一種低閾值抗輻照對管MOSFET器件設(shè)計及工藝研究

單長玲，習(xí) 毓，丁文華

（西安衛(wèi)光科技有限公司，陜西西安，710065）

1 引言

功率MOSFET場效應(yīng)晶體管的主要優(yōu)點是開關(guān)速度快、驅(qū)動功率小、安全工作區(qū)寬、溫度穩(wěn)定性好，被廣泛應(yīng)用于通訊、計算機(jī)、汽車和消費電子領(lǐng)域，并且是分立器件和功率集成電路（SPIC）中的重要組成部分。宇航和衛(wèi)星用的MOS管，需要在惡劣的環(huán)境中，如宇宙射線、高能離子等輻射環(huán)境中工作。因此，研制在空間輻射效應(yīng)中具有最大失效容限的電子元器件將有十分深遠(yuǎn)的意義。

2 對管MOSFET產(chǎn)品方案設(shè)計

功率MOSFET器件是電壓控制型器件，它是由若干個單元并聯(lián)組成的。在柵極上施加一定的電壓，使器件柵極兩側(cè)的阱表面反型，形成連接源區(qū)和漏區(qū)的導(dǎo)電溝道?？刂茤旁粗g電壓的大小，就能夠控制溝道的開通和關(guān)斷，進(jìn)而實現(xiàn)對漏極電流的控制。

管芯是整個產(chǎn)品的關(guān)鍵核心部分，在這里給出管芯設(shè)計的主要技術(shù)途徑。

第一步：通過理論計算和軟件仿真相結(jié)合的方法，首先根據(jù)產(chǎn)品的漏源擊穿電壓，利用非穿通型的經(jīng)驗公式計算出外延電阻率的最小值和厚度的最大值；然后利用穿通型的設(shè)計方法，對于一定的擊穿電壓，存在無限的（WB，ρB）組合，都可以滿足要求，設(shè)計中要選取其中一組（WB，ρB）使導(dǎo)通電阻最小。

第二步：再根據(jù)最大柵源電壓計算柵介質(zhì)層的最小厚度，同時結(jié)合閾值電壓和其它電參數(shù)合理選擇柵介質(zhì)層的厚度和阱注入劑量；最后根據(jù)工藝線的最小線寬，確定器件的橫向尺寸。

第三步：把初步計算的結(jié)果帶入仿真軟件的工藝模塊，對各個結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)進(jìn)行不斷優(yōu)化設(shè)計，以確定最后的流片參數(shù)。

第四步：對仿真優(yōu)化設(shè)計的結(jié)果進(jìn)行流片驗證，在流片過程中，要把實際流片結(jié)果和仿真結(jié)果進(jìn)行比對，并及時調(diào)整，直到生產(chǎn)出參數(shù)特性滿足要求的產(chǎn)品。

第五步：整理實際流片的結(jié)果，并及時修正仿真軟件和算法，以達(dá)到仿真和實際生產(chǎn)結(jié)果很好的吻合度，最終指導(dǎo)生產(chǎn)，并建立相應(yīng)的設(shè)計文件庫。

本文研制對管MOSFET產(chǎn)品的芯片在我公司自有六吋線進(jìn)行流片，產(chǎn)品的封裝、測試在我公司后部封裝生產(chǎn)線和檢測試驗中心進(jìn)行。內(nèi)引線采用超聲鍵合工藝，密封采用平行縫焊工藝技術(shù)，并控制產(chǎn)品內(nèi)部氧氣和水汽含量，以提高產(chǎn)品的熱穩(wěn)定性和長期儲存的能力。

3 對管MOSFET器件仿真

本文產(chǎn)品結(jié)合工藝線實際情況，采用條形單元結(jié)構(gòu)，因為條形設(shè)計避免了單元設(shè)計中固有的角效應(yīng)，提高了柵極氧化物的質(zhì)量可控性，并且易于制造。源區(qū)寬度利用仿真軟件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，綜合考慮導(dǎo)通電阻、開關(guān)時間和芯片面積等，。芯片設(shè)計結(jié)果見表1。

表1 對管MOSFET管芯設(shè)計結(jié)果

器件仿真結(jié)果均達(dá)到了設(shè)計要求。對管N溝：器件的工藝仿真結(jié)果如圖2所示；從圖3擊穿電壓的仿真結(jié)果可以看出BVDSS＝44.6V；從圖4閾值電壓的仿真結(jié)果可以看出Vth＝1.6V。對管P溝：器件的工藝仿真結(jié)果如圖5所示；從圖擊穿電壓的仿真結(jié)果可以看出BVDSS＝-28V；從圖4閾值電壓的仿真結(jié)果可以看出Vth＝-1.63V。結(jié)果均滿足設(shè)計要求。

