（材料物理与化学专业论文）功率vdmos器件结构与优化设计研究.pdf

摘要 摘要 v d m o s 是微电子技术和电力电子技术融和起来的新一代功率半导体器件。它 与早期的m o s 管不同，结构上采取了许多改进，因而具有开关速度快、输入阻抗 高、负温度系数、低驱动功率、制造工艺简单等一系列优点，在电力电子领域得 到了广泛的应用。目前，国际上已形成规模化生产，而我国在v d m o s 设计领域 则处于起步阶段，因此对v d m o s 器件的物理特性及电学特性的研究与建模有着 重要实际意义。 本文设计了击穿电压分别为6 0 v 、1 0 0 v 、5 0 0 v 时的v d m o s 分立器件。首先 阐述了v d m o s 器件的基本结构和工作原理，描述和分析了器件设计中各种电性 能参数和结构参数之间的关系。通过理论上的经典公式来确定v d m o s 的外延参 数、单胞尺寸和单胞数量、终端等纵向和横向结构参数的理想值。然后采用i s e 软件对器件特性进行模拟和验证，通过对器件耐压、阈值电压与导通电阻的模拟 来对前面计算得到的各个器件参数进行优化，从而得到设计的最优值。接下来根 据结构参数，利用l e d i t 版图绘制软件分别完成了能够用于实际生产的6 0 v 、1 0 0 v 、 5 0 0 vv d m o s 器件的版图设计。在此基础之上确定了器件的制作工艺流程，并对 工艺流水中出现的问题进行了分析。最后，总结全文，提出下一步研究工作的方 向。 关键词：v i ) m o s 击穿电压导通电阻版图 a b s t r a c t a b s t r a c t v d m o si s an e w g e n e r a t i o n o f p o w e r s e m i c o n d u c t o rd e v i c e s ，t h e m i c r o e l e c t r o n i c sa n dp o w e re l e c t r o n i c st e c h n o l o g yi n t e g r a t i o nt o g e t h e r i ti sd i f f e r e n t f r o mt h ee a r l i e ro ft h em o st u b e ，t h es t r u c t u r eh a sb e e na d o p t e dan u m b e ro f i m p r o v e m e n t s i th a v eas e r i e so fa d v a n t a g e s ，s u c ha s ，s w i t c h i n gs p e e d ，h i g hi n p u t i m p e d a n c e ，n e g a t i v et e m p e r a t u r ec o e f f i c i e n t ，l o wd r i v ep o w e r , m a n u f a c t u r i n gp r o c e s si s s i m p l ea n ds oo n , w h i c hh a sb e e nw i d e l ya p p l i e di nt h ef i e l do fp o w e re l e c t r o n i c s a t p r e s e n t ，i th a sb e e nf o r m e dal a r g e s c a l ep r o d u c t i o ni nt h e i n t e r n a t i o n a lc o m m u n i t y , w h i l ei nc h i n at h ev d m o s d e s i g ni sa tt h ei n i t i a ls t a g e t h e r e f o r e ，i ti sv e r yi m p o r t a n t t 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 a r a c t e r i s t i co f v d m o s i nt h i sa r t i c l e ，t h eb r e a k d o w nv o l t a g eo f6 0 v10 0 va n d5 0 0 vo ft h ev d m o s d i s c r e t ed e v i c e sa r ed e s i g n e ds e p a r a t e l y a tf i r s t ，t h eb a s i cs t r u c t u r ea n dw o r k i n g p r i n c i p l e o fv d m o sd e v i c ea r ed e s c r i b e d av 撕e 够o fe l e c t r i c a lp e r f o r m a n c e p a r a m e t e r sa n ds t r u c t u