VDMOSFET的設(shè)計(jì)及仿真

1、第第9章章 VDMOSFET的設(shè)計(jì)及的設(shè)計(jì)及仿真驗(yàn)證仿真驗(yàn)證 2022-3-22/125本章內(nèi)容本章內(nèi)容 VDMOSFET概述概述 VDMOSFET元胞設(shè)計(jì)元胞設(shè)計(jì) VDMOSFET終端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)終端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) VDMOSFET ESD防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)浙大微電子2022-3-23/125本章內(nèi)容本章內(nèi)容 VDMOSFET概述概述 VDMOSFET元胞設(shè)計(jì)元胞設(shè)計(jì) VDMOSFET終端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)終端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) VDMOSFET ESD防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)浙大微電子2022-3-24/125 VDMOSFET（Vertical Double-diffused MOSFET，垂，垂直雙擴(kuò)散直雙擴(kuò)

2、散MOSFET）與雙極型功率晶體管相比具有許多優(yōu)良性）與雙極型功率晶體管相比具有許多優(yōu)良性能：能： 輸入阻抗高輸入阻抗高 開關(guān)速度快開關(guān)速度快 工作頻率高工作頻率高 易驅(qū)動(dòng)等特點(diǎn)易驅(qū)動(dòng)等特點(diǎn) 因此，被廣泛地應(yīng)用于節(jié)能照明、開關(guān)電源、汽車電子、因此，被廣泛地應(yīng)用于節(jié)能照明、開關(guān)電源、汽車電子、通訊等領(lǐng)域。通訊等領(lǐng)域。 浙大微電子2022-3-25/125 VDMOS器件是在高阻外延層上采用平面自對(duì)準(zhǔn)雙擴(kuò)散工器件是在高阻外延層上采用平面自對(duì)準(zhǔn)雙擴(kuò)散工藝，利用兩次擴(kuò)散結(jié)深差，在水平方向形成藝，利用兩次擴(kuò)散結(jié)深差，在水平方向形成MOS結(jié)構(gòu)多子導(dǎo)結(jié)構(gòu)多子導(dǎo)電溝道的單極器件。它的源極和漏極分別位于芯片的上

3、下兩面，電溝道的單極器件。它的源極和漏極分別位于芯片的上下兩面，形成垂直電流通道，這種結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)較高漏源之間的擊穿電形成垂直電流通道，這種結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)較高漏源之間的擊穿電壓，因此特別適合用來制作高壓壓，因此特別適合用來制作高壓MOS器件。器件。 VDMOS結(jié)構(gòu)圖結(jié)構(gòu)圖 浙大微電子2022-3-26/125 VDMOS器件利用電場(chǎng)控制表面溝道的載流子達(dá)到開啟和關(guān)器件利用電場(chǎng)控制表面溝道的載流子達(dá)到開啟和關(guān)斷的功能。斷的功能。 VDMOS器件高壓主要由器件高壓主要由N-漏區(qū)和溝道所在漏區(qū)和溝道所在P-區(qū)的區(qū)的PN結(jié)反偏結(jié)反偏形成。為了實(shí)現(xiàn)高壓，必須降低外延層的摻雜濃度或者增大形成。為了實(shí)現(xiàn)高壓，

4、必須降低外延層的摻雜濃度或者增大外延層的厚度，這會(huì)引起外延層的厚度，這會(huì)引起VDMOS器件導(dǎo)通電阻的增加，因器件導(dǎo)通電阻的增加，因而需要在高擊穿電壓和低導(dǎo)通電阻中間進(jìn)行折衷。而需要在高擊穿電壓和低導(dǎo)通電阻中間進(jìn)行折衷。浙大微電子2022-3-27/125 因此，因此，VDMOS的設(shè)計(jì)主要包括中間元胞的設(shè)計(jì)和邊緣的設(shè)計(jì)主要包括中間元胞的設(shè)計(jì)和邊緣終端結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)；目前，很多產(chǎn)品為了增強(qiáng)抗終端結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)；目前，很多產(chǎn)品為了增強(qiáng)抗ESD（electro-static discharge，ESD）能力，還專門設(shè)計(jì)有）能力，還專門設(shè)計(jì)有ESD防護(hù)結(jié)構(gòu)。防護(hù)結(jié)構(gòu)。 VDMOS的電學(xué)參數(shù)主要包括靜態(tài)參數(shù)和動(dòng)態(tài)

