功率MOSFET基本結(jié)構(gòu)：超結(jié)結(jié)構(gòu)

今天給大家分享一篇關(guān)于MOSFET超結(jié)結(jié)構(gòu)的干貨文章。

1、超結(jié)結(jié)構(gòu)

高壓功率MOSFET管早期主要為平面型結(jié)構(gòu)，采用厚低摻雜的N-外延層epi，保證器件具有足夠擊穿電壓，低摻雜N-外延層epi尺寸越厚，耐壓額定值越大，但是，導(dǎo)通電阻隨電壓以2.4-2.6次方增長(zhǎng)，導(dǎo)通電阻急劇增大，電流額定值降低。為了獲得低導(dǎo)通電阻值，就必須增大硅片面積，需要更大晶片面積降低導(dǎo)通電阻，一些大電流應(yīng)用需要更大封裝尺寸，成本隨之增加，Crss電容增加導(dǎo)致開(kāi)關(guān)損耗增加，系統(tǒng)功率密度很難提高，應(yīng)用受到很大限制。

高壓功率MOSFET外延層對(duì)導(dǎo)通電阻起主導(dǎo)作用，要保證高壓功率MOSFET管具有足夠擊穿電壓，同時(shí)，降低導(dǎo)通電阻，最直觀方法就是：

（1）在器件導(dǎo)通時(shí)，形成一個(gè)較高摻雜N區(qū)，作為功率MOSFET管導(dǎo)通的電流通路；

（2）在器件關(guān)斷時(shí)，去除較高摻雜N區(qū)的載流子，方法就是使用PN進(jìn)行耗盡，保證要求耐壓等級(jí)。

按照上面原理，將平面結(jié)構(gòu)的P-體區(qū)結(jié)構(gòu)一直向下，直到幾乎貫穿整個(gè)外延層，就可以實(shí)現(xiàn)上述要求。超結(jié)結(jié)構(gòu)Super Junction高壓功率MOSFET管就是基本這種設(shè)計(jì)思路，這種結(jié)構(gòu)主要特點(diǎn)是幾乎貫穿整個(gè)芯片厚度P柱和內(nèi)建橫向電場(chǎng)，這種結(jié)構(gòu)在學(xué)術(shù)上稱(chēng)為超結(jié)結(jié)構(gòu)。

(a)平面結(jié)構(gòu)P區(qū)下移(b)超結(jié)結(jié)構(gòu)

1內(nèi)建橫向電場(chǎng)超結(jié)結(jié)構(gòu)

超結(jié)結(jié)構(gòu)中，垂直導(dǎo)電N區(qū)夾在兩邊P柱中間，水平方向，N區(qū)和P柱二側(cè)都形成PN結(jié)；垂直方向，P柱底部和下面外延epi層N形成PN結(jié)，柵極下面P區(qū)形成反型層產(chǎn)生導(dǎo)電溝道。功率MOSFET管關(guān)斷時(shí)，P柱和垂直導(dǎo)電N形成PN結(jié)反向偏置，PN結(jié)二側(cè)都會(huì)形成耗盡層，建立水平橫向電場(chǎng)，這個(gè)電場(chǎng)為矩形電場(chǎng)。耗盡層增大，橫向水平電場(chǎng)也增大。

隨著外加反向偏置電壓增大，垂直導(dǎo)電N區(qū)和P柱內(nèi)耗盡層寬度不斷增加，直到垂直導(dǎo)電N區(qū)和P柱整個(gè)區(qū)域基本上全部耗盡，幾乎全部變成耗盡層，耗盡層橫向矩形電場(chǎng)達(dá)到非常高幅值，具有非常高的縱向阻斷電壓。和平面結(jié)構(gòu)對(duì)比，橫向電場(chǎng)將外延層N-三角形電場(chǎng)變成梯形或矩形電場(chǎng)，提高器件耐壓。因此，同樣耐壓可以減薄器件外延層N-厚度，降低導(dǎo)通電阻。此外，P柱底部與和它相接觸外延層N-也形成PN結(jié)，反向偏置形時(shí)，產(chǎn)生耗盡層，形成垂直電場(chǎng)，進(jìn)一步提高器件耐壓。

