- 探討尺寸縮小對溝槽MOSFET性能的影響
- 采用突起式結構可以有效地避免刻蝕工藝
引言
近幾年，隨著電子消費產品需求的日益增長，功率MOSFET的需求也越來越大。其中，TMOS由于溝道是垂直方向，在相同面積下，單位元胞的集成度較高，因此導通電阻較低，同時又具有較低的柵－漏電荷密度、較大的電流容量，從而具備了較低的開關損耗及較快的開關速度，被廣泛地應用在低壓功率領域。
低壓TMOS的導通電阻主要是由溝道電阻和外延層電阻所組成，為了降低導通電阻，同時不降低器件其他性能，如漏源擊穿電壓，最直接的辦法是減少相鄰元胞的間距，在相同的面積下，增加元胞的集成度。基于此，本文借助了溝槽式接觸概念以及突起式多晶硅結構來克服由尺寸縮小引發的溝道穿通效應。最終通過試驗，成功開發出柵極電壓為4.5 V、工作電流5 A時，Rdson·A為9.5 mΩ·mm2、漏源擊穿電壓大于20 V、開啟電壓0.7 V、元胞間距1.4μm的n型TMOS。
1 器件仿真與工藝實現
通過圖1中傳統TMOS的截面圖和突起式溝槽工藝截面圖的比較，可以看到傳統的工藝是利用光刻工藝以掩模版形成器件源區(n+)，但是當尺寸不斷縮小以后，源區掩模版形成的光刻膠尺寸隨之變小，在后續的離子注入工藝中，增加了光刻膠脫落的風險，這就意味著單位元胞中本該被光刻膠掩蔽的有源區會被注入As+離子，從而產生寄生的npn三極管，導致器件工作時漏電增加，嚴重情況下會導致器件完全失效。本文采用溝槽式接觸這一概念，當源區注入時，有源區不保留光刻膠，As+離子完全注入，之后利用接觸孔掩模版直接刻蝕掉多余的As+離子注入區域，完全避免了傳統工藝下產生寄生npn三極管的風險，如圖1(b)中新型TMOS結構所示。
當單位元胞相鄰間距為1.4 μm工藝時，由于設計的溝道長度大約為0.5μm，源區結深大致為0.3μm，不得不考慮到傳統工藝下源區注入時，多晶硅刻蝕工藝波動所帶來的器件性能下降的風險。在傳統工藝中，當多晶硅淀積完成后，須通過刻蝕來形成柵極區域，但是多晶硅去除量難以精準控制，同時考慮到刻蝕工藝面內均勻性的特點，Si片內中心與邊緣的去除量無法保證相同，從而為隨后的源區注人工藝留下了潛在的風險。如圖2傳統TMOS與突起式TMOS工藝比較圖2(e)所示，當源區注入時，如果柵極多晶硅刻蝕量過多，會導致源區高濃度的As+離子從柵極邊緣注入到溝道中，間接地減少了溝道長度，從而降低了閾值開啟電壓(Vth)，尤其當溝道長度較短時，甚至會導致器件在正常工作狀態時發生漏源間穿通效應，最終導致器件失效。本文采用K·Shenai的突起式結構，在形成溝槽之后，先保留之前所生長的氧化層，然后直接生長柵極氧化膜和多晶硅，在柵極多晶硅形成后，才將先前生長的氧化層去掉，由此便形成了突起式多晶硅結構，從而可以保證在隨后的源區As+離子注入時，As+離子無法從溝槽側壁注入到溝道中，從根本上避免了發生源漏極之間穿通的可能性，降低了器件對刻蝕工藝的依賴程度。這點在器件柵極氧化膜厚度較薄的情況下尤其明顯，此時如果采用傳統工藝，源區離子注入時，As+離子更容易從側壁注入到溝道中，從而影響溝道長度。
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為了驗證這一理論，特別設計了在傳統工藝下，柵極頂部到外延層表面的多晶硅去除量(130 nm／230 nm／310 nm)的試驗。通過器件的電性能參數比較，如圖4(a)所示，可以看到，隨著多晶硅去除量的增加，閾值開啟電壓隨之降低，說明了器件溝道有效長度變短，源區離子通過側壁注入到溝道中，源區結深在溝道表面變深。同時由圖4(b)可知，漏源間漏電流也有明顯的區別，當多晶硅去除量在310 nm時，從累積概率圖中可以看到有部分區域漏電流增大，這一現象隨著多晶硅去除量的減少而逐步消失，從而驗證了溝道有效長度與多晶硅去除量有很強的相關性。由此可見，為了減少器件性能與刻蝕工藝的相關性，采用突起式多晶硅技術是非常必要的。圖5是采用透射電子顯微鏡所得到的突起式TMOS實際截面圖。可以看到在該圖中的突起式多晶硅結構以及溝槽式接觸，單位元胞相鄰間距為1.4μm的n型TMOS，單個芯片有源區面積為0.4 nm2，并采用TSOP6封裝。圖6(a)、(b)分別是器件擊穿電壓曲線以及輸出特性曲線。由圖6(a)可以看到，當漏端漏電流為250μA時，擊穿電壓為24 V，滿足大于20 V的設計需要，由圖6(b)可以看到，當柵極開啟電壓為4.5 v、工作電流為5 A時，對應的導通電阻大致為23.75 mΩ。由于芯片有源區設計尺寸為0.4 mm2，最終Rdson·A為9.5 mΩ·mm2
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當相鄰單位元胞尺寸不斷縮小后，尤其在設計柵極氧化膜較薄的器件時，在傳統的TMOS工藝中，源區注入會穿透柵極側壁影響器件性能。采用突起式結構可以有效地避免刻蝕工藝及源區注入對較短溝道器件的間接影響，消除了器件穿通的風險，保證了器件的穩定性能和可重復性。
