鄭瑩 遲辛格

（沈陽(yáng)理工大學(xué) 遼寧省沈陽(yáng)市 110159）

1 引言

功率MOSFET 器件是新一代的電子元器件，由于具有開(kāi)關(guān)速度快、耗能低、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)[1-2]，被廣泛應(yīng)用在汽車電子、節(jié)能燈、開(kāi)關(guān)電源以及電機(jī)驅(qū)動(dòng)等領(lǐng)域。目前，對(duì)功率MOSFET 器件的研制主要以逆向設(shè)計(jì)為主，依賴于現(xiàn)有加工工藝線水平和大量的實(shí)驗(yàn)流片，得到滿足設(shè)計(jì)要求的芯片，這樣不但需要花費(fèi)大量的人力、物力，成本也較為昂貴，器件的研發(fā)周期也較長(zhǎng)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展以及對(duì)于半導(dǎo)體器件加工工藝的深入了解[3-4]，各種各樣的半導(dǎo)體模擬仿真軟件應(yīng)運(yùn)而生，大大提高了器件的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)效率。因此，仿真與實(shí)驗(yàn)協(xié)同設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)功率半導(dǎo)體器件成為當(dāng)前研發(fā)的主要趨勢(shì)[5-6]。本文將利用一款半導(dǎo)體模擬軟件對(duì)已流片的功率MOSFET 器件進(jìn)行單胞結(jié)構(gòu)建模和工藝模擬仿真，為下一步優(yōu)化參數(shù)提供方向，也為建立功率MOSFET 器件的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)平臺(tái)提供理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

2 工作原理

圖1 是P 型功率MOSFET 器件的單胞結(jié)構(gòu)縱向剖面示意圖。整個(gè)功率MOSFET 器件是由數(shù)千個(gè)這樣的單胞結(jié)構(gòu)并聯(lián)而成的，作為功率MOSFET 器件的基本單元，該器件的三個(gè)電極分別為柵極G、源極S 和漏極D，與普通MOS 器件相比，該器件的不同之處是漏極端位于晶圓片的襯底，這可以大大提高晶圓片表面的利用率[7]。當(dāng)柵源極短接時(shí)，漏極的負(fù)電壓使得P-外延層和N-體區(qū)形成的PN 結(jié)反偏，耗盡層寬度以摻雜濃度較低的P-外延層一側(cè)為主，隨著漏極負(fù)電壓的增大，耗盡層寬度也增大，直至達(dá)到結(jié)發(fā)生擊穿，此時(shí)對(duì)應(yīng)的漏極負(fù)電壓為該器件的擊穿電壓BVdss，其強(qiáng)烈依賴于較低摻雜P-外延層的厚度和摻雜，厚度越厚，摻雜濃度越低，越容易擊穿；當(dāng)柵源電壓達(dá)到某一負(fù)電壓時(shí)，位于柵氧下方N-體區(qū)內(nèi)部的表面區(qū)域形成強(qiáng)反型，源漏導(dǎo)通形成電流，此時(shí)對(duì)應(yīng)的柵源負(fù)電壓即為器件的閾值電壓Vth，閾值電壓的大小主要與N-體區(qū)的表面摻雜濃度、柵氧厚度和界面電荷等因素有關(guān)，表面摻雜濃度越大，柵氧厚度越厚，反型越困難，要想實(shí)現(xiàn)強(qiáng)反型，需要的閾值電壓就會(huì)越大，另外，柵氧和體區(qū)表面界面處的雜質(zhì)原子、結(jié)構(gòu)缺陷或捕獲的電荷等也會(huì)影響電場(chǎng)，從而進(jìn)一步影響閾值電壓。

3 工藝模擬與仿真驗(yàn)證

根據(jù)前期功率MOSFET 器件的結(jié)構(gòu)與工藝設(shè)計(jì)要求，所使用的外延片是晶向＜100＞的P 型Si 外延片，外延片的摻雜濃度為5.9E14cm-3，外延層的厚度為40μm，單個(gè)元胞橫向尺寸為32μm。