5、參數(shù)，以的電學(xué)參數(shù)主要包括靜態(tài)參數(shù)和動(dòng)態(tài)參數(shù)，以及及ESD方面的方面的HBM值等。值等。浙大微電子2022-3-28/125 靜態(tài)參數(shù)包括靜態(tài)參數(shù)包括 導(dǎo)通電阻導(dǎo)通電阻 閾值電壓閾值電壓 漏源擊穿電壓等漏源擊穿電壓等 動(dòng)態(tài)參數(shù)主要包括動(dòng)態(tài)參數(shù)主要包括 器件導(dǎo)通時(shí)的延遲時(shí)間和上升時(shí)間器件導(dǎo)通時(shí)的延遲時(shí)間和上升時(shí)間 器件關(guān)斷時(shí)的延遲時(shí)間和下降時(shí)間等。器件關(guān)斷時(shí)的延遲時(shí)間和下降時(shí)間等。浙大微電子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的主要技術(shù)指標(biāo)的主要技術(shù)指標(biāo)浙大微電子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浙大微電子2022-3-211/125本章內(nèi)容本章內(nèi)容 VDMOSFET概述概述 VDMOSFET元胞設(shè)計(jì)元胞設(shè)計(jì) VDMOSFET終端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)終端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) VDMOSFET ESD防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)浙大微電子2022-3-212/125VDMOSFET元胞設(shè)計(jì)元胞設(shè)計(jì) 結(jié)構(gòu)參數(shù)及工藝參數(shù)結(jié)構(gòu)參數(shù)及工藝參數(shù) 工藝流程工藝流程 工藝仿真工藝仿真 器件仿真器件仿真 器件優(yōu)化器件優(yōu)化浙大微電子2022-3-213/125V

8、DMOSFET元胞設(shè)計(jì)元胞設(shè)計(jì) 結(jié)構(gòu)參數(shù)及工藝參數(shù)結(jié)構(gòu)參數(shù)及工藝參數(shù) 工藝流程工藝流程 工藝仿真工藝仿真 器件仿真器件仿真 器件優(yōu)化器件優(yōu)化浙大微電子2022-3-214/125元胞結(jié)構(gòu)剖面（元胞結(jié)構(gòu)剖面（1/2個(gè)元胞）個(gè)元胞）浙大微電子2022-3-215/125VDMOSFET元胞設(shè)計(jì)元胞設(shè)計(jì) 結(jié)構(gòu)參數(shù)及工藝參數(shù)結(jié)構(gòu)參數(shù)及工藝參數(shù) 工藝流程工藝流程 工藝仿真工藝仿真 器件仿真器件仿真 器件優(yōu)化器件優(yōu)化浙大微電子2022-3-216/125圓 片場(chǎng) 氧 化有 源 區(qū) 刻 蝕P+注 入長(zhǎng) 柵 氧 前刻 蝕 oxide柵 氧 生 長(zhǎng)多 晶 硅 淀 積多 晶 硅 擴(kuò) 散多 晶 硅 刻 蝕P-注 入

9、P-退 火N+注 入PSG淀 積回 流引 線 孔 刻 蝕鋁 層 濺 射鋁 層 刻 蝕背 面 處 理金 屬 化 等一般一般VDMOS的主要制造工藝的主要制造工藝浙大微電子2022-3-217/125主要步驟形成的對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)圖主要步驟形成的對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)圖浙大微電子2022-3-218/125VDMOSFET元胞設(shè)計(jì)元胞設(shè)計(jì) 結(jié)構(gòu)參數(shù)及工藝參數(shù)結(jié)構(gòu)參數(shù)及工藝參數(shù) 工藝流程工藝流程 工藝仿真工藝仿真 器件仿真器件仿真 器件優(yōu)化器件優(yōu)化浙大微電子2022-3-219/1251、工藝及掩模參數(shù)設(shè)定、工藝及掩模參數(shù)設(shè)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設(shè)定的工藝、掩膜版參數(shù)表設(shè)定的工藝、掩膜版參數(shù)表 浙大微電子2022-3-220/1258n+

