VDMOSFET的设计及仿真

1、第第9章章 VDMOSFET的设计及的设计及仿真验证仿真验证 2022-3-22/125本章内容本章内容 VDMOSFET概述概述 VDMOSFET元胞设计元胞设计 VDMOSFET终端结构设计终端结构设计 VDMOSFET ESD防护结构设计防护结构设计浙大微电子2022-3-23/125本章内容本章内容 VDMOSFET概述概述 VDMOSFET元胞设计元胞设计 VDMOSFET终端结构设计终端结构设计 VDMOSFET ESD防护结构设计防护结构设计浙大微电子2022-3-24/125 VDMOSFET（Vertical Double-diffused MOSFET，垂，垂直双扩散直双扩

2、散MOSFET）与双极型功率晶体管相比具有许多优良性）与双极型功率晶体管相比具有许多优良性能：能： 输入阻抗高输入阻抗高 开关速度快开关速度快 工作频率高工作频率高 易驱动等特点易驱动等特点 因此，被广泛地应用于节能照明、开关电源、汽车电子、因此，被广泛地应用于节能照明、开关电源、汽车电子、通讯等领域。通讯等领域。 浙大微电子2022-3-25/125 VDMOS器件是在高阻外延层上采用平面自对准双扩散工器件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，在水平方向形成艺，利用两次扩散结深差，在水平方向形成MOS结构多子导结构多子导电沟道的单极器件。它的源极和漏极分别位于芯片的上

3、下两面，电沟道的单极器件。它的源极和漏极分别位于芯片的上下两面，形成垂直电流通道，这种结构可以实现较高漏源之间的击穿电形成垂直电流通道，这种结构可以实现较高漏源之间的击穿电压，因此特别适合用来制作高压压，因此特别适合用来制作高压MOS器件。器件。 VDMOS结构图结构图 浙大微电子2022-3-26/125 VDMOS器件利用电场控制表面沟道的载流子达到开启和关器件利用电场控制表面沟道的载流子达到开启和关断的功能。断的功能。 VDMOS器件高压主要由器件高压主要由N-漏区和沟道所在漏区和沟道所在P-区的区的PN结反偏结反偏形成。为了实现高压，必须降低外延层的掺杂浓度或者增大形成。为了实现高压，

4、必须降低外延层的掺杂浓度或者增大外延层的厚度，这会引起外延层的厚度，这会引起VDMOS器件导通电阻的增加，因器件导通电阻的增加，因而需要在高击穿电压和低导通电阻中间进行折衷。而需要在高击穿电压和低导通电阻中间进行折衷。浙大微电子2022-3-27/125 因此，因此，VDMOS的设计主要包括中间元胞的设计和边缘的设计主要包括中间元胞的设计和边缘终端结构的设计；目前，很多产品为了增强抗终端结构的设计；目前，很多产品为了增强抗ESD（electro-static discharge，ESD）能力，还专门设计有）能力，还专门设计有ESD防护结构。防护结构。 VDMOS的电学参数主要包括静态参数和动态

5、参数，以的电学参数主要包括静态参数和动态参数，以及及ESD方面的方面的HBM值等。值等。浙大微电子2022-3-28/125 静态参数包括静态参数包括 导通电阻导通电阻 阈值电压阈值电压 漏源击穿电压等漏源击穿电压等 动态参数主要包括动态参数主要包括 器件导通时的延迟时间和上升时间器件导通时的延迟时间和上升时间 器件关断时的延迟时间和下降时间等。器件关断时的延迟时间和下降时间等。浙大微电子2022-3-29/125Symbol ParameterTestconditionsMin. Typ. Max. Uniton/offstatesBVdsDrain-Sourcebreakdown volt

6、ageID = 1mA, VGS =0200VVGS(th)Gate thresholdvoltage VDS = VGS, ID = 250A 234VRDS(on)Static drain-source on resistanceVGS = 10V, ID = 20A 0.0380.045W W200V/40A VDMOSFET的主要技术指标的主要技术指标浙大微电子2022-3-210/125Dynamictd-onTurn-on delay timeVDD = 125V ID = 20ARG =9.4W W VGS = 10V 21nstd-offTurn-off delay time7

7、2nstrRise time35nstfFall time44nsVESD(G-S)HBMGate source ESDHBM- C=125 pF, R=1.5 k6000V浙大微电子2022-3-211/125本章内容本章内容 VDMOSFET概述概述 VDMOSFET元胞设计元胞设计 VDMOSFET终端结构设计终端结构设计 VDMOSFET ESD防护结构设计防护结构设计浙大微电子2022-3-212/125VDMOSFET元胞设计元胞设计 结构参数及工艺参数结构参数及工艺参数 工艺流程工艺流程 工艺仿真工艺仿真 器件仿真器件仿真 器件优化器件优化浙大微电子2022-3-213/125V

