![VDMOSFET的設(shè)計及仿真_第1頁](http://file3.renrendoc.com/fileroot_temp3/2022-5/28/3d56279e-87e2-42f1-ae1f-d27e4f9a1c3c/3d56279e-87e2-42f1-ae1f-d27e4f9a1c3c1.gif)
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1、第第9章章 VDMOSFET的設(shè)計及的設(shè)計及仿真驗證仿真驗證 2022-5-282/125本章內(nèi)容本章內(nèi)容 VDMOSFET概述概述 VDMOSFET元胞設(shè)計元胞設(shè)計 VDMOSFET終端結(jié)構(gòu)設(shè)計終端結(jié)構(gòu)設(shè)計 VDMOSFET ESD防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計浙大微電子2022-5-283/125本章內(nèi)容本章內(nèi)容 VDMOSFET概述概述 VDMOSFET元胞設(shè)計元胞設(shè)計 VDMOSFET終端結(jié)構(gòu)設(shè)計終端結(jié)構(gòu)設(shè)計 VDMOSFET ESD防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計浙大微電子2022-5-284/125 VDMOSFET(Vertical Double-diffused MOSFET,垂,垂直雙擴(kuò)散
2、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)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)動等特點(diǎn)易驅(qū)動等特點(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2022-5-285/125 VDMOS器件是在高阻外延層上采用平面自對準(zhǔn)雙擴(kuò)散工器件是在高阻外延層上采用平面自對準(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
3、芯片的上下兩面,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2022-5-286/125 VDMOS器件利用電場控制表面溝道的載流子達(dá)到開啟和關(guān)器件利用電場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
4、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,這會引起外延層的厚度,這會引起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2022-5-287/125 因此,因此,VDMOS的設(shè)計主要包括中間元胞的設(shè)計和邊緣的設(shè)計主要包括中間元胞的設(shè)計和邊緣終端結(jié)構(gòu)的設(shè)計;目前,很多產(chǎn)品為了增強(qiáng)抗終端結(jié)構(gòu)的設(shè)計;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)計有)能力,還專門設(shè)計有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
5、態(tài)參數(shù)和動態(tài)參數(shù),以的電學(xué)參數(shù)主要包括靜態(tài)參數(shù)和動態(tài)參數(shù),以及及ESD方面的方面的HBM值等。值等。浙大微電子2022-5-288/125 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 動態(tài)參數(shù)主要包括動態(tài)參數(shù)主要包括 器件導(dǎo)通時的延遲時間和上升時間器件導(dǎo)通時的延遲時間和上升時間 器件關(guān)斷時的延遲時間和下降時間等。器件關(guān)斷時的延遲時間和下降時間等。浙大微電子2022-5-289/125Symbol ParameterTestconditionsMin. Typ. Max. Uniton/offstatesBVdsDrain-Sourcebreakd
6、own voltageID = 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2022-5-2810/125Dynamictd-onTurn-on delay timeVDD = 125V ID = 20ARG =9.4W W VGS = 10V 21nstd-offTurn-off de
7、lay time72nstrRise time35nstfFall time44nsVESD(G-S)HBMGate source ESDHBM- C=125 pF, R=1.5 k6000V浙大微電子2022-5-2811/125本章內(nèi)容本章內(nèi)容 VDMOSFET概述概述 VDMOSFET元胞設(shè)計元胞設(shè)計 VDMOSFET終端結(jié)構(gòu)設(shè)計終端結(jié)構(gòu)設(shè)計 VDMOSFET ESD防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計浙大微電子2022-5-2812/125VDMOSFET元胞設(shè)計元胞設(shè)計 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
8、-5-2813/125VDMOSFET元胞設(shè)計元胞設(shè)計 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2022-5-2814/125元胞結(jié)構(gòu)剖面(元胞結(jié)構(gòu)剖面(1/2個元胞)個元胞)浙大微電子2022-5-2815/125VDMOSFET元胞設(shè)計元胞設(shè)計 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2022-5-2816/125圓 片場 氧 化有 源 區(qū) 刻 蝕P+注 入長 柵 氧 前刻 蝕 oxide柵 氧 生 長多 晶 硅 淀 積多 晶 硅 擴(kuò)
9、散多 晶 硅 刻 蝕P-注 入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2022-5-2817/125主要步驟形成的對應(yīng)結(jié)構(gòu)圖主要步驟形成的對應(yīng)結(jié)構(gòu)圖浙大微電子2022-5-2818/125VDMOSFET元胞設(shè)計元胞設(shè)計 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2022-5-2819/1251、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:A