11、implantAs、60kev、1E15cm-29BPSG/oxide deposition Thick=1um10RFW950、25min、DRYO211Contact etch12Aluminum deposition/etchThick=0.8um浙大微電子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浙大微電子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浙大微電子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浙大微電子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浙大微電子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浙大微電子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浙大微電子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浙大微電子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浙大微電子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浙大微電子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內(nèi)容如下：內(nèi)容如下：*mask_vdmos.tl1： TL1 0125 1e3 0 9500 4 PP 1 8500 9500 浙大微電子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、調(diào)用的畫圖文、調(diào)用的畫圖文PLOTFILE內(nèi)容如下：內(nèi)容如下：*PLOTFILE：$ PLOT FILE $PLOT.2D SCALE 浙大微電子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 浙大微電子2022-3-

22、233/1253、工藝仿真結(jié)果、工藝仿真結(jié)果 運(yùn)行上述仿真文件，輸出的圖形如下列圖所示，從圖運(yùn)行上述仿真文件，輸出的圖形如下列圖所示，從圖中我們可以看到每一個(gè)工藝步驟處理后的結(jié)構(gòu)。中我們可以看到每一個(gè)工藝步驟處理后的結(jié)構(gòu)。 初始網(wǎng)格初始網(wǎng)格 場(chǎng)氧生長(zhǎng)場(chǎng)氧生長(zhǎng)浙大微電子2022-3-234/125P+注入注入 多晶硅淀積、刻蝕多晶硅淀積、刻蝕浙大微電子2022-3-235/125P-注入注入 n+源注入源注入浙大微電子2022-3-236/125最終網(wǎng)格最終網(wǎng)格 最終器件結(jié)構(gòu)最終器件結(jié)構(gòu)浙大微電子2022-3-237/125a）查看）查看X=0處的摻雜濃度分布：處的摻雜濃度分布： SELECT

23、Z=LOG10(BORON-ARSENIC) TITLE=X=0 PLOT.1D X.VALUE=9.5 BOTTOM=10 浙大微電子2022-3-238/125b）查看柵氧厚度：）查看柵氧厚度： SELECT Z=DOPING PRINT.1D layers x.value=0 從上到下輸出器件各層次的結(jié)果信息如下：從上到下輸出器件各層次的結(jié)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 從中可看到柵氧的厚度為從中可看到柵氧的厚度為974A 。浙大微電子2022-3-239/125VDMOSFET元胞設(shè)計(jì)元胞設(shè)計(jì) 結(jié)構(gòu)參數(shù)及工藝參數(shù)結(jié)構(gòu)參數(shù)及工藝參數(shù) 工藝流程工藝流程 工藝仿真工藝仿真 器件仿真器件仿真 器件優(yōu)化器件優(yōu)化浙大微電子2022-3-240/125 VDMOSFET的電學(xué)參

25、數(shù)主要包括靜態(tài)參數(shù)和動(dòng)態(tài)參數(shù)。的電學(xué)參數(shù)主要包括靜態(tài)參數(shù)和動(dòng)態(tài)參數(shù)。 靜態(tài)參數(shù)主要有靜態(tài)參數(shù)主要有 擊穿電壓（擊穿電壓（Breakdown Voltage） 導(dǎo)通電阻（導(dǎo)通電阻（Ron-state） 閾值（閾值（Vth） 動(dòng)態(tài)參數(shù)主要有動(dòng)態(tài)參數(shù)主要有 導(dǎo)通延時(shí)時(shí)間導(dǎo)通延時(shí)時(shí)間td-on 關(guān)斷延時(shí)時(shí)間關(guān)斷延時(shí)時(shí)間td-off 上升時(shí)間上升時(shí)間tr 下降時(shí)間下降時(shí)間tf等等浙大微電子2022-3-241/125擊穿電壓擊穿電壓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浙大微電子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浙大微電子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浙大微電子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浙大微電子2022-3-245/125程序說明：程序說明：1）模型選擇（）模型選擇（MODELS） 雪崩擊穿的發(fā)生是由于在強(qiáng)電場(chǎng)下，半導(dǎo)體中的載流子會(huì)被雪崩擊穿的發(fā)生是由于在強(qiáng)電場(chǎng)下，半導(dǎo)體中的載流子會(huì)被電場(chǎng)加速，部分載流子可以獲得足夠高的能量，這些載流子電場(chǎng)加速，部分載流子可以獲得足夠高的能量，這些載流子有可能通過碰撞把能量傳遞給價(jià)帶上的電子，使之發(fā)生電離，有可能通過碰撞把能量傳遞給價(jià)帶上的電子，使之發(fā)生電離，從而產(chǎn)生二次電子從而產(chǎn)生二次電子-空穴對(duì)，即所謂的空穴對(duì)，即所謂的“碰撞電離碰撞電離”。 軟件要模擬這個(gè)過程就必須選擇相應(yīng)的計(jì)算模型；在軟件

