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功率场效应晶体管（MOSFET）的可制造性设计

作　者: 赵志桓
导　师: 李惠军；李东华
学　校: 山东大学
专　业: 集成电路工程
关键词: MOS VDMOSFET TCAD仿真器件物理特性仿真可制造性设计
分类号: TN386.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

半导体功率器件是电力电子领域的重要元器件,是实现强电与弱电之间接口的桥梁。在开关电源、变频、显示、节能降耗及生态与环境保护等方面均有广阔的应用前景。半导体功率器件是为解决电子领域面临的功率放大与功率控制需要开发出来,而且,随着功率电子技术的不断发展壮大产生了功率电子学这种新的学科分支。1979年,H.W.Collins等人提出了一种垂直双扩散MOS结构。VDMOS是将微电子技术和电力电子技术融合起来的新一代功率半导体器件。以VDMOSFET为典型代表的MOS半导体功率器件是如今电力电子器件领域的主流,功率VDMOSFET是功率电力电子器件的主流产品之一,它在大功率开关、功率放大器等领域中的应用日益广泛。VDMOSFET是用电场效应控制电流,属于电压控制器件,具有高输入阻抗,低导通电阻,因而驱动功率很小,大输出电流,开关速度快,工作频率高,无二次击穿,安全工作区宽,跨导线性好,放大失真小,热稳定性好等特点。本文首先概括了功率MOSFET的国内外发展历史及其研究现状,提出了本课题的研究意义和研究价值；讨论了MOS的结构特征及特性并对MOSFET器件的基本结构和工作原理进行了介绍。然后,文章重点分析了能够影响功率VDMOSFET导通电阻、阀值电压等参数的各种因素。利用软件模拟,通过计算机的大量计算,然后依工艺条件选择适当的结构参数,使芯片面积达到最小化,从而使成本降低。本工作实现功率VDMOSFET器件的计算机模拟所采用的是新一代TCAD工具包括：Sentaurus-Process工艺仿真工具、Sentaurus-Structure Editor器件结构编辑工具、Sentaurus-Device物理特性仿真工具、集成化的虚拟设计平台Sentaurus WorkBench等半导体器件可制造性设计工具。研究工作的核心阶段是利用Sentaurus process工具建立工艺文件,进行了选择及参数修正以用于VDMOSFET器件的模拟,笔者使用Sentaurus device工具对VDMOSFET器件进行仿真,并仿真得到VDMOSFET器件的诸多参数信息。最后,得到了功率VDMOSFET器件的特性曲线,并对结果进行了较为深入的分析和讨论。结果表明,通过使用半导体器件可制造性设计工具对VDMOSFET件进行计算机模拟与分析出的参数能够达到国外的水平,位于国内同类研究的前沿。

全文目录

摘要  8-10
ABSTRACT  10-12
引言  12-14
第一章绪论  14-17
  1.1 功率MOS器件的发展  14-15
  1.2 本论文的工作及内容安排  15-17
第二章功率VDMOSFET的结构和工作原理  17-31
  2.1 功率VDMOSFET的基本结构  17-18
  2.2 功率VDMOSFET的工作原理  18-20
    2.2.1 截止区  19
    2.2.2 线性区  19-20
    2.2.3 饱和区  20
    2.2.4 准饱和区  20
    2.2.5 击穿区  20
  2.3 VDMOSFET的主要内部参数  20-31
    2.3.1 击穿电压  21
    2.3.2 栅氧层厚度  21-22
    2.3.3 沟道长度  22
    2.3.4 阀值电压  22-23
    2.3.5 导通电阻  23-30
    2.3.6 漏源电流  30-31
第三章 VDMOSFET内部各种参数的选择  31-36
  3.1 VDMOSFET的纵向参数的设计  31-33
    3.1.1 衬底和外延层的选择  31-32
    3.1.2 外延层厚度的选择  32-33
  3.2 VDMOSFET的横向参数的设计  33-34
    3.2.1 扩散窗口L_W的选择  33
    3.2.2 多晶硅尺寸L_P的选择  33
    3.2.3 单晶胞的数量和有源面积  33-34
  3.3 VDMOSFET的参数的总结  34
  3.4 VDMOSFET模拟方案  34-36
第四章 VDMOSFET器件工艺级设计实现  36-43
  4.1 工艺仿真工具  36-38
    4.1.1 Sentaurus Process集成工艺仿真系统  36-37
    4.1.2 Sentaurus-structure Editor器件结构编辑工具  37-38
  4.2 VDMOSFET器件工艺流程  38-39
  4.3 VDMOSFET器件工艺仿真卡命令文件的编写  39-42
  4.4 激活电极并优化网格  42-43
第五章 VDMOSFET器件物理特性仿真实现  43-50
  5.1 Sentaurus-Device物理特性仿真工具  43
  5.2 物理特性分析的典型流程  43-45
  5.3 实现Sentaurus Device器件物理特性仿真的经典理论  45
  5.4 VDMOSFET物理特性仿真卡命令文件  45-50
第六章 VDMOSFET的特性分析  50-55
  6.1 工艺仿真输出结果  50-52
  6.2 物理特性仿真结果  52-54
  6.3 器件关键步骤的工艺设置  54-55
结束语  55-57
参考文献  57-60
致谢  60-61
附录  61

功率场效应晶体管（MOSFET）的可制造性设计

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