功率MOSFET基本结构：超结结构

原创松哥电源 2023-10-04 19:20

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1、超级结构

高压功率MOSFET管早期主要为平面型结构，采用厚低掺杂的N-外延层epi，保证器件具有足够击穿电压，低掺杂N-外延层epi尺寸越厚，耐压额定值越大，但是，导通电阻随电压以2.4-2.6次方增长，导通电阻急剧增大，电流额定值降低。为了获得低导通电阻值，就必须增大硅片面积，需要更大晶片面积降低导通电阻，一些大电流应用需要更大封装尺寸，成本随之增加，Crss电容增加导致开关损耗增加，系统功率密度很难提高，应用受到很大限制。

高压功率MOSFET外延层对导通电阻起主导作用，要保证高压功率MOSFET管具有足够击穿电压，同时，降低导通电阻，最直观方法就是：

（1）在器件导通时，形成一个较高掺杂N区，作为功率MOSFET管导通的电流通路；

（2）在器件关断时，去除较高掺杂N区的载流子，方法就是使用PN进行耗尽，保证要求耐压等级。

按照上面原理，将平面结构的P-体区结构一直向下，直到几乎贯穿整个外延层，就可以实现上述要求。超结结构Super Junction高压功率MOSFET管就是基本这种设计思路，这种结构主要特点是几乎贯穿整个芯片厚度P柱和内建横向电场，这种结构在学术上称为超结结构。

(a)平面结构P区下移 (b)超结结构

1 内建横向电场超结结构

超结结构中，垂直导电N区夹在两边P柱中间，水平方向，N区和P柱二侧都形成PN结；垂直方向，P柱底部和下面外延epi层N形成PN结，栅极下面P区形成反型层产生导电沟道。功率MOSFET管关断时，P柱和垂直导电N形成PN结反向偏置，PN结二侧都会形成耗尽层，建立水平横向电场，这个电场为矩形电场。耗尽层增大，横向水平电场也增大。

随着外加反向偏置电压增大，垂直导电N区和P柱内耗尽层宽度不断增加，直到垂直导电N区和P柱整个区域基本上全部耗尽，几乎全部变成耗尽层，耗尽层横向矩形电场达到非常高幅值，具有非常高的纵向阻断电压。和平面结构对比，横向电场将外延层N-三角形电场变成梯形或矩形电场，提高器件耐压。因此，同样耐压可以减薄器件外延层N-厚度，降低导通电阻。此外，P柱底部与和它相接触外延层N-也形成PN结，反向偏置形时，产生耗尽层，形成垂直电场，进一步提高器件耐压。

图2 超结结构内部电场

MOSFET导通时，栅极和源极电场导致栅极氧化层下部P区反型，形成N型导电沟道；源极区电子通过导电沟道进入垂直N区，中和N区正电荷空穴，垂直N区耗尽层宽度不断降低，直到垂直N区恢复到初始状态。初始状态垂直N区掺杂浓度高，电阻率低，因此导电电流通路导通电阻低。

比较平面结构和沟槽结构功率MOSFET管，超结结构实际综合了平面型和沟槽型结构两者特点，在平面型结构中开出一个低阻抗电流通路沟槽，因此具有平面型结构高耐压和沟槽型结构低电阻特性。内建横向电场高压超结结构，克服了平面高压功率MOSFET管缺点，其工作频率高，导通损耗小，同样面积芯片，可以设计更低导通电阻，因此具有更大额定电流值。

超结结构高压功率MOSFET管需要制作贯穿整个芯片厚度P柱，生产工艺比较复杂，单元一致性较差，雪崩能量不容易控制；超结结构必须严格控制P柱区与外延层N区浓度和宽度，否则二侧不对称耗尽导致中间电荷不平衡，影响超结结构耐压。外延层N掺杂浓度越高，影响越大。

降低漂移区厚度，提高漂移区掺杂浓度，以及降低单元Pitch尺寸，可以进一步降低导通电阻。但是，降低单元Pitch尺寸，必须增加N漂移区掺杂浓度，就必须对N漂移区和P柱区进行精确补偿，必须非常严格控制它们掺杂浓度和宽度。耗尽电荷平衡偏差越大，电压阻断能力损失就越严重，器件雪崩能力和单元一致性越差，对生产工艺和技术要求就更加苛刻。

有些中压功率MOSFET管也采用超结技术，降低导通电阻，同时使用较大Pitch尺寸，减少单元相互之间加热效应和电流集中影响，不容易形成局部热点Hot Spot，提高线性区性能。中压功率MOSFET管超结技术，除了采用前面P柱超结结构，还可以使用深沟槽工艺的场板结构。深沟槽场板尺寸，贯穿芯片厚度大部分尺寸，并不完全贯穿芯片整个厚度，在沟槽表面制作氧化层，里面填充多晶硅，多晶硅连接到源极，氧化层隔离多晶硅和N-漂移层。

这种结构相当于在N-漂移层内设计一个隔离场板，隔离场板可以提供移动电荷，器件漏极和源极加上电压阻断时，补偿横向的N-漂移层电子。隔离场板沟槽底部氧化层，承受器件全部漏极和源极阻断电压，其电场强度非常高，因此，沟槽底部氧化层工艺要精确控制，避免沟槽底部局部区域氧化层变薄和防止应力造成局部缺陷产生。

(a) 两侧场板 (b)中间场板

图3 超结场板结构

超结结构纵向电场几乎是均匀分布，隔离场板结构纵向电场分布有2个峰值，1个电场峰值在P体区和N-漂移区PN结；另1个电场峰值在在场板沟槽底部。200V以下中压功率MOSFET管可以采用这种场板超结技术。

