功率MOSFET基本结构：超结结构
今天给大家分享一篇关于mosfet超结结构的干货文章。
1、超结结构
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、超结结构生产工艺
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
(c) 单杂质注入 (d) 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、超结结构开关工作过程
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。
(a) vgs加正电压 (b) vgs增加形成反型层
(c) vgs增加沟道建立 (d) 沟道加宽完全导通
图9 超结结构导通过程
4、高压浮岛结构
另外还有一种介于平面和超结结构中间类型，这种结构内部p区被n-外延层包围，称为p型浮岛结构，电流密度低于超结型，高于普通平面工艺，抗雪崩能力强于超结结构。
图10 浮岛结构
这种结构工作原理是在内部浮岛p区和n-外延层交接处形成耗尽层，将n-外延层三角形电场在中间位置提升，从而提高耐压，这样可以适当减薄n-外延层厚度，降低导通电阻。
p型浮岛需要在n-外延层内部开出较深沟槽，形成p型浮岛结构，然后，沟槽里面填充多晶硅，连接到源极，沟槽深度并没有贯穿整个芯片厚度。沟槽深度越深，p型浮岛结构数量越多，耐压越高，但成本增加。
制作过程使用多次外延或深沟槽工艺，多次外延层数远少于超结结构，浮岛结构p型掺杂浓度控制没有超结严格，只要保证在反向偏压下不完全耗尽就可以，工艺成本低于超结结构；另外，正向导通时，p型浮岛浮空，不会向n-外延层注入非平衡少子，二极管特性好于超结结构。
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1、超结结构
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。
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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、超结结构生产工艺
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
(c) 单杂质注入 (d) 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、超结结构开关工作过程
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。
(a) vgs加正电压 (b) vgs增加形成反型层
(c) vgs增加沟道建立 (d) 沟道加宽完全导通
图9 超结结构导通过程
4、高压浮岛结构
另外还有一种介于平面和超结结构中间类型，这种结构内部p区被n-外延层包围，称为p型浮岛结构，电流密度低于超结型，高于普通平面工艺，抗雪崩能力强于超结结构。
图10 浮岛结构
这种结构工作原理是在内部浮岛p区和n-外延层交接处形成耗尽层，将n-外延层三角形电场在中间位置提升，从而提高耐压，这样可以适当减薄n-外延层厚度，降低导通电阻。
p型浮岛需要在n-外延层内部开出较深沟槽，形成p型浮岛结构，然后，沟槽里面填充多晶硅，连接到源极，沟槽深度并没有贯穿整个芯片厚度。沟槽深度越深，p型浮岛结构数量越多，耐压越高，但成本增加。
制作过程使用多次外延或深沟槽工艺，多次外延层数远少于超结结构，浮岛结构p型掺杂浓度控制没有超结严格，只要保证在反向偏压下不完全耗尽就可以，工艺成本低于超结结构；另外，正向导通时，p型浮岛浮空，不会向n-外延层注入非平衡少子，二极管特性好于超结结构。
锂电池成本快速下降 锂电储能市场将会迎来爆发式增长
中控智慧科技人脸识别终端AI302介绍
什么是编码
共进电子选择莱特波特测试高带宽无线新产品
下一代人工智能
功率MOSFET基本结构：超结结构
大疆重磅推出沉浸式飞行无人机DJI FPV
同轴射频电缆和稳相电单缆的区别
表面贴装技术对贴片元器件的要求
一键式测量仪在手，磁性元件尺寸测量无忧！
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