600V功率MOSFET器件的元胞结构研究

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功率MOSFET具有输入阻抗高、驱动功率低、开关速度快、频率特性好以及热稳定性高等优点,获得越来越广泛的应用。市场的广泛应用,对MOSFET产品提出更高的要求。功率MOSFET的发展方向仍然是继续提高器件的性能参数指标(高耐压、低导通电阻、低电容)。节能减排的需求需要降低器件的功率损耗。功率损耗包括开关损耗和导通损耗。栅漏电容Cgd越低的器件,开关损耗低,还能在高频中应用。器件导通电阻Rds,on越小,导通时的损耗越小。由于导通电阻与击穿电压的矛盾,使得高压领域的应用中,保持耐压的情况下,降低导通电阻,成为MOSFET技术发展的关键。本文主要是对高压器件的元胞进行研究。首先对传统的高压600V功率VDMOS器件进行优化设计。然后对器件结构进行改进,优化栅漏电容;最后研究半超结结构器件。通过工艺的调节,模拟出导通电阻低,耐压高的半超结结构器件模型。具体的研究内容如下:(1)根据单边突变结击穿理论,计算出重要的纵向结构参数,通过仿真选取出了最合适的外延厚度65μm,优化栅极宽度WG,选取出了满足耐压要求时,特征电阻最小的栅极宽度WG=5μm。(2)为了满足高频化的需求以及降低开关损耗,对VDMOS结构运用两种方法优化栅漏电容Cgd。在栅极下面增加SiO2层的厚度,增大多晶硅栅与漏区重叠的距离,可以减小Cgd。通过这种方法Cgd可以减小39.15%,击穿电压保持不变会略微增大7.4%的特征电阻;在栅极下面淀积厚多晶硅层,通过优化可以减小98.03%的栅漏电容,栅漏电容相当于是传统VDMOS结构的五十分之一,并且保持特征电阻基本不变还能提升6.18%的耐压值,一定程度上缓和了电阻与耐压的矛盾。(3)超结器件能够打破特征电阻与击穿电压的矛盾,为了减小工艺复杂度,本文通过对多次外延进行Boron离子注入扩散的方法建立半超结器件模型,对Boron离子注入掩膜宽度、Boron离子注入浓度进行调节并增大外延浓度,最终优化出性能良好的半超结器件,与VDMOS结构相比,栅漏电容Cgd减小了87.8%,特征导通电阻减小了20.6%,击穿电压增大了16.7%,半超结器件获得了优良的性能。
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