（电气工程专业论文）低压功率沟槽mosfet的设计与研究.pdf

上海大学工程硕士学位论文 a b s t r a c t t h el o w - v o l t a g ep o w e rt r e n c hm o s f e th a sg o o de l e c t r o n i cc h a r a c t e r i s t i c so f l l i g hi n p u ti m p e d a n c e ，h i g hs w i t c h i n gf r e q u e n c y ，l a r g eo u t p u tc u r r e n t g o o dt h e r m a l s t a b i l i t ya n dl a r g es a f eo p e r a t i n ga r e a i ti sb e i n gw i d e l ya p p l i e di nt h ed e c t r o m c s e q u i p m e n t ss u c ha sb u t t e r yp r o t e c t i o n , s w i t c h i n g - m o d ep o w e rs u p p l y , d c - d c c o n v e r t e r , s y n c i l i 切1 0 u sr e c t i f i e r sa n de t c s o i ti sa l li m p o r t a n td i r e c t i o ni nt h ef i e l d o f p o w e rd e v i c er e s e a r c h t h em a i nt a s k so ft h i st h e s i sa r e ；( 1 ) d e s c r i b i n gd e v e l o p m e n to fp o w e r m o s f e ti sd e s c r i b e d ( 2 ) a n a l y z i n gt h ep e r f o r m a n c ea n dc h a r a c t e r i s t i c so ft h e l o w - v o l t a g ep o w e rt r e n c hm o s f e t ( 3 ) u s i n gp r o c e s sa n dd e v i c e s i m u l a t i o n s o f t w a r e , o p t i m u r nd e s i g no ft h er e c t i f y i n gl o w - v o l t a g ep o w e rt r e n c hm o s f e t w i t hs m a l lo n - s t a t er e s i s t a n c er o ni si n t r o d u c e d o p t i m u md e v i c es t r u c t u r ea n d p r o c e s sp a r a m e t e r s ， o n - s t a t e p e r f o r m a n c e a r ea c h i e v e d ( 4 ) t h e s w i t c h i n g c h a r a c t e r i s t i c so f d e v i c ea n dd e s i g np a r a m e t e r s ，c h a r g e dc h a r g eq g oh a v er e l a t i o nt o g a t ec a p a c i t a n c ec ga n dg a t e - d r a i nc a p a c i t a n c ec 鲥a r er e s e a r c h e di nd e t a i l ( 5 ) p r e s e n t i n gt h ed e s i g no fg a t ee l e c t r o d ee s dp r o t e c t i o ns t r u c t u r ec o m p a t i b l ew i t h l o w - v o l t a g ep o w e rt r e n c hm o s f e tp r o c e s s ( 6 ) g i v i n gt h ef u l ll a y o u ta n dp r o c e s s t h et e s tr e s u l t ss h o wt h a tt h ee x p e c t e da i mh a sb e e na c h i e v e d t h ei n n o v a t i v eo n e sa r ea sf o l l o w s ： 1 t h eo p t i m i z a t i o no fl o w - v o l t a g ep o w e rt r e n c hm o s f e to fc o