第9章 VDMOSFET的设计及仿真验证

第9章

VDMOSFET的设计及

仿真验证2023/4/302/125本章内容VDMOSFET概述VDMOSFET元胞设计VDMOSFET终端结构设计VDMOSFET

ESD防护结构设计浙大微电子2023/4/303/125本章内容VDMOSFET概述VDMOSFET元胞设计VDMOSFET终端结构设计VDMOSFET

ESD防护结构设计浙大微电子2023/4/304/125VDMOSFET（VerticalDouble-diffusedMOSFET，垂直双扩散MOSFET）与双极型功率晶体管相比具有许多优良性能：输入阻抗高开关速度快工作频率高易驱动等特点因此，被广泛地应用于节能照明、开关电源、汽车电子、通讯等领域。浙大微电子2023/4/305/125VDMOS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MOS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压，因此特别适合用来制作高压MOS器件。VDMOS结构图浙大微电子2023/4/306/125VDMOS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。VDMOS器件高压主要由N-漏区和沟道所在P-区的PN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外延层的厚度，这会引起VDMOS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。浙大微电子2023/4/307/125

因此，VDMOS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ESD（electro-staticdischarge，ESD）能力，还专门设计有ESD防护结构。VDMOS的电学参数主要包括静态参数和动态参数，以及ESD方面的HBM值等。浙大微电子2023/4/308/125静态参数包括导通电阻阈值电压漏源击穿电压等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关断时的延迟时间和下降时间等。浙大微电子2023/4/309/125SymbolParameterTestconditionsMin.Typ.Max.Uniton/offstatesBVdsDrain-SourcebreakdownvoltageID=1mA,VGS=0200VVGS(th)GatethresholdvoltageVDS=VGS,ID=250µA234VRDS(on)Staticdrain-sourceonresistanceVGS=10V,ID=20A0.0380.045W200V/40AVDMOSFET的主要技术指标浙大微电子2023/4/3010/125Dynamictd-onTurn-ondelaytimeVDD=125VID=20A

RG=9.4W

VGS=10V21nstd-offTurn-offdelaytime72nstrRisetime35nstfFalltime44nsVESD(G-S)HBMGatesourceESDHBM-C=125pF,R=1.5kΩ6000V浙大微电子2023/4/3011/125本章内容VDMOSFET概述VDMOSFET元胞设计VDMOSFET终端结构设计VDMOSFET

ESD防护结构设计浙大微电子2023/4/3012/125VDMOSFET元胞设计结构参数及工艺参数工艺流程工艺仿真器件仿真器件优化浙大微电子2023/4/3013/125VDMOSFET元胞设计结构参数及工艺参数工艺流程工艺仿真器件仿真器件优化浙大微电子2023/4/3014/125元胞结构剖面（1/2个元胞）浙大微电子2023/4/3015/125VDMOSFET元胞设计结构参数及工艺参数工艺流程工艺仿真器件仿真器件优化浙大微电子2023/4/3016/125一般VDMOS的主要制造工艺浙大微电子2023/4/3017/125主要步骤形成的对应结构图浙大微电子2023/4/3018/125VDMOSFET元胞设计结构参数及工艺参数工艺流程工艺仿真器件仿真器件优化浙大微电子2023/4/3019/1251、工艺及掩模参数设定

Processparameter1WaferN-Epi：Arsenic,ρ=6Ω·cm,Thickness=15um2Fieldoxidation/etch1250℃,305min,F.H2=8L/H,F.O2=6L/M;T-ox=1um3P+implant：Boron、60kev、1E15cm-24Gateoxidegrowth850℃,190min,F.H2=5L/M,F.O2=10L/M,F.HCL=30sccm5POLYdeposition/etchthick=6500A6P-implantBoron、80kev、3E13cm-27P-drive-in1150℃,125min,N2设定的工艺、掩膜版参数表浙大微电子2023/4/3020/1258n+implantAs、60kev、1E15cm-29BPSG/oxidedepositionThick=1um10RFW950℃、25min、DRYO211Contactetch

