高压功率VDMOSFET的设计与研制

中心议题：

• VDMOSFET的工作原理
• VDMOSFET的参数设计
• VDMOSFET的横向结构设计
• VDMOSFET的仿真优化及器件研制结果分析

解决方案：

• VDMOSFET采用“5个场限环+铝场板+多晶场板”的终端结构

随着现代工艺水平的提高与新技术的开发完善，功率VDMOSFET设计研制朝着高压、高频、大电流方向发展，成为目前新型电力电子器件研究的重点。本文设计了漏源击穿电压为500 V，通态电流为8 A，导通电阻小于O．85 Ω的功率VDMOSFET器件，并通过工艺仿真软件TSUPREM-4和器件仿真软件MEDICI进行联合优化仿真，得到具有一定设计余量的参数值。最后在此基础上进行生产线工艺流片，逐步调整部分工艺条件，最终实现研制成功。

1 VDMOSFET工作原理

VDMOSFET是电压控制器件，在栅极施加一定的电压，使器件沟道表面反型，形成连接源区和漏区的导电沟道。基本工作原理如图1。

当栅源电压VGS大于器件的阈值电压VTH时，在栅极下方的P型区形成强反型层，即电子沟道，此时在漏源电压VDS的作用下，N+源区的电子通过反型层沟道，经由外延层(N-漂移区)运动至衬底漏极，从而形成漏源电流。

当VGS小于阈值电压VTH时，栅极下方不能形成反型层沟道。由于外延层(N-漂移区)的浓度较低，则耗尽层主要在外延层(N-漂移区)一侧扩展，因而可以维持较高的击穿电压。

2 VDMOSFET的参数设计

2．1 外延层电阻率和厚度
外延层的电阻率ρ越大(掺杂浓度Nepi越小)，则器件的击穿电压越大。然而，导通电阻Ron也相应增大。因此，在满足击穿要求的前提下，ρ越小(Nepi越大)越好；而从导通电阻的角度考虑，又限定了该电阻率的最大值。所以将在计算机仿真过程中，调整P-body的注入剂量、推阱时间和外延层电阻率、厚度，得出最佳的结构参数。

2．2 阈值电压
影响阈值电压的因素主要是P-body浓度NA，栅氧化层厚度tox和栅氧化层的面电荷密度Qss，主要通过调整P阱注入剂量和推阱时间来调节阈值电压Vth。

此外，栅氧化层厚度tox受栅源击穿电压的限制，tox≥VGS／EB，SiO2的临界电场EB一般为5×106～107 V／cm；由此算得tox的值为30 nm～60 nm；由于P-body为非均匀掺杂，VTH难于用公式准确计算，因此栅氧化层厚度tox和pbody浓度的最佳值需借助于计算机仿真优化来确定。

2．3 导通电阻
对于功率VDMOSFET器件，在不同耐压下，各部分电阻占导通电阻的比例是不同的。对于高压VDMOSFET器件，漂移区(外延层)电阻RD和JFET区电阻RJ是主要的。

因此，本设计在满足耐压的情况下，采用穿通型结构，以减小外延层厚度，并适当增加JFET区的宽度，从而减小RD与RJ。

2．4 开关时间
优化开关时间的方法包括两个方面：减小多晶硅栅的电阻RG和减小输入电容Cin。在输入电容中，密勒电容CGD是主要的影响因素。

减小多晶硅的电阻RG可以在工艺过程中提高多晶硅的掺杂剂量，在版图设计过程中增加栅极多晶硅与栅极铝引线的接触孔；减小输入电容Cin主要是减小密勒电容CGD，即要增加栅氧化层厚度tox，这会加大阈值电压VTH，因而需要折中考虑。
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3 VDMOSFET的横向结构设计

