一种低阈值抗辐照对管MOSFET器件设计及工艺研究

单长玲，习 毓，丁文华

（西安卫光科技有限公司，陕西西安，710065）

1 引言

功率MOSFET场效应晶体管的主要优点是开关速度快、驱动功率小、安全工作区宽、温度稳定性好，被广泛应用于通讯、计算机、汽车和消费电子领域，并且是分立器件和功率集成电路（SPIC）中的重要组成部分。宇航和卫星用的MOS管，需要在恶劣的环境中，如宇宙射线、高能离子等辐射环境中工作。因此，研制在空间辐射效应中具有最大失效容限的电子元器件将有十分深远的意义。

2 对管MOSFET产品方案设计

功率MOSFET器件是电压控制型器件，它是由若干个单元并联组成的。在栅极上施加一定的电压，使器件栅极两侧的阱表面反型，形成连接源区和漏区的导电沟道。控制栅源之间电压的大小，就能够控制沟道的开通和关断，进而实现对漏极电流的控制。

管芯是整个产品的关键核心部分，在这里给出管芯设计的主要技术途径。

第一步：通过理论计算和软件仿真相结合的方法，首先根据产品的漏源击穿电压，利用非穿通型的经验公式计算出外延电阻率的最小值和厚度的最大值；然后利用穿通型的设计方法，对于一定的击穿电压，存在无限的（WB，ρB）组合，都可以满足要求，设计中要选取其中一组（WB，ρB）使导通电阻最小。

第二步：再根据最大栅源电压计算栅介质层的最小厚度，同时结合阈值电压和其它电参数合理选择栅介质层的厚度和阱注入剂量；最后根据工艺线的最小线宽，确定器件的横向尺寸。

第三步：把初步计算的结果带入仿真软件的工艺模块，对各个结构和工艺参数进行不断优化设计，以确定最后的流片参数。

第四步：对仿真优化设计的结果进行流片验证，在流片过程中，要把实际流片结果和仿真结果进行比对，并及时调整，直到生产出参数特性满足要求的产品。

第五步：整理实际流片的结果，并及时修正仿真软件和算法，以达到仿真和实际生产结果很好的吻合度，最终指导生产，并建立相应的设计文件库。

本文研制对管MOSFET产品的芯片在我公司自有六吋线进行流片，产品的封装、测试在我公司后部封装生产线和检测试验中心进行。内引线采用超声键合工艺，密封采用平行缝焊工艺技术，并控制产品内部氧气和水汽含量，以提高产品的热稳定性和长期储存的能力。

3 对管MOSFET器件仿真

本文产品结合工艺线实际情况，采用条形单元结构，因为条形设计避免了单元设计中固有的角效应，提高了栅极氧化物的质量可控性，并且易于制造。源区宽度利用仿真软件进行优化设计，综合考虑导通电阻、开关时间和芯片面积等，。芯片设计结果见表1。

表1 对管MOSFET管芯设计结果

器件仿真结果均达到了设计要求。对管N沟：器件的工艺仿真结果如图2所示；从图3击穿电压的仿真结果可以看出BVDSS＝44.6V；从图4阈值电压的仿真结果可以看出Vth＝1.6V。对管P沟：器件的工艺仿真结果如图5所示；从图击穿电压的仿真结果可以看出BVDSS＝-28V；从图4阈值电压的仿真结果可以看出Vth＝-1.63V。结果均满足设计要求。

图1 N沟器件工艺结构

图2 N沟击穿电压仿真结果

图3 N沟阈值电压仿真结果

图4 P沟器件工艺结构

图5 P沟击穿电压仿真结果

图6 P沟阈值电压仿真结果

沟道的宽度由元胞数目确定：

式中，W 为沟道宽度，L为条形元胞条长，N为元胞数目，RC／L为条形单胞导通电阻，RC由仿真值确定，Ron为器件导通电阻。元胞导通电阻是通过ISE软件仿真得到。器件导通电阻是设计时的要求值，由于在仿真过程中忽略了衬底及封装电阻，所以在导通电阻计算过程中要给出约30%的设计余量。

4 研制工艺关键技术

抗辐照特性与栅氧化层质量关系重大，更高质量的栅氧化层可以明显增加产品的抗辐照特性，在产品研制工艺上采用平面栅伪自对准工艺以及高质量栅氧化层生长技术。

⑴平面栅伪自对准工艺

由于VDMOS器件的栅氧华层比较薄，一般为40nm～100nm之间，如果采用普通的多晶硅自对准工艺，在栅氧化层形成之后，会有一个1150℃、60～120分钟的退火过程，会使栅氧化层中形成缺陷，这种缺陷在总剂量辐照过程中会导致阈值电压漂移、漏电增加、甚至栅氧化层破坏的问题。抗辐照产品使用平面栅伪自对准工艺，可以避免这种情况的发生。

⑵高质量栅氧化层生长技术

采用上述的平面栅伪自对准工艺，即先进行P阱注入，高温退火形成要求的P阱结深，再进行850℃的栅氧化层的生长的工艺，氧化层的结构为干氧+湿氧+干氧的结构，在工艺过程中严格控制氧化层中正电荷栅的数量，以达到控制氧化层质量的目的。栅氧化层生长之后直接进行900℃的N2退火工艺，并且在N2中增加一定比例的H2，因为H2的存在增加了电子陷阱，从而对空穴陷阱起到了一定的补偿作用。

通过以上工艺的改进就可以减小制造工艺过程中引入的电荷和缺陷。在栅氧化层之后所有工艺过程中，工艺温度均应该低于900℃，且作业时间不宜太长。

这种伪自对准工艺+高质量栅氧化层生长工艺在公司6英寸芯片生产线已经流片成功，且在多个产品中进行试验，性能稳定、可靠。

5 产品测试结果与讨论

对管产品6A／20V、-4.4A／-20V的器件流片测试结果与国外同类产品的对比见表2。

表2 产品主要技术指标与国外兼容产品的指标对比（Ta＝25℃）

从表2可以看出，①所设计对管MOSFET产品在静态参数和动态参数方面均达到了国外同类型产品特性指标；②所设计对管MOSFET产品在抗单粒子和抗电离总剂量方面均达到了国外同类产品水平；③所设计对管产品开关时间典型值均优于国外同类产品；电容和栅电荷基本达到了国外产品典型值水平。

6 结论

本文介绍了MOSFET器件的工作原理和基本工艺流程，重点研究了低压、低阈值且具有抗辐照特性MOSFET设计和工艺制造。本文研究的6A／20V、-4.4A／-20V对管MOSFET器件静态参数和动态参数均达到了国外同类产品的水平，部分参数优于国外产品水平，可以替代国外对应型号产品FDW2520C。