优化栅的VDMOS器件结构及特性简析

　　垂直双扩散MOSFET(VDMOS)由于具有独特的高输入阻抗、低驱动功率、高开关速度(多子导电器件)、优越的频率特性及低噪声等特点。目前市场上使用较多的主要是N沟道增强型VDMOS产品，其也是目前各半导体公司开发生产的主流功率MOSFET产品。VDMOS器件是由无数个结构相同或相似的源胞并联而成，每一个源胞就是一个最小的VDMOS结构单元，该结构中N++衬底上外延生长一层N-外延层，在N-外延层上生长薄薄的一层栅氧化层，在栅氧化层上淀积形成POLY(多晶硅)，通过自对准工艺加工形成PBODY阱区，在阱区内加工形成N+源区后，淀积生长PSG(磷硅玻璃)钝化层，之后通过金属化互联形成源极S与栅极G，最后背面金属化形成背面漏极D，这样就构成了一个完整的VDMOS源胞结构。当器件工作时，在器件栅源之间施加一定的栅源电压Vgs，达到器件开启电压Vth后，其栅极氧化层下会形成一层电子积累层，使沟道区域反型，在源极S与漏极D之间建立低阻的导电通道，形成S与D之间的电流通路。

　　VDMOS的器件结构

　　1. 器件的纵向结构

　　为了改善VDMOS器件的开关特性，令其更适合高频工作，则需要提高器件的开关速度，因此在VDMOS的产品设计上要求进一步减少器件的各种寄生电容。在各种寄生电容中，栅电容的减少是在设计及工艺加工过程中最容易控制的措施，常规的办法是加厚多晶硅栅极下面非沟道区域的氧化层厚度，一般由几百Å(10-10 m)增加到几千甚至是一万Å左右。采用这种方法可以大大减少多晶硅栅极下的寄生电容，从而提高器件的开关速度。但事物总是具有两面性的，在增加栅下氧化层厚度、减少栅寄生电容的同时，也带来了开通时导通电阻的增加。因此通常在一般纵向结构的基础上采用多层外延结构，从而达到在不改变器件反向击穿电压BVdss的情况下，进一步减少器件电阻的目的。

　　2. 器件的横向结构

　　目前市场产品根据电流大小的不同分为单栅极条、双栅极条以及多栅极条结构。按各家公司的产品电流设计，在3A以下的电流产品采用的多是单栅极条结构;在3~10A的电流范围内采用的是双栅极条结构;在10A以上应用中采用的则是多栅极条版图结构。在源胞结构上，现有产品以方形源胞、条形源胞结构为主。从理论上来讲条形源胞结构具有输入电容小、导通电阻小和接触面积大有利于减少寄生效应等优势，因此条形源胞将是后续产品的主要结构。

　　3. 终端结构

　　目前功率VDMOS结终端保护技术主要有场扳(FP)、场限环(FLR)、结终端扩展(JTE)以及横向变掺杂(VLD)等。其中FP和FLR组合使用是一种改善表面击穿特性常用的有效方法。FP可以有效地抑制表面电荷引起的低击穿，FLR则可以减缓平面结曲率效应造成的PN结击穿，且结构简单，工艺兼容性好，因此将FP和FLR结合使用可以提高功率MOSFET的整体耐压性能。目前，多数公司的VDMOS产品采用的是p+分压环、多晶场板和金属场板相结合的复合终端结构。

　　国产VDMOS器件产品性能

　　1. 参数特性

　　目前市场上的VDMOS器件主要是低中压产品，耐压范围30~900V，阈值电压在2~4V，电流范围为1~20A。由于更高电压的VDMOS器件的导通电阻会很大，则在大于900V的情况下一般均采用绝缘栅双极型晶体管器件(IGBT)。国内VDMOS的常规设计一般是参考国际上功率器件巨头公司IR和Fairchild相关产品的规格，经各家公司优化自有产品的常规参数，以达到优于IR和Fairchild的指标。

　　2. EAS能力

　　单脉冲雪崩能量(EAS)定义了单次雪崩状态下器件能够消耗的最大能量，是代表器件强健能力的重要指标。

　　从测试电路上来看，器件导通时电流从VDD经电感流过VDMOS到地。此时如果突然关断器件，电流突变减小，电感中蓄积的能量需要释放掉，会使电感在靠近VDMOS的漏极D产生一个很大的感应电动势，当感应电动势超过器件中寄生的PN结二极管的击穿电压时，VDMOS就会被反向击穿。此时的电流被迫仍然从VDMOS流过，大电流高电压使器件内部功耗增大，温度上升，最终导致器件损坏。EAS就是评估器件承受反向耐量大小的可靠性指标。

　　影响EAS能力的因素有很多，器件的设计以及工艺条件等方面因素均会对器件的EAS性能产生较大影响。国内的一些公司经过对影响EAS各种因素的长期研究，在器件相关性能上已经达到进口器件的标准。

　　总结

　　目前国内功率器件产品还是以Bipolar为主，VDMOS在最近几年才逐渐开始大规模生产，主要还是以平面栅结构为主。目前国内研发生产技术更新速度很快，使得国内产品质量逐渐提高，与国外进口产品在性能上的差距逐渐减少;同时由于国内生产VDMOS器件的人工成本低并且还有政府政策上的大力扶持(高新技术企业补贴及一些退税、免税政策等)，因此国内产品在相同性能下具备巨大的成本优势。低成本必然带来价格上的竞争强势，并吸引大量VDMOS终端使用客户的注意力，终端市场的拉动将促进整个VDMOS行业在国内的快速发展。