本发明涉及一种3300v的4h-sicmosfet设计方法，属于半导体
技术领域：
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背景技术：
：在半导体行业中，以si材料作为衬底是目前市面上主流的器件，然而由于更高的需求发展和si材料自身的限制，si基器件逐渐不能满足要求。1994年j.w.palmour等人第一次提出sicumosfet结构引起了人们对sic这种宽禁带半导体材料的关注，它在带隙，击穿场强，热导率等方面的优势使得它具有更多的适用场景。因此宽禁带材料进入人们的视线。sic作为第三代半导体材料的典型代表，也是目前晶体生长技术和功率半导体器件制造水平最为成熟的宽禁带半导体，在禁带宽度，临界电场，饱和漂移速度，热导率方面，sic均远大于si，这意味着sic有着比si更好的高频，高功率，高温工作能力；而相较与氮化镓，只有sic能热生长形成本征氧化物sio2，从而sic可适合制造任何mosfet器件。上述这些优点引起了sic基mosfet器件的广泛研究和高度关注。技术实现要素：本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种3300v的4h-sicmosfet设计方法。为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：一种3300v的4h-sicmosfet设计方法，采用umosfet结构；结构参数优化为：外延层浓度8e15cm-3，外延层厚度20μm，沟道长度2.8μm。进一步地，栅氧厚度为电压阈值为4.81v。进一步地，比导通电阻为6.1mω·cm2，漏极电流110a，栅漏电荷为1.29nc。进一步地，根据式(1)以及silvaco仿真软件的验证，将外延层厚度初步设为20μm，外延层浓度初步设为8e15cm-3，栅氧厚度初步设为沟道长度设为2.5μm；nd＝1.10*1020*bv-1.27(1)wd＝2.62*10-3*bv1.12(2)式中：wd表示外延层厚度；nd表示外延层掺杂浓度；bv表示击穿电压；再进一步优化沟道长度和导通电阻。进一步地，建立不同的外延厚度对应的击穿电压bv曲线，并结合外延层厚度与导通电阻的关系，分析确定外延层厚度为20μm。进一步地，通过优化增加沟道长度提高耐压值，并结合耐压值与导通电阻的关系，确定优化的沟道长度为2.8μm。进一步地，通过调节栅氧厚度或沟道区浓度来控制电压阈值，通过silvaco仿真得出不同栅氧厚度下的电压阈值的转移特征曲线，确定栅氧厚度由优化调整为本发明所达到的有益效果：本发明通过设计mosfet的各项结构参数，在保证功率器件的耐压满足3300v的目标后，进一步优化输出特征量以满足低导通损耗和高频特性。仿真数据表明，结构参数为漂移区浓度8e15cm-3，厚度25μm，沟长2.8μm，栅氧厚度500a的mosfet单胞可以达到4310v的击穿电压，6.1mω·cm2的比导通电阻，阈值为4.81v，漏极电流110a，栅漏电荷为1.29nc，在6v漏级电压下栅极电荷是4.25nc。附图说明图1u-mosfet器件剖面图；图2不同外延层厚度对应的bv曲线；图32.5μm沟长下不同外延层浓度对应的bv曲线；图42.8μm沟长下不同外延层浓度对应的bv曲线；图5(a)不同栅氧厚度下的转移特征曲线；图5(b)的输出特征曲线；图5(c)的bv特征曲线；图6mosfet寄生电容示意图；图7栅极电荷的测试电路；图8栅极电荷曲线；图9(a)bv曲线；图9(b)0.1v漏压下的转移曲线；图9(c)20v栅压下的输出曲线。具体实施方式下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。13300v的sicmosfet结构设计1.1结构初步设定本方案提出的3300v指的是器件的耐压，功率器件需要采用终端技术来缓解电场集中效应导致的提前击穿，而本方案初步设计的是一个单胞(cell)的平面结耐压。一般而言，设计良好的终端会使器件实际耐压可以达到cell理想平面结耐压的80％以上，故满足3300v耐压要求的单cell的耐压至少是3300/0.8＝4125v。