12Aluminumdeposition/etchThick=0.8um浙大微电子2023/4/3021/1252、仿真程序$TSUPREM-4VDMOSApplicationMASKIN.FILE=mask_vdmos.tl1ASSIGNNAME=EPITHICN.VALUE=15ASSIGNNAME=EPIRESSIN.VALUE=6ASSIGNNAME=PBODYENERGYN.VALUE=80ASSIGNNAME=PBODYDOSEN.VALUE=3E13ASSIGNNAME=PBODYTEMPN.VALUE=1150ASSIGNNAME=PBODYTIMEN.VALUE=125ASSIGNNAME=PPENERGYN.VALUE=60ASSIGNNAME=PPDOSEN.VALUE=1E15浙大微电子2023/4/3022/125$1.SetmeshMESHLY.SURF=0.2DY.SURF=0.1LY.ACTIV=@EPITHIC+LY.BOT=@EPITHICDX.MAX=0.75METHODERR.FAC=1.0$2.SelectmodelsMETHODCOMPRESS$3.InitializestructureINITIALIZEWIDTH=9.5IMPURITY=ARSENIC+I.RESIST=@EPIRESSI浙大微电子2023/4/3023/125$4.PlotinitialmeshSELECTTITLE="InitialMesh"PLOT.2DSCALEGRIDC.GRID=2$5.FieldoxidegrowandactiveareaetchDIFFUSETEMP=1250TIME=305F.H2=8F.O2=6SAVEFILEOUT.FILE=After_F-ox.tifTIFSELECTTITLE="Fieldoxidegrow"SOURCEPLOTFILEETCHOXIDE$6.P+implantationDEPOSITPHOTORESNEGATIVETHICK=1SPACES=2浙大微电子2023/4/3024/125EXPOSEMASK=PPDEVELOPIMPLANTIMPURITY=BORONENERGY=@PPENERG+DOSE=@PPDOSEETCHPHOTORESSAVEFILEOUT.FILE=afterpp.tifTIFSELECTTITLE="AfterP+implant"SOURCEPLOTFILE$7.GateoxidationDIFFUSETEMP=850TIME=190F.H2=5F.O2=10F.HCL=0.03SAVEFILEOUT.FILE=After_G-ox.tifTIF浙大微电子2023/4/3025/125$8.PolygateformationDEPOSITPOLYTHICK=0.65SPACES=2DEPOSITPHOTORESNEGATIVETHICK=2+SPACES=2EXPOSEMASK=POLYDEVELOPETCHPOLYETCHPHOTORESSAVEFILEOUT.FILE=After_Polygate.tifTIFSELECTTITLE="Polygateformation"SOURCEPLOTFILE浙大微电子2023/4/3026/125$9.P-implantanddiffuseIMPLANTBORONENERGY=@PBODYENERGY+DOSE=@PBODYDOSEDIFFUSETIME=@PBODYTIMETEMP=@PBODYTEMP+F.N2=7F.O2=0.3SAVEFILEOUT.FILE=afterpbody.tifTIFSELECTTITLE="AfterP-implant"SOURCEPLOTFILE$10.SourceformationDEPOSITPHOTORESNEGATIVETHICK=2SPACES=2EXPOSEMASK=NP浙大微电子2023/4/3027/125DEVELOPETCHOXIDEDIFFUSETEMP=900TIME=30DRYO2IMPLANTARSENICDOSE=5E15ENERGY=60ETCHPHOTORESDIFFUSETEMP=900TIME=30DRYO2IMPLANTARSENICDOSE=5E15ENERGY=60ETCHPHOTORESSAVEFILEOUT.FILE=afternp.tifTIFSELECTTITLE="Aftersourceformation"SOURCEPLOTFILE浙大微电子2023/4/3028/125$11.PSGandRFWDEPOSITOXIDETHICK=1DIFFUSETEMP=950TIME=25DRYO2SAVEFILEOUT.FILE=afterpsg.tifTIFSELECTTITLE="AfterPSG"SOURCEPLOTFILE$12.ContactetchandMetallizationDEPOSITPHOTORESNEGATIVETHICK=2SPACES=2EXPOSEMASK=CONTACTDEVELOPETCHOXIDE浙大微电子2023/4/3029/125ETCHPHOTORESDEPOSITPHOTORESNEGATIVETHICK=2SPACES=2DEPOSITALUMINUMTHICK=0.8$13.DefineelectrodeELECTRODENAME=GATEX=1Y=0ELECTRODENAME=DRAINBOTTOMELECTRODENAME=SOURCEX=7$14.Save/PlotfinalmeshandstructureSAVEFILEOUT.FILE=TSUPREM-IV_final.tifTIFSELECTTITLE="FinalMesh"PLOT.2DSCALEGRIDC.GRID=2浙大微电子2023/4/3030/125SELECTTITLE="Finalstructure"SOURCEPLOTFILE其中，掩膜版文件mask_vdmos.tl1内容如下：*mask_vdmos.tl1：TL101251e3095004PP185009500浙大微电子2023/4/3031/125POLY160009500NP160006500CONTACT162009500其中，掩膜版文件mask_vdmos.tl1、调用的画图文PLOTFILE内容如下：*PLOTFILE：$$$$PLOTFILE$$$$PLOT.2DSCALE浙大微电子2023/4/3032/125COLORSILICONCOLOR=3$P-typeandn-typeSELECTZ=(BORON-PHOS-ARSENIC)COLORMIN.V=0COLOR=7COLORMAX.V=0COLOR=3COLOROXIDECOLOR=5COLORPOLYCOLOR=2COLORALUMINUMCOLOR=2浙大微电子2023/4/3033/1253、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，从图中我们可以看到每一个工艺步骤处理后的结构。

