Cool-MOS原理、結(jié)構(gòu)、制造方法概述

（一）Cool-MOS原理

對(duì)于常規(guī)VDMOS器件結(jié)構(gòu)， Rdson與BV存在矛盾關(guān)系，要想提高BV，都是從減小EPI參雜濃度著手，但是外延層又是正向電流流通的通道，EPI參雜濃度減小了，電阻必然變大，Rdson增大。所以對(duì)于普通VDMOS，兩者矛盾不可調(diào)和。

但是對(duì)于COOLMOS，這個(gè)矛盾就不那么明顯了。通過(guò)設(shè)置一個(gè)深入EPI的的P區(qū)，大大提高了BV，同時(shí)對(duì)Rdson上不產(chǎn)生影響。為什么有了這個(gè)深入襯底的P區(qū)，就能大大提高耐壓呢？

對(duì)于常規(guī)VDMOS，反向耐壓，主要靠的是N型EPI與body區(qū)界面的PN結(jié)，對(duì)于一個(gè)PN結(jié)，耐壓時(shí)主要靠的是耗盡區(qū)承受，耗盡區(qū)內(nèi)的電場(chǎng)大小、耗盡區(qū)擴(kuò)展的寬度的面積，也就是下圖中的淺綠色部分，就是承受電壓的大小。常規(guī)VDMOS，P body濃度要大于N EPI， PN結(jié)耗盡區(qū)主要向低參雜一側(cè)擴(kuò)散，所以此結(jié)構(gòu)下，P body區(qū)域一側(cè)，耗盡區(qū)擴(kuò)展很小，基本對(duì)承壓沒(méi)有多大貢獻(xiàn)，承壓主要是P body－－N EPI在N型的一側(cè)區(qū)域，這個(gè)區(qū)域的電場(chǎng)強(qiáng)度是逐漸變化的，越是靠近PN結(jié)面（a圖的A結(jié)），電場(chǎng)強(qiáng)度E越大。所以形成的淺綠色面積有呈現(xiàn)梯形。

但是對(duì)于COOLMOS結(jié)構(gòu)，由于設(shè)置了相對(duì)P body濃度低一些的P region區(qū)域，所以P區(qū)一側(cè)的耗盡區(qū)會(huì)大大擴(kuò)展，并且這個(gè)區(qū)域深入EPI中，造成了PN結(jié)（b圖的A結(jié)）兩側(cè)都能承受大的電壓，換句話說(shuō)，就是把峰值電場(chǎng)Ec由靠近器件表面，向器件內(nèi)部深入的區(qū)域移動(dòng)了。形成的耐壓（圖中淺綠色的面積）就大了。當(dāng)COOLMOS正向?qū)〞r(shí)，正向電流流通的路徑，并沒(méi)有因?yàn)樵O(shè)置了P region而受到影響。

圖1 CoolMos與普通VDMOS的差異

圖2 CoolMos與普通VDMOS相比BV和Rdson的優(yōu)勢(shì)

（二）Cool-MOS結(jié)構(gòu)及P區(qū)制造方法

1、多次注入法

英飛凌采用多次注入法形成的結(jié)構(gòu)，如圖3所示。之所以采用多次注入，是由于P區(qū)需要深入到EPI中，且要均勻分布，一次注入即使能注入到這么深，在這個(gè)深度中的分布也不會(huì)均勻，所以要采用多次注入法。

2、傾斜角度注入（STM技術(shù)）

除了多次注入法，能保證在EPI中注入這么深，并且保證不同位置的濃度差異不大的方法還有 STM技術(shù)（Super trench MOSFET）。采用傾斜角度注入，實(shí)現(xiàn)Super junction的結(jié)構(gòu)（STM）。

3、開(kāi)深溝槽后外延生長(zhǎng)填充形成P區(qū)

上海華虹NEC電子有限公司的專利：本發(fā)明公開(kāi)了一種ＣｏｏｌＭＯＳ結(jié)構(gòu)中縱向Ｐ型區(qū)的形成方法，通過(guò)在Ｎ型外延上開(kāi)深溝槽，然后再利用外延工藝在溝槽內(nèi)生長(zhǎng)出Ｐ型單晶硅形成在Ｎ型外延上的Ｐ型區(qū)域，然后通過(guò)回刻工藝將槽內(nèi)生長(zhǎng)的Ｐ型外延單晶刻蝕到與溝槽表面平齊，以形成ＣｏｏｌＭＯＳ的縱向Ｐ型區(qū)域。該方法減少了工藝的復(fù)雜度和加工時(shí)間。

Cool-MOS優(yōu)勢(shì)與問(wèn)題

（一）Cool-MOS的優(yōu)勢(shì)

1.通態(tài)阻抗小，通態(tài)損耗小。

由于SJ-MOS 的Rdson 遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于VDMOS，在系統(tǒng)電源類(lèi)產(chǎn)品中SJ-MOS 的導(dǎo)通損耗必然較之VDMOS要減少的多。其大大提高了系統(tǒng)產(chǎn)品上面的單體MOSFET 的導(dǎo)通損耗，提高了系統(tǒng)產(chǎn)品的效率，SJ-MOS的這個(gè)優(yōu)點(diǎn)在大功率、大電流類(lèi)的電源產(chǎn)品產(chǎn)品上，優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)的尤為突出。

2.同等功率規(guī)格下封裝小，有利于功率密度的提高。

首先，同等電流以及電壓規(guī)格條件下，SJ-MOS 的晶源面積要小于VDMOS 工藝的晶源面積，這樣作為MOS 的廠家，對(duì)于同一規(guī)格的產(chǎn)品，可以封裝出來(lái)體積相對(duì)較小的產(chǎn)品，有利于電源系統(tǒng)功率密度的提高。

