第9章 VDMOSFET的設(shè)計(jì)及仿真驗(yàn)證

第9章

VDMOSFET的設(shè)計(jì)及

仿真驗(yàn)證2023/4/302/125本章內(nèi)容VDMOSFET概述VDMOSFET元胞設(shè)計(jì)VDMOSFET終端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)VDMOSFET

ESD防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)浙大微電子2023/4/303/125本章內(nèi)容VDMOSFET概述VDMOSFET元胞設(shè)計(jì)VDMOSFET終端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)VDMOSFET

ESD防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)浙大微電子2023/4/304/125VDMOSFET（VerticalDouble-diffusedMOSFET，垂直雙擴(kuò)散MOSFET）與雙極型功率晶體管相比具有許多優(yōu)良性能：輸入阻抗高開關(guān)速度快工作頻率高易驅(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、通訊等領(lǐng)域。浙大微電子2023/4/305/125VDMOS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MOS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壓，因此特別適合用來制作高壓MOS器件。VDMOS結(jié)構(gòu)圖浙大微電子2023/4/306/125VDMOS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。VDMOS器件高壓主要由N-漏區(qū)和溝道所在P-區(qū)的PN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外延層的厚度，這會(huì)引起VDMOS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。浙大微電子2023/4/307/125

因此，VDMOS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ESD（electro-staticdischarge，ESD）能力，還專門設(shè)計(jì)有ESD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)參數(shù)，以及ESD方面的HBM值等。浙大微電子2023/4/308/125靜態(tài)參數(shù)包括導(dǎo)通電阻閾值電壓漏源擊穿電壓等動(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)間器件關(guān)斷時(shí)的延遲時(shí)間和下降時(shí)間等。浙大微電子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的主要技術(shù)指標(biāo)浙大微電子2023/4/3010/125Dynamictd-onTurn-ondelaytimeVDD=125VID=20A

RG=9.4W

VGS=10V21nstd-offTurn-offdelaytime72nstrRisetime35nstfFalltime44nsVESD(G-S)HBMGatesourceESDHBM-C=125pF,R=1.5k?6000V浙大微電子2023/4/3011/125本章內(nèi)容VDMOSFET概述VDMOSFET元胞設(shè)計(jì)VDMOSFET終端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)VDMOSFET

ESD防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)浙大微電子2023/4/3012/125VDMOSFET元胞設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)參數(shù)及工藝參數(shù)工藝流程工藝仿真器件仿真器件優(yōu)化浙大微電子2023/4/3013/125VDMOSFET元胞設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)參數(shù)及工藝參數(shù)工藝流程工藝仿真器件仿真器件優(yōu)化浙大微電子2023/4/3014/125元胞結(jié)構(gòu)剖面（1/2個(gè)元胞）浙大微電子2023/4/3015/125VDMOSFET元胞設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)參數(shù)及工藝參數(shù)工藝流程工藝仿真器件仿真器件優(yōu)化浙大微電子2023/4/3016/125一般VDMOS的主要制造工藝浙大微電子2023/4/3017/125主要步驟形成的對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)圖浙大微電子2023/4/3018/125VDMOSFET元胞設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)參數(shù)及工藝參數(shù)工藝流程工藝仿真器件仿真器件優(yōu)化浙大微電子2023/4/3019/1251、工藝及掩模參數(shù)設(shè)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設(shè)定的工藝、掩膜版參數(shù)表浙大微電子2023/4/3020/1258n+implantAs、60kev、1E15cm-29BPSG/oxidedepositionThick=1um10RFW950℃、25min、DRYO211Contactetch