r a lp a r a m e t e r so ft h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n t h e mo ft h ed e v i c ei s d e s c r i b e da n da n a l y z e d t h ev d m o se x t e n s i o np a r a m e t e r s ，u n i te e l l s i z ea n dt h e n u m b e ro fs i n g l ec e l l ，t e r m i n a l ss t r u c t u r ea n do t h e rp a r a m e t e r so fv e r t i c a la n dh o r i z o n t a l o ft h e i d e a lv a l u ea r ed e t e r m i n e db yt h e c l a s s i cf o r m u l af o rt h e o r e t i c a l t h e ni s e s o f t w a r ei su s e dt os i m u l a t ea n dv a l i d a t et h ed e v i c ec h a r a c t e r i s t i c s t h r o u g ht h e s i m u l a t i o no ft h ed e v i c ev o l t a g e ，t h r e s h o l dv o l t a g ea n dt h er e s i s t a n c et oo p t i m i z et h e v a l u e sg o tb ya p p r o x i m a t ec a l c u l a t i o n n e x t ，a c c o r d i n gt os t r u c t u r a lp a r a m e t e r s ，t h e d e v i c el a y o u to f6 0 v10 0 va n d5 0 0 vv d m o st h a tc a nb eu s e df o ra c t u a lp r o d u c t i o n a r ec o m p l e t e db yt h el e d i tl a y o u td r a w i n gs o f t w a r e o nt h i sb a s i s ，t h ep r o d u c t i o n p r o c e s so ft h ed e v i c ei sd e t e r m i n e d ，a n dt h ep r o b l e m si nt h et e c h n o l o g yp i p e l i n ea r e a n a l y z e d f i n a l l y , t h es u m m a r yo fw h o l ed i s s e r t a t i o ni sp r e s e n t e da n dt h ei s s u e st ob e s t u d i e df u r t h e ra r ea l s op r o p o s e d 。 k e yw o r d s ：v d m o sb r e a k d o w n - v o l t a g e o n - r e s i s t a n c e l a y o u t 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，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做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名： 兰盔 日期兰翌& ：至：仝 西安电子科技大学 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。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。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再攥写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 日期 型尘：至：2 日期上巫粤 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景 电力电子系统是空间电子系统和核电子系统的心脏，功率电子技术是所有电 力电子系统的基础。v d m o s f e t 是功率电子系统的重要元器件，它为电子设备提 供所需形式的电源以及为电机设备提供驱动。几乎大部分电子设备和电机设备都 需用到功率v d m o s 器件【l 2 1 。