其次，由于SJ-MOS 的導(dǎo)通損耗的降低從而降低了電源類(lèi)產(chǎn)品的損耗，因?yàn)檫@些損耗都是以熱量的形式散發(fā)出去，我們?cè)趯?shí)際中往往會(huì)增加散熱器來(lái)降低MOS 單體的溫升，使其保證在合適的溫度范圍內(nèi)。由于SJ-MOS 可以有效的減少發(fā)熱量，減小了散熱器的體積，對(duì)于一些功率稍低的電源，甚至使用SJ-MOS 后可以將散熱器徹底拿掉。有效的提高了系統(tǒng)電源類(lèi)產(chǎn)品的功率密度。

3.柵電荷小，對(duì)電路的驅(qū)動(dòng)能力要求降低。

傳統(tǒng)VDMOS 的柵電荷相對(duì)較大，我們?cè)趯?shí)際應(yīng)用中經(jīng)常會(huì)遇到由于IC 的驅(qū)動(dòng)能力不足造成的溫升問(wèn)題，部分產(chǎn)品在電路設(shè)計(jì)中為了增加IC 的驅(qū)動(dòng)能力，確保MOSFET 的快速導(dǎo)通，我們不得不增加推挽或其它類(lèi)型的驅(qū)動(dòng)電路，從而增加了電路的復(fù)雜性。SJ-MOS 的柵電容相對(duì)比較小，這樣就可以降低其對(duì)驅(qū)動(dòng)能力的要求，提高了系統(tǒng)產(chǎn)品的可靠性。

4.節(jié)電容小，開(kāi)關(guān)速度加快，開(kāi)關(guān)損耗小。

由于SJ-MOS 結(jié)構(gòu)的改變，其輸出的節(jié)電容也有較大的降低，從而降低了其導(dǎo)通及關(guān)斷過(guò)程中的損耗。同時(shí)由于SJ-MOS 柵電容也有了響應(yīng)的減小，電容充電時(shí)間變短，大大的提高了SJ-MOS 的開(kāi)關(guān)速度。對(duì)于頻率固定的電源來(lái)說(shuō)，可以有效的降低其開(kāi)通及關(guān)斷損耗。提高整個(gè)電源系統(tǒng)的效率。這一點(diǎn)尤其在頻率相對(duì)較高的電源上，效果更加明顯。

（二）Cool-MOS系統(tǒng)應(yīng)用可能會(huì)出現(xiàn)的問(wèn)題

1.EMI 可能超標(biāo)。

由于SJ-MOS 擁有較小的寄生電容，造就了超級(jí)結(jié)MOSFET 具有極快的開(kāi)關(guān)特性。因?yàn)檫@種快速開(kāi)關(guān)特性伴有極高的dv/dt 和di/dt，會(huì)通過(guò)器件和印刷電路板中的寄生元件而影響開(kāi)關(guān)性能。對(duì)于在現(xiàn)代高頻開(kāi)關(guān)電源來(lái)說(shuō)，使用了超級(jí)結(jié)MOSFET，EMI 干擾肯定會(huì)變大，對(duì)于本身設(shè)計(jì)余量比較小的電源板，在SJ-MOS 在替換VDMOS 的過(guò)程中肯定會(huì)出現(xiàn)EMI 超標(biāo)的情況。

2.柵極震蕩。

功率MOSFET 的引線電感和寄生電容引起的柵極振鈴，由于超級(jí)結(jié)MOSFET 具有較高的開(kāi)關(guān)dv/dt。其震蕩現(xiàn)象會(huì)更加突出。這種震蕩在啟動(dòng)狀態(tài)、過(guò)載狀況和MOSFET 并聯(lián)工作時(shí)，會(huì)發(fā)生嚴(yán)重問(wèn)題，導(dǎo)致MOSFET 失效的可能。

3.抗浪涌及耐壓能力差。

由于SJ-MOS 的結(jié)構(gòu)原因，很多廠商的SJ-MOS 在實(shí)際應(yīng)用推廣替代VDMOS 的過(guò)程中，基本都出現(xiàn)過(guò)浪涌及耐壓測(cè)試不合格的情況。這種情況在通信電源及雷擊要求較高的電源產(chǎn)品上，表現(xiàn)的更為突出。這點(diǎn)必須引起我們的注意。

4.漏源極電壓尖峰比較大。

尤其在反激的電路拓?fù)潆娫矗捎诒旧黼娐返脑颍儔浩鞯穆└小⑸崞鹘拥亍⒁约半娫吹鼐€的處理等問(wèn)題，不可避免的要在MOSFET 上產(chǎn)生相應(yīng)的電壓尖峰。針對(duì)這樣的問(wèn)題，反激電源大多選用RCD SUNBER 電路進(jìn)行吸收。由于SJ-MOS 擁有較快的開(kāi)關(guān)速度，勢(shì)必會(huì)造成更高的VDS 尖峰。如果反壓設(shè)計(jì)余量太小及漏感過(guò)大，更換SJ-MOS 后，極有可能出現(xiàn)VD 尖峰失效問(wèn)題。

5.紋波噪音差。

由于SJ-MOS 擁有較高的dv/dt 和di/dt，必然會(huì)將MOSFET 的尖峰通過(guò)變壓器耦合到次級(jí)，直接造成輸出的電壓及電流的紋波增加。甚至造成電容的溫升失效問(wèn)題的產(chǎn)生。
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