10、rsenic,=6cm,Thickness=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
11、2022-5-2820/1258n+ implantAs、60kev、1E15cm-29BPSG/oxide deposition Thick=1um10RFW950、25min、DRYO211Contact etch12Aluminum deposition/etchThick=0.8um浙大微電子2022-5-2821/1252、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
12、 NAME=PBODYENERGY N.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2022-5-2822/125$ 1. Set meshMESH LY.SURF=0.2 DY.SURF=0.1 LY.ACTIV=EPITHIC+LY.BOT=EPITHIC DX.MAX=0.75METH
13、OD ERR.FAC=1.0$ 2. Select modelsMETHOD COMPRESS$ 3. Initialize structureINITIALIZE WIDTH=9.5 IMPURITY=ARSENIC +I.RESIST=EPIRESSI浙大微電子2022-5-2823/125$ 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
14、.O2=6 SAVEFILE OUT.FILE=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2022-5-2824/125EXPOSE MASK=PPDEVELOPIMPLANT IMPURITY=BORON ENERGY=PPENERG+DOSE=PPDOSEETCH PHOTORESSAVEFILE OUT.FILE=afterpp.tif TIF SELE
15、CT TITLE=After P+ implantSOURCE 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2022-5-2825/125$ 8. Poly gate formation DEPOSIT POLY THICK=0.65 SPACES=2DEPOSIT PHOTORES NEGATIVE THICK=2+SPACES=2EXPOSE MASK=POLYDEVELOPETCH POLY E
16、TCH PHOTORESSAVEFILE OUT.FILE=After_Polygate.tif TIFSELECT TITLE=Poly gate formationSOURCE PLOTFILE浙大微電子2022-5-2826/125$ 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=Aft
17、er P- implant SOURCE PLOTFILE$ 10. Source formationDEPOSIT PHOTORES NEGATIVE THICK=2 SPACES=2EXPOSE MASK=NP浙大微電子2022-5-2827/125DEVELOPETCH 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 PHOTO
18、RESSAVEFILE OUT.FILE=afternp.tif TIFSELECT TITLE=After source formationSOURCE PLOTFILE浙大微電子2022-5-2828/125$ 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 NE
19、GATIVE THICK=2 SPACES=2EXPOSE MASK=CONTACTDEVELOPETCH OXIDE浙大微電子2022-5-2829/125ETCH 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 struc
20、tureSAVEFILE OUT.FILE=TSUPREM-IV_final.tif TIF SELECT TITLE=Final MeshPLOT.2D SCALE GRID C.GRID=2浙大微電子2022-5-2830/125SELECT 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2022-5-2831/125POLY 16000 9500 NP 16000 6
21、500CONTACT 16200 9500其中,掩膜版文件其中,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2022-5-2832/125 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 COLO
22、R ALUMINUM COLOR=2 浙大微電子2022-5-2833/1253、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工藝步驟處理后的結(jié)構(gòu)。中我們可以看到每一個工藝步驟處理后的結(jié)構(gòu)。 初始網(wǎng)格初始網(wǎng)格 場氧生長場氧生長浙大微電子2022-5-2834/125P+注入注入 多晶硅淀積、刻蝕多晶硅淀積、刻蝕浙大微電子2022-5-2835/125P-注入注入 n+源注入源注入浙大微電子2022-5-2836/125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2022-5-2837/125
23、a)查看)查看X=0處的摻雜濃度分布:處的摻雜濃度分布: SELECT Z=LOG10(BORON-ARSENIC) TITLE=X=0 PLOT.1D X.VALUE=9.5 BOTTOM=10 浙大微電子2022-5-2838/125b)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 0.000
24、0e+00 2 oxide -1.2913 -0.2523 1.0391 -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2022-5-2839/125VDMOSFET元胞設(shè)計元胞設(shè)計 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
