论文总字数：27704字

摘 要

本科生签名：指导导师签名：日期：

The Design of 100V VDMOS

A Dissertation Submitted to

Southeast University

For the Academic Degree of Bachelor of Engineering

BY

Teng Teng

Supervised by

Associate Professor SHEN Ke-qiang

The Department of Electronic Engineering

Southeast University

June, 2015

摘要

VDMOS器件具有开关速度快、输入阻抗高和负温度系数等一系列优点，是当今半导体分立器件的高端产品，应用范围广，市场需求大，发展前景好。目前国内的市场已经被国外大公司所垄断，大部分依赖进口。因此国内急需研发并量产具有自主知识产权的相关产品，替代国外产品。本论文主要研究的内容是利用仿真软件TSUPTEM4和MEDICI进行VDMOS特性的研究并设计100V VDMOS器件。

本文首先阐述了VDMOS器件的基本结构和工作原理，描述和分析了器件设计中各种电学特性参数和结构参数之间的关系。然后根据100V VDMOS器件的击穿电压要求，理论上给出了外延层掺杂浓度和厚度；根据阈值电压要求求出了栅氧厚度和P区掺杂浓度；分析了器件的导通电阻和寄生电容的构成，并对元胞和器件尺寸进行了设计，给出版图结构；为了防止终端提前击穿，设计了场限板，场限环结合的结终端结构。最后借助软件Tsuprem4对理论设计的器件结构进行了工艺模拟仿真,然后将结果导入器件模拟软件MEDICI进行仿真,得到电学特性的仿真结果。

最后，将100V VDMOS的仿真结果与同类型器件IRHMS67160相关数据比较，证明设计的各项指标均达到或超过器件指标的要求。这说明我们的器件设计流程，器件的结构和版图及工艺参数的给定都是可行的，其研究结果可以作为实验和生产的依据。

关键词：VDMOS，工艺仿真，电学特性，击穿电压，TSUPREM4， MEDIC，

Abstract

VDMOStransistorhas many advantages such as quick switching, high input resistance, and negative temperature coefficient. It is the current high-end product of semiconductor discrete devices with the broad application, largemarket demand and good prospects for development. Mainly relying on importation, domestic markets now have been monopolized by big foreign companies. To substitute those products abroad, self-research and development on relevant products that possess independent intellectual property are badly needed. This paper gives the process to design 100V VDMOS , and we use the Tsuprem4 and MEDICI simulation tools to simulate the design of devices and its electrical characteristics .

The basic structure and the operating principle of VDMOS devicesare firstly describedas well as the relationship between electrical and structural parameters are analyzed in this paper. Then according to the required breakdown voltage of the 100V VDMOS device theoretically gives the doping concentration and thickness of the epitaxial layer ; according to the given threshold voltage,the gate oxide thickness and doping concentration ofP region are calculated; the device's resistance and parasitic capacitor are analyzed, then the cellular and the device size are designed to form the publishing graph structure ; in order to prevent the terminal breakdown in advance , thefield limiting ring and the field limiting plate are combined. Finally the structure is simulated by Tsuprem4, and through the device simulator MEDICI, the electrical properties of the device are obtained.
The simulation results of this 100V VDMOS are almost the same or even better compared to the data of similar device IRHMS67160 . This shows that the design processof our model , the structure and the layout of the device are feasible.Its findings can serve as a basis for experimentation and production .

Keywords: VDMOS, process simulation, electrical characteristics, breakdown voltage,TSUPREM4, MEDIC

目录

摘要 3

Abstract 4

第一章绪论 2

1.1引言 2

1.2 VDMOS的发展历程及未来趋势 2

1.3 VDMOS的器件特点 2

1.4 VDMOS的器件结构及工作原理 3

1.5 本文主要内容与工作 5

第二章 100V VDMOS的设计 6

2.1引言 6

2.2 VDMOS的电学参数 7

2.2.1击穿电压 7

2.2.2 阈值电压 7

2.2.3 导通电阻 8

2.2.4 寄生电容 13

2.3 外延层设计 15

2.3.1外延层电阻率 15

2.3.2 外延层厚度 15

2.4 终端结构设计 17

2.4.1场限环技术 17

2.4.2场板技术 19

2.5本章小结 20

第三章100V VDMOS器件的模拟仿真 22

3.1 引言 22

3.2 VDMOS的工艺仿真 23

3.2.1 元胞仿真 23

3.2.2 终端仿真 27

3.3 VDMOS电学特性仿真 28

3.3.1元胞仿真 28

3.3.2终端击穿特性仿真 36

3.3.3电特性仿真小结 36

3.4版图设计 37

3.4.1元胞图形 37

3.4.2栅电极和管区面积确定 39

3.5仿真结果分析 40

第四章总结 41

致谢 42

参考文献 43

第一章绪论

1.1引言

当前，功率半导体器件在电子行业领域的地位日益突出。VDMOS器件，即垂直双扩散金属-氧化物半导体场效应晶体管，为大规模集成电路的发展带来了新的希望。VDMOS不同于早期的MOS管，在结构上采取了众多改进，具有LDMOS不具备的优良特点和性能，比如输入阻抗高，开关特性良好，制造工艺简单，驱动功率低等优点。这些优点有力地推动了集成电路的发展，实现了当前电子设备所需的功率高、电流大的要求。目前VDMOS涉及领域有计算机领域、网络通信等多个领域，并已在开关电源、高频加热、逆变器、电机调速、计算机接口电路和功率放大器，车电器和电子镇流器等领域获得了广泛应用。随着时代的发展，VDMOS器件在半导体器件中的地位将日益提高。

