幾種功率MOSFET元胞結構的比較

寧潤濤++趙歡++王秀明

摘 要：對幾種常見功率MOSFET的元胞結構、工藝流程和電學參數特點進行了介紹和分析，指出了各類元胞結構的優(yōu)缺點和工藝實現上的難點，給出了對不同的電壓范圍應采用的元胞結構的意見。

關鍵詞：功率MOSFET 元胞 工藝流程

中圖分類號：TN386 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）06（a）-0081-01

功率MOSFET以其輸入阻抗高，驅動功率小，開關速度快，開關損耗小等特點廣泛的應用在電腦功率電源、家用電器、無間斷電源和自動系統(tǒng)當中。我國的功率MOSFET產業(yè)近年來發(fā)展迅速，許多IDM（集成設計制造）廠家均開始研制生產功率MOSFET。功率MOSFET不同的元胞結構差異較大，適用于不同的場合，本文結合元胞結構和工藝制造的難點，闡述了應如何就參數和硬件合理的選擇元胞結構進行功率MOSFET的研制生產。

1 平面柵VDMOS的元胞結構與工藝原理

平面柵VDMOS的元胞結構分為六角形、條形、正方形、圓形等結構，基本原理均為最大程度的利用芯片的表面面積，擴大器件溝道的寬長比。但無論是何種平面結構，其縱向剖面結構均如圖1所示。其中的P-阱區(qū)與N+有源區(qū)均采用柵極多晶作為注入掩蔽層，由二者之間的結深差異形成導電溝道，載流子自表面源極經溝道縱向流至漏極，這也是VDMOS（Vertical Double Diffuse MOS）即垂直雙擴散MOS名稱的由來。由于其溝道尺寸并不像傳統(tǒng)MOS管由多晶柵寬決定，因此其溝道長度可以做得很小且不受工藝線光刻尺寸限制，因此只要可以生產多晶硅柵MOS電路的產線，基本上均可以進行VDMOS的加工生產，目前國內的多條產線在進行平面柵VDMOS的研制生產，其基本流程中所使用的工藝模塊均與CMOS工藝兼容。由于設計原理均采用多晶窗口區(qū)與多晶區(qū)的最佳化設計[1]，因此各個廠家的產品在結構上的差異較小，導通電阻等關鍵參數主要取決于工藝加工過程當中的細節(jié)，例如背面金屬化的流程和JFET廠區(qū)注入的劑量。此類工藝的特點是與MOS集成電路基本上兼容，因此是國內目前發(fā)展最快也最全面的產品類型。

但由于VDMOS所承受的高電壓部分由外延層承受，因此高的擊穿電壓必然導致較厚的外延層和較高的外延層電阻率，這也必然導致外延部分的電阻變大。平面柵VDMOS的電阻分布如圖2所示，其中溝道電阻Rch、耗盡層電阻Ra、結型場效應電阻Rj、高阻外延層電阻Re占了導通電阻的80%以上，但不同的擊穿電壓產生了不同的外延層，因此各部分電阻所占的比例隨著擊穿電壓的變化有較大不同。表1[2]以30V和600V的VDMOS為例，說明了各部分的電阻分配。由此看出，減小低壓功率MOSFET的Rds（on）的主要辦法是優(yōu)化元胞結構以降低Ra+Rj的數值，而高壓器件則主要是降低外延層造成的電阻Re。針對這兩種考慮，目前低壓領域普遍采用溝槽柵元胞結構，高壓領域越來越多的采用超結結構。

2 溝槽柵功率MOSFET的元胞結構與工藝原理

在30V-60V的低壓領域，功率MOSFET的導通電阻中Rch、Ra和Rj起決定性作用，且理論與實踐證明，這三部分電阻互相影響，不可能同時達到最優(yōu)化[3]。采用溝槽結構元胞的MOSFET正是針對低壓領域的產品，為降低這幾部分電阻而發(fā)明的結構，如圖4所示。這種結構將溝道從水平方向轉成垂直方向，因此在垂直方向上溝道不占據空間，同時溝道的出口端直接與漂移區(qū)相連，這就完全消除了JFET效應，即Rj基本上為0。因此這種結構的元胞在低壓領域有著非常明顯的優(yōu)勢。

