功率MOSFET新结构及其工艺研究

论文摘要

功率MOSFET具有输入阻抗高、开关速度快、安全工作区宽以及热稳定性好等特点,广泛地应用于开关电源、汽车电子、不间断电源和逆变器等领域。本文简要地分析了功率MOSFET的结构、特性以及制造工艺。利用ISE软件重点分析了’VDMOS的各项特性和关键工艺,以及高温对器件关键特性参数的影响,给出了关键结构参数的设计方法。在此基础上,提出了一种新的沟槽-平面栅功率MOSFET结构（TPMOS）,分析模拟了新结构的各项特性以及关键工艺。主要研究内容如下：第一,研究了VDMOS的各项特性。结果表明,VDMOS结构中,高耐压要求VDMOS具有低浓度、较厚的漂移区,较短的栅极长度,但是随着漂移区厚度的增加和浓度的降低,以及栅极长度的减小,漂移区电阻和JFET区电阻会增大,导致器件的导通电阻增大,通态功耗增大。因此,VDMOS的导通电阻与击穿电压之间形成不可调和的矛盾。第二,分析了高温对VDMOS特性及其关键特性参数的影响。结果表明,在硅器件的极限工作温度（420K）范围内,随着温度的升高,VDMOS会出现阈值电压减小,栅控能力下降及安全工作区缩小等影响。提出了改善VDMOS高温特性的方法,给出600VVDMOS优化的关键结构参数。第三,提出了一种新的沟槽-平面栅TPMOS结构,对U型沟槽和V型沟槽的TPMOS结构特性进行了分析模拟,并与VDMOS结构进行了比较。结果表明,当沟槽深度为3μm时,TPMOS具有比VDMOS更好的阻断特性和导通特性,而且,沟槽的引入消除了元胞间距对VDMOS击穿电压和导通电阻的影响,使器件的设计和制造有更大的自由度。第四,模拟了TPMOS新结构的制作工艺。模拟分析了p基区、n+源区以及外延层与衬底之间的相互影响。根据模拟结果,对TPMOS器件的各项特性进行了验证,提取了相关工艺参数,确定了TPMOS的工艺实施方案。该研究成果对进一步研究和开发功率MOSFET器件有一定参考价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 功率MOSFET的发展概况
• 1.1.1 功率MOSFET的发展
• 1.1.2 SJ MOSFET结构的出现
• 1.2 功率MOSFET的市场前景及国内外研究现状
• 1.3 本文主要工作
• 2 功率MOSFET的理论分析
• 2.1 功率MOSFET的类型与特点
• 2.1.1 功率MOSFET的结构分类
• 2.1.2 VDMOS的结构特点
• 2.2 工作机理与等效电路
• 2.2.1 工作机理
• 2.2.2 等效电路
• 2.3 特性分析
• 2.3.1 Ⅰ-Ⅴ特性
• 2.3.2 阻断特性
• 2.3.3 导通特性
• 2.3.4 频率特性
• 2.3.5 开关特性
• 2.4 温度对VDMOS特性参数的影响
• 2.4.1 击穿电压
• 2.4.2 阈值电压
• 2.4.3 跨导
• 2.4.4 导通电阻
• 2.4.5 漏极饱和电流
• 2.4.6 开关速度
• 2.5 本章小结
• 3 VDMOS的特性模拟与优化设计
• 3.1 VDMOS的特性模拟
• 3.1.1 外延层参数的选取
• 3.1.2 栅极参数的选取
• 3.1.3 元胞图形的选取
• 3.2 高温特性的模拟
• 3.2.1 高温对阻断特性的影响
• 3.2.2 高温对导通特性的影响
• 3.2.3 高温对开关特性的影响
• 3.2.4 高温对安全工作区的影响
• 3.2.5 改善温度特性的方法
• 3.3 本章小结
• 4 TPMOS结构的特性分析
• 4.1 TPMOS结构的提出及其特点
• 4.2 TPMOS特性分析
• 4.2.1 TPMOS阻断特性分析
• 4.2.2 TPMOS导通特性分析
• 4.2.3 TPMOS开关特性分析
• 4.3 与VDMOS特性的比较
• 4.3.1 阻断特性比较
• 4.3.2 导通特性比较
• 4.3.3 开关特性比较
• 4.4 TPMOS其他参数的选取
• 4.5 槽形对TPMOS特性的影响
• 4.5.1 阻断特性比较
• 4.5.2 导通特性比较
• 4.6 本章小结
• 5 功率MOSFET的工艺分析与模拟
• 5.1 VDMOS的工艺分析与模拟
• 5.1.1 工艺分析
• 5.1.2 工艺模拟
• 5.1.3 模拟结果验证
• 5.1.4 工艺实施方案
• 5.2 TPMOS的工艺实现
• 5.2.1 工艺分析
• 5.2.2 模拟结果验证
• 5.2.3 工艺实施方案
• 5.3 本章小结
• 6 结论
• 致谢
• 参考文献
• 附录:在读期间发表论文