提高击穿电压，可以加 深p 柱的垂直距离。 3 东南大学硕士学位论文 一王彩删 l l j 。矿j u ” h 。诗_ ( 曲 图1 - 3 ( a ) s u p e 日u n c t i o n 结构( b ) 无p 柱的电场分布 图1 - 4a c c u f e t 结构 ( c ) 插入p 柱的电场分布 s u p e r j u n c t i o n 理论一经提出。立即成为研究的热点，特别是由于p 柱与1 1 柱的电荷补偿程度决 定了耐压的高低，因此s u p e r j u n a i o n 的技术难点在于p 柱的实现与精确控制，以及解决s u p e r j u n e t i o n 技术高成本和工艺复杂性。i n f m e o n 新一代的c o o l m o s 把离子注入与外延生长的次数从六次降到了 三次，更在2 0 0 4 年国际功率器件会议上提出了通过特制的掩模板分五次不同能量等级的离子注入， 而实现了3 2 哪深结的新方法【i ”，省去了多次淀积外延层的繁杂步骤。新加坡国立大学研制了一种 新型的p f v d m o s ，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”6 j 。他们研制的另一种o b v d m o s ，把p 柱作为一个可调制电极， 打破了s u p 喇u n c t i o n 导通电阻的理论极限【1 ”。利用s u p e o u n c t i o n 技术制造的v d m o s 能达到几千瓦 的输出功率，同时在低压领域有高效的利用，如充电器，线路适配器，辅助电源。 ( 2 ) s i c 新型材料 由于s i c 独特的材料属性，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、高温开关器件中具有巨大的潜力。在6 0 0 - - 2 0 0 0 v 范围内【l m ，用s i c 做的v d m o s 比用s i 做的 i g b t 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l t g l 如，。，= 币4 b v 万a 口2 ( 1 t ) 其中b p r 出为击穿电压，乞为电介质常数，以为载流子迁移率，乞为临界电场，岛乓3 ，被称 为b a l i g a 品质因数。s i c 的b a l i g a 品质因数比s i 大2 0 0 倍，也就是说在同样的击穿电压条件下，理 论上v d m o s 以s i c 作为外延材料的导通电阻将比s i 材料减小2 0 0 分之一。1 9 9 9 年p e t e r s 等人研制 出的击穿电压1 8 0 0 v ，特征电阻8 2m q , c m 2 的功率m o s f e t ，比相同的s i 材料v d m o s f e t 的特征 电阻降低了一个数量级以上。而美国p u r d u e 大学结合t r e n c h 技术研制的s i cu m o s 创造了阻断电 压为3 3 6 0 v ，导通电阻为1 9 9m q c m 2 的新纪录1 2 0 ，这显示出s i c 在高压领域的广阔研发前景。 尽管如此，用s i c 制成的v d m o s 由于s i 0 2 - - s i c 界面态存在过多的陷阱造成沟道处载流子的 迁移率大大降低，使得特征电阻远大于理论值，另外在栅氧处存在高电场易于击穿。为解决这个问 题提出了积累层功率m o s f e t ( a c c u f e t ) 阳j ，如图l _ 4 所示。其原理是利用离子注入技术做一 个口+ 埋层，在零栅压时这一层埋层与它上面的n 一层耗尽形成阻断结构。当漏源加上高电压时，栅氧 化层中的高电场大部分转移到p n 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，t a n 等人研制成了阻断电压 8 5 0 v ，导通电阻只有2 7m o c m 2 的u m o s t “。 