25、優(yōu)化器件優(yōu)化浙大微電子2022-5-2840/125 VDMOSFET的電學(xué)參數(shù)主要包括靜態(tài)參數(shù)和動態(tài)參數(shù)。的電學(xué)參數(shù)主要包括靜態(tài)參數(shù)和動態(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) 動態(tài)參數(shù)主要有動態(tài)參數(shù)主要有 導(dǎo)通延時時間導(dǎo)通延時時間td-on 關(guān)斷延時時間關(guān)斷延時時間td-off 上升時間上升時間tr 下降時間下降時間tf等等浙大微電子2022-5-2841/125擊穿電壓擊穿電壓COMMENT BV AnalysisMESH IN.FILE=TSUPREM-IV_fina
26、l.tif TIF COMMENT Electrode definitionCONTACT 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2022-5-2842/125COMMENT Initial solution , regrid and potentialSYMB CARRIERS=0METHOD ICCG
27、 DAMPEDSOLVECOMMENT Perform a 0-carrier solution 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2022-5-2843/125METHOD n.damp itlimit=40 n.dvlim=15 stack=40LOG OUT.FILE=bvds.lo
28、gEXTRACT NAME=ID EXP=I(DRAIN)*(3E6)SOLVE ELEC=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 C
29、LEAR RIGHT=400 TOP=1.0E-2 + TITLE=Breakdown Voltage浙大微電子2022-5-2844/125COMMENT 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
30、-lines FILL SCALE CONTOUR POTENTIA MIN=-1 MAX=1200 DEL=10 COLOR=6浙大微電子2022-5-2845/125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)電場下,半導(dǎo)體中的載流子會被雪崩擊穿的發(fā)生是由于在強(qiáng)電場下,半導(dǎo)體中的載流子會被電場加速,部分載流子可以獲得足夠高的能量,這些載流子電場加速,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,即所謂的空
31、穴對,即所謂的“碰撞電離碰撞電離”。 軟件要模擬這個過程就必須選擇相應(yīng)的計算模型;在軟件要模擬這個過程就必須選擇相應(yīng)的計算模型;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,通過計算)。因此,通過計算電流來仿真擊穿電壓時,必須在電流來仿真擊穿電壓時,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2022-5-2846/1252)SOVLE語句語句 程序中使用了程序中使用了2個個SOLVE語句,第一個語句,第一個SOLVE掃描掃描Drai
32、n電壓至電壓至150V(步長為(步長為75V,2步完成),這主要用來減少步完成),這主要用來減少仿真時間;因為預(yù)計的擊穿電壓在仿真時間;因為預(yù)計的擊穿電壓在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間。以前的仿真數(shù)據(jù)點(diǎn),這樣有助于減少仿真時間。 第二個第二個SOLVE,采用,采用CONTINU方法,軟件自動設(shè)置掃描方法,軟件自動設(shè)置掃描步長追蹤步長追蹤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2022-5-2847/125 在在SOLVE
33、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,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,正如器件在擊穿時的情況。較小而電流變化較大的情況,正如器件在擊穿時的情況。器件在臨界擊穿時,電壓增大很小一點(diǎn)也會使電流迅速增器件在臨界擊穿時,電壓增大很小一點(diǎn)也會使電流迅速增大,此時若采用電壓掃描,仿真會較難收斂,因此在大,此時若采用電壓掃描,仿真會較難收斂,因此在CONTINU方法中軟件會自動從電壓掃描切換到電流掃描,方法中軟件會自動從電壓掃描切換到電流掃描,并且自動根據(jù)電流的變化率設(shè)
34、定掃描步長,以保證仿真的并且自動根據(jù)電流的變化率設(shè)定掃描步長,以保證仿真的收斂性。收斂性。浙大微電子2022-5-2848/1253)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2022-5-2849/125 電流分布圖電流分布圖 電勢分布圖電勢分布圖浙大微電子2022-5-2850/125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 f
35、ixed charge densityINTERFAC QF=1E10COMMENT Specify physical models to useMODELS CONMOB SRFMOB2 FLDMOBCOMMENT Initial solutionSYMB CARRIERS=0浙大微電子2022-5-2851/125METHOD ICCG DAMPEDSOLVESYMB CARRIERS=0METHOD ICCG DAMPEDSOLVE V(Gate)=10SYMB CARRIERS=1 NEWTON ELECTRONLOG OUT.FILE=RDS.logSOLVE ELEC=drain
36、V(drain)=0 NSTEP=30 VSTEP=0.1COMMENT Drain current vs. drain voltage浙大微電子2022-5-2852/125PLOT.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
37、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2022-5-2853/125VGS=10V時的漏端時的漏端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2022-5-2854/125閾值電壓閾值電壓COMMENT Vth MESH IN.FILE=TSUPREM-IV_final.tif TIF COMMENT Electrode definitionContact name=g
38、ate n.polyCOMMENT Specify interface fixed charge densityINTERFAC 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2022-5-2855/125導(dǎo)通電阻導(dǎo)通電阻RonSOLVE V(Gate)=
