一种200V/100A VDMOS 器件开发

  摘　要：分析了功率MOSFET 最大额定电流与导通电阻的关系，讨论了平面型中压大电流VDMOS器件设计中导通电阻、面积和开关损耗的折衷考虑，提出了圆弧形沟道布局以增大沟道宽度，以及栅氧下部分非沟道区域采用局域氧化技术以减小栅电容的方法，并据此设计了一种元胞结构。详细论述了器件制造过程中的关键工艺环节，包括栅氧化、光刻套准、多晶硅刻蚀、P 阱推进等。流水所得VDMOS 实测结果表明，该器件反向击穿特性良好，栅氧耐压达到本征击穿，阈值电压2.8V，导通电阻仅25m Ω，器件综合性能良好。

　　1 引言

　　功率金属- 氧化物- 半导体场效应晶体管（MOSFET）、绝缘栅双极晶体管（IGBT）、智能功率模块（IPM）被誉为新型电力电子器件的代表，广泛应用于工业控制、电力机车、家用电器、绿色照明、计算机、汽车电子等诸多领域。目前，我国功率MOSFET 产业已经初步形成，产品主要集中在60V~600V 中小电流范围，对于200V/100A以上的中高压大电流器件，尚未见到国产的成熟产品。这类器件主要应用于大功率DC-DC 换流器、同步整流、开关模式或谐振模式电源、DC 斩波器、电池充电等领域。基于扬州国宇电子有限公司5 英寸功率MOSFET 技术，本文提出了一种200V/100A VDMOS器件元胞结构，然后重点阐述了包括光刻、刻蚀、扩散等在内的关键制造工艺，最后对测试结果进行了分析。

　　2 器件结构

　　按照导电沟道相对于硅片表面的方向不同，功率MOSF ET 通常分为平面型VDMOS 和沟槽型TrenchMOS，二者均通过两次扩散在栅氧一侧形成长度不同的掺杂区域来构造导电沟道。由于沟槽刻蚀使得栅氧形成于纵向，极大地提高了硅片表面利用率，并消除了JFET 区，因而TrenchMOS器件横向尺寸得以显着减小，每平方厘米可达数千万个元胞，其精细程度已进入深亚微米范畴。不过，由于沟槽底部拐点区域固有的电场集中效应，TrenchMOS 主要应用于数十伏的低压领域，在150V~600V 的中高压范围内，平面型VDMOS 仍是主流。此外，平面型VDMOS 还具有工艺相对简单、成品率高的特点。

　　正向导通状态下，功率MOSFET 最大额定电流主要受限于功率耗散，即：

　　其中Pd 为功率耗散，RDS(on)为导通电阻，TJ(max)、T 分别为器件允许的最高工作温度和实际工作温度，RthJC 为器件热阻，与封装有关。可见，导通电阻是最大额定电流的决定性因素之一，在器件综合性能允许的情况下，最大程度地降低导通电阻是器件设计的关键环节，也是功率MOSFET 自上世纪八十年代出现以来，工程师们持之以恒的追求。2009年8月，美国Fairchild 公司开发出世界上首只导通电阻小于1m Ω的功率MOSFET，最大额定电压/ 电流为30V/60A，主要得益于高密度沟槽栅技术的采用使得单位面积内有更多元胞并联，增大了沟道总有效宽度，从而显着地减小了以沟道电阻为主的导通电阻。

　　对于中高压平面型VDMOS 器件来说，增加元胞数量以减小导通电阻也是有效的方式，一方面可以减小漂移区电阻和JFET 区电阻，另一方面也增大了总的沟道有效宽度，尽管沟道电阻可能不再是主要矛盾。不过，元胞数量的增加必然增大器件面积，最终受限于由栅电容决定的开关损耗， 因此，VDMOS 器件设计需要折衷考虑导通电阻和开关损耗，对外延层厚度、掺杂浓度、元胞结构、栅氧厚度、面积等参数进行优化。对于一定的阻断电压，采用增大元胞内沟道宽度以减小沟道电阻、增大多晶覆盖下的非沟道区域栅氧厚度以减小栅电容是减小器件功率耗散的有效途径。

　　设计的器件元胞结构如图1 所示，图1（a）为元胞俯视图，图1（b）为A-A 处剖面示意图，其中LOCOS 为局域氧化区，POLY 为多晶硅覆盖区，CH为欧姆接触孔，GOX为栅氧，PSG为磷硅玻璃，N+、N-、P- 分别为N型高掺杂区、N 型低掺杂区、P 型低掺杂区。图1（a）中多晶覆盖区边缘呈圆弧形，其沟道呈放射状分布，具有比直线型排列沟道更大的宽度。

图1 200V/100A VDMOS 器件元胞结构示意图 [p]

　　3 工艺流水

　　根据扬州国宇电子有限公司现有多晶硅栅自对准工艺，制定了如下工艺流程：

　　备片→薄氧氧化→ SiN 淀积→一次光刻→刻蚀→场氧化→ SiN 剥离→栅氧氧化→多晶硅淀积→ 多晶硅掺杂→二次光刻→多晶硅刻蚀→中剂量硼（P-）注入→三次光刻→大剂量硼（P+）注入→ P 阱推进→四次光刻→大剂量磷（N+）注入→PSG淀积→PSG致密→五次光刻→接触孔刻蚀→金属化→ 六次光刻→金属刻蚀→合金→钝化介质淀积→七次光刻→刻蚀→原片减薄→背面金属化→测试上述流程中，栅氧化、第三、四、五次光刻与第二次光刻套准、多晶硅刻蚀、P 阱推进等为关键工艺，需要重点监控，其余工艺均相对成熟。

表1 栅氧化工艺条件

　　3.1 栅氧化

　　质量较好的栅氧，其击穿特性为本征击穿，通常厚度为10nm的氧化层其击穿电压需达到8V以上。

　　除了热氧化工艺本身外，氧化前处理也是重要环节。

　　此处采用SC3 液和HF溶液处理，完成后冲水、甩干，入扩散炉管进行热氧化，加工条件如表1 所示。氧化完成后，用膜厚仪测试得到膜厚平均值为100 ±3nm，均匀性良好。

　　3.2 光刻套准

　　平面型VDMOS N+ 源区、P+ 注入区、欧姆接触孔等位置在元胞内通常呈中心对称，如图1 所示，这是器件电学特性一致性和可靠性的要求。由于自对准工艺采用多晶硅刻蚀后的图形作为P- 注入掩蔽，其后的N+ 注入掩蔽需要位于多晶硅刻蚀窗口的中心位置，P+ 注入光刻和欧姆接触孔光刻后形成的窗口也需要位于该区域中心。上述要求除了版图设计时的精确度量以外，加工过程中的实际套准也至关重要。通常采用数套游标图形以监控光刻工艺中的套准，本次设计采用第三、四、五图层游标对套第二层游标的方法，光刻显影后的实际套准状况如图2所示。可见第四次光刻（NLS）与第二次光刻（PLY）套准良好，X 和Y 方向的误差不超过0.1 μm。第三层与第五层也有类似结果，此处不再一一列出。

图2 NLS 光刻与PLY光刻套准游标

　　3.3 多晶硅刻蚀

　　多晶硅栅自对准工艺要求作为P- 注入掩蔽的多晶硅覆盖区边缘光滑、侧壁陡直，因此通常采用干法刻蚀工艺形成多晶硅刻蚀窗口，其中刻蚀气氛、射频功率、真空度等条件对刻蚀速率、均匀性、各项异性效果影响很大。采用HITACHI M-206 II 设备，首先以一定比例SF6 和CHF3 混合气体去除多晶硅表面氧化层，然后用Cl2 和HBr 混合气体刻蚀多晶硅及部分栅氧层。由图3 可见，采用上述条件刻蚀多晶硅，可以得到接近87°的侧壁角度，表面光滑齐整；尤其重要的是，刻蚀完成后的剩余栅氧厚度较为均匀，控制在500 ± 50 μm 的范围，有利于后续P- 和N+ 注入的均匀性。

 

图3 干法刻蚀多晶硅图片

　　3.4 P阱推进

　　导电沟道形成于P 阱表面，该处杂质分布是决定器件阈值电压的关键参数之一，而且，P 阱深度及杂质扩散轮廓与元胞和场限环击穿电压密切相关，也是器件抗雪崩击穿能力的决定性参数。尽管设计良好的器件对于P 阱推结工艺有一定容差，此工序仍应重点监控。采用1150℃，纯N2条件下推进330min，得到的结深约6.5 μ m，扩展电阻法测试结果如图4所示。

图4 P 阱扩展电阻测试曲线 [p]

　　4 测试结果

　　流水所得芯片如图5 所示，面积14400 μ m ×10800μm，其中左边两个角上深色方块为栅极压点，中间区域七个深色图形为源极压点。采用JU NODTS1000 系统测试结果如表2 所示，各参数良好，其中RDS(on)和Vsd 均为脉冲测试。图6 为元胞扫描电镜图片，其中N 阱、P 阱及多晶硅下的“鸟嘴”清晰可见，后者显着减小了该区域栅电容。图7、图8 分别为Tektronics 371 晶体管图示仪测试所得漏源击穿电压和栅源耐压波形，可见器件漏源击穿特性良好，栅源耐压大于83V，达到本征击穿。

 

图5 200V/100A芯片照片

 

图6 元胞扫描电镜分析

图7 漏源击穿电压波形

图8 栅源耐压波形

表2 200V/100A VDMOS器件参数测试结果

　　5 结论

　　本文采用圆弧形分布沟道与局域氧化相结合的方法开发出一种200V/100A VDMOS器件，在一定程度上解决了器件导通电阻改善与开关损耗增大的矛盾。对流水过程中的关键工艺进行了监控，所得器件具有较好的综合性能， 为国产大电流功率MOSFET 器件研发探索出一条途径。