4 第一章绪论 1 2v d m o s 的市场前景 v d m o s 具有广泛的市场应用前景，单在照明驱动这一块就有巨大的市场。1 9 9 7 年我国启动的 “绿色照明工程”其重要目标之一是将采用电子镇流器和紧凑型荧光灯组成的一体化节能灯取代白炽 灯。在相同光通量条件下，节能灯比白炽灯可节约电能8 0 。“九五”期间，将推广各种节能灯3 亿只以上，形成终端节电2 2 0 亿度的能力，相当于节约电力建设资金( 4 9 0 6 3 0 w _ , 元。现在普遍使用 的电感镇流器消耗的功率达到所配用荧光灯功率的2 0 到6 6 ，采用电子镇流器将节能2 5 到3 5 【l j 。电子镇流器的主体为一对用做振荡的功率管，目前国内生产的仅有双极型的晶体管，而节能 效果更为明显的功率m o s 还在研发阶段。在国际上，美国从2 0 0 0 年起投资5 亿美元实施”国家半导 体照明计划”。美国能源部预测，到2 0 1 0 年前后，美国将有5 5 的白炽灯和荧光灯被半导体灯具替 代，每年仅节电就可达3 5 0 亿美元，作为半导体灯驱动电路的功率器件v d m o s 具有巨大的市场潜 力。 v d m o s 的应用范围主要有通信、汽车、电脑及便携式电器、工业、航天、家电、办公用品等等。 在国际上分立功率半导体市场领先的主要厂家有：s t ，f a i r c h i l d ，i r ，o ns e m i ，t o s h i b a ，i n f i n e o n ， v i s h a y ，p h i l i p s ，h i t a c h i 等等。据报道，目目 f f v d m o s 半导体芯片的全球市场占有率超过3 0 ，市场 需求量达6 0 0 亿只以上，其世界市场约为二三十亿美元，而国内v d m o s9 0 以上依赖进口。新型电 力电子器件v d m o s 每年的需求量增幅更达2 5 。预计2 0 0 5 年，v d m o s 需求量将达到6 亿只。总之 v d m o s 对提高效率、节约能源、提升性能具有特殊的意义，应用前景广泛，是一项支持国民经济发 展的重要基础技术。 1 3 本文的主要内容与工作 基于v d m o s 在国际上研究越来越成熟，应用越来越广泛，而我国9 0 产品还需要进口的相对 落后现状，有必要对在v d m o s 设计和应用的基础性领域进行深入研究。本文在详细分析v d m o s 物理机理和特殊结构的基础上，研究和建立了两个在v d m o s 设计与应用中最重要的模型。一个是 v d m o s 导通电阻模型，导通电阻是衡量v d m o s 性能的重要指标，如何降低导通电阻是目前国际 研究的热点；另一个是v d m o ss p i c e 电路模型，为了适应电力电子设备与系统的设计人员对包含 有功率m o s f e t 的电力电子电路进行计算机辅助设计的需要，有必要建立准确而方便地模拟各种功 率m o s 器件特性的模型。由于本文模型基于v d m o s 物理结构，因此该模型不仅能应用在电力电 子电路韵c a d 设计之中，也能对器件进行结构优化。此外还分析了在设计和应用中需要重点考虑的 其他问题。本文各章主要内容如下： 第一章是绪论，总结了v d m o s 在低压大电流和高压大电流的研究进展与发展趋势，指出了导 通电阻是v d m o s 优化设计的关键，分析了v d m o s 的市场前景，阐明了v d m o s 导通电阻模型与 s p i c e 电路模型研究的迫切性。 第二章建立了一种新颖的v d m o s 导通电阻二维解析模型。从v d m o s 器件结构出发，提出了 一种建立导通电阻模型的新方法。本章最后对导通电阻模型进行了验证，并提出了利用本模型优化 设计v d m o s 的方法。 