[发明专利]优化体二极管反向恢复特性的超结VDMOS及制备方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体器件与工艺制造领域，具体涉及一种优化体二极管反向恢复特性的超结VDMOS及制备方法。

背景技术

在高压开关应用中，需要采用具有良好特性的体二极管且耐用性强的VDMOS，但是常规的VDMOS器件较高的导通电阻增加了开关电路的静态功耗，依照超结理论(Super Junction)电荷平衡概念所设计的器件在90年代末被引入市场，它具有比常规VDMOS低得多的R_DS(on)而得到广泛应用。由于它的R_DS(on)与BV^1.3成比例，而普通器件的R_DS(on)是与BV^2.5成比例，它的R_DS(on)比普通MOSFET低很多，因此这类超结器件在高电压时的应用非常吸引人。

二极管由通态到反向阻断状态的开关过程称为反向恢复，如附图1所示，超结VDMOS的P柱与N外延层形成的本征二极管称为体二极管，在开关应用尤其电桥电路中，需要体二极管提供的反向漏极电流为电路续流，而体二极管导通后反向关断，将产生极高的电压变化率(dv/dt)，这可能会造成寄生NPN晶体管开启，因而体二极管的反向恢复过程的可靠性在该应用中极其关键。

超结VDMOS器件通过众多PN柱状结构来获得电荷平衡，这种结构同时给超结VDMOS器件的体二极管带来两个后果，一是PN结的面积大了许多，导致较大注入时Irrm和Qrr升高；二是由于PN柱结的快速耗尽带来了dv/dt的增大，导致寄生的NPN晶体管开通或是很快恢复过来。因而，普通超结VDMOS的一个缺点就是它的体二极管的反向恢复特性较差。超结VDMOS器件有着较大的反向恢复电流，并且在某些反向恢复的情况下易于失效。此外，应用电路要求体二极管还应能够承受较高的di/dt和dv/dt。即使施加缓和上升的di/dt，普通超结VDMOS器件的体二极管有时也会失效。如果体二极管的反向恢复特性较差，那么将会增加MOSFET的开通损耗，因此，对于这些应用都需要具有特性良好、耐用性强的体二极管的MOSFET。

在超结VDMOS器件中，由于制造工艺的偏差，N柱和P柱电荷的完全平衡是不可能完全实现的。Praveen M. Shenoy等人针对N柱和P柱的电荷不平衡给器件特性所带来的影响在文献《Analysis of the effect of charge imbalance on the static and dynamic characteristics of the super junction MOSFET》中进行了细致的讨论，如附图1所示，共分析了三种情况N柱和P柱的电荷完全平衡（Q_P=Q_N），P柱电荷数少于N柱电荷数（Q_P<Q_N）以及P柱电荷数多于N柱电荷数（Q_P>Q_N）。在Q_P= Q_N电荷平衡的情况下，电场峰值是在PN柱结约为结深一半的位置处，大部分电流直接流向PBODY区的接触部位，其余的电流在N⁺源极下面流过。对于Q_P<Q_N的情况下，峰值电场在结的P阱顶部，大部分电流在N⁺源区下面流过。源极下面的大电流会导致寄生NPN晶体管的开启，并且强电场和源极下的电流会导致该面积内局部过热，随着温度的升高，R_B的增大和V_BE的减小会进一步加速该寄生双极晶体管的开通问题，因此，在施加大电流或高di/dt的反向恢复期间，Q_P<Q_N的情况更容易使寄生的双极晶体管开启进而失效。当Q_P>Q_N，峰值电场处在PN柱结的底部，全部电流直接流入Pbody区的源金属电极接触区。在N⁺源区下面没有电流流过，热点处在P柱底部距离源极区很远的地方。因此这种设计使得寄生的双极晶体管最不受影响，并且在反向恢复时的耐用性也好得多，但是，这种设计的过量（P柱的电荷数超过N柱的电荷数10%）Q_P使得比导通电阻增大及击穿电压明显地下降。

发明内容

本发明提供了一种优化体二极管反向恢复特性的超结VDMOS及制备方法，能够避免寄生的双极型NPN晶体管受到体二极管反向恢复电流的影响，因而在反向恢复时的耐用性非常强。