8、DMOSFET元胞设计元胞设计 结构参数及工艺参数结构参数及工艺参数 工艺流程工艺流程 工艺仿真工艺仿真 器件仿真器件仿真 器件优化器件优化浙大微电子2022-3-214/125元胞结构剖面（元胞结构剖面（1/2个元胞）个元胞）浙大微电子2022-3-215/125VDMOSFET元胞设计元胞设计 结构参数及工艺参数结构参数及工艺参数 工艺流程工艺流程 工艺仿真工艺仿真 器件仿真器件仿真 器件优化器件优化浙大微电子2022-3-216/125圆 片场 氧 化有 源 区 刻 蚀P+注 入长 栅 氧 前刻 蚀 oxide栅 氧 生 长多 晶 硅 淀 积多 晶 硅 扩 散多 晶 硅 刻 蚀P-注 入

9、P-退 火N+注 入PSG淀 积回 流引 线 孔 刻 蚀铝 层 溅 射铝 层 刻 蚀背 面 处 理金 属 化 等一般一般VDMOS的主要制造工艺的主要制造工艺浙大微电子2022-3-217/125主要步骤形成的对应结构图主要步骤形成的对应结构图浙大微电子2022-3-218/125VDMOSFET元胞设计元胞设计 结构参数及工艺参数结构参数及工艺参数 工艺流程工艺流程 工艺仿真工艺仿真 器件仿真器件仿真 器件优化器件优化浙大微电子2022-3-219/1251、工艺及掩模参数设定、工艺及掩模参数设定Process parameter1WaferN-Epi：Arsenic,=6cm,Thickn

10、ess=15um2Field oxidation/etch1250,305min,F.H2=8L/H,F.O2=6L/M;T-ox=1um3P+ implant：Boron、60kev、1E15cm-24Gate oxide growth850,190min,F.H2=5L/M,F.O2=10L/M,F.HCL=30sccm5POLY deposition/etchthick=6500A6P- implantBoron、80kev、3E13cm-27P- drive-in1150,125min,N2设定的工艺、掩膜版参数表设定的工艺、掩膜版参数表 浙大微电子2022-3-220/1258n+

11、implantAs、60kev、1E15cm-29BPSG/oxide deposition Thick=1um10RFW950、25min、DRYO211Contact etch12Aluminum deposition/etchThick=0.8um浙大微电子2022-3-221/1252、仿真程序、仿真程序$ TSUPREM-4 VDMOS Application MASK IN.FILE=mask_vdmos.tl1ASSIGN NAME=EPITHIC N.VALUE=15ASSIGN NAME=EPIRESSI N.VALUE=6ASSIGN NAME=PBODYENERGY N.

12、VALUE=80ASSIGN NAME=PBODYDOSE N.VALUE=3E13ASSIGN NAME=PBODYTEMP N.VALUE=1150ASSIGN NAME=PBODYTIME N.VALUE=125ASSIGN NAME=PPENERGY N.VALUE=60ASSIGN NAME=PPDOSE N.VALUE=1E15浙大微电子2022-3-222/125$ 1. Set meshMESH LY.SURF=0.2 DY.SURF=0.1 LY.ACTIV=EPITHIC+LY.BOT=EPITHIC DX.MAX=0.75METHOD ERR.FAC=1.0$ 2. Se

13、lect modelsMETHOD COMPRESS$ 3. Initialize structureINITIALIZE WIDTH=9.5 IMPURITY=ARSENIC +I.RESIST=EPIRESSI浙大微电子2022-3-223/125$ 4. Plot initial meshSELECT TITLE=Initial MeshPLOT.2D SCALE GRID C.GRID=2 $ 5. Field oxide grow and active area etchDIFFUSE TEMP=1250 TIME=305 F.H2=8 F.O2=6 SAVEFILE OUT.FIL

14、E=After_F-ox.tif TIFSELECT TITLE=Field oxide grow SOURCE PLOTFILEETCH OXIDE$ 6. P+ implantationDEPOSIT PHOTORES NEGATIVE THICK=1 SPACES=2浙大微电子2022-3-224/125EXPOSE MASK=PPDEVELOPIMPLANT IMPURITY=BORON ENERGY=PPENERG+DOSE=PPDOSEETCH PHOTORESSAVEFILE OUT.FILE=afterpp.tif TIF SELECT TITLE=After P+ impla

15、ntSOURCE PLOTFILE$ 7. Gate oxidation DIFFUSE TEMP=850 TIME=190 F.H2=5 F.O2=10 F.HCL=0.03SAVEFILE OUT.FILE=After_G-ox.tif TIF浙大微电子2022-3-225/125$ 8. Poly gate formation DEPOSIT POLY THICK=0.65 SPACES=2DEPOSIT PHOTORES NEGATIVE THICK=2+SPACES=2EXPOSE MASK=POLYDEVELOPETCH POLY ETCH PHOTORESSAVEFILE OUT