初始网格

场氧生长浙大微电子2023/4/3034/125P+注入

多晶硅淀积、刻蚀浙大微电子2023/4/3035/125P-注入

n+源注入浙大微电子2023/4/3036/125最终网格

最终器件结构浙大微电子2023/4/3037/125a）查看X=0处的掺杂浓度分布：SELECTZ=LOG10(BORON-ARSENIC)TITLE="X=0"PLOT.1DX.VALUE=9.5BOTTOM=10

浙大微电子2023/4/3038/125b）查看栅氧厚度：SELECTZ=DOPINGPRINT.1Dlayersx.value=0从上到下输出器件各层次的结果信息如下：NumMaterialTopBottomThicknessIntegral1aluminum-2.0913-1.29130.80000.0000e+002oxide-1.2913-0.25231.0391-1.7021e+123polysilicon-0.25230.38140.6337-1.6874e+13

4gateoxide0.38140.47890.0974-3.7309e+125silicon0.478915.000014.52111.1023e+12从中可看到栅氧的厚度为974A。浙大微电子2023/4/3039/125VDMOSFET元胞设计结构参数及工艺参数工艺流程工艺仿真器件仿真器件优化浙大微电子2023/4/3040/125VDMOSFET的电学参数主要包括静态参数和动态参数。静态参数主要有击穿电压（BreakdownVoltage）导通电阻（Ron-state）阈值（Vth）动态参数主要有导通延时时间td-on关断延时时间td-off上升时间tr下降时间tf等浙大微电子2023/4/3041/125击穿电压COMMENTBVAnalysisMESHIN.FILE=TSUPREM-IV_final.tifTIFCOMMENTElectrodedefinitionCONTACTNAME=GATEN.POLYCOMMENTSpecifyinterfacefixedchargedensityINTERFACQF=1E10COMMENTSpecifyphysicalmodelstouseMODELSIMPACT.ICONMOBHPMOBCONSRH+AUGERBGN浙大微电子2023/4/3042/125COMMENTInitialsolution,regridandpotentialSYMBCARRIERS=0METHODICCGDAMPEDSOLVECOMMENTPerforma0-carriersolutionattheinitialbiasSYMBCARRIERS=0SOLVEV(Source)=0.0V(Gate)=0V(Drain)=0LOCALCOMMENTObtainsolutionsusing2-carrierNewtonwithcontinuationSYMBCARRIERS=2NEWTON浙大微电子2023/4/3043/125METHODn.dampitlimit=40n.dvlim=15stack=40LOGOUT.FILE=bvds.logEXTRACTNAME=IDEXP=@I(DRAIN)*(3E6)SOLVEELEC=DRAINV(drain)=0NSTEP=2VSTEP=75SOLVEELEC=DRAINCONTINUC.VMAX=400+C.IMAX=0.8E-8C.VSTEP=1C.TOLER=0.01PLOT.2DTITLE="200VSimulationStructure"FILLSCALECOMMENTDraincurrentvs.drainvoltagePLOT.1DX.AXIS=V(Drain)Y.AXIS=IDPOINTSCOLOR=2+^ORDERCLEARRIGHT=400TOP=1.0E-2+TITLE="BreakdownVoltage"浙大微电子2023/4/3044/125COMMENTFlowlinesforlastsolutionPLOT.2DBOUNDJUNCDEPLTITLE="Flowlines"FILLSCALECONTOURFLOWLINESNCONT=31COLOR=1COMMENTPotentialcontourandelectricfieldlinsformostrecentsolutionPLOT.2DBOUNDJUNCDEPLTITLE="Poten-lines"FILLSCALECONTOURPOTENTIAMIN=-1MAX=1200DEL=10COLOR=6浙大微电子2023/4/3045/125程序说明：1）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，从而产生二次电子-空穴对，即所谓的“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Medici中提供了这种碰撞离化模型（IMPACT.I）。因此，通过计算电流来仿真击穿电压时，必须在MODELS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型。浙大微电子2023/4/3046/1252）SOVLE语句程序中使用了2个SOLVE语句，第一个SOLVE扫描Drain电压至150V（步长为75V，2步完成），这主要用来减少仿真时间；因为预计的击穿电压在200V左右，因此可以减少200V以前的仿真数据点，这样有助于减少仿真时间。第二个SOLVE，采用CONTINU方法，软件自动设置扫描步长追踪I-V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。浙大微电子2023/4/3047/125在SOLVE命令中有两种基本直流稳态扫描参数，一种为电压扫描，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。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CONTINU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，以保证仿真的收敛性。浙大微电子2023/4/3048/1253）仿真结果输出击穿曲线图浙大微电子2023/4/3049/125