圖1：P 型功率MOSFET 器件單胞結(jié)構(gòu)縱向剖面示意圖

圖2：阱推后的器件結(jié)構(gòu)圖

圖3：?jiǎn)伟Y(jié)構(gòu)圖

功率MOSFET器件制作的主要工藝流程是在已有的外延片上，首先進(jìn)行場(chǎng)氧化形成厚的氧化層，接著進(jìn)行有源光刻和氧化層刻蝕以形成限定的器件區(qū)域，然后通過(guò)柵極氧化、多晶硅淀積、摻雜和退火、柵極刻蝕，形成具有周期性的柵極圖案，再利用多晶硅的自對(duì)準(zhǔn)，通過(guò)磷注入和退火形成N-體區(qū)，而硼注入和退火形成P+區(qū)，注入劑量和能量的選擇是基于結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)和擴(kuò)散試驗(yàn)，由于N-體區(qū)和P+區(qū)在退火的過(guò)程中存在橫向擴(kuò)散且擴(kuò)散的程度不同，因此在外延片表面形成了溝道，溝道的長(zhǎng)度由二者橫向擴(kuò)散之差來(lái)決定。為了避免電極互連和短接，之后要進(jìn)行絕緣厚氧化層的淀積和增密，并通過(guò)接觸光刻和氧化層刻蝕形成源極接觸窗口，再在整個(gè)芯片表面濺射一定厚度的金屬層，形成用于功率MOSFET 器件的源極，為防止由P-外延層、N-體區(qū)和P+區(qū)形成的寄生三極管導(dǎo)通，需要將N-體區(qū)和P+區(qū)短接，因此這里的源極同時(shí)覆蓋了N-體區(qū)和P+區(qū)這兩個(gè)區(qū)域。為使得器件免受機(jī)械損傷，還要在整個(gè)芯片表面沉積一層鈍化層，從而提高器件的可靠性。按照器件芯片正面版圖布局的位置，通常在芯片邊緣周圍的某個(gè)固定區(qū)域分布著類似陣列式的金屬觸點(diǎn)，其與器件單元結(jié)構(gòu)中的多晶硅電極相連，形成功率MOSFET 器件的柵極。為了滿足現(xiàn)代電子元器件對(duì)芯片輕薄短小的要求，同時(shí)提高器件的驅(qū)動(dòng)能力，最后要對(duì)晶圓片背面進(jìn)行相應(yīng)的減薄處理以降低導(dǎo)通電阻，并在背面做金屬層，用作功率MOSFET 器件的漏極。

圖4：擊穿電壓曲線

圖5：閾值電壓曲線

這里涉及的主要工藝步驟及其工藝條件如下：

· 場(chǎng)氧：450nm

· 注入B：1E12，40keV

· 退火：10′，1000℃，H2:7 L/min，O2:6 L/min

· 多晶硅：500 nm，7.5E19

· 阱注入：1.5E14，120keV

· 退火：90′，1100℃，N2:5 L/min，O2:1 L/min

· 注入B：3.5E15，60keV

· 低壓淀積：900 nm

· 增密：950℃，N230′

· 濺射：AL，2 μm

流片過(guò)程中，通過(guò)單步工藝監(jiān)控測(cè)得的場(chǎng)氧厚度、多晶硅厚度和方阻、柵氧厚度分別為445 nm、500 nm 和18.4 Ω/sq、90 nm；流片結(jié)束后對(duì)器件進(jìn)行電參數(shù)測(cè)試，得到擊穿電壓BVdss=-369 V，閾值電壓Vth=-6 V。

在此基礎(chǔ)上，利用半導(dǎo)體仿真軟件對(duì)該功率MOSFET 器件進(jìn)行了工藝模擬仿真，圖2 是仿真過(guò)程中阱注入并退火后的器件結(jié)構(gòu)圖，圖中不同的灰度代表了不同的材料。由圖可以看到，此時(shí)已形成柵氧和多晶硅柵極結(jié)構(gòu)，但是，由于沒(méi)有P+區(qū)的注入和退火，還沒(méi)有形成溝道區(qū)；圖3 是最終得到的器件單胞結(jié)構(gòu)圖，利用軟件中的參數(shù)提取功能，得到最終的場(chǎng)氧、多晶硅和柵氧的厚度分別為450 nm、500 nm 和89 nm，多晶硅方阻為18.5 Ω/sq，均與實(shí)際工藝數(shù)值基本一致。

根據(jù)P 型功率MOSFET 器件的工作原理，當(dāng)柵極電壓達(dá)到閾值電壓Vth 時(shí)，溝道區(qū)發(fā)生強(qiáng)反型，在漏源電壓BVdss 的作用下，形成由源極S、P+區(qū)、溝道區(qū)、P-外延層到漏極的垂直電流流向，因此，在結(jié)構(gòu)和電參數(shù)仿真時(shí)，為了能夠最大程度的擬合現(xiàn)有條件下器件的工藝流程，不影響計(jì)算收斂和運(yùn)算速度，需要重點(diǎn)在電流流過(guò)的區(qū)域合理劃分網(wǎng)格，同時(shí)也需要充分考慮到實(shí)際界面電荷等對(duì)閾值電壓的影響，進(jìn)而選擇合適的物理模型。圖4 是仿真得到的擊穿電壓曲線，圖5 是仿真得到的閾值電壓曲線，從兩幅圖中可知，擊穿電壓BVdss 為-365.63V，閾值電壓Vth 為-6V，與實(shí)際流片結(jié)果基本一致。

4 結(jié)論

傳統(tǒng)功率MOSFET 器件的研發(fā)大多采用逆向設(shè)計(jì)的方法，不僅要花費(fèi)大量的時(shí)間，而且多次流片的成本昂貴，器件研制效率低下，而借助于半導(dǎo)體仿真軟件完成器件的設(shè)計(jì)和工藝流程制作，可以大大節(jié)約時(shí)間和成本，縮短器件的研發(fā)周期。本文基于一款P 型功率MOSFET 器件，介紹了器件的工作原理和工藝制作流程，依照前期器件結(jié)構(gòu)和工藝設(shè)計(jì)結(jié)果，在半導(dǎo)體模擬軟件中對(duì)器件結(jié)構(gòu)建模，匹配合適的物理模型，合理劃分網(wǎng)格，對(duì)各個(gè)單步工藝進(jìn)行了工藝模擬仿真，最終得到的器件電參數(shù)仿真結(jié)果與實(shí)際流片結(jié)果基本一致，為下一步器件優(yōu)化奠定基礎(chǔ)，也為后續(xù)類似器件的開(kāi)發(fā)提供參考。