功率UMSFET器件 的特性分析与新结构设计.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文 第l ii 页 v d m o s f e t a n de d g et e r m i n a t i o n w h i c hc a l li 1 1 c r e a s eb vw h i l er e d u c eo n r e s i s t a n c e a n d i m p r o v et h er e v e r s et r a n s f e rc a p a c i t a n c ec h a r a c t e r i s t i c s k e y w o r d s p o w e rm o s f e t o n r e s i s t a n c e b r e a k d o w nv o l t a g e d o p i n gp r o f i l e 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 页 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 功率半导体器件 p o w e rs 锄i c o n d u c t o rd e v i c e 是指能耐高压或者能承受大电流的 半导体分立器件和集成电路 其中大部分是既能耐高压也能承受大电流 半导体产业 的发展始于分立器件 功率半导体器件最初主要用于与电网相关的强电装置中 因而 也被称为电力电子器件 目前功率半导体器件的应用范围已经扩展到国民经济与国防 建设的各个领域 是航空 航天 火车 汽车 通讯 计算机 消费类电子 工业自 动化中至关重要的基础部件 功率半导体分立器件的应用领域主要分为以发电 变电 输电为代表的电力领域和以电源管理应用为代表的电子领域 功率m o s f e t 由于其具有高输入阻抗 低驱动功率 高开关速度 优越的频率特 性以及很好的热稳定性等特点 自最初诞生以来 其结构和性能得到了迅速发展 如 今功率m o s f e t 广泛应用于开关电源 汽车电子 马达驱动 工业控制 电机调速 音频放大 高频振荡器 不间断电源 节能灯 逆变器等各种领域 此前 大多数电子产品的发展趋势一直是以消耗更多的电力来实现高性能及多功 能 功率半导体在个人电脑 p c 手机及a v 设备等配备的半导体中所占的比例最 多只有1 0 而在能源产业设备使用的半导体中 功率半导体所占的比例往往会超过 5 0 可以说 此前在电子设备中配备的半导体组件已开始急剧发生变化 另外 随着当今世界能源危机的逐渐加剧 开发高效节能产品与新能源产品的时 机在全球范围内日趋成熟 提高功率电子系统的效能成为重要的课题 功率半导体器 件作为功率电子系统中的关键器件 据估计全世晃范围内5 0 的电能是由功率器件控 制 另外 随着电子设备在消费 工业 医疗和传感器领域的广泛应用 功率器件的 重要性也越发凸显 因为其通常决定了系统的成本和效能 由于高性能功率半导体分立器件技术含量高 制造难度大 目前国内的生产技术 与国外先进水平存在较大差距 很多中高端功率半导体分立器件必须依赖进口 目前 几乎所有的电子产品都会用到半导体功率器件 随着国内电子信息产业的迅速发展 我国已成为国际上最大的半导体功率器件应用市场 而功率m o s f e t 作为最重要的功 率半导体分立器件 因此 研发高性能的功率m o s f e t 既能满足电子信息产业发展的 需求 也能打破国外厂商在中高端产品的优势地位 具有良好的理论和实际意义 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 页 1 2 功率m o s f e t 的国内外研究现状 目前节能已经成为电源技术发展的主要方向 降低功耗成为功率半导体分立器件 发展的主要驱动力 就功率m o s f e t 而言 厂商主要通过降低导通电阻和开发新的封 装形式使外形更小 可以大幅度降低开关电源 s s 和功率因子校正器 p f c 应 用的系统功率损耗 提高功效和可靠性 功率金属氧化物半导体场效应晶体管 p o w e rm e t a lo x i d es e m i c o n d u c t o rf i e l d e f f e c tt r a n s i s t o r 一般简称为功率晶体管 p o w e rm o s f e t 是一种可以广泛应用在 集成电路和电力电子当中的场效应晶体管 目前已经成为功率元件的主流 在市场上 居于主导地位 功率m o s f e t 具有非常低的导通电阻 并且由于其栅极的输入阻抗非 常大 因此输入端的功率损耗很小 另外 与功率双极晶体管 p o w e rb i p o l a rt r a n s i s t o r 相比 功率m o s f e t 为单载流子元件 没有少数载流子存储的缺点 因此具有非常快 的切换速度 功率m o s f e t 的结构可以依据元件内部电流的流动方式可以分为两种形式 一种 是电流在元件表面平行流动 称为水平双扩散金氧半场效应晶体管 1 a t e r a l d o u b l e d i f f u s e dm o s f e t l d m o s 另一种电流垂直于硅片表面流动 称为垂直双 