低Rds(on) P溝道技術(shù)

電子設(shè)計(jì)應(yīng)用2003年第5期

功率MOSFET常用于便攜
    和無(wú)線(xiàn)產(chǎn)品中，其應(yīng)用
    包括電池保護(hù)、負(fù)載管理和DC-DC轉(zhuǎn)換等。對(duì)于這些應(yīng)用，功率MOSFET最重要的特性便是其漏極－源極導(dǎo)通電阻Rds(on)。Rds(on)較小的功率MOSFET能夠延長(zhǎng)電池壽命，提高功率轉(zhuǎn)化效率。同時(shí)，便攜產(chǎn)品(如手機(jī)以及PDA等)的尺寸也在縮小，因此需要減小功率MOSFET的封裝尺寸。近年來(lái)，為同時(shí)減小Rds(on)和封裝尺寸，生產(chǎn)這些功率MOSFET的硅技術(shù)有了很大的改進(jìn)，
功率MOSFET是典型的立式器件，漏極位于芯片的底部，源極和柵極位于上部表面。功率MOSFET經(jīng)兩次擴(kuò)散過(guò)程制成，先進(jìn)行一次體擴(kuò)散(也稱(chēng)為“基極”擴(kuò)散)，然后進(jìn)行源極擴(kuò)散。為獲得大溝道寬度，功率MOSFET的設(shè)計(jì)使用了大量并行連接的單元塊。雖然每個(gè)單元的溝道寬度很小，并行連接數(shù)千個(gè)到數(shù)百萬(wàn)個(gè)單元，就能得到具有極大溝道寬度的晶體管了。由于MOSFET的Rds(on)與它的溝道寬度成反比，而載流容量與溝道寬度成正比，這樣就制成了一個(gè)Rds(on)小且載流容量高的MOSFET。因此，功率MOSFET兩個(gè)重要的設(shè)計(jì)特性便是其“單元密度”(定義為單位面積中的單元個(gè)數(shù))以及“溝道密度”(定義為MOSFET中單位面積的溝道寬度)。
圖1所示為功率MOSFET的一種，稱(chēng)為平面功率MOSFET。在平面功率MOSFET中，體擴(kuò)散在公共漏極區(qū)域中形成盆狀。電流從源極流出，經(jīng)過(guò)硅上部表面形成的溝道，然后垂直流過(guò)漏極，到達(dá)晶片的底部。在這種結(jié)構(gòu)中，相鄰體擴(kuò)散之間的間隔不能做的很小，因?yàn)檫@樣會(huì)導(dǎo)致盆之間的JFET區(qū)域被夾斷，致使Rds(on)增大。因此，平面功率MOSFET的單元密度受其溝道長(zhǎng)度以及相鄰體擴(kuò)散之間間隔的限制。直到最近，市場(chǎng)上大多數(shù)功率MOSFET都是平面功率MOSFET。
另一種類(lèi)型的功率MOSFET為溝道功率MOSFET，如圖2所示，這種MOSFET近幾年已經(jīng)越來(lái)越流行。與平面功率MOSFET不同，溝道MOSFET的溝道是在蝕刻于硅上的溝道邊墻上垂直形成的。溝道從硅的上部表面穿過(guò)源極和體擴(kuò)散，一直延伸到漏極區(qū)域。由于溝道是垂直形成的，在體擴(kuò)散之間沒(méi)有間隔限制，所以溝道MOSFET能夠達(dá)到的溝道密度比平面功率MOSFET高得多。因此，對(duì)于給定的芯片尺寸，溝道功率MOSFET能夠獲得大大小于平面功率MOSFET的Rds(on)。這改善了Rds(on)的性能，然而由于過(guò)程變得復(fù)雜，成本較之平面功率MOSFET也有所提高。
近幾年來(lái)，Rds(on)極小的溝道MOSFET已經(jīng)面市，應(yīng)用于諸如SO-8、TSSOP-8等的封裝中。然而，由于近來(lái)便攜和無(wú)線(xiàn)應(yīng)用中的封裝尺寸有越來(lái)越小的趨勢(shì)，這些相對(duì)較大的封裝正被TSOP-6、ChipFET(1)及SC-88等較小的封裝所取代。由于能夠放入這些小尺寸封裝中的芯片尺寸也較小，這就增大了MOSFET的Rds(on)。因此，我們需要一種能形成較小Rds(on)的溝道技術(shù)。最近，安森美開(kāi)發(fā)了一種創(chuàng)新的P溝道MOSFET技術(shù)，以便攜和無(wú)線(xiàn)產(chǎn)品為應(yīng)用目標(biāo)。