新一代超结工艺进一步减小器件晶胞尺寸，沟道和晶胞宽度进一步缩小，两个P柱之间距离非常小，难以形成满足要求的沟道区，因此，采用沟道与P柱相垂直的结构，从而减少沟道区工艺加工难度。

图4 沟道与P柱垂直结构

2、超级结构生产工艺

超结P柱结构和场板结构，生产加工工艺主要有2种方式：

（1）通过一层一层多次外延生长，得到P柱结构或场板结构。

在衬底上外延一定浓度N层，在P柱区域开窗口注入形成P层，然后重复这些工艺，反复多次外延和注入，最后形成超结结构。也可以先在衬底上外延浓度较低N-层，分别在N区和P柱区域采用注入形成N层和P层，然后重复这些工艺，反复多次外延和注入，最后形成超结结构，这种方法均匀性控制更好，增加一次光刻与注入的工艺，成本增加。

(a) 单杂质注入

(b) 双杂质注入

图5 多层外延工艺

多层外延工艺每次外延层厚度非常薄，外延形成厚度相对固定，超结结构的尺寸偏差小，外延层质量容易控制，缺陷与界面态少。随着器件耐压增大，外延次数和层数增加，而且外延时间长，效率低，导致成本增加。

（

2)、直接开沟槽填充，即深沟槽技术Deep Trench，得到P柱结构或场板结构。

衬底和外延加工好后，在外延层刻蚀出深沟槽，沟槽的深宽比具有一定限制，然后在沟槽内部填充掺杂。可以在沟槽内外延填充P型材料，然后平坦化抛光，形成P住结构；也可以在沟槽侧壁形成薄氧化层结构，再填充多晶硅形成场板结构。另外，使用更宽的沟槽，采用外延或倾斜注入方式，在沟槽内部依附沟槽侧壁，依次形成P和N型区交错结构。

(a) 直接填充

(b) 宽沟槽侧壁注入、气相沉积与外延

图6 沟槽填充工艺

衬底和外延加工好后，在外延层（耐压层）中刻蚀出具有一定深宽比的沟槽，然后在沟槽内部填充掺杂。通常，有4种填充掺杂方式：一是在沟槽内外延填充P型材料，然后采用化学机械抛光平坦化。另外，可以在沟槽中直接通过P型杂质扩散形成P住；同时，还可以在沟槽内的侧壁上形成薄氧化层结构，再填充多晶硅形成场板结构。二是使用非常宽的沟槽，采用倾斜注入方式，同时控制N和P型杂质的注入剂量，分别在沟槽的侧壁上形成N区和P区，依次制作出P和N型区交错结构。三是通过在沟槽侧壁通过气相掺杂形成P型区。四是在沟槽侧壁选择性外延薄层N与P型，形成超结结构。

多次外延工艺相对容易控制，工艺步骤多，成本高；深沟槽工艺成本低，生产效率高，更容易实现较小的深宽比，形成的超结N区与P区掺杂分布均匀，导通电阻和寄生电容更低；但是，深沟槽工艺不容易保证沟槽内性能一致性，特别是深沟槽填充时，要保证沟槽侧面（侧壁）N和P区交界面没有空隙和孔洞，工艺要求特别高。侧壁出现空隙和孔洞，对性能影响在生产线最后检测中无法通过静态参数测量进行删选。

技术平台不一样，工艺不一样，超结结构Pitch尺寸和芯片厚度也不相同。

(a) 多层外延Multiple EPI

(b) 深沟槽直接填充Deep Trench Filling

图7 超结结构的截面图

3、超级结构开关工作过程

超结型结构工作原理及开关工作过程如下。

（1）关断状态

垂直导电N区夹在两边P区中间，MOSFET关断时，栅极电压为0，栅极下面的P区不能形成反型层，没有导电沟道。P柱区和垂直导电N区二侧横向形成反向偏置PN结，左边P柱区和中间垂直导电N区形成PN结反向偏置，右边P柱区和中间垂直导电N区形成PN结反向偏置，PN结耗尽层增大，并建立横向水平电场。反向电压足够高时，P柱区底部和外延层N区也会形成PN结反向偏置，有利于产生更宽耗尽层，增加垂直电场。

中间垂直导电N区渗杂浓度和宽度控制得合适，就可以将其完全耗尽，这样中间垂直导电N区就没有自由电荷，内部形成横向矩形电场，且电场幅值非常高，只有外部电压大于内部横向电场，才能将其击穿，所以，这个区域耐压非常高。

(a) 开始建立耗尽层 (b) 完全耗尽

图8 横向电场及耗尽层建立

（2）开通状态

栅极加上驱动电压时，栅极表面将积累正电荷，同时，吸引栅极氧化层下面P区内部电子到P区上表面，将P区上表面空穴中和，形成耗尽层。随着栅极电压提高，栅极表面正电荷增强，进一步吸引P区内部更多电子到P区上表面，这样，在P区上表面薄层，积累负电荷（电子）形成N型反型层，构成电流通道，即沟道。由于更多负电荷在P区上表面积累，一些负电荷将扩散进入原来完全耗尽垂直导电N区，横向耗尽层宽度越来越减小，横向电场也越来越小。栅极电压进一步提高，栅极氧化层下面P区更宽范围形成N型反型层沟道，电子不断流入垂直导电N区，垂直导电N区回到初始渗杂状态，形成低导通电阻的电流路径。