大功率VDMOS(200V)的設(shè)計(jì)研究

功率MOS場效應(yīng)晶體管是新一代電力電子開關(guān)器件，在微電子工藝基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)電力設(shè)備高功率大電流的要求。自從垂直導(dǎo)電雙擴(kuò)散VDMOS(VerticalDou-ble-diff used Metal Oxide Semiconductor)新結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)方面，介紹了VMDOS(200 V)設(shè)計(jì)的方法以及仿真的結(jié)果，并對流片結(jié)果進(jìn)行了比較。

1 芯片設(shè)計(jì)

1.1 芯片設(shè)計(jì)思路設(shè)計(jì)

高壓的VDMOS器件，希望得到高的耐壓容量，低的特征導(dǎo)通電阻。降低導(dǎo)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?xùn)砰LLG、降低P-body的結(jié)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(jié)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(gè)因素對耐壓的影響更大。高壓VDMOS的靜態(tài)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)主要矛盾集中在外延的選擇、柵長及P-body的結(jié)深的確定上。

1.2 VDMOS耐壓的設(shè)計(jì)

使半導(dǎo)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(jì)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(jié)的擊穿電壓、最大電場EM與耗盡層厚度的關(guān)系。

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

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

當(dāng)襯底雜質(zhì)濃度NB低而a值大時(shí)，VBR過渡到最下方的斜線，與單邊突變結(jié)一致;當(dāng)NB高而a值小時(shí)，VBR與NB無關(guān)，這相當(dāng)于線性緩變結(jié)的情形。

由于導(dǎo)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?yàn)槿舯砻鎿舸╇妷旱陀隗w內(nèi)很多，即等于此耐壓的管子要以無謂增大導(dǎo)通電阻作犧牲來達(dá)到。為了提高表面擊穿電壓，功率MOS常用的終端技術(shù)有浮空場限環(huán)、場板等，有時(shí)還將這些技術(shù)結(jié)合起來使用，使表面擊穿電壓達(dá)到體內(nèi)擊穿電壓的70 %～90%。

現(xiàn)代的終端技術(shù)已能使表面擊穿電壓達(dá)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(gè)阱邊角上的電場集中效應(yīng)。當(dāng)兩個(gè)P阱之間距離很近時(shí)，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(dǎo)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(dǎo)通電阻又發(fā)生影響。計(jì)算表明方形阱最差，因?yàn)槠浣巧蠟榍蛎娼Y(jié)，擊穿最低。條狀結(jié)構(gòu)的P阱沒有角，只有邊，邊上為圓柱結(jié)，擊穿電壓稍高，但條狀結(jié)構(gòu)有較高的導(dǎo)通電阻，仔細(xì)的研究結(jié)果表明，最優(yōu)的結(jié)構(gòu)是圓形元胞，而且兩個(gè)P阱之間的距離應(yīng)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(zhǔn)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。