16、.FILE=After_Polygate.tif TIFSELECT TITLE=Poly gate formationSOURCE PLOTFILE浙大微电子2022-3-226/125$ 9. P- implant and diffuseIMPLANT BORON ENERGY=PBODYENERGY+DOSE=PBODYDOSE DIFFUSE TIME=PBODYTIME TEMP=PBODYTEMP+F.N2=7 F.O2=0.3 SAVEFILE OUT.FILE=afterpbody.tif TIFSELECT TITLE=After P- implant SOURCE PLOT

17、FILE$ 10. Source formationDEPOSIT PHOTORES NEGATIVE THICK=2 SPACES=2EXPOSE MASK=NP浙大微电子2022-3-227/125DEVELOPETCH OXIDE DIFFUSE TEMP=900 TIME=30 DRYO2IMPLANT ARSENIC DOSE=5E15 ENERGY=60 ETCH PHOTORESDIFFUSE TEMP=900 TIME=30 DRYO2IMPLANT ARSENIC DOSE=5E15 ENERGY=60 ETCH PHOTORESSAVEFILE OUT.FILE=after

18、np.tif TIFSELECT TITLE=After source formationSOURCE PLOTFILE浙大微电子2022-3-228/125$ 11. PSG and RFWDEPOSIT OXIDE THICK=1DIFFUSE TEMP=950 TIME=25 DRYO2SAVEFILE OUT.FILE=afterpsg.tif TIFSELECT TITLE=After PSGSOURCE PLOTFILE$ 12. Contact etch and MetallizationDEPOSIT PHOTORES NEGATIVE THICK=2 SPACES=2EXPO

19、SE MASK=CONTACTDEVELOPETCH OXIDE浙大微电子2022-3-229/125ETCH PHOTORESDEPOSIT PHOTORES NEGATIVE THICK=2 SPACES=2DEPOSIT ALUMINUM THICK=0.8 $ 13. Define electrode ELECTRODE NAME=GATE X=1 Y=0 ELECTRODE NAME=DRAIN BOTTOMELECTRODE NAME=SOURCE X=7$ 14. Save/Plot final mesh and structureSAVEFILE OUT.FILE=TSUPRE

20、M-IV_final.tif TIF SELECT TITLE=Final MeshPLOT.2D SCALE GRID C.GRID=2浙大微电子2022-3-230/125SELECT TITLE=Final structureSOURCE PLOTFILE其中，掩膜版文件其中，掩膜版文件mask_vdmos.tl1内容如下：内容如下：*mask_vdmos.tl1： TL1 0125 1e3 0 9500 4 PP 1 8500 9500 浙大微电子2022-3-231/125POLY 16000 9500 NP 16000 6500CONTACT 16200 9500其中，掩膜版文件其

21、中，掩膜版文件mask_vdmos.tl1、调用的画图文、调用的画图文PLOTFILE内容如下：内容如下：*PLOTFILE：$ PLOT FILE $PLOT.2D SCALE 浙大微电子2022-3-232/125 COLOR SILICON COLOR=3 $ P-type and n-type SELECT Z=(BORON-PHOS-ARSENIC) COLOR MIN.V=0 COLOR=7 COLOR MAX.V=0 COLOR=3 COLOR OXIDE COLOR=5 COLOR POLY COLOR=2 COLOR ALUMINUM COLOR=2 浙大微电子2022-3-

22、233/1253、工艺仿真结果、工艺仿真结果 运行上述仿真文件，输出的图形如下列图所示，从图运行上述仿真文件，输出的图形如下列图所示，从图中我们可以看到每一个工艺步骤处理后的结构。中我们可以看到每一个工艺步骤处理后的结构。 初始网格初始网格 场氧生长场氧生长浙大微电子2022-3-234/125P+注入注入 多晶硅淀积、刻蚀多晶硅淀积、刻蚀浙大微电子2022-3-235/125P-注入注入 n+源注入源注入浙大微电子2022-3-236/125最终网格最终网格 最终器件结构最终器件结构浙大微电子2022-3-237/125a）查看）查看X=0处的掺杂浓度分布：处的掺杂浓度分布： SELECT

23、Z=LOG10(BORON-ARSENIC) TITLE=X=0 PLOT.1D X.VALUE=9.5 BOTTOM=10 浙大微电子2022-3-238/125b）查看栅氧厚度：）查看栅氧厚度： SELECT Z=DOPING PRINT.1D layers x.value=0 从上到下输出器件各层次的结果信息如下：从上到下输出器件各层次的结果信息如下： Num Material Top Bottom Thickness Integral 1 aluminum -2.0913 -1.2913 0.8000 0.0000e+00 2 oxide -1.2913 -0.2523 1.0391

