DMOS功能器件

DMOS功能器件主讲成员：苏仁波杨秀平马红郭巍陈飞讲解内容•DMOS器件的概念•DMOS器件的结构•DOMS器件工作原理•DOMS器件在工艺上的应用引言功率半导体在工业、汽车、消费电子等领域的应用越来越广泛，主要用于执行机构和供电单元。随着功率电子工艺技术的改进和用户对其散热效果要求的提高，早先在功率封装上附加散热片的方法实现起来很困难，而且PCB的布局对散热效果有很大影响，为减小PCB布局难度，要采用新的方法确定功率封装的热阻。DMOS器件的概念以双扩散MOS晶体管为基础的电路,简称DMOS（double-diffusedMOSFET）。利用两种杂质原子的侧向扩散深度差，形成自对准的亚微米沟道，可以达到很高的工作频率和速度。DMOS与CMOS器件结构类似，也有源、漏、栅等电极，但是漏端击穿电压高。DMOS主要有两种类型，垂直双扩散金属氧化物半导体场效应管VDMOSFET（verticaldouble-diffusedMOSFET）和横向双扩散金属氧化物半导体场效应管LDMOSFET（lateraldouble-diffusedMOSFET）。DOMS器件原理DMOS器件是由成百上千的单一结构的DMOS单元所组成的。这些单元的数目是根据一个芯片所需要的驱动能力所决定的，DMOS的性能直接决定了芯片的驱动能力和芯片面积。对于一个由多个基本单元结构组成的DMOS器件，其中一个最主要的考察参数是导通电阻，用Rds（on）表示。导通电阻是指在器件工作时，从漏到源的电阻。对于DMOS器件应尽可能减小导通电阻，就是现代工艺流程所追求的目标。当导通电阻很小时，器件就会提供一个很好的开关特性，因为漏源之间小的导通电阻，会有较大的输出电流，从而可以具有更强的驱动能力。DMOS的主要技术指标有：导通电阻、阈值电压、击穿电压等。标准n沟道双扩散MOS晶体管剖面图标准的n沟道双扩散MOS晶体管•标准的n沟道双扩散MOS晶体管的剖面图如下，衬底是n-型材料，在其上的选用的区域进行P型扩散。这种P型扩散与在双扩散的双极晶体管中基区扩散相同，并把它用作MOS器件的沟道。随后通过同一掩模窗孔进行n+扩散，以形成如上图所示的源和漏区。P型区的横向尺寸就是沟道宽度。假设横向的扩散深度与垂直方向相同，则正如双极晶体管的基区宽度一样，沟道长度可以控制到1um以内。由n-层可得到高的击穿电压和低的反馈电容，从而改进器件性能。•但DMOS不是对称器件，源和漏互换导致不同的电流—电压特性。这是因为沟道是由扩散形成的，所以在源的一端杂质浓度高于楼的一端。N沟道DMOS晶体管DMOS结构•该器件结构采用了平面扩散技术，以难溶材料如多晶硅的栅作掩模，用多晶硅的边缘定义P基区与N+源区，DMOS的名称由制造技术中的双重扩散工艺而来，它的主要目的是为了克服短沟道和穿通电压的矛盾。众所周知，减小沟道长度是提高管子频率特性，获得高跨导和大增益途径，但是如果沟道长度太小，容易引起漏源之间的穿通，即降低了漏结击穿电压。采用上图中的P区、N+区两次扩散工艺可以克服上述矛盾。图中用P-半导体硅作为衬底材料，然后在其上面外延N-区，P和N+双重扩散形成长度为L的P型沟道区，L值是P区与N+区结深之差，它是易于控制的。N+漏区与沟道之间存在着N-外延区，它使P—N-的耗尽区大部分存在于N-区一边，从而有效的阻止了穿通效应的发生。d可以做得足够长，以达到击穿电压的要求。这种结果的缺点是硅面积的利用率较差。无论是这种结构还是为了提高电流容量而设计的多沟道或多单元结构，其封装密度均比下面讨论的纵向漏结构小。VDMOS晶体管VDMOS工作原理•如上图所示，该图是采用垂直导电的双扩散结构。VDMOS场效应管是在N+衬底上的N-外延层上，先后进行p-型和n-型区两次扩散，然后从上表面引出源极S和栅极G，从芯片n+衬底的背后引出漏极D。N+和N-区之间的P区是沟道，这样可实现交短沟道，并避免漏源之间的穿通。