這種元胞的工藝過程是首先在n-外延層上形成p-擴散區(qū)，然后利用干法刻蝕形成深度超過p-區(qū)的溝槽，在溝槽壁上形成柵氧化層，再利用多晶硅填充溝槽，然后擴散n+區(qū)和p+區(qū)，這樣p-區(qū)成為溝道區(qū)，器件結構形成。然而這種結構工藝復雜，需要昂貴的設備來保證溝槽壁的平滑以實現載流子的高遷移率，同時溝槽底部的尖角處極易形成電場尖峰，導致器件的擊穿電壓下降，因此此類元胞的應用局限在低電壓范圍，而較高電壓的產品往往采用超結結構。

3 超結結構功率MOSFET的元胞結構與工藝原理

超結結構即CoolMOS結構的元胞如圖5所示，該結構是在傳統(tǒng)結構的垂直方向上插入P型區(qū)，可以補償過量的電流導通電荷。在漂移層加反向偏置電壓，將產生一個橫向電場，使pn結耗盡。當電壓達到一定值時，漂移層完全耗盡，將起到電壓支持層的作用。這樣N-區(qū)的摻雜濃度可以大幅提高，在相同的擊穿電壓下，導通電阻Ron大大降低。此類器件在600～700 V的電壓范圍內有著極其明顯的優(yōu)勢。以Fairchild公司產品為例，600 V范圍的超級結產品的比導通電阻僅為普通平面VDMOS的30%左右，因此可以在在相同的擊穿電壓、相同的導通電阻Ron下使用更小的管芯面積，減小柵電荷，提高開關頻率。

超結結構的工藝較為復雜，器件結構的形成目前主要有兩種方法。一種是以英飛凌公司為代表的多層外延工藝，其主要步驟是進行某一層次的外延之后進行P-區(qū)注入，然后再次外延，如此交替多次后，進行熱擴散，使多層次外延中的P-區(qū)連通。另一種是以國內某公司為代表的深槽刻蝕工藝，其主要步驟是在N-外延層上刻蝕深槽，然后進行P型外延層的生長后以CMP的手段獲取N-外延中的P型區(qū)。這兩種流程各有利弊。國內的工藝成本相對較低，但在高電壓的情況下深寬比過大，例如900 V產品的溝槽深度為65 μm，深寬比超過10∶1，工藝難以控制。英飛凌公司的工藝不用進行深槽刻蝕，但多次外延成本較高，且電荷平衡難以精確實現。在進行800 V以上產品時擊穿電壓難以保持一致性。

4 結語

經過多年的發(fā)展，功率MOSFET中平面柵VDMOS、溝槽柵和超結結構成為了主要的元胞結構，但應用場合各有側重。溝槽柵結構主要應用于30～60 V的產品，60～500 V，以及800 V以上產品多采用平面柵VDMOS產品，500～700 V的領域正逐漸的被新興的超結結構占據并隨著加工工藝的不斷發(fā)展向更廣闊的范圍發(fā)展。

參考文獻

[1] 石廣源，高嵩.低壓VDMOSFET‘Ron的最佳比例研究[J].微電子學與計算機，2002，19（12）：56.

[2] Linder，S著.肖曦，李虹，等.功率半導體-器件與應用[M].北京：機械工業(yè)出版社，2009.

[3] 蘇延芬，劉英坤.Trench MOSFET的研究與發(fā)展[J].趨勢與展望，2007（4）.endprint

摘 要：對幾種常見功率MOSFET的元胞結構、工藝流程和電學參數特點進行了介紹和分析，指出了各類元胞結構的優(yōu)缺點和工藝實現上的難點，給出了對不同的電壓范圍應采用的元胞結構的意見。

關鍵詞：功率MOSFET 元胞 工藝流程

中圖分類號：TN386 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）06（a）-0081-01

功率MOSFET以其輸入阻抗高，驅動功率小，開關速度快，開關損耗小等特點廣泛的應用在電腦功率電源、家用電器、無間斷電源和自動系統(tǒng)當中。我國的功率MOSFET產業(yè)近年來發(fā)展迅速，許多IDM（集成設計制造）廠家均開始研制生產功率MOSFET。功率MOSFET不同的元胞結構差異較大，適用于不同的場合，本文結合元胞結構和工藝制造的難點，闡述了應如何就參數和硬件合理的選擇元胞結構進行功率MOSFET的研制生產。

