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1、单位代码：分类号：学号：密级：公开北京工业大学博士学位论文题英文并列墨堕坠墨丛&卫至旦星曼垒里兰坠呈谧竖盥量巡亘互题冃鲫亘堡VI导职称：师姓名:直皇僮熬援副导师姓名: 职称:昱壑副数援学位授予日期：论文报告提交口期:堂生旦授予学位单位名称和地址：室王些不堂量室直麴圈匿垩巫国曼9VI ?o ,独创性声明本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡 献均己在论文中作了明确的说
2、明并表示了谢意。关于论文使用授权的说明本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即:学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。保密的论文在解密后应遵守此规定国9?】摘要摘要作为电力电子学基础的功率半导体器件与功率集成电路是半导体产业中一 个重要组成部分，其市场份额已经达到一年百亿美元以上，而且应用菲常广 泛，包括:工业、农业、民用、军事、航空航天等领域。因此，对功率半导体器件 的研究得到了国内外越来越多的重视。低压功率开关器件主要用于各种低压电源，其应用需求量很大，例如应用于个人电脑、笔记本电
3、脑、服务器的供电电源电路中，而这些产品每年销售可达上亿台。在这些应用中，电源电路的功耗和它所占的体 积在整个设备中都占有很大的比重。因血随着设备性能的H益提高和元器件的空 间密集度不断增大，电源电路工作频率和输出电流都需要进步提高，但是同时 要求功率损耗不能增加甚至于希望能减小。因此，降低功率器件的高频功耗成为H前极其迫切的问题。针对H前占据该领域主导地位的槽栅，如何降低其高频功耗的研究重点是用越来越精细的槽栅结构来降低单位芯片面积通态 电阻的同时，加厚沟槽底部氧化层厚度以减小栅漏屯容。年第十五届国际功率半导体器件与功率集成电路会议大会报告顺序的第一主题论文集前篇文章就是关于这个问题的;而年第
4、十六届会议上美国英特尔公司等为此作了专题报告。但是，现在沟槽尺寸己达深亚微米, 工艺相当复杂，进一步降低其高频功耗的潜力已经不大，因而国际上研究方向开 始转向其他场效应管。本论文比较全而的研究了双极模式工作的功率,为了适应高频工作的需要，本论文研究的重点就是通过在栅极下面隐埋局域二氧化硅层，取代原 有的结结构，实现具有栅极电容小、高频功率损耗低的双极模式槽栅。为了验证双极模式功率尤其是具有栅极下埋氧的槽栅与槽栅相比，在低压高频领域是否具有竞争力，本论文进行了大量的仿真工作。根据前最新研究的槽栅和槽栅的文献，构造仿真器件,并设计了栅极下埋氧的槽栅结构，首次系统地对三者的功耗进行了详细地分析和比较
5、。北京工业大学工学博士学位论文结果显示在高频应用吋,常规双极模式槽栅比槽栅的开关功耗低%，总功耗低;栅极下埋氧的双极模式槽栅与常规双极模式槽栅相比，开关功耗进一步降低%，总功耗则进一步降低。该结果证明了在高频领域应用时，双极模式功率比功率表现更为出色，血加入埋氧的槽栅的性能更优越，这样就为该领域的研究工作开辟了一条新的途径。在此基础上，本论文首次提出采用局域注氧法实现栅极下 埋氧的双极模式槽栅结构的制造方法,并设计了详细的工艺流程。通过理论分 析、仿真研究和工艺调研证实了这种方法的可行性，而且这种制造方法与传 统的方法相比，制造工艺简单易行，且具有良好的可控制性。而且该方法可以得到 单晶硅的栅