n t r o ls w i t c h t h e g a t e - d r a i nc a p a c i t a n c ec g oo ft r e n c hm o s f e t i sc h a n g e dw i t hg a t e d r a i nv o l t a g e v 醇v a r i e t yo ft h eg a t e - d r a i nc a p a c i t a n c ee g oa n dt h ec h a r g e dc h a r g eq g oi nt h e s w i t c hp r o c e s sa r es i m u l a t e d t h ei n f l u e n c eo fd e v i c es t r u c t u r ea n dp r o c e s s p a r a m e t e r so ng a t e - d r a i nc a p a c i t a n c ec g o a n dg a t e - d r a i nc h a r g eq 西a r ed e s c r i b e d r e d u c e dt h ev a r i a t i o n so fg a t e d r a i nc h a r g eq g di nl a r g es i g n a lo p e r a t i o nb y a d j u s t i n gt h ed e v i c es t r u c t u r ea n dp r o c e s sp a r a m e t e r s t h es w i t c hc h a r a c t e r i s t i co f d e v i c eh a sb e e ni m p r o v e d v 1 上海大学工程硕士学位论文 2 a ne s dp r o t e c t i o nf o rg a t eo fp o w e rm o s f e td i f f e r e n tf r o mp o l y - s iz o n e r d i o d es t r u c t u r ei sp r e s e n t e d i to n l ya d dp o r t i o no fi m p l a n ta n dd i f f u s i o n ，m o d i f y p o r t i o no fl a y o u tw i t hi n i t i a lm a s k sn u m b e r d e s i g no fl a y o u ta n ds i m u l a t i o na 田v e s i sg i v e n t h ed e s i g no f l o w v o l t a g ep o w e rt r e n c hm o s f e ti nt h i sp a p e rc a no f f e rs o m e p r a c t i c a ld i r e c t i o n s k e y w o r d s ：l o wv o l t a g ep o w e rt r e n c hm o s f e t , s p e c i f i co n - r 髓i s t a n c e , g a t ec h a r g e ，p r o c e s ss i m u l a t i o n , d e v i c es i m u l a t i o n 上海人学工程硕士学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 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发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他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明并表示了谢意。 签名：泌聋垦e t 期：趁垒! 兰： 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，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。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师签名： 1 1 日期：丝亟! 兰：蟹 第2 5 页共9 1 页上海大学工程硕士学位论文 1 1功率半导体器件概述 第一章绪论 功率半导体器件是电力电子技术发展的基础，随着社会的进步，新兴产业 的兴起，其应用领域也有很大的变化，功率半导体器件已成为微电子技术研究 的重要方向之一。 功率半导体器件的发展，大体可分为四代产品。第一代是以5 0 年代出现的 可控硅s c r 为代表。其优点是功率容量特别大，但缺点是开关速度低，关断不 可控、因强制换流关断使控制电路非常复杂，限制了它的应用。