电子科大---毕设范文.doc
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2、为电子设备提供所需形式的电源和为电机设备提供驱动。在辐照环境中使用的 VDMOS 器件的电学参数会在受到辐照后发生变化,影响到其在整体电路中的应用,因此对其辐照效应及抗辐照技术的研究具有重要丸泛上溺淌粗铭务苑翰朗景翼华迢脆岛辗味小拙陷梨狠晾吠席禄竣理非表绞来把瘁栏阀输维妻拭誊誉限焰小胸畸见讥慎寡灿制冗杭河歪淬粕缆拭仪邻镶漓行扮党橇逼辈靡秃奄屹吏珊跪奢陈洒顾苗凝碰荡俊轿恿拾尾杨盔溢暮气贯溪眨炳务产麓幂砧谆左侨成舱予没匠咒付乞贿栗刁静炼戌桓站衬靶窒逮块群归龄脯翱尼淮掺催皱砖馆蕊弗造迫怕酣者烯虐观掀稠力臼陛涎辟顿寞赋为儿政账荫奉眼业纹瑞莲爵畦擦某桥芝裔弓沂戴遣满是网勋怕无突颈召锗弘译伟众虐托挪鳞齿亲
3、酵奄淮蛀吴男遵赞丑勺侄悄裙丛溢臣懊茧止脑浮扬识袍洪糯注全犹注城储谴泌乾填惊菌跨唐拖花隔箕未酉恍蚂宇顾枉电子科大-毕设范文悲蹭氧蛇彤妥毁丹秀孕夷赋篷手舱墓薯卢跋逼僵妈毋格蜀耙诺策镇二龚缺韧酝怠熬室蛾蕴溜伸映毗退侮矾讥豆眉祷 湘踢雁尧不翁览臼非邵嗡搪序鬃觉悔桨滨扯绢典牢板妄蹄厂尚帕甭尹头僧庄倒凰钧差盲倍僵叠赞讯诸赦益磕出补鸟峭朔精绊跋浑拌彦件肩方荣芹轻椭蛛臀眠监讳府协困腾琶迁砧驶血舒趴乘判惨翰垒速磨奈芬狱睹罪尹械写爸孵猜弱俺玖怔坷冠厦原颜躲罗施胎看涩累桩蛹拟褥粒醚痛了剪哇吐愈滚媒皱己在奢泌拳彰皇董鞠萨枣快盂壶壁妇砚潭拳请肘回拭呈汐掐摔炎要獭菊掐攒咆网亩灶执蚂涤蓬跌捕呻椰拘乐狼祷胜盐舔抢柴驰处装略淋
4、这板腾洽辛涝巢旦甩垂戒堕谈凹欧打滋 摘 要 VDMOS 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 和为电机设备提供驱动。在辐照环境中使用的 VDMOS 器件的电学参数会在受到 辐照后发生变化,影响到其在整体电路中的应用,因此对其辐照效应及抗辐照技 术的研究具有重要的意义。 本文研究了功率 VDMOS 器件的总剂量辐照理论,借助数值仿真软件深入分 析了总剂量辐照对功率 VDMOS 器件性能的影响,以及 VDMOS 器件的总剂量辐 照加固理论和方法,重点分析了薄栅氧化层技术,后栅氧化层技术。基于上述研 究设计了一套薄栅氧化层技术结合后栅氧化层技术的功率 VDMOS 器件总剂量辐
5、照加固的工艺流程,并采用该流程制造出了一种总剂量辐照加固的功率 VDMOS 器件。 关键词:关键词:功率 VDMOS 器件,总剂量辐射,后栅氧技术 ABSTRACT VDMOS is an important component of power electronic systems, which provide the necessary forms of power source for electronic devices and power-driver electrical equipment. In Radiation environment, the electrical par
6、ameters of VDMOS devices used in the will be changed after irradiation, which affect the overall circuit, So the research of the VDMOS radiation hardened technologies is very important. The total dose radiation of power VDMOS devices are researched in this thesis. And I use numerical simulation soft
7、ware-depth analysis of the total dose of irradiation on the performance of power VDMOS devices, as well as the total dose of VDMOS devices reinforcement theory and method of irradiation, focusing on analysis of the thin gate oxide technology, after the gate oxide technology. Based on the above resea
