優(yōu)化柵的VDMOS器件結(jié)構(gòu)及特性簡(jiǎn)析

　　垂直雙擴(kuò)散MOSFET(VDMOS)由于具有獨(dú)特的高輸入阻抗、低驅(qū)動(dòng)功率、高開關(guān)速度(多子導(dǎo)電器件)、優(yōu)越的頻率特性及低噪聲等特點(diǎn)。目前市場(chǎng)上使用較多的主要是N溝道增強(qiáng)型VDMOS產(chǎn)品，其也是目前各半導(dǎo)體公司開發(fā)生產(chǎn)的主流功率MOSFET產(chǎn)品。VDMOS器件是由無(wú)數(shù)個(gè)結(jié)構(gòu)相同或相似的源胞并聯(lián)而成，每一個(gè)源胞就是一個(gè)最小的VDMOS結(jié)構(gòu)單元，該結(jié)構(gòu)中N++襯底上外延生長(zhǎng)一層N-外延層，在N-外延層上生長(zhǎng)薄薄的一層?xùn)叛趸瘜?，在柵氧化層上淀積形成POLY(多晶硅)，通過自對(duì)準(zhǔn)工藝加工形成PBODY阱區(qū)，在阱區(qū)內(nèi)加工形成N+源區(qū)后，淀積生長(zhǎng)PSG(磷硅玻璃)鈍化層，之后通過金屬化互聯(lián)形成源極S與柵極G，最后背面金屬化形成背面漏極D，這樣就構(gòu)成了一個(gè)完整的VDMOS源胞結(jié)構(gòu)。當(dāng)器件工作時(shí)，在器件柵源之間施加一定的柵源電壓Vgs，達(dá)到器件開啟電壓Vth后，其柵極氧化層下會(huì)形成一層電子積累層，使溝道區(qū)域反型，在源極S與漏極D之間建立低阻的導(dǎo)電通道，形成S與D之間的電流通路。

　　VDMOS的器件結(jié)構(gòu)

　　1. 器件的縱向結(jié)構(gòu)

　　為了改善VDMOS器件的開關(guān)特性，令其更適合高頻工作，則需要提高器件的開關(guān)速度，因此在VDMOS的產(chǎn)品設(shè)計(jì)上要求進(jìn)一步減少器件的各種寄生電容。在各種寄生電容中，柵電容的減少是在設(shè)計(jì)及工藝加工過程中最容易控制的措施，常規(guī)的辦法是加厚多晶硅柵極下面非溝道區(qū)域的氧化層厚度，一般由幾百?(10-10 m)增加到幾千甚至是一萬(wàn)?左右。采用這種方法可以大大減少多晶硅柵極下的寄生電容，從而提高器件的開關(guān)速度。但事物總是具有兩面性的，在增加?xùn)畔卵趸瘜雍穸取p少柵寄生電容的同時(shí)，也帶來了開通時(shí)導(dǎo)通電阻的增加。因此通常在一般縱向結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上采用多層外延結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到在不改變器件反向擊穿電壓BVdss的情況下，進(jìn)一步減少器件電阻的目的。

　　2. 器件的橫向結(jié)構(gòu)

　　目前市場(chǎng)產(chǎn)品根據(jù)電流大小的不同分為單柵極條、雙柵極條以及多柵極條結(jié)構(gòu)。按各家公司的產(chǎn)品電流設(shè)計(jì)，在3A以下的電流產(chǎn)品采用的多是單柵極條結(jié)構(gòu);在3~10A的電流范圍內(nèi)采用的是雙柵極條結(jié)構(gòu);在10A以上應(yīng)用中采用的則是多柵極條版圖結(jié)構(gòu)。在源胞結(jié)構(gòu)上，現(xiàn)有產(chǎn)品以方形源胞、條形源胞結(jié)構(gòu)為主。從理論上來講條形源胞結(jié)構(gòu)具有輸入電容小、導(dǎo)通電阻小和接觸面積大有利于減少寄生效應(yīng)等優(yōu)勢(shì)，因此條形源胞將是后續(xù)產(chǎn)品的主要結(jié)構(gòu)。

　　3. 終端結(jié)構(gòu)