1 平面柵VDMOS的元胞結構與工藝原理

平面柵VDMOS的元胞結構分為六角形、條形、正方形、圓形等結構，基本原理均為最大程度的利用芯片的表面面積，擴大器件溝道的寬長比。但無論是何種平面結構，其縱向剖面結構均如圖1所示。其中的P-阱區(qū)與N+有源區(qū)均采用柵極多晶作為注入掩蔽層，由二者之間的結深差異形成導電溝道，載流子自表面源極經溝道縱向流至漏極，這也是VDMOS（Vertical Double Diffuse MOS）即垂直雙擴散MOS名稱的由來。由于其溝道尺寸并不像傳統(tǒng)MOS管由多晶柵寬決定，因此其溝道長度可以做得很小且不受工藝線光刻尺寸限制，因此只要可以生產多晶硅柵MOS電路的產線，基本上均可以進行VDMOS的加工生產，目前國內的多條產線在進行平面柵VDMOS的研制生產，其基本流程中所使用的工藝模塊均與CMOS工藝兼容。由于設計原理均采用多晶窗口區(qū)與多晶區(qū)的最佳化設計[1]，因此各個廠家的產品在結構上的差異較小，導通電阻等關鍵參數主要取決于工藝加工過程當中的細節(jié)，例如背面金屬化的流程和JFET廠區(qū)注入的劑量。此類工藝的特點是與MOS集成電路基本上兼容，因此是國內目前發(fā)展最快也最全面的產品類型。

但由于VDMOS所承受的高電壓部分由外延層承受，因此高的擊穿電壓必然導致較厚的外延層和較高的外延層電阻率，這也必然導致外延部分的電阻變大。平面柵VDMOS的電阻分布如圖2所示，其中溝道電阻Rch、耗盡層電阻Ra、結型場效應電阻Rj、高阻外延層電阻Re占了導通電阻的80%以上，但不同的擊穿電壓產生了不同的外延層，因此各部分電阻所占的比例隨著擊穿電壓的變化有較大不同。表1[2]以30V和600V的VDMOS為例，說明了各部分的電阻分配。由此看出，減小低壓功率MOSFET的Rds（on）的主要辦法是優(yōu)化元胞結構以降低Ra+Rj的數值，而高壓器件則主要是降低外延層造成的電阻Re。針對這兩種考慮，目前低壓領域普遍采用溝槽柵元胞結構，高壓領域越來越多的采用超結結構。

2 溝槽柵功率MOSFET的元胞結構與工藝原理

在30V-60V的低壓領域，功率MOSFET的導通電阻中Rch、Ra和Rj起決定性作用，且理論與實踐證明，這三部分電阻互相影響，不可能同時達到最優(yōu)化[3]。采用溝槽結構元胞的MOSFET正是針對低壓領域的產品，為降低這幾部分電阻而發(fā)明的結構，如圖4所示。這種結構將溝道從水平方向轉成垂直方向，因此在垂直方向上溝道不占據空間，同時溝道的出口端直接與漂移區(qū)相連，這就完全消除了JFET效應，即Rj基本上為0。因此這種結構的元胞在低壓領域有著非常明顯的優(yōu)勢。

這種元胞的工藝過程是首先在n-外延層上形成p-擴散區(qū)，然后利用干法刻蝕形成深度超過p-區(qū)的溝槽，在溝槽壁上形成柵氧化層，再利用多晶硅填充溝槽，然后擴散n+區(qū)和p+區(qū)，這樣p-區(qū)成為溝道區(qū)，器件結構形成。然而這種結構工藝復雜，需要昂貴的設備來保證溝槽壁的平滑以實現載流子的高遷移率，同時溝槽底部的尖角處極易形成電場尖峰，導致器件的擊穿電壓下降，因此此類元胞的應用局限在低電壓范圍，而較高電壓的產品往往采用超結結構。

3 超結結構功率MOSFET的元胞結構與工藝原理

超結結構即CoolMOS結構的元胞如圖5所示，該結構是在傳統(tǒng)結構的垂直方向上插入P型區(qū)，可以補償過量的電流導通電荷。在漂移層加反向偏置電壓，將產生一個橫向電場，使pn結耗盡。當電壓達到一定值時，漂移層完全耗盡，將起到電壓支持層的作用。這樣N-區(qū)的摻雜濃度可以大幅提高，在相同的擊穿電壓下，導通電阻Ron大大降低。此類器件在600～700 V的電壓范圍內有著極其明顯的優(yōu)勢。以Fairchild公司產品為例，600 V范圍的超級結產品的比導通電阻僅為普通平面VDMOS的30%左右，因此可以在在相同的擊穿電壓、相同的導通電阻Ron下使用更小的管芯面積，減小柵電荷，提高開關頻率。