12Aluminumdeposition/etchThick=0.8um浙大微電子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浙大微電子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浙大微電子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浙大微電子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浙大微電子2023/4/3025/125$8.PolygateformationDEPOSITPOLYTHICK=0.65SPACES=2DEPOSITPHOTORESNEGATIVETHICK=2+SPACES=2EXPOSEMASK=POLYDEVELOPETCHPOLYETCHPHOTORESSAVEFILEOUT.FILE=After_Polygate.tifTIFSELECTTITLE="Polygateformation"SOURCEPLOTFILE浙大微電子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浙大微電子2023/4/3027/125DEVELOPETCHOXIDEDIFFUSETEMP=900TIME=30DRYO2IMPLANTARSENICDOSE=5E15ENERGY=60ETCHPHOTORESDIFFUSETEMP=900TIME=30DRYO2IMPLANTARSENICDOSE=5E15ENERGY=60ETCHPHOTORESSAVEFILEOUT.FILE=afternp.tifTIFSELECTTITLE="Aftersourceformation"SOURCEPLOTFILE浙大微電子2023/4/3028/125$11.PSGandRFWDEPOSITOXIDETHICK=1DIFFUSETEMP=950TIME=25DRYO2SAVEFILEOUT.FILE=afterpsg.tifTIFSELECTTITLE="AfterPSG"SOURCEPLOTFILE$12.ContactetchandMetallizationDEPOSITPHOTORESNEGATIVETHICK=2SPACES=2EXPOSEMASK=CONTACTDEVELOPETCHOXIDE浙大微電子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浙大微電子2023/4/3030/125SELECTTITLE="Finalstructure"SOURCEPLOTFILE其中，掩膜版文件mask_vdmos.tl1內(nèi)容如下：*mask_vdmos.tl1：TL101251e3095004PP185009500浙大微電子2023/4/3031/125POLY160009500NP160006500CONTACT162009500其中，掩膜版文件mask_vdmos.tl1、調(diào)用的畫圖文PLOTFILE內(nèi)容如下：*PLOTFILE：$$$$PLOTFILE$$$$PLOT.2DSCALE浙大微電子2023/4/3032/125COLORSILICONCOLOR=3$P-typeandn-typeSELECTZ=(BORON-PHOS-ARSENIC)COLORMIN.V=0COLOR=7COLORMAX.V=0COLOR=3COLOROXIDECOLOR=5COLORPOLYCOLOR=2COLORALUMINUMCOLOR=2浙大微電子2023/4/3033/1253、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

場(chǎng)氧生長(zhǎng)浙大微電子2023/4/3034/125P+注入

多晶硅淀積、刻蝕浙大微電子2023/4/3035/125P-注入

n+源注入浙大微電子2023/4/3036/125最終網(wǎng)格

最終器件結(jié)構(gòu)浙大微電子2023/4/3037/125a）查看X=0處的摻雜濃度分布：SELECTZ=LOG10(BORON-ARSENIC)TITLE="X=0"PLOT.1DX.VALUE=9.5BOTTOM=10

浙大微電子2023/4/3038/125b）查看柵氧厚度：SELECTZ=DOPINGPRINT.1Dlayersx.value=0從上到下輸出器件各層次的結(jié)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從中可看到柵氧的厚度為974A。浙大微電子2023/4/3039/125VDMOSFET元胞設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)參數(shù)及工藝參數(shù)工藝流程工藝仿真器件仿真器件優(yōu)化浙大微電子2023/4/3040/125VDMOSFET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)主要有擊穿電壓（BreakdownVoltage）導(dǎo)通電阻（Ron-state）閾值（Vth）動(dòng)態(tài)參數(shù)主要有導(dǎo)通延時(shí)時(shí)間td-on關(guān)斷延時(shí)時(shí)間td-off上升時(shí)間tr下降時(shí)間tf等浙大微電子2023/4/3041/125擊穿電壓COMMENTBVAnalysisMESHIN.FILE=TSUPREM-IV_final.tifTIFCOMMENTElectrodedefinitionCONTACTNAME=GATEN.POLYCOMMENTSpecifyinterfacefixedchargedensityINTERFACQF=1E10COMMENTSpecifyphysicalmodelstouseMODELSIMPACT.ICONMOBHPMOBCONSRH+AUGERBGN浙大微電子2023/4/3042/125COMMENTInitialsolution,regridandpotentialSYMBCARRIERS=0METHODICCGDAMPEDSOLVECOMMENTPerforma0-carriersolutionattheinitialbiasSYMBCARRIERS=0SOLVEV(Source)=0.0V(Gate)=0V(Drain)=0LOCALCOMMENTObtainsolutionsusing2-carrierNewtonwithcontinuationSYMBCARRIERS=2NEWTON浙大微電子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"浙大微電子2023/4/3044/125COMMENTFlowlinesforlastsolutionPLOT.2DBOUNDJUNCDEPLTITLE="Flowlines"FILLSCALECONTOURFLOWLINESNCONT=31COLOR=1COMMENTPotentialcontourandelectricfieldlinsformostrecentsolutionPLOT.2DBOUNDJUNCDEPLTITLE="Poten-lines"FILLSCALECONTOURPOTENTIAMIN=-1MAX=1200DEL=10COLOR=6浙大微電子2023/4/3045/125程序說明：1）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，從而產(chǎn)生二次電子-空穴對(duì)，即所謂的“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Medici中提供了這種碰撞離化模型（IMPACT.I）。因此，通過計(jì)算電流來仿真擊穿電壓時(shí)，必須在MODELS語(yǔ)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)合模型。浙大微電子2023/4/3046/1252）SOVLE語(yǔ)句程序中使用了2個(gè)SOLVE語(yǔ)句，第一個(gè)SOLVE掃描Drain電壓至150V（步長(zhǎng)為75V，2步完成），這主要用來減少仿真時(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。第二個(gè)SOLVE，采用CONTINU方法，軟件自動(dòng)設(shè)置掃描步長(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)到可認(rèn)為器件已擊穿的電流值。浙大微電子2023/4/3047/125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。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CONTINU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)，以保證仿真的收斂性。浙大微電子2023/4/3048/1253）仿真結(jié)果輸出擊穿曲線圖浙大微電子2023/4/3049/125