3．1 元胞结构选取
由于正三角形元胞的电场容易集中，导致漏源击穿电压的降低；六角形元胞的对角线与对边距的比值为，小于方形元胞的对角线与边长的比值，电流分布的均匀性好，曲率效应小；圆形元胞牺牲率(即A’／Acell，其中A’为元胞边缘结合处电流不能流过的无效区面积，Acell为元胞总面积)大于六角形元胞。

因此，本文所设计的500 V高压VDMOSFET器件采用正六角形“品”字排列的元胞结构。

3．2 栅电极结构
功率VDMOSFET由很多小元胞单元并联组成。而由于栅极多晶硅电阻的存在，使得在一定的栅极偏压下，离栅极压焊点较远的元胞沟道不能充分开启。因此，为了降低栅电极材料电阻的影响，通常将栅极压焊点处的金属引伸到离压焊点较远的元胞单元处。本文所设计的功率管从压焊点处引伸3条金属条并与下面的多晶硅相接触。

3．3 结终端结构设计
传统的场板与场限环相结合的结终端结构如图3所示。设计时，如果场板和保护环的间距过大，场板下的耗尽层扩展到保护环之前PN结就首先击穿，保护环将起不到作用。

本文研究的新型结终端结构(如图4所示)，是采用场板覆盖保护环的方式，避免了传统场板与场限环结构的设计难题，而使其简单化。

图4 场板与场限环结合的新结构

这种结构在版图设计上通过增加铝场板的长度来实现，比较容易控制，使得金属覆盖过离主结最近的场限环，它不仅起到了场板和场限环的效果，又避免了传统结构在场板的边缘产生新的电场峰值，避免了电压在场板边缘和场限环之间的提前击穿。
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4 仿真优化结果

本设计采用“5个场限环+铝场板+多晶场板”的终端结构，通过工艺仿真软件TSUPREM-4和器件仿真软件MEDICI进行联合仿真，不断调整工艺参数，优化元胞和结终端结构，最终使各项参数的仿真指标满足设计要求。

5 器件研制结果分析

本产品研制按照功率VDMOSFET正向设计的思路，选取<100>晶向的衬底硅片，采用硅栅自对准工艺流程，首次流片遵照计算机仿真优化的工艺条件，进行工艺摸底；针对测试结果，逐步进行局部工艺调整，最终使得产品指标满足设计要求。

(1)第一次流片
产品测试结果表明：产品的击穿电压均值为438．82 V，并且普遍低于设计要求的500 V。

经分析，其可能存在的原因是：由于衬底反扩散较大，从而导致外延层电阻率偏低，使得击穿电压降低。因此，在第二次流片时，将外延电阻率提高5 Ω·cm，其它工艺条件保持不变。

(2)第二次流片
测得的击穿电压平均值551．68 V，大于500 V，满足设计要求。然而，随着外延层电阻率的提高，部分导通电阻已大于设计要求的850 mΩ。

改进方案：对于高压功率VDMOSFET器件，JFET电阻在导通电阻的组成部分中，占有相对较大的比重。因此，在击穿电压余量充分的条件下，可考虑通过适当减小P-body推结时间的方法，从而增加两相邻P-body的间距，降低JFET电阻。因此，在第三次投片时，将P-body的推结时间调减20分钟，其它工艺条件相对于第二次流片保持不变。

(3)第三次流片
测试结果表明：在减小P-body推结时间后，导通电阻小于850 mΩ，满足设计要求；虽然产品的击穿电压(均值536 V)有所下降，但仍满足大于500 V的设计要求；其余静态参数、动态参数指标也均满足设计要求。

因此认为，本文高压功率VDMOSFET的器件设计与研制工作是成功的。

6 结束语

本文在计算机仿真优化的基础上，通过对产品测试结果的分析及工艺条件的调整，最终实现了成功研制。相对于传统的流水线小批量投片、反复试制的方法大大节约了研制成本，收到了事半功倍的效果。

随着半导体生产制造工艺的不断改进，器件模拟和工艺模拟的精度与实际工艺流程的吻合性将越来越好，使产品的模拟结果更具有实用性、可靠性。