扩散金氧半场效应晶体管 v e r t i c a ld o u b l e d i f f u s e dm o s f e t l d m o s 为最早出现的 功率m o s f e t 其结构如图1 1 所示 目前电源管理i c 的输出级仍然采用l d m o s 其优点是易于制造且容易和现有的半导体制程整合 但是其缺点是为了提高元件的耐 压能力必须增加漏源之间的漂移区的长度 这样会增大导通电阻并浪费芯片面积 所 以l d m o s 发展的方向是维持高耐压的同时降低导通电阻 并且制造l d m o s 需要采 用和现有i c 制程相同的掺杂和光罩 因此l d m o s 的导通电阻和内部寄生电容都是固 定的 图1 1l d m o s 结构图 西南交通大学硕士研究生学位论文 第3 页 为了提高功率m o s f e t 的电流导通能力 8 0 年代初发展出了垂直式导电的功率 m o s f e t 结构如图1 2 所示 其漏极位于元件的底部 目的是让电流沿着芯片的垂直 方向流动 因此可以大大较小单位芯片面积的电阻 其缺点是不易与传统的集成电路 工艺集成在一起 所以一般称为分立的功率元件 垂直式的功率m o s f e t 主要有三种 不同的结构 分别为 v 型沟槽功率m o s f e t v m o s f e t 垂直双扩散功率m o s f e t v d m o s f e t 沟槽栅功率m o s f e t u m o s f e t 或者t r e i l c hg m em o s f e t t m o s f e t v m o s f e t 的v 形沟槽用选择性刻蚀获得 沟道区位于v 形沟槽的侧 壁 这种结构有几个问题 1 v 形沟槽易于受离子玷污造成阈值电压的不稳定 成 品率及可靠性下降 2 栅源的金属化需要为叉指形 不能有效利用表面面积 3 v 形沟槽底部为尖峰 电场较大 使击穿电压受损 1 9 7 9 年h w c o l l i n s 等人提出了采用平面双扩散技术制造的垂直双扩散m o s f e t 习惯称为 m o s l 进入8 0 年代后 v d m o s 技术得到大发展 这个结构的p 基体区 p b a s e 和源区通过同一窗口进行二次扩散 所以称为双扩散技术 v d m o s 的主要问题就是正向导通时相邻p b a s e 之间的电流挤压 这是因为p b a s e 的浓度比 n 印i 高 所以p b a s e 和n 印i 的耗尽区会往n 印i 延伸 两个相邻p b 2 l s e 之间的耗尽 区会互相挤压 产生类似j f e t j u n c t i o nf i e l de 船c t s i s t o r 的效应 使导通电阻较 大 一般缩短元件宽度可以降低芯片的特征导通电阻 另一种方法是采用短沟道器件 但是沟道长度的缩短受沟道击穿效应的限制 当漏极加高压时 p 小a s e 区的耗尽边界 到达n 源区底部就会发生沟道击穿 v d m o s 的另外一个问题是栅漏交叠产生了栅漏 电容c g d 由于j f e t 效应的存在 c g d 的减小存在限制 因此 提升v d m o s 结构的 性能指数 f i b r eo f m 甜t f o m 存在瓶颈 图1 2v m o s f e t 和v d m o s f e t 结构图 8 0 年代末 随着动态随即存储器 d r a m 的大规模应用 在硅片上进行沟槽刻 蚀的技术变的成熟 这种技术在9 0 年代发展出了沟槽式栅极结构的功率m o s f e t u m o s f e t 的结构如图1 3 a 所示 其栅极沟槽深入硅片内部 消除了v d m o s 中 的j f e t 效应 它比v m o s 和v d m o s 具有更高的沟道密度 这使得u m o s f e t 的导 通电阻可以大大的减小 但是由于栅极沟槽侧壁的接触面积很大 u m o s f e t 的q g 和 q g d 会随着元件宽度的缩短而增加 这意味着对于开关应用 存在最优的沟槽密度使 西南交通大学硕士研究生学位论文 第4 页 得f o m 最大 对于负载开关应用 最低导通电阻 沟槽密度受现有工艺线宽能力的 限制 u m o s f e t 的另一个问题由于沟槽深入硅片内部 在反向耐压时沟槽底部拐角的 电场较大 使击穿电压受损 可以将沟槽底部变圆滑或者采用加厚的沟槽底部栅氧来 提高u m o s f e t 的长期可靠性 如图1 3 a b 所示 采用底部栅氧加厚的结构 也可以减小u m o s f e t 的c g d 电容 2 6 另一种提升u m o s f e t 的f o m 的方法可以将 沟槽栅极分为两部分 上部作为控制栅极 底部与源极连接 当漏极加高压时起保护 控制栅极的作用 这种结构称为分离栅功率m o s f e t s p l i t g a t ep o w e r m o s f e t 采用分立栅功率m o s f e t 的结构可以有效降低c g d 但是会大幅增加制造成本 另外 也可以采用短沟道的方法 但是为了不损失耐压 p b a s e 区域的掺杂浓度必须要提高 导致器件阂值电压的上升 d r 皂j r 0 8 i u a 一 u m o s f e t b u m o s f e tw i t hr o u n d e dt r e n e bb o t