電流分布圖電勢(shì)分布圖浙大微電子2023/4/3050/125導(dǎo)通電阻RonCOMMENTRdsAnalysisMESHIN.FILE=TSUPREM-IV_final.tifTIFCOMMENTElectrodedefinitioncontactname=gaten.polyCOMMENTSpecifyinterfacefixedchargedensityINTERFACQF=1E10COMMENTSpecifyphysicalmodelstouseMODELSCONMOBSRFMOB2FLDMOBCOMMENTInitialsolutionSYMBCARRIERS=0浙大微電子2023/4/3051/125METHODICCGDAMPEDSOLVESYMBCARRIERS=0METHODICCGDAMPEDSOLVEV(Gate)=10SYMBCARRIERS=1NEWTONELECTRONLOGOUT.FILE=RDS.logSOLVEELEC=drainV(drain)=0NSTEP=30VSTEP=0.1COMMENTDraincurrentvs.drainvoltage浙大微電子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"浙大微電子2023/4/3053/125VGS=10V時(shí)的漏端I-V曲線

源漏電阻Rds與源漏電流ID的關(guān)系曲線浙大微電子2023/4/3054/125閾值電壓COMMENTVthMESHIN.FILE=TSUPREM-IV_final.tifTIFCOMMENTElectrodedefinitionContactname=gaten.polyCOMMENTSpecifyinterfacefixedchargedensityINTERFACQF=1E10COMMENTSpecifyphysicalmodelstouseMODELSCONMOBSRFMOB2FLDMOBCOMMENTInitialsolution,regridandpotentialSYMBCARRIERS=0METHODICCGDAMPEDSOLVESYMBCARRIERS=0METHODICCGDAMPED浙大微電子2023/4/3055/125導(dǎo)通電阻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浙大微電子2023/4/3056/125導(dǎo)通電阻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"浙大微電子2023/4/3057/125MOS轉(zhuǎn)移特性曲線

局部放大后的閾值曲線浙大微電子2023/4/3058/125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4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td-off、上升時(shí)間tr、下降時(shí)間tf，如圖所示，各時(shí)間定義如下：浙大微電子2023/4/3059/125開關(guān)時(shí)間：td-on、td-off、tr、tftd-on：從柵電壓上升到10%柵驅(qū)動(dòng)電壓到漏電壓下降10%所經(jīng)歷的時(shí)間。td-off：從柵電壓下降到90%柵驅(qū)動(dòng)電壓到漏電壓上升至10%所經(jīng)歷的時(shí)間。tr：漏極電壓從90%下降到10%所經(jīng)歷的時(shí)間（此時(shí)電流上升）。tf：漏極電壓從10%上升到90%所經(jīng)歷的時(shí)間（此時(shí)電流下降）。浙大微電子2023/4/3060/125

開關(guān)時(shí)間的測(cè)定需采用測(cè)試電路，因此需用到MEDICI的電路仿真功能，即電路分析高級(jí)應(yīng)用模塊（CircuitAnalysisAdvancedApplicationModule,CA-AAM）。

MEDICI的電路仿真類似于SPICE電路仿真，它能提供全部的線性、非線性SPICE元器件。在電路仿真中，MEDICI使用吉爾霍夫電流/電壓定律（KCL、KVL）來描述電路，使用半導(dǎo)體基本方程來描述器件（Poisson,continuity,energybalance,andlatticetemperature），軟件通過求解這些耦合集得到結(jié)果。浙大微電子2023/4/3061/125浙大微電子2023/4/3062/125COMMENTSwitchtimeAnalysisMESHIN.FILE=TSUPREM-IV_final.tifTIFCONTACTNAME=GATEN.POLYSAVEOUT.FILE=MD.TIFTIFALLCOMMENTEnterCIRCUITmodeSTARTCIRCUIT$PowersupplyVDD4020$InputsourceVIN10PULSE01020n10n10n60n2000000n浙大微電子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浙大微電子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)"浙大微電子2023/4/3065/125程序說明：1）輸入信號(hào)波形通過下面語(yǔ)句指定輸入脈沖信號(hào)波形：