24、-1.7021e+12 3 polysilicon -0.2523 0.3814 0.6337 -1.6874e+13 4 gate oxide 0.3814 0.4789 0.0974 -3.7309e+12 5 silicon 0.4789 15.0000 14.5211 1.1023e+12 从中可看到栅氧的厚度为从中可看到栅氧的厚度为974A 。浙大微电子2022-3-239/125VDMOSFET元胞设计元胞设计 结构参数及工艺参数结构参数及工艺参数 工艺流程工艺流程 工艺仿真工艺仿真 器件仿真器件仿真 器件优化器件优化浙大微电子2022-3-240/125 VDMOSFET的电学参

25、数主要包括静态参数和动态参数。的电学参数主要包括静态参数和动态参数。 静态参数主要有静态参数主要有 击穿电压（击穿电压（Breakdown Voltage） 导通电阻（导通电阻（Ron-state） 阈值（阈值（Vth） 动态参数主要有动态参数主要有 导通延时时间导通延时时间td-on 关断延时时间关断延时时间td-off 上升时间上升时间tr 下降时间下降时间tf等等浙大微电子2022-3-241/125击穿电压击穿电压COMMENT BV AnalysisMESH IN.FILE=TSUPREM-IV_final.tif TIF COMMENT Electrode definitionCO

26、NTACT NAME=GATE N.POLYCOMMENT Specify interface fixed charge densityINTERFAC QF=1E10COMMENT Specify physical models to useMODELS IMPACT.I CONMOB HPMOB CONSRH+AUGER BGN浙大微电子2022-3-242/125COMMENT Initial solution , regrid and potentialSYMB CARRIERS=0METHOD ICCG DAMPEDSOLVECOMMENT Perform a 0-carrier s

27、olution at the initial biasSYMB CARRIERS=0SOLVE V(Source)=0.0 V(Gate)=0 V(Drain)=0 LOCALCOMMENT Obtain solutions using 2-carrier Newton with continuationSYMB CARRIERS=2 NEWTON浙大微电子2022-3-243/125METHOD n.damp itlimit=40 n.dvlim=15 stack=40LOG OUT.FILE=bvds.logEXTRACT NAME=ID EXP=I(DRAIN)*(3E6)SOLVE E

28、LEC=DRAIN V(drain)=0 NSTEP=2 VSTEP=75 SOLVE ELEC=DRAIN CONTINU C.VMAX=400 + C.IMAX=0.8E-8 C.VSTEP=1 C.TOLER=0.01PLOT.2D TITLE=200V Simulation Structure FILL SCALECOMMENT Drain current vs. drain voltagePLOT.1D X.AXIS=V(Drain) Y.AXIS=ID POINTS COLOR=2+ ORDER CLEAR RIGHT=400 TOP=1.0E-2 + TITLE=Breakdow

29、n Voltage浙大微电子2022-3-244/125COMMENT Flowlines for last solutionPLOT.2D BOUND JUNC DEPL TITLE=Flowlines FILL SCALE CONTOUR FLOWLINES NCONT=31 COLOR=1COMMENT Potential contour and electric field lins for most recent solutionPLOT.2D BOUND JUNC DEPL TITLE=Poten-lines FILL SCALE CONTOUR POTENTIA MIN=-1 M

30、AX=1200 DEL=10 COLOR=6浙大微电子2022-3-245/125程序说明：程序说明：1）模型选择（）模型选择（MODELS） 雪崩击穿的发生是由于在强电场下，半导体中的载流子会被雪崩击穿的发生是由于在强电场下，半导体中的载流子会被电场加速，部分载流子可以获得足够高的能量，这些载流子电场加速，部分载流子可以获得足够高的能量，这些载流子有可能通过碰撞把能量传递给价带上的电子，使之发生电离，有可能通过碰撞把能量传递给价带上的电子，使之发生电离，从而产生二次电子从而产生二次电子-空穴对，即所谓的空穴对，即所谓的“碰撞电离碰撞电离”。 软件要模拟这个过程就必须选择相应的计算模型；在软件

31、要模拟这个过程就必须选择相应的计算模型；在Medici中提供了这种碰撞离化模型（中提供了这种碰撞离化模型（IMPACT.I）。因此，通过计算）。因此，通过计算电流来仿真击穿电压时，必须在电流来仿真击穿电压时，必须在MODELS语句中指定语句中指定IMPACT.I模型；其它的指定模型一般为迁移率模型和复合模模型；其它的指定模型一般为迁移率模型和复合模型。型。浙大微电子2022-3-246/1252）SOVLE语句语句 程序中使用了程序中使用了2个个SOLVE语句，第一个语句，第一个SOLVE扫描扫描Drain电压至电压至150V（步长为（步长为75V，2步完成），这主要用来减少步完成），这主要用