t o m c u m o s f e tw i t ht h i c kb o t t o mo x i d e 图1 3 a u m o s f e t b 沟槽底部圆滑的u m o s f e t c 沟槽底部栅氧加厚的u m o s f e t 功率m o s f e t 的发展趋势是通过持续缩小器件的尺寸来降低导通电阻 一般可以 缩短相邻栅极之间的宽度来减小器件尺寸 传统的源极接触为平面接触 为了确保n 源区和p 体区相连限制了器件尺寸的进一步缩小 传统上可以采用文献 2 的超高密度 沟槽结构 该结构采用自对准工艺可以将3 0 v 的u m o s f e t 的晶胞宽度减小到1 1 岬 而采用沟槽式的接触可以进一步减小器件的尺寸 7 9 1 通过将接触位置放置在于器件结 构横截面相垂直的方向上也可以减小器件的尺寸 l0 1 文献 1 0 采用特殊的紫外线光刻技 术可以将2 5 v 的u m o s f e t 的晶胞宽度减1 j 至o 仅0 6 t m 功率m o s f e t 的高耐压化要求功率m o s f e t 具有浓度低 较厚的漂移区 但是 漂移区的电阻会随着漂移区浓度的降低和厚度的增大而升高 导致器件的导通损耗增 大 导通电阻和击穿电压大约成2 5 次方的关系 1 1 1 且二者之间的矛盾随着击穿电压 的提高加剧 为了缓解功率m o s f e t 的导通电阻和击穿电压之间的这一矛盾 采用 r e s u r f 技术 1 2 1 3 可以继续提升功率m o s f e t 器件的性能 r e s u r f 是降低表面电 场 r e d u c e ds u r f a c ef i e l d 的简称 通过在硅片先做一个轻掺杂的外延层再做器件 的方式实现 应用r e s u r f 技术可以大幅度提高器件的击穿电压 并保持器件有较好 西南交通大学硕士研究生学位论文 第5 页 的性能 在垂直结构的功率m o s f e t 中 主要有两种r e s u r f 技术 超结 s u p e r j u n c t i o n s j 和降低表面电场阶梯栅氧 r e s u r f s t e p p e do x i d e r s o 1 9 8 8 年d j c o e 提出了超结l d m o s 的结构 14 i 采用重掺杂的交替的n 型和p 型 柱来代替原本的轻掺杂去做为漂移区 1 9 9 3 年陈星弼提出了纵向超结m o s f e t 的结构 15 1 1 9 9 8 年德国西门子的英飞凌公司推出了采用超结的c o o l m o s 器件 1 6 2 0 1 如图 1 4 a 所示 耐压范围在6 0 0 8 0 0 v 之间 其场强在漂移区内几乎为恒定值 交替的 n 型和p 型柱起到电荷平衡的作用 c o o l m o s 的击穿电压与掺杂浓度无关 仅与漂 移区的厚度有关 从而可以采用较高的漂移区掺杂浓度 使导通电阻与击穿电压的关 系由平方关系变为线性关系 相同面积的器件导通电阻降低了2 0 5 0 打破了一维 硅的理论极限 从而具有很低的导通损耗 c o o l m o s 主要为高压器件 超结概念同样可以适用于低压功率m o s f e t 如利 用高能离子注入形成p 型或n 型柱的技术适用于低压超结结构功率m o s f e t 2 0 0 3 年国际整流器公司的t h e n s o n 等人采用一次注入能量为1 5 m e v 的高能离子注入就实 现了耐压为7 5 v 的超结v d m o s 其导通电阻比一维硅的极限值降低了1 9 2 1 1 利用多 次高能离子注入技术也可以实现不同耐压的低压超结m o s f e t 2 0 0 7 年瑞萨电子通过 源极接触孔进行多次高能离子注入实现的超结u m o s f e t 耐压在4 0 6 0 v 之间 且器件 的强健性较高 适用于汽车电子的应用 2 2 i n x p 半导体的低压超结u m o s f e t 如图1 4 b 所示 2 3 其很好的解决了导通电阻和q g 品质因素之间的矛盾 文献 2 3 中耐压 为3 0 v 的u m o s f e t 的获得了3 9m o m m 2 的特征导通电阻和4 6m o n c 的q g d 品质因 素 n x p 已经开发出了一系列商用器件 p i 8 e l 园 e 9 n bp 寥p 一 a i i vc o o l m o s b l vs u p e r j u n c t i o nm o s f e t 图1 4 a 高压c o o l m o s b 低压超结m o s f e t r s o 结构 2 4 2 5 同样可以将漂移区的电阻降低到一维硅的理论极限之下 r s o m o s f e t 的栅极深入漂移区并被厚的栅氧包围 厚栅氧起到场板 f i e l dp l a t e 的作用 西南交通大学硕士研究生学位论文 第6 页 使电场沿着漂移区垂直分布 这也就是r e s u r f 的概念 b j b a l i g a 在1 9 9 7 年最初提 出这种结构的概念 2 6 1 并将这种m o s f e t 称为电荷耦合m o s f e t c h a r g ec o u p l i n g m o s f e t c c m o s f e t 27 1 另外一些研究人员基于与c c m o s f e t 相同的概念开发 