VIN10PULSE01020n10n10n60n2000n

VIN10PULSE01020n10n10n60n2000nname+node-nodeinitialfinalTdTrTfTpTper浙大微電子2023/4/3066/1252）程序語(yǔ)句$InputresistanceRG129.4中的9.4為測(cè)試電路中的RG和柵寄生電阻之和，而$resistanceRL346.67中的6.67為測(cè)試電路中RL的值。浙大微電子2023/4/3067/125

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)間常數(shù)的定義，從圖中可知：td-on≈10nstd-off≈60nstr≈18nstf≈26ns。浙大微電子2023/4/3068/125VDMOSFET元胞設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)參數(shù)及工藝參數(shù)工藝流程工藝仿真器件仿真器件優(yōu)化浙大微電子2023/4/3069/125

擊穿電壓和導(dǎo)通電阻是VDMOS最重要的2個(gè)參數(shù)。兩者一般有如下關(guān)系式：

Ron≈BV2.4-2.6器件優(yōu)化的核心就是在保證擊穿電壓滿足要求的情況下盡可能的減小導(dǎo)通電阻。浙大微電子2023/4/3070/1251、外延層電阻（Repi）優(yōu)化

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W，都有一個(gè)濃度N(或電阻率)與其對(duì)應(yīng)；因此在保持耐壓基本不變（滿足指標(biāo)要求）的情況下，仿真其在不同的外延層厚度、電阻率組合下的擊穿電壓和導(dǎo)通電阻，尋找Ron最小的點(diǎn)。浙大微電子2023/4/3071/125浙大微電子2023/4/3072/1252、JFET區(qū)電阻RJFET優(yōu)化

JFET區(qū)域位于相鄰P-Body之間，就像是一個(gè)結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管（JFET）結(jié)構(gòu)，由此而得名。為了降低JFET電阻，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，以提高JFET區(qū)的濃度，降低電阻。浙大微電子2023/4/3073/125

JFET注入可分為整體JFET注入和局部JFET注入。全部JFET注入就是在外延層表面整體進(jìn)行一次JFET注入，不用掩膜版；局部JFET注入就是只在JFET區(qū)域（即多晶硅柵下面的部分）進(jìn)行JFET注入。JFET注入圖兩種JFET注入擊穿電壓比較圖浙大微電子2023/4/3074/125擊穿電壓、導(dǎo)通電阻隨JFET注入劑量的變化圖浙大微電子2023/4/3075/125本章內(nèi)容VDMOSFET概述VDMOSFET元胞設(shè)計(jì)VDMOSFET終端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)VDMOSFET

ESD防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)浙大微電子2023/4/3076/125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，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)(FLR)、場(chǎng)板(FP)、結(jié)終端擴(kuò)展(JTE)、橫向變摻雜(VLD)、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2023/4/3077/125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。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2023/4/3078/125工藝仿真