圖2 超結(jié)結(jié)構(gòu)內(nèi)部電場(chǎng)

MOSFET導(dǎo)通時(shí)，柵極和源極電場(chǎng)導(dǎo)致柵極氧化層下部P區(qū)反型，形成N型導(dǎo)電溝道；源極區(qū)電子通過(guò)導(dǎo)電溝道進(jìn)入垂直N區(qū)，中和N區(qū)正電荷空穴，垂直N區(qū)耗盡層寬度不斷降低，直到垂直N區(qū)恢復(fù)到初始狀態(tài)。初始狀態(tài)垂直N區(qū)摻雜濃度高，電阻率低，因此導(dǎo)電電流通路導(dǎo)通電阻低。

比較平面結(jié)構(gòu)和溝槽結(jié)構(gòu)功率MOSFET管，超結(jié)結(jié)構(gòu)實(shí)際綜合了平面型和溝槽型結(jié)構(gòu)兩者特點(diǎn)，在平面型結(jié)構(gòu)中開(kāi)出一個(gè)低阻抗電流通路溝槽，因此具有平面型結(jié)構(gòu)高耐壓和溝槽型結(jié)構(gòu)低電阻特性。內(nèi)建橫向電場(chǎng)高壓超結(jié)結(jié)構(gòu)，克服了平面高壓功率MOSFET管缺點(diǎn)，其工作頻率高，導(dǎo)通損耗小，同樣面積芯片，可以設(shè)計(jì)更低導(dǎo)通電阻，因此具有更大額定電流值。

超結(jié)結(jié)構(gòu)高壓功率MOSFET管需要制作貫穿整個(gè)芯片厚度P柱，生產(chǎn)工藝比較復(fù)雜，單元一致性較差，雪崩能量不容易控制；超結(jié)結(jié)構(gòu)必須嚴(yán)格控制P柱區(qū)與外延層N區(qū)濃度和寬度，否則二側(cè)不對(duì)稱(chēng)耗盡導(dǎo)致中間電荷不平衡，影響超結(jié)結(jié)構(gòu)耐壓。外延層N摻雜濃度越高，影響越大。

降低漂移區(qū)厚度，提高漂移區(qū)摻雜濃度，以及降低單元Pitch尺寸，可以進(jìn)一步降低導(dǎo)通電阻。但是，降低單元Pitch尺寸，必須增加N漂移區(qū)摻雜濃度，就必須對(duì)N漂移區(qū)和P柱區(qū)進(jìn)行精確補(bǔ)償，必須非常嚴(yán)格控制它們摻雜濃度和寬度。耗盡電荷平衡偏差越大，電壓阻斷能力損失就越嚴(yán)重，器件雪崩能力和單元一致性越差，對(duì)生產(chǎn)工藝和技術(shù)要求就更加苛刻。

有些中壓功率MOSFET管也采用超結(jié)技術(shù)，降低導(dǎo)通電阻，同時(shí)使用較大Pitch尺寸，減少單元相互之間加熱效應(yīng)和電流集中影響，不容易形成局部熱點(diǎn)Hot Spot，提高線性區(qū)性能。中壓功率MOSFET管超結(jié)技術(shù)，除了采用前面P柱超結(jié)結(jié)構(gòu)，還可以使用深溝槽工藝的場(chǎng)板結(jié)構(gòu)。深溝槽場(chǎng)板尺寸，貫穿芯片厚度大部分尺寸，并不完全貫穿芯片整個(gè)厚度，在溝槽表面制作氧化層，里面填充多晶硅，多晶硅連接到源極，氧化層隔離多晶硅和N-漂移層。