39、10SYMB CARRIERS=1 NEWTON ELECTRONLOG OUT.FILE=RDS.logSOLVE 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2022-5-2856/125導(dǎo)通電阻導(dǎo)通電阻RonEXTRACT NAME=ID EXP=I(DRAIN)*(3E6)EXT
40、RACT 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=Rds COLOR=3 ORDER CLEAR+ LEFT=0.1 RIGHT=30 TITLE=Rds 浙大微電子2022-5-2857/125MOS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2022-5-2858/125開關(guān)時間:開關(guān)時間:td-on、td-off、tr、tf 開關(guān)速度的評價主要包括開
41、關(guān)速度的評價主要包括4個時間常數(shù),即導(dǎo)通延時時間個時間常數(shù),即導(dǎo)通延時時間td-on、關(guān)斷延時時間、關(guān)斷延時時間td-off、上升時間、上升時間tr、下降時間、下降時間tf,如圖所示,如圖所示,各時間定義如下:各時間定義如下:浙大微電子2022-5-2859/125開關(guān)時間:開關(guān)時間: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)動電壓到漏電壓下降柵驅(qū)動電壓到漏電壓下降10%所經(jīng)歷的時間。所經(jīng)歷的時間。 td-off:從柵電壓下降到:從柵電壓下降到90%柵驅(qū)動電壓到漏電壓上升至柵驅(qū)動電壓到漏電壓上升至10%所經(jīng)歷的時間。所經(jīng)歷的時間。 tr:漏極電壓
42、從:漏極電壓從90%下降到下降到10%所經(jīng)歷的時間(此時電流所經(jīng)歷的時間(此時電流上升)。上升)。 tf:漏極電壓從:漏極電壓從10%上升到上升到90%所經(jīng)歷的時間(此時電流所經(jīng)歷的時間(此時電流下降)。下降)。浙大微電子2022-5-2860/125 開關(guān)時間的測定需采用測試電路,因此需用到開關(guān)時間的測定需采用測試電路,因此需用到MEDICI的的電路仿真功能,即電路分析高級應(yīng)用模塊(電路仿真功能,即電路分析高級應(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
43、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,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2022-5-2861/125浙大微電子2022-5-2862/125COMMENT Switch time
44、 AnalysisMESH IN.FILE=TSUPREM-IV_final.tif TIFCONTACT NAME=GATE 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2022-5-2863/125$ Input resistanceRG 1 2 9.4$ VDMOS T4 transistorPVDMOS 3=Dr
45、ain 2=Gate 0=Source + FILE=MD.TIF TIF WIDTH=3E6$ resistance RL 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2022-5-2864/125SYMBOL NEWTON CARR=0SOLVE INITSYMBOL NEWTON CARR=2SOLVE ELEMENT=VDD
46、V.ELEM=30 VSTEP=70 NSTEP=1 SYMBOL NEWTON CARR=2METHOD N.DVLIM=0.3 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2022-5-2865/125程序說明:程序說明:1)輸入信號波形)輸入信號波形 通過下面語句指定輸入脈沖信號波形通過下面語
47、句指定輸入脈沖信號波形: VIN 1 0 PULSE 0 10 20n 10n 10n 60n 2000n VIN 1 0 PULSE 0 10 20n 10n 10n 60n 2000n name +node -node initial final Td Tr Tf Tp Tper 浙大微電子2022-5-2866/1252)程序語句)程序語句 $ Input resistance RG 1 2 9.4 中的中的9.4為測試電路中的為測試電路中的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為測試電路中為測試電路中RL的值。的
48、值。浙大微電子2022-5-2867/125 輸入輸出信號波形分別如下圖所示,根據(jù)上面對各時間輸入輸出信號波形分別如下圖所示,根據(jù)上面對各時間常數(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2022-5-2868/125VDMOSFET元胞設(shè)計元胞設(shè)計 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2022-5-2869/125 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個參數(shù)。兩個參數(shù)。兩者一般有如下關(guān)系式:者一般有
49、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2022-5-2870/1251、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,對于任一厚度多種組合,對于任一厚度W,都有一個濃度,都有一個濃度N (或電阻率或電阻率) 與與其對應(yīng);因此在保持耐壓基本不變(滿足指標(biāo)要求)的情況
50、其對應(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2022-5-2871/12581.2epiDS1.74 10WBVcm31.3DS4.55 10BVcmW浙大微電子2022-5-2872/1252、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,就像是一個結(jié)型場之間,就像是一個結(jié)型場效應(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
51、,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。區(qū)的濃度,降低電阻。 浙大微電子2022-5-2873/125 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
