高频控制开关用沟槽MOSFET的研究

王翠霞1,许维胜1,谢福渊2,陈炬2,吴启迪1

(11同济大学,上海200092;21FORCE MOS技术有限公司,中国台北000300)摘要:高频控制开关用功率器件要同时具备极低的导通电阻和栅漏电荷值,从而降低导通损耗和开关损耗。基于器件与工艺模拟软件TsupremI V和Medici,研究了工艺参数和设计参数对沟槽MOSFET器件击穿电压、比导通电阻和栅漏电荷的影响,优化设计了耐压30V的开关用沟槽MOSFET器件。对栅极充电曲线中平台段变倾斜的现象,运用沟道长度调制效应给出了解释。

关键词:沟槽MOSFET;器件优值;沟道长度调制效应;栅2漏电荷

中图分类号:T N38611　　文献标识码:A　　文章编号:10032353X(2009)0320236204

R esearch on Trench MOSFET for H igh2Frequent Control Switch Wang Cuixia1,Xu Weisheng1,Hshieh F wuluan2,Chen Ju2,Wu Qidi1 (11Tongji Univer sity,Shanghai200092,China;21Force MOS Technology Co1,Ltd1,Taipei000300,China)

Abstract:The power device used as high frequent control switch requires lower on2resistance and lower gate2drain charge to deduce the conduction loss and switch loss1Based on T C AD of Tsuprem I V and Medici, the effects of the process and design parameters on the performance(BV,R on,sp and Q gd)of power trench MOSFET were investigated,and the figure of merit of30V n2channel trench MOSFET was optimized.The phenomena that the mesa stage was declining in the gate charge curve was explanted by the effect of the channel length m odulation.

K ey w ords:trench MOSFET;figure of merit(FOM);channel length m odulation(C LM)effect; gate2drain charge

EEACC:2560P

0　引言

功率沟槽MOSFET因其功耗低和速度快而优于其他低压功率MOSFET,成为通信、自动控制和消费电子等高中低频能量转换领域的后起之秀[122]。整流开关用的MOSFET,导通损耗要小,即比导通电阻要小;而控制开关用的MOSFET,开关损耗要小,即栅漏电荷Q gd要小。高频控制开关用MOSFET尤其要具有极低的栅漏电荷,提高器件的频率响应特性和开关速度,降低动态功耗。

本文采用器件与工艺模拟软件Tsuprem I V和medici研究了工艺参数对沟槽MOSFET的三个关键指标的影响,得到了耐压大于30V、FOM为2614mΩ・nC的控制开关MOSFET;针对栅极充电曲线中平台段变倾斜的现象,运用沟道长度调制效应给出了解释。

图1　沟槽M OSFET结构图

Fig11　C onstructure of the trench M OSFET

1　沟槽MOSFET的关键参数

沟槽MOSFET的结构如图1所示。在低电阻率

器件制造与应用　　

M anu facturing and Application of Device　　　

基金项目:国家“863”计划引导项目(2006AA05Z211)

衬底上外延轻掺杂的n 型外延层形成耐压层,开沟

槽后沟槽表面氧化生成栅氧,沟槽内淀积多晶硅形成栅电极,源电极在器件上表面,漏电极为衬底表面。图中T d 为沟槽深度,W d 为外延层的厚度,pitch 为单位元胞,W mesa 为平台宽度。从该结构知沟槽MOSFET 没有J FET 效应,故性能得到提高。

沟槽MOSFET 的导通电阻由沟道电阻、外延层电阻和接触电极电阻构成,低压功率器件中,外延层电阻所占比重略少,沟道电阻和接触电阻占导通电阻的比重较大。沟槽MOSFET 通过元胞的高密度并联,减小导通电阻,从而降低导通损耗。

MOSFET 的频率响应特性由寄生电容C gs 、

C gd 、C ds 决定,其中C gd 在输入与输出间起到反馈

作用,会大大降低器件的频率响应特性[3],所以要提高频率响应特性,减小该电容值是非常必要的。

沟槽MOSFET 的三个关键指标为击穿电压V B 、比导通电阻R on ,sp 和栅漏电荷Q gd ,其中R on ,sp 反映了器件的导通损耗,Q gd 基本决定了器件的开关损耗,一般采用器件优值FOM [4]来综合衡量同一耐压等级下器件的导通损耗和开关损耗的折衷情况,计算公式为

FOM =R on ,sp ×Q gd

(1)2　模拟结果与分析

器件的基本参数为衬底掺As ,电阻率为

112m Ω・cm ,外延层电阻率为014Ω・cm ,栅氧厚度为70nm ;沟道区掺B ,元胞为条形结构,间隔016μm 并联。栅漏电荷测试电路如图2所示,漏源端电压为30V ,漏端电流I DC 为30A ,栅充电电流为0101A ,测试采用的沟槽MOSFET 的宽度为600000μm

