《電子技術(shù)應(yīng)用》
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高壓功率VDMOSFET的設(shè)計(jì)與研制
耿凱鴿
西安衛(wèi)光科技有限公司
摘要: 本文在計(jì)算機(jī)仿真優(yōu)化的基礎(chǔ)上,,通過對(duì)產(chǎn)品測試結(jié)果的分析及工藝條件的調(diào)整,,最終實(shí)現(xiàn)了成功研制。相對(duì)于傳統(tǒng)的流水線小批量投片,、反復(fù)試制的方法大大節(jié)約了研制成本,,收到了事半功倍的效果。隨著半導(dǎo)體生產(chǎn)制造工藝的不斷改進(jìn),,器件模擬和工藝模擬的精度與實(shí)際工藝流程的吻合性將越來越好,,使產(chǎn)品的模擬結(jié)果更具有實(shí)用性,、可靠性。
Abstract:
Key words :

摘要:按照功率VDMOSFET正向設(shè)計(jì)的思路,,選取(100)晶向的襯底硅片,,采用多晶硅柵自對(duì)準(zhǔn)工藝,結(jié)合MEDICI器件仿真和SUPREM-4工藝仿真軟件,,提取參數(shù)結(jié)果,并最終完成工藝產(chǎn)品試制,,達(dá)到了500 V/8 A高壓,、大電流VDMOSFET的設(shè)計(jì)與研制要求。結(jié)果證明,,通過計(jì)算機(jī)模擬仿真,,架起了理論分析與實(shí)際產(chǎn)品試制之間的橋渠。相對(duì)于原來小批量投片,、反復(fù)試制的方法,,不僅節(jié)約了時(shí)閽,降低了研制成本,,而且模擬結(jié)果與實(shí)際試制結(jié)果之間能夠較好地吻合,。針對(duì)傳統(tǒng)結(jié)終端結(jié)構(gòu)的弊端,提出了一種新型結(jié)終端結(jié)構(gòu),,大大提高了產(chǎn)品的擊穿電壓和可靠性,。
關(guān)鍵詞:功率VDMOSFET;計(jì)算機(jī)模擬仿真,;結(jié)終端結(jié)構(gòu)

O 引言
    隨著現(xiàn)代工藝水平的提高與新技術(shù)的開發(fā)完善,,功率VDMOSFET設(shè)計(jì)研制朝著高壓、高頻,、大電流方向發(fā)展,,成為目前新型電力電子器件研究的重點(diǎn)。
    本文設(shè)計(jì)了漏源擊穿電壓為500 V,,通態(tài)電流為8 A,,導(dǎo)通電阻小于O.85 Ω的功率VDMOSFET器件,并通過工藝仿真軟件TSUPREM-4和器件仿真軟件MEDICI進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化仿真,,得到具有一定設(shè)計(jì)余量的參數(shù)值,。最后在此基礎(chǔ)上進(jìn)行生產(chǎn)線工藝流片,逐步調(diào)整部分工藝條件,,最終實(shí)現(xiàn)研制成功,。

1 VDMOSFET工作原理
    VDMOSFET是電壓控制器件,在柵極施加一定的電壓,,使器件溝道表面反型,,形成連接源區(qū)和漏區(qū)的導(dǎo)電溝道。基本工作原理如圖1,。

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    當(dāng)柵源電壓VGS大于器件的閾值電壓VTH時(shí),,在柵極下方的P型區(qū)形成強(qiáng)反型層,即電子溝道,,此時(shí)在漏源電壓VDS的作用下,,N+源區(qū)的電子通過反型層溝道,經(jīng)由外延層(N-漂移區(qū))運(yùn)動(dòng)至襯底漏極,,從而形成漏源電流,。
    當(dāng)VGS小于閾值電壓VTH時(shí),柵極下方不能形成反型層溝道,。由于外延層(N-漂移區(qū))的濃度較低,,則耗盡層主要在外延層(N-漂移區(qū))一側(cè)擴(kuò)展,因而可以維持較高的擊穿電壓,。