第三章建立了基于v d m o s 物理结构的s p i c e 模型，详细分析了v d m o s 的物理结构中各种寄 生效应对v d m o s 电学性能的影响，在此基础上建立了v d m o s 等效电路模型，并结合m e d i c i 软 件实现了模型参数的提取。本章建立的模型能进行直流分析和瞬态分析，并能准确反映准饱和现象。 第四章是对第二章与第三章中有关v d m o s 性能与设计论述的补充和完善，主要讨论了阈值电 压、外延层参数、安全工作区、温度特性、终端结构等重要特性和参数。 第五章对本文做了总结与展望。 东南大学硕士学位论文 第二章v d m o s 导通电阻模型 导通电阻是衡量v d m o s 性能的重要参数之一，是功率v d m o s 优化设计所需解决的一个核心 问题，降低导通电阻是现代v d m o s 研究的重点。对于功率器件而言，要获得最好的开关效率。必 须减小器件本身的功率损耗。通态时电阻上的功率损耗将影响器件的功率输出，为了在额定电流下 降低功率损耗，提高功率输出，希望器件的导通电阻越小越好。导通电阻主要由器件结构、元胞图 形、单胞密度、芯片面积等因素决定。由于v d m o s 各单胞之间是并联的，所以可以通过增大器件 面积，提高单胞数，来达到降低导通电阻的目的。但是这会增加器件的成本，因此在面积一定的条 件下，如何降低特征导通电阻，成为功率器件v d m o s 设计的关键。 由于导通电阻与v d m o s 物理结构密切相关，因此本章在v d m o s 器件结构的基础上，对导通 电阻模型进行了分析，建立了一种新颖的导通电阻模型，将该模型与数值模拟结果以及试验数据进 行相互验证和对比分析，发现具有良好的一致性。 2 i 引言 2 1 1v d m o s 基本结构与工作原理 垂直导电功率m o s 晶体管发展经历了三个阶段【1 1 ，根据其栅极结构的特点，分别是v 型槽 m o s ( v m o s ) ，垂直导电双扩散m o s 结构即v d m o s ，以及u 型槽m o s ( u m o s ) 。 v d m o s 结构如图2 。l ，其显著特点是源极与漏极分别做在芯片的两面，形成垂直导电通道， 多个单胞并联实现大功率。其工艺是在n + 衬底 b 2 ) 眩 因此利用2 1 2 式，2 1 1 式后半部分变形为 后一= ：g - r e o s t ? 班等蓐一( 蓐叫 = 舞一 网2 声一l j # j 把2 1 3 代入2 1 1 式，最终得到颈区电阻表达式为 马= 詈卜舞一 其中外延层电阻率p 由下式决定 ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) p 2 瓦丽1 呖 晓 其中( 。) 是随外延层掺杂浓度变化的外延层电子迁移率。式子如下埘 东南大学硕士学位论文 ( ) 2 篇裔+ 腧 ( 2 1 6 ) 上式中。和。分别为外延层电子迁移率的极限值，为参考浓度，旯为常熟 2 2 4 外延层漂移区电阻 由于半导体功率器件要求高的漏源击穿电压，尤其对于高压v d m o s ，外延层很厚，有几十甚 至上百微米，将使得外延层电阻占整个器件电阻的7 0 以上，因此对外延层电阻的精确建模具有重 要意义。 当电流流出颈区后，由于p 阱的隔离作用消失，因此电流的密度和方向会不断改变，电流呈现 二维分布效应。如前文所述，外延层电阻在导通电阻模型占有重要地位而且模型复杂，已有的导通 电阻模型对外延层建模采取了不同的方法，s c s u n 提出的外延层电流扩散角度与外延厚度和p 阱 间距有关：c h e n m i n gh u 的模型则把扩散角度简单的近似为4 5 。，从而把模型大为简化，但是丧失 精确度。由于它们各有优缺点，因此目前这两种模型均在国际上得到了广泛应用弛“”。图2 7 为两 种模型的比较，分别含有四部分电阻与总的特征导通电阻曲线，从图中可以看出两者主要区别在于 外延层电阻，外延层电阻变化的趋势严重影响总的导通电阻变化趋势。 