31、要模擬這個(gè)過程就必須選擇相應(yīng)的計(jì)算模型；在Medici中提供了這種碰撞離化模型（中提供了這種碰撞離化模型（IMPACT.I）。因此，通過計(jì)算）。因此，通過計(jì)算電流來仿真擊穿電壓時(shí)，必須在電流來仿真擊穿電壓時(shí)，必須在MODELS語句中指定語句中指定IMPACT.I模型；其它的指定模型一般為遷移率模型和復(fù)合模模型；其它的指定模型一般為遷移率模型和復(fù)合模型。型。浙大微電子2022-3-246/1252）SOVLE語句語句 程序中使用了程序中使用了2個(gè)個(gè)SOLVE語句，第一個(gè)語句，第一個(gè)SOLVE掃描掃描Drain電壓至電壓至150V（步長(zhǎng)為（步長(zhǎng)為75V，2步完成），這主要用來減少步完成），這主要用

32、來減少仿真時(shí)間；因?yàn)轭A(yù)計(jì)的擊穿電壓在仿真時(shí)間；因?yàn)轭A(yù)計(jì)的擊穿電壓在200V左右，因此可以減左右，因此可以減少少200V以前的仿真數(shù)據(jù)點(diǎn)，這樣有助于減少仿真時(shí)間。以前的仿真數(shù)據(jù)點(diǎn)，這樣有助于減少仿真時(shí)間。 第二個(gè)第二個(gè)SOLVE，采用，采用CONTINU方法，軟件自動(dòng)設(shè)置掃描方法，軟件自動(dòng)設(shè)置掃描步長(zhǎng)追蹤步長(zhǎng)追蹤I-V曲線，直至電流達(dá)到設(shè)定的仿真停止點(diǎn)，即達(dá)曲線，直至電流達(dá)到設(shè)定的仿真停止點(diǎn)，即達(dá)到可認(rèn)為器件已擊穿的電流值。到可認(rèn)為器件已擊穿的電流值。浙大微電子2022-3-247/125 在在SOLVE命令中有兩種基本直流穩(wěn)態(tài)掃描參數(shù)，一種為電命令中有兩種基本直流穩(wěn)態(tài)掃描參數(shù)，一種為電壓掃描，

33、另一種為電流掃描。電流掃描較適合于電壓變化壓掃描，另一種為電流掃描。電流掃描較適合于電壓變化較小而電流變化較大的情況，正如器件在擊穿時(shí)的情況。較小而電流變化較大的情況，正如器件在擊穿時(shí)的情況。器件在臨界擊穿時(shí)，電壓增大很小一點(diǎn)也會(huì)使電流迅速增器件在臨界擊穿時(shí)，電壓增大很小一點(diǎn)也會(huì)使電流迅速增大，此時(shí)若采用電壓掃描，仿真會(huì)較難收斂，因此在大，此時(shí)若采用電壓掃描，仿真會(huì)較難收斂，因此在CONTINU方法中軟件會(huì)自動(dòng)從電壓掃描切換到電流掃描，方法中軟件會(huì)自動(dòng)從電壓掃描切換到電流掃描，并且自動(dòng)根據(jù)電流的變化率設(shè)定掃描步長(zhǎng)，以保證仿真的并且自動(dòng)根據(jù)電流的變化率設(shè)定掃描步長(zhǎng)，以保證仿真的收斂性。收斂性。浙

