第9章 VDMOSFET的設計及仿真驗證

第9章

VDMOSFET的設計及

仿真驗證2023/4/302/125本章內容VDMOSFET概述VDMOSFET元胞設計VDMOSFET終端結構設計VDMOSFET

ESD防護結構設計浙大微電子2023/4/303/125本章內容VDMOSFET概述VDMOSFET元胞設計VDMOSFET終端結構設計VDMOSFET

ESD防護結構設計浙大微電子2023/4/304/125VDMOSFET（VerticalDouble-diffusedMOSFET，垂直雙擴散MOSFET）與雙極型功率晶體管相比具有許多優(yōu)良性能：輸入阻抗高開關速度快工作頻率高易驅動等特點因此，被廣泛地應用于節(jié)能照明、開關電源、汽車電子、通訊等領域。浙大微電子2023/4/305/125VDMOS器件是在高阻外延層上采用平面自對準雙擴散工藝，利用兩次擴散結深差，在水平方向形成MOS結構多子導電溝道的單極器件。它的源極和漏極分別位于芯片的上下兩面，形成垂直電流通道，這種結構可以實現較高漏源之間的擊穿電壓，因此特別適合用來制作高壓MOS器件。VDMOS結構圖浙大微電子2023/4/306/125VDMOS器件利用電場控制表面溝道的載流子達到開啟和關斷的功能。VDMOS器件高壓主要由N-漏區(qū)和溝道所在P-區(qū)的PN結反偏形成。為了實現高壓，必須降低外延層的摻雜濃度或者增大外延層的厚度，這會引起VDMOS器件導通電阻的增加，因而需要在高擊穿電壓和低導通電阻中間進行折衷。浙大微電子2023/4/307/125

因此，VDMOS的設計主要包括中間元胞的設計和邊緣終端結構的設計；目前，很多產品為了增強抗ESD（electro-staticdischarge，ESD）能力，還專門設計有ESD防護結構。VDMOS的電學參數主要包括靜態(tài)參數和動態(tài)參數，以及ESD方面的HBM值等。浙大微電子2023/4/308/125靜態(tài)參數包括導通電阻閾值電壓漏源擊穿電壓等動態(tài)參數主要包括器件導通時的延遲時間和上升時間器件關斷時的延遲時間和下降時間等。浙大微電子2023/4/309/125SymbolParameterTestconditionsMin.Typ.Max.Uniton/offstatesBVdsDrain-SourcebreakdownvoltageID=1mA,VGS=0200VVGS(th)GatethresholdvoltageVDS=VGS,ID=250μA234VRDS(on)Staticdrain-sourceonresistanceVGS=10V,ID=20A0.0380.045W200V/40AVDMOSFET的主要技術指標浙大微電子2023/4/3010/125Dynamictd-onTurn-ondelaytimeVDD=125VID=20A

RG=9.4W

VGS=10V21nstd-offTurn-offdelaytime72nstrRisetime35nstfFalltime44nsVESD(G-S)HBMGatesourceESDHBM-C=125pF,R=1.5k?6000V浙大微電子2023/4/3011/125本章內容VDMOSFET概述VDMOSFET元胞設計VDMOSFET終端結構設計VDMOSFET

ESD防護結構設計浙大微電子2023/4/3012/125VDMOSFET元胞設計結構參數及工藝參數工藝流程工藝仿真器件仿真器件優(yōu)化浙大微電子2023/4/3013/125VDMOSFET元胞設計結構參數及工藝參數工藝流程工藝仿真器件仿真器件優(yōu)化浙大微電子2023/4/3014/125元胞結構剖面（1/2個元胞）浙大微電子2023/4/3015/125VDMOSFET元胞設計結構參數及工藝參數工藝流程工藝仿真器件仿真器件優(yōu)化浙大微電子2023/4/3016/125一般VDMOS的主要制造工藝浙大微電子2023/4/3017/125主要步驟形成的對應結構圖浙大微電子2023/4/3018/125VDMOSFET元胞設計結構參數及工藝參數工藝流程工藝仿真器件仿真器件優(yōu)化浙大微電子2023/4/3019/1251、工藝及掩模參數設定

Processparameter1WaferN-Epi：Arsenic,ρ=6Ω·cm,Thickness=15um2Fieldoxidation/etch1250℃,305min,F.H2=8L/H,F.O2=6L/M;T-ox=1um3P+implant：Boron、60kev、1E15cm-24Gateoxidegrowth850℃,190min,F.H2=5L/M,F.O2=10L/M,F.HCL=30sccm5POLYdeposition/etchthick=6500A6P-implantBoron、80kev、3E13cm-27P-drive-in1150℃,125min,N2設定的工藝、掩膜版參數表浙大微電子2023/4/3020/1258n+implantAs、60kev、1E15cm-29BPSG/oxidedepositionThick=1um10RFW950℃、25min、DRYO211Contactetch

