第9章-VDMOSFET的设计及仿真验证

第9章VDMOSFET的设计及仿真验证2020/3/162/125本章内容•VDMOSFET概述•VDMOSFET元胞设计•VDMOSFET终端结构设计•VDMOSFETESD防护结构设计浙大微电子2020/3/163/125本章内容•VDMOSFET概述•VDMOSFET元胞设计•VDMOSFET终端结构设计•VDMOSFETESD防护结构设计浙大微电子2020/3/164/125VDMOSFET（VerticalDouble-diffusedMOSFET，垂直双扩散MOSFET）与双极型功率晶体管相比具有许多优良性能：–输入阻抗高–开关速度快–工作频率高–易驱动等特点因此，被广泛地应用于节能照明、开关电源、汽车电子、通讯等领域。浙大微电子2020/3/165/125VDMOS器件是在高阻外延层上采用平面自对准双扩散工艺，利用两次扩散结深差，在水平方向形成MOS结构多子导电沟道的单极器件。它的源极和漏极分别位于芯片的上下两面，形成垂直电流通道，这种结构可以实现较高漏源之间的击穿电压，因此特别适合用来制作高压MOS器件。N+SubstrateSourceGateN+N+P-BodyP-BodyN-DriftRegionDrainChannelVDMOS结构图浙大微电子2020/3/166/125•VDMOS器件利用电场控制表面沟道的载流子达到开启和关断的功能。•VDMOS器件高压主要由N-漏区和沟道所在P-区的PN结反偏形成。为了实现高压，必须降低外延层的掺杂浓度或者增大外延层的厚度，这会引起VDMOS器件导通电阻的增加，因而需要在高击穿电压和低导通电阻中间进行折衷。浙大微电子2020/3/167/125因此，VDMOS的设计主要包括中间元胞的设计和边缘终端结构的设计；目前，很多产品为了增强抗ESD（electro-staticdischarge，ESD）能力，还专门设计有ESD防护结构。VDMOS的电学参数主要包括静态参数和动态参数，以及ESD方面的HBM值等。浙大微电子2020/3/168/125静态参数包括–导通电阻–阈值电压–漏源击穿电压等动态参数主要包括–器件导通时的延迟时间和上升时间–器件关断时的延迟时间和下降时间等。浙大微电子2020/3/169/125SymbolParameterTestconditionsMin.Typ.Max.Uniton/offstatesBVdsDrain-SourcebreakdownvoltageID=1mA,VGS=0200VVGS(th)GatethresholdvoltageVDS=VGS,ID=250µA234VRDS(on)Staticdrain-sourceonresistanceVGS=10V,ID=20A0.0380.045W200V/40AVDMOSFET的主要技术指标浙大微电子2020/3/1610/125Dynamictd-onTurn-ondelaytimeVDD=125VID=20ARG=9.4WVGS=10V21nstd-offTurn-offdelaytime72nstrRisetime35nstfFalltime44nsVESD(G-S)HBMGatesourceESDHBM-C=125pF,R=1.5kΩ6000V浙大微电子2020/3/1611/125本章内容•VDMOSFET概述•VDMOSFET元胞设计•VDMOSFET终端结构设计•VDMOSFETESD防护结构设计浙大微电子2020/3/1612/125VDMOSFET元胞设计•结构参数及工艺参数•工艺流程•工艺仿真•器件仿真•器件优化浙大微电子2020/3/1613/125VDMOSFET元胞设计•结构参数及工艺参数•工艺流程•工艺仿真•器件仿真•器件优化浙大微电子2020/3/1614/125N+SubstrateSourceGateN+P-BodyN-EpitaxyDrainXj-PBTepiWG/2DG/2p+WN+Wp+Wis元胞结构剖面（1/2个元胞）浙大微电子2020/3/1615/125VDMOSFET元胞设计•结构参数及工艺参数•工艺流程•工艺仿真•器件仿真•器件优化浙大微电子2020/3/1616/125圆片场氧化有源区刻蚀P+注入长栅氧前刻蚀oxide栅氧生长多晶硅淀积多晶硅扩散多晶硅刻蚀P-注入P-退火N+注入PSG淀积回流引线孔刻蚀铝层溅射铝层刻蚀背面处理金属化等一般VDMOS的主要制造工艺浙大微电子2020/3/1617/125N+SubstrateN-EpitaxyWaferN+SubstrateN-EpitaxyP+PhotoresistP+implantN+SubstrateN-EpitaxyPOLYdeposition/etchN+SubstrateN-EpitaxyGateoxidegrowthn+N+SubstrateN-Epitaxyn+implantN+SubstrateN-EpitaxyContactetchN+SubstrateN-EpitaxyBPSGdeposition/RFWN+SubstrateN-EpitaxyMetaldeposition/etchN+SubstrateN-EpitaxyBackMetallization……N+SubstrateN-EpitaxyP-P-implant/driveinMask1N+SubstrateN-EpitaxyFieldoxidation/etchoxideMask2Mask3Mask4Mask5Mask6主要步骤形成的对应结构图浙大微电子2020/3/1618/125VDMOSFET元胞设计•结构参数及工艺参数•工艺流程•工艺仿真•器件仿真•器件优化浙大微电子2020/3/1619/1251、工艺及掩模参数设定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设定的工艺、掩膜版参数表浙大微电子2020/3/1620/1258n+implantAs、60kev、1E15cm-29BPSG/oxidedepositionThick=1um10RFW950℃、25min、DRYO211Contactetch12Aluminumdeposition/etchThick=0.8um浙大微电子2020/3/1621/1252、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浙大微电子2020/3/1622/125$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浙大微电子2020/3/1623/125$4.PlotinitialmeshSELECTTITLE=InitialMeshPLOT.2DSCALEGRIDC.GRID=2$5.FieldoxidegrowandactiveareaetchDIFFUSETEMP=1250TIME=305F.H2=8F.O2=6SAVEFILEOUT.FILE=After_F-ox.tifTIFSELECTTITLE=FieldoxidegrowSOURCEPLOTFILEETCHOXIDE$6.P+implantationDEPOSITPHOTORESNEGATIVETHICK=1SPACES=2浙大微电子2020/3/1624/125EXPOSEMASK=PPDEVELOPIMPLANTIMPURITY=BORONENERGY=@PPENERG+DOSE=@PPDOSEETCHPHOTORESSAVEFILEOUT.FILE=afterpp.tifTIFSELECTTITLE=AfterP+implantSOURCEPLOTFILE$7.GateoxidationDIFFUSETEMP=850TIME=190F.H2=5F.O2=10F.HCL=0.03SAVEFILEOUT.FILE=After_G-ox.tifTIF浙大微电子2020/3/1625/125$8.PolygateformationDEPOSITPOLYTHICK=0.65SPACES=2DEPOSITPHOTORESNEGATIVETHICK=2+SPACES=2EXPOSEMASK=POLYDEVELOPETCHPOLYETCHPHOTORESSAVEFILEOUT.FILE=After_Polygate.tifTIFSELECTTITLE=PolygateformationSOURCEPLOTFILE浙大微电子2020/3/1626/125$9.P-implantanddiffuseIMPLANTBORONENERGY=@PBODYENERGY+DOSE=@PBODYDOSEDIFFUSETIME=@PBODYTIMETEMP=@PBODYTEMP+F.N2=7F.O2=0.3SAVEFILEOUT.FILE=afterpbody.tifTIFSELECTTITLE=AfterP-implantSOURCEPLOTFILE$10.SourceformationDEPOSITPHOTORESNEGATIVETHICK=2SPACES=2EXPOSEMASK=NP浙大微电子2020/3/1627/125DEVELOPETCHOXIDEDIFFUSETEMP=900TIME=30DRYO2IMPLANTARSENICDOSE=5E15ENERGY=60ETCHPHOTORESDIFFUSETEMP=900TIME=30DRYO2IMPLANTARSENICDOSE=5E15ENERGY=60ETCHPHOTORESSAVEFILEOUT.FILE=afternp.tifTIFSELECTTITLE=AftersourceformationSOURCEPLOTFILE浙大微电子2020/3/1628/125$11.PSGandRFWDEPOSITOXIDETHICK=1DIFFUSETEMP=950TIME=25DRYO2SAVEFILEOUT.FILE=afterpsg.tifTIFSELECTTITLE=AfterPSGSOURCEPLOTFILE$12.ContactetchandMetallizationDEPOSITPHOTORESNEGATIVETHICK=2SPACES=2EXPOSEMASK=CONTACTDEVELOPETCHOXIDE浙大微