栅形状的影响及可靠性的优化

栅形状的影响

• VD-MOSFET单元结构采用平面栅极拓扑结构，栅极电极位于半导体的平坦上表面。虽然在这种结构中，在平面结处会发生电场增强，但在栅极电极处不会发生电场增强，因为栅极电极的边缘与高度掺杂的N+源区重叠。栅极电极的边缘被N+源区的存在屏蔽了来自施加的漏极电位。此外，当栅极宽度减小时，栅极区域下方P-N结的存在会将其屏蔽在漏极偏压之外。在这些设计中，P-N结就像JFET结构的栅极区域，在栅极结构下方产生一个势垒。
  

• 在V型沟功率MOSFET结构中，在栅极电极下方沟槽的底部形成一个尖锐的角落。为了使沟槽的尖端穿透结J1进入漂移区，从N+源到N漂移区的沟道必须延伸。在阻挡模式下工作时，最高的电场出现在结J1处。因此，V形沟的尖端位于结构内电场最高的地方。耗尽区内尖锐点的存在增强了电场，导致击穿电压降低。由于这个高电场位于沟道的边缘，因此从电场获得能量的电子会被发射到沟道附近的栅极氧化物中。被发射到氧化物中的电子被氧化物捕获，导致MOSFET的阈值电压发生偏移。因此，V型沟功率MOSFET结构容易出现热电子不稳定性问题。由于这些原因，V型沟功率MOSFET架构不再用于制造商用器件。
  

• 在U型MOSFET结构中，也可以在沟槽的拐角处产生高电场。在这种结构中，栅极必须从上表面穿过结J1，以形成从N+源区延伸到N漂移区的沟道。与V型沟结构一样，沟槽的底角位于支撑电压的结J1的附近。沟槽拐角处电场的增强会导致击穿电压降低和热电子不稳定性问题。这些问题可以通过将沟槽底部圆滑并添加深P+区来屏蔽沟槽拐角来克服。6虽然对提高击穿电压有效，但深P+区的存在会在U型MOSFET结构中引入一个JFET区，这会降低其导通电阻。
  

可靠性的优化

功率U-MOSFET结构的坚固性不如平面VD-MOSFET结构。在电感负载开关操作下，功率U-MOSFET器件失效的主要原因是沟槽尖角处产生的增强电场。这个问题可以通过圆滑沟槽底部来克服。

通过在功率U-MOSFET结构中添加深P+区，可以进一步提高其坚固性。P+区的存在降低了沟槽拐角处的电场。但是，重要的是将P+区限制在远离沟槽侧壁的地方，以防止阈值电压急剧上升。由于这些P+区必须在台面区内通过额外的掩模步骤形成，并且它们的深度必须超过P基区深度才能降低沟槽拐角处的电场，因此该结构的台面宽度会变得显著更大。对于P+区的1μm宽离子注入窗口，台面宽度必须扩大到5μm才能容纳2μm的扩散深度，这与沟槽深度相匹配。这使得单元间距变大，增加了沟道对导通电阻的贡献。此外，据报道，当这些深度区域与沟槽深度相当时，它们会在U-MOSFET结构中产生JFET效应。