电流分布图电势分布图浙大微电子2023/4/3050/125导通电阻RonCOMMENTRdsAnalysisMESHIN.FILE=TSUPREM-IV_final.tifTIFCOMMENTElectrodedefinitioncontactname=gaten.polyCOMMENTSpecifyinterfacefixedchargedensityINTERFACQF=1E10COMMENTSpecifyphysicalmodelstouseMODELSCONMOBSRFMOB2FLDMOBCOMMENTInitialsolutionSYMBCARRIERS=0浙大微电子2023/4/3051/125METHODICCGDAMPEDSOLVESYMBCARRIERS=0METHODICCGDAMPEDSOLVEV(Gate)=10SYMBCARRIERS=1NEWTONELECTRONLOGOUT.FILE=RDS.logSOLVEELEC=drainV(drain)=0NSTEP=30VSTEP=0.1COMMENTDraincurrentvs.drainvoltage浙大微电子2023/4/3052/125PLOT.1DX.AXIS=V(drain)Y.AXIS=I(drain)POINTS+COLOR=2^ORDER+TITLE="V(drain)-I(drain)"CLEAREXTRACTNAME=IDEXP=@I(DRAIN)*(3E6)EXTRACTNAME=RdsEXP=@V(DRAIN)/(@ID)PLOT.1DX.AXIS=V(drain)Y.AXIS=IDCOLOR=2^ORDERCLEAR+TITLE="ID-V(drain)"PLOT.1DX.AXIS=IDY.AXIS=RdsCOLOR=3^ORDERCLEAR+LEFT=0.1RIGHT=30TITLE="Rds"浙大微电子2023/4/3053/125VGS=10V时的漏端I-V曲线

源漏电阻Rds与源漏电流ID的关系曲线浙大微电子2023/4/3054/125阈值电压COMMENTVthMESHIN.FILE=TSUPREM-IV_final.tifTIFCOMMENTElectrodedefinitionContactname=gaten.polyCOMMENTSpecifyinterfacefixedchargedensityINTERFACQF=1E10COMMENTSpecifyphysicalmodelstouseMODELSCONMOBSRFMOB2FLDMOBCOMMENTInitialsolution,regridandpotentialSYMBCARRIERS=0METHODICCGDAMPEDSOLVESYMBCARRIERS=0METHODICCGDAMPED浙大微电子2023/4/3055/125导通电阻RonSOLVEV(Gate)=10SYMBCARRIERS=1NEWTONELECTRONLOGOUT.FILE=RDS.logSOLVEELEC=drainV(drain)=0NSTEP=30VSTEP=0.1COMMENTDraincurrentvs.drainvoltagePLOT.1DX.AXIS=V(drain)Y.AXIS=I(drain)POINTSCOLOR=2^ORDER+TITLE="V(drain)-I(drain)"CLEAR浙大微电子2023/4/3056/125导通电阻RonEXTRACTNAME=IDEXP=@I(DRAIN)*(3E6)EXTRACTNAME=RdsEXP=@V(DRAIN)/(@ID)PLOT.1DX.AXIS=V(drain)Y.AXIS=IDCOLOR=2^ORDERCLEAR+TITLE="ID-V(drain)"PLOT.1DX.AXIS=IDY.AXIS=RdsCOLOR=3^ORDERCLEAR+LEFT=0.1RIGHT=30TITLE="Rds"浙大微电子2023/4/3057/125MOS转移特性曲线

局部放大后的阈值曲线浙大微电子2023/4/3058/125开关时间：td-on、td-off、tr、tf开关速度的评价主要包括4个时间常数，即导通延时时间td-on、关断延时时间td-off、上升时间tr、下降时间tf，如图所示，各时间定义如下：浙大微电子2023/4/3059/125开关时间：td-on、td-off、tr、tftd-on：从栅电压上升到10%栅驱动电压到漏电压下降10%所经历的时间。td-off：从栅电压下降到90%栅驱动电压到漏电压上升至10%所经历的时间。tr：漏极电压从90%下降到10%所经历的时间（此时电流上升）。tf：漏极电压从10%上升到90%所经历的时间（此时电流下降）。浙大微电子2023/4/3060/125