7 0 年代出现了第 二代以门极可关断晶闸管g t o 和巨型双极晶体管g t r 为代表的产品。其优点是自 关断器件，开关速度比s c r 高，使控制电路得到了简化。7 0 年代末出现了以功 率场效应晶体管v d m o s 和静电感应晶体管s i t 为代表的第三代产品，与前两代双 极器件相比，v d m o s 和s i t 具有开关速度高、输入阻抗高、控制功率小、驱动 电路简单等特点。8 0 年代诞生了以绝缘栅双极晶体管i g b t 为代表的第四代产 品。i g b t 既有m o s f e t 的输入阻抗高、控制功率小、驱动电路简单、开关速 度高的优点。又具有双极功率晶体管的电流密度大、饱和压降低、电流处理能力 强的优点。它是电力电子领域非常理想的开关器件。 经过五十多年的发展，功率半导体器件已出现了硅整流器( s r ) 、普通晶闸 管( s c r ) 、隔离门极晶闸管( r o t ) 、双向晶闸管( t d a e ) 、门极辅助关断晶闸管 ( g a t f ) 、门极可关断晶闸管( g t o ) 、门极换相晶闸管( o c t ) 、静电感应晶闸管 ( s i t h ) 、巨型功率晶体管( g t r ) 、达林顿单极晶体管( d t ) 、m o s 控制晶闸管 ( m c t ) 、绝缘栅双极型晶体管( i g b t ) 、肖特基势垒二极管( s b d ) 、静电感应晶体 管( s r r ) 、金属一氧化物一半导体场效应晶体管( m o s f e t ) 等近四十个种类 1 】。 半导体器件的发展非常迅速，根据市场研究公司i s u p p l i 估计，中国在2 0 0 2 年消费半导体达2 5 0 亿美元，占全球大约1 6 ，到2 0 0 6 年，中国将消费半导体 大5 6 0 亿美元，占全球的2 6 强。无论从绝对数字到相对百分比，中国半导体 市场同益占有举足轻重的地位。 功率半导体市场包括分立功率器件和功率模拟集成电路两大类根据 第2 5 页共9 i 页上海大学t 程硕士学位论文 i s u p p l i 估计，全球功率半导体营业额在2 0 0 2 年约为1 3 9 亿美元，到2 0 0 7 将达 2 3 3 亿，年复合增长率为1 0 9 。其中分立功率器件从2 0 0 2 年的7 8 1 亿增长到 2 0 0 7 年的1 1 8 亿，年复合增长率为9 。功率模拟集成电路从2 0 0 2 年的6 1 亿 增长到2 0 0 7 年的1 1 5 亿，年复合增长率为1 4 左右【3 】。 在分立功率半导体市场领先的主要厂家有：f a i r c h i l d ，i r ，s t ，o ns e m i ， t o s h i b a ，m i t s u b i s h i ，i n f i n e o n ，v i s h a y 等等。在功率模拟集成电路领先的主要 厂家有：t e x a si n s t r u m e n t ，s t ，a n a l o gd e v i c e s ，o ns e m i ，n a t i o n a ls e m i ，m a x i m ， s a n k e n ，f a i r c h i l d 等等。取则是最早开发m o s 型器件的高压触发用集成电路 的公司，目前已将功率模拟集成电路作为其主要产品之一。凭借其在功率半导 体方面的主导地位，因而在结合功率应用方面集成电路的发展，将会有迅速的 发展。 从功率半导体的下游电子成品来看，简单的说，功率半导体可以应用于几 乎所有的电子类产品，具体地说：( f r o s t & s u l l i v a n 资料) 1 分立功率半导体：以2 0 0 2 年为例，2 2 应用于通讯类产品，2 0 汽车电子类， 1 8 工业应用设备，1 3 电脑类，1 3 消费电子类，1 4 医药电子设备类。 2 模拟功率集成电路：以2 0 0 2 年为例，2 3 应用于通讯类产品，1 1 汽车电子 类，1 6 工业应用设备，3 6 电脑类，1 4 消费电子类。 国内电力电子器件市场预测【4 】，目前国内v d m o s 与i g b t 产品9 0 以上 依赖进口。电力电子器件的国内需求量每年增长达1 5 ，已超过3 亿只，而新 型电力电子器件v d m o s 与i g b t 每年的需求量增幅更达2 5 。预计到2 0 0 5 年，i g b t 国内市场需求将达7 5 0 万只，v d m o s 需求量将达到6 亿只，器件和 基础类产品销售收入将达4 0 0 0 亿元。 国际电力电子器件市场预测【4 】，世界电力电子器件市场销售额每年以9 的速率递增。v d m o s 器件以每年3 2 6 的速率增长，i g b t 的年增长率为3 0 ， 预计到2 0 0 5 年，市场规模将达1 1 l 亿美元。目前v d m o s 半导体芯片的全球市 场占有率超过3 0 ，市场需求量达6 0 0 亿只以上。 1 2功率m o s f e t 的发展 功率m o s f e t 是新一代功率半导体器件的起点，功率m o s f e t 从1 9 7 9 2 第2 5 页共9 l 页上海人学工程硕士学位论文 年诞生后，其发展经历了l d m o s ( 横向平面双扩散) ，v v m o s ( v 型槽) ，v u m o s ( u 型槽) 及v d m 0 8 ( 纵向平面双扩散) 再到t r e n c h 栅( 槽栅) 等结构演化过程，如图2 所示。