一種200V/100A VDMOS 器件開發(fā)

摘　要：分析了功率MOSFET 最大額定電流與導(dǎo)通電阻的關(guān)系，討論了平面型中壓大電流VDMOS器件設(shè)計(jì)中導(dǎo)通電阻、面積和開關(guān)損耗的折衷考慮，提出了圓弧形溝道布局以增大溝道寬度，以及柵氧下部分非溝道區(qū)域采用局域氧化技術(shù)以減小柵電容的方法，并據(jù)此設(shè)計(jì)了一種元胞結(jié)構(gòu)。詳細(xì)論述了器件制造過程中的關(guān)鍵工藝環(huán)節(jié)，包括柵氧化、光刻套準(zhǔn)、多晶硅刻蝕、P 阱推進(jìn)等。流水所得VDMOS 實(shí)測(cè)結(jié)果表明，該器件反向擊穿特性良好，柵氧耐壓達(dá)到本征擊穿，閾值電壓2.8V，導(dǎo)通電阻僅25m Ω，器件綜合性能良好。

　　1 引言

　　功率金屬- 氧化物- 半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）、絕緣柵雙極晶體管（IGBT）、智能功率模塊（IPM）被譽(yù)為新型電力電子器件的代表，廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、電力機(jī)車、家用電器、綠色照明、計(jì)算機(jī)、汽車電子等諸多領(lǐng)域。目前，我國(guó)功率MOSFET 產(chǎn)業(yè)已經(jīng)初步形成，產(chǎn)品主要集中在60V~600V 中小電流范圍，對(duì)于200V/100A以上的中高壓大電流器件，尚未見到國(guó)產(chǎn)的成熟產(chǎn)品。這類器件主要應(yīng)用于大功率DC-DC 換流器、同步整流、開關(guān)模式或諧振模式電源、DC 斬波器、電池充電等領(lǐng)域?；趽P(yáng)州國(guó)宇電子有限公司5 英寸功率MOSFET 技術(shù)，本文提出了一種200V/100A VDMOS器件元胞結(jié)構(gòu)，然后重點(diǎn)闡述了包括光刻、刻蝕、擴(kuò)散等在內(nèi)的關(guān)鍵制造工藝，最后對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了分析。

　　2 器件結(jié)構(gòu)

　　按照導(dǎo)電溝道相對(duì)于硅片表面的方向不同，功率MOSF ET 通常分為平面型VDMOS 和溝槽型TrenchMOS，二者均通過兩次擴(kuò)散在柵氧一側(cè)形成長(zhǎng)度不同的摻雜區(qū)域來(lái)構(gòu)造導(dǎo)電溝道。由于溝槽刻蝕使得柵氧形成于縱向，極大地提高了硅片表面利用率，并消除了JFET 區(qū)，因而TrenchMOS器件橫向尺寸得以顯著減小，每平方厘米可達(dá)數(shù)千萬(wàn)個(gè)元胞，其精細(xì)程度已進(jìn)入深亞微米范疇。不過，由于溝槽底部拐點(diǎn)區(qū)域固有的電場(chǎng)集中效應(yīng)，TrenchMOS 主要應(yīng)用于數(shù)十伏的低壓領(lǐng)域，在150V~600V 的中高壓范圍內(nèi)，平面型VDMOS 仍是主流。此外，平面型VDMOS 還具有工藝相對(duì)簡(jiǎn)單、成品率高的特點(diǎn)。

　　正向?qū)顟B(tài)下，功率MOSFET 最大額定電流主要受限于功率耗散，即：

　　其中Pd 為功率耗散，RDS(on)為導(dǎo)通電阻，TJ(max)、T 分別為器件允許的最高工作溫度和實(shí)際工作溫度，RthJC 為器件熱阻，與封裝有關(guān)?？梢?，導(dǎo)通電阻是最大額定電流的決定性因素之一，在器件綜合性能允許的情況下，最大程度地降低導(dǎo)通電阻是器件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是功率MOSFET 自上世紀(jì)八十年代出現(xiàn)以來(lái)，工程師們持之以恒的追求。2009年8月，美國(guó)Fairchild 公司開發(fā)出世界上首只導(dǎo)通電阻小于1m Ω的功率MOSFET，最大額定電壓/ 電流為30V/60A，主要得益于高密度溝槽柵技術(shù)的采用使得單位面積內(nèi)有更多元胞并聯(lián)，增大了溝道總有效寬度，從而顯著地減小了以溝道電阻為主的導(dǎo)通電阻。

　　對(duì)于中高壓平面型VDMOS 器件來(lái)說(shuō)，增加元胞數(shù)量以減小導(dǎo)通電阻也是有效的方式，一方面可以減小漂移區(qū)電阻和JFET 區(qū)電阻，另一方面也增大了總的溝道有效寬度，盡管溝道電阻可能不再是主要矛盾。不過，元胞數(shù)量的增加必然增大器件面積，最終受限于由柵電容決定的開關(guān)損耗， 因此，VDMOS 器件設(shè)計(jì)需要折衷考慮導(dǎo)通電阻和開關(guān)損耗，對(duì)外延層厚度、摻雜濃度、元胞結(jié)構(gòu)、柵氧厚度、面積等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。對(duì)于一定的阻斷電壓，采用增大元胞內(nèi)溝道寬度以減小溝道電阻、增大多晶覆蓋下的非溝道區(qū)域柵氧厚度以減小柵電容是減小器件功率耗散的有效途徑。

　　設(shè)計(jì)的器件元胞結(jié)構(gòu)如圖1 所示，圖1（a）為元胞俯視圖，圖1（b）為A-A 處剖面示意圖，其中LOCOS 為局域氧化區(qū)，POLY 為多晶硅覆蓋區(qū)，CH為歐姆接觸孔，GOX為柵氧，PSG為磷硅玻璃，N+、N-、P- 分別為N型高摻雜區(qū)、N 型低摻雜區(qū)、P 型低摻雜區(qū)。圖1（a）中多晶覆蓋區(qū)邊緣呈圓弧形，其溝道呈放射狀分布，具有比直線型排列溝道更大的寬度。

圖1 200V/100A VDMOS 器件元胞結(jié)構(gòu)示意圖