6、极，有利于进一步改善器件性能。不幸的是在本研究进行过程中, 为该项研究制造有图形埋氧层硅片的厂家更改生产计划，不能及时为我们提供所 需的硅片。于是本研究改用槽栅底部隐埋热氧化层的双极模式槽栅的方案，通过在沟槽底部埋氧以减小栅漏电容，从而提高工作频率，降低高频损耗。之后香港科技大学，木研究历吋二十个月，经过四十多步工艺探索，首次成功用热化法制造出栅极下埋氧的双极模式槽栅，为了对比同吋也制造出相同规格 的常规槽栅。针对器件应用，设计了测试电路，所得测试结果表明，与常 规槽栅相比，所制造的栅极下埋氧槽栅零偏用时的栅漏电容减小了 ，开关速度提高了,开关功耗降低了 :而其中关断速度提高T%,关断功耗降低
7、了。这达到了预期的效果，并口还具有通过工艺改进从而进一步提高器件性能的空间。所得的数据结果证明栅极下埋氧的双极 模式槽栅在高频工作时具有栅极电容小，开关速度快，开关功耗小的特点，为高频开关器件的研究拓宽了道路。而且本研究的器件应用市场很大,因此本 论文研究不但具有很高的学术价值，也具有重要的实用价值。本论文的创新点在于：一、通过仿真首次系统地对槽栅、常规双极模式槽栅和栅极下埋氧的双极模式槽栅的功耗进行研究和比较，从而证实在高频应用吋，栅极下埋氧的双极模式槽栅具有最低的开关功耗和总功耗。摘要二、首次提出采用局域注氧法实现栅极下埋氧的双极模式槽栅结构的制造方法,并设计了详细的工艺流程。三、首次成功
8、用热氧化法制造出栅极下埋氧的槽栅双极模式,实验证明了它在高频工作时的优越性。在此过程中首次研究开发出一整套栅极下埋 氧的双极模式槽栅的制造工艺。本论文研究的不足之处在于:受限于厂家的工作安排,未能实现采用局域离子注氧法制造栅极下埋氧的双极模式槽栅，仅通过理论和仿真证实了这一方法的优点和可行性，这方而的研究工作还需进一步深化。关键词:槽栅，双极模式，埋氧，栅漏电容,功耗北京工业大学工学博士学位论亍*，摘要.，仃仃腰 %仃%;%，谢，.，.北京工业大学工学博士学位论文%,;% ?%晰 北京工业大学工学博士学位论文Fl录H录摘要?第章绪论功率半导体器件的发展O低圧功率半导体器件的发展与现状功率的发展
9、与应用 功率的发展与现状?本论文研究的创新点、主要工作内容和意义本论文研究的创新点和主要工作内容.本论文研究的意义本章小结第章低压功率场效应管功率损耗的仿真比 较？三种功率器件的工作原理及结构特点工作原理及结构特点功率工作原理及结构特点器件结构和性能仿真结果 的比较？9 静态特性仿真 静态特性仿真,.静态特性仿真 静态特性仿真优化通态电阻的仿真研究开关特性仿真 测试电路开关特性仿真和开关特性仿真功耗计算与分析.常开型和在不同频率下功耗对比？在不同栅极出连电阻下的功耗对比在不同栅极输入电压下的功耗对比采用感性负载的仿真结果？本章小结第章采用局域注氧工艺制造栅极下埋氧槽栅？注氧隔离工艺的发展和特点
10、北京工业大学工学博士学位论文.高剂量、高温退火的工艺低剂量、高温退火的工艺本论文采用的注入条件器件的工艺流程 常规槽栅工艺流程通过局域注氧工艺制造栅极下埋氧槽栅的工艺流程？器件的光刻版图第一块光刻版第二块光刻版矶第三块光刻版 第四块光刻版第五块光刻版第六块光刻版器件工艺仿真 注硼的能量、剂量和退火温度及吋问？.对侧壁起保护作用的氧化层的厚度？.溅钛合金的条件注神的能量、剂量和退火温度及吋间本章小结第章热氧化法制造栅极下埋氧槽栅样管及其测试热氧化法制造栅极下埋氧槽栅的工艺流程.本论文设计的热氧化法工艺与已有专利设计的不同之处样管制造中遇到的工艺问题及解决方法?.:.?窄槽的光刻与刻蚀多晶硅填充与
