VDMOS工艺模拟【课程报告】

电力半导体器件课程研究报告题目：VDMOS工艺模拟完成日期：2013年7月10日学科：微电子学与固体电子学学号：姓名：成绩：2013年1VDMOS工艺模拟摘要：VDMOS即纵向双扩散MOS场效应晶体管具有优良的开关特性，在功率器件市场上具有一定的需求。本文参考相关文献的信息，利用SILVACO模拟软件对硅开关VDMOS器件的制作工艺进行了模拟。关键字：VDMOS功率场效应晶体管SILVACO工艺模拟1引言目前国内VDMOS与IGBT产品90%以上依赖进口电力电子器件的国内需求量每年增长达15%，己超过3亿只，而新型电力电子器件VDMOS与IGBT每年的需求量增幅更达25%，2005年，VDMOS需求量达到了近6亿只，器件和基础类产品销售收入达近4000亿元。VDMOS器件因其输入阻抗高和开关速度快及温度稳定性好等优点而被广泛用于中高频功率转换和功率控制各类电路中，是该领域中提高仪器设备性能和降低成本的更新换代产品。功率MOSFET虽然基本结构有所不同，但他们都是通过适当选取漂移区长度以及p区和漂移区的电阻率，来使其承受较高电压而不会产生击穿或穿通；沟道长度主要由两次扩散的横向结深差来决定，故它可以做的很小而不受光刻精度的限制。而这种结构恰恰是功率MOSFET实现高压大电流的基础。作为第三代大功率半导体器件的VDMOSFET具有如下的优良性能[1]：(1)VDMOS是多子器件，无少子存贮效应，高工作频率，开关速度快，低开关损耗；(2)VDMOS是电压控器件，高输入阻抗，低输入电流，大电流增益，小驱动功率，驱动电路简单；(3)DMOS是短沟道器件具有跨导线性高，放大失真小；(4)VDMOS具有负温度系数漏极电流，热稳定性好；(5)VDMOS的电流通道上无pn结，一般不会出现二次击穿现象，宽的安全工作区，大功率容易合成。它在高频、中低功率的电路应用中逐步取代了许多原来为双极型功率器件所占据的领域，因为VDMOS具有上述诸多优点，主要应用于AC-DC转换、开关电源、高保真音频放2大、DC-AC转换(逆变器)、快速开关变换、继电器或螺旋管驱动、各种模拟开关、高速磁心驱动、汽车电子化、照明、射频通信等等。此外，VDMOS器件对国防科技以及国民经济的发展有着极其重要的影响，特别是最近几年在国防领域的应用更显得突出[2]，例如：通信发射机、电子对抗、雷达、主战坦克装甲车载通讯、军事武器装备、电台等领域应用得非常普遍，而且具有优良的可靠性。2VDMOS设计及主要工艺确定本文所模拟的VDMOS结构如图2.1所示，设计本器件为n型功率VDMOS，其击穿电压为100V，导通电阻为0.2Ω，方形元胞图形且元胞面积为17um×17um。所选择的衬底为100晶向的N型低阻高掺杂硅片，掺杂浓度为6E18cm3-，对于击穿电压在100V~1000V范围内的最佳外延层掺杂浓度Nepi和厚度Wepi与击穿电压[BV]DS之间的关系可简化为：34.118epi10925.1NcmBVDSumBVDS2.1epi018.0W为了满足最低外延层串联电阻，雪崩击穿电压DSBV与单位面积导通电阻的关系为：26.29)cell(on/107.3RcmBVDS图2.1[3]VDMOS方形元胞对应的结构图3根据器件的击穿要求DSBV为100V，由第一个式子计算可得器件外延层掺杂浓度Nepi为3.1x10215cm,由第二个式子可计算出外延层厚度为4.5um。第三个式子可算得单位面积的导通电阻为0.00062/cm。鉴于留出余量的思想[4]，模拟过程中选择外延层掺杂浓度为315cm106.2，外延层厚度取6.0um。本文所要模拟的VDMOS器件主要工艺过程简图如图2.2所示。3工艺模拟过程本文的工艺模拟所用的软件是SILVACO工艺模拟软件的ATHENA部分，工艺模拟过程中对每一步的结构进行了保存，完整的展现了VDMOS器件的整个工艺过程，对进行实际流片提供了有用的理论指导。氧化光刻硼注入光刻栅氧生长栅氧化淀积多晶硅多晶掺磷退火光刻多晶硼离子注入结深推进光刻N+注砷、磷离子淀积SiO2增密刻孔溅射铝刻铝钝化光刻钝化测试参数背金减薄合金图2.2工艺过程4以下是工艺模拟过程中各部分的结构图：从结构图1中可以看出沉底厚度为5um，杂质浓度为6额8cm-3，杂质分布和我们的定义相一致。图3.1结构图1图3.2结构图25图3.3掺磷工艺过程的结构图及杂质分布图3.4经过硼注入工艺后的结构图及P区结深图图3.5热生长氧化层及推动杂质离子分布的工艺图6图3.6退火后杂质分布图ab图3.7光刻多晶硅以及磞离子注入a刻蚀多晶硅后结构图b硼离子注入刻蚀掉多晶硅后的结构图图3.8结深推进7图3.9N+注入前后结构图图3.10去胶与场氧氧化工艺图图3.11淀积Al电极工艺的主要结构图8对VDMOS的工艺进行模拟得到的结果为：n区结深为0.246054ump区结深为0.498749um对器件的最终结构图进行三维变换，可以得到图3.13所示的三维浓度分布图。表面处的浓度有隔离层的隔离，杂质浓度为零，p区的浓度分布如图中的浓度分布，z轴方向显示出p区浓度的差异。图3.12VDMOS结构图图3.13器件3维浓度分布图94总结通过参考相关文献的研究情况以及相关技术利用SILVACO仿真软件对VDMOS（即纵向双扩散MOS场效应晶体管）进行了工艺模拟。应用了SILVACO软件的ATHENA模块，并且输出了各个主要工艺步骤的结构图，进一步清楚了VDMOS器件的工艺步骤，为流片制作提供了一定的理论基础。最后通过三维转换输出了器件3维浓度分布图，更直观的表达了本文仿真的器件的杂质分布信息。不足之处是未能完成该器件的特性仿真，今后还需要继续努力钻研相关知识。参考文献：【1】张延泉等.半导体器件和微电路的中子加固保证指南[M].西南应用物理研究所，Vol.18No.101989，pp38.【2】宫在君.基于SILVACO模拟的100VVDMOSFET研究与设计[D].