高壓功率MOSFET終端結構設計.pdf

1、功率VDMOS以其高輸入阻抗、低驅動功率、較快的開關速度、較好的頻率特性以及較高的熱穩(wěn)定性等優(yōu)點，在半導體功率器件中一直占據(jù)著非常重要的地位。特別是近年對新能源、汽車電子、電源、照明等方面的需求日益迫切，功率VDMOS為電力電子領域的發(fā)展提供強大支撐的同時也顯示出了對社會經(jīng)濟發(fā)展的重要性。
　　隨著功率VDMOS的應用范圍越來越廣，擊穿電壓作為其最基本的性能要求也越來越高。對于低壓的器件設計相對比較容易，產(chǎn)品種類繁多市場廣泛，而當

2、工作在高擊穿電壓時，需要考慮許多特殊效應，并且不容易有效控制成本與性能之間的矛盾，這使得中高壓器件的設計難度會大很多。
　　高壓VDMOS芯片的耐壓能力往往由終端決定，終端是利用特殊的結構分擔元胞區(qū)最外圍的高電場，從而保證不會由于Pbody外側電場集中而導致芯片提前擊穿，本文研究的內容主要是聯(lián)系實際生產(chǎn)工藝對高壓芯片的終端結構進行設計。
　　本文首先詳細介紹了功率VDMOS元胞的歷史演變以及現(xiàn)在的發(fā)展狀況，然后介紹了半導體器

3、件的基本擊穿形式，對雪崩擊穿的機理和不同情況PN結雪崩擊穿進行了理論分析，并結合實際VDMOS的芯片結構分析解釋了終端提升芯片耐壓的工作原理。接著根據(jù)相關理論知識，基于Sentaurus TCAD仿真平臺設計了700V耐壓量級的場板場限環(huán)終端和900V耐壓量級的VLD、JTE終端。
　　在闡述場板場限環(huán)終端設計實現(xiàn)的過程中，本文首先對半導體工藝進行簡要介紹，并著重分析了關鍵工藝步驟對芯片結構產(chǎn)生的影響。其次對場限環(huán)終端的基本設計方

4、法進行了分析討論，通過仿真驗證其可行性。接著設計了700V場板場限環(huán)終端，仿真擊穿電壓達到733.4V，優(yōu)化各項指標使其分布比較合理。之后將場限環(huán)終端與溝槽終端的結構特點進行結合，設計了一種溝槽場限環(huán)(Trench FLR)終端結構，在不增加掩膜的條件下，通過增加溝槽刻蝕的方式增加了場限環(huán)的結深，并且擊穿點的峰值電場對表面的影響有所減少，一定程度上增加了芯片的可靠性。
　　為了降低終端結構的占用面積以及提升耐壓占平行平面結的比例，

5、本文設計了一款900V VLD結構終端和一款900V JTE結構終端，仿真擊穿電壓分別達到了938.5V和992V，終端耐壓分別達到了平行平面結擊穿電壓的93.3％和98.6％，終端長度分別僅有137μm和130.2μm。與700V場板場限環(huán)終端198μm的終端長度、84％的耐壓占比比較，VLD、JTE終端較大程度上減小了芯片的面積并提升了終端耐壓占平行平面結的比例。另外本文還提出以橫向緩變結來分析理解JTE結構的工作原理，并通過仿真數(shù)