12Aluminumdeposition/etchThick=0.8um浙大微電子2023/4/3021/1252、仿真程序$TSUPREM-4VDMOSApplicationMASKIN.FILE=mask_vdmos.tl1ASSIGNNAME=EPITHICN.VALUE=15ASSIGNNAME=EPIRESSIN.VALUE=6ASSIGNNAME=PBODYENERGYN.VALUE=80ASSIGNNAME=PBODYDOSEN.VALUE=3E13ASSIGNNAME=PBODYTEMPN.VALUE=1150ASSIGNNAME=PBODYTIMEN.VALUE=125ASSIGNNAME=PPENERGYN.VALUE=60ASSIGNNAME=PPDOSEN.VALUE=1E15浙大微電子2023/4/3022/125$1.SetmeshMESHLY.SURF=0.2DY.SURF=0.1LY.ACTIV=@EPITHIC+LY.BOT=@EPITHICDX.MAX=0.75METHODERR.FAC=1.0$2.SelectmodelsMETHODCOMPRESS$3.InitializestructureINITIALIZEWIDTH=9.5IMPURITY=ARSENIC+I.RESIST=@EPIRESSI浙大微電子2023/4/3023/125$4.PlotinitialmeshSELECTTITLE="InitialMesh"PLOT.2DSCALEGRIDC.GRID=2$5.FieldoxidegrowandactiveareaetchDIFFUSETEMP=1250TIME=305F.H2=8F.O2=6SAVEFILEOUT.FILE=After_F-ox.tifTIFSELECTTITLE="Fieldoxidegrow"SOURCEPLOTFILEETCHOXIDE$6.P+implantationDEPOSITPHOTORESNEGATIVETHICK=1SPACES=2浙大微電子2023/4/3024/125EXPOSEMASK=PPDEVELOPIMPLANTIMPURITY=BORONENERGY=@PPENERG+DOSE=@PPDOSEETCHPHOTORESSAVEFILEOUT.FILE=afterpp.tifTIFSELECTTITLE="AfterP+implant"SOURCEPLOTFILE$7.GateoxidationDIFFUSETEMP=850TIME=190F.H2=5F.O2=10F.HCL=0.03SAVEFILEOUT.FILE=After_G-ox.tifTIF浙大微電子2023/4/3025/125$8.PolygateformationDEPOSITPOLYTHICK=0.65SPACES=2DEPOSITPHOTORESNEGATIVETHICK=2+SPACES=2EXPOSEMASK=POLYDEVELOPETCHPOLYETCHPHOTORESSAVEFILEOUT.FILE=After_Polygate.tifTIFSELECTTITLE="Polygateformation"SOURCEPLOTFILE浙大微電子2023/4/3026/125$9.P-implantanddiffuseIMPLANTBORONENERGY=@PBODYENERGY+DOSE=@PBODYDOSEDIFFUSETIME=@PBODYTIMETEMP=@PBODYTEMP+F.N2=7F.O2=0.3SAVEFILEOUT.FILE=afterpbody.tifTIFSELECTTITLE="AfterP-implant"SOURCEPLOTFILE$10.SourceformationDEPOSITPHOTORESNEGATIVETHICK=2SPACES=2EXPOSEMASK=NP浙大微電子2023/4/3027/125DEVELOPETCHOXIDEDIFFUSETEMP=900TIME=30DRYO2IMPLANTARSENICDOSE=5E15ENERGY=60ETCHPHOTORESDIFFUSETEMP=900TIME=30DRYO2IMPLANTARSENICDOSE=5E15ENERGY=60ETCHPHOTORESSAVEFILEOUT.FILE=afternp.tifTIFSELECTTITLE="Aftersourceformation"SOURCEPLOTFILE浙大微電子2023/4/3028/125$11.PSGandRFWDEPOSITOXIDETHICK=1DIFFUSETEMP=950TIME=25DRYO2SAVEFILEOUT.FILE=afterpsg.tifTIFSELECTTITLE="AfterPSG"SOURCEPLOTFILE$12.ContactetchandMetallizationDEPOSITPHOTORESNEGATIVETHICK=2SPACES=2EXPOSEMASK=CONTACTDEVELOPETCHOXIDE浙大微電子2023/4/3029/125ETCHPHOTORESDEPOSITPHOTORESNEGATIVETHICK=2SPACES=2DEPOSITALUMINUMTHICK=0.8$13.DefineelectrodeELECTRODENAME=GATEX=1Y=0ELECTRODENAME=DRAINBOTTOMELECTRODENAME=SOURCEX=7$14.Save/PlotfinalmeshandstructureSAVEFILEOUT.FILE=TSUPREM-IV_final.tifTIFSELECTTITLE="FinalMesh"PLOT.2DSCALEGRIDC.GRID=2浙大微電子2023/4/3030/125SELECTTITLE="Finalstructure"SOURCEPLOTFILE其中，掩膜版文件mask_vdmos.tl1內容如下：*mask_vdmos.tl1：TL101251e3095004PP185009500浙大微電子2023/4/3031/125POLY160009500NP160006500CONTACT162009500其中，掩膜版文件mask_vdmos.tl1、調用的畫圖文PLOTFILE內容如下：*PLOTFILE：$$$$PLOTFILE$$$$PLOT.2DSCALE浙大微電子2023/4/3032/125COLORSILICONCOLOR=3$P-typeandn-typeSELECTZ=(BORON-PHOS-ARSENIC)COLORMIN.V=0COLOR=7COLORMAX.V=0COLOR=3COLOROXIDECOLOR=5COLORPOLYCOLOR=2COLORALUMINUMCOLOR=2浙大微電子2023/4/3033/1253、工藝仿真結果