52、圖注入擊穿電壓比較圖 浙大微電子2022-5-2874/125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微電子2022-5-2875/125本章內(nèi)容本章內(nèi)容 VDMOSFET概述概述 VDMOSFET元胞設(shè)計元胞設(shè)計 VDMOSFET終端結(jié)構(gòu)設(shè)計終端結(jié)構(gòu)設(shè)計 VDMOSFET ESD防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計浙大微電子2022-5-2876/125結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計 由于邊緣元胞處平面結(jié)的曲率效應(yīng),會使擊穿電壓降低,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)
53、的終端技術(shù)有很多,主要可歸納分類為場限環(huán)要可歸納分類為場限環(huán)(FLR)、場板、場板(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(VLD)、槽形終端等。場限環(huán)的設(shè)計主要考慮的、槽形終端等。場限環(huán)的設(shè)計主要考慮的是場限環(huán)的個數(shù)、場限環(huán)之間的間距、環(huán)的結(jié)深、寬度及濃是場限環(huán)的個數(shù)、場限環(huán)之間的間距、環(huán)的結(jié)深、寬度及濃度。在實(shí)際設(shè)計中,場限環(huán)的結(jié)深、濃度、寬度往往會受元度。在實(shí)際設(shè)計中,場限環(huán)的結(jié)深、濃度、寬度往往會受元胞工藝參數(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)的個數(shù)和環(huán)的間距。主要的優(yōu)化是環(huán)的個數(shù)和環(huán)的間
54、距。浙大微電子2022-5-2877/125結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計 對于環(huán)的個數(shù),通常來說,耐壓會隨著環(huán)數(shù)的增加而上對于環(huán)的個數(shù),通常來說,耐壓會隨著環(huán)數(shù)的增加而上升。但是,環(huán)數(shù)的增多也會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達(dá)到飽和。因此設(shè)計時要綜合考慮。量增加到一定值后耐壓會達(dá)到飽和。因此設(shè)計時要綜合考慮。對于環(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,主結(jié)和各環(huán)結(jié)處的電場峰值基本一致,都在一定的環(huán)間距時,主結(jié)和各環(huán)結(jié)處的電場峰值基本一致,都剛
55、好到達(dá)臨界擊穿電場強(qiáng)度,此時可得到最高耐壓。剛好到達(dá)臨界擊穿電場強(qiáng)度,此時可得到最高耐壓。浙大微電子2022-5-2878/125工藝仿真工藝仿真 初步設(shè)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個場限環(huán),環(huán)寬個場限環(huán),環(huán)寬都為都為6um,間距為,間距為6um。 浙大微電子2022-5-2879/125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.A
56、CTIV=15.0+DX.MAX=0.75 LY.BOT=15METHOD ERR.FAC=1.05 $ 2. Select modelsMETHOD COMPRESS$ 3. Initialize structureINITIALIZE WIDTH=10 IMPURITY=ARSENIC I.RESIST=6浙大微電子2022-5-2880/125STRUCTURE EXTEND RIGHT WIDTH=70 DX=2 Y.ELIM=7SAVEFILE OUT.FILE=INI.tif TIFSELECT TITLE=Initial MeshPLOT.2D SCALE GRID C.GRID
57、=2 SELECT TITLE=InitialSOURCE PLOTFILE$ 4. JFET implant and drive inDIFFUSE TEMP=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2022-5-2881/125$ 5. Field oxide growDIFFUSE TEMP=1250 TIME=305 F.H2=8 F.O2=6 SAVEFILE OUT.FILE=After_F-ox.tif TIFSEL
58、ECT TITLE=Field oxide grow SOURCE PLOTFILE $ 6. Field oxide etchDEPOSIT NEGATIVE PHOTORES THICKNES=2 SPACES=2EXPOSE MASK=RINGDEVELOPETCH OXIDE ETCH PHOTORES SAVEFILE OUT.FILE=After_F-ox2.tif TIF浙大微電子2022-5-2882/125SELECT TITLE=After FOX etchSOURCE PLOTFILE$ 7. P+ implantationDEPOSIT NEGATIVE PHOTORE
59、S THICKNES=2 SPACES=2EXPOSE MASK=PPDEVELOPIMPLANT BORON ENERGY=60 DOSE=1E15ETCH PHOTORESSAVEFILE OUT.FILE=afterpp.tif TIF SELECT TITLE=After P+ implantSOURCE PLOTFILE浙大微電子2022-5-2883/125$ 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. Po
60、ly gate formation DEPOSIT POLY THICK=0.65 SPACES=2ETCH POLY $ 10. p- implant and diffuseIMPLANT BORON ENERGY=80 DOSE=3E13DIFFUSE TEMP=1150 TIME=125 F.N2=7 F.O2=0.3 浙大微電子2022-5-2884/125SAVEFILE OUT.FILE=afterpbody.tif TIFSELECT TITLE=After P- implant SOURCE PLOTFILE$ 11. Source formation$ 12. PSG Dep
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