　　目前功率VDMOS結(jié)終端保護(hù)技術(shù)主要有場(chǎng)扳(FP)、場(chǎng)限環(huán)(FLR)、結(jié)終端擴(kuò)展(JTE)以及橫向變摻雜(VLD)等。其中FP和FLR組合使用是一種改善表面擊穿特性常用的有效方法。FP可以有效地抑制表面電荷引起的低擊穿，F(xiàn)LR則可以減緩平面結(jié)曲率效應(yīng)造成的PN結(jié)擊穿，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工藝兼容性好，因此將FP和FLR結(jié)合使用可以提高功率MOSFET的整體耐壓性能。目前，多數(shù)公司的VDMOS產(chǎn)品采用的是p+分壓環(huán)、多晶場(chǎng)板和金屬場(chǎng)板相結(jié)合的復(fù)合終端結(jié)構(gòu)。

　　國(guó)產(chǎn)VDMOS器件產(chǎn)品性能

　　1. 參數(shù)特性

　　目前市場(chǎng)上的VDMOS器件主要是低中壓產(chǎn)品，耐壓范圍30~900V，閾值電壓在2~4V，電流范圍為1~20A。由于更高電壓的VDMOS器件的導(dǎo)通電阻會(huì)很大，則在大于900V的情況下一般均采用絕緣柵雙極型晶體管器件(IGBT)。國(guó)內(nèi)VDMOS的常規(guī)設(shè)計(jì)一般是參考國(guó)際上功率器件巨頭公司IR和Fairchild相關(guān)產(chǎn)品的規(guī)格，經(jīng)各家公司優(yōu)化自有產(chǎn)品的常規(guī)參數(shù)，以達(dá)到優(yōu)于IR和Fairchild的指標(biāo)。

　　2. EAS能力

　　單脈沖雪崩能量(EAS)定義了單次雪崩狀態(tài)下器件能夠消耗的最大能量，是代表器件強(qiáng)健能力的重要指標(biāo)。

　　從測(cè)試電路上來看，器件導(dǎo)通時(shí)電流從VDD經(jīng)電感流過VDMOS到地。此時(shí)如果突然關(guān)斷器件，電流突變減小，電感中蓄積的能量需要釋放掉，會(huì)使電感在靠近VDMOS的漏極D產(chǎn)生一個(gè)很大的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，當(dāng)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)超過器件中寄生的PN結(jié)二極管的擊穿電壓時(shí)，VDMOS就會(huì)被反向擊穿。此時(shí)的電流被迫仍然從VDMOS流過，大電流高電壓使器件內(nèi)部功耗增大，溫度上升，最終導(dǎo)致器件損壞。EAS就是評(píng)估器件承受反向耐量大小的可靠性指標(biāo)。

　　影響EAS能力的因素有很多，器件的設(shè)計(jì)以及工藝條件等方面因素均會(huì)對(duì)器件的EAS性能產(chǎn)生較大影響。國(guó)內(nèi)的一些公司經(jīng)過對(duì)影響EAS各種因素的長(zhǎng)期研究，在器件相關(guān)性能上已經(jīng)達(dá)到進(jìn)口器件的標(biāo)準(zhǔn)。

　　總結(jié)

　　目前國(guó)內(nèi)功率器件產(chǎn)品還是以Bipolar為主，VDMOS在最近幾年才逐漸開始大規(guī)模生產(chǎn)，主要還是以平面柵結(jié)構(gòu)為主。目前國(guó)內(nèi)研發(fā)生產(chǎn)技術(shù)更新速度很快，使得國(guó)內(nèi)產(chǎn)品質(zhì)量逐漸提高，與國(guó)外進(jìn)口產(chǎn)品在性能上的差距逐漸減少;同時(shí)由于國(guó)內(nèi)生產(chǎn)VDMOS器件的人工成本低并且還有政府政策上的大力扶持(高新技術(shù)企業(yè)補(bǔ)貼及一些退稅、免稅政策等)，因此國(guó)內(nèi)產(chǎn)品在相同性能下具備巨大的成本優(yōu)勢(shì)。低成本必然帶來價(jià)格上的競(jìng)爭(zhēng)強(qiáng)勢(shì)，并吸引大量VDMOS終端使用客戶的注意力，終端市場(chǎng)的拉動(dòng)將促進(jìn)整個(gè)VDMOS行業(yè)在國(guó)內(nèi)的快速發(fā)展。