一 、， 尊 雪 器 塞 栅极长度l g( 1 0 脚0 图2 - 7s c s u n 与c h e n m i n gh u 导通电阻模型的比较 s e o n g - d o n g k i m 的保角变换模型是三种模型中最为精确的模型，它考虑了p 阱间距，p 阱宽度 与外延层厚度对外延层电阻的影响。但是由于它需要用特殊的数学函数以及查表等，大大增加了模 型的复杂度，因此限制了这一模型的应用，而且模型没有明确的物理意义。本文将从器件的基本物 理原理出发，考察载流子运动规律，提出一种新方法来求解外延层电阻。本模型既不对扩散角度作 一个简单近似，也不运用保角变换这一数学手段，而是通过求解半导体器件基本方程泊松方程， 并结合器件结构与边界条件建立新的外延层模型。通过本文所建立模型，物理概念清晰，规避经验 参数，考虑了器件结构参数对导通电阻的影响，从而得出精确的v d m o s 外延层电阻求解方法。 如图2 - 5 所示，电子从颈区流向漏极的过程中会逐渐扩散开来，在颈区之下，衬底n + 之上，外 延层区域一般看作为一个矩形，把图2 - 6 的外延层区域重新画为标上坐标轴及边界条件的图2 - 8 。如 第二章v d m o s 导通电阻模型 衬底接触区。 图2 - 8外延层示意图 在整个区域内，器件满足泊松方程，并且在外延层区域载流子满足电中性条件，泊松方程可以 简化为拉普拉斯方程，如下式所示 v 2 地y ) = 挈+ 挈= o ； 一 ( 3 3 ) 通过上式可以计算v d m o s 的饱和电流，或由最大电流设计要求估计所需要之栅宽z 。但是当 有效漏电压超过数伏，沿沟道的电场超过1 0 4 v c m 时，电子迁移率会减小，直到在5 x1 0 4 v e m 的电 场下，电子的漂移速度达到9 x1 0 6 v e r a 的饱和值嘲。当沟道长度约为1 t m 时，在沟道电压大于1 v 的条件下上述的现象就会发生。一旦在沟道的漏端发生漂移速度饱和，漏极电流就与沟道电压无关 了，但仍与过驱动电压( 一) 成正比，如下式所示 1 厶( 埘) = 音乞( 一) z ( 3 4 ) 此时饱和的漏极电流曲线间隔均匀，跨导称为常数，跨导变为 岛= 三巳砜 ( 3 5 ) 而没有发生速度饱和效应之前，v d m o s 跨导与过驱动电压成正比 z ，t ，、 岛。心【y 一j 【3 6 j l 根据3 5 和3 6 式，希望将栅氧化层制作的尽可能薄，从而增大c k 以提高跨导。不过。它的氧 化层厚度不能太小，否则在一定的栅电压下，其中电场过高，发生击穿。一般氧化层加电压1 0 0 v ， 其厚度应大于0 1 5u m 。对于普通m o s f e t 而言，沟道长度上越小越好，现代c m o s 工艺已能做 到9 0 r i m ，然而对于v d m o s 而言，如果沟道长度太小，则加一定漏电压后沟道易被穿通或击穿，而 且双扩散工艺也不易控制很小的沟道长度，一般工艺所做到的沟道长度在1 2 m 。这些因素决定 了每单位栅宽的电流为1 a c m 数量级唧。由此可见，要增大器件的电流。一个方法是增大栅宽z ， 在一定面积下做到这点的办法就是n 条栅极并排：另一个办法是做成许多元胞并联。无论那种结构， 都要在工艺上保证成品率，否则一个单元的器件失效将使整个管子报废。 3 2 2 寄生结型场效应管j f e t 对于普通m o s f e t 而言，源极与漏极在同一个表面；对于v d m o s ，由于其耐高压的要求，因 此源极和漏极必须有一段距离，击穿电压越高，两者之间距离越大，如果把源极和漏极做在一个表 面，将在硅片表面占去很大的面积，因此通过在硅片背面淀积金属，把漏极做在硅片另一面，实现 垂直导电结构，将耐压的任务交给纵向，即由一定的外延层厚度来达到，这样将大大降低芯片的面 积，节约制造成本。当漏源电压很高时，外延层通过耗尽承受了高电压。当漏源电压较低即器件正 向导通时，外延层起了给电流提供通路的作用，此时的外延层本身表现为一个电阻，引起压降和功 耗。 