功率MOSFET基本結構：超結結構

今天給大家分享一篇關于MOSFET超結結構的干貨文章。

1、超結結構

高壓功率MOSFET管早期主要為平面型結構，采用厚低摻雜的N-外延層epi，保證器件具有足夠擊穿電壓，低摻雜N-外延層epi尺寸越厚，耐壓額定值越大，但是，導通電阻隨電壓以2.4-2.6次方增長，導通電阻急劇增大，電流額定值降低。為了獲得低導通電阻值，就必須增大硅片面積，需要更大晶片面積降低導通電阻，一些大電流應用需要更大封裝尺寸，成本隨之增加，Crss電容增加導致開關損耗增加，系統功率密度很難提高，應用受到很大限制。

高壓功率MOSFET外延層對導通電阻起主導作用，要保證高壓功率MOSFET管具有足夠擊穿電壓，同時，降低導通電阻，最直觀方法就是：

（1）在器件導通時，形成一個較高摻雜N區，作為功率MOSFET管導通的電流通路；

（2）在器件關斷時，去除較高摻雜N區的載流子，方法就是使用PN進行耗盡，保證要求耐壓等級。

按照上面原理，將平面結構的P-體區結構一直向下，直到幾乎貫穿整個外延層，就可以實現上述要求。超結結構Super Junction高壓功率MOSFET管就是基本這種設計思路，這種結構主要特點是幾乎貫穿整個芯片厚度P柱和內建橫向電場，這種結構在學術上稱為超結結構。

(a)平面結構P區下移(b)超結結構

1內建橫向電場超結結構

超結結構中，垂直導電N區夾在兩邊P柱中間，水平方向，N區和P柱二側都形成PN結；垂直方向，P柱底部和下面外延epi層N形成PN結，柵極下面P區形成反型層產生導電溝道。功率MOSFET管關斷時，P柱和垂直導電N形成PN結反向偏置，PN結二側都會形成耗盡層，建立水平橫向電場，這個電場為矩形電場。耗盡層增大，橫向水平電場也增大。

隨著外加反向偏置電壓增大，垂直導電N區和P柱內耗盡層寬度不斷增加，直到垂直導電N區和P柱整個區域基本上全部耗盡，幾乎全部變成耗盡層，耗盡層橫向矩形電場達到非常高幅值，具有非常高的縱向阻斷電壓。和平面結構對比，橫向電場將外延層N-三角形電場變成梯形或矩形電場，提高器件耐壓。因此，同樣耐壓可以減薄器件外延層N-厚度，降低導通電阻。此外，P柱底部與和它相接觸外延層N-也形成PN結，反向偏置形時，產生耗盡層，形成垂直電場，進一步提高器件耐壓。

圖2 超結結構內部電場

MOSFET導通時，柵極和源極電場導致柵極氧化層下部P區反型，形成N型導電溝道；源極區電子通過導電溝道進入垂直N區，中和N區正電荷空穴，垂直N區耗盡層寬度不斷降低，直到垂直N區恢復到初始狀態。初始狀態垂直N區摻雜濃度高，電阻率低，因此導電電流通路導通電阻低。

比較平面結構和溝槽結構功率MOSFET管，超結結構實際綜合了平面型和溝槽型結構兩者特點，在平面型結構中開出一個低阻抗電流通路溝槽，因此具有平面型結構高耐壓和溝槽型結構低電阻特性。內建橫向電場高壓超結結構，克服了平面高壓功率MOSFET管缺點，其工作頻率高，導通損耗小，同樣面積芯片，可以設計更低導通電阻，因此具有更大額定電流值。

超結結構高壓功率MOSFET管需要制作貫穿整個芯片厚度P柱，生產工藝比較復雜，單元一致性較差，雪崩能量不容易控制；超結結構必須嚴格控制P柱區與外延層N區濃度和寬度，否則二側不對稱耗盡導致中間電荷不平衡，影響超結結構耐壓。外延層N摻雜濃度越高，影響越大。

降低漂移區厚度，提高漂移區摻雜濃度，以及降低單元Pitch尺寸，可以進一步降低導通電阻。但是，降低單元Pitch尺寸，必須增加N漂移區摻雜濃度，就必須對N漂移區和P柱區進行精確補償，必須非常嚴格控制它們摻雜濃度和寬度。耗盡電荷平衡偏差越大，電壓阻斷能力損失就越嚴重，器件雪崩能力和單元一致性越差，對生產工藝和技術要求就更加苛刻。

