VDMOS功率晶体管版图设计

VDMOS功率晶体管的版图设计

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指导教师职称

指导教师职称

设计时间2012.9.15－2013.1.4

摘要

VDMOS 是微电子技术和电力电子技术融和起来的新一代功率半导体器件。因具有开关速度快、输入阻抗高、负温度系数、低驱动功率、制造工艺简单等一系列优点，在电力电子领域得到了广泛的应用。目前，国际上已形成规模化生产，而我国在VDMOS 设计领域则处于起步阶段。

本文首先阐述了VDMOS 器件的基本结构和工作原理，描述和分析了器件设计中各种电性能参数和结构参数之间的关系。通过理论上的经典公式来确定VDMOS 的外延参数、单胞尺寸和单胞数量、终端等纵向和横向结构参数的理想值。根据结构参数，利用L-edit版图绘制软件分别完成了能够用于实际生产的60V、100V、500V VDMOS 器件的版图设计。在此基础之上确定了器件的制作工艺流程，并对工艺流水中出现的问题进行了分析。最后，总结全文，提出下一步研究工作的方向。

关键词：，功率半导体器件，版图设计，原胞，击穿电压

目录

第1章绪论

电力电子系统是空间电子系统和核电子系统的心脏，功率电子技术是所有电力电子系统的基础。VDMOSFET 是功率电子系统的重要元器件，它为电子设备提供所需形式的电源以及为电机设备提供驱动。几乎大部分电子设备和电机设备都需用到功率VDMOS 器件。VDMOS 器件具有不能被横向导电器件所替代的优良性能，包括高耐压、低导通电阻、大功率和可靠性等。

半导体功率器件是电力电子系统进行能量控制和转换的基本电子元器件，也称为电力电子开关器件。它是用来进行高效电能形态变换、功率控制与处理，以及实现能量调节的新技术核心器件。电力电子技术的不断发展为半导体功率器件开拓了广泛的应用领域，而半导体功率器件的可控制特性决定了电力电子系统的效率、体积和重量。实践证明，半导体功率器件的发展是电力电子系统技术更新的关键。通常，半导体功率器件是一种三端子器件，通过施加于控制端子上的控制信号，控制另两个端子处于电压阻断（器件截至）或电流导通（器件导通）状态。20 世纪50 年代初，世界上第一只可控性半导体器件双极结型晶体管（BJT）诞生，从那时起，BJT 开始广泛应用于各类电子系统中，并促使人类真正进入大功率电能转换的时代。

实际上大容量电功率概念与半导体器件技术相结合的研究开发从50 年代就已经开始。1958 年世界上第一只晶闸管（早期称为可控硅整流管，300V/25A）研制成功，使半导体技术在工业领域的应用发生了革命性的变化，有力的推动了大功率（高电压、大电流）电子器件多样化应用的进程。在随后的二十多年里，功率半导体器件在技术性能和应用类型方面又有了突飞猛进的发展，先后分化并制造出功率逆导晶闸管、三端双向晶闸管和可关断晶闸管等。在此基础上为增强功率器件的可控性，还研制出双极型大功率晶体管，开关速度更高的单极MOS 场效应晶体管和复合型高速、低功耗绝缘栅双极晶体管，从此功率半导体器件跨入了全控开关器件的新时代。进入90 年代，单个器件的容量明显增大，控制功能更加灵活，价格显著降低，派生的新型器件不断涌现，功率全控开关器件模块化和智能化集成电路已经形成，产品性能和技术参数正不断改进和完善。电力电子技术的不断发展及广泛应用将反过来又促进现代功率半导体器件制造技术的成熟与发展。

20 世纪70 年代末，随着MOS 集成电路的发展，诞生了MOS 型半导体功率功率VDMOS 器件结构与优化设计研究器件。MOSFET 不仅是微电子学的重要器件，有

趣的是，它也是重要的功率半导体器件。作为功率器件，其发展过程基本上是在保留和发挥MOS 器件本身特点的基础上，努力提高功率（即增大器件工作电压和电流）的过程。功率MOS 是电压控制型器件，通过栅极电压控制器件的关断或开通，与BJT 等双极型器件相比，极大地简化了输入驱动线路，同时更容易实现电力电子系统的集成化。而且，对于击穿电压小于200V 的器件，可以通过增大单位面积的沟道宽度使导通电阻和开通损耗降到最小，此外，功率MOS 还具有更高的开关速度和更宽的安全工作（SOA），这使得功率MOS 在低压、高频系统中得到了广泛的应用。但是，由于没有类似双极器件少子注入产生的电导调制效应，随着器件击穿电压增大（大于200V），其导通电阻急剧增大，极大地限制了功率MOS 击穿电压的提高，也限制了它在高压系统的使用。

功率MOSFET 工艺水平的提高和额定电压、电流指标的增大，标志着电力电子向着大容量、高频率、快响应、低损耗方向发展。理论分析和实验研究表明，电器产品的体积与重量的缩小与供电频率的平方根成反比，故电力电子器件的高频化始终是技术发展的主导方向。器件工作频率的提高，可使电气设备在制造中节省材料，在运行时节省能源，设备的系统性能也大为改善，尤其是国防及航天工业具有十分深远的意义。进入20 世纪90 年代，电力电子器件则朝着产品标准化、结构模块化、功能复合化、功率集成化、性能智能化的方向发展。目前，先进的模块已经包括开关元件和反向续流二极管及驱动保护电路等多个单元，并已实现产品标准化和系列化，在电性能一致性与可靠性上也达到了极高的水平。

第2章 VDMOS器件的结构和基本工作原理

2.1VDMOS器件结构特点

新一代功率半导体器件VDMOS（vertical double diffused MOS）即垂直导电双扩散MOS 作为第三代电力电子产品，由于是多子器件，具有MOS 器件的一切优点，如：开关速度快、驱动功率小。VDMOS 采用自对准工艺，大大提高了单位面积中元胞的数量，并且并联的元胞具有负的温度系数，有利于大电流和更宽的安全工作区的实现。此外，与一般MOS 相比VDMOS 具有更短的沟道，线性好，实用性强。

功率MOSFET 的发展主要是从增大器件电流电压、提高器件耐压和工作频率三方面来进行。增大器件电流电压主要是减小导通电阻Ron；提高器件耐压除选取合理的高阻漂移区以外，在结构上还要增加沟道长度L，否则沟道容易穿通。由晶体管原理可知，该器件的漏极电流ID与沟道的宽长比(Z/L)成正比，即

IZLD

增加沟道长度会使器件工作电流变小，所以设计器件时必须根据要求综合考虑工作电流和耐压两方面的因素。

一般工艺所做的沟道长度为2μm 左右，这些因素决定了单位栅宽的的电流为1A/μm 的数量级。由此可见要增加器件允许工作电流，一个办法是增加栅宽Z，即在一定的面积下把栅做成n 条并联的叉指结构，这样电流可增加至2n 倍；另一个方法就是做成许多元胞并联的元胞结构，P 阱可以做成正方形或六边形。无论哪种结构都要在工艺上保证成品率，否则一个单元失效整个管芯报废。

图2.1是VDMOS 的横纵结构图。一般VDMOS 的耐压主要是由高阻漂移区来承担，为了保证表面不被击穿，在所有单元的最外圈要采用一定的终端保护技术，如：场板、场限环、等位环等。