。

图2　栅漏电荷测试电路

Fig 12　T est circuit of the gate 2drain charge

211　外延层的厚度对器件性能的影响

外延层是功率器件的耐压层,其厚度主要决定

了器件的耐压特性和导通电阻。对掺杂均匀的外延层,做一维近似分析,击穿电压和外延层电阻与外延层厚度W d 的关系为[5]

V B =

E (x )d x =E c

W

d

-

qN B εs

-W 2

d

2Θ(2)式中:N B 为外延层掺杂浓度;E c 为临界电场;εs 为介电常数。

R on (drift )=W d q

μn N B L d (3)

式中:L d 是外延层宽度;μn 为电子迁移率;N B

为外延层掺杂浓度。

根据式(2)可知,外延层厚度W d 增大,电场强度对W d 的积分值大,器件的耐压值增高,从式(3)可推出外延层厚度W d 增大,R on ,sp 也增加,与图3(a )中V B 和R on ,sp 随W d 的变化一致;外延层厚度W d 变化过程中栅漏重叠的面积没有变化,C gd 几乎不变,因此Q gd 与Q g 几乎不变。此时的

FOM 的变化主要由R on ,sp 的变化引起,外延层越

厚,FOM 越大(见图3(b ))。增加外延层厚度是最直接增大耐压值的方法,但同时也增大了比导通

电阻,设计中采用的外延层厚度是能够满足耐压和漏电流的最小值

。

(a )对击穿电压、

导通电阻的影响

(b )对栅电荷、栅漏电荷和器件优值的影响

图3　外延层的厚度对器件的击穿电压、导通电阻、

栅电荷、栅漏电荷和器件优值的影响

Fig 13　In fluence of the epitaxy thickness on the V B ,R on ,sp ,

Q g ,Q gd and FOM of device

212　沟道离子注入的剂量对器件性能的影响

沟道离子浓度主要决定了器件的比导通电阻和

王翠霞　等:高频控制开关用沟槽M OSFET 的研究

阈值电压,由图4(a )可知,沟道离子的注入剂量对击穿电压的增大不明显。但随着沟道离子注入剂量的增加,V th 增大(见式(4)[5]),据式(5)可知剂量的增大也使沟道电阻增大,进而增加了比导通电阻

。

(a )对击穿电压、

导通电阻的影响

(b )对栅电荷、栅漏电荷和器件优值的影响

图4　沟道离子注入的剂量N 对器件的击穿电压、导通电阻、栅电荷、栅漏电荷和器件优值的影响Fig 14　In fluence of the channel im purity dose on the V B ,

R on ,sp ,Q g ,Q gd and FOM of device

沟道离子注入剂量增加,使源漏结均向里推进,C gs 与C gd 均减小,故Q g 有较明显的减小,而对Q gd 的影响不是很明显。FOM 随R on ,sp 的变化而变化(见图4(b ))。尽管沟道离子注入剂量较大时,Q g 可以减少,驱动功耗降低,但此时器件的阈值电压也增大,不利于器件的开启,且导通电阻过大,故沟道离子注入剂量宜适中。

V th =V F B +2 F B +2

(qN A εs F B )

12

C OX

(4)R ch =

1

β(V G -V th )

(5)

经典的栅极充电曲线的平台段是平的,实际上平台段大多是倾斜的,其原因是存在沟道长度调制效应。导电沟道越短,沟道长度调制效应就越明显。当V ds 增大时,沟道长度变短,电场变强,引起电流的增加。这一过程在充电曲线上的表现是器件导通后,密勒电容和栅源电容同时充电,充电曲线的平台段向上倾斜,V gs 略微增大,当完成密勒电容充电后,栅源电压因维持不变的I D 继续增加,

直至达到器件的稳定线性工作点。213　平台宽度

降低元胞尺寸也是降低FOM 的重要方法,元胞尺寸取决于平台宽度和沟槽宽度。沟槽宽度因受工艺,故可以通过缩小平台宽度来降低元胞尺寸。当平台宽度太小时,其击穿点发生在沟槽拐角处,使该处的Si 承受大的电场强度而过早击穿,平台宽度过大时击穿点将移至源极电极下与其平行的pn 结处,也会导致击穿电压的下降。

实际工艺中,为保证源与体的共用电极为欧姆接触,该电极底部进行了高浓度p 型离子注入,同时也防止寄生晶体管的开启。该p 结和沟道与外延

层一起形成pn 结。当平台的宽度太小时,电极底部的p +结靠近栅,形成高浓度沟道层。图5(a )中,当平台宽度为014μm 时,器件的比导通电阻增大,耐压值降低,且器件阈值电压增大,此时沟道调制效应减至最小,平台宽度增大,耐压值增大,电阻降低,栅漏电荷基本不变(见图5(b ))。故而平台宽度要适当小,但要保证源电极底部的p +结不触及沟道

