基于VDMOS结构参数的TCAD模拟研究

论文摘要

随着电力电子技术的高速发展,高性能和高电压VDMOS功率器件的作用正日益显现出来。近年来我国在VDMOS功率器件的研制方面取得了进展,但在工艺方面还不够成熟。国外的器件由于性能优良及自主产权的优势占据了巨大的市场份额。因此,对工艺流程及工艺控制的研究具有现实意义。本文选取国外一种典型的VDMOS的器件（击穿电压500V、阈值电压3.2V）。用浓硫酸热分解法去除封装及芯片表面的铝层,分析内部引线;通过扫描电镜对芯片表面和横断面进行观察测试,提取器件的表面结构参数及纵向结构参数。基于提取的结构参数,利用Silvaco软件的ATHENA模块设计工艺流程及工艺条件,仿真得到VDMOS的元胞结构模型,将仿真得到的结果导入到器件仿真模块ATLAS中,对元胞的转移特性、输出特性、击穿电压、开关时间等参数进行器件仿真。仿真结果得到VDMOS元胞的击穿电压约为515V,阈值电压约为3.2V,开启时间为0.28μs,关断时间为0.19μs。通过结构剖析、工艺仿真、器件仿真三个步骤完成一次逆向设计。分析栅氧厚度、P阱掺杂浓度和外界温度等对器件性能的影响,结果表明:随栅氧化层厚度及P阱浓度的增加,器件的转移特性逐渐右移,阈值电压增大;且阈值电压随栅氧化层厚度的增大而线性增大;在-50125℃温度范围内,阈值电压随温度的升高而下降。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 电力电子器件的发展
• 1.2 课题背景
• 1.2.1 高压VDMOS 的发展
• 1.2.2 VDMOS 的应用
• 1.3 国内外发展现状
• 1.4 本课题的目的和意义
• 1.5 课题的主要内容
• 第2章 VDMOS 结构与特性分析
• 2.1 VDMOS 器件的工作原理
• 2.2 元胞结构设计分析
• 2.2.1 衬底以及外延层
• 2.2.2 多晶硅栅
• 2.2.3 P 区
• 2.2.4 N+源区
• 2.3 VDMOS 的基本特性
• 2.3.1 转移特性
• 2.3.2 击穿特性
• 2.3.3 输出特性
• 2.3.4 开关特性
• 2.4 本章小结
• 第3章 VDMOS 性能与结构剖析
• 3.1 器件的电性能测试
• 3.1.1 输出特性测试
• 3.1.2 击穿特性测试
• 3.1.3 转移特性测试
• 3.2 器件去封装
• 3.3 芯片表面分析
• 3.4 芯片断面结构
• 3.5 本章小结
• 第4章 元胞结构工艺设计及仿真
• 4.1 工艺仿真ATHENA 软件
• 4.2 工艺流程设计
• 4.3 VDMOS 工艺模拟
• 4.4 沟道效应
• 4.5 本章小结
• 第5章 VDMOS 元胞的电学特性仿真
• 5.1 器件仿真ATLAS 软件
• 5.1.1 基本方程
• 5.1.2 器件物理模型
• 5.2 静态特性仿真结果
• 5.2.1 击穿特性
• 5.2.2 转移特性
• 5.2.3 输出特性
• 5.3 开关特性分析
• 5.4 影响阈值电压的因素分析
• 5.4.1 P 阱浓度对阈值电压的影响
• 5.4.2 栅氧厚度对阈值电压的影响
• 5.5 外界温度对器件的影响
• 5.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