32、来减少仿真时间；因为预计的击穿电压在仿真时间；因为预计的击穿电压在200V左右，因此可以减左右，因此可以减少少200V以前的仿真数据点，这样有助于减少仿真时间。以前的仿真数据点，这样有助于减少仿真时间。 第二个第二个SOLVE，采用，采用CONTINU方法，软件自动设置扫描方法，软件自动设置扫描步长追踪步长追踪I-V曲线，直至电流达到设定的仿真停止点，即达曲线，直至电流达到设定的仿真停止点，即达到可认为器件已击穿的电流值。到可认为器件已击穿的电流值。浙大微电子2022-3-247/125 在在SOLVE命令中有两种基本直流稳态扫描参数，一种为电命令中有两种基本直流稳态扫描参数，一种为电压扫描，

33、另一种为电流扫描。电流扫描较适合于电压变化压扫描，另一种为电流扫描。电流扫描较适合于电压变化较小而电流变化较大的情况，正如器件在击穿时的情况。较小而电流变化较大的情况，正如器件在击穿时的情况。器件在临界击穿时，电压增大很小一点也会使电流迅速增器件在临界击穿时，电压增大很小一点也会使电流迅速增大，此时若采用电压扫描，仿真会较难收敛，因此在大，此时若采用电压扫描，仿真会较难收敛，因此在CONTINU方法中软件会自动从电压扫描切换到电流扫描，方法中软件会自动从电压扫描切换到电流扫描，并且自动根据电流的变化率设定扫描步长，以保证仿真的并且自动根据电流的变化率设定扫描步长，以保证仿真的收敛性。收敛性。浙

34、大微电子2022-3-248/1253）仿真结果输出）仿真结果输出击穿曲线图击穿曲线图浙大微电子2022-3-249/125 电流分布图电流分布图 电势分布图电势分布图浙大微电子2022-3-250/125导通电阻导通电阻RonCOMMENT Rds AnalysisMESH IN.FILE=TSUPREM-IV_final.tif TIF COMMENT Electrode definitioncontact name=gate n.polyCOMMENT Specify interface fixed charge densityINTERFAC QF=1E10COMMENT Specif

35、y physical models to useMODELS CONMOB SRFMOB2 FLDMOBCOMMENT Initial solutionSYMB CARRIERS=0浙大微电子2022-3-251/125METHOD ICCG DAMPEDSOLVESYMB CARRIERS=0METHOD ICCG DAMPEDSOLVE V(Gate)=10SYMB CARRIERS=1 NEWTON ELECTRONLOG OUT.FILE=RDS.logSOLVE ELEC=drain V(drain)=0 NSTEP=30 VSTEP=0.1COMMENT Drain current

36、 vs. drain voltage浙大微电子2022-3-252/125PLOT.1D X.AXIS=V(drain) Y.AXIS=I(drain) POINTS + COLOR=2 ORDER + TITLE=V(drain) - I(drain) CLEAREXTRACT NAME=ID EXP=I(DRAIN)*(3E6)EXTRACT NAME=Rds EXP=V(DRAIN)/(ID)PLOT.1D X.AXIS=V(drain) Y.AXIS=ID COLOR=2 ORDER CLEAR+ TITLE=ID - V(drain)PLOT.1D X.AXIS=ID Y.AXIS=

37、Rds COLOR=3 ORDER CLEAR+ LEFT=0.1 RIGHT=30 TITLE=Rds 浙大微电子2022-3-253/125VGS=10V时的漏端时的漏端I-V曲线曲线 源漏电阻源漏电阻Rds与源漏电流与源漏电流ID的的关系曲线关系曲线浙大微电子2022-3-254/125阈值电压阈值电压COMMENT Vth MESH IN.FILE=TSUPREM-IV_final.tif TIF COMMENT Electrode definitionContact name=gate n.polyCOMMENT Specify interface fixed charge dens

38、ityINTERFAC QF=1E10COMMENT Specify physical models to useMODELS CONMOB SRFMOB2 FLDMOBCOMMENT Initial solution, regrid and potentialSYMB CARRIERS=0METHOD ICCG DAMPEDSOLVESYMB CARRIERS=0METHOD ICCG DAMPED浙大微电子2022-3-255/125导通电阻导通电阻RonSOLVE V(Gate)=10SYMB CARRIERS=1 NEWTON ELECTRONLOG OUT.FILE=RDS.logS