开关时间的测定需采用测试电路，因此需用到MEDICI的电路仿真功能，即电路分析高级应用模块（CircuitAnalysisAdvancedApplicationModule,CA-AAM）。

MEDICI的电路仿真类似于SPICE电路仿真，它能提供全部的线性、非线性SPICE元器件。在电路仿真中，MEDICI使用吉尔霍夫电流/电压定律（KCL、KVL）来描述电路，使用半导体基本方程来描述器件（Poisson,continuity,energybalance,andlatticetemperature），软件通过求解这些耦合集得到结果。浙大微电子2023/4/3061/125浙大微电子2023/4/3062/125COMMENTSwitchtimeAnalysisMESHIN.FILE=TSUPREM-IV_final.tifTIFCONTACTNAME=GATEN.POLYSAVEOUT.FILE=MD.TIFTIFALLCOMMENTEnterCIRCUITmodeSTARTCIRCUIT$PowersupplyVDD4020$InputsourceVIN10PULSE01020n10n10n60n2000000n浙大微电子2023/4/3063/125$InputresistanceRG129.4$VDMOST4transistorPVDMOS3=Drain2=Gate0=Source+FILE=MD.TIFTIFWIDTH=3E6$resistanceRL346.67$Initialguessatcircuitnodevoltages.NODESETV(1)=0V(2)=0V(3)=20V(4)=20$ReturntoMEDICImodeforsolutionandplottingFINISHCIRCUIT浙大微电子2023/4/3064/125SYMBOLNEWTONCARR=0SOLVEINITSYMBOLNEWTONCARR=2SOLVEELEMENT=VDDV.ELEM=30VSTEP=70NSTEP=1SYMBOLNEWTONCARR=2METHODN.DVLIM=0.3TOL.TIME=.02SOLVEDT=1e-10TSTOP=210e-9COMMENTPlotthecircuitvoltagesandcurrentsPLOT.1DX.AX=TIMEY.AX=VC(1)TITLE="Vin"PLOT.1DX.AX=TIMEY.AX=VC(3)TITLE="V(DRAIN)"浙大微电子2023/4/3065/125程序说明：1）输入信号波形通过下面语句指定输入脉冲信号波形：

VIN10PULSE01020n10n10n60n2000n

VIN10PULSE01020n10n10n60n2000nname+node-nodeinitialfinalTdTrTfTpTper浙大微电子2023/4/3066/1252）程序语句$InputresistanceRG129.4中的9.4为测试电路中的RG和栅寄生电阻之和，而$resistanceRL346.67中的6.67为测试电路中RL的值。浙大微电子2023/4/3067/125

输入输出信号波形分别如下图所示，根据上面对各时间常数的定义，从图中可知：td-on≈10nstd-off≈60nstr≈18nstf≈26ns。浙大微电子2023/4/3068/125VDMOSFET元胞设计结构参数及工艺参数工艺流程工艺仿真器件仿真器件优化浙大微电子2023/4/3069/125

击穿电压和导通电阻是VDMOS最重要的2个参数。两者一般有如下关系式：

Ron≈BV2.4-2.6器件优化的核心就是在保证击穿电压满足要求的情况下尽可能的减小导通电阻。浙大微电子2023/4/3070/1251、外延层电阻（Repi）优化

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W，都有一个浓度N(或电阻率)与其对应；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和导通电阻，寻找Ron最小的点。浙大微电子2023/4/3071/125浙大微电子2023/4/3072/1252、JFET区电阻RJFET优化

JFET区域位于相邻P-Body之间，就像是一个结型场效应管（JFET）结构，由此而得名。为了降低JFET电阻，可在JFET区进行一次与外延层掺杂类型相同的离子注入，以提高JFET区的浓度，降低电阻。浙大微电子2023/4/3073/125

JFET注入可分为整体JFET注入和局部JFET注入。全部JFET注入就是在外延层表面整体进行一次JFET注入，不用掩膜版；局部JFET注入就是只在JFET区域（即多晶硅栅下面的部分）进行JFET注入。JFET注入图两种JFET注入击穿电压比较图浙大微电子2023/4/3074/125击穿电压、导通电阻随JFET注入剂量的变化图浙大微电子2023/4/3075/125本章内容VDMOSFET概述VDMOSFET元胞设计VDMOSFET终端结构设计VDMOSFET

ESD防护结构设计浙大微电子2023/4/3076/125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，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(FLR)、场板(FP)、结终端扩展(JTE)、横向变掺杂(VLD)、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，因此主要的优化是环的个数和环的间距。浙大微电子2023/4/3077/125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。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2023/4/3078/125工艺仿真

