Cool-MOS,Cool-MOS优势与问题

Cool-MOS原理、结构、制造方法概述

（一）Cool-MOS原理

对于(yu)常规VDMOS器件结构， Rdson与BV存(cun)在矛盾关系，要想(xiang)提高BV，都是(shi)从减(jian)小EPI参(can)杂浓(nong)度(du)着手(shou)，但是(shi)外延层(ceng)又是(shi)正向(xiang)电(dian)(dian)流(liu)流(liu)通的通道(dao)，EPI参(can)杂浓(nong)度(du)减(jian)小了，电(dian)(dian)阻必然变大，Rdson增大。所以对于(yu)普通VDMOS，两(liang)者矛盾不(bu)可调和。

但是对于COOLMOS，这个(ge)矛盾就(jiu)(jiu)不那(nei)么明显(xian)了(le)。通过设(she)置一个(ge)深入EPI的的P区，大大提高(gao)了(le)BV，同时(shi)对Rdson上(shang)不产生(sheng)影响。为什么有了(le)这个(ge)深入衬底的P区，就(jiu)(jiu)能大大提高(gao)耐压呢？

对于(yu)(yu)常规VDMOS，反向耐压，主(zhu)要靠的(de)(de)是(shi)N型(xing)EPI与body区(qu)界面的(de)(de)PN结(jie)(jie)(jie)，对于(yu)(yu)一(yi)(yi)个PN结(jie)(jie)(jie)，耐压时(shi)主(zhu)要靠的(de)(de)是(shi)耗尽区(qu)承受(shou)，耗尽区(qu)内的(de)(de)电(dian)场大小(xiao)、耗尽区(qu)扩展(zhan)的(de)(de)宽度的(de)(de)面积，也就(jiu)是(shi)下图中的(de)(de)浅(qian)绿(lv)色部分，就(jiu)是(shi)承受(shou)电(dian)压的(de)(de)大小(xiao)。常规VDMOS，P body浓度要大于(yu)(yu)N EPI， PN结(jie)(jie)(jie)耗尽区(qu)主(zhu)要向低参杂(za)一(yi)(yi)侧(ce)扩散(san)，所(suo)以此结(jie)(jie)(jie)构下，P body区(qu)域(yu)(yu)一(yi)(yi)侧(ce)，耗尽区(qu)扩展(zhan)很小(xiao)，基本对承压没有多大贡献，承压主(zhu)要是(shi)P body－－N EPI在N型(xing)的(de)(de)一(yi)(yi)侧(ce)区(qu)域(yu)(yu)，这个区(qu)域(yu)(yu)的(de)(de)电(dian)场强度是(shi)逐渐变化的(de)(de)，越是(shi)靠近PN结(jie)(jie)(jie)面（a图的(de)(de)A结(jie)(jie)(jie)），电(dian)场强度E越大。所(suo)以形成的(de)(de)浅(qian)绿(lv)色面积有呈现梯形。

但(dan)是对(dui)于(yu)COOLMOS结构(gou)，由(you)于(yu)设置了(le)(le)相对(dui)P body浓度低一(yi)(yi)些的(de)(de)P region区(qu)域，所以(yi)P区(qu)一(yi)(yi)侧的(de)(de)耗尽区(qu)会大(da)大(da)扩(kuo)展，并且这个(ge)区(qu)域深入EPI中(zhong)(zhong)，造成了(le)(le)PN结（b图的(de)(de)A结）两侧都能承受大(da)的(de)(de)电(dian)压，换句话说(shuo)，就(jiu)是把峰值(zhi)电(dian)场Ec由(you)靠近器(qi)件表面(mian)，向器(qi)件内部深入的(de)(de)区(qu)域移动(dong)了(le)(le)。形成的(de)(de)耐压（图中(zhong)(zhong)浅绿色的(de)(de)面(mian)积(ji)）就(jiu)大(da)了(le)(le)。当(dang)COOLMOS正(zheng)向导通时，正(zheng)向电(dian)流(liu)流(liu)通的(de)(de)路(lu)径，并没(mei)有因(yin)为设置了(le)(le)P region而受到影(ying)响。