出了一些结构改进的功率m o s f e t 如侧氧v d m o s o x i d e b y p a s s e dv d m o s o b v m o s 1 2 8 可调侧氧v d m o s t u n a b l eo x i d e b y p a s s e dv d m o s t o b v d m o s 2 9 1 倾斜侧氧结构 g r a d i e n to x i d e b y p a s s e d g o b t 3 0 3 1 1 r e s u r f 阶梯栅结构 r e s u r f s t e p p e do x i d e r s o 3 2 33 1 垂直局部氧化结构m o s f e t v e r t i c a ll o c o sm o s f e t v l m o s 3 4 3 6 1 传统u m o s f e t 应用于d c d c 等开关频率较高的场合的开关损耗很大 因为深入 漂移区的栅极带来的栅漏电容c g d 较大 且采用超高密度的沟槽的结构也会使c g d 增 大 r s om o s f e t 底部的栅氧很厚 因此相其c g d 应该比传统u m o s f e t 低 但是由 于栅极深入漂移区 增大了栅漏的交叠面积 其c g d 往往并不会减小 对于耐压较高 的r s om o s f e t 尤为如此 如图1 5 b 所示 而分离栅 s p l i tg a t e s g 结构的 r s om o s f e t 原有栅极的上半部分为栅极 下半部分作为栅电极的场盘 分离栅悬 空或者与源极接到一起 如图1 5 c 所示 这种结构保留了r s om o s f e t 的r e s u r f 效应的高耐压和低导通电阻的优点的同时 极大地降低了c g d 3 8 文献 3 8 中制作 的耐压3 5 v 采用s gr s o 结构的u m o s f e t 元件宽度为1 3 1 t m 沟槽宽度为o 8 t m a u m o s f e t b r s om o s f e t c s p l i t g a t er s om o s f e t 图1 5 a u m o s f e t b r s om o s f e t c 分离栅r s om o s f e t r e s u r f 技术也已经成功应用于平面导电功率m o s f e t 中 并实现了器件的商用 化 3 9 值得一提的是2 0 0 7 年引入了结合了l d m o s 和v d m o s 各自优点的器件 4 0 2 0 0 9 年t i 将这一成果发表在i e d m2 0 0 9 上 4 1 1 并将一系列采用这种结构的器件称为 n e x f e t n e x f e t 技术采用能够成功放大无线射频 r f 信号的l d m o s 结构 图1 6 为其剖面结构示意图 器件导通时 电流从最上层的金属化源极流经平面栅极下方的 门叫 睦t 西南交通大学硕士研究生学位论文 第7 页 水平沟道 并流经轻掺杂漏极 l d d 延伸区域 然后由低阻抗的垂直导电区域转向 衬底 l d m o s 结构可以提供最低的内部寄生电容 而垂直电流可提供高电流密度 n e x f e t 可获得和u m o s f e t 类似的低导通电阻 并可以将相关寄生参数降低5 0 n e x f e t 的源极金属化具有独特的结构 可在栅极靠近漏极的一边起到场板的作用 使 电场线沿着l d d 区域水平分布 因此可以降低栅极的拐点的高电场峰值 最终可以有 效抑制热载流子效应 此效应会造成一般常用l d m o s 内栅极氧化物质量的恶化 降 低器件长期使用的可靠性 4 2 4 4 1 利用l d d 场板及下方深p 区域的电荷平衡 可以提高l d d 区域的掺杂浓度 这有助于将器件的导通电阻降至最低 深p 区域也可以用来提供导通区域的电荷来源 可以在不会产生沟道穿通效应的前提下设计出较短的沟道 另外 由于n e x f e t 采用 l d m o s 的结构 它可以与标准的c m o s 工艺相容 相比超结m o s f e t 和r s om o s f e t 大大降低了生产成本 并可以将器件的性能指数提升两倍左右 这个改变主要是由于 密勒电容的降低 1 3 本文的主要工作 图1 6n e x f e t 器件结构示意图 功率m o s f e t 的特性改善主要就是两方面 大功率化及高频率化 大功率化的目 的是大电流化及高耐压化 归根结底需要降低导通电阻 高频率化需要降低寄生电容 高频率化的结果同时可以减小开关损失 且可简化驱动电路 更易于用i c 驱动 当前 对功率m o s f e t 的研究主要有以下几个方面 1 在器件特性不降低的前提下 简 西南交通大学硕士研究生学位论文 第8 页 化工艺流程 降低生产成本 2 在合理的工艺难度和成本增加范围内 通过改善器 件结构提升器件的性能 3 采用新材料如s i c g a n 等制作m o s f e t 获得比硅基 功率m o s f e t 更优的性能 4 低压功率m o s f e t 与传统c m o s 工艺的集成和系统 集成 本文主要研究功率m o s f e t 的特性和优化设计流程 设计并研究了两种特性改善 的功率u m o s f e t 利用s e n t a u r u