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)寬都為6um，間距為6um。浙大微電子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浙大微電子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浙大微電子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浙大微電子2023/4/3082/125SELECTTITLE="AfterFOXetch"SOURCEPLOTFILE$7.P+implantationDEPOSITNEGATIVEPHOTORESTHICKNES=2SPACES=2EXPOSEMASK=PPDEVELOPIMPLANTBORONENERGY=60DOSE=1E15ETCHPHOTORESSAVEFILEOUT.FILE=afterpp.tifTIFSELECTTITLE="AfterP+implant"SOURCEPLOTFILE浙大微電子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浙大微電子2023/4/3084/125SAVEFILEOUT.FILE=afterpbody.tifTIFSELECTTITLE="AfterP-implant"SOURCEPLOTFILE$11.Sourceformation$12.PSGDepsitionandRFWDEPOSITOXIDETHICK=1DIFFUSETEMP=950TIME=25DRYO2SAVEFILEOUT.FILE=afterpsg.tifTIFSELECTTITLE="AfterPSGandRFW"SOURCEPLOTFILE浙大微電子2023/4/3085/125$13.ContactetchDEPOSITPHOTORESNEGATIVETHICK=2SPACES=2EXPOSEMASK=CONTACTDEVELOPETCHOXIDEETCHPHOTORES$14.MetallizationandetchDEPOSITALUMINUMTHICK=0.8DEPOSITPHOTORESNEGATIVETHICK=2SPACES=2浙大微電子2023/4/3086/125EXPOSEMASK=ETCHALDEVELOPETCHALUMINUMETCHPHOTORESSAVEFILEOUT.FILE=AfterALETCH.tifTIFSELECTTITLE="AfterMetallization"SOURCEPLOTFILE$15.Defineelectrode浙大微電子2023/4/3087/125ELECTRODENAME=DRAINBOTTOMELECTRODENAME=SOURCEX=1$16.Save/PlotfinalmeshandstructureSAVEFILEOUT.FILE=TSUPREM-IV_final.tifTIFSELECTTITLE="FinalMesh"PLOT.2DSCALEGRIDC.GRID=2SELECTTITLE="Finalstructure"SOURCEPLOTFILE浙大微電子2023/4/3088/125畫圖文件PLOTFILE內(nèi)容與前面元胞工藝仿真中畫圖文件相同，掩膜版文件mask_vdmos.tl1內(nèi)容如下：TL101251e30700004RING40125001600022000浙大微電子2023/4/3089/12528000340004000046000PP4012500160002200028000340004000046000CONTACT104000ETCHAL1500070000浙大微電子2023/4/3090/125仿真結(jié)果初始外延層生長(zhǎng)場(chǎng)氧后場(chǎng)氧刻蝕P+注入浙大微電子2023/4/3091/125P-注入、退火PSG淀積、回流最終形成結(jié)構(gòu)浙大微電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浙大微電子92/1252023/4/3093/125MODELSIMPACT.ICONMOBHPMOBCONSRHAUGER+BGNCOMMENTInitialsolution,regridandpotentialSYMBCARRIERS=0METHODICCGDAMPEDSOLVECOMMENTPerforma0-carriersolutionattheinitialbiasSYMBCARRIERS=0SOLVEV(Source)=0.0V(Drain)=0LOCALCOMMENTObtainsolutionsusing2-carrierNewtonwithcontinuation浙大微電子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浙大微電子2023/4/3095/125+RIGHT=270TOP=1.0E-8CLEAR+TITLE="BreakdownVoltage"COMMENTFlowlinesforlastsolutionPLOT.2DBOUNDJUNCDEPLTITLE="Flowlines"FILLSCALECONTOURFLOWLINESNCONT=21COLOR=1COMMENT3DE-FielddistributionPLOT.3DE.FIELD浙大微電子2023/4/3096/125仿真結(jié)果優(yōu)化前的擊穿曲線優(yōu)化前的電場(chǎng)分布浙大微電子2023/4/3097/125參數(shù)優(yōu)化

由于仿真值與實(shí)際流片測(cè)試值會(huì)有偏差，需要有10%的裕量。即對(duì)于本款200V器件，終端結(jié)構(gòu)的擊穿電壓仿真值需要大于220V。同時(shí)，為了保證終端結(jié)構(gòu)擊穿電壓的穩(wěn)定性，增加一個(gè)場(chǎng)限環(huán)，即4個(gè)場(chǎng)限環(huán)，且最終選定環(huán)間距為6.5um、6.5um、6.5um、7.0um。

優(yōu)化后的電場(chǎng)分布圖與擊穿曲線分別如下圖所示。浙大微電子2023/4/3098/125參數(shù)優(yōu)化浙大微電子2023/4/3099/125本章內(nèi)容VDMOSFET概述VDMOSFET元胞設(shè)計(jì)VDMOSFET終端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)VDMOSFET

ESD防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)浙大微電子2023/4/30100/125ESD現(xiàn)象概述

根據(jù)ESD產(chǎn)生的原因及其對(duì)集成電路放電的不同方式，通常將靜電放電事件分為以下三種模型：（1）人體模型（HumanBodyModel，HBM）（2）機(jī)器模型（MachineModel，MM）（3）充電器件模型（ChargedDeviceModel，CDM）HBM,MM和CDM模型下的ESD等效電路圖浙大微電子2023/4/30101/125VDMOSFET中的ESD防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

目前，應(yīng)用于VDMOS器件的ESD結(jié)構(gòu)已經(jīng)引起了廣泛的研究，常用的ESD保護(hù)結(jié)構(gòu)包括SCR（可控硅）GGNMOS（柵接地的NMOS）GGPMOS（柵接地的PMOS）多晶硅/體硅形成的二極管，單純體硅二極管以及電阻等浙大微電子2023/4/30102/125