運行上述仿真文件，輸出的圖形如下列圖所示，從圖中我們可以看到每一個工藝步驟處理后的結構。

初始網格

場氧生長浙大微電子2023/4/3034/125P+注入

多晶硅淀積、刻蝕浙大微電子2023/4/3035/125P-注入

n+源注入浙大微電子2023/4/3036/125最終網格

最終器件結構浙大微電子2023/4/3037/125a）查看X=0處的摻雜濃度分布：SELECTZ=LOG10(BORON-ARSENIC)TITLE="X=0"PLOT.1DX.VALUE=9.5BOTTOM=10

浙大微電子2023/4/3038/125b）查看柵氧厚度：SELECTZ=DOPINGPRINT.1Dlayersx.value=0從上到下輸出器件各層次的結果信息如下：NumMaterialTopBottomThicknessIntegral1aluminum-2.0913-1.29130.80000.0000e+002oxide-1.2913-0.25231.0391-1.7021e+123polysilicon-0.25230.38140.6337-1.6874e+13

4gateoxide0.38140.47890.0974-3.7309e+125silicon0.478915.000014.52111.1023e+12從中可看到柵氧的厚度為974A。浙大微電子2023/4/3039/125VDMOSFET元胞設計結構參數及工藝參數工藝流程工藝仿真器件仿真器件優(yōu)化浙大微電子2023/4/3040/125VDMOSFET的電學參數主要包括靜態(tài)參數和動態(tài)參數。靜態(tài)參數主要有擊穿電壓（BreakdownVoltage）導通電阻（Ron-state）閾值（Vth）動態(tài)參數主要有導通延時時間td-on關斷延時時間td-off上升時間tr下降時間tf等浙大微電子2023/4/3041/125擊穿電壓COMMENTBVAnalysisMESHIN.FILE=TSUPREM-IV_final.tifTIFCOMMENTElectrodedefinitionCONTACTNAME=GATEN.POLYCOMMENTSpecifyinterfacefixedchargedensityINTERFACQF=1E10COMMENTSpecifyphysicalmodelstouseMODELSIMPACT.ICONMOBHPMOBCONSRH+AUGERBGN浙大微電子2023/4/3042/125COMMENTInitialsolution,regridandpotentialSYMBCARRIERS=0METHODICCGDAMPEDSOLVECOMMENTPerforma0-carriersolutionattheinitialbiasSYMBCARRIERS=0SOLVEV(Source)=0.0V(Gate)=0V(Drain)=0LOCALCOMMENTObtainsolutionsusing2-carrierNewtonwithcontinuationSYMBCARRIERS=2NEWTON浙大微電子2023/4/3043/125METHODn.dampitlimit=40n.dvlim=15stack=40LOGOUT.FILE=bvds.logEXTRACTNAME=IDEXP=@I(DRAIN)*(3E6)SOLVEELEC=DRAINV(drain)=0NSTEP=2VSTEP=75SOLVEELEC=DRAINCONTINUC.VMAX=400+C.IMAX=0.8E-8C.VSTEP=1C.TOLER=0.01PLOT.2DTITLE="200VSimulationStructure"FILLSCALECOMMENTDraincurrentvs.drainvoltagePLOT.1DX.AXIS=V(Drain)Y.AXIS=IDPOINTSCOLOR=2+^ORDERCLEARRIGHT=400TOP=1.0E-2+TITLE="BreakdownVoltage"浙大微電子2023/4/3044/125COMMENTFlowlinesforlastsolutionPLOT.2DBOUNDJUNCDEPLTITLE="Flowlines"FILLSCALECONTOURFLOWLINESNCONT=31COLOR=1COMMENTPotentialcontourandelectricfieldlinsformostrecentsolutionPLOT.2DBOUNDJUNCDEPLTITLE="Poten-lines"FILLSCALECONTOURPOTENTIAMIN=-1MAX=1200DEL=10COLOR=6浙大微電子2023/4/3045/125程序說明：1）模型選擇（MODELS）雪崩擊穿的發(fā)生是由于在強電場下，半導體中的載流子會被電場加速，部分載流子可以獲得足夠高的能量，這些載流子有可能通過碰撞把能量傳遞給價帶上的電子，使之發(fā)生電離，從而產生二次電子-空穴對，即所謂的“碰撞電離”。軟件要模擬這個過程就必須選擇相應的計算模型；在Medici中提供了這種碰撞離化模型（IMPACT.I）。因此，通過計算電流來仿真擊穿電壓時，必須在MODELS語句中指定IMPACT.I模型；其它的指定模型一般為遷移率模型和復合模型。浙大微電子2023/4/3046/1252）SOVLE語句程序中使用了2個SOLVE語句，第一個SOLVE掃描Drain電壓至150V（步長為75V，2步完成），這主要用來減少仿真時間；因為預計的擊穿電壓在200V左右，因此可以減少200V以前的仿真數據點，這樣有助于減少仿真時間。第二個SOLVE，采用CONTINU方法，軟件自動設置掃描步長追蹤I-V曲線，直至電流達到設定的仿真停止點，即達到可認為器件已擊穿的電流值。浙大微電子2023/4/3047/125在SOLVE命令中有兩種基本直流穩(wěn)態(tài)掃描參數，一種為電壓掃描，另一種為電流掃描。電流掃描較適合于電壓變化較小而電流變化較大的情況，正如器件在擊穿時的情況。器件在臨界擊穿時，電壓增大很小一點也會使電流迅速增大，此時若采用電壓掃描，仿真會較難收斂，因此在CONTINU方法中軟件會自動從電壓掃描切換到電流掃描，并且自動根據電流的變化率設定掃描步長，以保證仿真的收斂性。浙大微電子2023/4/3048/1253）仿真結果輸出擊穿曲線圖浙大微電子2023/4/3049/125