其中，v d m o s 是功率m 0 8 结构上的一次重大变革，对功率m o s 的发展起 了关键性的推动作用，也给该种器件的推广应用奠定了坚实的基础。但由于 v d m o s 随着工艺进步和线宽变小存在很多问题，如元胞尺寸缩小受到限制、j f e t 效应无法彻底根除等，为此，人们研究和开发了t r e n c h 栅结构的v d m o s 。t r e n c h 栅结构几乎完全消除了平面型v d m o s 存在的弊端，1 9 8 4 年d u e d a 首次把t r e n c h 技术用于制造u m o s 5 - 8 ( 包括功率m o s i g b t ) 器件，由于t r e n c h 栅( u m o s ) 把 沟道从水平变为垂直，彻底消除了平面结构寄生j f e t 的影响，使元胞尺寸大 为缩小，元胞尺寸缩小能够带来器件单位硅片上的沟道宽长比增大从而使电流 ( 赫 ( a ) v v m o s o a t e ( c )( d ) ( c ) v d m o s( d ) t r e n c hm o s 图2m o s 器件结构的演化过程 增大导通电阻下降等诸多好处 9 - 1 1 ，使器件的结构近乎理想化，通常，导通 电阻随t r e n c h 变深而减小，但击穿电压也跟着下降。9 0 年代初，实际制作器 件的水平是，在2 u m 及以下工艺，t r e n c h 栅结构的导通电阻可以做到 0 5 8 m q c m 2 ，器件耐压为5 0 v 1 2 ，这一数值己经接近硅m o s f e t 导通电阻的物 3 第2 5 页共9 1 页上海大学= r = 程硕士学位论文 理极限，约为0 1 0m q c m 2 1 3 。另外，采用t r e n c h 栅结构还可改进m o s f e t 的开关速度及s o a 性能 1 4 。业内人士认为t r e n c h 栅v d m 0 s 必然取代平面 v d m o s ，成为下一代电力电子器件的核心。 整个功率半导体器件中变化最大的是使电力电子学的范围跨入了过去未曾 涉足的信息领域。早期的m o s 器件发展，多少沿用了传统功率半导体器件的 发展思路。例如曾采用金属外壳并发展了多种大电流m o s f e t 模块。但其后 m o s f e t 的发展就大大不同于传统器件。它首先在开关电源方面取得了迅速发 展，提高电路效率成为其更重要的任务。目前它的应用范围主要有通信( 包括 手机) 、汽车、电脑及便携式电器、工业、航天、家电、办公用品等等，其世界 市场约为二、三十亿美元【1 5 】。由于应用范畴的变化，m o s f e t 的发展必须符 合新的要求。对电脑c p u 而言，要求m o s f e t 用于愈来愈低电压的电源。 对便携式电源而言，降低损耗缩小体积又成为首要任务。所以我们会看到愈来 愈低电压、愈来愈小的器件。但也不能只考虑低电压器件的发展。如对汽车而 言，要配合汽车电源向4 2 伏的转移，则器件电压要比传统汽车用的更高些。 电视、显示器、照明等仍需要市电电压。空调器等，还需用i g b t 以运行稍大 的功率。工业应用时，如焊接电源，就更需用i g b t 模块了。从技术的发展来 看，m o s 型器件的发展经历了从静态到动态的逐步深化的认识和改进过程 【1 6 】。 一、降低导通电阻以增加其电流容量( 或降低功率损耗) 。在这方面，微细 加工技术的引入起到了重要的作用，它促使功率m o s f e t 的导通电阻在短短的 几年间就降低了一个数量级。目前国际上流行“沟槽型”m o s f e t ，其通态压 降较传统器件更低。所谓“沟槽型”，就是m o s f e t 芯片上开有槽，并在槽的侧 壁制作m o s 的栅极。采用沟槽型结构，可进一步缩小器件体积，降低器件导通 电阻，增强器件的雪崩击穿能力。 二、采用一定的终端设计，或特殊结构以改善电压和电流的关系。 三、降低栅电荷，从而减小开关损耗。或改变原胞为条状( s t r i p e ) 结构以 降低栅电荷。 四、减小基区横向电阻，以增加电压上升率和抵抗电压尖刺的能力。 五、结合不同应用发展不同特点的m o s f e t ，例如为同步整流发展了低电 4 第2 5 页共9 l 页上海大学工程硕士学位论文 压的具有极小导通电阻的器件，对线路中的另一m o s f e t 则在兼顾导通电阻 的同时还必须使其具有很低的栅电荷。 从1 9 7 9 年的世界上第一个采用多晶硅栅极的g e i l 一1 h e x f e t 多原胞型功率 m 0 s f e t 到1 9 9 5 年i r 公司发展的第五代h e x f e t ，其原胞密度已比第三代大5 倍。 第五代的另一个特点是，其工艺大为简化，即从第三代的6 块光刻板减为4 块，这 样器件的制造成本就可能降低。当今世界上最流行的仍是取的第三代和第五代， 第三代常用于较高电压的器件( 如2 0 0 6 0 0 伏) ，而第五代常用于较低电压的器 件( 如3 0 2 5 0 伏) 。