單長玲，習 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場效應晶體管的主要優(yōu)點是開關速度快、驅動功率小、安全工作區(qū)寬、溫度穩(wěn)定性好，被廣泛應用于通訊、計算機、汽車和消費電子領域，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中具有最大失效容限的電子元器件將有十分深遠的意義。

2 對管MOSFET產(chǎn)品方案設計

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，使器件柵極兩側的阱表面反型，形成連接源區(qū)和漏區(qū)的導電溝道?？刂茤旁粗g電壓的大小，就能夠控制溝道的開通和關斷，進而實現(xiàn)對漏極電流的控制。

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

第一步：通過理論計算和軟件仿真相結合的方法，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，設計中要選取其中一組（WB，ρB）使導通電阻最小。

第二步：再根據(jù)最大柵源電壓計算柵介質層的最小厚度，同時結合閾值電壓和其它電參數(shù)合理選擇柵介質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：把初步計算的結果帶入仿真軟件的工藝模塊，對各個結構和工藝參數(shù)進行不斷優(yōu)化設計，以確定最后的流片參數(shù)。

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

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

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行。內引線采用超聲鍵合工藝，密封采用平行縫焊工藝技術，并控制產(chǎn)品內部氧氣和水汽含量，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)品結合工藝線實際情況，采用條形單元結構，因為條形設計避免了單元設計中固有的角效應，提高了柵極氧化物的質量可控性，并且易于制造。源區(qū)寬度利用仿真軟件進行優(yōu)化設計，綜合考慮導通電阻、開關時間和芯片面積等，。芯片設計結果見表1。

表1 對管MOSFET管芯設計結果

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

圖1 N溝器件工藝結構

圖2 N溝擊穿電壓仿真結果

圖3 N溝閾值電壓仿真結果

圖4 P溝器件工藝結構

圖5 P溝擊穿電壓仿真結果

圖6 P溝閾值電壓仿真結果

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為條形單胞導通電阻，RC由仿真值確定，Ron為器件導通電阻。元胞導通電阻是通過ISE軟件仿真得到。器件導通電阻是設計時的要求值，由于在仿真過程中忽略了襯底及封裝電阻，所以在導通電阻計算過程中要給出約30%的設計余量。

4 研制工藝關鍵技術

抗輻照特性與柵氧化層質量關系重大，更高質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工藝以及高質量柵氧化層生長技術。

⑴平面柵偽自對準工藝

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致閾值電壓漂移、漏電增加、甚至柵氧化層破壞的問題?？馆椪债a(chǎn)品使用平面柵偽自對準工藝，可以避免這種情況的發(fā)生。

⑵高質量柵氧化層生長技術

采用上述的平面柵偽自對準工藝，即先進行P阱注入，高溫退火形成要求的P阱結深，再進行850℃的柵氧化層的生長的工藝，氧化層的結構為干氧+濕氧+干氧的結構，在工藝過程中嚴格控制氧化層中正電荷柵的數(shù)量，以達到控制氧化層質量的目的。柵氧化層生長之后直接進行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償作用。

通過以上工藝的改進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，工藝溫度均應該低于900℃，且作業(yè)時間不宜太長。

這種偽自對準工藝+高質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)品中進行試驗，性能穩(wěn)定、可靠。

5 產(chǎn)品測試結果與討論

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

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

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

6 結論

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，可以替代國外對應型號產(chǎn)品FDW2520C。