60V功率U-MOSFET失效分析與再設(shè)計(jì).pdf

1、功率MOSFET是功率電子系統(tǒng)中一個(gè)關(guān)鍵的元器件，它決定著控制系統(tǒng)的效率與成本。世界上至少50％的電力系統(tǒng)是由功率半導(dǎo)體器件作為控制。其在消費(fèi)電子、工業(yè)電子、醫(yī)療電子、航空航天與交通運(yùn)輸業(yè)等方面具有重要的影響。碳排放給環(huán)境帶來(lái)的負(fù)面影響與日俱增，對(duì)功率電子系統(tǒng)的效率與性能提出了更高的要求。溝槽型功率場(chǎng)效應(yīng)管(U-MOSFET)因其具有芯片面積小、導(dǎo)通電阻低、開(kāi)關(guān)速度快等性能優(yōu)勢(shì)而廣受市場(chǎng)青睞。
　　U-MOSFET器件的優(yōu)化設(shè)計(jì)、

2、準(zhǔn)確的失效分析、高可靠性等是學(xué)術(shù)界與工業(yè)界研究的重點(diǎn)。本論文將主要對(duì)一款失效的60V U-MOSFET芯片進(jìn)行失效分析，并完成60VU-MOSFET芯片的高可靠性設(shè)計(jì)。具體研究?jī)?nèi)容如下:
　　(1)對(duì)失效的60V U-MOSFET芯片的流片測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值統(tǒng)計(jì)分析，得出芯片導(dǎo)通電阻指標(biāo)失效，初步定位60V U-MOSFET芯片失效在于芯片版圖設(shè)計(jì)與元胞設(shè)計(jì)。
　　(2)分析60V U-MOSFET失效芯片版圖，結(jié)合版圖理論，

3、排除由于版圖原因?qū)е率?。?duì)元胞TEM圖進(jìn)行分析，建立元胞物理模型，對(duì)導(dǎo)通電阻進(jìn)行物理方程推導(dǎo)，并結(jié)合數(shù)值仿真驗(yàn)證，得出60V U-MOSFET芯片失效原因來(lái)自于柵極溝槽兩邊的Pbody區(qū)在溝槽底部發(fā)生穿通，導(dǎo)致外延電阻局部增大，從而引起器件導(dǎo)通電阻失效。
　　(3)在完成60V U-MOSFET芯片失效分析后，對(duì)60VU-MOSFET芯片的元胞與終端進(jìn)行重新優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過(guò)理論與仿真分別得到了導(dǎo)通電阻54353Ω、閾值電壓2.94

4、7V、耐壓81.2V的60V U-MOSFET元胞，和擊穿電壓68V的終端結(jié)構(gòu)。并通過(guò)將芯片硅體內(nèi)擊穿點(diǎn)限制在元胞與終端交界的Pbody區(qū)，有效解決電壓從元胞向終端過(guò)渡引起的振蕩。
　　(4)對(duì)重新設(shè)計(jì)的60V U-MOSFET芯片進(jìn)行版圖繪制，并進(jìn)行流片。通過(guò)對(duì)裸片與封裝測(cè)試數(shù)據(jù)的數(shù)值統(tǒng)計(jì)分析，最終得到閾值電壓2.959V、60V電壓下漏電流140.649nA、導(dǎo)通電阻2.77mΩ、250μA電流下?lián)舸╇妷?9.111V、柵極正