初步设定掩模版参数如图所示，采用3个场限环，环宽都为6um，间距为6um。浙大微电子2023/4/3079/125仿真程序$TSUPREM-4VDMOSApplicationMASKIN.FILE=mask_vdmos.tl1$1.SetgridspacinganderrortoleranceMESHLY.SURF=0.2DY.SURF=0.1LY.ACTIV=15.0+DX.MAX=0.75LY.BOT=15METHODERR.FAC=1.05$2.SelectmodelsMETHODCOMPRESS$3.InitializestructureINITIALIZEWIDTH=10IMPURITY=ARSENICI.RESIST=6浙大微电子2023/4/3080/125STRUCTUREEXTENDRIGHTWIDTH=70DX=2Y.ELIM=7SAVEFILEOUT.FILE=INI.tifTIFSELECTTITLE="InitialMesh"PLOT.2DSCALEGRIDC.GRID=2SELECTTITLE="Initial"SOURCEPLOTFILE$4.JFETimplantanddriveinDIFFUSETEMP=950TIME=25F.O2=4F.HCL=0.03IMPLANTPHOSENERGY=80DOSE=2E12DIFFUSETEMP=1150TIME=180ETCHOXIDE浙大微电子2023/4/3081/125$5.FieldoxidegrowDIFFUSETEMP=1250TIME=305F.H2=8F.O2=6SAVEFILEOUT.FILE=After_F-ox.tifTIFSELECTTITLE="Fieldoxidegrow"SOURCEPLOTFILE$6.FieldoxideetchDEPOSITNEGATIVEPHOTORESTHICKNES=2SPACES=2EXPOSEMASK=RINGDEVELOPETCHOXIDEETCHPHOTORESSAVEFILEOUT.FILE=After_F-ox2.tifTIF浙大微电子2023/4/3082/125SELECTTITLE="AfterFOXetch"SOURCEPLOTFILE$7.P+implantationDEPOSITNEGATIVEPHOTORESTHICKNES=2SPACES=2EXPOSEMASK=PPDEVELOPIMPLANTBORONENERGY=60DOSE=1E15ETCHPHOTORESSAVEFILEOUT.FILE=afterpp.tifTIFSELECTTITLE="AfterP+implant"SOURCEPLOTFILE浙大微电子2023/4/3083/125$8.GateoxidationDIFFUSETEMP=850TIME=190F.H2=5F.O2=10F.HCL=0.03SAVEFILEOUT.FILE=After_G-ox.tifTIF$9.PolygateformationDEPOSITPOLYTHICK=0.65SPACES=2ETCHPOLY$10.p-implantanddiffuseIMPLANTBORONENERGY=80DOSE=3E13DIFFUSETEMP=1150TIME=125F.N2=7F.O2=0.3浙大微电子2023/4/3084/125SAVEFILEOUT.FILE=afterpbody.tifTIFSELECTTITLE="AfterP-implant"SOURCEPLOTFILE$11.Sourceformation$12.PSGDepsitionandRFWDEPOSITOXIDETHICK=1DIFFUSETEMP=950TIME=25DRYO2SAVEFILEOUT.FILE=afterpsg.tifTIFSELECTTITLE="AfterPSGandRFW"SOURCEPLOTFILE浙大微电子2023/4/3085/125$13.ContactetchDEPOSITPHOTORESNEGATIVETHICK=2SPACES=2EXPOSEMASK=CONTACTDEVELOPETCHOXIDEETCHPHOTORES$14.MetallizationandetchDEPOSITALUMINUMTHICK=0.8DEPOSITPHOTORESNEGATIVETHICK=2SPACES=2浙大微电子2023/4/3086/125EXPOSEMASK=ETCHALDEVELOPETCHALUMINUMETCHPHOTORESSAVEFILEOUT.FILE=AfterALETCH.tifTIFSELECTTITLE="AfterMetallization"SOURCEPLOTFILE$15.Defineelectrode浙大微电子2023/4/3087/125ELECTRODENAME=DRAINBOTTOMELECTRODENAME=SOURCEX=1$16.Save/PlotfinalmeshandstructureSAVEFILEOUT.FILE=TSUPREM-IV_final.tifTIFSELECTTITLE="FinalMesh"PLOT.2DSCALEGRIDC.GRID=2SELECTTITLE="Finalstructure"SOURCEPLOTFILE浙大微电子2023/4/3088/125画图文件PLOTFILE内容与前面元胞工艺仿真中画图文件相同，掩膜版文件mask_vdmos.tl1内容如下：TL101251e30700004RING40125001600022000浙大微电子2023/4/3089/12528000340004000046000PP4012500160002200028000340004000046000CONTACT104000ETCHAL1500070000浙大微电子2023/4/3090/125仿真结果初始外延层生长场氧后场氧刻蚀P+注入浙大微电子2023/4/3091/125P-注入、退火PSG淀积、回流最终形成结构浙大微电子器件仿真仿真程序