34、大微電子2022-3-248/1253）仿真結(jié)果輸出）仿真結(jié)果輸出擊穿曲線圖擊穿曲線圖浙大微電子2022-3-249/125 電流分布圖電流分布圖 電勢(shì)分布圖電勢(shì)分布圖浙大微電子2022-3-250/125導(dǎo)通電阻導(dǎo)通電阻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浙大微電子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浙大微電子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 浙大微電子2022-3-253/125VGS=10V時(shí)的漏端時(shí)的漏端I-V曲線曲線 源漏電阻源漏電阻Rds與源漏電流與源漏電流ID的的關(guān)系曲線關(guān)系曲線浙大微電子2022-3-254/125閾值電壓閾值電壓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浙大微電子2022-3-255/125導(dǎo)通電阻導(dǎo)通電阻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浙大微電子2022-3-256/125導(dǎo)通電阻導(dǎo)通電阻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 浙大微電子2022-3-257/125MOS轉(zhuǎn)移特性曲線轉(zhuǎn)移特性曲線 局部放大后的閾值曲線局部放大后的閾值曲線浙大微電子2022-3-258/125開關(guān)時(shí)間：開關(guān)時(shí)間：td-on、td-off、tr、tf 開關(guān)速度的評(píng)價(jià)主要包括開關(guān)速度的評(píng)價(jià)主要包括4個(gè)時(shí)間常數(shù)，即導(dǎo)通延時(shí)時(shí)間個(gè)時(shí)間常數(shù)，即導(dǎo)通延時(shí)時(shí)間td-on、關(guān)斷延時(shí)時(shí)間、關(guān)斷延時(shí)時(shí)間t

41、d-off、上升時(shí)間、上升時(shí)間tr、下降時(shí)間、下降時(shí)間tf，如圖所示，如圖所示，各時(shí)間定義如下：各時(shí)間定義如下：浙大微電子2022-3-259/125開關(guān)時(shí)間：開關(guān)時(shí)間：td-on、td-off、tr、tf td-on：從柵電壓上升到：從柵電壓上升到10%柵驅(qū)動(dòng)電壓到漏電壓下降柵驅(qū)動(dòng)電壓到漏電壓下降10%所經(jīng)歷的時(shí)間。所經(jīng)歷的時(shí)間。 td-off：從柵電壓下降到：從柵電壓下降到90%柵驅(qū)動(dòng)電壓到漏電壓上升至柵驅(qū)動(dòng)電壓到漏電壓上升至10%所經(jīng)歷的時(shí)間。所經(jīng)歷的時(shí)間。 tr：漏極電壓從：漏極電壓從90%下降到下降到10%所經(jīng)歷的時(shí)間（此時(shí)電流所經(jīng)歷的時(shí)間（此時(shí)電流上升）。上升）。 tf：漏極電壓從

42、：漏極電壓從10%上升到上升到90%所經(jīng)歷的時(shí)間（此時(shí)電流所經(jīng)歷的時(shí)間（此時(shí)電流下降）。下降）。浙大微電子2022-3-260/125 開關(guān)時(shí)間的測(cè)定需采用測(cè)試電路，因此需用到開關(guān)時(shí)間的測(cè)定需采用測(cè)試電路，因此需用到MEDICI的的電路仿真功能，即電路分析高級(jí)應(yīng)用模塊（電路仿真功能，即電路分析高級(jí)應(yīng)用模塊（Circuit Analysis Advanced Application Module ,CA-AAM）。）。 MEDICI的電路仿真類似于的電路仿真類似于SPICE電路仿真，它能提供全電路仿真，它能提供全部的線性、非線性部的線性、非線性SPICE元器件。在電路仿真中，元器件。在電路仿真中

43、，MEDICI使使用吉爾霍夫電流用吉爾霍夫電流/電壓定律（電壓定律（KCL、KVL）來描述電路，使用）來描述電路，使用半導(dǎo)體基本方程來描述器件（半導(dǎo)體基本方程來描述器件（Poisson, continuity, energy balance, and lattice temperature），軟件通過求解這些耦合），軟件通過求解這些耦合集得到結(jié)果。集得到結(jié)果。 浙大微電子2022-3-261/125浙大微電子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浙大微電子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浙大微電子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)浙大微電子2022-3-265/125程序說明：程序說明：1）輸入信號(hào)波形）輸入信號(hào)波形 通過下面語句指定輸入脈沖信號(hào)波形通過下面語句指定輸入脈沖信號(hào)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 浙大微電子2022-3-266/1252）程序語句）程序語句 $ Input resistance RG 1 2 9.4 中的中的9.4為測(cè)試電路中的為測(cè)試電路中的RG和柵寄生電阻之和，而和柵寄生電阻之和，而 $ resistance RL 3 4 6.67 中的中的6.67為測(cè)試電路中為測(cè)試電路中RL的值。的值。浙大微電子2022-3-267/125 輸入輸出信號(hào)波形分別如下圖所示，根據(jù)上面對(duì)各時(shí)間輸入輸出信號(hào)波形分別如下圖所示，根據(jù)上