图1 CoolMos与普通VDMOS的差(cha)异

图2 CoolMos与普(pu)通VDMOS相比BV和Rdson的优(you)势

（二）Cool-MOS结构及P区制造方法

1、多次注入法

英飞凌(ling)采(cai)用(yong)多(duo)次(ci)注(zhu)(zhu)入(ru)法(fa)形成(cheng)的结构，如图3所示(shi)。之所以(yi)采(cai)用(yong)多(duo)次(ci)注(zhu)(zhu)入(ru)，是由于P区(qu)需要深(shen)入(ru)到EPI中，且要均(jun)(jun)匀分布，一次(ci)注(zhu)(zhu)入(ru)即使能注(zhu)(zhu)入(ru)到这么深(shen)，在这个深(shen)度中的分布也(ye)不会(hui)均(jun)(jun)匀，所以(yi)要采(cai)用(yong)多(duo)次(ci)注(zhu)(zhu)入(ru)法(fa)。

2、倾斜角度注入（STM技术）

除了多(duo)次(ci)注入(ru)法，能保证在EPI中注入(ru)这么深，并(bing)且保证不同位置的浓(nong)度差异不大的方(fang)法还有 STM技术（Super trench MOSFET）。采(cai)用(yong)倾(qing)斜角(jiao)度注入(ru)，实现Super junction的结构(gou)（STM）。

3、开深沟槽后外延生长填充形成P区

上(shang)海华虹(hong)NEC电子(zi)有限公司的(de)(de)专利：本发明公开了一种ＣｏｏｌＭＯＳ结构(gou)中纵向(xiang)Ｐ型(xing)区的(de)(de)形成方(fang)法(fa)，通过在(zai)Ｎ型(xing)外延(yan)(yan)上(shang)开深沟槽(cao)，然后再利用外延(yan)(yan)工艺在(zai)沟槽(cao)内(nei)生长(zhang)(zhang)出Ｐ型(xing)单(dan)晶硅形成在(zai)Ｎ型(xing)外延(yan)(yan)上(shang)的(de)(de)Ｐ型(xing)区域，然后通过回刻工艺将槽(cao)内(nei)生长(zhang)(zhang)的(de)(de)Ｐ型(xing)外延(yan)(yan)单(dan)晶刻蚀到与沟槽(cao)表面(mian)平(ping)齐，以形成ＣｏｏｌＭＯＳ的(de)(de)纵向(xiang)Ｐ型(xing)区域。该(gai)方(fang)法(fa)减少了工艺的(de)(de)复(fu)杂(za)度(du)和加工时间(jian)。

Cool-MOS优势与问题

（一）Cool-MOS的优势

1.通态阻抗小，通态损耗小。

由于SJ-MOS 的Rdson 远远低于VDMOS，在(zai)系统电(dian)源类产(chan)品(pin)(pin)(pin)中SJ-MOS 的导通损(sun)耗必(bi)然较之VDMOS要减少的多。其大(da)大(da)提(ti)高了系统产(chan)品(pin)(pin)(pin)上面的单体MOSFET 的导通损(sun)耗，提(ti)高了系统产(chan)品(pin)(pin)(pin)的效率(lv)，SJ-MOS的这个优(you)点(dian)在(zai)大(da)功率(lv)、大(da)电(dian)流类的电(dian)源产(chan)品(pin)(pin)(pin)产(chan)品(pin)(pin)(pin)上，优(you)势(shi)表现的尤(you)为突出。

2.同等功率规格下封装小，有利于功率密度的提高。

首先，同等电流(liu)以及电压(ya)规格条件下，SJ-MOS 的晶源(yuan)面(mian)积(ji)(ji)要小于VDMOS 工艺的晶源(yuan)面(mian)积(ji)(ji)，这样(yang)作(zuo)为MOS 的厂家(jia)，对于同一规格的产(chan)品(pin)，可以封装出来体积(ji)(ji)相(xiang)对较小的产(chan)品(pin)，有(you)利于电源(yuan)系统功(gong)率密(mi)度的提高。

其(qi)次，由于(yu)SJ-MOS 的(de)(de)导通损(sun)耗(hao)的(de)(de)降(jiang)低(di)从而降(jiang)低(di)了(le)电源类产品的(de)(de)损(sun)耗(hao)，因为这些损(sun)耗(hao)都是以热(re)量的(de)(de)形式散(san)发出去(qu)，我(wo)们(men)在实(shi)际(ji)中往往会(hui)增(zeng)加散(san)热(re)器来降(jiang)低(di)MOS 单体的(de)(de)温(wen)升，使其(qi)保(bao)证在合(he)适的(de)(de)温(wen)度(du)范围内。由于(yu)SJ-MOS 可以有效的(de)(de)减(jian)少发热(re)量，减(jian)小了(le)散(san)热(re)器的(de)(de)体积，对(dui)于(yu)一(yi)些功率稍(shao)低(di)的(de)(de)电源，甚至(zhi)使用(yong)SJ-MOS 后可以将散(san)热(re)器彻底拿掉(diao)。有效的(de)(de)提高(gao)了(le)系统(tong)电源类产品的(de)(de)功率密度(du)。

