【doc】高压VDMOSFET中的快恢复体二极管的设计新方法

【doc】高压VDMOSFET中的快恢复体二极管的设计新方法 高压VDMOSFET中的快恢复体二极管的 设计新方法 辽宁大学 自然科学版 第33卷第1期2006年 JOURNALOFLIA0NlNcUNlVERSITY NaturalSciencesEdition V01.33No.120O6 高压VDMOSFET中的快恢复体二极管的设计新方法 石广源,张俊松,张雯,闫冬梅 (1.辽宁大学物理系,辽宁沈阳110036;2+辽宁大学法学院,辽宁沈阳110036; 3.辽宁大学信息学院,辽宁沈阳110036) 摘要:提出了一种提高高压垂直双扩散MOS场效应晶体管(VDMOSFET)的体二级管恢复速度的新方 法.在这一方法中,肖特基接触集成于VDMOSFET中的每一单胞中.据此生产的样品的实验结果表明,对 于500V/2A的VDMOSFET,反向恢复电荷减小了50%,体二极管的恢复因数增大了60%. 关键词:体二极管;恢复速度;肖特基接触;VDMOSFET. 中图分类号:TN386,1文献标识码:A文章编号:1000-5846(2006)o1-00384)4 垂直双扩散金属一氧化物一半导体场效应晶 体管(VDMOSFET)的结构中包含一个由P阱和 n一漂移区构成的寄生二极管.在如马达控制这类 应用中,这一内部体二极管非常有益于作为一个 缓冲二极管而使用.然而,它的反向恢复速度较 慢,使得开关过程的功率损失显着增大,因而大大 限制了它的应用.据文献报导,现已有几种方法来 提高体二极管的反向恢复速度.对低压范围(击 穿电压低于50V),有人提出在VDMOSFET芯片 的中心专门制作一个单独的肖特基二极管,来规 避寄生体二极管.L】但是,由于这一肖特基二极 管的阻断能力较弱,使这一方法不能应用于高压 器件.在高压范围(击穿电压高于200V),常采用 载流子寿命控制技术.电子辐照或质子辐照 可以有效地减少体二极管的反向恢复电荷Q;然 而,由辐照引起的损伤严重影响了VDMOSFET的 阈值电压,漏电流,击穿电压等特性._3精细控 制的铂注入与扩散能非常有效地减少Q_o;然 而,这一技术要求用到一些重金属,且工艺步骤非 常复杂,而重金属一般会对制造过程造成污染. 本论文针对高压VDMOSFET提出了单胞分 布肖特基接触这一新结构来提高体二极管的恢复 速度.这一方法的优点在于:无污染,无电学参数 的老化,不影响阈值电压,易于实现.本文还给出 了单胞中带有不同肖特基接触比例的VDMOS- FET样品的实验结果.同时,用MEDICI进行了模 拟,来比较不同工艺线宽的情况. 1带有单胞分布肖特基接触的VD— MOSFET结构 尽管沟槽栅结构广泛应用于现代低压功率 MOSFET技术中,但平面栅结构仍在高压功率 MOSFET生产中占据主导地位,因为它具有耐用, 技术简单等优点.基于传统的高压MOSFET结 构,我们提出了一种新结构来提高体二极管的恢 I,,-'~DMOS单胞—卜特基二极管+VDMOS单胞— 图1新型VDMOSFET示意罔 -作者简介:石广源(1951-),男.辽宁沈阳人,辽宁大学副教授,从事微电子学与微电 子技术研究 收稿日期:2005—10-12 上 p T 击穿电为500V, 电流处理能力为2A的 VD , MOSFE , T作在n影三:登电 阻率为20Q..最丕耋肖芋 接触与体二极管乏二 )取不同值时 响,在同,晶上制作了之比某蒿V 稚 DMO … SFE . T.觯胞结构( 型D,E型, F型4种基接触 与体二极管的面积比分 2 圭 3.8%,38' i,55.5%.详细的妥;喜位为 %,有源 都是为了矗吾被 上制作了分立 阳7夸单中p阱,n源和源接用了自对准工艺- 最小线宽为Io二:萎 IP ()11 0-25I K 柚 . :…:.. .+ . 一 .. 一 IlI一'::.. ?兰爹… ?'.., H_{+十."Xj_/:- }.'… ;一…|__-. 40辽宁大学自然科学版2006年 的反向恢复波形.由图中上侧附图可定义体二极 管的恢复因数为S=tit.. 1?4 堇 .c .--1 l0 0.8 苣 O.6 ()?4 O'{5 0 暑? 9 , 曲 囊 0.10 600 500 ?400 :啪 200 100 0 -- A~IO0~C … r " F' (a) =15V,,*=2A时样品的Ro, ^JlJD?m,x一4pm时"的模拟俯 一L=2?m,x…=J.5?m时….的模拟值 E :.T . ' :( . ——c——d——e一 :(b) ?一一=晦诚-F. . 00V,5 c ~CF的JlIF 'A,D 500V,宜温下的』(c) 图3肖特基接触的影响 肖特基接触对体二极管的恢复因数的影响在 图3(a)中作了总结.有代表性地,对于F型样品, 反向恢复电荷Q在室温下减少了50%,在100? 下减少了45%,而恢复因数S在室温下增大了 60%,在100?下增大了33%.漏源电压为200V 时测得的恢复因数的改善程度与图3(a)所示的 相当.很清楚,单胞分布肖特基接触的集成是一种 提高体二极管的开关特性的有效方法.在分立的 肖特基二极管上测得的肖特基势垒高度为 0.74eV. 然而,肖特基接触的集成增大了单元尺寸,使 得特征导通电阻增大.测量结果表明,与传统结构 相比(A型),对带有15%到55%肖特基接触(C — F型)的新型VDMOSFET结构,特征导通电阻 增大了20%到90%,如图3(b)所示.值得指出的 是工艺线宽对所提出的器件结构非常重要,因为 它直接影响肖特基接触占据的面积.A—F样品是 用相当大的线宽制造的(10m),小线宽(2m) 的情况是通过模拟来研究的.