大功率VDMOS(200V)的設計研究

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　　功率MOS場效應晶體管是新一代電力電子開關器件，在微電子工藝基礎上實現(xiàn)電力設備高功率大電流的要求。自從垂直導電雙擴散VDMOS(VerticalDou-ble-diff used Metal Oxide Semiconductor)新結構誕生以來，電力MOSFET得到了迅速發(fā)展。本文分別從管芯的靜態(tài)參數(shù)設計方面，介紹了VMDOS(200 V)設計的方法以及仿真的結果，并對流片結果進行了比較。

　　1 芯片設計

　　1.1 芯片設計思路設計

　　高壓的VDMOS器件，希望得到高的耐壓容量，低的特征導通電阻。降低導通電阻的方法主要是：減薄外延厚度、降低外延層電阻率、增加柵長LG、降低P-body的結深(xp+wo);而高的耐壓容量要求：增加外延層厚度、增加外延電阻率、減小櫥長LG，P-body的結深對耐壓的影響取決于P-body間距的減小和外延耗盡厚度的減薄哪個因素對耐壓的影響更大。高壓VDMOS的靜態(tài)參數(shù)優(yōu)化設計主要矛盾集中在外延的選擇、柵長及P-body的結深的確定上。

　　1.2 VDMOS耐壓的設計

　　使半導體器件耐壓受到限制的電擊穿有雪崩擊穿與隧道擊穿2種，隧道擊穿主要發(fā)生在耐壓小于7 V的低壓器件中。在這里只討論高壓器件所涉及到的雪崩擊穿。計算雪崩擊穿的公式：

　　αeff=1.8×10-35E7cm-1

　　式中：E以V/cm為單位。

　　表1中列出了幾種結的擊穿電壓、最大電場EM與耗盡層厚度的關系。

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　　表1中：VBR的單位V，NB的單位為cm-3。NB對單邊突變結代表輕摻雜區(qū)的雜質濃度，對雙邊突變結代表：

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　　式中：NA及ND是兩邊的雜質濃度;a代表線性緩變結雜質濃度梯度單位為：cm-4。

　　當襯底雜質濃度NB低而a值大時，VBR過渡到最下方的斜線，與單邊突變結一致;當NB高而a值小時，VBR與NB無關，這相當于線性緩變結的情形。

　　由于導通電阻隨擊穿電壓猛烈增長，使得提高表面擊穿電壓在功率MOS中顯得格外重要，因為若表面擊穿電壓低于體內(nèi)很多，即等于此耐壓的管子要以無謂增大導通電阻作犧牲來達到。為了提高表面擊穿電壓，功率MOS常用的終端技術有浮空場限環(huán)、場板等，有時還將這些技術結合起來使用，使表面擊穿電壓達到體內(nèi)擊穿電壓的70 %～90%。

　　現(xiàn)代的終端技術已能使表面擊穿電壓達到體內(nèi)理想一維電場分布的擊穿電壓的90%，在這種情況下，另一影響擊穿電壓的因素需要考慮，這就是每一個阱邊角上的電場集中效應。當兩個P阱之間距離很近時，邊角電場出現(xiàn)峰值并不明顯，擊穿電壓沒有多大下降，但是P阱靠近則導通電阻也變大。由此可見，在這種情形下，高壓器件的元胞圖形對導通電阻又發(fā)生影響。計算表明方形阱最差，因為其角上為球面結，擊穿最低。條狀結構的P阱沒有角，只有邊，邊上為圓柱結，擊穿電壓稍高，但條狀結構有較高的導通電阻，仔細的研究結果表明，最優(yōu)的結構是圓形元胞，而且兩個P阱之間的距離應比由邊緣電場決定的距離稍大。但是，圓形在制版過程和工藝對準方面有一定的困難，所以近似圓形的六角形成為最佳的選擇。