1.2 VDMOS的发展历程及未来趋势

VDMOS的发展经历了一个漫长的过程。早在1952年。R.N.Hall提出了历史上第一个功率半导体整流器。1957^[1]年晶闸管的出现，从此标志着世界电力电子技术的开启，半导体器件从此上升到一个新的高度。1971年，Y.Tarui等人^[2]提出了横向导电器件LDMOS结构，这种新结构相比较之前的器件，由于低浓度漂移区的长度增加因此可以有效防止器件击穿。同时，通过两次扩散来控制沟道的长度，可以得到较大的电流。1976年Siliconix和IR推出了一种垂直导电V型槽结构功率的MOS（VVMOS）^[3]-[5]，这种新的结构使得导通电阻得以增大，同时避免了强电场效应的发生，但该结构在工艺方面仍有着明显的缺点。直到1979年由H.W.Collins等人提出了VDMOS器件，该器件不用经历腐蚀，同时在工艺上适合大规模集成电路制造，使功率半导体器件的面貌得以改变^[8]。

VDMOS器件从八十年代至今经历二十多年的发展，在国际上占领了多领域电子市场，应用日趋广泛，目前国内的市场基本被IR，ST，FAIRCHILD等国外大公司所垄断，国内需求的大部分依赖进口^[12]。在国内，VDMOS器件销量需求日益剧增，但同时因其发展尚未成熟，还有很长的路要走。

现阶段，VDMOS器件的方向分为低压大电流领域和高压方向，未来，VDMOS的发展侧重于耐压性能强，功耗低，因此制造VDMOS器件的材料选择也成为了关键。

1.3 VDMOS的器件特点

1.温度特性好

VDMOS器件相较双极管而言，具有负的温度系数，因此不会发生电流集中效应，避免了器件因过热而发生穿通。

2.驱动方式简单

VDMOS的输入阻抗较高，使得器件的抗干扰能力得以增强，在很小的驱动电流下，可以得到很高的电流增益，因此功耗低。相对于双极型器件而言，采用的是电压驱动的方式，驱动方式较为简单。

3.开关速度快

由于VDMOS是利用多子工作的器件，所以相较双极型晶体管而言，其开关速度要快许多，工作频率也高。

4.跨导g_m高度线性化

由于VDMOS器件的沟道长度很短，当栅源电压V_GS大于一定值后，g_m为定值，与V_GS的大小无关，使得器件应用在线性方面极为方便。同时，VDMOS器件与集成电路的兼容性比双极性晶体管好很多。

根据以上列出的VDMOS器件的优点，可以看出VDMOS器件比双极性晶体管在应用方面更为广泛。在通信设备方面，低压VDMOS主要应用于手机、相机、显示器、UPS、汽车音响、其他仪器仪表等；对于高压VDMOS器件，通常击穿电压在150V以上，可用于照明设备。对于更高压的VDMOS通常被应用于各种高压变频器，发电设备以及电机控制等等。

VDMOS器件经过了几十年的发展，获得了广大的市场，其自身在不断改进和完善，本课题研究的是100V VDMOS器件，属于低压器件，在研究低压VDMOS器件中，必须注意要使芯片的面积尽可能小，同时，要获得低的功耗必须使导通电阻尽可能低，这也成为了本课题设计的关键。

1.4 VDMOS的器件结构及工作原理

VDMOS的基本结构如下图所示：

图1.1 VDMOS元胞结构图

从图中可见，VDMOS器件是一种三端口的器件，分别是漏极Drain、源极Source、栅极Gate，其中源极与漏极不同于其他的器件在同一侧，而是分立在器件的两侧，以形成垂直导电通道。p阱区和N 源极间可以形成导电沟道，在相邻沟道之间的衬底上生长氧化层并淀积多晶硅以形成栅极。源极金属覆盖在芯片的整个表面，利于改善器件的散热性能，同时降低源极串联电阻。VDMOS器件的制作工艺如下：采用了平面自对准双扩散工艺，通过掺入硼和磷两种元素，利用它们两次扩散形成的结深之差形成了多子导电沟道，在水平方向上导电。

图为单个元胞的结构，实际应用中采用多个单胞并联来实现大功率要求，因此器件的导通电阻等于单个元胞电阻/元胞数，漏源电流是单个元胞漏电流元胞数。

以下介绍VDMOS器件的工作原理,其理论I-V特性曲线如图1.2所示。

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