這種結(jié)構(gòu)相當(dāng)于在N-漂移層內(nèi)設(shè)計(jì)一個(gè)隔離場(chǎng)板，隔離場(chǎng)板可以提供移動(dòng)電荷，器件漏極和源極加上電壓阻斷時(shí)，補(bǔ)償橫向的N-漂移層電子。隔離場(chǎng)板溝槽底部氧化層，承受器件全部漏極和源極阻斷電壓，其電場(chǎng)強(qiáng)度非常高，因此，溝槽底部氧化層工藝要精確控制，避免溝槽底部局部區(qū)域氧化層變薄和防止應(yīng)力造成局部缺陷產(chǎn)生。

(a)兩側(cè)場(chǎng)板(b)中間場(chǎng)板

圖3 超結(jié)場(chǎng)板結(jié)構(gòu)

超結(jié)結(jié)構(gòu)縱向電場(chǎng)幾乎是均勻分布，隔離場(chǎng)板結(jié)構(gòu)縱向電場(chǎng)分布有2個(gè)峰值，1個(gè)電場(chǎng)峰值在P體區(qū)和N-漂移區(qū)PN結(jié)；另1個(gè)電場(chǎng)峰值在在場(chǎng)板溝槽底部。200V以下中壓功率MOSFET管可以采用這種場(chǎng)板超結(jié)技術(shù)。

新一代超結(jié)工藝進(jìn)一步減小器件晶胞尺寸，溝道和晶胞寬度進(jìn)一步縮小，兩個(gè)P柱之間距離非常小，難以形成滿足要求的溝道區(qū)，因此，采用溝道與P柱相垂直的結(jié)構(gòu)，從而減少溝道區(qū)工藝加工難度。

圖4 溝道與P柱垂直結(jié)構(gòu)

2、超結(jié)結(jié)構(gòu)生產(chǎn)工藝

超結(jié)P柱結(jié)構(gòu)和場(chǎng)板結(jié)構(gòu)，生產(chǎn)加工工藝主要有2種方式：

（1）通過(guò)一層一層多次外延生長(zhǎng)，得到P柱結(jié)構(gòu)或場(chǎng)板結(jié)構(gòu)。

在襯底上外延一定濃度N層，在P柱區(qū)域開(kāi)窗口注入形成P層，然后重復(fù)這些工藝，反復(fù)多次外延和注入，最后形成超結(jié)結(jié)構(gòu)。也可以先在襯底上外延濃度較低N-層，分別在N區(qū)和P柱區(qū)域采用注入形成N層和P層，然后重復(fù)這些工藝，反復(fù)多次外延和注入，最后形成超結(jié)結(jié)構(gòu)，這種方法均勻性控制更好，增加一次光刻與注入的工藝，成本增加。

(a)單雜質(zhì)注入

(b) 雙雜質(zhì)注入

(c)單雜質(zhì)注入 (d)雙雜質(zhì)注入

圖5 多層外延工藝

多層外延工藝每次外延層厚度非常薄，外延形成厚度相對(duì)固定，超結(jié)結(jié)構(gòu)的尺寸偏差小，外延層質(zhì)量容易控制，缺陷與界面態(tài)少。隨著器件耐壓增大，外延次數(shù)和層數(shù)增加，而且外延時(shí)間長(zhǎng)，效率低，導(dǎo)致成本增加。

（

2)、直接開(kāi)溝槽填充，即深溝槽技術(shù)Deep Trench，得到P柱結(jié)構(gòu)或場(chǎng)板結(jié)構(gòu)。

襯底和外延加工好后，在外延層刻蝕出深溝槽，溝槽的深寬比具有一定限制，然后在溝槽內(nèi)部填充摻雜?？梢栽跍喜蹆?nèi)外延填充P型材料，然后平坦化拋光，形成P住結(jié)構(gòu)；也可以在溝槽側(cè)壁形成薄氧化層結(jié)構(gòu)，再填充多晶硅形成場(chǎng)板結(jié)構(gòu)。另外，使用更寬的溝槽，采用外延或傾斜注入方式，在溝槽內(nèi)部依附溝槽側(cè)壁，依次形成P和N型區(qū)交錯(cuò)結(jié)構(gòu)。