39、OLVE ELEC=drain V(drain)=0 NSTEP=30 VSTEP=0.1COMMENT Drain current vs. drain voltagePLOT.1D X.AXIS=V(drain) Y.AXIS=I(drain) POINTS COLOR=2 ORDER + TITLE=V(drain) - I(drain) CLEAR浙大微电子2022-3-256/125导通电阻导通电阻RonEXTRACT NAME=ID EXP=I(DRAIN)*(3E6)EXTRACT NAME=Rds EXP=V(DRAIN)/(ID)PLOT.1D X.AXIS=V(drain)

40、Y.AXIS=ID COLOR=2 ORDER CLEAR+ TITLE=ID - V(drain)PLOT.1D X.AXIS=ID Y.AXIS=Rds COLOR=3 ORDER CLEAR+ LEFT=0.1 RIGHT=30 TITLE=Rds 浙大微电子2022-3-257/125MOS转移特性曲线转移特性曲线 局部放大后的阈值曲线局部放大后的阈值曲线浙大微电子2022-3-258/125开关时间：开关时间：td-on、td-off、tr、tf 开关速度的评价主要包括开关速度的评价主要包括4个时间常数，即导通延时时间个时间常数，即导通延时时间td-on、关断延时时间、关断延时时间t

41、d-off、上升时间、上升时间tr、下降时间、下降时间tf，如图所示，如图所示，各时间定义如下：各时间定义如下：浙大微电子2022-3-259/125开关时间：开关时间：td-on、td-off、tr、tf td-on：从栅电压上升到：从栅电压上升到10%栅驱动电压到漏电压下降栅驱动电压到漏电压下降10%所经历的时间。所经历的时间。 td-off：从栅电压下降到：从栅电压下降到90%栅驱动电压到漏电压上升至栅驱动电压到漏电压上升至10%所经历的时间。所经历的时间。 tr：漏极电压从：漏极电压从90%下降到下降到10%所经历的时间（此时电流所经历的时间（此时电流上升）。上升）。 tf：漏极电压从

42、：漏极电压从10%上升到上升到90%所经历的时间（此时电流所经历的时间（此时电流下降）。下降）。浙大微电子2022-3-260/125 开关时间的测定需采用测试电路，因此需用到开关时间的测定需采用测试电路，因此需用到MEDICI的的电路仿真功能，即电路分析高级应用模块（电路仿真功能，即电路分析高级应用模块（Circuit Analysis Advanced Application Module ,CA-AAM）。）。 MEDICI的电路仿真类似于的电路仿真类似于SPICE电路仿真，它能提供全电路仿真，它能提供全部的线性、非线性部的线性、非线性SPICE元器件。在电路仿真中，元器件。在电路仿真中

43、，MEDICI使使用吉尔霍夫电流用吉尔霍夫电流/电压定律（电压定律（KCL、KVL）来描述电路，使用）来描述电路，使用半导体基本方程来描述器件（半导体基本方程来描述器件（Poisson, continuity, energy balance, and lattice temperature），软件通过求解这些耦合），软件通过求解这些耦合集得到结果。集得到结果。 浙大微电子2022-3-261/125浙大微电子2022-3-262/125COMMENT Switch time AnalysisMESH IN.FILE=TSUPREM-IV_final.tif TIFCONTACT NAME=GA

44、TE N.POLYSAVE OUT.FILE=MD.TIF TIF ALLCOMMENT Enter CIRCUIT modeSTART CIRCUIT $ Power supplyVDD 4 0 20$ Input source VIN 1 0 PULSE 0 10 20n 10n 10n 60n 2000000n浙大微电子2022-3-263/125$ Input resistanceRG 1 2 9.4$ VDMOS T4 transistorPVDMOS 3=Drain 2=Gate 0=Source + FILE=MD.TIF TIF WIDTH=3E6$ resistance RL

45、 3 4 6.67$ Initial guess at circuit node voltages.NODESET V(1)=0 V(2)=0 V(3)=20 V(4)=20$ Return to MEDICI mode for solution and plottingFINISH CIRCUIT浙大微电子2022-3-264/125SYMBOL NEWTON CARR=0SOLVE INITSYMBOL NEWTON CARR=2SOLVE ELEMENT=VDD V.ELEM=30 VSTEP=70 NSTEP=1 SYMBOL NEWTON CARR=2METHOD N.DVLIM=0

46、.3 TOL.TIME=.02SOLVE DT=1e-10 TSTOP=210e-9COMMENT Plot the circuit voltages and currentsPLOT.1D X.AX=TIME Y.AX=VC(1) TITLE=Vin PLOT.1D X.AX=TIME Y.AX=VC(3) TITLE=V(DRAIN)浙大微电子2022-3-265/125程序说明：程序说明：1）输入信号波形）输入信号波形 通过下面语句指定输入脉冲信号波形通过下面语句指定输入脉冲信号波形： VIN 1 0 PULSE 0 10 20n 10n 10n 60n 2000n VIN 1 0 PU