•VDMOS场效应管的工作原理如下：当给S、D极间加上电源电压UDS时，若G极电位为0或负值，由于PN结反向偏置，S、D极间没有电流，即ID=0;当G极加上正电压时，会在p-区感生出电子并不断积累，形成了N沟道。N沟道连通了上面的N+型区和下面的N-型区，在S、D极间便产生了电流ID，电流的大小取决于G极上正电压的大小。DMOS器件结构原理•DMOS结构图中一是横向DMOS晶体管（简称LDMOS），图二DMOS结构是垂直DMOS晶体管(简称VDMOS)。LDMOS是平面型的，三个电极都由上表面引出，适合于与其他器件集成。源扩散是自对准的，而栅金属层则与漏扩散区离开，以减小输入和反馈电容，并缓和短沟道效应。VDMOS在N+硅衬底上生长一层N-外延层,电子流经沟道后改为垂直方向由衬底流出。因此，漏电极由硅片底面引出，硅片表面只有源电极和栅电极，有利于提高集成度。与普通MOS晶体管相比DMOS在结构上有两个主要区别:一是将P型、N型杂质通过同一氧化层窗口顺次扩散，形成很短的沟道；二是在沟道与漏区之间加入一个轻掺杂的N-漂移区，其掺杂浓度远小于沟道区。这个区承受大部分所加的漏电压，从而使短沟道效应减弱，提高漏击穿电压，从而实现短沟道与高击穿电压结合而得到的一系列优点。•dmos比mos器件多一个耐压的漂移区，ldmos漂移区在表面，横向的，vdmos漂移区在体内，纵向的。一、横向双扩散金属氧化物半导体场效应管LDMOSFET结构图LDMOS•1.LDMOS,即横向双扩散金属-氧化物-半导体,一般N-LDMOS比较常见,是通过源的N+和下面的P-共同扩散来形成沟道的,由于沟道与正常的MOS管没什么区别,所以开启电压可以做到与普通MOS差不多,另外,LDMOS一般用于高压功率电路,通过漂移区低的参杂浓度来承受漏端高的电压;二、垂直双扩散金属氧化物半导体场效应管VDMOSFET结构图VDMOS特点•2、VDMOS兼有双极晶体管和普通MOS器件的优点。与双极晶体管相比，它的开关速度，开关损耗小；输入阻抗高，驱动功率小；频率特性好；跨导高度线性。特别值得指明出的是，它具有负的温度系数，没有双极功率的二次穿问题，安全工作区大。因此，不论是开关应用还是线性应用，VDMOS都是理想的功率器件。DMOS器件工艺•LDMOS由于更容易与CMOS工艺兼容而被广泛采用。LDMOS器件结构如图1所示，LDMOS是一种双扩散结构的功率器件。这项技术是在相同的源/漏区域注入两次，一次注入浓度较大（典型注入剂量1015cm-2）的砷（As），另一次注入浓度较小（典型剂量1013cm-2）的硼（B）。注入之后再进行一个高温推进过程，由于硼扩散比砷快，所以在栅极边界下会沿着横向扩散更远（图中P阱），形成一个有浓度梯度的沟道，它的沟道长度由这两次横向扩散的距离之差决定。为了增加击穿电压，在源区和漏区之间有一个漂移区。LDMOS中的漂移区是该类器件设计的关键，漂移区的杂质浓度比较低，因此，当LDMOS接高压时，漂移区由于是高阻，能够承受更高的电压。图1所示LDMOS的多晶扩展到漂移区的场氧上面，充当场极板，会弱化漂移区的表面电场，有利于提高击穿电压。场极板的作用大小与场极板的长度密切相关。要使场极板能充分发挥作用，一要设计好SiO2层的厚度，二要设计好场极板的长度。DMOS器件工艺图工艺图DMOS工艺•DMOS(双扩散MOS)晶体管是针对大电流、高电压而优化设计的。为了提高击穿电压而将这类元件设计成长沟道结构。将几个单元并联来实现大电流(低的导通电阻)和高能量密度。DMOS工艺比逻辑工艺具有更厚的栅极氧化层，这样可以制造出更坚固的器件。如果这些基本的工艺以逻辑方式组合起来，可以得到下列不同的组合工艺，根据它们的专有特性可以适用于特定的应用领域。VDMOSDOMS器件的性能与应用•1.热稳定性；2.频率稳定性；3.更高的增益；4.提高的耐久性；5.更低的噪音；6.更低的反馈电容；7.更简单的偏流电路；8.恒定的输入阻抗；9.更好的IMD性能；10.更低的热阻；11.