COMMENTBVAnalysis

MESHIN.FILE=TSUPREM-IV_final.tifTIF

COMMENTSpecifyinterfacefixedchargedensity

INTERFACQF=1E10

COMMENTBVAnalysis

MESHIN.FILE=TSUPREM-IV_final.tifTIFCOMMENTSpecifyinterfacefixedchargedensityINTERFACQF=1E10COMMENTSpecifyphysicalmodelstouse

2023/4/30浙大微电子92/1252023/4/3093/125MODELSIMPACT.ICONMOBHPMOBCONSRHAUGER+BGNCOMMENTInitialsolution,regridandpotentialSYMBCARRIERS=0METHODICCGDAMPEDSOLVECOMMENTPerforma0-carriersolutionattheinitialbiasSYMBCARRIERS=0SOLVEV(Source)=0.0V(Drain)=0LOCALCOMMENTObtainsolutionsusing2-carrierNewtonwithcontinuation浙大微电子2023/4/3094/125SYMBCARRIERS=2NEWTONMETHODn.dampitlimit=40n.dvlim=15stack=40LOGOUT.FILE=bvds.logSOLVEELEC=DRAINV(DRAIN)=0VSTEP=90NSTEPS=2SOLVEELEC=DRAINCONTINUC.VMAX=400C.IMAX=0.8E-8+C.VSTEP=1C.TOLER=0.01PLOT.2DGRIDTITLE="SimulationMesh"FILLSCALEPLOT.2DTITLE="SimulationMesh"FILLSCALECOMMENTDraincurrentvs.drainvoltageLEFT=200PLOT.1DX.AXIS=V(Drain)Y.AXIS=I(DRAIN)POINTS+COLOR=2^ORDER浙大微电子2023/4/3095/125+RIGHT=270TOP=1.0E-8CLEAR+TITLE="BreakdownVoltage"COMMENTFlowlinesforlastsolutionPLOT.2DBOUNDJUNCDEPLTITLE="Flowlines"FILLSCALECONTOURFLOWLINESNCONT=21COLOR=1COMMENT3DE-FielddistributionPLOT.3DE.FIELD浙大微电子2023/4/3096/125仿真结果优化前的击穿曲线优化前的电场分布浙大微电子2023/4/3097/125参数优化

由于仿真值与实际流片测试值会有偏差，需要有10%的裕量。即对于本款200V器件，终端结构的击穿电压仿真值需要大于220V。同时，为了保证终端结构击穿电压的稳定性，增加一个场限环，即4个场限环，且最终选定环间距为6.5um、6.5um、6.5um、7.0um。

优化后的电场分布图与击穿曲线分别如下图所示。浙大微电子2023/4/3098/125参数优化浙大微电子2023/4/3099/125本章内容VDMOSFET概述VDMOSFET元胞设计VDMOSFET终端结构设计VDMOSFET

ESD防护结构设计浙大微电子2023/4/30100/125ESD现象概述

根据ESD产生的原因及其对集成电路放电的不同方式，通常将静电放电事件分为以下三种模型：（1）人体模型（HumanBodyModel，HBM）（2）机器模型（MachineModel，MM）（3）充电器件模型（ChargedDeviceModel，CDM）HBM,MM和CDM模型下的ESD等效电路图浙大微电子2023/4/30101/125VDMOSFET中的ESD防护结构设计

目前，应用于VDMOS器件的ESD结构已经引起了广泛的研究，常用的ESD保护结构包括SCR（可控硅）GGNMOS（栅接地的NMOS）GGPMOS（栅接地的PMOS）多晶硅/体硅形成的二极管，单纯体硅二极管以及电阻等浙大微电子2023/4/30102/125

SCR，GGNMOS，GGPMOS结构在工艺实现上比较复杂，很难与VDMOS工艺兼容，会造成器件制造成本的上升。因此，此类ESD保护结构常常用于集成电路的I/O防护结构中，而很少应用于分立元器件。一般高压功率VDMOS中采用的ESD保护结构为在柵和源之间加一对背靠背的齐纳二极管，如图所示。浙大微电子2023/4/30103/125