電流分布圖電勢分布圖浙大微電子2023/4/3050/125導通電阻RonCOMMENTRdsAnalysisMESHIN.FILE=TSUPREM-IV_final.tifTIFCOMMENTElectrodedefinitioncontactname=gaten.polyCOMMENTSpecifyinterfacefixedchargedensityINTERFACQF=1E10COMMENTSpecifyphysicalmodelstouseMODELSCONMOBSRFMOB2FLDMOBCOMMENTInitialsolutionSYMBCARRIERS=0浙大微電子2023/4/3051/125METHODICCGDAMPEDSOLVESYMBCARRIERS=0METHODICCGDAMPEDSOLVEV(Gate)=10SYMBCARRIERS=1NEWTONELECTRONLOGOUT.FILE=RDS.logSOLVEELEC=drainV(drain)=0NSTEP=30VSTEP=0.1COMMENTDraincurrentvs.drainvoltage浙大微電子2023/4/3052/125PLOT.1DX.AXIS=V(drain)Y.AXIS=I(drain)POINTS+COLOR=2^ORDER+TITLE="V(drain)-I(drain)"CLEAREXTRACTNAME=IDEXP=@I(DRAIN)*(3E6)EXTRACTNAME=RdsEXP=@V(DRAIN)/(@ID)PLOT.1DX.AXIS=V(drain)Y.AXIS=IDCOLOR=2^ORDERCLEAR+TITLE="ID-V(drain)"PLOT.1DX.AXIS=IDY.AXIS=RdsCOLOR=3^ORDERCLEAR+LEFT=0.1RIGHT=30TITLE="Rds"浙大微電子2023/4/3053/125VGS=10V時的漏端I-V曲線

源漏電阻Rds與源漏電流ID的關系曲線浙大微電子2023/4/3054/125閾值電壓COMMENTVthMESHIN.FILE=TSUPREM-IV_final.tifTIFCOMMENTElectrodedefinitionContactname=gaten.polyCOMMENTSpecifyinterfacefixedchargedensityINTERFACQF=1E10COMMENTSpecifyphysicalmodelstouseMODELSCONMOBSRFMOB2FLDMOBCOMMENTInitialsolution,regridandpotentialSYMBCARRIERS=0METHODICCGDAMPEDSOLVESYMBCARRIERS=0METHODICCGDAMPED浙大微電子2023/4/3055/125導通電阻RonSOLVEV(Gate)=10SYMBCARRIERS=1NEWTONELECTRONLOGOUT.FILE=RDS.logSOLVEELEC=drainV(drain)=0NSTEP=30VSTEP=0.1COMMENTDraincurrentvs.drainvoltagePLOT.1DX.AXIS=V(drain)Y.AXIS=I(drain)POINTSCOLOR=2^ORDER+TITLE="V(drain)-I(drain)"CLEAR浙大微電子2023/4/3056/125導通電阻RonEXTRACTNAME=IDEXP=@I(DRAIN)*(3E6)EXTRACTNAME=RdsEXP=@V(DRAIN)/(@ID)PLOT.1DX.AXIS=V(drain)Y.AXIS=IDCOLOR=2^ORDERCLEAR+TITLE="ID-V(drain)"PLOT.1DX.AXIS=IDY.AXIS=RdsCOLOR=3^ORDERCLEAR+LEFT=0.1RIGHT=30TITLE="Rds"浙大微電子2023/4/3057/125MOS轉移特性曲線

局部放大后的閾值曲線浙大微電子2023/4/3058/125開關時間：td-on、td-off、tr、tf開關速度的評價主要包括4個時間常數，即導通延時時間td-on、關斷延時時間td-off、上升時間tr、下降時間tf，如圖所示，各時間定義如下：浙大微電子2023/4/3059/125開關時間：td-on、td-off、tr、tftd-on：從柵電壓上升到10%柵驅動電壓到漏電壓下降10%所經歷的時間。td-off：從柵電壓下降到90%柵驅動電壓到漏電壓上升至10%所經歷的時間。tr：漏極電壓從90%下降到10%所經歷的時間（此時電流上升）。tf：漏極電壓從10%上升到90%所經歷的時間（此時電流下降）。浙大微電子2023/4/3060/125