st c a d 工具模拟器件的工艺流程和研究器件的电学 特性 本文共分五章 具体内容安排如下 第一章 绪论 阐述了课题的研究背景 目的和意义 介绍了国内外的研究现状 提出本文的主要研究内容和结构安排 第二章 功率m o s f e t 的工作原理和主要电学参数 介绍了功率m o s f e t 的基 本工作原理和主要的电学参数 简要分析了结构和工艺参数对电学参数的影响 并推 导了重要参数的相关等式 为设计提供理论支撑 第三章 功率m o s f e t 的设计流程和结构优化设计 介绍了正向设计一个功率 m o s f e t 的设计流程和设计方法 推导其结构和工艺参数的设计方程 然后研究了基 于最优导通电阻的功率u m o s f e t 的结构优化设计 并结合仿真结果进行了验证 第四章 特性改善的功率m o s f e t 器件的特性研究 包括体区掺杂优化的低压功 率u m o s f e t 和采用二次外延的高压功率m o s f e t 其中推导了二次外延结构的功率 m o s f e t 的耐压模型 通过理论和t c a d 仿真验证了二次外延对功率m o s f e t 器件 性能的改善 并研究了各设计参数对性能的影响 最后研究了二次外延的结构也可用 于高压v d m o s 和高压边端结构并改善其性能 最后 总结全文 给出结论 并对后续的研究工作做出展望 西南交通大学硕士研究生学位论文 第9 页 第二章功率m o s f e t 的工作原理和重要参数 本文主要研究分立的功率m o s f e t 的结构和特性 因此本文以垂直式结构的功率 m o s f e t 来说明工作原理 2 1 功率m o s f e t 的工作原理 功率m o s f e t 的导通时的工作原理和普通的c m o s 晶体管是相同的 为了让电流 在漏源之间流动 必须在漏源之间建立一个通道 提供给载流子流通 对于n 沟道的 功率m o s f e t 当栅极施加一个足够高的正电压时 栅极会吸引p b a s e 中的电子 沿 着沟道表面形成一个强反型层 这时漏源之间如果有电压差就会产生电流通路 如图 2 1 为v d m o s f e t 和u m s o f e t 在导通时的电流通路 随着栅极电压的升高 沟道形 成的反型层宽度也越宽 能够流通的电流也越大 因为流经沟道的载流子只有源极的 多数载流子 n 型源极为电子 p 型源极为空穴 因此功率m o s f e t 为单载流子导 通的元件 45 o l j r j 1 一b a s e n d r i f tr e g i o n 筒彩形 a b 图2 1 a v d m o s f e t b u m o s f e t 导通时的电流通路 而当栅极不加电压时 功率m o s f e t 的漏端可以承受高压 由元件的结构可以说 明功率m o s f e t 的耐压原理 当元件的漏端施加一个大的正电压时 p 体区 p b a s e 和n 外延 n e p i 之间的p n 结j l 处于反偏的状态 对于高压 1 0 0 v 功率m o s f e t 的p b a s e 浓度一般比n 印i 浓度高的多 所以n e p i 承担了大部分的耐压 耗尽边界主 要会往n e p i 延伸 因此可以通过选择合适的n 印i 的浓度和厚度来获得一定的耐压 对于低压 5 0 v 功率m o s f e t p b a s e 的浓度和n 印i 浓度接近 p b a s e 也会承担 一部分耐压 一般希望将p b a s e 的结深做小 以便获得短沟道长度对减小导通电阻有 好处 但是p b a s e 结深减小需要考虑沟道穿通效应造成的耐压降低 另外p b a s e 的掺 杂也会影响器件的阈值电压 进而对器件的导通特性产生影响 4 6 4 7 1 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 0 页 以u m o s f e t 为例 其栅极从硅片表面经过n 源极和p b a s e 深入n e p i 当栅源 短接时 漏端通过p b a s e 底部和n 印i 之间的p n 结j l 可以承受高压 耐压主要由低 掺杂的n 一印i 承担 当栅上施加一个正电压 p b a s e 内沿着沟槽侧壁表面会形成一个反 型层 当漏极施加一个正电压 漏源之间就会产生一个电流通路 电子从源极流出 经过沟道和沟槽底部的积累层进入外延层 在到达n 衬底之间电流会扩展到整个元件 的宽度 此时导通电阻主要由沟道与外延层电阻决定 若要减小导通电阻 必须增加 外延层的浓度且减小外延层厚度 但这样会使耐压能力大大降低 这正是功率元件中 折中设计问题 2 2 功率m o s f e t 的重要参数 2 2 1 阈值电压 v t h 阂值电压v t h 定义为使半导体表面为强反型层时栅上所需加的电压 4 8 1 p 型衬底 的m o s 结构的栅极加正电压时首先会在栅极下方产生一个耗尽层 当栅极电压足够大 时会使半导体的能带弯曲 当半导体表面电势 甲s 等于体电势 甲b 时会产生反型 层 但这时反型层的掺杂浓度较低 不足以使功率m o s f e t 的沟道产生电流 因此称 这时的反型层为弱反型层 当栅极电压继续增大 反型层的载流子浓度增大到能使功 率m o s f e t 的沟道导通电流 称这时的反型层为强反型层 在理想结构中 栅电压 v