v d m o s 器件具有不能被横向导电器件所替代的优 良性能，包括高耐压、低导通电阻、大功率和可靠性等。 半导体功率器件是电力电子系统进行能量控制和转换的基本电子元器件，也 称为电力电子开关器件。它是用来进行高效电能形态变换、功率控制与处理，以 及实现能量调节的新技术核心器件。电力电子技术的不断发展为半导体功率器件 开拓了广泛的应用领域，而半导体功率器件的可控制特性决定了电力电子系统的 效率、体积和重量。实践证明，半导体功率器件的发展是电力电子系统技术更新 的关键。通常，半导体功率器件是一种三端子器件，通过施加于控制端子上的控 制信号，控制另两个端子处于电压阻断( 器件截至) 或电流导通( 器件导通) 状 态。2 0 世纪5 0 年代初，世界上第一只可控性半导体器件双极结型晶体管( b j t ) 诞生，从那时起，b j t 开始广泛应用于各类电子系统中，并促使人类真正进入大功 率电能转换的时代。 实际上大容量电功率概念与半导体器件技术相结合的研究开发从5 0 年代就已 经开始。1 9 5 8 年世界上第一只晶闸管( 早期称为可控硅整流管，3 0 0 v 2 5 a ) 研制 成功，使半导体技术在工业领域的应用发生了革命性的变化，有力的推动了大功 率( 高电压、大电流) 电子器件多样化应用的进程。在随后的二十多年里，功率 半导体器件在技术性能和应用类型方面又有了突飞猛进的发展，先后分化并制造 出功率逆导晶闸管、三端双向晶闸管和可关断晶闸管等。在此基础上为增强功率 器件的可控性，还研制出双极型大功率晶体管，开关速度更高的单极m o s 场效应 晶体管和复合型高速、低功耗绝缘栅双极晶体管，从此功率半导体器件跨入了全 控开关器件的新时代。进入9 0 年代，单个器件的容量明显增大，控制功能更加灵 活，价格显著降低，派生的新型器件不断涌现，功率全控开关器件模块化和智能 化集成电路已经形成，产品性能和技术参数正不断改进和完善。电力电子技术的 不断发展及广泛应用将反过来又促进现代功率半导体器件制造技术的成熟与发 展。 2 0 世纪7 0 年代末，随着m o s 集成电路的发展，诞生了m o s 型半导体功率 2 功率v d m o s 器件结构与优化设计研究 器件1 3 叫。m o s f e t 不仅是微电子学的重要器件，有趣的是，它也是重要的功率半 导体器件。作为功率器件，其发展过程基本上是在保留和发挥m o s 器件本身特点 的基础上，努力提高功率( 即增大器件工作电压和电流) 的过程。功率m o s 是电 压控制型器件，通过栅极电压控制器件的关断或开通，与b j t 等双极型器件相比， 极大地简化了输入驱动线路，同时更容易实现电力电子系统的集成化。而且，对 于击穿电压小于2 0 0 v 的器件，可以通过增大单位面积的沟道宽度使导通电阻和开 通损耗降到最小，此外，功率m o s 还具有更高的开关速度和更宽的安全工作区 ( s o a ) ，这使得功率m o s 在低压、高频系统中得到了广泛的应用。但是，由于 没有类似双极器件少子注入产生的电导调制效应，随着器件击穿电压增大( 大于 2 0 0 v ) ，其导通电阻急剧增大，极大地限制了功率m o s 击穿电压的提高，也限制 了它在高压系统的使用。 功率m o s f e t 工艺水平的提高和额定电压、电流指标的增大，标志着电力电 子向着大容量、高频率、快响应、低损耗方向发展。理论分析和实验研究表明， 电器产品的体积与重量的缩小与供电频率的平方根成反比，故电力电子器件的高 频化始终是技术发展的主导方向。器件工作频率的提高，可使电气设备在制造中 节省材料，在运行时节省能源，设备的系统性能也大为改善，尤其是国防及航天 工业具有十分深远的意义。进入2 0 世纪9 0 年代，电力电子器件则朝着产品标准 化、结构模块化、功能复合化、功率集成化、性能智能化的方向发展。目前，先 进的模块已经包括开关元件和反向续流二极管及驱动保护电路等多个单元，并已 实现产品标准化和系列化，在电性能一致性与可靠性上也达到了极高的水平。 1 2 v d m o s 器件的结构和基本工作原理 1 2 1v d m o s 器件的结构特点 新一代功率半导体器件v d m o s ( v e r t i c a ld o u b l ed i f f u s e dm o s ) 即垂直导电双 扩散m o s 作为第三代电力电子产品，由于是多子器件，具有m o s 器件的一切优 点，如：开关速度快、驱动功率小。v d m o s 采用自对准工艺，大大提高了单位面 积中元胞的数量，并且并联的元胞具有负的温度系数，有利于大电流和更宽的安 全工作区的实现p 】。此外，与一般m o s 相比v d m o s 具有更短的沟道，线性好， 实用性强。 功率m o s f e t 的发展主要是从增大器件电流电压、提高器件耐压和工作频率 三方面来进行。增大器件电流电压主要是减小导通电阻尺伽；提高器件耐压除选取 合理的高阻漂移区以外，在结构上还要增加沟道长度三，否则沟道容易穿通。由晶 第一章绪论 3 体管原理可知，该器件的漏极电流历与沟道的宽长比( z l ) 成正比，即 i o z l ( 1 ) 增加沟道长度会使器件工作电流变小，所以设计器件时必须根据要求综合考 虑工作电流和耐压两方面的因素。 