目前比较广泛研究和商业化的功率mosfet管有平面结和垂直式两种结构。尽管平面结结构的导通电阻会相对较小，但是其能达到的电压等级也有限，故本方案对于高压mosfet的设计选用umosfet结构，其元胞结构如图1所示，根据经验式(1)以及silvaco仿真软件的验证，将外延层厚度初步定为20μm，外延层浓度初步定为8e15cm-3，栅氧厚度沟道长度定为2.5μm。nd＝1.10*1020*bv-1.27(cm-3)(1)wd＝2.62*10-3*bv1.12(μm)(2)式中：wd表示外延层厚度；nd表示外延层掺杂浓度；bv表示击穿电压。1.2纵向结构参数优化根据式(1)，bv与外延层厚度成正比的关系，不同的外延层厚度对应的击穿电压bv曲线如图2示。由数据分析，11μm，15μm，20μm，25μm中，20μm和25μm对应的bv差距不大，而外延层越厚，导通电阻就越大，故选择20μm性能会更优。同理，bv与外延层浓度成反比，针对1e16cm-3，9e15cm-3，8e15cm-3，7.5e15cm-3，7e15cm-3这几个量做了仿真，结果如图3，随着浓度的降低，bv值显著提高，但都没达到4125v。由于bv与沟道长度成正比，故适当的增加沟道长度可提高耐压能力。2.8μm的沟道长度对应的bv曲线如图4所示，可明显观察到耐压性能提升了许多，由3000v上下波动的bv值上升到了4000v左右。但由于耐压值和导通电阻是一对矛盾的参数，故在满足bv设计要求后也需要考虑导通电阻的影响。将耐压值接近4150v的结构参数及仿真数据绘制出表1，故综合考虑决定，本文结构参数选取为：漂移区浓度8e15cm-3，厚度20μm，沟长2.8μm。表1不同结构参数下的电学特征值2输出特性分析2.1静态特性分析经前面分析，选用20μm的外延层厚度，8e15cm-3的外延层浓度，对其进行仿真。仿真模型采用了复合模型，迁移率模型，寿命模型，碰撞离化模型等。阈值电压是mos设计的关键参数。式(3)证明了阈值vth与阱区浓度，栅氧厚度，温度有关。因此可以通过调节栅氧厚度tox或沟道区浓度来控制阈值。式中，q为电子电荷量，ε为4h-sic的介电常数，k为波尔兹曼常数，na是沟道区的最大掺杂浓度，t为绝对温度，ni是半导体的本征载流子浓度，与t成正相关，cox是氧化层的特征电容，cox＝εox/tox，其中εox是sio2的介电常数。通过silvaco仿真可得出图5(a)所示的转移曲线，将的栅氧厚度改为后，电压阈值由7v降到4.81v。导通电阻也是影响性能的关键因素之一。mosfet导通状态下，电流从源极出发流经沟道进入积累区，然后分散至漂移区，最后到达漏级。因此忽略欧姆接触电阻，则器件的总电阻可表示为：r＝rs rch ra rd rd(4)式中：rs、rd表示源极和漏极电阻；rch为沟道电阻；ra为积累层电阻；rd为漂移区电阻。其中沟道电阻rch和漂移区电阻rd之和占其中70％。故一般降低电阻的方式减小沟道长度或者提高漂移区浓度。仿真结果如图5(b),5(c)，计算得出表2。表2设计结构的特征值击穿电压bv(v)漏极电流id(a)比导通电阻ron(mω·cm2)阈值vt(v)43101106.14.812.2动态特性分析功率mosfet作为一个开关，理想情况下只有导通和阻断两种状态，然而实际中在转换过程中一定会存在一定的延迟，也就产生了动态损耗，其正比于频率。图6是mosfet的寄生电容图，正是由于这些电容的充放电过程才导致了开关损耗，其中栅漏电容称为米勒电容，因此这些电容的大小对功耗有很大影响。对前面设计的cell进行电荷仿真，采用图7所示的驱动电路，仿真得出图8所示的开关栅极电荷曲线。计算得出栅极电荷值如表3所示。表3栅极电荷特征值3温度依赖性si基器件最高耐温只能达到630k，对比发现，sic材料最高耐温可达到1800k，且具有更高的导热系数，而在航空，核能，功率电子，汽车电子，石油，地热等领域需要能承受更高温度的器件，这意味着sic器件不仅可以适应更多的高温环境，其散热装置也会更简易。温度t会影响功率器件的物理性质，如本征载流子浓度ni，漂移区载流子迁移率u，耗尽层宽度w等。