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。

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(zhì)濃度，對雙邊突變結代表：

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

當襯底雜質(zhì)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。[!--empirenews.page--]

1.3 閾值電壓的設計

對于多晶硅柵的NMOS管，閾值電壓可寫作：

式中：Vcp是高濃度N+摻雜的多晶硅柵和P-body區(qū)的接觸電勢，△VTh是強反型下的表面勢：

當達到和超出閾值電壓時，△V=△Vth=(kT/q)ln(nA/ni);Qss是Si-SiO2界面雜質(zhì)引入的電荷，通常它帶負電。

1.4 導通電阻的設計

導通電阻Ron=Rcs+Rbs+Rch+Ra+Rj+Re+Rbd+Rcd。各部分的含義為：Rcs為源極引線與N+源區(qū)接觸電阻，該電阻可通過適當?shù)慕饘倩に嚩怪雎圆挥?Rbs源區(qū)串聯(lián)電阻;Rch溝道電阻;Ra柵電極正下方N-區(qū)表面積累層電阻;RJ相鄰兩P阱間形成的J型管區(qū)電阻;Re高阻外延層的導通電阻;Rbd漏極N+層(即襯底)的導通電阻，由于此處雜質(zhì)濃度較高，因此Rbd可忽略不計;Rcd為漏極接觸電阻，其阻值較小，可忽略不計。

在200 V的器件中Rch起著主要作用：

理論上可以通過減小溝道長度或增加溝道內(nèi)電子遷移率的辦法來減小溝道電阻。但對于N溝道MOSFET器件，電子遷移率可近似看作常數(shù)，而溝道長度受到溝道穿通二次擊穿的限制。目前通過增加溝道寬度即提高元胞密度是減小溝道電阻的主要方法。

1.5 參數(shù)的仿真結果

該器件用Tsuprem 4和Medici軟件混合仿真。關鍵工藝參數(shù)為：外延厚度20μm，外延電阻率5Ω·cm;柵氧厚度52 nm(5+40+5 min);P阱注入劑量在3×1013cm-3，推阱時間為65 min。表2給出了靜態(tài)參數(shù)表。

各參數(shù)仿真圖如圖1，圖2所示。

1.6 結終端仿真結果

結終端結合自對準工藝，P等位和場限環(huán)的形成依靠多晶和場氧進行阻擋，利用多晶硅作為金屬場板。使用了1個等位環(huán)和3個場限環(huán)，耐壓可以達到242 V，仿真結果如圖3～5所示。

2 制造結果

在基于設計和封裝控制的基礎上，進行了樣品的試制。采用的是TO-257的扁平封裝。管芯試制樣品后，對相關參數(shù)進行了測試，測試結果見表3所示。因為導通電阻是在封裝之后測試，在封裝后會引入一定的封裝電阻，所以導通電阻比仿真時略有增大。隨后對管芯進行了封裝，試驗產(chǎn)品出來后，發(fā)現(xiàn)有近一半產(chǎn)品的閾值電壓有所縮小，有的甚至降到1V以下。出現(xiàn)這一問題，及時查找原因，發(fā)現(xiàn)燒結時間過長可能是閾值電壓縮小的主要原因。由于本產(chǎn)品外形的特殊性，燒結時，每一船放的產(chǎn)品只數(shù)不能過多。而量少了，原來的燒結時間就顯得過長。燒結時使用的是氫氣保護，燒結時間長了，使氫離子在柵極上堆積，致使閾值電壓下降。于是嘗試著將燒結時間縮短，可是燒出來又出現(xiàn)了新的問題：很多產(chǎn)品的燒結焊料熔化不均勻，使芯片與底座燒結不牢，用探針一戳，就掉下來了。為了解決這一矛盾，反復試驗將燒結時間用秒數(shù)來增減。最終達到在焊料完全均勻熔化的前提下，又使閾值電壓不至于縮小。[!--empirenews.page--]

3 結語

200V VDMOS器件的設計主要受到擊穿電壓和導通電阻兩個參數(shù)的相互影響和相互制約，在設計中應優(yōu)化兩個參數(shù)的范圈。在滿足其中一個的條件下使另一個達到最優(yōu)的選擇，采用仿真設計可大大減少設計成本。