抗辐照高压VDMOS的设计与仿真

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功率半导体是是电子电力领域的重要元器件,在全场景的控制系统中都扮演者重要角色。技术推进到现在,VDMOS凭借其输出功率大、开关速度快、工艺成熟度高得优点占据着主流的位置,并且还具备不俗的上升空间。我国经过多年艰苦攻关追赶,取得了一些成果,但同国外尖端技术差距依然不小。当应用于涉及国家安全的军事航天领域,VDMOS应当保证在强辐射环境中不失效,不影响航天器正常的工作,需要具备相应的抗辐照能力。在此领域我国面临严重的产品和技术封锁,与国外有近二十年的差距。自主设计基于国内工艺线的抗辐照高压VDMOS器件,填补市场空白提升国产化率具有重大意义。文章介绍了抗辐照VDMOS在国内外的发展现状,指出我国现在面临的艰难局面。通过详细阐述VDMOS的基本结构和工作原理,剖析主要的性能参数,为高压抗辐照N沟道耗尽型VDMOS设计研发打下理论基础。课题的研发工作同工艺线合作,提出一套基于普通商用工艺线水准的抗辐照耗尽型VDMOS的工艺流程。这是一套基于非自对准工艺调整而来的后栅工艺流程,核心是体硅工艺结束后,去除表面氧化层重新淀积场氧,刻蚀出有源区后在1000℃重新生长高质量氧化层作栅氧,之后不再有高温工艺。对淀积多晶硅、ILD隔离层、钝化层等对总剂量效应影响较大的工艺模块,结合工艺线的实际情况优化可动离子的消除和监控,完成了抗辐照加固。仿真验证表明此套工艺生产的器件具备100Krad(Si)的抗辐照能力,阈值电压能够保持在指标要求之内。接着运用仿真完成了器件设计。为此,文中详尽的介绍了仿真的思想方法,说明了网格的设置,物理模型的选择,和不同性能参数的仿真方法。依照提出的工艺流程,用Sentausus拉偏调整外延层厚度和掺杂浓度,多晶硅栅宽,反型注入剂量,Pwell参数,通过综合考虑击穿电压、阈值电压、特征导通电阻的仿真结果,选择最佳数值。设计出符合指标的元胞,击穿电压为725V,阈值电压-1.4V,特征导通电阻11.9Ω·mm~2。还设计了相应的三环场限环结构,击穿电压737.2V,各环承担电压近似,电场分布均匀。最终完成了版图设计。本文结合了工艺线的实际水平,提出了工艺流程,研发了一款600V抗总剂量辐射效应N沟道耗尽型VDMOS,并分享了整个设计过程的思维路径,对后续优化改进或新品研发提供了经验技术平台。仿真结果表明器件设计完全符合需求指标,对打破国际垄断,早日实现国产化自给自足具有一定的意义。
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