当VDMOS器件正常工作时，总有一个二极管处于反偏状态，不会影响栅、源电极上的电位。但是，当栅、源电极之间因静电产生瞬间高电压时，一个二极管就会发生击穿，并迅速泄放静电电流，箝位栅源电压，从而防止由瞬间高压导致的栅氧层击穿，保护VDMOS的栅氧化层不被破坏。浙大微电子2023/4/30104/125pn结二极管ESD保护结构图PLOY二极管ESD保护结构图浙大微电子2023/4/30105/125ESD防护结构的参数仿真POLY二极管参数图浙大微电子2023/4/30106/125开启电压Vt1

仿真程序TITLEESDDiodeBVSimulationCOMMENTCreateaninitialsimulationmeshMESH^DIAG.FLIX.MESHX.MAX=4.0H1=0.25Y.MESHY.MAX=0.5H1=0.25COMMENTRegionandelectrodestatementsREGIONNAME=BODYPOLYSILIELECTRNAME=AnodeRIGHTELECTRNAME=CathodeLEFT浙大微电子2023/4/30107/125COMMENTSpecifyimpurityprofilesPROFILEP-TYPEN.PEAK=6E17UNIFOUT.FILE=PROFILEPROFILEN-TYPEN.PEAK=2E19UNIF+X.MIN=0X.MAX=2

COMMENTRefinethemeshwithdopingregridsREGRIDDOPINGLOGRAT=3SMOOTH=1+IN.FILE=PROFILEREGRIDDOPINGLOGRAT=3SMOOTH=1+IN.FILE=PROFILE浙大微电子2023/4/30108/125REGRIDDOPINGLOGRAT=3SMOOTH=1+IN.FILE=PROFILEOUT.FILE=PROFILEPLOT.2DGRIDTITLE="DIODE"FILLSCALEPLOT.1DDOPINGY.START=0.5Y.END=0.5Y.LOGPOINTS+TITLE="Y=0.5"SAVEOUT.FILE=DIODE.tifTIFCOMMENTSpecifyphysicalmodelstouseMODELSIMPACT.ICONMOBHPMOBCONSRH+AUGERBGNCOMMENTInitialsolution,regridandpotentialSYMBCARRIERS=0浙大微电子2023/4/30109/125METHODICCGDAMPEDSOLVESYMBNEWTONCARRIERS=2METHODn.dampitlimit=40n.dvlim=15stack=40LOGOUT.FILE=bvds.logSOLVEELEC=cathodeCONTINUC.VMAX=125+C.IMAX=0.8E-8C.VSTEP=0.1C.TOLER=0.01PLOT.1DX.AXIS=V(CATHODE)Y.AXIS=I(CATHODE)+POINTSCOLOR=2^ORDERCLEAR浙大微电子2023/4/30110/125仿真结果ESD二极管的击穿曲线图浙大微电子2023/4/30111/125二次击穿电流It2二次击穿，亦称热电击穿，其发生是由于电流密度过大，引起某些局部点的温度过高，最后导致过热点的晶体熔化，器件损坏。仿真程序CALLFILE=6DIODESAVEOUT.FILE=MD.TIFTIFALLCOMMENTEnterCIRCUITmodeSTARTCIRCUIT浙大微电子2023/4/30112/125$InputsourceITLP10PULSE020e-320n10n10n125n2000000n$6diodestringPDIODE1=Cathode0=Anode+FILE=MD.TIFTIFWIDTH=1FINISHCIRCUITCOMMENTSpecifyphysicalmodelstouseMODELSIMPACT.III.TEMPTMPMOBCONMOB+CONSRHAUGERBGNHPMOBSYMBOLNEWTONCARR=0METHODDAMPEDICCGSOLVEINIT浙大微电子2023/4/30113/125LOGOUT.FILE=It2.logSYMBOLNEWTONCARR=2LAT.TEMPCOUP.LATMETHODstack=40MAX.TEMP=1687SOLVEDT=1e-10TSTOP=130e-9SAVEOUT.FILE=It2.tifTIFLOGOUT.FILE=It2.logCOMMENTPlotthecircuitvoltagesandcurrentsPLOT.1DX.AX=TIMEY.AX=I(PDIODE.ANODE)POINTS+TITLE="I-TLP"PLOT.1DLAT.TEMPCOLOR=2POINTS+TITLE="LatticeTemperature"浙大微电子2023/4/30114/125其中，CALL命令调用的文件6DIODE为用来生成器件结构的文件，内容如下：$*6DIODETITLEESDDiodeStringCOMMENTCreateaninitialsimulationmeshMESH^DIAG.FLIX.MESHX.MAX=26.0H1=0.25Y.MESHY.MAX=0.5H1=0.25浙大微电子2023/4/30115/125COMMENTRegionandelectrodestatementsREGIONNAME=BODYPOLYSILIELECTRNAME=AnodeRIGHTELECTRNAME=Ca