g 部分降落在氧化层中 部分降落在半导体中 用甲s 表示半导体的表面电势 有 v o 2 一1 其中v o x 为氧化层部分的电压 氧化层承受的电压和半导体中的电荷q s 有关 盟 鍪 2 2 毛o xl o x 其中e o x 为氧化层电场 e o x 为氧化层介电常数 t o x 为氧化层厚度 c o x 为氧化层 特征电容 当半导体表面进入强反型 表面电势甲s 等于两倍的体电势甲b 有 婴 2 y 占 x 2 e s n p oe q v l k t 如矗 2 3 i o x乙0 霄 其中k 为波尔兹曼常数 t 为绝对温度 q 为基本电荷 e s 为氧化层介电常数 n p o 为半导体的热平衡电子浓度 体电势 壬 b 与半导体的掺杂浓度有关 如公式 2 4 所 示 将之代入公式 2 3 可得到阈值电压的公式 2 5 西南交通大学硕士研究生学位论文 第11 页 舻 丝博k t q qm n i l 亟 o p o x 2 4 丝l n r 丝 1 2 5 g ln i 其中e i 为本征费米能级 e f s 为半导体费米能级 p o 为热平衡空穴浓度 n i 为本征 载流子密度 n a 为p b a s e 的掺杂浓度 2 5 式第一项通常为功率m o s f e t 结构的 阈值电压的主要部分 可以看出v t h 随栅氧厚度t o x 增加而线性增加 随p b a s e 掺杂 浓度n a 的平方根线性变化 以上阈值电压的推导是假设沿着沟道的p b a s e 掺杂浓度是 均匀的 将p b a s e 一侧近似为单边突变结 但是实际制造p b a s e 区是通过掩膜的窗口 扩散受主杂质形成 p b a s e 区的杂质浓度是不均匀的 实际的阈值电压由与n e p i 补偿 后的最高p b a s e 掺杂浓度决定 通常位于p b a s e 与n 源区的结附近 将p b a s e 一侧 近似为线性缓变结在计算耗尽宽度时获得更精确一些的值 4 9 1 但计算也更为复杂一些 一般采用单边突变结近似可以在结果准确度和计算复杂度之间获得较好的折中 实际的功率m o s f e t 的结构并不是完全理想的 阈值电压还会受到一些非理想因 素的影响 1 多晶硅栅电极与半导体的功函数差 功率m o s f e t 工艺中常用多晶 硅作为栅电极的材料 同时作为p b a s e 和n 源区的掩膜 对于n 沟道 p 沟道 的功 率m o s f e t 可采用n 型 p 型 重掺杂的多晶硅作为栅电极 改变栅极的功函数 这个电势差可被设计用来提高功率m o s f e t 的性能 2 栅氧化层电荷 制造功率 m o s f e t 的硅片一般采用 晶向 因为 晶向的固定电荷密度最小 5 们 但是由 于在生长栅氧化层之后必须有一些高温退火过程 实际的栅氧化层中的电荷密度较高 因此需要考虑其中正电荷对对v t h 的影响 假设栅氧化层中总的有效电荷量为q o x 包括固定电荷 可动离子电荷 氧化层陷阱电荷和界面陷阱电荷 则阈值电压可重新 写为 血 0 x 丝l i l f 丝1 一致 2 6 ql 吩 c 厶 对于n 沟道的功率m o s f e t 密度为5 e l 1c m 之氧化层电荷会使v m 下降1 v 左右 这个损失可以通过提高p b a s e 的掺杂浓度进行补偿 2 2 2 导通电阻 r 4 n 功率m o s f e t 由许多单元并联而成 由于导通电阻与面积成反比 因此讨论单位 面积的导通电阻才有意义 这个电阻与采用的元件结构有关 因此在比较不同芯片的 导通特性时定义一个特征导通电阻值r 彻 甲 其中c e l la r e a 为晶胞的横截面面积 西南交通大学硕士研究生学位论文 第12 页 n o n 印 心 州x c e l l a r e a 2 7 本节以u m o s f e t 为例说明各部分的导通电阻 其结构如图2 2 所示 其导通电阻 等于漏源之间电流路径上各个电阻成份的总和 u m o s f e t 采用沟槽型的栅结构 相 比v d m o s f e t 消除了颈区电阻r u e r 其总导通电阻如公式 2 8 所示 如 删 如 凡 也 如 2 8 一胙念 e丰r d 7 既 2 1 4 其中p d 为外延层的电阻率 其他结构参数定义如图2 3 所示 计算外延层电阻有 两种模型 一种假设电流达到n 衬底时还没有扩展到整个晶胞宽度 如公式 2 1 3 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 4 页 另一种假设电流在到达n 衬底时已经扩展到整个晶胞宽度 如公式 2 1 4 计算第 二种假设的漂移区电阻分为两部分 一是扩展到整个晶胞宽度之前的三角形区域 二 是之后的长方形区域 5 2 6 衬底电阻r s u b 2 1 5 p s u b 和t s t m 分别为衬底的电阻率与厚度 由于n 衬底的浓度很高 电流会快速通 过衬底 因此衬底的电阻可以忽略 7 漏极接触电阻r c d 在电流流进漏电极之前 电流会流过漏金属和n 衬底之间的接触孔电阻 由于漏 极接触处电流均匀 所以其阻值比源极接触小 这部分的电阻由工艺条件决定 一般 不在设计者的考虑范围之内 综上所述 对于u m o s f e t 而言 u m o s f e t 的总导通电阻为 r 出 足四 几十 2 1 6 2 2 3 击穿电压 b v 功率m o