有些中壓功率MOSFET管也采用超結技術，降低導通電阻，同時使用較大Pitch尺寸，減少單元相互之間加熱效應和電流集中影響，不容易形成局部熱點Hot Spot，提高線性區性能。中壓功率MOSFET管超結技術，除了采用前面P柱超結結構，還可以使用深溝槽工藝的場板結構。深溝槽場板尺寸，貫穿芯片厚度大部分尺寸，并不完全貫穿芯片整個厚度，在溝槽表面制作氧化層，里面填充多晶硅，多晶硅連接到源極，氧化層隔離多晶硅和N-漂移層。

這種結構相當于在N-漂移層內設計一個隔離場板，隔離場板可以提供移動電荷，器件漏極和源極加上電壓阻斷時，補償橫向的N-漂移層電子。隔離場板溝槽底部氧化層，承受器件全部漏極和源極阻斷電壓，其電場強度非常高，因此，溝槽底部氧化層工藝要精確控制，避免溝槽底部局部區域氧化層變薄和防止應力造成局部缺陷產生。

(a)兩側場板(b)中間場板

圖3 超結場板結構

超結結構縱向電場幾乎是均勻分布，隔離場板結構縱向電場分布有2個峰值，1個電場峰值在P體區和N-漂移區PN結；另1個電場峰值在在場板溝槽底部。200V以下中壓功率MOSFET管可以采用這種場板超結技術。

新一代超結工藝進一步減小器件晶胞尺寸，溝道和晶胞寬度進一步縮小，兩個P柱之間距離非常小，難以形成滿足要求的溝道區，因此，采用溝道與P柱相垂直的結構，從而減少溝道區工藝加工難度。

圖4 溝道與P柱垂直結構

2、超結結構生產工藝

超結P柱結構和場板結構，生產加工工藝主要有2種方式：

（1）通過一層一層多次外延生長，得到P柱結構或場板結構。

在襯底上外延一定濃度N層，在P柱區域開窗口注入形成P層，然后重復這些工藝，反復多次外延和注入，最后形成超結結構。也可以先在襯底上外延濃度較低N-層，分別在N區和P柱區域采用注入形成N層和P層，然后重復這些工藝，反復多次外延和注入，最后形成超結結構，這種方法均勻性控制更好，增加一次光刻與注入的工藝，成本增加。

(a)單雜質注入

(b) 雙雜質注入

(c)單雜質注入 (d)雙雜質注入

圖5 多層外延工藝

多層外延工藝每次外延層厚度非常薄，外延形成厚度相對固定，超結結構的尺寸偏差小，外延層質量容易控制，缺陷與界面態少。隨著器件耐壓增大，外延次數和層數增加，而且外延時間長，效率低，導致成本增加。

（

2)、直接開溝槽填充，即深溝槽技術Deep Trench，得到P柱結構或場板結構。

襯底和外延加工好后，在外延層刻蝕出深溝槽，溝槽的深寬比具有一定限制，然后在溝槽內部填充摻雜?？梢栽跍喜蹆韧庋犹畛銹型材料，然后平坦化拋光，形成P住結構；也可以在溝槽側壁形成薄氧化層結構，再填充多晶硅形成場板結構。另外，使用更寬的溝槽，采用外延或傾斜注入方式，在溝槽內部依附溝槽側壁，依次形成P和N型區交錯結構。

(a) 直接填充

(b) 寬溝槽側壁注入、氣相沉積與外延

圖6 溝槽填充工藝

襯底和外延加工好后，在外延層（耐壓層）中刻蝕出具有一定深寬比的溝槽，然后在溝槽內部填充摻雜。通常，有4種填充摻雜方式：一是在溝槽內外延填充P型材料，然后采用化學機械拋光平坦化。另外，可以在溝槽中直接通過P型雜質擴散形成P??；同時，還可以在溝槽內的側壁上形成薄氧化層結構，再填充多晶硅形成場板結構。二是使用非常寬的溝槽，采用傾斜注入方式，同時控制N和P型雜質的注入劑量，分別在溝槽的側壁上形成N區和P區，依次制作出P和N型區交錯結構。三是通過在溝槽側壁通過氣相摻雜形成P型區。四是在溝槽側壁選擇性外延薄層N與P型，形成超結結構。