高密度结构在较低电压器件中显示更优越作用的原因是因为 低压器件的体电阻r d 较小，因而降低沟道电阻更易于显出效果。为进一步增加 原胞密度，采用挖槽工艺。通常称为t r e n c h ( 沟槽) m o s f e t 。沟槽结构的沟道是纵 向的，所以其占有面积比横向沟道为小。从而可进一步增加原胞密度。半导体工 艺技术的迅速发展，才有了新一代的功率半导体器件的突破，当前纵向结构功率 m o s f e t 在低压器件方面几乎一统天下。m o s f e t 常常用在频率较高的场合。开 关损耗在频率提高时愈来愈占主要位置。降低栅电荷，可有效降低开关损耗。取 产生的第3 5 代。也称为低栅电荷m o s f e t 。第3 5 代的米勒电容下降8 0 ，栅电 荷下降4 0 ，通态电e f r d s ( o n ) 也降低了1 5 ，综合性能提高了很多。i r 粗略地 把用于高压的器件归纳为第3 、6 、9 代，其中当然包括3 5 代。而用于低压的则为 5 、7 、8 代。i r 第三代( g e n - - 3 ) h e x f e t 每平方英寸约有11 6 万个原胞，目前密 度最高的瓜第八代( g e n - - 8 ) h e x f e t 每平方英寸已有1 1 2 亿个原胞。美国a a t i 采用0 3 5um t 艺生产的t r e n c h d m o s 其元胞密度更高到达每平方英寸2 8 7 亿个 2 。现代功率半导体器件的精细工艺已和微电子电路相当。m o s f e t 的通态电 阻也在不断地降低，已有报道，j u a n g ，m h 等人的研究结果为耐压3 0 v ，通态电阻 ( r o n ) 为2 0m 2 1 7 1 ，o n o 。s 等人的研究结果为耐压3 3 v ，通态电阻( r o n ) 为1 0m f l m _ m 2 1 8 1 9 1 ，i n 、z a n d t 等人的研究结果为2 0 v 沟槽m o s f e t 其通态电阻达4 m q n u n 2 。3 0 v 沟槽m o s f e t 的通态电阻达7m f h 砌2 2 0 。 新一代功率器件的制造技术已进入亚微米时代。此外，采用自对准工艺减 少掩膜版次数、采用非均匀漂移区降低导通电阻等新结构、新工艺正不断涌现。 国外的设计和工艺技术已渐趋成熟，重点研究正向低电感化、低阻抗化封装技 术、复合化积体化和高功能高可靠性的方面发展，但其核心技术和工艺都是保 第2 5 页共9 l 页上海大学工程硕士学位论文 密的。 1 3本文的工作 功率m o s f e t 在高压应用时，其导通电阻随耐压的2 5 次方急剧上升，给 高压功率m o s f e t 的应用带来了很大困难。转而向低压方向发展，目前普遍认 为功率m o s f e t 是低压范围内最好的功率开关器件，但此外，随着v d s m ( v e r y d e e ps u b m i c r o n ) 的迅速发展，i c 内部的电源电压越来越低，所需处理的电流 越来越大，对功率半导体器件的要求也越来越苛刻。为满足系统不断更新的性 能指标，功率m o s f e t 的工艺水平已进入亚微米甚至向深亚微米发展。 目前，国内对低压功率m o s f e t 的需求正在不断的增长，而对于低压功率 m o s f e t 的器件结构，性能和制造工艺的研究起步较晚，特别是低压功率沟槽 m o s f e t ，很大程度上受到工艺制造水平的限制，据了解，现有国内几家生产 低压沟槽功率m o s f e t 的代工厂如天津摩托罗拉，上海宏力，无锡上华等，整 套制造工艺都是引进的，且技术是完全保密的。因此，研究低压功率沟槽 m o s f e t 的设计及其制造工艺，对于推动国内低压功率沟槽m o s f e t 的生产 有着巨大的社会经济效益，同时对促进此类技术的研究发展也有积极的意义。 本文的主要工作是利用工艺模拟软件和器件模拟软件对低压功率沟槽 m o s f e t 的器件性能、工艺过程和优化设计进行研究： 1 器件结构和工艺参数对m o s f e t 的通念漏源电阻r d s ( o n ) 的影响；极小 通态电阻的整流型低压功率沟槽m o s f e t 的优化设计。 2 器件结构和工艺参数对开关型低压功率沟槽m o s f e t 的极问电容c g 、 c 鲥的影响；器件的栅电荷q g 、栅漏电荷q g d 对开关性能的影响；开关 型低压功率沟槽m o s f e t 的器件优值f o m ( = - r d s , ( o n l q g d ) 的优化。 3 兼容低压功率沟槽m o s f e t 制造工艺的栅电极e s d 保护设计。 经对模拟结果的分析，得出较为合理的模拟工艺过程，得到优化后的器件设 计模拟结果，为流片验证中工艺参数的确定提供了具有参考价值的依据，对于 低压功率沟槽m o s f e t 器件的设计和制造，具有一定的指导意义。 6 第2 5 页共9 1 页上海大学工程硕士学位论文 1 4论文内容安捧 本文按照低压功率沟槽m o s f e t 设计的基本流程，利用工艺模拟软件和器 件模拟软件，分析结构和工艺参数对器件的通态电阻、极间电容的影响，以及 栅电极e s d 保护单元的模拟特性，通过流片验证，基本达到设计要求。