2 參數(shù)設(shè)計(jì)
2.1 外延層電阻率和厚度
    外延層的電阻率ρ越大(摻雜濃度Nepi越小),,則器件的擊穿電壓越大。然而,,導(dǎo)通電阻Ron也相應(yīng)增大,。因此,在滿足擊穿要求的前提下,,ρ越小(Nepi越大)越好,;而從導(dǎo)通電阻的角度考慮,又限定了該電阻率的最大值,。所以將在計(jì)算機(jī)仿真過程中,,調(diào)整P-body的注入劑量、推阱時(shí)間和外延層電阻率,、厚度,,得出最佳的結(jié)構(gòu)參數(shù)。
2.2 閾值電壓
    影響閾值電壓的因素主要是P-body濃度NA,,柵氧化層厚度tox和柵氧化層的面電荷密度Qss,,主要通過調(diào)整P阱注入劑量和推阱時(shí)間來調(diào)節(jié)閾值電壓Vth。
    此外,,柵氧化層厚度tox受柵源擊穿電壓的限制,,tox≥VGS/EB,SiO2的臨界電場EB一般為5×106~107 V/cm,;由此算得tox的值為30 nm~60 nm,;由于P-body為非均勻摻雜,VTH難于用公式準(zhǔn)確計(jì)算,,因此柵氧化層厚度tox和pbody濃度的最佳值需借助于計(jì)算機(jī)仿真優(yōu)化來確定,。
2.3 導(dǎo)通電阻
    對(duì)于功率VDMOSFET器件,,在不同耐壓下,各部分電阻占導(dǎo)通電阻的比例是不同的,。對(duì)于高壓VDMOSFET器件,,漂移區(qū)(外延層)電阻RD和JFET區(qū)電阻RJ是主要的。
    因此,,本設(shè)計(jì)在滿足耐壓的情況下,,采用穿通型結(jié)構(gòu),以減小外延層厚度,,并適當(dāng)增加JFET區(qū)的寬度,,從而減小RD與RJ。
2.4 開關(guān)時(shí)間
    優(yōu)化開關(guān)時(shí)間的方法包括兩個(gè)方面:減小多晶硅柵的電阻RG和減小輸入電容Cin,。在輸入電容中,密勒電容CGD是主要的影響因素,。
    減小多晶硅的電阻RG可以在工藝過程中提高多晶硅的摻雜劑量,,在版圖設(shè)計(jì)過程中增加?xùn)艠O多晶硅與柵極鋁引線的接觸孔;減小輸入電容Cin主要是減小密勒電容CGD,,即要增加?xùn)叛趸瘜雍穸萾ox,,這會(huì)加大閾值電壓VTH,因而需要折中考慮,。

3 橫向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.1 元胞結(jié)構(gòu)選取
    由于正三角形元胞的電場容易集中,,導(dǎo)致漏源擊穿電壓的降低;六角形元胞的對(duì)角線與對(duì)邊距的比值為,,小于方形元胞的對(duì)角線與邊長的比值,,電流分布的均勻性好,曲率效應(yīng)??;圓形元胞犧牲率(即A’/Acell,其中A’為元胞邊緣結(jié)合處電流不能流過的無效區(qū)面積,,Acell為元胞總面積)大于六角形元胞,。
    因此,本文所設(shè)計(jì)的500 V高壓VDMOSFET器件采用正六角形“品”字排列的元胞結(jié)構(gòu),。
3.2 柵電極結(jié)構(gòu)
    功率VDMOSFET由很多小元胞單元并聯(lián)組成,。而由于柵極多晶硅電阻的存在,使得在一定的柵極偏壓下,,離柵極壓焊點(diǎn)較遠(yuǎn)的元胞溝道不能充分開啟,。因此,為了降低柵電極材料電阻的影響,,通常將柵極壓焊點(diǎn)處的金屬引伸到離壓焊點(diǎn)較遠(yuǎn)的元胞單元處,。本文所設(shè)計(jì)的功率管從壓焊點(diǎn)處引伸3條金屬條并與下面的多晶硅相接觸,。

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3.3 結(jié)終端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
    傳統(tǒng)的場板與場限環(huán)相結(jié)合的結(jié)終端結(jié)構(gòu)如圖3所示。設(shè)計(jì)時(shí),,如果場板和保護(hù)環(huán)的間距過大,,場板下的耗盡層擴(kuò)展到保護(hù)環(huán)之前PN結(jié)就首先擊穿,保護(hù)環(huán)將起不到作用,。

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    本文研究的新型結(jié)終端結(jié)構(gòu)(如圖3所示),,是采用場板覆蓋保護(hù)環(huán)的方式,避免了傳統(tǒng)場板與場限環(huán)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)難題,,而使其簡單化,。