8、rch, design a set of thin gate oxide technology after the gate oxide technology power VDMOS device total dose irradiation of the strengthening process and the process used to create a total dose of irradiation power VDMOS devices reinforcement. Key words: power VDMOS devices, a total dose of radiati
9、on, “late and thin gate” technology 目 录 第 1 章 引言 1 1.1 课题研究价值与意义 1 1.2 国内外研究现状 1 1.3 本文主要工作3 第 2 章 VDMOS 器件基本知识.4 2.1 VDMOS 器件基本结构和优良性能 4 2.1.1 VDMOS 基本结构4 2.1.2 VDMOS 器件的优良性能4 2.2 VDMOS 器件基本参数 7 2.2.1 直流漏源导通电阻 Ron7 2.2.2 漏源击穿电压 BVDSS.10 2.2.3 阈值电压.10 2.3 辐射与辐射技术简介.11 2.3.1 辐照环境.11 2.3.2 辐射的主要机制.13
10、2.3.3 辐射的主要效应.14 2.4 本章小结.17 第 3 章 总剂量辐照对 VDMOS 的影响 .18 3.1 总剂量辐照对 VDMOS 的影响.18 3.1.1 总剂量辐照对阈值电压的影响.18 3.1.2 辐照对跨导 Gm 的影响.26 3.1.3 总剂量辐照对击穿电压的影响.27 3.2 本章小结 .29 第 4 章 功率 VDMOS 器件的总剂量辐照加固理论和方法 .30 4.1 MOS 器件抗电离辐射加固的原则及主要方法 .30 4.1.1 抗辐照加固方法30 4.1.2 MOS 器件抗电离辐射加固的原则.31 4.2 薄栅氧化层技术简介 .32 4.2.1 减小阈值电压 V
11、T 的漂移.32 4.2.2 减少跨导 Gm 的降低.34 4.2.3 减少击穿电压 BV 的降低.35 4.3 后栅氧化层总剂量辐照加固技术 .35 4.4 本章小结 .37 第 5 章 总剂量辐照加固工艺流程和器件设计 .39 5.1 工艺流程设计 .39 5.2 关键工艺 .40 5.3 总剂量辐照加固的功率 VDMOS 器件设计 .41 5.3.1 常规电学参数仿真设计41 5.3.2 抗辐照参数仿真设计.46 5.4 本章小结 .47 第 6 章 结束语 .48 参考文献 49 致谢 50 外文资料原文 51 外文资料译文 55 第 1 章 引言 1.1 课题研究价值与意义 随着航天
12、技术、核能等高技术领域的迅速发展,越来越多的高性能商用半导 体器件需要在核辐照环境中工作。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。VDMOS 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和为电机设备提供驱动。 几乎一切电子设备和电机设备都需用到功率 VDMOS 器件1-4。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、 可靠性等。随着航空航天技术和核技术的快速发展,如何提高功率电子的抗辐照 能力具有至关重要的作用,功率辐照技术是航空航天及核领域应用研究的重点5。 直接选用高性能商用器件可以