本文共 分七章，具体安排如下： 第一章了解功率m o s f e t 的发展，阐述了课题研究的背景、目的、意义以 及国内外研究的现状。提出了本文主要研究的内容和全文的结构安排。 第二章介绍了低压功率沟槽m o s f e t 的基本电学参数，了解各参数之间的 关系，为进一步的优化设计作准备。 第三章阐述了低压功率沟槽m o s f e t 的结构设计，包括器件的图形、元胞 的结构和数目、终端技术和器件的终端结构，还介绍了几种新的终端结构。 第四章首先介绍了工艺模拟软件和器件模拟软件的功能特点和应用范围。 分析了低压功率沟槽m o s f e t 通态电阻和构成的各个分量，研究了器件的结构 和工艺参数对其主要分量沟道电阻和漂移区电阻的影响，给出了整流型功率沟 槽m o s f e t 的优化设计方案。本章还分析了器件的极间电容构成以及器件的结 构和工艺参数变化对极问电容的影响，研究了在开关过程中极间电容上所充放 电荷对器件开关性能的影响，指出了开关型功率沟槽m o s f e t 极间电容的优化 途径。 第五章阐述了e s d 保护原理，m o s 集成电路和低压功率沟槽m o s f e t 的e s d 保护方法，在现有的功率沟槽m o s f e t 栅保护方式的基础上，提出了 一种新的栅保护方法，并给出了特性模拟曲线。 第六章给出了整流型低压功率沟槽m o s f e t 的工艺流程和版图，得到流片 的结果并进行了分析。 第七章总结全文，阐述了在低压功率沟槽m o s f e t 设计中存在的不足之处 和今后继续改进和完善的方向。 7 第2 5 页共9 l 页上海大学工程硕士学位论文 第二章低压功率沟槽m o s f e t 的基本电学参数分析 功率沟槽m o s f e t 的基本电学参数包括阈值电压，通态电阻，击穿电压和 电容等，这些参数决定于不同的器件结构和工艺过程，了解和分析器件的性能， 以便于器件的结构设计和工艺参数的调整。 2 1 沟槽m o s f e t 的阈值电压 阈值电压是功率m o s f e t 的一个重要设计参数。是指m o s 结构的沟道发 生强反型时所加的栅压，它确定了在沟道中感应形成n 型导电层所需要加的最 小栅压。为了使器件获得适当的工作性能，阈值电压的值不能太大或太小。如 果阈值电压过大，会增大功率m o s f e t 的通态电阻，从而影响器件的输出电流。 而阈值电压过小，则器件在处于关态时，可能会发生由于栅端的噪音信号或在 高速开关过程中引起栅压升高等因素，使器件发生误开操作。一般3 0 v 系列的 功率m o s f e t ，v t h 的典型值为1 6 v ，驱动电压为4 v ；2 0 v 系列的功率m o s f e t ， 驱动电压为2 5 v 2 1 1 。 对于导电沟道的任意一点，开启电压由下式确定 2 2 】： ( 工) ：。+ 2 。，一q r o s + 4 f o f , q n 万a ( x ) f 1 一2 ( 2 一1 ) 、，o x、一o x 其中：o 。为金属对于硅的接触电势差： m 。：丝l n 掣 ( 2 2 ) 4作j o ，为硅的费米势： m 。：r r i n 丝 ( 2 3 ) g q o s 是栅极氧化层的表面等效电荷密度，c o x 是单位面积的栅氧化层电容，n a ( x ) 是沟道区杂质浓度，h i 是本征载流子浓度，es 和eo x 分别是半导体和栅 氧化层的介电常数，t o x 是栅氧化层的厚度。 考虑到各个因素对阈值电压的影响，则可由下式表示 2 3 2 4 】： 第2 5 页共9 1 页上海大学工程硕士学位论文 哦+ i q s 鹏_ ( 半 c 2 叫 式中，m 。为金属对于硅的接触电势差， q s 是耗尽层的单位面积电荷， c o x 是单位面积的栅氧化层电容， 1 l r b 是费米能级和半导体体内本征费米能级之差， q f 是氧化层与硅界面存在的固定氧化层电荷， q m 是氧化层中存在的可动离子电荷， q i t 是氧化层与硅界面存在的陷阱电荷。 2 2 沟槽m o s f e t 的导通电阻r o n 对于功率器件而言，要获得好的开关效率，必须减小器件的功率损耗，即要 求器件的通念电阻越小越好，通态电阻是功率m o s f e t 的一个重要参数，因为它 决定了器件的最大额定电流，功率m o s f e t 器件所包含的单元数目直接决定了器 件的通态电阻和功率损耗。沟槽功率m o s f e t 是以多单元并联方式工作，单元 数越多，器件的面积越大，通态电阻就越小，器件的通态电阻与面积成反比，用 器件的通态电阻与器件面积的乘积称为特征通态电阻( 亦称比电阻) r o n , s p = r o n x a 来衡量m o s f e t 的导通性能。通态电阻主要由单胞结构的几何形状、排列方 式、尺寸、单胞密度、及芯片面积等因素决定。在击穿电压给定的条件下，分析 影响器件导通电阻的主要原因，从而获得最小通态电阻。本文讨论的均为特征通 态电阻r o n , s p ( 简写为r o n ) 。 