一般工艺所做的沟道长度为2 1 , t m 左右，这些因素决定了单位栅宽的的电流为 1 a t t m 的数量级。由此可见要增加器件允许工作电流，一个办法是增加栅宽z ，即 在一定的面积下把栅做成n 条并联的叉指结构，这样电流可增加至2 n 倍；另一个 方法就是做成许多元胞并联的元胞结构，p 阱可以做成正方形或六边形。无论哪种 结构都要在工艺上保证成品率，否则一个单元失效整个管芯报废。 图1 1 是v d m o s 的横纵结构图。一般v d m o s 的耐压主要是由高阻漂移区 来承担，为了保证表面不被击穿，在所有单元的最外圈要采用一定的终端保护技 术，如：场板、场限环、等位环等。 图1 1v d m o s 元胞的横纵结构 v d m o s 的制造是利用双重扩散( 或双重离子注入) 技术形成沟道，栅极用多 晶硅制成，埋在源极金属下面，中间隔以氧化层，有源区沟道在表面，电子经过 此沟道的n 。表面再分散向下流动。 1 2 2v d m o s 器件的工作原理 v d m o s 的单胞基本结构如图1 2 所示，图中所示的g ，s 和d 分别为m o s 器件的栅，源和漏极。与通常的m o s 器件不同，v d m o s 的电流在漏极方向垂直 流过。v d m o s 器件通过一定数量的单胞并联来实现芯片的整体性能，其单胞形状 有正方形、六角形、条形等。它是在高阻外延层上采用平面自对准双扩散工艺， 利用两次扩散结深差，在水平方向形成m o s 结构的多子导电沟道。这种结构可以 实现较短的沟道，并且由于具有纵向漏极，可以提高漏源之间的击穿电压。设计 中的关键参数指标有漏极电流、阈值电压、导通电阻、漏源击穿电压、寄生电容 等。击穿电压表明器件工作在关态时的最大耐压，导通电阻关系到器件的驱动能 4 功率v d m o s 器件结构与优化设计研究 力，寄生电容会影响器件的开关特性。 s gs _ _ _ _ l 。 f 心姒p ；人拶心姒譬挺 n 。 n 斗 d 图1 2v d m o s 纵向剖面图 从上图这个典型的v d m o s 单元结构中可以看出，通过多单元并联方法达到 增大导通电流的目的。上面的n 十为源区，与p + 区相连接，n 外延层为漂移区；下 面的一为漏区，p 型沟道区通过双扩散工艺形成，其宽度通过工艺条件调节。当栅 极加电压时，p 区形成横向沟道，电流向下通过漂移区到达漏区。 在图1 2 这个由两个元胞组成的v d m o s 的剖面结构图中，由图可知沟道是通过 硼磷两次扩散在水平方向形成的 6 1 。真正的v d m o s 是由许多单元图形并联而成的 集成器件，硅栅网格将各单元的栅极相连，底部作为公用的漏极。当栅源电压 大于器件的阈值电压环时，在栅下的p 区形成强反型层即为电子沟道，那么在漏源 电压。的作用下n + 源区的电子通过反型层沟道，经由高阻漂移区至衬底漏极形成 漏源电流。当小于阈值电压巧时，栅下不能形成反型层沟道，漏源之间是由反 偏p n 结所组成，由于漂移区的浓度较低则耗尽层主要向漂移区一侧扩展，这样就 可以维持较高的击穿电压。v d m o s 结构中短的沟道以及足够厚的漂移区相结合 是获得大电流、高频率响应以及高耐压的保障。 双扩散工艺的发明孕育了v d m o s 的诞生，但因受当时工艺条件的限制都采用 铝栅工艺，后来发展成为硅栅工艺，元胞图形也进一步优化，其中，多晶硅栅被 埋藏在源极金属的下面，源极电流流过水平沟道，经过栅极下面的积累层再穿过 纵向r l - 漂移区流到漏极。这种结构的功率m o s ，在工艺上与先进的超大规模集成电 路( v l s i ) 工艺相兼容，因此发展很快。 1 3 v d m o s 器件发展历程 功率d m o s 器件的发展过程基本上是在保留和发展早期m o s f e t 本身优点的 基础上努力提高功率( 增大器件工作电压和电流) 和频率( 缩短沟道长度) 。通 第一章绪论 常所说的d m o s f e t 主要指的是l d m o s f e t 和v d m o s f e t ，它们统称d m o s f e t ， 又统称之为功率m o s f e t 。 g 图1 3l d m o s 结构示意图 l d m o s ( l a t e r a ld o u b l ed 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 rf i e l de f f e c t t r a n s i s t o r ) 横向双扩散金属一氧化物场效应晶体管最早是在1 9 6 9 年由y t a r u i 等人 提出的【。7 1 ，它的典型结构如图1 3 所示，它是在保持普通m o s f e t 优点的基础上， 通过横向双扩散技术形成沟道区，并在漏极和沟道之间引入漂移区。漂移区可以 采用外延工艺，也可以采用离子注入。 虽然l d m o s 较好地解决了提高耐压和增大电流之间的矛盾，但是管芯占据的 硅片面积太大。硅片表面利用率不高，器件的频率特性也受影响【7 1 。之后，s i l i c o n i x 和i r ( i n t e m a t i o n a l r e c t i f i e r ) 推出了垂直功率m o s ( v v m o s ) 较好地解决了这个问题。 