開關時間的測定需采用測試電路，因此需用到MEDICI的電路仿真功能，即電路分析高級應用模塊（CircuitAnalysisAdvancedApplicationModule,CA-AAM）。

MEDICI的電路仿真類似于SPICE電路仿真，它能提供全部的線性、非線性SPICE元器件。在電路仿真中，MEDICI使用吉爾霍夫電流/電壓定律（KCL、KVL）來描述電路，使用半導體基本方程來描述器件（Poisson,continuity,energybalance,andlatticetemperature），軟件通過求解這些耦合集得到結果。浙大微電子2023/4/3061/125浙大微電子2023/4/3062/125COMMENTSwitchtimeAnalysisMESHIN.FILE=TSUPREM-IV_final.tifTIFCONTACTNAME=GATEN.POLYSAVEOUT.FILE=MD.TIFTIFALLCOMMENTEnterCIRCUITmodeSTARTCIRCUIT$PowersupplyVDD4020$InputsourceVIN10PULSE01020n10n10n60n2000000n浙大微電子2023/4/3063/125$InputresistanceRG129.4$VDMOST4transistorPVDMOS3=Drain2=Gate0=Source+FILE=MD.TIFTIFWIDTH=3E6$resistanceRL346.67$Initialguessatcircuitnodevoltages.NODESETV(1)=0V(2)=0V(3)=20V(4)=20$ReturntoMEDICImodeforsolutionandplottingFINISHCIRCUIT浙大微電子2023/4/3064/125SYMBOLNEWTONCARR=0SOLVEINITSYMBOLNEWTONCARR=2SOLVEELEMENT=VDDV.ELEM=30VSTEP=70NSTEP=1SYMBOLNEWTONCARR=2METHODN.DVLIM=0.3TOL.TIME=.02SOLVEDT=1e-10TSTOP=210e-9COMMENTPlotthecircuitvoltagesandcurrentsPLOT.1DX.AX=TIMEY.AX=VC(1)TITLE="Vin"PLOT.1DX.AX=TIMEY.AX=VC(3)TITLE="V(DRAIN)"浙大微電子2023/4/3065/125程序說明：1）輸入信號波形通過下面語句指定輸入脈沖信號波形：

VIN10PULSE01020n10n10n60n2000n

VIN10PULSE01020n10n10n60n2000nname+node-nodeinitialfinalTdTrTfTpTper浙大微電子2023/4/3066/1252）程序語句$InputresistanceRG129.4中的9.4為測試電路中的RG和柵寄生電阻之和，而$resistanceRL346.67中的6.67為測試電路中RL的值。浙大微電子2023/4/3067/125

輸入輸出信號波形分別如下圖所示，根據上面對各時間常數的定義，從圖中可知：td-on≈10nstd-off≈60nstr≈18nstf≈26ns。浙大微電子2023/4/3068/125VDMOSFET元胞設計結構參數及工藝參數工藝流程工藝仿真器件仿真器件優(yōu)化浙大微電子2023/4/3069/125

擊穿電壓和導通電阻是VDMOS最重要的2個參數。兩者一般有如下關系式：

Ron≈BV2.4-2.6器件優(yōu)化的核心就是在保證擊穿電壓滿足要求的情況下盡可能的減小導通電阻。浙大微電子2023/4/3070/1251、外延層電阻（Repi）優(yōu)化

事實上，為達到一定的耐壓，外延層厚度、電阻率存在多種組合，對于任一厚度W，都有一個濃度N(或電阻率)與其對應；因此在保持耐壓基本不變（滿足指標要求）的情況下，仿真其在不同的外延層厚度、電阻率組合下的擊穿電壓和導通電阻，尋找Ron最小的點。浙大微電子2023/4/3071/125浙大微電子2023/4/3072/1252、JFET區(qū)電阻RJFET優(yōu)化

JFET區(qū)域位于相鄰P-Body之間，就像是一個結型場效應管（JFET）結構，由此而得名。為了降低JFET電阻，可在JFET區(qū)進行一次與外延層摻雜類型相同的離子注入，以提高JFET區(qū)的濃度，降低電阻。浙大微電子2023/4/3073/125

JFET注入可分為整體JFET注入和局部JFET注入。全部JFET注入就是在外延層表面整體進行一次JFET注入，不用掩膜版；局部JFET注入就是只在JFET區(qū)域（即多晶硅柵下面的部分）進行JFET注入。JFET注入圖兩種JFET注入擊穿電壓比較圖浙大微電子2023/4/3074/125擊穿電壓、導通電阻隨JFET注入劑量的變化圖浙大微電子2023/4/3075/125本章內容VDMOSFET概述VDMOSFET元胞設計VDMOSFET終端結構設計VDMOSFET

