【摘 要】
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槽栅MOSFET作为功率MOSFET中的典型代表器件,具有功率密度大、开关速度快、驱动损耗低等优点,常用作高速开关完成各种电能形式的相互变换。高转换效率要求器件具有较低的损耗,同时在芯片小型化的发展趋势下,减小器件尺寸、提高单元密度是行之有效的解决办法。因此,如何在一定的光刻尺寸下,实现具有高单元密度的槽栅MOS器件结构成为了研究热点。基于国内的8寸晶圆生产线,本课题围绕两种高单元密度的低损耗槽栅
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槽栅MOSFET作为功率MOSFET中的典型代表器件,具有功率密度大、开关速度快、驱动损耗低等优点,常用作高速开关完成各种电能形式的相互变换。高转换效率要求器件具有较低的损耗,同时在芯片小型化的发展趋势下,减小器件尺寸、提高单元密度是行之有效的解决办法。因此,如何在一定的光刻尺寸下,实现具有高单元密度的槽栅MOS器件结构成为了研究热点。基于国内的8寸晶圆生产线,本课题围绕两种高单元密度的低损耗槽栅MOS器件展开,一是在沟槽内具有ONO（Oxide-Si N-Oxide）结构的分离栅MOSFET（简称为ONO SGT MOSFET）,二是具有窄MESA（Narrow-MESA）区设计的槽栅MOSFET（简称为NM Trench MOSFET）,主要研究内容如下:对ONO SGT MOSFET,首先阐述了其结构特点,介绍了引入Si N的原因,借助Si N层可以隔离传统工艺流程中热氧化生长隔离氧化层对沟槽形貌的影响,使得在相同生产能力下的元胞尺寸可以从传统SGT MOSFET的1.2μm减小至ONO SGT MOSFET的0.8μm;随后分析了其工作机理并介绍了器件的工艺流程,可直观看出Si N层的隔离作用;通过TCAD仿真软件,对30 V级别器件进行仿真,分析了该器件元胞各个结构参数和工艺参数对器件性能的影响,得到了元胞各参数的最优选择,实现了35 V的击穿电压和5.63 mΩ·mm~2的比导通电阻;根据实验目的及设计考量,对器件版图结构包括元胞区、终端区、栅引出设计等进行详细地研究与设计,结合现有的实验条件,制定了合理的流片方案并成功进行流片实验。对NM Trench MOSFET,阐述了其结构特点及工作原理,借助三维的P+区实现P型阱区的引出,去除沟槽间的金属孔,极大减小MESA区的宽度;介绍了工艺流程,并对20 V耐压级别的元胞的关键结构参数进行仿真优化设计,得到了三维方向上P+区长度为1.0μm及其与元胞区长度占比为10%的参数选择,成功流片后,得到了24 V的击穿电压和4.88 mΩ·mm~2的比导通电阻;对流片中出现的Al穿刺失效问题进行分析,提出了金属铝与硅之间的双扩散失效机理并建立相应失效模型,并通过分组实验验证模型的正确,由此提出了去除金属阻挡层中的钛并要求总氮化钛厚度需大于30 nm的解决方案,为后续量产阶段工艺改善提供参考。
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