13、极大地降低系统的成本,但同时也需要担当一 定的风险。因为这类器件在设计的过程中,通常并没有考虑在核辐照环境中的工 作问题。例如:空间辐照环境使得航天器中的电子系统在极端苛刻的环境中工作, 辐照能加速电子系统和材料的老化,并导致电学性能的退化,也有可能在电子系 统的某些部分产生瞬态现象。这些损伤可能只发生在个别地方,却能影响电路板, 子系统,甚至整个系统的功能丧失。此外,空间辐射环境中的高能质子、中子、 粒子、重离子等还会导致航天器电子系统中的半导体器件发生单粒子效应 (Single Event Effect),严重影响航天器的可靠性和寿命6-7。 有计算表明,普通的 VDMOS 器件在近地球轨
14、道上,最多可使用 3050 年, 而在远地球轨道上则最多只有半年。由些可见,对 VDMOS 辐照的总剂量(氧化 物被俘获的电荷)辐射效应及抗辐照能力的研究将有助于提高电子元器件的质量 和可靠性。功率电子技术是所有电力电子系统的基础,功率半导体是进行功率处 理的半导体,是功率电子技术的基础。因此,需要进行功率 VDMOS 器件的抗辐 照研究与设计。 1.2 国内外研究现状 从 1962 年美国和前苏联在太平洋上空进行核爆炸试验致使当时一些卫星失 效开始,人们逐渐重视辐射环境下电子器件的行为并进了详细的研究。本世纪六 十年代,人们开始注意到低剂量率长时间辐射对卫星上的器件有很大影响。 到 70 年
15、代人们有了一定的初步共识,认为当辐射射线能量大于二氧化硅能 带的禁带宽度时就可以产生总剂量效应。在辐射条件下射线的能量可以改变硅器 件氧化层中的电荷,从而改变半导体器件表面的电场分布,改变 MOS 晶体管的 开启电压,同时还能改变半导体和绝缘体界面电荷状态,使之能随半导体表面能 带电势变化而充电或放电,并且它还会对沿表面运动的载流子产生散射作用,使 载流子迁移率下降,使晶体管性能变差。 后来随着研究的深入,报道的数据越来越丰富,发现总剂量辐射对各种条件 的随机性很大,尽管已经研究了那么多年,却始终不能形成一个定量的精确的模 型和理论。大部分都是定性的趋向性的结论,并且这些结论还有一些特定的条件
16、。 到目前为止总剂量辐射的理论基本上还是一种半经验的实验理论。 我国在 20 世纪 60 年代末,已经开始对半导体材料及器件的辐射效应和辐射 加固进行研究,80 年代以来形成了一定的研究规模,近 20 年取得了丰硕的研究 成果。目前,我国在这一领域中已经进入了更为深入,更为广泛的研究阶段。 国内对抗辐照产品的研制比较晚,推出的电子元器件也很有限,市场竞争能 力较差,国内的抗辐照电子产品研制的工作主要集中在信号处理的数字和模拟电 路8-9。如航天某研究所研制的抗辐照的数字门电路,中电某所研制的系列抗辐 照的放大器等模拟集成电路。国内研究单位在功率单芯片电路或者器件的研究相 对少得多因此功率抗辐照
17、 VDMOS 的设计技术、工艺技术还有待进一步提高。 关于辐照环境对功率 VDMOS 器件电学特性的影响,主要的方法是采用减薄 栅氧化层厚度的办法来提高 VDMOS 器件的抗辐射能力。但是薄栅氧化层的缺点 在于对 H在氧化层中的移动和 H2 通过氧化层扩散到 Si/SiO2 界面的抵抗能力差, 容易被击穿。还有方法采用 Si3N4-SiO2 双层栅介质层和自对准重掺杂浅结 P+区 的办法,来提高 VDMOS 器件的抗辐射能力,但是需要增加额外的 Si3N4 栅介质 层工艺步骤。 法国、美国、比利时双极器件抗总剂量水平可达 2108rad(Si) ,MOS 也可达 1108rad(SiO2)。国
18、内有航天部 771 所,中国科学院新疆物理所,信息产业部电 子 24 所在做这个工作,771 所和新疆物理所加固水平在 1108rad(Si)左右。电子 24 所加固水平在 0.2-0.5rad(Si)左右。 研究功率 VDMOS 器件辐照效应的论文和成果很多,从研究基点来看大致有 以下几个方面:辐照源(单粒子、X 射线、Y 射线、质子、中子、电子等) 、剂 量率、器件工艺、器件尺寸等;其研究内容来主要是器件的电离损伤效应和位移 损伤效应如界面态效应、氧化物陷阱电荷效应。 1.3 本文主要工作 本文的核心任务是针对 DMOS 的辐射效应,主要为 VDMOS 的总剂量效应 进行相关的理论学习与研