s f e t 的击穿电压为元件漏源之间所能加的最高电压值 功率m o s f e t 的崩溃机制主要有以下几种 雪崩击穿 齐纳击穿 寄生三极管击穿 1 雪崩击穿 当元件内的p n 结反向电压增加 空间电荷区中的电场随之增大 在晶体中运动的 电子和空穴通过空间电荷区时从高电场获得足够的能量 碰撞晶体原子产生新的电子 空穴对的行为称为碰撞电离 新产生的电子空穴对在电场的作用下 重新获得能量 通过碰撞继续产生电子空穴对就是载流子的倍增效应 当p n 结内碰撞电离发生的速率 为无穷大时 即发生雪崩击穿 2 齐纳击穿 功率m o s f e t 的p b a s e 和n e p i 之间有一个固有的齐纳二极管 当元件雪崩击穿 时 雪崩电流垂直流经这个二极管 造成齐纳击穿 齐纳击穿与雪崩击穿的机制不同 在加较高的反向电压时 p n 结的空间电荷区内存在强电场 它能够破坏共价键将价电 子分离出来产生电子空穴对 并形成较大的反向电流 其表现形式主要有两点 一 齐纳击穿击穿发生在硅二极管反向偏压为5 v 甚至更小 二 齐纳击穿在崩溃时电流增 加表现更为陡峭 3 寄生三级管击穿 西南交通大学硕士研究生学位论文 第15 页 功率m o s f e t 的p b a s e n 一印i 和n 源区之间形成一个寄生三极管 如图2 4 所 示 通常情况下 源极金属接触需要同时与p b a s e 与n 源区接触 以保证寄生三极管 的基极一发射极短接 防止寄生三极管开启 当n 沟道的功率m o s f e t 雪崩击穿时 雪崩倍增产生的少子空穴流经p b a l s e 区域到达n 源区 由于p b a s e 存在电阻 电流 会在p 山a s e 区产生一个压降 当电压超过寄生三极管基极一发射极之间的导通电压 将 使寄生三极管导通 使功率m o s f e t 的耐压特性损失 进而导致器件的损毁 这种击 穿对元件的强健性有很大的影响 另外 当功率m o s f e t 在驱动感性负载时 漏端的 电压变化率 d v d t 较大 在漏极一基极电容c o b 上造成的位移电流较大 如公式 2 1 7 所示 也容易使寄生三极管开启 2 1 8 式为p b a s e 区域的电阻r p b 其中p p b 为p b a s e 的方块电阻 与掺杂浓度成反比 l n 为源区的长度 z 为垂直纸面方向的器件宽度 因此一般可以通过提升p b a s e 区域的掺杂浓度和缩短源区的长度来降低p b a s e 的电 阻 防止寄生三极管的开启 5 3 h 5 5 1 f d f 孥1 2 1 7 f r 如 锄等 2 1 8 g p a r a s i t i e n p n t r a n s i s t o r 图2 4u m o s f e t 结构内的寄生三极管的示意图与等效电路 元件如果设计合理基本不会发生后两种崩溃机制 而雪崩击穿才是决定功率元件 耐压的主要因素 功率m o s f e t 内承受耐压的结为p b a l s e 与n 一印i 之间的p n 结 为 便于分析 假设这个结为均匀掺杂的突变平行平面结 a b m p tp a r m l e l p l a n e j u n o n 往往二极管的一边掺杂浓度很高 另一边掺杂浓度较低 因此 只需分析低掺杂一边 的电场 如图2 5 的突变p 堋结只分析低掺杂的n 一边的电场和电势 西南交通大学硕士研究生学位论文 第16 页 e x e m v x 卜一一一一一一一 w d 一一一一一叫 r r l ta 一 x x 图2 5 突变p 小平行平面结的电场与电势分布 由泊松方程可得电势v 和电场e 与距离x 的关系 其中q 为基本电荷 c s 为硅半 导体的介电常数 n d 为n 型半导体中施主的浓度 害 一筹 一盟 0 x 2 1 9 一 一一 一 ow暑io o苗0 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 4 页 为1 2 5 v 根据公式 3 1 可算出n 型外延的掺杂浓度应为3 2 2 e 1 5e n l 一 根据公式 3 3 可算出外延层的厚度为7 2 肛m 高压功率m o s f e t 的外延的掺杂浓度比p b a s e 低很多 耐压一般由外延部分承受 而低压功率m o s f e t 的外延和p b a s e 的掺杂浓度接近 在反向承受耐压时p b a s e 也会 承受一部分电压 为防止p b a s e 的耗尽宽度扩展到n 源区出现体区穿通击穿 p u n c h t h r o u g hb r e a k d o w n 可通过式 3 5 计算p b a s e 内的耗尽宽度 这里将p b a s e 一侧 近似作为突变结 其中n a 和n d 分别为p b a s e 和外延的掺杂浓度 啤 3 5 计算p b a s e 一侧的耗尽宽度也可以进行单边线性缓变结近似 如 3 6 所示 其中w r 和w n 分别为p b a s e 和n e p i 内的耗尽宽度 a j 为沟道区的浓度梯度 n b 为沟 道p n 结处的浓度 簪 一 q 2 z 产 3 6 3 7 根据两侧耗尽区宽度和电压的关系可得 曰y z w 4 8 q n e p i a j w 3 8 2 4 s s n p 为了保证体区不穿通击穿 在反向耐压时 p b a s e 区的耗尽边界不应扩展到n 源 区底部 