其结构如图1 4 所示。 图1 4 垂直功率m o s ( v v m o s ) 结构示意图 图1 5v u m o s 结构示意图 比较图1 3 和图1 4 可知，垂直m o s 与横向m o s 的最大区别是将漏区、漂移 区和沟道区从硅片表面分别转移到硅片底部和体内，而且相应每个v 形槽有两条 沟道，所以管芯所占用硅片面积大大地缩小。这不仅极大地提高了硅片表面地利 用率，而且器件的频率特性也得到了很大的改善，使功率器件向大功率领域迈进 6 功率v d m o s 器件结构与优化设计研究 的过程中前进了一大步。 但v v m o s 结构( 如图1 4 ) 存在如下缺点：一、在v 型槽顶端存在很强的电场， 这会严重影响器件击穿电压的提高；二、器件的导通电阻较大；三、v 槽的腐蚀 不太容易控制，且栅氧化层暴露，易受离子沾污，造成阈值电压不稳，可靠性下 降。为了克服这个缺点，后来v a k t e m p l e 等人提出了如图1 5 所示垂直的u 型槽 结构( 习惯v u m o s ) t 7 1 。这里的u 型槽是通过控制腐蚀v 槽的两个斜面刚进入漂移 区但未相交时停止腐蚀得到的，当这种结构的栅上施加正偏压时，不仅在p 型沟 道区会形成反型层，而且在栅极覆盖的n 。漂移区中还会产生积累层。 源极电流经过反型层流入该积累层，然后积累层将电流如图1 5 中虚线所示那 样分配到漏极。选取栅极覆盖的漂移区宽度，可使器件的导通电阻大大减小，同 时也避免了v 槽顶端的强电场出现。然而u 槽的腐蚀同v 型槽一样难于控制，栅 氧化层也一样暴露。因此，1 9 7 9 年h w c o l l i n s 等人【8 j 提出了一种不需要腐蚀v 槽 或u 槽并且不暴露栅氧化层的垂直双扩散m o s ( 习称v d m o s ) ，其结构如图1 6 所 示。其中多晶硅栅被埋藏在源极金属的下面，源极电流穿过水平沟道，经过栅极 下面的积累层再经过垂直n 。漂移区流到漏级。 唑拶f ”掣圳 ，、 悼瀑移区 。一一一 n + 罱( d ) 图1 6 垂直双扩散m o s ( v d m o s ) 结构示意图 而v d m o s 是采用自对准双扩散工艺，以多晶硅栅作为掩膜，采用两次扩散 的横向扩散差形成导电沟道。v d m o s 较好的克服了w m o s 和v u m o s 的缺点， 使器件耐压水平、可靠性和制作工艺前进了一大步，但其导通电阻仍然很高。要 降低导通电阻，就要减小图中n 。漂移区的厚度和电阻率，然而这又会使器件的耐 压降低。导通电阻和耐压之间的相互矛盾成为半导体器件进一步发展的主要矛盾。 v d m o s f e t 是在1 9 7 9 年才由h w c o l l i n s 等人提出，但其发展极为迅速。 l d m o s 最初是应用在微波放大器、高压开关以及混频器、自动增益控制器和高速 逻辑电路等方面。v d m o s 器件一开始就显示出大功率的优势，这归因于v d m o s 的芯片表面只有源、栅电极，漏极在背面，而不像l d m o s 的源栅漏电极均在表 面，因此和l d m o s 相比，其芯片有效面积利用率高。v d m o s 的导电方向是它有 别于l d m o s 的一个最显著特点，一方面，由于源极和漏极分别做在芯片的两个 第一章绪论 7 面上，使器件的面积大大降低；另一方面，由于电流的导通方向发生了9 0 度的弯 曲，所以必然会对器件的工作状态产生一系列的影响。 从8 0 年代后期至9 0 年代初期，高频v d m o s f e t 主要向微波大功率方向发展， 采用优化设计技术和离子注入自对准双扩散工艺技术实现了l p r n 的沟道长度，使 v d m o s 工作频率达到了l 波段，如1 9 8 7 年m a c o m p h i 公司为美国海军实验 室研制的用于替代t p s 5 9 相控阵雷达上双极型微波功率管的l 波段v d m o s f e t ， 其性能为1 2 1 4 g h z ，脉宽2 m s ，占空比2 0 条件下，输出功率1 6 w ，增益8 d b ， 漏极效率5 5 ，v s w r 为8 6 ：1 。在微波频段限制v d m o s 性能的主要因素是栅电 阻和导通电阻，采用难熔金属或硅化物栅可大大减少栅r c 时间常数。 1 4v d m o s 器件的主要应用领域及发展趋势 半导体功率器件及其制造工艺的技术创新，已成为世界各国工业控制自动化 和机电一体化领域竞争的最激烈的阵地之一。各发达国家均在这一领域投入极大 的人力、物力和财力，力争赶超该领域技术发展的最前沿。就电力电子技术的理 论研究而言，目前，德国、日本、美国、法国、荷兰等可以说齐头并进。在这些 国家，各种先进的电力电子功率变换装置不断开发和完善，促进电力电子技术向 着更高技术迈进，实现用电设备的高效节能，为真正的实现工控设备的、轻量化、 智能化奠定了重要的技术基础【8 j 。 我国研究开发电力电子器件的综合技术能力与国外发达国家相比，仍有较大 的差距。