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新型MOS沟槽夹断型肖特基整流器的模拟研究

作　者: 李惟一
导　师: 茹国平
学　校: 复旦大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: 肖特基二极管夹断效应击穿功率器件
分类号: TN386
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

功率半导体器件和功率集成电路作为整个半导体产业的重要分支,广泛应用于工业生产和社会生活。功率整流器是重要的功率半导体器件。在传统的P-i-N二极管和平面肖特基二极管(Schottky Barrier Diode, SBD)基础上,人们已经设计并制造出了多种非平而型SBD。其中沟槽型金属-氧化物-半导体势垒肖特基整流器(Trench MOS Barrier Schottky rectifier, TMBS)和渐变掺杂(Graded Doping, GD)-TMBS利用MOS结构产生耗尽层夹断导电通道的原理,对器件性能有明显提高。但其在台面底部沟槽拐角附近汇聚的强电场限制了其反向击穿电压的进一步提高。工艺和器件的数值模拟被统称为集成电路技术的计算机辅助设计(IC-TCAD),是少数几种有能力缩减集成电路开发周期和研制费用的技术之一,还能获取实验无法得到的信息以深化集成电路工艺和器件的物理研究。论文通过使用Crosslight公司的工艺模拟软件Csuprem和器件模拟软件Apsys对已知特性的平而SBD、TMBS、GD-TMBS进行了模拟。通过对比已知特性和我们的模拟特性,验证了上述软件所用模型的适用性和精确性,建立了使用上述软件进行自主研究的可信性基础。论文提出了一种TMBS的优化结构——梯形台而(Trapezoid Mesa, TM)-TMBS结构。模拟研究了各可变参数对于器件击穿电压的影响,给出了定性物理解释,得到了固定参数下的最优结构。同时指出了设计器件参数的一些原则。模拟研究了最优结构TM-TMBS相对于最优TMBS以及平而SBD的差别,从电场分布,正反向Ⅰ-Ⅴ特性等方而比较了它们的优劣,给出了物理解释。最优的TM-TMBS设计可比最优TMBS提高6.3%的反向击穿电压。同时减小26%的反向漏电流。TM-TMBS设计正向开启特性稍差于TMBS,但仍好于平而SBD。论文提出了一种GD-TMBS的优化结构——GD-梯形台而(TM)-TMBS结构。沿用200 V GD-TMBS的多数设计参数的同时,使用Apsys模拟研究了台而底部角度γ、台而项部宽度α两个参数的变化对于GD-TM-TMBS器件性能的影响,给出了定性物理解释。发现单纯引入台而底部角度γ并不能有效提高器件的击穿电压,瓶颈在于台而底部难于夹断。在引入台而底部角度γ的情况下,解析推导了适合于GD-TM-TMBS的杂质浓度分布。定性分析显示该分布可以弥补台面底部难于夹断的不足。论文提出了另一种TMBS的优化结构——圆弧拐角(Round Corner, RC-TMBS结构。使用Csuprem+Apsys方法研究了三种RC-TMBS在反向偏压下的电场分布；给出了峰值电场大小的物理解释。研究了三种RC-TMBS的Ⅰ-Ⅴ特性,与TMBS,TM-TMBS结构做了对比。最优的Double-RC-TMBS相对于TMBS结构,击穿电压提高了2.9%,漏电流降低了15.5%。最优的Double-RC-TMBS相对于TMBS结构,正向特性稍有降低,但优于TM-TMBS。给出了关于正向特性的物理解释。可以认为Double-RC-TMBS是TMBS与TM-TMBS的一种折中。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-9
第一章绪论  9-21
  1.1 引言  9-10
  1.2 P-i-N二极管与平面SBD  10-12
  1.3 非平面SBD  12-16
  1.4 TMBS、GD-TMBS详细介绍与本论文研究内容  16-21
第二章数值模拟方法探索  21-33
  2.1 引言  21-22
  2.2 数值模拟软件Csuprem与Apsys简介  22-26
    2.2.1 Csuprem  22-24
    2.2.2 Apsys  24-26
  2.3 对平而SBD的"实验——模拟"验证  26-29
  2.4 对TMBS的模拟结果与已有文献的对比  29-30
  2.5 对GD-TMBS的模拟结果与已有文献的对比  30-32
  2.6 本章小结  32-33
第三章 TM-TMBS建模与模拟  33-52
  3.1 理论基础  33-35
    3.1.1 碰撞电离  33-34
    3.1.2 TMBS的不足  34-35
  3.2 TM-TMBS器件建模  35-36
  3.3 TM-TMBS设计参数的优化与分析  36-46
    3.3.1 台而顶部宽度α  36-39
    3.3.2 台而底部角度γ  39-41
    3.3.3 氧化层厚度t_(ox)  41-43
    3.3.4 沟槽深度d  43-45
    3.3.5 设计原则  45-46
  3.4 优化结构电场分布与正、反向Ⅰ-Ⅴ特性  46-50
    3.4.1 电场分布  46-47
    3.4.2 反向Ⅰ-Ⅴ特性  47-48
    3.4.3 正向Ⅰ-Ⅴ特性  48-50
  3.5 TM-TMBS的可能实现工艺  50
  3.6 本章小结  50-52
第四章 GD-TM-TMBS建模与模拟  52-63
  4.1 GD-TMBS的不足  52-53
  4.2 GD-TM-TMBS器件建模  53-54
  4.3 GD-TM-TMBS设计参数的优化与分析  54-57
    4.3.1 台面底部角度γ  54-56
    4.3.2 台面顶部宽度α  56-57
  4.4 GD-TM-TMBS杂质浓度分布优化  57-62
    4.4.1 解析推导  58-61
    4.4.2 对新杂质浓度分布的模拟  61-62
  4.5 本章小结  62-63
第五章 RC-TMBS建模与模拟  63-77
  5.1 RC-TMBS器件建模  63-64
  5.2 RC-TMBS的Csuprem模拟  64-72
    5.2.1 Csuprem+Apsys方法的一致性验证  65-68
    5.2.2 Csuprem模拟制作的RC-TMBS  68-72
  5.3 RC-TMBS的Apsys模拟  72-76
    5.3.1 电场分布  72-73
    5.3.2 反向Ⅰ-Ⅴ特性  73-74
    5.3.3 正向Ⅰ-Ⅴ特性  74-76
  5.4 本章小结  76-77
第六章结论  77-78
参考文献  78-80
攻读硕士学位期间发表论文和申请专利  80-81
致谢  81-82

新型MOS沟槽夹断型肖特基整流器的模拟研究

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