SCR，GGNMOS，GGPMOS結(jié)構(gòu)在工藝實(shí)現(xiàn)上比較復(fù)雜，很難與VDMOS工藝兼容，會(huì)造成器件制造成本的上升。因此，此類ESD保護(hù)結(jié)構(gòu)常常用于集成電路的I/O防護(hù)結(jié)構(gòu)中，而很少應(yīng)用于分立元器件。一般高壓功率VDMOS中采用的ESD保護(hù)結(jié)構(gòu)為在柵和源之間加一對(duì)背靠背的齊納二極管，如圖所示。浙大微電子2023/4/30103/125

當(dāng)VDMOS器件正常工作時(shí)，總有一個(gè)二極管處于反偏狀態(tài)，不會(huì)影響柵、源電極上的電位。但是，當(dāng)柵、源電極之間因靜電產(chǎn)生瞬間高電壓時(shí)，一個(gè)二極管就會(huì)發(fā)生擊穿，并迅速泄放靜電電流，箝位柵源電壓，從而防止由瞬間高壓導(dǎo)致的柵氧層擊穿，保護(hù)VDMOS的柵氧化層不被破壞。浙大微電子2023/4/30104/125pn結(jié)二極管ESD保護(hù)結(jié)構(gòu)圖PLOY二極管ESD保護(hù)結(jié)構(gòu)圖浙大微電子2023/4/30105/125ESD防護(hù)結(jié)構(gòu)的參數(shù)仿真POLY二極管參數(shù)圖浙大微電子2023/4/30106/125開啟電壓Vt1

仿真程序TITLEESDDiodeBVSimulationCOMMENTCreateaninitialsimulationmeshMESH^DIAG.FLIX.MESHX.MAX=4.0H1=0.25Y.MESHY.MAX=0.5H1=0.25COMMENTRegionandelectrodestatementsREGIONNAME=BODYPOLYSILIELECTRNAME=AnodeRIGHTELECTRNAME=CathodeLEFT浙大微電子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浙大微電子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浙大微電子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浙大微電子2023/4/30110/125仿真結(jié)果ESD二極管的擊穿曲線圖浙大微電子2023/4/30111/125二次擊穿電流It2二次擊穿，亦稱熱電擊穿，其發(fā)生是由于電流密度過大，引起某些局部點(diǎn)的溫度過高，最后導(dǎo)致過熱點(diǎn)的晶體熔化，器件損壞。仿真程序CALLFILE=6DIODESAVEOUT.FILE=MD.TIFTIFALLCOMMENTEnterCIRCUITmodeSTARTCIRCUIT浙大微電子2023/4/30112/125$InputsourceITLP10PULSE020e-320n10n10n125n2000000n$6diodestringPDIODE1=Cathode0=Anode+FILE=MD.TIFTIFWIDTH=1FINISHCIRCUITCOMMENTSpecifyphysicalmodelstouseMODELSIMPACT.III.TEMPTMPMOBCONMOB+CONSRHAUGERBGNHPMOBSYMBOLNEWTONCARR=0METHODDAMPEDICCGSOLVEINIT浙大微電子2023/4/30113/125LOGOUT.FILE=It2.logSYMBOLNEWTONCARR=2LAT.TEMPCOUP.LATMETHODstack=40MAX.TEMP=1687SOLVEDT=1e-10TSTOP=130e-9SAVEOUT.FILE=It2.tifTIFLOGOUT.FILE=It2.logCOMMENTPlotthecircuitvoltagesandcurrentsPLOT.1DX.AX=TIMEY.AX=I(PDIODE.ANODE)POINTS+TITLE="I-TLP"PLOT.1DLAT.TEMPCOLOR=2POINTS+TITLE="LatticeTemperature"浙大微電子2023/4/30114/125其中，CALL命令調(diào)用的文件6DIODE為用來生成器件結(jié)構(gòu)的文件，內(nèi)容如下：$*6DIODETITLEESDDiodeStringCOMMENTCreateaninitialsimulationmeshMESH^DIAG.FLIX.MESHX.MAX=26.0H1=0.25Y.MESHY.MAX=0.5H1=0.25浙大微電子2023/4/30115/125COMMENTRegionandelectrodestatementsREGIONNAME=BODYPOLYSILIELECTRNAME=AnodeRIGHTELECTRNAME=Ca