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        SGT MOS 器件電容特性研究與分析

        2020-10-27 11:45:22任麗麗李建澄郭榮輝
        電聲技術(shù) 2020年6期
        關(guān)鍵詞:柵極溝槽表達(dá)式

        任麗麗,李建澄,郭榮輝

        (1.南京航空航天大學(xué),江蘇 南京 210016;2.三江學(xué)院,江蘇 南京 210012;3.東南大學(xué),江蘇 南京 211189)

        1 引言

        溝槽型MOS 器件以其優(yōu)秀的正向?qū)ㄌ匦?、較高的開(kāi)關(guān)速度、良好的熱穩(wěn)定性和便于集成等特點(diǎn),在功率開(kāi)關(guān)應(yīng)用中受到了人們的廣泛重視[1]。與傳統(tǒng)溝槽MOS 器件相比,分離柵結(jié)構(gòu)溝槽MOS在相同耐壓下具有更小的導(dǎo)通電阻,且由于分離柵的存在,大大減小了柵漏之間的電容,具有更好的抗漏極電壓震蕩對(duì)柵極影響的能力[2]。因此,深入分析SGT MOS 器件的基本結(jié)構(gòu),建立器件的電容模型,并對(duì)其電容特性進(jìn)行了仿真和對(duì)比分析。

        2 SGT MOS 器件基本結(jié)構(gòu)與電容模型

        2.1 SGT MOS 器件基本結(jié)構(gòu)

        相比于普通Trench MOS 器件,SGT MOS 器件是在Trench MOS 器件的基礎(chǔ)上,對(duì)其溝槽中淀積的多晶硅柵結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改良。SGT MOS 器件溝槽中除了控制柵外,還存在一個(gè)連接源極的分離柵。因此,不同于Trench MOS 器件的工藝流程,它會(huì)在淀積多晶硅柵之前多幾個(gè)工藝步驟[3]。它的元胞垂直剖面結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示,Wcell為SGT MOS 器件的元胞寬度,Wt為溝槽寬度,Ws為臺(tái)面有效寬度;Lg為控制柵長(zhǎng)度,Ld為分離柵長(zhǎng)度,L為外延層厚度,Xjp為P 體區(qū)的深度。圖1 中藍(lán)色虛線是SGT MOS器件中耗盡層的展寬,其中Xmp1是耗盡層在P 體區(qū)與N-漂移區(qū)邊界向下展寬的厚度,Xmp2是耗盡層在溝槽側(cè)壁往兩側(cè)展寬的厚度。

        2.2 電容模型

        如圖1 所示,SGT MOS 器件的柵極電容主要分為柵源電容Cgs、柵漏電容Cgd和源漏電容Cds共3 部分。其中:柵源電容主要由柵極和源極之間的電容Cgs1、柵極與連接源極的分離柵之間的電容Cgs2、柵極與P 體區(qū)之間的電容Cp以及柵極和N+源區(qū)之間的電容Cn+組成;柵漏電容主要由柵極與薄柵氧化層之間的電容Cgox、柵極與薄柵氧化層和漂移區(qū)重疊部分之間的電容Cm1、柵極與溝槽下部分厚柵氧化層之間的電容Csox以及柵極與厚柵氧化層和漂移區(qū)重疊部分之間的電容Cm2組成;源漏電容主要由P 體區(qū)與漂移區(qū)之間的電容組成。這3 個(gè)寄生電容歸根結(jié)底是由耗盡層電容和介質(zhì)層電容組成。

        2.2.1 柵源電容Cgs

        根據(jù)圖1,組成柵源電容Cgs的Cgs1、Cgs2、Cn+和CP這4 部分電容呈現(xiàn)并聯(lián)關(guān)系。根據(jù)平行板電容的表達(dá)式C=εS/d,代入相關(guān)尺寸參數(shù)將得到4 部分電容并聯(lián)化簡(jiǎn),可得到器件單位面積上的特征柵源電容表達(dá)式:

        2.2.2 柵漏電容Cgd

        柵漏電容Cgd又稱密勒電容。普通溝槽型MOS 的柵漏電容計(jì)算簡(jiǎn)單,主要由溝槽底部寬度決定。SGT MOS 器件的柵漏電容計(jì)算稍微復(fù)雜,主要是因?yàn)闁艠O在溝槽上半部分,通過(guò)側(cè)邊氧化層、漂移區(qū)連接漏級(jí),需要考慮4 部分電容的并聯(lián)。它的單位面積上特征柵漏電容具體表達(dá)式為:

        從式(2)可以看出,Cm1與Cgox串聯(lián),Cm2與Csox串聯(lián),然后二者并聯(lián)組成柵漏電容。其中,Cm1、Cm2主要取決于槽柵之外耗盡層的寬度。隨著Vds的不斷增加,耗盡層的展寬越來(lái)越大,相應(yīng)的這兩個(gè)耗盡層電容會(huì)越來(lái)越小。

        耗盡層展寬表達(dá)式為:

        式中,ND為摻雜的施主濃度。根據(jù)可以推得兩部分電容Cm1和Cm2。再將其代入式(2),可得到具體的特征柵漏電容表達(dá)式。

        2.2.3 源漏電容Cds

        由于器件底部漏極直接與N-漂移區(qū)相連,因此源漏電容Cds可以視作為P 體區(qū)和N-漂移區(qū)組成的PN 結(jié)的電容Cs,j的一部分,故其與PN 結(jié)電容Cs,j成比例關(guān)系。隨著Vds的不斷增加,側(cè)面耗盡層寬度Xmp2也在不斷增大,導(dǎo)致有效臺(tái)面區(qū)寬度不斷減小,因此有效臺(tái)面區(qū)單位面積上特征源漏電容表達(dá)式為:

