高压大电流DMOS终端设计

半导体技术人 2020-12-31 00:00

    功率MOS场效应晶体管电参数指标中规定的电参数一般分为三大类:直流参数、交流参数和极限参数。直流参数包括:漏源击穿电压BVDSS,静态漏源导通电阻RDS(on),栅阈值电压VGS(th),正向跨导gfs;交流参数包括:输入电容Ciss、输出电容Coss,反向传递电容Crss,开关时间tontstf等;极限参数包括:连续电流ID和脉冲漏电流IDM,最大耗散功率PD,栅源电压VGS,单脉冲雪崩耐量EAS等。功率MOS场效应晶体管的设计任务就是根据用户使用要求,确定主要电学参数指标,设计出满足参数指标要求的纵向参数、横向参数和热学参数。

    功率MOS场效应晶体管在实际设计过程中,主要从以下几个方面进行设计:功率MOS场效应晶体管的结构设计、功率MOS场效应晶体管的主要电参数设计、功率MOS场效应晶体管的工艺设计以及功率MOS场效应晶体管的零部件设计。

由产品电参数指标可知,该产品具有漏源击穿电压(BVDSS)、导通电阻低、电流容量高、耗散功率大、抗静电击穿能力强等特点。产品具有电压控制、快开关速度、易并联以及电参数温度稳定性高。非常适合应用于开关电源、马达驱动、逆

变器、斩波器、音频放大器以及高能量脉冲电路。

表1 产品电参数指标(25℃)

    结终端保护结构通常可分为截断型结构和延伸型结构两种,对应于芯片台面结构和平面结构(如图1所示,其中图1(a)为平面型终端保护结构,芯片终端保护结构采用场限环/场板复合结构;图1(b)为台面型终端保护结构,芯片终端保护结构采用挖槽/钝化结构)。延伸型结构是在PN结柱面结边缘处设置一些延伸结构(包括场限环、结终端扩展等),这些延伸结构起到将柱面结边缘耗尽区展宽的作用,从而降低柱面结边缘的电场强度,达到提高器件击穿电压的目的。而截断型结构则是将柱面结边缘截断并利用截断的形貌影响表面结及边缘结的电场分布,再结合良好的表面钝化实现对器件击穿电压的改善。针对功率MOS场效应晶体管的结构特点及电参数指标要求,产品采用平面型结构,利用浮空场限环和场板的复合终端保护结构来改善器件的漏源击穿电压及可靠性。

           图1(a)平面结构      (b)台面结构

    图2给出了多晶硅及上面的铝构成主结的场板,外围是P+分压环及N+和铝层构成的场截止环。主结多晶硅场板被SiO2介质包围,铝场板与多晶硅场板由氧化层分隔成双层场板,铝场板与源极相连,多晶硅场板则通过接触孔与铝场板相连。

图2  器件终端结构示意图

    终端结构同内部单元同时完成,采用多晶硅和铝双重场板可以解决场板边缘介质击穿的问题。多晶硅场板的作用主要是用来改善主结中电场,而铝场板则可以提高场板边缘的击穿电压。这里N+场截止环的设计考虑是使漏源间电场在表面均匀分布,避免局部集中,以提高击穿电压。只有采取以上的措施,才能保证击穿指标。

    本设计共采用三个保护环,保环环上各自须承受的电压分别为70,70,70,80.主结距第一个P+环结的距离为18μm,第一个环结与第二个环结的距离为20 μm,第二个环结与第三个环结之间的距离为22μm,第三个环结与终端截止环的距离为24μm,P+环结的宽度为6μm;其上铝板的宽度为8μm;N+截止环的宽度为6μm;其上铝板的宽度为8μm。

注:N+截止环需采用重掺杂。

半导体技术人 半导体器件及集成电路仿真设计、制造技术交流
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