使器件漏电流增大 耐压损失 因此需要使w p l c h 将上两公式代入公式 3 8 可得 酢 3 9 p b a s e 的浓度n a 可由阈值电压的公式 2 5 得出 当栅氧厚度为5 0 0 a 时 为获 得2 v 左右的阈值电压 需要的p b a s e 浓度大约在1 5 e 1 7e i l 3 弓左右 根据式 3 5 将 p b a s e 等效成突变结可以算出p b a s e 的耗尽宽度为0 1 3 岬 而根据 3 9 将p b a s e 等效成线性缓变结可以算出p b a s e 的耗尽宽度为0 3 岬 另外需要注意的是 n 衬底的浓度较高 一般为1 e 1 9c l l l 3 数量级 外延层的浓度 较低 从高压的一般为l e l 4c n l o 数量级到低压的一般为l e l 6c i n 3 数量级不等 因此从 n 衬底的高浓度过渡到外延层的低浓度需要一个缓冲的部分 另外在后续的工艺步骤 中 需要一些高温热处理对注入的离子进行退火处理 或者获得一定的结深 例如低 压沟槽功率m o s f e t 工艺中 p b a s e 的离子注入后需要进行高温退火 退火温度一般 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 5 页 在1 0 5 0 1 1 5 0 之间 退火时间从几十到3 0 0 m i n 不等 以获得一定的结深 0 8 岫 1 5 岬 而在高压v d m o s f e t 工艺中 有三个主要的高温退火过程 边端 的p 保护环的退火 j f e t 区域的高温退火和p b a s e 区域的退火 因为高压功率器件 的耐压受边端结构的影响较大 为了承受高耐压 边端部分的p 保护环必须达到一定 的结深 p b a s e 区域的结深也必须足够长以避免沟道穿通击穿 因此高压v d m o s f e t 工艺中的热处理过程温度较高 时间较长 这些热处理会造成高浓度的衬底杂质向低 浓度的外延层扩散 这种现象称为衬底离子反扩现象 衬底离子反扩现象会导致实际的外延层中的离子浓度分布有所变化 尤其在接近 衬底和外延层交界面的地方浓度上升较大 使得实际的击穿电压会小于理论计算值 另外不同的衬底掺杂类型也会有不同的离子反扩现象 d i s t a n c ef r o ms u b p m 图3 7 最终外延层和衬底的净掺杂浓度分布 1 d 本文用s e n t a u r u st c a d 软件对不同的衬底掺杂类型进行了仿真 采用的外延层材 料为磷 p h o s p h o r u s n 衬底的电阻率为0 0 0 1 5 0 c m 0 0 0 3 0 c m 掺杂浓度大致取 5 e 1 9 c m 分别采用磷 砷 a r s e n i c 锑 a n t i m o n y 作为衬底的掺杂类型 仿真 结果如图3 7 所示 图中的元素旁边的数字是元素的原子量 可以看出 在整个工艺流 程完成之后 衬底的高浓度离子会向外延的低浓度区域扩散 且磷原子衬底的扩展最 为严重 大约扩散了8 p m 砷原子和锑原子衬底大约扩散了4 9 m 左右 且砷离子的扩 散长度最小 因此 我们采用砷离子作为衬底的掺杂类型 3 2 2 单位元胞的设计 由之前的导通电阻分析可知 如果单元晶胞的尺寸越小 单位面积芯片上允许并 联的晶胞数量就更多 芯片的导通电阻就越低 换句话说 为满足相同的导通电阻的 f 皇ov蛊 一 露 i 置oo蛊ou酏盎一臣 盆 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 6 页 设计要求 所需的芯片面积就越小 成本越低 但是u m o s f e t 的工艺特点限制其晶 胞宽度不能无限制的缩小 其受光刻工艺的尺寸线宽限制 本文设计的u m o s f e t 的 采用1 2 岬的晶胞宽度 晶胞的光罩设计也会影响元件的特性 功率m o s f e t 发展至今 已有多种晶胞光 罩设计 如图3 8 所示 不同结构的晶胞的横截面相同 但是其沟道密度 c h a n n e ld e n s i t y 会由于表面拓扑不同而有所区别 目前除了线性晶胞和方形晶胞 其余的晶胞结构都 有专利保护 因此设计时多采用图3 8 b 和 c 的方形晶胞或图3 8 a 的线型晶 胞设计 由于二者栅极形状的差异 利用这两种光罩设计出来的差异非常大 我们可以通过简单的数学计算来估算单一晶胞的栅极面积和沟道密度 栅极面积 与栅电荷o g 成正比 沟道密度与导通电阻成反比 假设线性晶胞和方形晶胞的多晶硅 栅的宽度为a p b a s e 窗口的宽度为b 则对于线性晶胞有 栅面积 a a b a 2 a b 沟道密度 2 a b 对于方形晶胞 栅面积 a b 2 b 2 a 2 2 a b 沟道密度 4 b 当a o 2 5 9 m b 0 9 5 9 m 时 线性晶胞和方形晶胞的栅面积分别为0 3 岫2 和0 5 4 岬2 沟道密度分 别为2 4 岫和3 8 岬 因此线型晶胞设计的元件具有比方形晶胞更低的栅电荷量和较 高的导通电阻值 a 线形窗口 线形阵列 d 圆形窗口 方形阵列 b 方形窗口 田字形阵列 e 六边形窗口 方形阵列 c 方形窗口 品字形阵列 f 六边形窗口 六边形阵列 图3 8 不同功率m o s f e t 的晶胞结构和拓扑 a 线形晶胞 b 一f 封闭晶胞 西南交通大学