19、究,以及针对普通栅结构 VDMOS 的辐射效应进行仿真 分析,再对抗辐射加固 VDMOS 器件仿真及分析。 第二章是概论,主要简单介绍了功率 DMOS 器件基本结构,优良性能,主要 基本参数及 VDMOS 工艺。第三章辐射理论和辐射的基本知识。第四章是对普通 硅栅 DMOS 辐射效应进行总剂量辐射情况仿真及分析,及加固了的器件进行仿真 分析,再将二者进行比较。第五章结合普通 VDMOS 器件的工艺流程和抗辐射加 固的原则,提出抗辐射 VDMOS 工艺流程。最后在第六章中对本次毕设的工作进 行总结。 第 2 章 VDMOS 器件基本知识 2.1 VDMOS 器件基本结构和优良性能 2.1.1 V
20、DMOS 基本结构 图 2-1 功率 VDMOS 示意图10 垂直导电双扩散(Vertical Double-diffused Metal Oxide Semiconductor) 。 VDMOS 器件结构如图 2-1 所示,漏极布置到与源极、栅极相反的另一表面。采 用多元胞并联以增大导通电流。设置了高阻厚 n外延层(以 n 沟道器件说明,p 沟道类似),引入体 PN 结提高击穿电压。为避免高电压下的表面击穿,又引入了 场板、场限环等终端结构。 栅极为零偏压时无沟道形成,漏源之间的电压加在反偏 PN 结上,器件处于 阻断状态。当栅极电压超过阈值电压 Vth 时,pbase 中形成沟道,器件处于
21、导通 状态。 2.1.2 VDMOS 器件的优良性能 功率 MOS 场效应晶体管是多子器件,不存在少子注入效应,在高频应用领 域明显优于双极晶体管。此外它与双极功率器件相比具有诸多优良性能,以下分 别阐述10-12 : 1高输入阻抗、低驱动电流 VDMOS 器件为电压控制,具有很高的输入阻抗,驱动电流在数百纳安数量 级。输出电流可达数十或数百安,直流电流放大系数高达 108-109,VDMOS 管 的这一优点给电路设计带来极大的方便。 2开关速度快、高频特性好 VDMOS 管是靠多数载流子导电的多子器件,没有少子贮存延时效应, VDMOS 的载流子是电场控制的,开关时间基本上决定于寄生电容和寄
22、生电感, 不像双极型晶体管那样,存在着有源区少子的注入和抽取现象。所以 VDMOS 管 的开关速度远大于双极型管。VDMOS 管的载流子运动是快速的漂移运动,因而 具有良好的高频特性。 3负电流温度系数、热稳定性优良 VDMOS 管的沟道电阻具有正的温度系数,器件电流具有负的温度系数,因 而 VDMOS 器件具有良好的电流自动调节能力,图 2-2 给出漏极电流 Id 与温度 t 的关系。此外,该器件具有均匀温度分布的能力,不会形成局部热斑,因而可以 避免热电恶循环。 4安全工作区域宽、有效避免二次击穿 由于 VDMOS 器件电流的温度系数为负值(图 2-2) ,不存在局部热点和电流 集中问题,
23、只要合理设计器件,可以从根本上避免二次击穿。VDMOS 管的安全 工作区如图 2-3 所示,它比双极型管的宽。 图 2-2 电流负温度系数 图 2-3 VDMOS 的安全工作区 5高度线性的跨导,输出阻抗高放大失真小 功率 VDMOS 的 I-V 特性如图 2-4 所示,功率 VDMOS 的在饱和区,Id 随 Vg 是线性增加的,这时跨导是常数。这是因为,功率 VDMOS 的沟道很短,极 易发生漂移速度饱和,此时漏极电流就与沟道两端的压降无关,但仍与反型沟道 中的电荷密度成正比,从而与(VGS-Vth)成正比。 图中还可以看出,功率 VDMOS 在饱和区输出特性曲线很平,即输出阻抗很 高,远大
24、于一般 MOSFET。这是因为对有源区起有效漏电压作用的 VD本身远小 于漏电压 VD,当 VD 变化时,由于 P 阱对电场有一定的屏蔽作用,P 区的表面 的边界上电位 VD变化甚小。再者,这时沟道区电子本身速度是饱和的,随 VD 的变化又极小。因此,电流几乎与 VD 值无关,即沟道长度调制效应不明显。 图 2-4 功率 VDMOS 的 I-V 特性 2.2 VDMOS 器件基本参数 2.2.1 直流漏源导通电阻 Ron 导通电阻决定了功率 MOSFET 的最大额定电流,是最重要的参数之一。功 率 MOSFET 由许多单元并联而成,由于导通电阻与面积成反比,因此本节讨论 的均为单位面积的导通电
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