ESD防護結構設計浙大微電子2023/4/3076/125結構參數設計

由于邊緣元胞處平面結的曲率效應，會使擊穿電壓降低，所以器件還需要有終端結構。已開發(fā)的終端技術有很多，主要可歸納分類為場限環(huán)(FLR)、場板(FP)、結終端擴展(JTE)、橫向變摻雜(VLD)、槽形終端等。場限環(huán)的設計主要考慮的是場限環(huán)的個數、場限環(huán)之間的間距、環(huán)的結深、寬度及濃度。在實際設計中，場限環(huán)的結深、濃度、寬度往往會受元胞工藝參數等其它因素的制約，是比較容易先確定的，因此主要的優(yōu)化是環(huán)的個數和環(huán)的間距。浙大微電子2023/4/3077/125結構參數設計對于環(huán)的個數，通常來說，耐壓會隨著環(huán)數的增加而上升。但是，環(huán)數的增多也會增大所占的芯片面積，而且環(huán)的數量增加到一定值后耐壓會達到飽和。因此設計時要綜合考慮。對于環(huán)間距，在確定的外延層情況下總是存在一組最佳值，即在一定的環(huán)間距時，主結和各環(huán)結處的電場峰值基本一致，都剛好到達臨界擊穿電場強度，此時可得到最高耐壓。浙大微電子2023/4/3078/125工藝仿真

初步設定掩模版參數如圖所示，采用3個場限環(huán)，環(huán)寬都為6um，間距為6um。浙大微電子2023/4/3079/125仿真程序$TSUPREM-4VDMOSApplicationMASKIN.FILE=mask_vdmos.tl1$1.SetgridspacinganderrortoleranceMESHLY.SURF=0.2DY.SURF=0.1LY.ACTIV=15.0+DX.MAX=0.75LY.BOT=15METHODERR.FAC=1.05$2.SelectmodelsMETHODCOMPRESS$3.InitializestructureINITIALIZEWIDTH=10IMPURITY=ARSENICI.RESIST=6浙大微電子2023/4/3080/125STRUCTUREEXTENDRIGHTWIDTH=70DX=2Y.ELIM=7SAVEFILEOUT.FILE=INI.tifTIFSELECTTITLE="InitialMesh"PLOT.2DSCALEGRIDC.GRID=2SELECTTITLE="Initial"SOURCEPLOTFILE$4.JFETimplantanddriveinDIFFUSETEMP=950TIME=25F.O2=4F.HCL=0.03IMPLANTPHOSENERGY=80DOSE=2E12DIFFUSETEMP=1150TIME=180ETCHOXIDE浙大微電子2023/4/3081/125$5.FieldoxidegrowDIFFUSETEMP=1250TIME=305F.H2=8F.O2=6SAVEFILEOUT.FILE=After_F-ox.tifTIFSELECTTITLE="Fieldoxidegrow"SOURCEPLOTFILE$6.FieldoxideetchDEPOSITNEGATIVEPHOTORESTHICKNES=2SPACES=2EXPOSEMASK=RINGDEVELOPETCHOXIDEETCHPHOTORESSAVEFILEOUT.FILE=After_F-ox2.tifTIF浙大微電子2023/4/3082/125SELECTTITLE="AfterFOXetch"SOURCEPLOTFILE$7.P+implantationDEPOSITNEGATIVEPHOTORESTHICKNES=2SPACES=2EXPOSEMASK=PPDEVELOPIMPLANTBORONENERGY=60DOSE=1E15ETCHPHOTORESSAVEFILEOUT.FILE=afterpp.tifTIFSELECTTITLE="AfterP+implant"SOURCEPLOTFILE浙大微電子2023/4/3083/125$8.GateoxidationDIFFUSETEMP=850TIME=190F.H2=5F.O2=10F.HCL=0.03SAVEFILEOUT.FILE=After_G-ox.tifTIF$9.PolygateformationDEPOSITPOLYTHICK=0.65SPACES=2ETCHPOLY$10.p-implantanddiffuseIMPLANTBORONENERGY=80DOSE=3E13DIFFUSETEMP=1150TIME=125F.N2=7F.O2=0.3浙大微電子2023/4/3084/125SAVEFILEOUT.FILE=afterpbody.tifTIFSELECTTITLE="AfterP-implant"SOURCEPLOTFILE$11.Sourceformation$12.PSGDepsitionandRFWDEPOSITOXIDETHICK=1DIFFUSETEMP=950TIME=25DRYO2SAVEFILEOUT.FILE=afterpsg.tifTIFSELECTTITLE="AfterPSGandRFW"SOURCEPLOTFILE浙大微電子2023/4/3085/125$13.ContactetchDEPOSITPHOTORESNEGATIVETHICK=2SPACES=2EXPOSEMASK=CONTACTDEVELOPETCHOXIDEETCHPHOTORES$14.MetallizationandetchDEPOSITALUMINUMTHICK=0.8DEPOSITPHOTORESNEGATIVETHICK=2SPACES=2浙大微電子2023/4/3086/125EXPOSEMASK=ETCHALDEVELOPETCHALUMINUMETCHPHOTORESSAVEFILEOUT.FILE=AfterALETCH.tifTIFSELECTTITLE="AfterMetallization"SOURCEPLOTFILE$15.Defineelectrode浙大微電子2023/4/3087/125ELECTRODENAME=DRAINBOTTOMELECTRODENAME=SOURCEX=1$16.Save/PlotfinalmeshandstructureSAVEFILEOUT.FILE=TSUPREM-IV_final.tifTIFSELECTTITLE="FinalMesh"PLOT.2DSCALEGRIDC.GRID=2SELECTTITLE="Finalstructure"SOURCEPLOTFILE浙大微電子2023/4/3088/125畫圖文件PLOTFILE內容與前面元胞工藝仿真中畫圖文件相同，掩膜版文件mask_vdmos.tl1內容如下：TL101251e30700004RING40125001600022000浙大微電子2023/4/3089/12528000340004000046000PP4012500160002200028000340004000046000CONTACT104000ETCHAL1500070000浙大微電子2023/4/3090/125仿真結果初始外延層生長場氧后場氧刻蝕P+注入浙大微電子2023/4/3091/125P-注入、退火PSG淀積、回流最終形成結構浙大微電子器件仿真仿真程序