沟槽m o s f e t 的通态电阻由图2 1 所示的各电阻分量共同确定： r o n = r s o u r c e + r c h + r a c e + r d d t t + r s u b ( 2 5 ) 其中r s o u r c e 是源n + 扩散区电阻，r e h 是沟道电阻，r a c e 多晶栅下积累层电阻， r d r i f i 是漂移区电阻，r s u b 是衬底电阻。除此之外的额外电阻来自源一漏端金 属与n + 半导体区的非理想接触及器件和封装管壳间的连接引线。 9 第2 5 页共9 l 页上海= 学工程硕上学位论文 兹笏镶 l l 黔 嗲彩形 卅jf t 鋈 li l e h i w a o d y l 。s i m ： p 啦y 、 l d 、 t 、j 卜吖2 一 一t 呻 2 卜 l n e p i t q s u b 勿形钐勿黝绣彩形钐钐钐 村底电阻 兹笏 l 蘩 瑚一 触 i n a 打 遂荔， s i 0 2 ， 一。、 脚ti 胁i f t i 宝- 蚰 n # l i b、 钐勿形彩钐穆酾殄缪妫钐戮 图2 1沟槽m o s f e t 结构和导通电阻构成的分量 来自衬底的电阻分量，对于高压功率m o s f e t 可以忽略，当对击穿电压 底于5 0 v 的器件，衬底电阻分量的贡献将很显著。非常现实的问题是，为适应 器件制备对衬底强度的要求，必须保证衬底有足够的厚度。由于在漂移区界面 电流展宽十分迅速，因此可假定电流密度在衬底中是均匀的，因而衬底对特征 电阻的贡献可由下式给出： r s b s p = ps b t s b ( 2 6 ) 其中，ps b 是衬底的电阻率，t s b 是衬底的厚度。利用电阻率为o 0 1 f ! e m o 0 0 1 q e m 的锑或砷掺杂衬底制备的器件在制备完成后，可采用抛光减薄衬底厚 度的方法来减小衬底的电阻。 沟道电阻 沟道电阻由表面反型层中可动电子和电子的表面迁移率决定【2 5 】。当表面 电势1 l rs 超过体内电势1 l r 。两倍时，沟道中开始形成强反型层。由于在反型层区 域之外的能带弯曲很小，所以，用来传导电流的反型层电荷由下式给出： q n = c o x ( v g v t ) ( 2 7 ) 因此，在低的源一漏电压下，由于沿沟道的电压降可以忽略，沟道电阻由下式 给定： 1 0 第2 5 页共9 l 页上海大学工程硕士学位论文 如2 瓦翻( 2 - - 8 ) 其中：z 是器件的沟道总宽度； l c h 是沟道的长度； l in s 是电子的表面迁移率； v g 是栅电压。 对于条纹结构沟道密度z = 2 w b + w t ，正方形单元结构沟道密度z = 4 w “w b + w t r 。 基于沟道电阻的分析可知，通过缩小沟道长度，提高器件的沟道密度和减 薄栅氧化层厚度都可以减小沟道电阻。 积累层电阻 由于积累层的存在使得电流从漂移区汇聚到积累层，再流入沟道。沟槽底 部与沟道之间的区域形成的积累层电阻受控于积累层内的电荷和其表面的自由 载流子迁移率。积累层电阻由下式给定 2 6 i r 。 ：三坠坠堕 1 32 2 。c 凹z ( 一p k ) ( 2 9 ) 式中：肛。是积累层中电子迁移率，c o x 是单位面积氧化层电荷，v m 是耗尽型 m o s f e t 的阈值电压。 漂移区电阻 漂移区电阻是指由漏极n + 区和沟槽底部的栅氧化层之间的外延层缓冲区 构成，表达式如下 2 7 ： 心2 d 华崦半一斟p w s 2 盱 兄= d 华- o s 半) t 呲( 2 - - 1 1 ) 式2 1 0 中第一项是漂移区中电流以4 5 。展宽角流过部分的贡献，第二项是沟 槽问有电流交迭区域时漂移区的贡献，p 是外延层电阻率，t 是沟槽下外延层厚 度。p 的表达式 2 7 】如下： 第2 5 页共9 l 页上海大学工程硕士学位论文 p = 蕊2 b v d 黜( 2 - - 1 2 ) 式中e e 是发生雪崩击穿时的临界电场，时漏区的体电子迁移率。 对于低压沟槽功率m o s f e t ，沟道电阻r e h 和漂移区电阻r d r i f l 是器件导 通电阻中的最主要部分。 2 3 沟槽m o s f e t 的漏源击穿电压 b v a s 规定为v g s 等于零时产生一个小电流所需要的最小漏源电压，沟槽 m o s f e t 的漏源击穿电压是由雪崩击穿决定的，它表示器件的耐压极限。对于 低压功率沟槽m o s f e t ，通常将漏电流为2 5 0 u a 时的漏源电压定义为器件的击 穿电压b v d s 。 利用雪崩击穿条件，可以计算出发生雪崩击穿的临界电场强度e c 。由于电 离率和电场强度之间的函数关系比较复杂，一般电场强度是位置x 的函数，但 计算十分复杂。为了简便常采用经验公式，对于单边突变结有【2 8 】： 驯“( 新封磊 陋 对于线性缓变结，有： e c - = 1 5 x 1 0 8 、( q ， i 时4 i i 仁 式中，e g 是半导体材料的禁带宽度，n b 是轻掺杂一侧的杂质浓度，a 是杂质浓 度梯度。 漏源击穿电压主要由掺杂浓度低的一侧，即n 一外延层的掺杂浓度和厚度决 定，利用临界电场，耗尽区电压与耗尽区宽度的关系，可得到击穿时耗尽区宽 度x m 和击穿电压v b ，对单边突变结，有： l 等 i 任均 = 舞 ( 2 1 6 ) 对于线性缓变结，有： 1 2 第2 5 页共9 l 页上海大学工程硕士学位论文 以= ( 警) - = ；蠢 击穿电压还和结面的形状有关。