进入2 0 世纪9 0 年代以来，国内各行业技术的发展，对电力电子及工业 自动化产品提出了日益紧迫的需求，预测国内市场年需求量以1 0 0 o - 2 0 的速度递 增，估计整机年市场需求量超过数百亿元人民币。随着我国政府对各行业节能降 耗、绿色环保的高度重视及民众呼声的高涨，国内各大工业体系必将进行大规模 的的技术改造，各行各业为了降低产品综合成本，不断改进设备和工艺也是势在 必行，因此，电力电子产品将长期持续发展以适应客观需求。而移动通信从2 g 到 3 gc d m a 的改造中，对通信用开关电源的需求量也将增加几倍，另外，汽车电子、 i t 行业和家用电器领域也蕴藏着一个巨大的市场需求。 从实际的发展情况看，近年来，国内成套装置的发展突飞猛进。u p s 、开关电 源、变频器、通信电源、家用电器、电机调速等这些国内市场兴旺、利润率高的 产品开拓了我国功率器件的巨大应用市场，也使我国研制和开发具有自主知识产 权的功率器件显得更加紧迫。 功率半导体器件技术的进步是与工业市场的需求密不可分的。虽然不同的应 用系统和电气设备对功率器件的要求不尽相同，但从利用电力电子技术促进节能 和提高电能转换效率，免除换流电路系统复杂设计过程等社会效益和经济效益考 8 功率v d m o s 器件结构与优化设计研究 虑，功率半导体器件技术正向着大容量、高开关速度、高集成度和低价格方向迅 猛发展，主要发展趋势是： ( 1 ) 高额定电压、大电流、低损耗和高速开关的全控器件 提高功率器件的开关工作频率对于降低工作环境的噪声，减小和减轻器件的 体积与重量，增强控制精度以及改善变换性能是十分显著的。由于半导体器件结 构和特性等因素的影响，提高功率器件的开关工作频率在器件的类型上正从晶闸 管向双极晶体管方面转变。晶闸管工作频率通常在0 l k h z 范围内( 实际上主要用 于工频条件) ，对应人类的听觉有最大噪声感受度。随着功率器件半导体物理结构 设计和制造技术的进步，目前，大功率晶体管的最高工作频率已达到5 k h z ，m o s 双极晶体管的工作频率已达到1 0 5 0 k h z ，其中i g b t 工作频率范围很宽，可达 2 0 k h z 左右，而m o s f e t 的工作频率甚至接近于1 0 0 k h z 以上。许多制造厂家都 把进一步提高功率器件的开关工频率作为重要的改进方向。因此可以说，无论从 器件的功率容量或开关工作频率等技术参数上，m o s 器件都将取代b j t 。 ( 2 ) 功率器件的智能模块化和系统模块化 功率半导体器件技术发展的另一个重要方面是功率器件的智能模块化和系统 模块化。除了上述提到的大容量、低噪声、高集成度和小型化等外，从实际应用 角度考虑，还希望功率器件高效低损耗，有较大的安全工作区，坚固耐用，便于 稳定控制，并且易于进行复杂换流电路系统设计和实际使用。随着功率半导体构 造技术和工艺制造技术的发展，9 0 年代利用新兴芯片和优化集成电路，并通过封 装新技术将器件驱动功能、信号传感、自保护和自诊断功能( 过电流及掉负载保 护、过热保护、短路保护和控制电源欠电压闭锁保护等) 与功率器件或开关主电 路集成一体，生产出智能功率模块( i p m ) 。与一般功率模块相比，抗干扰性能进 一步改善，器件功耗减少了2 0 - - 3 0 ，应用电路设计工作量节省约5 0 ，功率器 件的可靠性大大提高，加快了在各个领域的推广应用。 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使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，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 ) 亿元。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 。电子镇流器的主体是一对用作振荡的功率管，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 还处在研发阶段。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代替，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。 第一章绪论 9 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 c r h i l d ， i r ，o n s e m i ，t o s h i b a ，i n f i n e o n ，v i h s y a ，p h l i i p s ，h i t a c h i 等等。据报道，目前 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 每年的需求量增幅达2 5 。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【舯。 本文主要研究低压大电流v d m o s 晶体管的设计。