多次外延工藝相對容易控制，工藝步驟多，成本高；深溝槽工藝成本低，生產效率高，更容易實現較小的深寬比，形成的超結N區與P區摻雜分布均勻，導通電阻和寄生電容更低；但是，深溝槽工藝不容易保證溝槽內性能一致性，特別是深溝槽填充時，要保證溝槽側面（側壁）N和P區交界面沒有空隙和孔洞，工藝要求特別高。側壁出現空隙和孔洞，對性能影響在生產線最后檢測中無法通過靜態參數測量進行刪選。

技術平臺不一樣，工藝不一樣，超結結構Pitch尺寸和芯片厚度也不相同。

(a) 多層外延Multiple EPI

(b) 深溝槽直接填充Deep Trench Filling

圖7 超結結構的截面圖

3、超結結構開關工作過程

超結型結構工作原理及開關工作過程如下。

（1）關斷狀態

垂直導電N區夾在兩邊P區中間，MOSFET關斷時，柵極電壓為0，柵極下面的P區不能形成反型層，沒有導電溝道。P柱區和垂直導電N區二側橫向形成反向偏置PN結，左邊P柱區和中間垂直導電N區形成PN結反向偏置，右邊P柱區和中間垂直導電N區形成PN結反向偏置，PN結耗盡層增大，并建立橫向水平電場。反向電壓足夠高時，P柱區底部和外延層N區也會形成PN結反向偏置，有利于產生更寬耗盡層，增加垂直電場。

中間垂直導電N區滲雜濃度和寬度控制得合適，就可以將其完全耗盡，這樣中間垂直導電N區就沒有自由電荷，內部形成橫向矩形電場，且電場幅值非常高，只有外部電壓大于內部橫向電場，才能將其擊穿，所以，這個區域耐壓非常高。

(a) 開始建立耗盡層(b) 完全耗盡

圖8 橫向電場及耗盡層建立

（2）開通狀態

柵極加上驅動電壓時，柵極表面將積累正電荷，同時，吸引柵極氧化層下面P區內部電子到P區上表面，將P區上表面空穴中和，形成耗盡層。隨著柵極電壓提高，柵極表面正電荷增強，進一步吸引P區內部更多電子到P區上表面，這樣，在P區上表面薄層，積累負電荷（電子）形成N型反型層，構成電流通道，即溝道。由于更多負電荷在P區上表面積累，一些負電荷將擴散進入原來完全耗盡垂直導電N區，橫向耗盡層寬度越來越減小，橫向電場也越來越小。柵極電壓進一步提高，柵極氧化層下面P區更寬范圍形成N型反型層溝道，電子不斷流入垂直導電N區，垂直導電N區回到初始滲雜狀態，形成低導通電阻的電流路徑。

(a) VGS加正電壓(b) VGS增加形成反型層

(c) VGS增加溝道建立(d) 溝道加寬完全導通

圖9 超結結構導通過程

4、高壓浮島結構

另外還有一種介于平面和超結結構中間類型，這種結構內部P區被N-外延層包圍，稱為P型浮島結構，電流密度低于超結型，高于普通平面工藝，抗雪崩能力強于超結結構。

圖10 浮島結構

這種結構工作原理是在內部浮島P區和N-外延層交接處形成耗盡層，將N-外延層三角形電場在中間位置提升，從而提高耐壓，這樣可以適當減薄N-外延層厚度，降低導通電阻。

P型浮島需要在N-外延層內部開出較深溝槽，形成P型浮島結構，然后，溝槽里面填充多晶硅，連接到源極，溝槽深度并沒有貫穿整個芯片厚度。溝槽深度越深，P型浮島結構數量越多，耐壓越高，但成本增加。

制作過程使用多次外延或深溝槽工藝，多次外延層數遠少于超結結構，浮島結構P型摻雜濃度控制沒有超結嚴格，只要保證在反向偏壓下不完全耗盡就可以，工藝成本低于超結結構；另外，正向導通時，P型浮島浮空，不會向N-外延層注入非平衡少子，二極管特性好于超結結構。