尽管如此，因为栅极是横向结构，所以器件工作时，电子流经栅极下的沟道路径也是横向的， 但当电子流出沟道区，电子导通路径从横向朝纵向转变，并且由于p 阱之间距离有限，因此这样在 物理结构上导致电流在此形成一个“瓶颈”效应，p 阱之间距离越小，这种效应越明显。因此，可 以把这种效应等效于一个j f e t 晶体管。p 体区构成j f e t 的栅极，n 一漂移区构成j f e t 的漏极。如 图3 2 所示，当漏极电压升高或漏极电流变大时，p n 结反偏，p 体区对n 一漂移区的耗尽扩展影响了 电流通路，耗尽层展宽，j f e t 电流导通沟道变窄，相当于引起j f e t 的p i n c h i n go f f 效应。当p 体 区之间的距离越来越小时，寄生j f e t 将对v d m o s 性能产生重要影响。随着微电子工艺从微米向 兰三兰翌竺堕竺苎皇堕婴堡型 亚微米发展，v d m o s 单胞越来越密，p 体区之间的距离不可避免的减小。寄生j f e t 将增加颈区电 阻，同时将引起准饱和效应，限制了漏极的最大电流。 3 2 3 寄生三极管 图3 - 2显示出寄生j f e t 的v d m o s 剖面图 从v d m o s 的纵向结构剖面图中，如图3 1 所示，可以看到含有一个寄生双极性晶体管b j t ，它的 集电极、发射极同时也是v d m o s 的漏极和源极；还有一个p 体区等效电阻r b ，电阻一端为p + 接触区， 另一端为寄生b j t 的基极。当v d m o s 漏极存在高电压时，漏极的强电场引起电子沟道电流的雪崩式 倍增，出现大量的空穴电流，空穴电流流经r b ，由寄生晶体管的p 基区收集。随着空穴电流的增加， 导致寄生三极管基极电势升高，当升高到寄生三极管b j t 的导通电压时，寄生三极管b j t 导通，此时 寄生三极管的发射极和集电极间的电压随着三极管的导通将迅速减小，也i i p v d m o s 漏源极电压迅速下 降，使器件由高压小电流迅速过渡到低压大电流状态，从而发生雪崩击穿，出现所谓的“s n a p - b a c k ” 现象。 当v d m o s 发生雪崩击穿，寄生三极管被激活导通发生二次击穿时，v d m o s 也有急剧的发热现象。 在发生雪崩击穿时，器件温度与电流大小以及器件本身的性能有关。当器件发生雪崩击穿后，如果 投有适当的缓冲、抑制改善措旖，随着电压电流的增大，器件散热能力会越来越差，温度急剧升高， 会导致器件的损坏。寄生三极管还可能引起功率m o s f e t 单粒子烧毁( s 盼) 现象“”“，所谓单粒子烧 毁是指其内部寄生三极管在重离子电离径迹诱导下被打开而形成的局部雪崩击穿现象，这种效应严 重威胁航天和卫星电子系统的安全。 因此对v d m o s 的设计、制造就需要优化单元结构，改善v d m o s 的二次击穿效应。因此要改善二次 击穿效应，就应该减小v d m o s 的寄生双极晶体管的影响。传统结构中，如图3 3 ( a 1 所示，通过在p 体区 中深注入p + 离子，可以有效的抑致寄生三极管的电流增益b ，同样会降低基极电阻，使得p 体区的横 向电流大大减小，但是这种结构使得p 体区的结深变深，增加了导通电阻。图3 3 ( b 1 是一种改进结构， 通过浅注入p + 离子“，在减小电流增益和基极电阻的同时，没有消耗额外的外延层厚度。由于通 过p + 离子注入，寄生三极管效应被抑止，而且这种方法在v d m o s 商业制造中已经得到了大量应用，寄 生三极管引起的二次击穿得到有效抑制，因此本模型中将不考虑寄生三极管。 东南大学硕士学位论文 。土 隰黼荔删 l 罗过 - t t “ - 一一： 鼷鬻雾粼 邕乡巡兰 l 矿 l = 二一： 图3 - 3 ( a ) 深p + 离子注入( b ) 浅p 十离子注入 3 2 4 寄生二极管 由于v d m o s 便用源极短路结构，即n + 源区与p 体区短路，因此就由体区p 阱和外延层n 一漂 移区构成了寄生二极管，它与m o s 管反并联。这个二极管