更佳的AGC能力。DMOS器件特别适用于CDMA、W-CDMA、TETRA、数字地面电视等需要宽频率范围、高线性度和使用寿命要求高的应用。•LDMOS初期主要面向移动电话基站的RF功率放大器，也可以应用于HF、VHF与UHF广播传输器以及微波雷达与导航系统等等。•现在，VDMOS器件已广泛应用于各种领域，包括电机调速、逆变器、不间断电源、开关电源、电子开关、高保真音响、汽车电器和电子镇流器等。由于VDMOS的性能价格比已优于双极功率器件，它在功率器件市声中的份额已达42%。并将继续上升。•在功率应用中，由于DMOS技术采用垂直器件结构(如垂直NPN双极晶体管)，因此具有很多优点，包括高电流驱动能力、低Rds导通电阻和高击穿电压等。DMOS的特性参数•DMOS的主要技术指标有：导通电阻、阈值电压、击穿电压等。对LDMOS而言，外延层的厚度、掺杂浓度、漂移区的长度是其最重要的特性参数。我们可以通过增加漂移区的长度以提高击穿电压，但是这会增加芯片面积和导通电阻。高压DMOS器件耐压和导通电阻取决于外延层的浓度、厚度及漂移区长度的折中选择。因为耐压和导通阻抗对于外延层的浓度和厚度的要求是矛盾的。高的击穿电压要求厚的轻掺杂外延层和长的漂移区，而低的导通电阻则要求薄的重掺杂外延层和短的漂移区，因此必须选择最佳外延参数和漂移区长度，以便在满足一定的源漏击穿电压的前提下，得到最小的导通电阻。另外，由于DMOS芯片面积大，对缺陷密度较敏感。DMOS性能•DMOS：1.耐压DMOS在沟道与漏之间增加了比较长的低浓度n-漂移区。由于该区的杂质浓度比P型沟道区的低，当漏电压增加时，耗尽区主要向低浓度的漂移区延伸。所以只要适当选取漂移区的长度以及P型沟道区和漂移区的电阻率就可以使这种新结构的MOS承受较高电压而不会击穿或穿通。2.电流流通能力沟道区的长度主要由两次扩散时的结深来控制，故L可以做很小并且不受光刻精度的限制。再加上增大沟道Z的措施后，器件的电流也可以做的上去。DMOS集成电路的特点DMOS集成电路的主要优点是击穿电压高和自对准构成微米沟道，而没有严重的短沟道效应。DMOS电路技术与E/DMOS电路(见增强型与耗尽型金属-氧化物-半导体集成电路)相结合,在70年代后期曾受到人们重视，研制出一些高速的大规模集成电路。但是，由于工艺控制上的困难，尚不能形成主要的产品。这种技术对制造高速、高电压集成电路仍有很大潜力，已制造出击穿电压达几百伏的DMOS集成电路。另一方面，DMOS晶体管作为高频大功率器件已取得很大进展。与双极型高频功率管相比，DMOS管有两个重要优点：①利用多数载流子工作，没有少数载流子存储效应，所以速度快；②由于迁移率的负温度系数，电流随温度（一般温度下）上升而下降。因此，热逃逸和二次击穿效应很小。这种器件还可并联得到高输出功率，而不需要有镇流电阻。功率电子的工艺技术•功率半导体产品的集成水平（复杂性）决定其产品性能。每个独立的产品组都可以采用专用技术来优化实现。•1、基本工艺:•(1)CMOS工艺•(2)双极型工艺•(3)DMOS工艺•2、合成工艺:•(4)BC工艺•(5)CD工艺•(6)BCD工艺(一)CMOS工艺•CMOS(互补MOS)只包含P沟道和N沟道，不包括任何双极型和其他器件。这里的晶体管是通过P阱和N阱和一个多晶硅栅构造而成。用多晶硅层构成电阻，使用多晶硅和掺杂的衬底作为电容平板，栅极氧化物作为电介质，CMOS工艺对于构造逻辑功能是最优的。从根本上说，这一工艺可以制造一系列低压器件(5V，3V，1.8V)，实现在极小元件里的高集成密度。(2)双极型工艺•双极型工艺使用NPN型和PNP型双极型晶体管作为有源元件。双极型工艺并不需要多晶硅栅。这种工艺步骤很少，性价比高。集成密度取决于工艺的电压等级。通过改变晶体管的尺寸可得到各种不同的电压等级。(3)DMOS工艺：•DMOS(双扩散MOS)晶体管是针对大电流、高电压而优化设计的。为了提高击穿电压而将这类元件设计成长沟道结构。