高壓功率VDMOSFET的設計與研制

摘要：按照功率VDMOSFET正向設計的思路，選取(100)晶向的襯底硅片，采用多晶硅柵自對準工藝，結合MEDICI器件仿真和SUPREM-4工藝仿真軟件，提取參數結果，并最終完成工藝產品試制，達到了500 V／8 A高壓、大電流VDMOSFET的設計與研制要求。結果證明，通過計算機模擬仿真，架起了理論分析與實際產品試制之間的橋渠。相對于原來小批量投片、反復試制的方法，不僅節(jié)約了時閽，降低了研制成本，而且模擬結果與實際試制結果之間能夠較好地吻合。針對傳統(tǒng)結終端結構的弊端，提出了一種新型結終端結構，大大提高了產品的擊穿電壓和可靠性。
關鍵詞：功率VDMOSFET；計算機模擬仿真；結終端結構

O 引言
    隨著現(xiàn)代工藝水平的提高與新技術的開發(fā)完善，功率VDMOSFET設計研制朝著高壓、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。
    本文設計了漏源擊穿電壓為500 V，通態(tài)電流為8 A，導通電阻小于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進行聯(lián)合優(yōu)化仿真，得到具有一定設計余量的參數值。最后在此基礎上進行生產線工藝流片，逐步調整部分工藝條件，最終實現(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)的導電溝道。基本工作原理如圖1。

    當柵源電壓VGS大于器件的閾值電壓VTH時，在柵極下方的P型區(qū)形成強反型層，即電子溝道，此時在漏源電壓VDS的作用下，N+源區(qū)的電子通過反型層溝道，經由外延層(N-漂移區(qū))運動至襯底漏極，從而形成漏源電流。
    當VGS小于閾值電壓VTH時，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))一側擴展，因而可以維持較高的擊穿電壓。

2 參數設計
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，導通電阻Ron也相應增大。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。所以將在計算機仿真過程中，調整P-body的注入劑量、推阱時間和外延層電阻率、厚度，得出最佳的結構參數。
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，主要通過調整P阱注入劑量和推阱時間來調節(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難于用公式準確計算，因此柵氧化層厚度tox和pbody濃度的最佳值需借助于計算機仿真優(yōu)化來確定。
2．3 導通電阻
    對于功率VDMOSFET器件，在不同耐壓下，各部分電阻占導通電阻的比例是不同的。對于高壓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，本設計在滿足耐壓的情況下，采用穿通型結構，以減小外延層厚度，并適當增加JFET區(qū)的寬度，從而減小RD與RJ。
2．4 開關時間
    優(yōu)化開關時間的方法包括兩個方面：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，在版圖設計過程中增加柵極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，即要增加柵氧化層厚度tox，這會加大閾值電壓VTH，因而需要折中考慮。

3 橫向結構設計
3．1 元胞結構選取
    由于正三角形元胞的電場容易集中，導致漏源擊穿電壓的降低；六角形元胞的對角線與對邊距的比值為，小于方形元胞的對角線與邊長的比值，電流分布的均勻性好，曲率效應小；圓形元胞犧牲率(即A’／Acell，其中A’為元胞邊緣結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，本文所設計的500 V高壓VDMOSFET器件采用正六角形“品”字排列的元胞結構。
3．2 柵電極結構
    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，離柵極壓焊點較遠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，通常將柵極壓焊點處的金屬引伸到離壓焊點較遠的元胞單元處。本文所設計的功率管從壓焊點處引伸3條金屬條并與下面的多晶硅相接觸。

3．3 結終端結構設計
    傳統(tǒng)的場板與場限環(huán)相結合的結終端結構如圖3所示。設計時，如果場板和保護環(huán)的間距過大，場板下的耗盡層擴展到保護環(huán)之前PN結就首先擊穿，保護環(huán)將起不到作用。

    本文研究的新型結終端結構(如圖3所示)，是采用場板覆蓋保護環(huán)的方式，避免了傳統(tǒng)場板與場限環(huán)結構的設計難題，而使其簡單化。

    這種結構在版圖設計上通過增加鋁場板的長度來實現(xiàn)，比較容易控制，使得金屬覆蓋過離主結最近的場限環(huán)，它不僅起到了場板和場限環(huán)的效果，又避免了傳統(tǒng)結構在場板的邊緣產生新的電場峰值，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)化結果
    本設計采用“5個場限環(huán)+鋁場板+多晶場板”的終端結構，通過工藝仿真軟件TSUPREM-4和器件仿真軟件MEDICI進行聯(lián)合仿真，不斷調整工藝參數，優(yōu)化元胞和結終端結構，最終使各項參數的仿真指標滿足設計要求(詳見表1)。

5 器件研制結果分析
    本產品研制按照功率VDMOSFET正向設計的思路，選取<100>晶向的襯底硅片，采用硅柵自對準工藝流程，首次流片遵照計算機仿真優(yōu)化的工藝條件，進行工藝摸底；針對測試結果，逐步進行局部工藝調整，最終使得產品指標滿足設計要求。
    (1)第一次流片
    產品測試結果表明：產品的擊穿電壓均值為438．82 V，并且普遍低于設計要求的500 V。
    經分析，其可能存在的原因是：由于襯底反擴散較大，從而導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，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，滿足設計要求。然而，隨著外延層電阻率的提高，部分導通電阻已大于設計要求的850 mΩ。
    改進方案：對于高壓功率VDMOSFET器件，JFET電阻在導通電阻的組成部分中，占有相對較大的比重。因此，在擊穿電壓余量充分的條件下，可考慮通過適當減小P-body推結時間的方法，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，將P-body的推結時間調減20分鐘，其它工藝條件相對于第二次流片保持不變。
    (3)第三次流片
    測試結果表明：在減小P-body推結時間后，導通電阻小于850 mΩ，滿足設計要求；雖然產品的擊穿電壓(均值536 V)有所下降，但仍滿足大于500 V的設計要求；其余靜態(tài)參數、動態(tài)參數指標也均滿足設計要求。
    因此認為，本文高壓功率VDMOSFET的器件設計與研制工作是成功的。

6 結束語
    本文在計算機仿真優(yōu)化的基礎上，通過對產品測試結果的分析及工藝條件的調整，最終實現(xiàn)了成功研制。相對于傳統(tǒng)的流水線小批量投片、反復試制的方法大大節(jié)約了研制成本，收到了事半功倍的效果。
    隨著半導體生產制造工藝的不斷改進，器件模擬和工藝模擬的精度與實際工藝流程的吻合性將越來越好，使產品的模擬結果更具有實用性、可靠性。