11、对多晶硅后刻蚀的控制？ 栅极注硼的剂量和推结条件？。栅极溅钛及合金 回填氧化硅后的平坦化及干法刻蚀钝化层的控制？.对干法刻蚀栅极引线孔的控制 铝对源极的穿透问题？样管的初步测试常规槽栅器件静态特性.栅极下埋氧槽栅器件静态特性后续工艺及最终测试背面减薄及背面金属化 划片与分拣封装？.样管最终测试.开关特性测试样管解剖？本章小结？ H录结论参考文献？攻读博士学位期间所发表的学术论文致谢？”北京工业大学工学博士学位论 文 第章绪论第章弟草绪结论论功率半导体器件的发展电力电子学是研究电力电子理论、技术及其应用的学科。它综合应用了：电工理论电子技术一控制理论功率半导体电力电子器件其主导思想是控制和变换电
12、能，以便合理而有效地利用能源。全球经过电力 电子处理的电能超过%，即每小时大于亿千瓦时。其原因就在于电力电子技术能够提供各种二次电源，满足不同负载的需求，而且有效节省能源。图.电力电子技术节能效果图根据年发电总量消费分布【】，保守估计，利用 功率半导体和电力电子技术可节电约?%，如图所示。按照这一比例，以年全国总发电量.万亿千瓦吋年中国电力行业年度报告计算，节电可达.?.万亿北京工业大学工学博士学位论文千瓦时，即大于倍全国总照明用电量;而三峡总设计年发电量为亿千瓦吋，因此年这一年所节约的电能就大于个三峡年总发电量。总节电量与总发电量是成正比关系的，因而年全国总发电量已经达到力亿千瓦时年中国电力
13、行业年度报告，则利用功率半导体和电力电子技术节电量大于个三峡年总发电量。由此可见，通过功率半导体实现的节电效果是非常 惊人的，而且在相同电量下，功率半导体设备的成木要远低于火力和水力发电 的成本。此外,经电力电子技术处理的电能在发达国家占到;而在中国仅占%,因此这方面还有很大潜力对挖。作为电力电子学基础的功率半导体器件与功率集成电路是半导体产业中一个重要组成部分【刁】。随着半导体工艺技术的快速发展,其性能在不断提高, 而。它通过对功率、且市场份额已经达到一年百亿美元以上电流、电床、频率及相位等参数的控制和处理，为现代社会提供了节约电能、 降低消耗、提高效率和减少污染的重要手段，广泛应用在工业、
14、农业、民用、 军事、航空和航天等领域。功率半导体器件的广泛应用，使得对其研究越来越受到重视,在过去的二十 年里功率半导体器件的发展取得了重大的成果【。在可控功率开关器件中, 以五种重要的器件为代表，如表所示。表卜五种主要可控功率器件主要应用领域按其功率划分器件种类晶闸管大功率领域绝缘栅双极型晶体管中、高功率领域，功率金属一氧化物半导体场效应管中、低功率领域，结型场效应管中、低功率领域双极型功率晶体管应用己经较少正是对于功率半导体器件不断地深入研究，才使得电力电子技术朝着大容量、高频化、高可靠性和低成本的方向迅速发展。反过来，由于技术上特别 第章绪论高频变换技术和经济上主要是成本上的需要，电力电子技术也对功率半导体器件提出了更高的要求，主要包括以下几个方面【，】：更大的导通电流、更高的耐压以及更高的功率；更低的通态电阻和通态压降，以降低通态功耗；更快的开关速度以降低开关功耗；驱动简单，易于控制；高稳定性、高可靠性、低成本。实际上，这些要求也决定了半今功率半导体器件研究和发展的方向。低压功率半导体器件的发展