(a) 直接填充

(b) 寬溝槽側(cè)壁注入、氣相沉積與外延

圖6 溝槽填充工藝

襯底和外延加工好后，在外延層（耐壓層）中刻蝕出具有一定深寬比的溝槽，然后在溝槽內(nèi)部填充摻雜。通常，有4種填充摻雜方式：一是在溝槽內(nèi)外延填充P型材料，然后采用化學(xué)機(jī)械拋光平坦化。另外，可以在溝槽中直接通過(guò)P型雜質(zhì)擴(kuò)散形成P?。煌瑫r(shí)，還可以在溝槽內(nèi)的側(cè)壁上形成薄氧化層結(jié)構(gòu)，再填充多晶硅形成場(chǎng)板結(jié)構(gòu)。二是使用非常寬的溝槽，采用傾斜注入方式，同時(shí)控制N和P型雜質(zhì)的注入劑量，分別在溝槽的側(cè)壁上形成N區(qū)和P區(qū)，依次制作出P和N型區(qū)交錯(cuò)結(jié)構(gòu)。三是通過(guò)在溝槽側(cè)壁通過(guò)氣相摻雜形成P型區(qū)。四是在溝槽側(cè)壁選擇性外延薄層N與P型，形成超結(jié)結(jié)構(gòu)。

多次外延工藝相對(duì)容易控制，工藝步驟多，成本高；深溝槽工藝成本低，生產(chǎn)效率高，更容易實(shí)現(xiàn)較小的深寬比，形成的超結(jié)N區(qū)與P區(qū)摻雜分布均勻，導(dǎo)通電阻和寄生電容更低；但是，深溝槽工藝不容易保證溝槽內(nèi)性能一致性，特別是深溝槽填充時(shí)，要保證溝槽側(cè)面（側(cè)壁）N和P區(qū)交界面沒(méi)有空隙和孔洞，工藝要求特別高。側(cè)壁出現(xiàn)空隙和孔洞，對(duì)性能影響在生產(chǎn)線最后檢測(cè)中無(wú)法通過(guò)靜態(tài)參數(shù)測(cè)量進(jìn)行刪選。

技術(shù)平臺(tái)不一樣，工藝不一樣，超結(jié)結(jié)構(gòu)Pitch尺寸和芯片厚度也不相同。

(a) 多層外延Multiple EPI

(b) 深溝槽直接填充Deep Trench Filling

圖7 超結(jié)結(jié)構(gòu)的截面圖

3、超結(jié)結(jié)構(gòu)開(kāi)關(guān)工作過(guò)程

超結(jié)型結(jié)構(gòu)工作原理及開(kāi)關(guān)工作過(guò)程如下。

（1）關(guān)斷狀態(tài)

垂直導(dǎo)電N區(qū)夾在兩邊P區(qū)中間，MOSFET關(guān)斷時(shí)，柵極電壓為0，柵極下面的P區(qū)不能形成反型層，沒(méi)有導(dǎo)電溝道。P柱區(qū)和垂直導(dǎo)電N區(qū)二側(cè)橫向形成反向偏置PN結(jié)，左邊P柱區(qū)和中間垂直導(dǎo)電N區(qū)形成PN結(jié)反向偏置，右邊P柱區(qū)和中間垂直導(dǎo)電N區(qū)形成PN結(jié)反向偏置，PN結(jié)耗盡層增大，并建立橫向水平電場(chǎng)。反向電壓足夠高時(shí)，P柱區(qū)底部和外延層N區(qū)也會(huì)形成PN結(jié)反向偏置，有利于產(chǎn)生更寬耗盡層，增加垂直電場(chǎng)。