圖1 N溝器件工藝結(jié)構(gòu)

圖2 N溝擊穿電壓仿真結(jié)果

圖3 N溝閾值電壓仿真結(jié)果

圖4 P溝器件工藝結(jié)構(gòu)

圖5 P溝擊穿電壓仿真結(jié)果

圖6 P溝閾值電壓仿真結(jié)果

溝道的寬度由元胞數(shù)目確定：

式中，W 為溝道寬度，L為條形元胞條長，N為元胞數(shù)目，RC／L為條形單胞導(dǎo)通電阻，RC由仿真值確定，Ron為器件導(dǎo)通電阻。元胞導(dǎo)通電阻是通過ISE軟件仿真得到。器件導(dǎo)通電阻是設(shè)計時的要求值，由于在仿真過程中忽略了襯底及封裝電阻，所以在導(dǎo)通電阻計算過程中要給出約30%的設(shè)計余量。

4 研制工藝關(guān)鍵技術(shù)

抗輻照特性與柵氧化層質(zhì)量關(guān)系重大，更高質(zhì)量的柵氧化層可以明顯增加產(chǎn)品的抗輻照特性，在產(chǎn)品研制工藝上采用平面柵偽自對準(zhǔn)工藝以及高質(zhì)量柵氧化層生長技術(shù)。

⑴平面柵偽自對準(zhǔn)工藝

由于VDMOS器件的柵氧華層比較薄，一般為40nm～100nm之間，如果采用普通的多晶硅自對準(zhǔn)工藝，在柵氧化層形成之后，會有一個1150℃、60～120分鐘的退火過程，會使柵氧化層中形成缺陷，這種缺陷在總劑量輻照過程中會導(dǎo)致閾值電壓漂移、漏電增加、甚至柵氧化層破壞的問題。抗輻照產(chǎn)品使用平面柵偽自對準(zhǔn)工藝，可以避免這種情況的發(fā)生。

⑵高質(zhì)量柵氧化層生長技術(shù)

采用上述的平面柵偽自對準(zhǔn)工藝，即先進(jìn)行P阱注入，高溫退火形成要求的P阱結(jié)深，再進(jìn)行850℃的柵氧化層的生長的工藝，氧化層的結(jié)構(gòu)為干氧+濕氧+干氧的結(jié)構(gòu)，在工藝過程中嚴(yán)格控制氧化層中正電荷柵的數(shù)量，以達(dá)到控制氧化層質(zhì)量的目的。柵氧化層生長之后直接進(jìn)行900℃的N2退火工藝，并且在N2中增加一定比例的H2，因為H2的存在增加了電子陷阱，從而對空穴陷阱起到了一定的補(bǔ)償作用。

通過以上工藝的改進(jìn)就可以減小制造工藝過程中引入的電荷和缺陷。在柵氧化層之后所有工藝過程中，工藝溫度均應(yīng)該低于900℃，且作業(yè)時間不宜太長。

這種偽自對準(zhǔn)工藝+高質(zhì)量柵氧化層生長工藝在公司6英寸芯片生產(chǎn)線已經(jīng)流片成功，且在多個產(chǎn)品中進(jìn)行試驗，性能穩(wěn)定、可靠。

5 產(chǎn)品測試結(jié)果與討論

對管產(chǎn)品6A／20V、-4.4A／-20V的器件流片測試結(jié)果與國外同類產(chǎn)品的對比見表2。

表2 產(chǎn)品主要技術(shù)指標(biāo)與國外兼容產(chǎn)品的指標(biāo)對比（Ta＝25℃）

從表2可以看出，①所設(shè)計對管MOSFET產(chǎn)品在靜態(tài)參數(shù)和動態(tài)參數(shù)方面均達(dá)到了國外同類型產(chǎn)品特性指標(biāo)；②所設(shè)計對管MOSFET產(chǎn)品在抗單粒子和抗電離總劑量方面均達(dá)到了國外同類產(chǎn)品水平；③所設(shè)計對管產(chǎn)品開關(guān)時間典型值均優(yōu)于國外同類產(chǎn)品；電容和柵電荷基本達(dá)到了國外產(chǎn)品典型值水平。

6 結(jié)論

本文介紹了MOSFET器件的工作原理和基本工藝流程，重點研究了低壓、低閾值且具有抗輻照特性MOSFET設(shè)計和工藝制造。本文研究的6A／20V、-4.4A／-20V對管MOSFET器件靜態(tài)參數(shù)和動態(tài)參數(shù)均達(dá)到了國外同類產(chǎn)品的水平，部分參數(shù)優(yōu)于國外產(chǎn)品水平，可以替代國外對應(yīng)型號產(chǎn)品FDW2520C。