。

(a )对击穿电压、

导通电阻的影响

(b )对栅电荷、栅漏电荷和器件优值的影响

图5　平台宽度对器件的击穿电压、导通电阻、

栅电荷、栅漏电荷和器件优值的影响

Fig 15　In fluence of the mesa width on the V B ,R on ,sp ,Q g ,

Q gd and FOM of device

3　沟槽深度

当器件栅极电压大于阈值电压时,沟道强反

王翠霞　等:高频控制开关用沟槽M OSFET 的研究

型,器件开始导通,靠近栅极的漏极表面因栅极的

正电压感应出一层高浓度的积累层,电流从漂移区汇聚进入沟道区。该区域因电子浓度很高,电阻低,大部分的电流是通过累积层流入沟道区,随着沟槽加深积累层的长度也增加,积累层高浓度电子区域深入外延层越深,器件的比导通电阻R on ,sp 就越小。但沟槽变深时,沟槽底部与高浓度衬底之间的漂移区变窄,在施加漏源电压后,势垒区展宽,受到高浓度衬底的阻挡,沟槽底部等势线密度提高,且沟槽拐角处电势分布梯度变大,在沟槽底部及拐角处电场强度增大,导致器件的耐压下降(见图6(a ))

。

(b )对栅电荷、栅漏电荷和器件优值的影响

图6　沟槽深度对器件的击穿电压、导通电阻、

栅电荷、栅漏电荷和器件优值的影响

Fig 16　In fluence of the trench depth on the V B ,R on ,sp ,Q g ,

Q gd and FOM of device

(a )对击穿电压、导通电阻的影响

栅沟槽深度的加深使得栅漏电容的极板增大,从而使栅2漏电容C gd 增大,在同样的电源电压下,栅漏电容C gd 所充的电量Q gd 将增大。图6(b )是不同栅沟槽深度对栅漏电荷Q gd 、比导通电阻R on ,sp 和优值R on ,sp ×Q gd 的影响。从图中可以看出,沟槽浅的器件,因栅2漏电容C gd 较小,Q gd 也较小,当沟槽深度为013μm 时,Q gd 为2nC/mm 2;沟槽深度增加到015μ

m 时,Q gd 增加到5nC/mm 2,此时比导通电阻R on ,sp 下降了近29%。但从器件优值来

看,FOM 还是从1614m Ω・nC 增大到3314m Ω・nC ,

增大了3倍。主要原因是栅漏电容的增大。因此减

小沟槽深度、降低栅漏电容是减小器件优值FOM 和提高器件效率最有效的方法。不过该方法也会引起漏电流的增大。整流开关MOSFET 长时间工作在导通状态,可采用低通态电阻的深沟槽结构,而控制开关MOSFET 更多地处于高频开关状态,应在漏电流允许的范围内,选用较浅的沟槽深度结构。

本设计控制开关的MOSFET 采用014μm 的沟槽

深度,得到的FOM 为2614m Ω・nC 。

4　结论

本文对高频控制开关用功率沟槽MOSFET 的研

究得出结论:外延层厚度主要影响器件的耐压和比导通电阻,沟道离子注入剂量主要影响了比导通电阻和栅漏电荷;对于整流开关MOSFET ,在满足阈值电压的情况下可选用小的注入剂量,降低导通损耗,作为控制开关MOSFET ,应选用适中的沟道注入剂量;平台宽度主要影响击穿电压和比导通电阻,沟槽深度对沟槽MOSFET 的三个参数影响都较大。本设计中整流开关MOSFET 可采用低通态电阻的深沟槽结构,而控制开关MOSFET 则宜采用低栅漏电容的浅沟槽结构。参考文献:

[1]HSHIEH F I (谢福渊).High density trenched DM OS

transistor :US Patent ,56128[P].1997202227.

[2]M AH A LI NG AM S.T rench M OS based power devices with

graded doped profile [D].US A :N orth Carolina S tate University ,1999.

[3]沈伟星,冉峰.基于T C AD 的低压沟槽M OSFET 栅漏电荷

的研究[J ].微计算机信息,2O07,23(26):2972299.

[4]姚丰,何杞鑫.一种新型低压功率M OSFET 结构分析[J ].

半导体技术,2005,30(11):53256.[5]陈星弼.功率M OSFET 与高压集成电路[M].南京:东南

大学出版社,1990:1392156.

(收稿日期:2008210206

)

作者简介:

王翠霞(1976—

),女,内蒙古临河市人,同济大学半导体与信息技术研究所讲师,目前主要从事功率器件和ES D 的研究;

许维胜(1966—

),男,山东德州人,教授,博导,主要从事控制理论与控制工程、计算机应用技术、功率IC 等的研究。

王翠霞　等:高频控制开关用沟槽M OSFET 的研究