47、LSE 0 10 20n 10n 10n 60n 2000n name +node -node initial final Td Tr Tf Tp Tper 浙大微电子2022-3-266/1252）程序语句）程序语句 $ Input resistance RG 1 2 9.4 中的中的9.4为测试电路中的为测试电路中的RG和栅寄生电阻之和，而和栅寄生电阻之和，而 $ resistance RL 3 4 6.67 中的中的6.67为测试电路中为测试电路中RL的值。的值。浙大微电子2022-3-267/125 输入输出信号波形分别如下图所示，根据上面对各时间输入输出信号波形分别如下图所示，根据上

48、面对各时间常数的定义，从图中可知：常数的定义，从图中可知：td-on10ns td-off60ns tr18ns tf26ns。浙大微电子2022-3-268/125VDMOSFET元胞设计元胞设计 结构参数及工艺参数结构参数及工艺参数 工艺流程工艺流程 工艺仿真工艺仿真 器件仿真器件仿真 器件优化器件优化浙大微电子2022-3-269/125 击穿电压和导通电阻是击穿电压和导通电阻是VDMOS最重要的最重要的2个参数。两个参数。两者一般有如下关系式：者一般有如下关系式： RonBV2.4-2.6 器件优化的核心就是在保证击穿电压满足要求的情况器件优化的核心就是在保证击穿电压满足要求的情况下尽

49、可能的减小导通电阻。下尽可能的减小导通电阻。浙大微电子2022-3-270/1251、外延层电阻、外延层电阻（Repi）优化优化 81.2epiDS1.74 10WBVcm31.3DS4.55 10BVcmW 事实上，为达到一定的耐压，外延层厚度、电阻率存在事实上，为达到一定的耐压，外延层厚度、电阻率存在多种组合，对于任一厚度多种组合，对于任一厚度W，都有一个浓度，都有一个浓度N (或电阻率或电阻率) 与与其对应；因此在保持耐压基本不变（满足指标要求）的情况其对应；因此在保持耐压基本不变（满足指标要求）的情况下，仿真其在不同的外延层厚度、电阻率组合下的击穿电压下，仿真其在不同的外延层厚度、电阻

50、率组合下的击穿电压和导通电阻，寻找和导通电阻，寻找Ron最小的点最小的点。浙大微电子2022-3-271/12581.2epiDS1.74 10WBVcm31.3DS4.55 10BVcmW浙大微电子2022-3-272/1252、JFET区电阻区电阻RJFET优化优化 JFET区域位于相邻区域位于相邻P-Body之间，就像是一个结型场之间，就像是一个结型场效应管（效应管（JFET）结构，由此而得名。为了降低）结构，由此而得名。为了降低JFET电阻，电阻，可在可在JFET区进行一次与外延层掺杂类型相同的离子注入，区进行一次与外延层掺杂类型相同的离子注入，以提高以提高JFET区的浓度，降低电阻。

51、区的浓度，降低电阻。 浙大微电子2022-3-273/125 JFET注入可分为整体注入可分为整体JFET注入和局部注入和局部JFET注入。全注入。全部部JFET注入就是在外延层表面整体进行一次注入就是在外延层表面整体进行一次JFET注入，不用注入，不用掩膜版；局部掩膜版；局部JFET注入就是只在注入就是只在JFET区域（即多晶硅栅下面区域（即多晶硅栅下面的部分）进行的部分）进行JFET注入。注入。 JFET注入图注入图两种两种JFET注入击穿电压比较图注入击穿电压比较图 浙大微电子2022-3-274/125击穿电压、导通电阻随击穿电压、导通电阻随JFET注入剂量的变化图注入剂量的变化图浙大

52、微电子2022-3-275/125本章内容本章内容 VDMOSFET概述概述 VDMOSFET元胞设计元胞设计 VDMOSFET终端结构设计终端结构设计 VDMOSFET ESD防护结构设计防护结构设计浙大微电子2022-3-276/125结构参数设计结构参数设计 由于边缘元胞处平面结的曲率效应，会使击穿电压降低，由于边缘元胞处平面结的曲率效应，会使击穿电压降低，所以器件还需要有终端结构。已开发的终端技术有很多，主所以器件还需要有终端结构。已开发的终端技术有很多，主要可归纳分类为场限环要可归纳分类为场限环(FLR)、场板、场板(FP)、结终端扩展、结终端扩展(JTE)、横向变掺杂横向变掺杂(V