        式中,Cs,j的表達(dá)式參考PN 結(jié)突變結(jié)兩端等效電容公式。突變結(jié)電容則主要由勢(shì)壘電容CT與擴(kuò)散電容CD組成,二者表達(dá)式為:

        式中,A為PN 結(jié)面積。

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        最后,將式(6)和式(7)代入式(5),可得最終器件單位面積上特征源漏電容表達(dá)式。

        3 仿真及分析

        3.1 分離柵溝槽MOS 器件與普通溝槽MOS 器件柵極電容特性

        基于對(duì)比的嚴(yán)謹(jǐn)性,通過(guò)控制變量將分離柵溝槽MOS 器件和溝槽MOS 器件的結(jié)構(gòu)參數(shù)盡量保證一致。例如,元胞寬度Wcell、溝槽寬度Wt、外延層厚度Le、柵氧層厚度Tox以及控制柵長(zhǎng)度Lg等都保持一樣,通過(guò)調(diào)整外延層的摻雜濃度和協(xié)調(diào)P 體區(qū)深度,在保證兩者耐壓盡可能一致(40 V)的情況下,研究?jī)烧叩臇艠O電容特性。對(duì)比兩者的柵極電容特性,關(guān)心的是器件關(guān)于抗漏極電壓震蕩影響的能力[2]。這取決于Ciss/Cgd的值,因此主要分析兩種器件的柵漏電容Cgd和輸入電容Ciss。兩者的柵漏電容Cgd對(duì)比和輸入電容Ciss對(duì)比,分別如圖2 和圖3 所示。

        從圖2 可知,相同耐壓條件下,分離柵溝槽MOS 器件的柵漏電容只有普通溝槽MOS 器件的不到一半,明顯小于普通溝槽MOS 器件。證明當(dāng)在溝槽型MOS 器件中引入分離柵后,這個(gè)結(jié)構(gòu)將柵極和漏極從物理層面上做了分離,減小了柵漏之間的影響,將原本普通溝槽結(jié)構(gòu)中占比較大的柵漏電容Cgd轉(zhuǎn)化為柵源電容Cgs。從圖3 可知,相同耐壓下,分離柵溝槽MOS 器件的輸入電容大于普通溝槽MOS。當(dāng)Vds=10 V 時(shí),從數(shù)值關(guān)系上看,分離柵溝槽MOS 器件的輸入電容約是普通溝槽MOS的2 倍。由圖2 和圖3 的曲線可知,當(dāng)Vds=10 V時(shí),分離柵結(jié)構(gòu)Ciss/Cgd的值約是普通溝槽結(jié)構(gòu)10倍,驗(yàn)證了分離柵溝槽MOS 器件抗漏極干擾的優(yōu)越性能。

        3.2 分離柵長(zhǎng)度對(duì)柵漏電容的影響

        分離柵存在的重要意義是轉(zhuǎn)換柵漏電容。不同分離柵長(zhǎng)度下,柵漏電容和輸入電容隨Vds的變化曲線如圖4 和圖5 所示。

        從圖4 和圖5 可知,在這5 個(gè)不同長(zhǎng)度分離柵下,柵漏電容Cgd都隨著源漏電壓Vds的增加而逐漸變小最終趨于不變,輸入電容Ciss的變化趨勢(shì)也是如此。分離柵的存在主要是將柵漏電容Cgd轉(zhuǎn)化為柵源電容Cgs,而分離柵的長(zhǎng)度在一定程度上影響了這種轉(zhuǎn)化能力。分離柵越長(zhǎng),控制柵與漏極的距離隔得越開(kāi),兩者的電荷耦合效果也會(huì)相應(yīng)減弱,因此柵漏電容Cgd就會(huì)減小。減小的這部分柵漏電容Cgd其實(shí)轉(zhuǎn)化成了柵源電容Cgs和源漏電容Cds。如圖6 所示,柵源電容Cgs隨著分離柵長(zhǎng)度的增加而增加。圖7 顯示了分離柵長(zhǎng)度為1 μm 的器件的柵極電容隨Vds的變化曲線。

        圖7 雖然顯示的只是1 μm 長(zhǎng)度分離柵下柵極電容的情況,但其他分離柵長(zhǎng)度的器件電容值變化與之類(lèi)似,最后帶來(lái)的結(jié)果就是如圖5 所示器件的輸入電容Ciss越來(lái)越大。Ciss/Cgd是衡量功率器件穩(wěn)定性的一個(gè)數(shù)值,表明了器件對(duì)電壓擺幅的抗干擾能力的強(qiáng)弱。因此,增長(zhǎng)分離柵一定程度上也有助于提高器件的穩(wěn)定性。

        4 結(jié)語(yǔ)

        在分析分離柵溝槽MOS 器件的元胞結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上,建立器件的柵極電容等效平板電容并聯(lián)模型,通過(guò)對(duì)比分離柵溝槽MOS 器件與普通溝槽MOS 器件柵極電容特性,驗(yàn)證了分離柵溝槽MOS器件抗漏極干擾的優(yōu)越性能。此外,仿真分析分離柵長(zhǎng)度與柵漏電容的關(guān)系,可為后續(xù)優(yōu)化器件設(shè)計(jì)奠定理論基礎(chǔ)。

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