COMMENTBVAnalysis

MESHIN.FILE=TSUPREM-IV_final.tifTIF

COMMENTSpecifyinterfacefixedchargedensity

INTERFACQF=1E10

COMMENTBVAnalysis

MESHIN.FILE=TSUPREM-IV_final.tifTIFCOMMENTSpecifyinterfacefixedchargedensityINTERFACQF=1E10COMMENTSpecifyphysicalmodelstouse

2023/4/30浙大微電子92/1252023/4/3093/125MODELSIMPACT.ICONMOBHPMOBCONSRHAUGER+BGNCOMMENTInitialsolution,regridandpotentialSYMBCARRIERS=0METHODICCGDAMPEDSOLVECOMMENTPerforma0-carriersolutionattheinitialbiasSYMBCARRIERS=0SOLVEV(Source)=0.0V(Drain)=0LOCALCOMMENTObtainsolutionsusing2-carrierNewtonwithcontinuation浙大微電子2023/4/3094/125SYMBCARRIERS=2NEWTONMETHODn.dampitlimit=40n.dvlim=15stack=40LOGOUT.FILE=bvds.logSOLVEELEC=DRAINV(DRAIN)=0VSTEP=90NSTEPS=2SOLVEELEC=DRAINCONTINUC.VMAX=400C.IMAX=0.8E-8+C.VSTEP=1C.TOLER=0.01PLOT.2DGRIDTITLE="SimulationMesh"FILLSCALEPLOT.2DTITLE="SimulationMesh"FILLSCALECOMMENTDraincurrentvs.drainvoltageLEFT=200PLOT.1DX.AXIS=V(Drain)Y.AXIS=I(DRAIN)POINTS+COLOR=2^ORDER浙大微電子2023/4/3095/125+RIGHT=270TOP=1.0E-8CLEAR+TITLE="BreakdownVoltage"COMMENTFlowlinesforlastsolutionPLOT.2DBOUNDJUNCDEPLTITLE="Flowlines"FILLSCALECONTOURFLOWLINESNCONT=21COLOR=1COMMENT3DE-FielddistributionPLOT.3DE.FIELD浙大微電子2023/4/3096/125仿真結果優(yōu)化前的擊穿曲線優(yōu)化前的電場分布浙大微電子2023/4/3097/125參數優(yōu)化

由于仿真值與實際流片測試值會有偏差，需要有10%的裕量。即對于本款200V器件，終端結構的擊穿電壓仿真值需要大于220V。同時，為了保證終端結構擊穿電壓的穩(wěn)定性，增加一個場限環(huán)，即4個場限環(huán)，且最終選定環(huán)間距為6.5um、6.5um、6.5um、7.0um。

優(yōu)化后的電場分布圖與擊穿曲線分別如下圖所示。浙大微電子2023/4/3098/125參數優(yōu)化浙大微電子2023/4/3099/125本章內容VDMOSFET概述VDMOSFET元胞設計VDMOSFET終端結構設計VDMOSFET

ESD防護結構設計浙大微電子2023/4/30100/125ESD現象概述

根據ESD產生的原因及其對集成電路放電的不同方式，通常將靜電放電事件分為以下三種模型：（1）人體模型（HumanBodyModel，HBM）（2）機器模型（MachineModel，MM）（3）充電器件模型（ChargedDeviceModel，CDM）HBM,MM和CDM模型下的ESD等效電路圖浙大微電子2023/4/30101/125VDMOSFET中的ESD防護結構設計

目前，應用于VDMOS器件的ESD結構已經引起了廣泛的研究，常用的ESD保護結構包括SCR（可控硅）GGNMOS（柵接地的NMOS）GGPMOS（柵接地的PMOS）多晶硅/體硅形成的二極管，單純體硅二極管以及電阻等浙大微電子2023/4/30102/125

SCR，GGNMOS，GGPMOS結構在工藝實現上比較復雜，很難與VDMOS工藝兼容，會造成器件制造成本的上升。因此，此類ESD保護結構常常用于集成電路的I/O防護結構中，而很少應用于分立元器件。一般高壓功率VDMOS中采用的ESD保護結構為在柵和源之間加一對背靠背的齊納二極管，如圖所示。浙大微電子2023/4/30103/125

