一種200V/100A VDMOS 器件開發

摘　要：分析了功率MOSFET 最大額定電流與導通電阻的關系，討論了平面型中壓大電流VDMOS器件設計中導通電阻、面積和開關損耗的折衷考慮，提出了圓弧形溝道布局以增大溝道寬度，以及柵氧下部分非溝道區域采用局域氧化技術以減小柵電容的方法，并據此設計了一種元胞結構。詳細論述了器件制造過程中的關鍵工藝環節，包括柵氧化、光刻套準、多晶硅刻蝕、P 阱推進等。流水所得VDMOS 實測結果表明，該器件反向擊穿特性良好，柵氧耐壓達到本征擊穿，閾值電壓2.8V，導通電阻僅25m Ω，器件綜合性能良好。

　　1 引言

　　功率金屬- 氧化物- 半導體場效應晶體管（MOSFET）、絕緣柵雙極晶體管（IGBT）、智能功率模塊（IPM）被譽為新型電力電子器件的代表，廣泛應用于工業控制、電力機車、家用電器、綠色照明、計算機、汽車電子等諸多領域。目前，我國功率MOSFET 產業已經初步形成，產品主要集中在60V~600V 中小電流范圍，對于200V/100A以上的中高壓大電流器件，尚未見到國產的成熟產品。這類器件主要應用于大功率DC-DC 換流器、同步整流、開關模式或諧振模式電源、DC 斬波器、電池充電等領域。基于揚州國宇電子有限公司5 英寸功率MOSFET 技術，本文提出了一種200V/100A VDMOS器件元胞結構，然后重點闡述了包括光刻、刻蝕、擴散等在內的關鍵制造工藝，最后對測試結果進行了分析。

　　2 器件結構

　　按照導電溝道相對于硅片表面的方向不同，功率MOSF ET 通常分為平面型VDMOS 和溝槽型TrenchMOS，二者均通過兩次擴散在柵氧一側形成長度不同的摻雜區域來構造導電溝道。由于溝槽刻蝕使得柵氧形成于縱向，極大地提高了硅片表面利用率，并消除了JFET 區，因而TrenchMOS器件橫向尺寸得以顯著減小，每平方厘米可達數千萬個元胞，其精細程度已進入深亞微米范疇。不過，由于溝槽底部拐點區域固有的電場集中效應，TrenchMOS 主要應用于數十伏的低壓領域，在150V~600V 的中高壓范圍內，平面型VDMOS 仍是主流。此外，平面型VDMOS 還具有工藝相對簡單、成品率高的特點。

　　正向導通狀態下，功率MOSFET 最大額定電流主要受限于功率耗散，即：

　　其中Pd 為功率耗散，RDS(on)為導通電阻，TJ(max)、T 分別為器件允許的最高工作溫度和實際工作溫度，RthJC 為器件熱阻，與封裝有關。可見，導通電阻是最大額定電流的決定性因素之一，在器件綜合性能允許的情況下，最大程度地降低導通電阻是器件設計的關鍵環節，也是功率MOSFET 自上世紀八十年代出現以來，工程師們持之以恒的追求。2009年8月，美國Fairchild 公司開發出世界上首只導通電阻小于1m Ω的功率MOSFET，最大額定電壓/ 電流為30V/60A，主要得益于高密度溝槽柵技術的采用使得單位面積內有更多元胞并聯，增大了溝道總有效寬度，從而顯著地減小了以溝道電阻為主的導通電阻。

　　對于中高壓平面型VDMOS 器件來說，增加元胞數量以減小導通電阻也是有效的方式，一方面可以減小漂移區電阻和JFET 區電阻，另一方面也增大了總的溝道有效寬度，盡管溝道電阻可能不再是主要矛盾。不過，元胞數量的增加必然增大器件面積，最終受限于由柵電容決定的開關損耗， 因此，VDMOS 器件設計需要折衷考慮導通電阻和開關損耗，對外延層厚度、摻雜濃度、元胞結構、柵氧厚度、面積等參數進行優化。對于一定的阻斷電壓，采用增大元胞內溝道寬度以減小溝道電阻、增大多晶覆蓋下的非溝道區域柵氧厚度以減小柵電容是減小器件功率耗散的有效途徑。

　　設計的器件元胞結構如圖1 所示，圖1（a）為元胞俯視圖，圖1（b）為A-A 處剖面示意圖，其中LOCOS 為局域氧化區，POLY 為多晶硅覆蓋區，CH為歐姆接觸孔，GOX為柵氧，PSG為磷硅玻璃，N+、N-、P- 分別為N型高摻雜區、N 型低摻雜區、P 型低摻雜區。圖1（a）中多晶覆蓋區邊緣呈圓弧形，其溝道呈放射狀分布，具有比直線型排列溝道更大的寬度。

圖1 200V/100A VDMOS 器件元胞結構示意圖