超結結構的工藝較為復雜，器件結構的形成目前主要有兩種方法。一種是以英飛凌公司為代表的多層外延工藝，其主要步驟是進行某一層次的外延之后進行P-區(qū)注入，然后再次外延，如此交替多次后，進行熱擴散，使多層次外延中的P-區(qū)連通。另一種是以國內某公司為代表的深槽刻蝕工藝，其主要步驟是在N-外延層上刻蝕深槽，然后進行P型外延層的生長后以CMP的手段獲取N-外延中的P型區(qū)。這兩種流程各有利弊。國內的工藝成本相對較低，但在高電壓的情況下深寬比過大，例如900 V產品的溝槽深度為65 μm，深寬比超過10∶1，工藝難以控制。英飛凌公司的工藝不用進行深槽刻蝕，但多次外延成本較高，且電荷平衡難以精確實現。在進行800 V以上產品時擊穿電壓難以保持一致性。

4 結語

經過多年的發(fā)展，功率MOSFET中平面柵VDMOS、溝槽柵和超結結構成為了主要的元胞結構，但應用場合各有側重。溝槽柵結構主要應用于30～60 V的產品，60～500 V，以及800 V以上產品多采用平面柵VDMOS產品，500～700 V的領域正逐漸的被新興的超結結構占據并隨著加工工藝的不斷發(fā)展向更廣闊的范圍發(fā)展。

參考文獻

[1] 石廣源，高嵩.低壓VDMOSFET‘Ron的最佳比例研究[J].微電子學與計算機，2002，19（12）：56.

[2] Linder，S著.肖曦，李虹，等.功率半導體-器件與應用[M].北京：機械工業(yè)出版社，2009.

[3] 蘇延芬，劉英坤.Trench MOSFET的研究與發(fā)展[J].趨勢與展望，2007（4）.endprint

摘 要：對幾種常見功率MOSFET的元胞結構、工藝流程和電學參數特點進行了介紹和分析，指出了各類元胞結構的優(yōu)缺點和工藝實現上的難點，給出了對不同的電壓范圍應采用的元胞結構的意見。

關鍵詞：功率MOSFET 元胞 工藝流程

中圖分類號：TN386 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）06（a）-0081-01

功率MOSFET以其輸入阻抗高，驅動功率小，開關速度快，開關損耗小等特點廣泛的應用在電腦功率電源、家用電器、無間斷電源和自動系統(tǒng)當中。我國的功率MOSFET產業(yè)近年來發(fā)展迅速，許多IDM（集成設計制造）廠家均開始研制生產功率MOSFET。功率MOSFET不同的元胞結構差異較大，適用于不同的場合，本文結合元胞結構和工藝制造的難點，闡述了應如何就參數和硬件合理的選擇元胞結構進行功率MOSFET的研制生產。

1 平面柵VDMOS的元胞結構與工藝原理

平面柵VDMOS的元胞結構分為六角形、條形、正方形、圓形等結構，基本原理均為最大程度的利用芯片的表面面積，擴大器件溝道的寬長比。但無論是何種平面結構，其縱向剖面結構均如圖1所示。其中的P-阱區(qū)與N+有源區(qū)均采用柵極多晶作為注入掩蔽層，由二者之間的結深差異形成導電溝道，載流子自表面源極經溝道縱向流至漏極，這也是VDMOS（Vertical Double Diffuse MOS）即垂直雙擴散MOS名稱的由來。由于其溝道尺寸并不像傳統(tǒng)MOS管由多晶柵寬決定，因此其溝道長度可以做得很小且不受工藝線光刻尺寸限制，因此只要可以生產多晶硅柵MOS電路的產線，基本上均可以進行VDMOS的加工生產，目前國內的多條產線在進行平面柵VDMOS的研制生產，其基本流程中所使用的工藝模塊均與CMOS工藝兼容。由于設計原理均采用多晶窗口區(qū)與多晶區(qū)的最佳化設計[1]，因此各個廠家的產品在結構上的差異較小，導通電阻等關鍵參數主要取決于工藝加工過程當中的細節(jié)，例如背面金屬化的流程和JFET廠區(qū)注入的劑量。此類工藝的特點是與MOS集成電路基本上兼容，因此是國內目前發(fā)展最快也最全面的產品類型。

但由于VDMOS所承受的高電壓部分由外延層承受，因此高的擊穿電壓必然導致較厚的外延層和較高的外延層電阻率，這也必然導致外延部分的電阻變大。平面柵VDMOS的電阻分布如圖2所示，其中溝道電阻Rch、耗盡層電阻Ra、結型場效應電阻Rj、高阻外延層電阻Re占了導通電阻的80%以上，但不同的擊穿電壓產生了不同的外延層，因此各部分電阻所占的比例隨著擊穿電壓的變化有較大不同。表1[2]以30V和600V的VDMOS為例，說明了各部分的電阻分配。由此看出，減小低壓功率MOSFET的Rds（on）的主要辦法是優(yōu)化元胞結構以降低Ra+Rj的數值，而高壓器件則主要是降低外延層造成的電阻Re。針對這兩種考慮，目前低壓領域普遍采用溝槽柵元胞結構，高壓領域越來越多的采用超結結構。