计算公式为：式中，t为绝对温度，q为电子电荷量，ε为材料的介电常数，k为波尔兹曼常数，na是沟道区的最大掺杂浓度，ni是半导体的本征载流子浓度。可见，温度t升高，则本征载流子浓度ni迅速升高，载流子迁移率u下降，耗尽层宽度w增大。本征载流子浓度和载流子迁移率会影响器件的静态特性，而耗尽层宽度会改变特征电容的大小，进而影响动态特性。在300k,350k,400k,450k,500k这5个温度点进行仿真，得出图9(a)、图9(b)和图9(c)，击穿电压和阈值略微下降，但基本保持不变，导通电阻由0.6ω提高到了2.4ω，电流等级降低到35a。由此可见，尽管温度会影响mos的部分电学特性，但sic器件仍具有一定的温度容忍度。4结论本方案通过设计mosfet的各项结构参数，在保证功率器件的耐压满足3300v的目标后，进一步优化输出特征量以满足低导通损耗和高频特性。仿真数据表明，结构参数为漂移区浓度8e15cm-3，厚度25μm，沟长2.8μm，栅氧厚度的mosfet单胞可以达到4310v的击穿电压，6.1mω·cm2的比导通电阻，阈值为4.81v，漏极电流110a，在6v漏级电压下栅极电荷是4.25nc。另外还仿真了sic器件的高温特性，验证了sic基器件可耐较高的温度，且高温下仍能保持较低的导通电阻。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本
技术领域：
的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。当前第1页1 2 3
技术特征：1.一种3300v的4h-sicmosfet设计方法，其特征是，采用umosfet结构；
结构参数优化为：外延层浓度8e15cm-3，外延层厚度20μm，沟道长度2.8μm。
2.根据权利要求1所述的3300v的4h-sicmosfet设计方法，其特征是，
栅氧厚度为电压阈值为4.81v。
3.根据权利要求1所述的3300v的4h-sicmosfet设计方法，其特征是，比导通电阻为6.1mω·cm2，漏极电流110a，栅漏电荷为1.29nc。
4.根据权利要求1所述的3300v的4h-sicmosfet设计方法，其特征是，根据式(1)以及silvaco仿真软件的验证，将外延层厚度初步设为20μm，外延层浓度初步设为8e15cm-3，栅氧厚度初步设为沟道长度设为2.5μm；
nd＝1.10*1020*bv-1.27(1)
wd＝2.62*10-3*bv1.12(2)
式中：wd表示外延层厚度；nd表示外延层掺杂浓度；bv表示击穿电压；
再进一步优化沟道长度和导通电阻。
5.根据权利要求4所述的3300v的4h-sicmosfet设计方法，其特征是，建立不同的外延厚度对应的击穿电压bv曲线，并结合外延层厚度与导通电阻的关系，分析确定外延层厚度为20μm。
6.根据权利要求4所述的3300v的4h-sicmosfet设计方法，其特征是，通过优化增加沟道长度提高耐压值，并结合耐压值与导通电阻的关系，确定优化的沟道长度为2.8μm。
7.根据权利要求4所述的3300v的4h-sicmosfet设计方法，其特征是，通过调节栅氧厚度或沟道区浓度来控制电压阈值，通过silvaco仿真得出不同栅氧厚度下的电压阈值的转移特征曲线，确定栅氧厚度由优化调整为
技术总结本发明公开了一种3300V的4H‑SiC MOSFET设计方法，采用UMOSFET结构；结构参数优化为：外延层漂移区浓度8e15cm‑3，外延层厚度20μm，沟道长度2.8μm。本文通过设计MOSFET的各项结构参数，在保证功率器件的耐压满足3300V的目标后，进一步优化输出特征量以满足低导通损耗和高频特性。仿真数据表明，结构参数为漂移区浓度8e15cm‑3，厚度25μm，沟长2.8μm，栅氧厚度500A的MOSFET单胞可以达到4310V的击穿电压，6.1 mΩ·cm2的比导通电阻，阈值为4.81V，漏极电流110A，在6V漏级电压下栅极电荷是4.25nC。
技术研发人员：吴江枫;李思思;王翠霞;余有灵;李诚瞻
受保护的技术使用者：同济大学;株洲中车时代半导体有限公司
技术研发日：2020.01.22
技术公布日：2020.06.09