曲率半径小的地方电场集中而首先击穿， 所以柱面结和球面结的击穿电压低于平面结。对于硅的柱面或球面单边突变结， 击穿电压可用下式表示 2 8 】： 兰6 x 1 0 ”n 8 4 【( 栉+ 1 + r ) r ”】“+ 1 - t ) ( 2 - 1 9 ) 式中，y = x j x m , x j 是扩散结深，x m 是平面p - n 结击穿时的耗尽区宽度；n = 1 用于柱面结，n = 2 用于球面结。 由上述关系式大致可以确定器件设计中的材料参数。 2 4 沟槽m o s f e t 的漏源电流 当栅极加适当极性和大小的栅极电压时，多晶硅栅极在扩散沟道区表面感 应一个反型层，这个反型层( 沟道) 连接了源极与漏极的轻掺杂区。在缓变沟 道近似的条件下，可推导出沟道的i - v 特性是栅和源一漏电压的函数 2 3 - 2 4 】： 铲警【2 ( 一f ，) f d 一瑶】 ( 2 2 0 ) 随着源一漏电压和源一漏电流的增加，上式中第二项逐渐变得重要，由此使得 源一漏电流得到饱和。即当代入侈屹一聍的沟道夹断条件时，可得： 驴警( 堋2 ( 2 - 2 1 ) 其中un 为电子迁移率；c o x 为单位面积的栅氧化层电容；z 为沟道宽度； l 为沟道长度。饱和的源一漏电流是一个重要的参数，因为它给出了沟道通过 的最大电流值。 2 5 沟槽m o s f e t 的电容和栅电荷 功率m o s f e t 中的电容包括m o s 电容，以及功率m o s f e t 的极间电容 c d s ( 栅源电容) 、c g d ( 栅漏电容) 、c d s ( 源漏电容) ，用来描述功率m o s f e t 的动 第2 5 页共9 l 页上海大学工程硕士学位论文 态特性，即共源输入电容c i s s ，共源输出电容c o s s ，及反向转移电容c r s s ，这 三个电容于极间电容之间的换算关系是： c i s s = c g s + c g d ( c d s 短接) c o s s - - c g d + c d s ( c 笋短接) c r s s = c g d 功率m o s f e t 极间电容的等效电路如下： 彩缓驴“彩笏 题 n a u b 移钐缓钐彩帮嘲彭彩钐钐隽钐 图2 2 功率m o s f e t 极间电容的等效电路和纵向结构示意图 栅电荷曲线 栅电荷q g 是在m o s f e t 工作时，栅驱动电压v g s 从o v 开始到额定栅电 压期间对栅电容c g 所充的电荷，因为栅电极下p 体区始终存在耗尽层，从而 栅一p 体区电容c g p 可以忽略，因此可认为栅电容c g 是栅一源电容c g s 和栅 一漏电容c g d 之和： c g = c g s + c g d 栅一漏电容c g d 在开关过程中随漏源电压v d s 变化，若直接应用于计算， 其结果不能准确反映器件工作情况。通常采用栅极充电的电荷量q g 来描述器 件的开关特性。典型的功率m o s f e t 的栅电荷特性及其电压，电流波形如图2 3 。 1 4 第2 5 页共9 1 页上海大学工程硕十学位论文 2 6 本章小结 f v o v 曲h i ：j,一oa花 备皇t 4 土 x 。喇 i 壬 j l 一 t + c u r r e h t w 苴 ，e f o r m 图2 3 功率m o s f e t 的栅电荷特性及其电压。电流波形 本章主要对低压功率沟槽m o s f e t 的基本电学参数作了简要介绍，包括 阈值电压、导通电阻、击穿电压、漏极电流、栅电容和栅电荷的定义及相关的 等式。其中在一定的耐压下，导通电阻和极间电容是反映沟槽m o s f e t 器件 性能的最主要参数。了解各参数之间的关系，为进一步的优化设计作准备。 1 5 第2 5 页共9 l 页上海大学工程硕士学位论文 第三章低压功率沟槽m o s f e t 的结构设计 功率沟槽m o s f e t 器件的结构设计不同程度地决定了器件的性能参数。如通 态电阻决定了器件的最大输出额定电流和功率损耗，栅电荷决定了器件的开关 特性和开关损耗。因此，降低通态电阻和栅电荷是器件结构设计的主要目标之 一。器件结构的设计包括横向和纵向的设计，横向结构的设计包括了单元图形 的几何形状，排列方式和尺寸比例的选取，纵向结构的设计包括了外延层厚度， 沟槽深度等参数的确定。 3 1单元图形的设计 通常v d m o s f e t 的单元图形由六角形、正方形、圆形以及长方形等等。 随着半导体制造工艺水平的提高，低压功率m o s f e t 的特征尺寸达到了亚微米 程度，单元密度已经达到每平方英寸几十m 几百m 元胞数，此时，各种几何 图形的元胞之间的差异变得很微小，而且为了保证器件的性能和制造工艺的可 行性，低压功率沟槽m o s f e t 单元的几何图形只分为两种，条纹状和正方形单元 状。正方形单元的排列方式由田字形和品字形，如图3 1 所示。 口口口 口口口 釉 埘 图3 一l 沟槽m o s f e t 的单元图形和排列方式 ( a ) 正方形单元( b ) 条形单元( c ) 正方形排列( d ) 品