中間垂直導(dǎo)電N區(qū)滲雜濃度和寬度控制得合適，就可以將其完全耗盡，這樣中間垂直導(dǎo)電N區(qū)就沒(méi)有自由電荷，內(nèi)部形成橫向矩形電場(chǎng)，且電場(chǎng)幅值非常高，只有外部電壓大于內(nèi)部橫向電場(chǎng)，才能將其擊穿，所以，這個(gè)區(qū)域耐壓非常高。

(a) 開(kāi)始建立耗盡層(b) 完全耗盡

圖8 橫向電場(chǎng)及耗盡層建立

（2）開(kāi)通狀態(tài)

柵極加上驅(qū)動(dòng)電壓時(shí)，柵極表面將積累正電荷，同時(shí)，吸引柵極氧化層下面P區(qū)內(nèi)部電子到P區(qū)上表面，將P區(qū)上表面空穴中和，形成耗盡層。隨著柵極電壓提高，柵極表面正電荷增強(qiáng)，進(jìn)一步吸引P區(qū)內(nèi)部更多電子到P區(qū)上表面，這樣，在P區(qū)上表面薄層，積累負(fù)電荷（電子）形成N型反型層，構(gòu)成電流通道，即溝道。由于更多負(fù)電荷在P區(qū)上表面積累，一些負(fù)電荷將擴(kuò)散進(jìn)入原來(lái)完全耗盡垂直導(dǎo)電N區(qū)，橫向耗盡層寬度越來(lái)越減小，橫向電場(chǎng)也越來(lái)越小。柵極電壓進(jìn)一步提高，柵極氧化層下面P區(qū)更寬范圍形成N型反型層溝道，電子不斷流入垂直導(dǎo)電N區(qū)，垂直導(dǎo)電N區(qū)回到初始滲雜狀態(tài)，形成低導(dǎo)通電阻的電流路徑。

(a) VGS加正電壓(b) VGS增加形成反型層

(c) VGS增加溝道建立(d) 溝道加寬完全導(dǎo)通

圖9 超結(jié)結(jié)構(gòu)導(dǎo)通過(guò)程

4、高壓浮島結(jié)構(gòu)

另外還有一種介于平面和超結(jié)結(jié)構(gòu)中間類(lèi)型，這種結(jié)構(gòu)內(nèi)部P區(qū)被N-外延層包圍，稱(chēng)為P型浮島結(jié)構(gòu)，電流密度低于超結(jié)型，高于普通平面工藝，抗雪崩能力強(qiáng)于超結(jié)結(jié)構(gòu)。

圖10 浮島結(jié)構(gòu)

這種結(jié)構(gòu)工作原理是在內(nèi)部浮島P區(qū)和N-外延層交接處形成耗盡層，將N-外延層三角形電場(chǎng)在中間位置提升，從而提高耐壓，這樣可以適當(dāng)減薄N-外延層厚度，降低導(dǎo)通電阻。

P型浮島需要在N-外延層內(nèi)部開(kāi)出較深溝槽，形成P型浮島結(jié)構(gòu)，然后，溝槽里面填充多晶硅，連接到源極，溝槽深度并沒(méi)有貫穿整個(gè)芯片厚度。溝槽深度越深，P型浮島結(jié)構(gòu)數(shù)量越多，耐壓越高，但成本增加。

制作過(guò)程使用多次外延或深溝槽工藝，多次外延層數(shù)遠(yuǎn)少于超結(jié)結(jié)構(gòu)，浮島結(jié)構(gòu)P型摻雜濃度控制沒(méi)有超結(jié)嚴(yán)格，只要保證在反向偏壓下不完全耗盡就可以，工藝成本低于超結(jié)結(jié)構(gòu)；另外，正向?qū)〞r(shí)，P型浮島浮空，不會(huì)向N-外延層注入非平衡少子，二極管特性好于超結(jié)結(jié)構(gòu)。