48、面對(duì)各時(shí)間常數(shù)的定義，從圖中可知：常數(shù)的定義，從圖中可知：td-on10ns td-off60ns tr18ns tf26ns。浙大微電子2022-3-268/125VDMOSFET元胞設(shè)計(jì)元胞設(shè)計(jì) 結(jié)構(gòu)參數(shù)及工藝參數(shù)結(jié)構(gòu)參數(shù)及工藝參數(shù) 工藝流程工藝流程 工藝仿真工藝仿真 器件仿真器件仿真 器件優(yōu)化器件優(yōu)化浙大微電子2022-3-269/125 擊穿電壓和導(dǎo)通電阻是擊穿電壓和導(dǎo)通電阻是VDMOS最重要的最重要的2個(gè)參數(shù)。兩個(gè)參數(shù)。兩者一般有如下關(guān)系式：者一般有如下關(guān)系式： RonBV2.4-2.6 器件優(yōu)化的核心就是在保證擊穿電壓滿足要求的情況器件優(yōu)化的核心就是在保證擊穿電壓滿足要求的情況下盡

49、可能的減小導(dǎo)通電阻。下盡可能的減小導(dǎo)通電阻。浙大微電子2022-3-270/1251、外延層電阻、外延層電阻（Repi）優(yōu)化優(yōu)化 81.2epiDS1.74 10WBVcm31.3DS4.55 10BVcmW 事實(shí)上，為達(dá)到一定的耐壓，外延層厚度、電阻率存在事實(shí)上，為達(dá)到一定的耐壓，外延層厚度、電阻率存在多種組合，對(duì)于任一厚度多種組合，對(duì)于任一厚度W，都有一個(gè)濃度，都有一個(gè)濃度N (或電阻率或電阻率) 與與其對(duì)應(yīng)；因此在保持耐壓基本不變（滿足指標(biāo)要求）的情況其對(duì)應(yīng)；因此在保持耐壓基本不變（滿足指標(biāo)要求）的情況下，仿真其在不同的外延層厚度、電阻率組合下的擊穿電壓下，仿真其在不同的外延層厚度、電阻

50、率組合下的擊穿電壓和導(dǎo)通電阻，尋找和導(dǎo)通電阻，尋找Ron最小的點(diǎn)最小的點(diǎn)。浙大微電子2022-3-271/12581.2epiDS1.74 10WBVcm31.3DS4.55 10BVcmW浙大微電子2022-3-272/1252、JFET區(qū)電阻區(qū)電阻RJFET優(yōu)化優(yōu)化 JFET區(qū)域位于相鄰區(qū)域位于相鄰P-Body之間，就像是一個(gè)結(jié)型場(chǎng)之間，就像是一個(gè)結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管（效應(yīng)管（JFET）結(jié)構(gòu)，由此而得名。為了降低）結(jié)構(gòu)，由此而得名。為了降低JFET電阻，電阻，可在可在JFET區(qū)進(jìn)行一次與外延層摻雜類型相同的離子注入，區(qū)進(jìn)行一次與外延層摻雜類型相同的離子注入，以提高以提高JFET區(qū)的濃度，降低電阻。

51、區(qū)的濃度，降低電阻。 浙大微電子2022-3-273/125 JFET注入可分為整體注入可分為整體JFET注入和局部注入和局部JFET注入。全注入。全部部JFET注入就是在外延層表面整體進(jìn)行一次注入就是在外延層表面整體進(jìn)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區(qū)域（即多晶硅柵下面區(qū)域（即多晶硅柵下面的部分）進(jìn)行的部分）進(jìn)行JFET注入。注入。 JFET注入圖注入圖兩種兩種JFET注入擊穿電壓比較圖注入擊穿電壓比較圖 浙大微電子2022-3-274/125擊穿電壓、導(dǎo)通電阻隨擊穿電壓、導(dǎo)通電阻隨JFET注入劑量的變化圖注入劑量的變化圖浙大