与A—F型相对应 的较小线宽的管子(肖特基接触与体二极管面积 比相同)分别命名为a—f.它们的各种结构尺寸 也列在表1种,请注意对于A型和a型,由于没有 肖特基接触,所以有L=L+0.75×_D×2,T=L +,而对于其他各型L:=2L,+0.75×.×4+ W,T=Lg+2L+0.75×jp×2+W. 图4是用MEDICI得到的a,c,f三种体二极 管反向恢复波形模拟结果.与a型相比(无肖特基 接触),f型(55%肖特基接触)的Q改善了70%. 模拟中所用的肖特基势垒高度为0.74eV.采用 小线宽时,.的增大非常小.a—f型的模拟 结果如图3(b)中实线所示.与传统结构相比(a 型),集成了55%肖特基接触的VDMOSFET结构 的只有18.3%的增长. 图4模拟所得a,c,f三型的体二极管恢复波形 由上面讨论可知,在应用这一技术时,要对反 向恢复电荷Q和特征导通电阻.进行折衷.而 且,这一折衷受到工艺线宽的很大影响,如图5所 示.所以,为使这一技术更加有效,应当采用小线 宽的制造工艺.对2m线宽,在只提高6.4% 的情况下,Q可以减少63%(C型与a型比). 尽管VDMOSFET的击穿电压没有受到肖特 基接触的集成的影响,漏电流的增大还是相当大 的,如图3(C)所示.但是,即使是F型样品(55% 第1期石广源,等:高压VDMOSFET中的快恢复体二极管的设计新方法41 流的影响控制在最小程度. 这一方法没有使用复杂的寿命控制技术,非 常简单而且易于实现:在传统的功率MOSFET生 产线上不必增加额外工艺步骤和掩膜照相版就可 实现,唯一变化的是器件版图.这些特点使得这一 方法对快速体二极管VDMOSFET的设计非常有 吸引力. 参考文献: [1jCSKorman,HRChang,KShenai,JPWalden. 图5口与R^的折衷曲线HishperforrmancepowerDMOSFETwithintegrated Schottkydiode[J].inProc.PESC"89,NewYork, 肖特基接触),当漏源电压为500V时在125oC下NY,PP.176—179. 的漏电流大约只为10tun,这对于处在关断状态[22三:atcd.璐powe.r 的500V/2A的器件只产生5mw的功率损失..overy.harac【eriti.J].IEEETs.E1e.tmDe- 此外,漏电流也可通过采用较小线宽的方法进一vices,1990,37:1167—1169- 步进行减小,因为漏电流不仅受肖特基面积比B 珂 J:: (图1中的W,/L)的影响,也受肖特基接触的绝ation[J]_Solid—StateElectron,1983,26(12):1131 对宽度的影响即使肖特基面积比很高(75%),如[4]'TPch 0w.Pmt.implantati.0ftheWe果采用小线宽(单元尺寸小于20m),漏电流也 MosFtoimDmveitbuilt-'indi0dereverserer.v.o 能达到P—i—n二极管的程度.所以从漏电流的 e~EJ].inProe.ISPSD98,Kyoto,Japan,PP?321一 角度来看,小线宽也是可取的.[5]azd豫.Jv0becky,KB枷d..ptimmlifelime 4结语er置by: Phvs.Res.B.2002】86.414—418. 实验与数字模拟都证明了集成单胞分布肖特E62MFCatania,v蹦v-.ina, NTavol.,GFed,SCoffa, 基接触于高压VDMOSFET对提高体二极管的恢 SUCampisano.Optimizationofthetradeoffbetween 复速度是非常有效的.除了导通电阻和漏电流,盎anddpo.wn-rmesisalt- VDMOSFET的其他参数都没有受到影响.然而,一oxide— semiconductordevices[J].IEEETrans.E. 通过采用小线宽技术,可以把对导通电阻和漏电kctronDevices,992,39:2745— 2749- ANew\DesignMethodologyforFastReverse RecoveryBodyDiodeinHigh—VoltageVDM0SFET SHIGuang-yuan,ZHANGJun—song,ZHANGWen,YANDong—mei (TheDepartmentofPhysics,LawSchool,InformationScience andTechnologyCollege,LiaoningUniversity,Shenyang110036,China) Abstract:Anewapproachtoimprovethehigh—voltageve~icaldouble— diffusedMOSFET(VDMOS— FET)body— dioderecoveryspeedisproposed.Inthisapproach,aSchottkycontactisintegratedintoevery celloftheVDMOSFET.Experimentalresultsfromthefabricatedsamplesshowa50%decrea seinthereverse recoverychargeanda60%increaseinthesoft.rlessfactorofthebodydiodein500V/2AVDM OSFETs. Keywords:Bodydiode;recoveryspeed,;Schottkycontact;VDMOSFET. (责任编辑郑绥乾)