1 9 7 9 年出现的功率v d m o s 垂直导电双扩散晶体管，是以现代大规模集成电路工艺技术为基础的新型场效应 功率器件，它是功率器件的主流产品。8 0 年代以后，在v d m o s 的基础上又陆续 发明了i g b t 、f c t 、m c t 等新型功率器件。v d m o s 是这类m o s 器件中最基础、 最重要的器件。目前，它在功率器件市场中的份额已达4 2 ，并将持续上升。 v d m o s 功率场效应晶体管具有许多双极型功率器件和普通m o s 器件所无法比拟 的优点和特性，使其在大功率开关、功率放大器等领域中的应用日益广泛。其主 要应用领域有：开关稳压电源和充电器、电子节能灯、功率模块、马达控制和驱 动、d c d c 变换器、固态继电器、变频调速器等。 1 5 本文工作及内容安排 本课题研究的主要目的是参考国内外相关研究，根据v d m o s 器件的特点与 实验研究结果，使用二维器件仿真软件i s et c a d ，建立v d m o s 的物理模型；通 过调整各个部分的结构和浓度掺杂，以及大量的模拟实验，使器件的各个参数和 结构得到优化，并且进行分类研究。 为此，本文分为五章对研究内容进行论述，各章内容安排具体如下： 第一章：绪论。就本课题相关研究背景及国内外研究动态进行了论述，描述 本文所做的工作。 第二章：v d m o s 器件的理论模型和设计方法。主要介绍了v d m o s 的基本 结构、工作原理、主要参数指标及设计方法。 第三章：v d m o s 器件结构的设计和模拟。对第二章中有关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。 第四章：v d m o s 版图和工艺设计。分别对耐压6 0 v 、1 0 0 v 、5 0 0 v 的v d m o s 器件进行了终端结构和整体版图的设计。绘制器件版图，列出了v d m o s 器件制 造的部分工艺流程，对测试方案进行了初步探讨。 l o 功率v d m o s 器件结构与优化设计研究 第五章：结束语。对本论文的工作进行总结。 本文的主要工作是分别设计耐压为6 0 v 、1 0 0 v 、5 0 0 v 的v d m o s 分立器件。 在器件结构参数的设计上主要分为元胞部分( c e l l ) 和终端部分( r i n g ) 。作 为功率m o s f e t 来说，有两项参数是最重要的。一个是r 册，即通态时的漏源导 通电阻。另一个是b ，即v d m o s 的耐压。r 鲫和b 是一对相互矛盾的参数， 意味着在设计上为了提高v d m o s 器件的耐压，必然会使r 册增加。设计r i n g 终 端需要十分合理，否则会出现器件的s o f tb r e a k d o w n ( 软击穿) 、耐压过低、漏电流 超过额定范围要求等等问题。通过在理论上的计算得出理想近似值，再通过 t s u p r e m 4 软件模拟器件的工艺，m e d i c 模拟器件的特性，对器件的结构参数进行 优化。 在完成器件的结构参数的确定后，对版图进行合理的优化设计，并设计出一 个合理的工艺流程。进行工程批量的流水生产后送封装测试，根据测试的结果验 证器件的设计。 第二章v d m o s 器件的物理模型和设计方法 第二章v d m o s 器件的理论模型和设计方法 功率v d m o s f e t 器件是采用大规模集成电路精细工艺制造的分立器件， v d m o s e f t 是v e r t i c a ld o u b l e d i f f u s e dm o s f e t 的缩写，即纵向双扩散m o s 场 效应晶体管。由于在其制造工艺中引入了独特的“自对准双扩散”技术，以难熔材料 多晶硅作为掩膜，用多晶硅栅的边缘定义p 基区和盯源区，利用两次扩散的横向 扩散差来形成表面沟道区域。这种技术的特点是可以精确控制沟道长度，不受光 刻条件的限制，这样也大大提高了单位面积中元胞的密度，使得大电流性能得以 实现。又因为当m o s 管导通时，电流是纵向流过芯片的，所以称为纵向双扩散 m o s 场效应晶体管。 2 。1v d m o s 器件基本结构 v d m o s ( v e r t i c a ld o u b l e d i f f u s e dm o s ) 是国际上八十年代起迅速发展的、将微 电子技术和电力电子技术融合起来的新一代功率集成化半导体器件之一，是在 m o s 集成电路工艺基础上发展起来的新一代开关器件。它是电力电子由低频走向 高频、实现功率变频突破性的关键基础性产品，广泛应用于节能灯高频电子镇流 器、开关电源、不间断电源、高功率放大电路、高保真音响电路、射频功放电路、 电力转换电路、电动机变频调速、电机驱动、固体继电器、机电一体化、汽车电 子等领域。另外，大功率m o s f e e t 器件还可用于其它开关电源，弧焊机电源、 电机调速、交通机械、照明设备等【9 j 。 在v d m o s 的制造过程中采用“自对准”双扩散工艺，它的主要目的是为了克 服短沟道与穿通电压的矛盾。减小沟道长度是获得大跨导及高频率特性的重要途 径，但在传统m o s 结构中，若沟道太小，当漏源电压较大时，在达到结的雪崩击 穿电压之前，漏源之间己经穿通，为了获得较高的击穿电压就必须加大漏源结间 的距离，而这就使器件跨导变小，频率特性降低。