ESD保护栅结构的Trench MOSFET设计制造

论文摘要

功率MOSFET是将微电子技术和电力电子技术融合起来的新一代功率半导体器件。因其具有输入阻抗高、开关速度快、输出电流大和热稳定性好、安全工作区宽等优点,在电源保护、电源开关、DC/DC变换器和同步整流等电子设备中得到广泛应用。本文给出了一种带有ESD保护栅结构的Trench MOSFET的设计流程。和普通MOSFET相比,其创新之处在于植入了ESD保护结构,使其抗ESD能力相比普通MOSFET显著提高。本文的目的是在达到设计目标的同时尽量减少光刻版的层数,降低单位面积的导通电阻,从而有效控制成本。第一部分是研究背景,包括功率MOSFET和ESD保护型功率MOSFET的发展、应用以及市场前景等。第二部分是理论基础,介绍了Trench MOSFET和ESD的理论知识,提出了在栅极区制造ESD保护结构方法,此方法可以有效控制芯片面积。第三部分是工程实践,首先通过经典理论公式推导出外延片规格;终端结构使用场板、多晶硅场限环和截止环的复合结构;ESD保护二极管先P型掺杂再N型注入的顺序使N注入可以和N+源区同时形成,减少了光刻版的数量;接下来使用Tsuprem4和Medici模拟软件初步定出流程基本条件,通过工程批的流片和封装数据对模拟条件进行校准和调整,最终的结果完全满足了预期的设计目标。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 功率器件概述
• 1.2 Trench MOSFET 的发展
• 1.3 ESD 保护栅结构的功率MOSFET 发展现状
• 1.4 本文工作以及内容安排
• 第二章 Trench MOSFET的理论介绍
• 2.1 Trench MOSFET 的基本结构
• 2.2 Trench MOSFET 的工作原理
• 2.3 Trench MOSFET 的I-V 特性分析
• 2.4 Trench MOSFET 的主要特性参数
• 2.5 导通电阻与栅电容的最佳化设计
• 2.6 终端结构的考虑
• 第三章 ESD保护栅结构的实现理论介绍
• 3.1 ESD 简介
• 3.2 ESD 的基本模型
• 3.3 ESD 保护结构在MOSFET 中的实现
• 3.4 ESD 保护结构对MOSFET 性能的影响
• 第四章 带有ESD保护的20V N沟道Trench MOSFET的设计实现
• 4.1 设计指标
• 4.2 单胞结构设计
• 4.3 外延片的选用
• 4.4 终端结构设计
• 4.5 ESD 保护结构的设计
• 4.6 版图设计
• 4.7 工艺流程
• 4.8 工艺及参数模拟
• 4.9 工艺流片的测试以及CP 数据分析
• 第五章 晶圆封装以及成品的测试分析
• 5.1 封装简介
• 5.2 封装流程
• 5.3 封装形式
• 5.4 成品的直流测试
• 5.5 封装良率情况
• 5.6 成品动态测试和ESD 的测试
• 5.7 封装小节
• 第六章 总结以及展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 作者在攻读硕士学位期间公开发表的论文
• 致谢