高压功率MOSFET元胞结构的研究与优化

发布时间：2017-10-11 21:22

  本文关键词：高压功率MOSFET元胞结构的研究与优化

  更多相关文章： 半超结 击穿电压 特征导通电阻 特征栅漏电容

【摘要】：本论文主要研究的是高压功率MOSFET元胞结构,目标是通过元胞结构参数的仿真分析,设计出一款耐压高、特征导通电阻和特征栅漏电容小的半超结元胞结构。论文首先介绍了超结结构,借以引出半超结元胞结构的原理。超结结构突破了“硅极限”理论,导通电阻和击穿电压不再是传统的2.5次幂关系,同样耐压下,超结和半超结器件导通电阻要远远低于一般VDMOS器件。并且半超结结构减弱了工艺难度,继承了超结结构的优点,增强了超结结构反向恢复特性。与一般VDMOS结构不同,半超结元胞结构耐压由超结结构部分与N型底部辅助层部分一起承担。众所周知,功率器件开关性能的好坏是由栅漏电容决定的,半超结元胞结构优化栅漏电容的方法除了优化栅氧化层厚度还有改善P柱和N柱的掺杂浓度。研究发现栅漏电容的减小会导致导通电阻的增大。本文还通过大量仿真,对元胞结构外延层厚度、外延层掺杂浓度、栅长、栅氧化层厚度、硼离子注入掩膜窗口进行优化选取。此外,半超结MOSFET器件是电荷补偿型器件,P柱和N柱的电荷平衡十分重要,电荷平衡稍微变差,击穿电压就迅速下降,所以本文对超结制造工艺做了详细研究。多步外延技术、多步离子注入技术、沟槽刻蚀和外延填充技术都是常用的超结制造工艺,但前两种技术形成的P柱边缘呈波浪状,不整齐,影响了电荷平衡效果,并且工艺复杂,成本较高,相比较之下沟槽刻蚀和外延填充技术则简单许多,容易控制变量进行仿真研究,P柱边缘整齐,P柱和N柱电荷平衡较容易达到。选定沟槽刻蚀和外延填充技术后,对P柱掺杂浓度、P柱深度和宽度进行优化选取,保证P柱和N柱宽度相同,直接设定P柱N柱掺杂浓度相同就可以达到电荷平衡。之后,对栅漏电容进行优化,通过特征栅漏电容和特征导通电阻乘积的比较选取合适的P柱和N柱掺杂浓度。最终设计了一款击穿电压1023V,特征导通电阻43.31 mΩ·cm2,特征栅漏电容0.29pF/cm2的半超结元胞结构。在同样外延层条件下,与一般VDMOS结构相比,击穿电压提升了107.1%,特征导通电阻下降了19.0%,特征栅漏电容减小了99.5%,凸显本文设计的半超结元胞结构的优越性,对实际制造生产提供理论指导。
【关键词】：半超结 击穿电压 特征导通电阻 特征栅漏电容
【学位授予单位】：西南交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN386
【目录】：

• 摘要6-7
• Abstract7-11
• 第1章 绪论11-19
• 1.1 研究背景和意义11-12
• 1.2 功率MOSFET发展概况12-16
• 1.3 材料的研究16-17
• 1.4 本文主要工作17-19
• 第2章 超结结构和半超结结构的原理和制造工艺19-28
• 2.1 超结结构原理19-20
• 2.2 半超结结构原理20-25
• 2.2.1 击穿电压21-22
• 2.2.2 导通电阻22-23
• 2.2.3 电容23-25
• 2.3 超结结构的制造工艺25-27
• 2.3.1 多步外延技术25-26
• 2.3.2 沟槽刻蚀和回填技术26-27
• 2.3.3 多步离子注入技术27
• 2.4 本章小结27-28
• 第3章 高压功率MOSFET半超结结构仿真设计28-48
• 3.1 参数选取28-37
• 3.1.1 N型外延层的选取28-32
• 3.1.2 栅长的选取32-35
• 3.1.3 栅氧化层厚度的选取35-37
• 3.2 制造工艺选取37-47
• 3.2.1 多步外延技术37-45
• 3.2.2 多步离子注入技术45-47
• 3.3 本章小结47-48
• 第4章 高压功率MOSFET半超结元胞结构的优化48-61
• 4.1 半超结结构P柱的选取49-58
• 4.1.1 P型外延掺杂浓度的选取49-51
• 4.1.2 P柱深度的选取51-53
• 4.1.3 P柱宽度的选取53-55
• 4.1.4 N柱掺杂浓度的选取55-58
• 4.2 半超结元胞结构与一般VDMOS结构对比分析58-60
• 4.3 本章小结60-61
• 结论与未来工作61-62
• 致谢62-63
• 参考文献63-67
• 攻读硕士期间发表论文67

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本文编号：1014810