高压功率器件结构设计及其静电保护

论文摘要

在功率器件的制造中,广泛采用横向与纵向高压MOS管,利用其轻掺杂的漏端结构,完成耐压任务,达到应用于高压电路的目的。功率器件由于其较低的阈值电压与较高的击穿电压,可以用来完成从低压到高压电路的转换。另外,利用现有CMOS工艺制造的传统LDMOS工作,配合该电路的保护工作也是本文工作的一部分。高耐压的纵向MOS(VDMOS)管,导通沟道位于表面,漏端轻掺杂漂移区在纵向,需要采用底部工艺,完成底部的漏端接触。本文采用平面漏端结构,进行两次掺杂形成从芯片表面引出的漏接触,避免了底部工艺,降低了成本。为调节N型VDMOS的击穿电压,VDMOS单元内采用较小有源区间隔,将击穿区域转移到体内轻掺杂区结的拐角处,该处曲率半径较大,所以能有效提高击穿电压。根据以上结构制定新工艺,该工艺与常规P型LDMOS兼容。在完成针对高压管的结构与工艺设计后,为达到与现有CMOS工艺兼容的目的,改变传统LDMOS结构,通过调整漂移区与沟道区的形成工艺,在无需增加工艺步骤的前提下,达到较高的击穿电压。在针对CMOS工艺制作的高压器件的静电保护器件中,SCR(SiliconControlled Rectifier)结构由于其较强的耐压能力和较低的导通电阻,可用于有效保护输入输出节点和内部电路。由于SCR的触发是由PN结雪崩击穿引起,故触发电压可通过调节掺杂区浓度而改变。但SCR导通后,形成正反馈,其低导通电阻使得维持电压较难调节。论文通过在SCR内部加入特殊MOS结构与反馈回路,改变内部电阻的方式调节维持电压,在使用中无需加入额外的工艺步骤,达到较好的静电保护效果。论文工作所设计的两种新结构已经在上海ASMC公司的产品研发中得到应用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 功率半导体器件的发展与现状
• 1.2 静电保护介绍
• 1.3 集成电路工艺和器件模拟的发展
• 1.4 本论文的工作
• 第二章 器件物理模型与TCAD工具介绍
• 2.1 TCAD发展历程
• 2.2 TCAD工具Sentaurus介绍
• 2.3 Sentaurus工艺工具与物理模型
• 2.3.1 工艺仿真工具DIOS
• 2.3.2 刻蚀
• 2.3.3 注入
• 2.4 器件模拟模型
• 2.4.1 电离模型
• 2.4.2 迁移率模型
• 2.4.3 产生复合模型
• 2.5 热性能
• 2.5.1 热容
• 2.5.2 热电功率
• 2.6 TCAD物理模型小结
• 第三章 功率器件设计
• 3.1 功率器件简介
• 3.2 开关转换电路VDMOS管的设计
• 3.2.1 功率MOS的I-V特性分析
• 3.2.2 功率VDMOS的阈值电压与导通电阻
• 3.2.3 140V VDMOS设计
• 3.2.4 VDMOS仿真结果
• 3.2.5 VDMOS重要电学参数
• 3.4 CMOS工艺电路中LDMOS管的设计
• 3.4.1 P型LDMOS的设计
• 3.4.2 N型LDMOS的设计
• 3.5 小结
• 第四章 高压器件的静电保护设计
• 4.1 引言
• 4.2 静电放电的模式以及工业测试标准
• 4.2.1 人体模型
• 4.2.2 机器放电模式
• 4.2.3 元件放电模型
• 4.2.4 其它测试方式
• 4.3 静电放电的测试
• 4.3.1 I/O Pin的静电放电测试
• 4.3.2 Pin-to-Pin的静电放电测试
• 4.3.3 VDD-to-VSS的静电放电测试
• 4.4 ESD保护的物理原理分析
• 4.4.1 电学非稳定性分析
• 4.4.2 电热非稳定性分析
• 4.5 保护电路与保护器件
• 4.5.1 生产中保护措施的选用
• 4.5.2 保护元件分类
• 4.6 小结
• 第五章 总结
• 参考文献
• 致谢