500 V／8 A高压、大电流VDMOSFET的设计与研制

O 引言

    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。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。

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。

2 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值。

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。

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。

3 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。

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。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3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。

　　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。

4 仿真优化结果

　　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，终使各项参数的仿真指标满足设计要求（详见表1）。

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，终使得产品指标满足设计要求。

　　（1）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。

　　（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。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。

　　（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。

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，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。