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高压功率MOSFET终端结构击穿特性的研究

作　者: 于莉珊
导　师: 冯全源
学　校: 西南交通大学
专　业: 电路与系统
关键词: 功率电子器件终端结构击穿电压优化设计
分类号: TN386.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

耐压能力是功率MOSFET的最重要性能,通常在器件的应用选型中,击穿电压是作为首要的考虑指标。对于击穿电压小于100V的VDMOS器件,达到规格要求的击穿电压难度不大,对于这类器件的耐压设计主要是考虑其与导通电阻之间的折衷与优化；而对于高压VDMOS器件而言,提高击穿电压是芯片设计的最难点,因为在高逆向偏压下,在最外圈的元胞区如果没有保护措施则会导致芯片的提前击穿。终端结构的作用就是,利用特别设计的横向结构将漏源之间的高电势差,从元胞平缓过渡到芯片边缘。一般而言,在高压VDMOS的设计中,只要终端结构的击穿电压达到了设计规格,则芯片的整体耐压就能得到保证。本论文研究的是高压VDMOS的终端结构。作为高压器件的典型规格,耐压为600V的VDMOS终端结构是本论文的优化与设计目标。首先研究雪崩击穿的机制及其发生条件,代入平行平面结与圆柱结两种模型得到击穿电压的解析方程。平行平面结模型适用于外延片掺杂浓度与厚度的参数选取,通过计算得到的外延片参数与仿真值误差在0.3%,并且得到的是导通电阻与击穿电压折衷的最优解。圆柱结模型应用于主结边缘的击穿电压计算,获得结曲率半径与击穿电压之间呈正比的强烈关系。该结论是多种基本的终端技术原理的根基,特别是场限环技术及其他结终端技术,就是通过增大耗尽层曲率半径的方式获得高击穿电压。接着对多场限环场板复合的终端结构进行设计与优化,分别对单场限环和单场板的模型进行仿真,探究其形状与位置的改变导致终端电性能特性的变化,包括表面电场分布,碰撞电离率分布,耗尽层曲线形状以及击穿电压的变化趋势等。这将指导复合结构终端的调整与优化。通过TCAD仿真软件ISE优化得到的6场限环场板复合终端耐压为690.2V,终端宽度为150μm。本论文还基于表面变形的原理设计了浅沟槽负斜坡终端结构。优化后得到宽度为126.7μm,击穿电压为724.8V的终端结构,达到了同外延材料同制程条件下元胞区击穿电压的90%。具有应用意义的终端结构还需考虑到其面积大小,因为终端结构的唯一功能就是使芯片的击穿电压尽量接近于元胞区耐压。在芯片正常工作时,终端并不提供电流通路,所以终端面积过大会造成同成本下芯片的导通电阻增加,同时增加的还有漏电流。本论文设计的两种终端结构中,浅沟槽负斜坡的终端宽度比多场限环场板结构的小得多,但是对工艺技术的要求有所增加。

全文目录

摘要  6-7
Abstract  7-11
第一章绪论  11-18
  1.1 功率电子器件概述  11-12
  1.2 功率MOSFET研究现状  12-16
    1.2.1 功率MOSFET的发展现状  12-15
    1.2.2 终端耐压技术的发展现状  15-16
  1.3 本文的主要工作  16-18
第二章 VDMOS击穿机制与基本的终端技术  18-28
  2.1 雪崩击穿原理  18-21
    2.1.1 碰撞电离率  18-19
    2.1.2 雪崩倍增及击穿  19-20
    2.1.3 关键电场强度  20-21
  2.2 突变圆柱结的对称解及击穿  21-23
  2.3 几种基本的终端技术  23-27
    2.3.1 应用掺杂的终端技术  23-24
    2.3.2 应用场板的终端技术  24-26
    2.3.3 应用表面变形的终端技术  26-27
  2.4 本章小结  27-28
第三章 TCAD仿真基础与VDMOS制程模拟  28-39
  3.1 工艺模拟与VDMOS制程  28-31
  3.2 大尺寸终端的网格化策略  31-34
    3.2.1 三种网格策略  31-33
    3.2.2 大尺寸器件仿真的网格  33-34
  3.3 器件模拟及VDMOS雪崩过程的物理模型  34-38
    3.3.1 雪崩击穿电压的测试电路  34-36
    3.3.2 模拟雪崩过程的物理模型  36-38
  3.4 本章小结  38-39
第四章场限环场板复合结构的600V终端设计  39-54
  4.1 外延片的参数设计  39-43
    4.1.1 无限大平行平面结的击穿电压  39-40
    4.1.2 临界穿通型与穿通型的外延参数设计  40-43
  4.2 600V VDMOS传统终端结构的设计与优化  43-53
    4.2.1 场限环特性研究  43-46
    4.2.2 场板特性研究  46-48
    4.2.3 多场限环场板的600V终端优化  48-53
  4.3 本章小结  53-54
第五章应用表面变形结构的600V终端设计  54-65
  5.1 负斜坡结构的研究  54-58
    5.1.1 负斜坡提高终端耐压的理论基础  54-55
    5.1.2 负斜坡结构的倾角选取  55-56
    5.1.3 应用负斜坡的最小终端宽度  56-58
  5.2 浅沟槽负斜坡结构的终端设计  58-64
    5.2.1 浅沟槽深度的选取  59-61
    5.2.2 斜坡负倾角的选取  61-62
    5.2.3 终端宽度的选取  62-63
    5.2.4 制程中的特殊工艺  63-64
  5.3 本章小结  64-65
结论及未来工作  65-66
致谢  66-67
参考文献  67-71
攻读硕士期间发表的论文  71

高压功率MOSFET终端结构击穿特性的研究

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