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摘 要

微电子技术和其加工工艺是二十世纪以来发展最快的产业之一，VDMOS器件则是如今发展最快，应用范围最广的技术之一。能否设计出性能优越、响应速度快、抗干扰能力强的电子器件和电子系统，已经成为衡量一个国家综合国力的重要因素。航空航天中的电子器件和系统是VDMOS一个主要的应用领域。宇宙空间由于其复杂的环境和辐射效应，会对电子器件和系统造成不可修复的损伤。因此对于抗辐射VDMOS器件的研究很有意义。

本文主要研究了150V抗辐射VDMOS器件。首先通过对器件进行建模，推导出VDMOS的阈值电压，击穿电压以及导通电阻的表达式，明确了设计VDMOS时应当主要考虑的因素。然后将VDMOS的二次击穿现象与SEB效应进行比较，得出了SEB是由于器件中寄生三级管导通产生的，并且VDMOS的二次击穿电压可以作为抗SEB效应的衡量指标。接着利用medici软件在器件不同位置进行SEB辐射实验，通过分析不同位置处的电流响应，找出了SEB辐射效应的敏感区域。之后，依照SEB效应的产生机理提出了三种SEB效应加固方法。第一种是n 源区浓度调整，针对的是减弱寄生三级管的源区发射效率；第二种是p-调整，针对的是降低寄生三级管的基区电阻阻值；第三种是梯度外延结构，针对的是改善外延层中的电场分布。最后利用tsuprem4和medici软件对器件进行工艺仿真和特性仿真，验证了器件结构和性能的正确性。

关键字：VDMOS 单粒子烧毁 加固方法 仿真

Abstract

Microelectronics and its processing technology is one of the domains which are developing fast since the 20^th century, while VDMOS is one of the most fast-developing and wildly-utilized devices. Whether we can design a device with superior performance, high response speed and resisting interference capability, has become a principal element which determines the overall national strengthen of the country. One of the application fields of VDMOS is aerospace electronic devices and systems. Because of the complex environment and radiation effects in the cosmic space, the devices and systems are easily damaged. As a result, it is essential to study the anti-radiation VDMOS devices.

We study the 150V anti-radiation VDMOS device. Firstly, we analyze a series of performance parameters of the VDMOS by modeling. For example, the threshold voltage, breakdown voltage and on-resistance. As a result, we are able to find out the essential elements for designing a VDMOS device. Then we compare the secondary breakdown phenomena of VDMOS with SEB. We find that the SEB is due to the breakover of the parasitic triode in VDMOS. And the secondary breakdown voltage can be used as a measurement of anti-SEB ability. Next we use medici to simulate SEB in different locations of the device and find out the sensitive area of SEB by analyzing the response of the current. Meanwhile, according to the mechanism of SEB, we propose three methods in order to reduce the influences of the SEB. First one is the concentration adjustment of n source region, which can reduce the emission efficiency of the source region in the parasitic triode. The second is p- adjustment process aimed at reducing the on-resistance of base region in the parasitic triode. Last one is gradient epitaxial layer structure which can improve the electric field distribution in the epitaxial layer. Finally we use tsuprem4 and medici to simulate the process and the performance of the designed VDMOS device.

目录

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 VDMOS的发展状况 1

1.3 空间辐射与航天安全 4

1.3.1 范艾伦辐射带 4

1.3.2 银河宇宙射线 5

1.3.3 太阳耀斑 6

1.4 辐射效应 6

1.4.1 单粒子效应 6

1.4.2 总剂量效应 7

1.5 本文的主要工作 7

第二章 VDMOS的工作原理与特性分析 9

2.1 VDMOS的结构与工艺 9

2.2 VDMOS的导通特性 9

2.3 VDMOS的主要参数 11

2.3.1 阈值电压 11

2.3.2 击穿电压 11

2.3.3 导通电阻 13

2.4 终端结构设计 18

2.4.1场限环技术 18

2.4.2 场板结构 20

第三章 辐射效应的研究 21

3.1 单粒子烧毁 21

3.2 SEB效应的位置特性 24

第四章 150V VDMOS器件的仿真 29

4.1 150V VDMOS设计 29

4.1.1 阈值电压 29

4.1.2 外延层掺杂浓度 29

4.1.3 外延层厚度 30

4.2 辐射加固能力 30

4.2.1 梯度外延层对SEB效应的响应 30

4.2.2 P-注入对SEB效应的影响 32

4.2.3 n 注入对SEB效应的影响 35

4.3 工艺仿真 36

4.4 电学特性仿真 40

4.4.1 转移特性 40

4.4.2 输出特性 40

4.4.3 导通电阻 43

4.4.4 击穿电压 44

第五章 总结与展望 47

致谢 48

参考文献 49

第一章 绪论

1.1 引言

功率MOS晶体管，它是在基本MOS工艺上产生的一种新型电子电力设备，主要用于额定功率高，工作电流大的环境。因为功率MOS晶体管具有高输入阻抗、低驱动电流、对温度变化不敏感等众多优越的特性，使它从各种结构的功率器件中脱颖而出。而垂直导电双扩散VDMOS管，得益于其独特的结构，器件的稳定性越来越强，耐压水平不断提高。

总所周知，我国空间探测技术正如火如荼地发展，VDMOS功率晶体管越来越多地应用于卫星的电源系统上。而太空环境中存在多种高能辐射粒子，这些高能粒子极易影响航天飞船中电子系统的性能，产生单粒子效应（SEE）、总剂量效应（TID），从而使得器件出现阈值电压漂移、导通电阻变化和击穿电压下降等现象，导致器件无法正常工作甚至烧毁失效，极大地影响航天电子器件的寿命。因此，功率器件的抗辐照加固技术是太空探测技术发展的基础，是航天航空科学家们急需解决的问题。

1.2 VDMOS的发展状况

由于微电子加工工艺日益精进，功率MOS晶体管技术迅速崛起。功率MOS晶体管的第一个特点就是输入阻抗高，一般的输入阻抗都能达到10⁹~10¹⁴Ω。高的输入阻抗带来的好处是，它使器件不易受到外界因素的影响，同时也使驱动电路的设计变得简单。与功率BJT管相比，功率MOS晶体管是电压控制器件。它的控制信号是加在金属栅极上的电压，通过MOS电容的充放电来完成，所以在正常工作的情况下，栅极电流很小，它只需要提供栅电容的充放电。所以功率MOS晶体管在工作时损耗很小^[1]。

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