當VDMOS器件正常工作時，總有一個二極管處于反偏狀態(tài)，不會影響柵、源電極上的電位。但是，當柵、源電極之間因靜電產生瞬間高電壓時，一個二極管就會發(fā)生擊穿，并迅速泄放靜電電流，箝位柵源電壓，從而防止由瞬間高壓導致的柵氧層擊穿，保護VDMOS的柵氧化層不被破壞。浙大微電子2023/4/30104/125pn結二極管ESD保護結構圖PLOY二極管ESD保護結構圖浙大微電子2023/4/30105/125ESD防護結構的參數仿真POLY二極管參數圖浙大微電子2023/4/30106/125開啟電壓Vt1

仿真程序TITLEESDDiodeBVSimulationCOMMENTCreateaninitialsimulationmeshMESH^DIAG.FLIX.MESHX.MAX=4.0H1=0.25Y.MESHY.MAX=0.5H1=0.25COMMENTRegionandelectrodestatementsREGIONNAME=BODYPOLYSILIELECTRNAME=AnodeRIGHTELECTRNAME=CathodeLEFT浙大微電子2023/4/30107/125COMMENTSpecifyimpurityprofilesPROFILEP-TYPEN.PEAK=6E17UNIFOUT.FILE=PROFILEPROFILEN-TYPEN.PEAK=2E19UNIF+X.MIN=0X.MAX=2

COMMENTRefinethemeshwithdopingregridsREGRIDDOPINGLOGRAT=3SMOOTH=1+IN.FILE=PROFILEREGRIDDOPINGLOGRAT=3SMOOTH=1+IN.FILE=PROFILE浙大微電子2023/4/30108/125REGRIDDOPINGLOGRAT=3SMOOTH=1+IN.FILE=PROFILEOUT.FILE=PROFILEPLOT.2DGRIDTITLE="DIODE"FILLSCALEPLOT.1DDOPINGY.START=0.5Y.END=0.5Y.LOGPOINTS+TITLE="Y=0.5"SAVEOUT.FILE=DIODE.tifTIFCOMMENTSpecifyphysicalmodelstouseMODELSIMPACT.ICONMOBHPMOBCONSRH+AUGERBGNCOMMENTInitialsolution,regridandpotentialSYMBCARRIERS=0浙大微電子2023/4/30109/125METHODICCGDAMPEDSOLVESYMBNEWTONCARRIERS=2METHODn.dampitlimit=40n.dvlim=15stack=40LOGOUT.FILE=bvds.logSOLVEELEC=cathodeCONTINUC.VMAX=125+C.IMAX=0.8E-8C.VSTEP=0.1C.TOLER=0.01PLOT.1DX.AXIS=V(CATHODE)Y.AXIS=I(CATHODE)+POINTSCOLOR=2^ORDERCLEAR浙大微電子2023/4/30110/125仿真結果ESD二極管的擊穿曲線圖浙大微電子2023/4/30111/125二次擊穿電流It2二次擊穿，亦稱熱電擊穿，其發(fā)生是由于電流密度過大，引起某些局部點的溫度過高，最后導致過熱點的晶體熔化，器件損壞。仿真程序CALLFILE=6DIODESAVEOUT.FILE=MD.TIFTIFALLCOMMENTEnterCIRCUITmodeSTARTCIRCUIT浙大微電子2023/4/30112/125$InputsourceITLP10PULSE020e-320n10n10n125n2000000n$6diodestringPDIODE1=Cathode0=Anode+FILE=MD.TIFTIFWIDTH=1FINISHCIRCUITCOMMENTSpecifyphysicalmodelstouseMODELSIMPACT.III.TEMPTMPMOBCONMOB+CONSRHAUGERBGNHPMOBSYMBOLNEWTONCARR=0METHODDAMPEDICCGSOLVEINIT浙大微電子2023/4/30113/125LOGOUT.FILE=It2.logSYMBOLNEWTONCARR=2LAT.TEMPCOUP.LATMETHODstack=40MAX.TEMP=1687SOLVEDT=1e-10TSTOP=130e-9SAVEOUT.FILE=It2.tifTIFLOGOUT.FILE=It2.logCOMMENTPlotthecircuitvoltagesandcurrentsPLOT.1DX.AX=TIMEY.AX=I(PDIODE.ANODE)POINTS+TITLE="I-TLP"PLOT.1DLAT.TEMPCOLOR=2POINTS+TITLE="LatticeTemperature"浙大微電子2023/4/30114/125其中，CALL命令調用的文件6DIODE為用來生成器件結構的文件，內容如下：$*6DIODETITLEESDDiodeStringCOMMENTCreateaninitialsimulationmeshMESH^DIAG.FLIX.MESHX.MAX=26.0H1=0.25Y.MESHY.MAX=0.5H1=0.25浙大微電子2023/4/30115/125COMMENTRegionandelectrodestatementsREGIONNAME=BODYPOLYSILIELECTRNAME=AnodeRIGHTELECTRNAME=Ca