辽宁大学.2011,5【3】宋玲玲．基于SILVACO模拟的开关VDMOS设计与制造[D].长春理工大学.2008,4【4】姜伟.基于TCAD的VDMOS功率器件仿真研究[D].黑龙江大学.2011,8【5】胡涛等.900V超结VDMOS的设计[J].微电子学.Vol.41,No.2,2011,410附件：goathenalinexloc=0.0spac=0.5linexloc=17.0spac=0.5lineyloc=-5.0spac=1.0lineyloc=0.0spac=1.0initsiliconc.phosphor=6e18orientation=100structureoutfile=vdmos_01.strepitaxytime=30temp=1000thickness=6.0c.phosphor=2.6e15structureoutfile=vdmos_02.strdiffustime=18temp=850t.final=980nitrof.o2=5.0diffustime=5temp=980f.o2=5.0dryo2diffustime=20temp=980f.hcl=0.05f.o2=5.0diffustime=16temp=980f.h2=7.0f.o2=5.0diffustime=5temp=980f.o2=5.0dryo2diffustime=30temp=980t.final=850nitrof.n2=5.0extractname=loxidethicknessmaterial=SiO~2mat.occno=1region=oxidedepositphotoresistthick=1.8divisions=2structureoutfile=vdmos_03.strselectz=yprint.ldx.val=0.0etchphotoresiststartx=7.5y=-12.8757763etchcontx=7.5y=-11.0757763etchcontx=9.5y=-11.0757763etchdonex=9.5y=-12.8757763structureoutfile=vdmos_04.strimplantborondose=2.0e15energy=50gausstilt=7rotation=30structureoutfile=vdmos_05.strextractname=Xpjxjmaterial=siliconmat.occno=1x.val=0.0etchoxidestartx=7.5y=-10.93851977etchcontx=7.5y=-11.0757763etchcontx=9.5y=-11.0757763etchdonex=9.5y=-10.93851977etchphotoresistall11etchoxidestartx=2.0y=-11.0757763etchcontx=2.0y=-10.93851976etchcontx=15.0y=-10.93851976etchdonex=15.0y=-11.0757763structureoutfile=vdmos_06.strdiffustime=10temp=850t.final=990f.n2=5.0diffustime=5temp=990f.o2=5.0dryo2diffustime=50temp=990f.hcl=0.05f.o2=5.0diffustime=5temp=990f.o2=5.0dryo2diffustime=30temp=990nitrof.n2=5.0extractname=gateoxidethicknessmaterial=SiO~2mat.occno=1x.val=3.0structureoutfile=vdmos_07.strdepositpolysiliconthick=0.45divisions=16structureoutfile=vdmos_08.strimplantphosphordose=8.0e15energy=40gausstilt=7rotation=30structureoutfile=vdmos_09.strdiffustime=30temp=850nitrostructureoutfile=vdmos_10.strdepositphotoresistthick=1.8divisions=5etchphotoresiststartx=4.5y=-11.41865551etchcontx=4.5y=-13.21865551etchcontx=12.5y=-13.21865551etchdonex=12.5y=-11.41865551etchpolysiliconstartx=4.5y=-11.41865551etchcontx=4.5y=-10.96865551etchcontx=12.5y=-10.96865551etchdonex=12.5y=-11.41865551structureoutfile=vdmos_11.strimplantborondose=2.0e14energy=40gausstilt=7rotation=30etchphotoresistallstructureoutfile=vdmos_12.str#阱推diffustime=39temp=850t.final=1160nitrodiffustime=80temp=1160nitro12diffustime=50t.start=1160t.final=850nitrostructureoutfile=vdmos_13.strdepositphotoresistthick=1.8divisions=10etchphotoresiststartx=0.0y=-11.41865551etchcontx=0.0y=-13.21865551etchcontx=4.