采用双扩散工艺克服了这一矛 盾，在外延层( n 。) 上进行p 区和套r 区双重扩散形成长度为l 的沟道区( 如图2 1 所 示) 。漏区与沟道之间存在着n 。外延层，它使p n 结的耗尽区主要向n 区一侧扩展， 从而有效地阻止了穿通效应的发生。外延层厚度可做得足够大，以达到击穿电压 的要求。 v d m o s 器件结构如图示，漏极布置到与源极、栅极相反的另一表面。采用多 元胞并联以增大导通电流。设置了高阻厚n 外延层( 以n 沟道器件说明，p 沟道类 似) ，引入体p n 结提高击穿电压。为避免高电压下的表面击穿，又引入了场板、 1 2 功率v d m o s 器件结构与优化设计研究 场限环等终端结构。 图2 1 功率v d m o s 示意图j 栅极为零偏压时无沟道形成，漏源之间的电压加在反偏p n 结上，器件处于阻 断状态。当栅极电压超过阈值电压k 时，p b a s e 中形成沟道，器件处于导通状态。 功率m o s 场效应晶体管是多子器件，不存在少子注入效应，在高频应用领域明显 优于双极晶体管。此外它与双极功率器件相比具有诸多优良性能，以下分别阐述 【l o - 1 2 】： 1 高输入阻抗、低驱动电流 v d m o s 器件为电压控制，具有很高的输入阻抗，驱动电流在数百纳安数量级。 输出电流可达数十或数百安，直流电流放大系数高达1 0 8 1 0 9 ，v d m o s 管的这一 优点给电路设计带来极大的方便。 2 开关速度快、高频特性好 v d m o s 管是靠多数载流子导电的多子器件，没有少子贮存延时效应，v d m o s 的载流子是电场控制的，开关时间基本上决定于寄生电容和寄生电感，不像双极 型晶体管那样，存在着有源区少子的注入和抽取现象。所以v d m o s 管的开关速 度远大于双极型管。v d m o s 管的载流子运动是快速的漂移运动，因而具有良好的 高频特性。 3 负电流温度系数、热稳定性优良 v d m o s 管的沟道电阻具有正的温度系数，器件电流具有负的温度系数，因而 v d m o s 器件具有良好的电流自动调节能力，图2 2 给出漏极电流i d 与温度t 的关 系。此外，该器件具有均匀温度分布的能力，不会形成局部热斑，因而可以避免 热电恶循环。 第二章v d m o s 器件的物理模型和设计方法 4 安全工作区域宽、有效避免二次击穿 t ( ) 8 l i ( v ) 图2 2 电流负温度系数图2 3v d m o s 的安全工作区 由于v d m o s 器件电流的温度系数为负值( 图2 2 ) ，不存在局部热点和电流 集中问题，只要合理设计器件，可以从根本上避免二次击穿。v d m o s 管的安全工 作区如图2 3 所示，它比双极型管的宽。 5 高度线性的跨导，输出阻抗高放大失真小 图2 4 功率v d m o s 的i v 特性 功率v d m o s 的i v 特性如图2 4 所示，功率v d m o s 的在饱和区，厶随比 是线性增加的，这时跨导是常数。这是因为，功率v d m o s 的沟道很短，极易发 生漂移速度饱和，此时漏极电流就与沟道两端的压降无关，但仍与反型沟道中的 电荷密度成正比。图中还可以看出，功率v d m o s 在饱和区输出特性曲线很平， 即输出阻抗很高，远大于一般m o s f e t 。这是因为对有源区起有效漏电压作用的 本身远小于漏电压场，当变化时，由于p 阱对电场有一定的屏蔽作用，p 区的表面的边界上电位变化甚小。再者，这时沟道区电子本身速度是饱和的， 随的变化又极小，因此，电流几乎与值无关，即沟道长度调制效应不明显。 1 4 功率v d m o s 器件结构与优化设计研究 2 2v d m o s 工作原理 在v d m o s 结构中，当栅极与源极短接后( = o ) ，加一正偏漏源电压，p 型 基区与n 型漂移区之间的p h i 结反偏，由于p 基区具有较高的掺杂浓度，耗尽层 主要向n 型漂移区扩展。由于栅极电压为零，沟道表面未形成反型层，无源漏电 流，器件处于截止区；当栅极加一正向偏压( v o s o ) 时，沟道区形成反形层，沟道 导通形成源漏电流，器件处于线性区。线性区输出特性曲线的斜率即为器件的导 通电阻。在低源漏电压下，电流主要受开态导通电阻的限制，随着栅压的增加， 沟道电阻减小，直至达到一个常量。导通电阻是功率器件的一个重要参数，他描 述了器件的电流驱动能力f 1 3 d 4 1 。随着源漏电压的增加，沟道夹断漏电流饱和。要 使v d m o s 进入关态，只要将栅极和源极短接，使栅压减为零，反型层消失，导 电沟道断开，v d m o s 由开态转为关态。关断时间由从栅极移走电荷的速率决定。 芏d 一一 图2 5v d m o s 的i - v 曲线 图2 5 示出了v d m o s 的i v 特性曲线，总的说来可以分为六个区域： 1 ，截止区，就是v g s 巧，但v d 彤，但v 砭_ v a s - - 所。增加，易变化很小； 4 ，击穿区，这时v o _ _ v b n 。，电流的增加不受限s u