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    這種結(jié)構(gòu)在版圖設(shè)計(jì)上通過增加鋁場板的長度來實(shí)現(xiàn),比較容易控制,,使得金屬覆蓋過離主結(jié)最近的場限環(huán),,它不僅起到了場板和場限環(huán)的效果,又避免了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)在場板的邊緣產(chǎn)生新的電場峰值,,避免了電壓在場板邊緣和場限環(huán)之間的提前擊穿,。

4 仿真優(yōu)化結(jié)果
    本設(shè)計(jì)采用“5個(gè)場限環(huán)+鋁場板+多晶場板”的終端結(jié)構(gòu),通過工藝仿真軟件TSUPREM-4和器件仿真軟件MEDICI進(jìn)行聯(lián)合仿真,,不斷調(diào)整工藝參數(shù),,優(yōu)化元胞和結(jié)終端結(jié)構(gòu),最終使各項(xiàng)參數(shù)的仿真指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求(詳見表1),。

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5 器件研制結(jié)果分析
    本產(chǎn)品研制按照功率VDMOSFET正向設(shè)計(jì)的思路,,選取<100>晶向的襯底硅片,采用硅柵自對(duì)準(zhǔn)工藝流程,,首次流片遵照計(jì)算機(jī)仿真優(yōu)化的工藝條件,,進(jìn)行工藝摸底;針對(duì)測試結(jié)果,,逐步進(jìn)行局部工藝調(diào)整,,最終使得產(chǎn)品指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求。
    (1)第一次流片
    產(chǎn)品測試結(jié)果表明:產(chǎn)品的擊穿電壓均值為438.82 V,,并且普遍低于設(shè)計(jì)要求的500 V,。
    經(jīng)分析,其可能存在的原因是:由于襯底反擴(kuò)散較大,,從而導(dǎo)致外延層電阻率偏低,,使得擊穿電壓降低。因此,,在第二次流片時(shí),,將外延電阻率提高5 Ω·cm,其它工藝條件保持不變,。
    (2)第二次流片
    測得的擊穿電壓平均值551.68 V,,大于500 V,,滿足設(shè)計(jì)要求。然而,,隨著外延層電阻率的提高,,部分導(dǎo)通電阻已大于設(shè)計(jì)要求的850 mΩ。
    改進(jìn)方案:對(duì)于高壓功率VDMOSFET器件,,JFET電阻在導(dǎo)通電阻的組成部分中,,占有相對(duì)較大的比重。因此,,在擊穿電壓余量充分的條件下,,可考慮通過適當(dāng)減小P-body推結(jié)時(shí)間的方法,從而增加兩相鄰P-body的間距,,降低JFET電阻,。因此,在第三次投片時(shí),,將P-body的推結(jié)時(shí)間調(diào)減20分鐘,,其它工藝條件相對(duì)于第二次流片保持不變。
    (3)第三次流片
    測試結(jié)果表明:在減小P-body推結(jié)時(shí)間后,,導(dǎo)通電阻小于850 mΩ,,滿足設(shè)計(jì)要求,;雖然產(chǎn)品的擊穿電壓(均值536 V)有所下降,,但仍滿足大于500 V的設(shè)計(jì)要求;其余靜態(tài)參數(shù),、動(dòng)態(tài)參數(shù)指標(biāo)也均滿足設(shè)計(jì)要求,。
    因此認(rèn)為,本文高壓功率VDMOSFET的器件設(shè)計(jì)與研制工作是成功的,。

6 結(jié)束語
    本文在計(jì)算機(jī)仿真優(yōu)化的基礎(chǔ)上,,通過對(duì)產(chǎn)品測試結(jié)果的分析及工藝條件的調(diào)整,最終實(shí)現(xiàn)了成功研制,。相對(duì)于傳統(tǒng)的流水線小批量投片,、反復(fù)試制的方法大大節(jié)約了研制成本,收到了事半功倍的效果,。
    隨著半導(dǎo)體生產(chǎn)制造工藝的不斷改進(jìn),,器件模擬和工藝模擬的精度與實(shí)際工藝流程的吻合性將越來越好,使產(chǎn)品的模擬結(jié)果更具有實(shí)用性,、可靠性,。
 

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