2 溝槽柵功率MOSFET的元胞結構與工藝原理

在30V-60V的低壓領域，功率MOSFET的導通電阻中Rch、Ra和Rj起決定性作用，且理論與實踐證明，這三部分電阻互相影響，不可能同時達到最優(yōu)化[3]。采用溝槽結構元胞的MOSFET正是針對低壓領域的產品，為降低這幾部分電阻而發(fā)明的結構，如圖4所示。這種結構將溝道從水平方向轉成垂直方向，因此在垂直方向上溝道不占據空間，同時溝道的出口端直接與漂移區(qū)相連，這就完全消除了JFET效應，即Rj基本上為0。因此這種結構的元胞在低壓領域有著非常明顯的優(yōu)勢。

這種元胞的工藝過程是首先在n-外延層上形成p-擴散區(qū)，然后利用干法刻蝕形成深度超過p-區(qū)的溝槽，在溝槽壁上形成柵氧化層，再利用多晶硅填充溝槽，然后擴散n+區(qū)和p+區(qū)，這樣p-區(qū)成為溝道區(qū)，器件結構形成。然而這種結構工藝復雜，需要昂貴的設備來保證溝槽壁的平滑以實現載流子的高遷移率，同時溝槽底部的尖角處極易形成電場尖峰，導致器件的擊穿電壓下降，因此此類元胞的應用局限在低電壓范圍，而較高電壓的產品往往采用超結結構。

3 超結結構功率MOSFET的元胞結構與工藝原理

超結結構即CoolMOS結構的元胞如圖5所示，該結構是在傳統(tǒng)結構的垂直方向上插入P型區(qū)，可以補償過量的電流導通電荷。在漂移層加反向偏置電壓，將產生一個橫向電場，使pn結耗盡。當電壓達到一定值時，漂移層完全耗盡，將起到電壓支持層的作用。這樣N-區(qū)的摻雜濃度可以大幅提高，在相同的擊穿電壓下，導通電阻Ron大大降低。此類器件在600～700 V的電壓范圍內有著極其明顯的優(yōu)勢。以Fairchild公司產品為例，600 V范圍的超級結產品的比導通電阻僅為普通平面VDMOS的30%左右，因此可以在在相同的擊穿電壓、相同的導通電阻Ron下使用更小的管芯面積，減小柵電荷，提高開關頻率。

超結結構的工藝較為復雜，器件結構的形成目前主要有兩種方法。一種是以英飛凌公司為代表的多層外延工藝，其主要步驟是進行某一層次的外延之后進行P-區(qū)注入，然后再次外延，如此交替多次后，進行熱擴散，使多層次外延中的P-區(qū)連通。另一種是以國內某公司為代表的深槽刻蝕工藝，其主要步驟是在N-外延層上刻蝕深槽，然后進行P型外延層的生長后以CMP的手段獲取N-外延中的P型區(qū)。這兩種流程各有利弊。國內的工藝成本相對較低，但在高電壓的情況下深寬比過大，例如900 V產品的溝槽深度為65 μm，深寬比超過10∶1，工藝難以控制。英飛凌公司的工藝不用進行深槽刻蝕，但多次外延成本較高，且電荷平衡難以精確實現。在進行800 V以上產品時擊穿電壓難以保持一致性。

4 結語

經過多年的發(fā)展，功率MOSFET中平面柵VDMOS、溝槽柵和超結結構成為了主要的元胞結構，但應用場合各有側重。溝槽柵結構主要應用于30～60 V的產品，60～500 V，以及800 V以上產品多采用平面柵VDMOS產品，500～700 V的領域正逐漸的被新興的超結結構占據并隨著加工工藝的不斷發(fā)展向更廣闊的范圍發(fā)展。

參考文獻

[1] 石廣源，高嵩.低壓VDMOSFET‘Ron的最佳比例研究[J].微電子學與計算機，2002，19（12）：56.

[2] Linder，S著.肖曦，李虹，等.功率半導體-器件與應用[M].北京：機械工業(yè)出版社，2009.

[3] 蘇延芬，劉英坤.Trench MOSFET的研究與發(fā)展[J].趨勢與展望，2007（4）.endprint