52、微電子2022-3-275/125本章內(nèi)容本章內(nèi)容 VDMOSFET概述概述 VDMOSFET元胞設(shè)計(jì)元胞設(shè)計(jì) VDMOSFET終端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)終端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) VDMOSFET ESD防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)浙大微電子2022-3-276/125結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì) 由于邊緣元胞處平面結(jié)的曲率效應(yīng)，會(huì)使擊穿電壓降低，由于邊緣元胞處平面結(jié)的曲率效應(yīng)，會(huì)使擊穿電壓降低，所以器件還需要有終端結(jié)構(gòu)。已開發(fā)的終端技術(shù)有很多，主所以器件還需要有終端結(jié)構(gòu)。已開發(fā)的終端技術(shù)有很多，主要可歸納分類為場(chǎng)限環(huán)要可歸納分類為場(chǎng)限環(huán)(FLR)、場(chǎng)板、場(chǎng)板(FP)、結(jié)終端擴(kuò)展、結(jié)終端擴(kuò)展(JTE)、橫向變摻雜橫向變摻雜(V

53、LD)、槽形終端等。場(chǎng)限環(huán)的設(shè)計(jì)主要考慮的、槽形終端等。場(chǎng)限環(huán)的設(shè)計(jì)主要考慮的是場(chǎng)限環(huán)的個(gè)數(shù)、場(chǎng)限環(huán)之間的間距、環(huán)的結(jié)深、寬度及濃是場(chǎng)限環(huán)的個(gè)數(shù)、場(chǎng)限環(huán)之間的間距、環(huán)的結(jié)深、寬度及濃度。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，場(chǎng)限環(huán)的結(jié)深、濃度、寬度往往會(huì)受元度。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，場(chǎng)限環(huán)的結(jié)深、濃度、寬度往往會(huì)受元胞工藝參數(shù)等其它因素的制約，是比較容易先確定的，因此胞工藝參數(shù)等其它因素的制約，是比較容易先確定的，因此主要的優(yōu)化是環(huán)的個(gè)數(shù)和環(huán)的間距。主要的優(yōu)化是環(huán)的個(gè)數(shù)和環(huán)的間距。浙大微電子2022-3-277/125結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì) 對(duì)于環(huán)的個(gè)數(shù)，通常來說，耐壓會(huì)隨著環(huán)數(shù)的增加而上對(duì)于環(huán)的個(gè)數(shù)，通常來說，耐壓會(huì)隨著

54、環(huán)數(shù)的增加而上升。但是，環(huán)數(shù)的增多也會(huì)增大所占的芯片面積，而且環(huán)的數(shù)升。但是，環(huán)數(shù)的增多也會(huì)增大所占的芯片面積，而且環(huán)的數(shù)量增加到一定值后耐壓會(huì)達(dá)到飽和。因此設(shè)計(jì)時(shí)要綜合考慮。量增加到一定值后耐壓會(huì)達(dá)到飽和。因此設(shè)計(jì)時(shí)要綜合考慮。對(duì)于環(huán)間距，在確定的外延層情況下總是存在一組最佳值，即對(duì)于環(huán)間距，在確定的外延層情況下總是存在一組最佳值，即在一定的環(huán)間距時(shí)，主結(jié)和各環(huán)結(jié)處的電場(chǎng)峰值基本一致，都在一定的環(huán)間距時(shí)，主結(jié)和各環(huán)結(jié)處的電場(chǎng)峰值基本一致，都剛好到達(dá)臨界擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度，此時(shí)可得到最高耐壓。剛好到達(dá)臨界擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度，此時(shí)可得到最高耐壓。浙大微電子2022-3-278/125工藝仿真工藝仿真 初步設(shè)

55、定掩模版參數(shù)如圖所示，采用初步設(shè)定掩模版參數(shù)如圖所示，采用3個(gè)場(chǎng)限環(huán)，環(huán)寬個(gè)場(chǎng)限環(huán)，環(huán)寬都為都為6um，間距為，間距為6um。 浙大微電子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浙大微電子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浙大微電子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浙大微電子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浙大微電子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 浙大微電子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