圖1  平面功率MOSFET的截面圖

圖2  溝道功率MOSFET的截面圖

器件設(shè)計(jì)
溝道功率MOSFET的設(shè)計(jì)可以使用閉合單元或條紋設(shè)計(jì)。在單元設(shè)計(jì)中，柵極在硅中形成一個(gè)柵格，包圍了體區(qū)域和源極區(qū)域；而在條紋設(shè)計(jì)中，柵極設(shè)計(jì)為條紋狀。現(xiàn)在市場(chǎng)上的溝道MOSFET使用了各種不同的布局，如方形單元、六邊形單元和條紋等。選擇哪種布局會(huì)影響溝道MOSFET的溝道密度，由此影響其Rds(on)。圖3列出了最小單元間距相同的方形單元設(shè)計(jì)和條紋設(shè)計(jì)的溝道密度對(duì)比。可以看到，只要多柵極寬度wg小于源極區(qū)域的寬度ws，單元設(shè)計(jì)的溝道密度較高，因此Rds(on)也較小。
隨著對(duì)更小的尺寸、更薄的柵極氧化物和更高的單元密度的需求不斷增加，大多數(shù)MOSFET制造商在其最新的溝道產(chǎn)品中都轉(zhuǎn)而使用了條紋設(shè)計(jì)。這是因?yàn)闂l紋設(shè)計(jì)避免了單元設(shè)計(jì)中固有的幾個(gè)角，通常使柵極氧化物的質(zhì)量更優(yōu)，并且易于制造。但這種條紋設(shè)計(jì)有著減小溝道密度的不利影響，因而提高了Rds(on)。安森美半導(dǎo)體的溝道處理技術(shù)能夠在制造中同時(shí)實(shí)現(xiàn)小尺寸的溝道MOSFET、薄柵極氧化物和高單元密度，在使用方形單元設(shè)計(jì)的同時(shí)保證柵極氧化物的質(zhì)量和可制造性。使用方形單元設(shè)計(jì)，能夠得到1.25mm/mm2的溝道密度，比其他MOSFET制造商的溝道密度高出約40％。

器件制造
這種新型MOSFET使用0.40mm光刻法制造。P溝道MOSFET的制造從外延晶片開(kāi)始，包括重?fù)诫sP型襯底上的一層輕摻雜P型硅。應(yīng)適當(dāng)選擇輕摻雜P型外延層的電阻率和厚度，以獲得器件要求的擊穿電壓。接下來(lái)，使用標(biāo)準(zhǔn)的半嵌入式LOCOS工序來(lái)定義器件的有效面積區(qū)，以及端子區(qū)域的生長(zhǎng)域氧化物。接著將磷植入有效區(qū)域并發(fā)生擴(kuò)散，形成N體區(qū)域。隨后，一個(gè)用于確定溝道的硬掩模被沉積并形成圖案，接著是溝道蝕刻。然后，生成一個(gè)犧牲氧化物，并進(jìn)行蝕刻。犧牲氧化物的目的是使溝道的邊角圓滑，并使硅表面因溝道蝕刻而造成的粗糙變得光滑。接著生成一層薄的柵極氧化物，再進(jìn)行多晶硅柵極沉積和蝕刻。然后進(jìn)行擴(kuò)散工序，P＋源極植入和N＋體增強(qiáng)植入，形成與N體的連接。接點(diǎn)和金屬是使用傳統(tǒng)工序形成的。

圖3  (a)單元設(shè)計(jì)；(b)條紋設(shè)計(jì)

性能
單元和條紋設(shè)計(jì)在相同的掩模上具有不同的最小間距(即不同的單元密度)。這樣就能直接在同一晶片上比較不同的設(shè)計(jì)，消除了與工序或與初始材料相關(guān)的變化所引起的性能差異。
ChipFET封裝式溝道MOSFET的特性表明，在柵極電壓為4.5V的8V和20V P溝道器件中Rds(on)分別為19mW和21mW。這比原先相同封裝的Rds(on)值低了約40％。在柵極電壓較低(如2.5V和1.8V)時(shí)，也可實(shí)現(xiàn)類(lèi)似的Rds(on)改進(jìn)。
單元設(shè)計(jì)與在同一晶片上制造的條紋設(shè)計(jì)相比，柵極到源極的漏泄、漏極到源極的漏泄、擊穿電壓和閾值電壓都沒(méi)有明顯的差異。柵極擊穿試驗(yàn)顯示兩種設(shè)計(jì)的柵極氧化物的擊穿場(chǎng)強(qiáng)約為10mV/cm，說(shuō)明方形單元的設(shè)計(jì)并沒(méi)有影響柵極氧化物的質(zhì)量。
將單元設(shè)計(jì)的Rds(on)與具有相同間距(即相同的單元密度)的條紋設(shè)計(jì)相比，發(fā)現(xiàn)單元設(shè)計(jì)的Rds(on)比條紋設(shè)計(jì)小。這是我們可以預(yù)料到的，因?yàn)殡m然單元密度相同，但條紋設(shè)計(jì)的溝道密度比單元設(shè)計(jì)低。這表示要獲得與單元設(shè)計(jì)相同的Rds(on)，條紋設(shè)計(jì)必須具有比單元設(shè)計(jì)更高的單元密度(即器件尺寸更小)?！?/p>