53、LD)、槽形终端等。场限环的设计主要考虑的、槽形终端等。场限环的设计主要考虑的是场限环的个数、场限环之间的间距、环的结深、宽度及浓是场限环的个数、场限环之间的间距、环的结深、宽度及浓度。在实际设计中，场限环的结深、浓度、宽度往往会受元度。在实际设计中，场限环的结深、浓度、宽度往往会受元胞工艺参数等其它因素的制约，是比较容易先确定的，因此胞工艺参数等其它因素的制约，是比较容易先确定的，因此主要的优化是环的个数和环的间距。主要的优化是环的个数和环的间距。浙大微电子2022-3-277/125结构参数设计结构参数设计 对于环的个数，通常来说，耐压会随着环数的增加而上对于环的个数，通常来说，耐压会随着

54、环数的增加而上升。但是，环数的增多也会增大所占的芯片面积，而且环的数升。但是，环数的增多也会增大所占的芯片面积，而且环的数量增加到一定值后耐压会达到饱和。因此设计时要综合考虑。量增加到一定值后耐压会达到饱和。因此设计时要综合考虑。对于环间距，在确定的外延层情况下总是存在一组最佳值，即对于环间距，在确定的外延层情况下总是存在一组最佳值，即在一定的环间距时，主结和各环结处的电场峰值基本一致，都在一定的环间距时，主结和各环结处的电场峰值基本一致，都刚好到达临界击穿电场强度，此时可得到最高耐压。刚好到达临界击穿电场强度，此时可得到最高耐压。浙大微电子2022-3-278/125工艺仿真工艺仿真 初步设

55、定掩模版参数如图所示，采用初步设定掩模版参数如图所示，采用3个场限环，环宽个场限环，环宽都为都为6um，间距为，间距为6um。 浙大微电子2022-3-279/125仿真程序仿真程序$ TSUPREM-4 VDMOS Application MASK IN.FILE=mask_vdmos.tl1$ 1. Set grid spacing and error toleranceMESH LY.SURF=0.2 DY.SURF=0.1 LY.ACTIV=15.0+DX.MAX=0.75 LY.BOT=15METHOD ERR.FAC=1.05 $ 2. Select modelsMETHOD CO

56、MPRESS$ 3. Initialize structureINITIALIZE WIDTH=10 IMPURITY=ARSENIC I.RESIST=6浙大微电子2022-3-280/125STRUCTURE EXTEND RIGHT WIDTH=70 DX=2 Y.ELIM=7SAVEFILE OUT.FILE=INI.tif TIFSELECT TITLE=Initial MeshPLOT.2D SCALE GRID C.GRID=2 SELECT TITLE=InitialSOURCE PLOTFILE$ 4. JFET implant and drive inDIFFUSE TEM

57、P=950 TIME=25 F.O2=4 F.HCL=0.03IMPLANT PHOS ENERGY=80 DOSE=2E12DIFFUSE TEMP=1150 TIME=180 ETCH OXIDE浙大微电子2022-3-281/125$ 5. Field oxide growDIFFUSE TEMP=1250 TIME=305 F.H2=8 F.O2=6 SAVEFILE OUT.FILE=After_F-ox.tif TIFSELECT TITLE=Field oxide grow SOURCE PLOTFILE $ 6. Field oxide etchDEPOSIT NEGATIVE

58、 PHOTORES THICKNES=2 SPACES=2EXPOSE MASK=RINGDEVELOPETCH OXIDE ETCH PHOTORES SAVEFILE OUT.FILE=After_F-ox2.tif TIF浙大微电子2022-3-282/125SELECT TITLE=After FOX etchSOURCE PLOTFILE$ 7. P+ implantationDEPOSIT NEGATIVE PHOTORES THICKNES=2 SPACES=2EXPOSE MASK=PPDEVELOPIMPLANT BORON ENERGY=60 DOSE=1E15ETCH P

59、HOTORESSAVEFILE OUT.FILE=afterpp.tif TIF SELECT TITLE=After P+ implantSOURCE PLOTFILE浙大微电子2022-3-283/125$ 8. Gate oxidation DIFFUSE TEMP=850 TIME=190 F.H2=5 F.O2=10 F.HCL=0.03SAVEFILE OUT.FILE=After_G-ox.tif TIF$ 9. Poly gate formation DEPOSIT POLY THICK=0.65 SPACES=2ETCH POLY $ 10. p- implant and d

60、iffuseIMPLANT BORON ENERGY=80 DOSE=3E13DIFFUSE TEMP=1150 TIME=125 F.N2=7 F.O2=0.3 浙大微电子2022-3-284/125SAVEFILE OUT.FILE=afterpbody.tif TIFSELECT TITLE=After P- implant SOURCE PLOTFILE$ 11. Source formation$ 12. PSG Depsition and RFWDEPOSIT OXIDE THICK=1 DIFFUSE TEMP=950 TIME=25 DRYO2SAVEFILE OUT.FILE