3.栅电荷小，对电路的驱动能力要求降低。

传统VDMOS 的(de)(de)栅电(dian)荷相(xiang)对较大，我们在(zai)实(shi)际应用中经常会(hui)遇到由于(yu)IC 的(de)(de)驱(qu)(qu)动能(neng)力不(bu)足造成的(de)(de)温升问题，部(bu)分产品在(zai)电(dian)路设计中为(wei)了增加IC 的(de)(de)驱(qu)(qu)动能(neng)力，确(que)保MOSFET 的(de)(de)快速(su)导通(tong)，我们不(bu)得不(bu)增加推(tui)挽(wan)或其(qi)(qi)它类型的(de)(de)驱(qu)(qu)动电(dian)路，从而增加了电(dian)路的(de)(de)复杂性。SJ-MOS 的(de)(de)栅电(dian)容(rong)相(xiang)对比较小，这样就可以降低其(qi)(qi)对驱(qu)(qu)动能(neng)力的(de)(de)要求，提高了系统产品的(de)(de)可靠性。

4.节电容小，开关速度加快，开关损耗小。

由于(yu)(yu)SJ-MOS 结构的(de)(de)(de)(de)改变，其(qi)(qi)输出的(de)(de)(de)(de)节电(dian)容也有较(jiao)大(da)(da)的(de)(de)(de)(de)降低(di)，从而降低(di)了其(qi)(qi)导通及关断过程中的(de)(de)(de)(de)损耗。同(tong)时由于(yu)(yu)SJ-MOS 栅电(dian)容也有了响应的(de)(de)(de)(de)减(jian)小，电(dian)容充电(dian)时间变短(duan)，大(da)(da)大(da)(da)的(de)(de)(de)(de)提高(gao)了SJ-MOS 的(de)(de)(de)(de)开关速度。对于(yu)(yu)频率固定的(de)(de)(de)(de)电(dian)源来说，可以有效的(de)(de)(de)(de)降低(di)其(qi)(qi)开通及关断损耗。提高(gao)整个电(dian)源系统的(de)(de)(de)(de)效率。这一点尤其(qi)(qi)在频率相(xiang)对较(jiao)高(gao)的(de)(de)(de)(de)电(dian)源上，效果更加明显。

（二）Cool-MOS系统应用可能会出现的问题

1.EMI 可能超标。

由于SJ-MOS 拥有较(jiao)小(xiao)的寄生电(dian)容，造就了(le)超级(ji)(ji)结(jie)(jie)MOSFET 具有极快(kuai)的开关(guan)特性。因为(wei)这(zhei)种快(kuai)速开关(guan)特性伴有极高(gao)的dv/dt 和(he)di/dt，会通过器(qi)件和(he)印刷电(dian)路板(ban)中的寄生元件而影响(xiang)开关(guan)性能。对于在(zai)现(xian)代高(gao)频开关(guan)电(dian)源(yuan)来说(shuo)，使(shi)用了(le)超级(ji)(ji)结(jie)(jie)MOSFET，EMI 干扰肯(ken)定(ding)会变大(da)，对于本身设计余量比较(jiao)小(xiao)的电(dian)源(yuan)板(ban)，在(zai)SJ-MOS 在(zai)替换(huan)VDMOS 的过程(cheng)中肯(ken)定(ding)会出现(xian)EMI 超标(biao)的情(qing)况。

2.栅极震荡。

功率MOSFET 的(de)引线(xian)电感和寄生电容(rong)引起的(de)栅极振铃，由(you)于超级结(jie)MOSFET 具有较高的(de)开关dv/dt。其震荡现象会(hui)更(geng)加突出。这种震荡在启动(dong)状态、过(guo)载状况和MOSFET 并联工作时，会(hui)发生严重问题(ti)，导致MOSFET 失效的(de)可能。

3.抗浪涌及耐压能力差。

由于(yu)SJ-MOS 的(de)结构(gou)原因，很多厂(chang)商的(de)SJ-MOS 在实际(ji)应(ying)用推广替(ti)代VDMOS 的(de)过程中，基本都(dou)出(chu)现过浪涌及(ji)耐(nai)压测试不(bu)合格的(de)情(qing)况。这种情(qing)况在通信(xin)电(dian)源及(ji)雷击(ji)要求较高的(de)电(dian)源产品上(shang)，表现的(de)更(geng)为突(tu)出(chu)。这点必须引起我们的(de)注意。

4.漏源极电压尖峰比较大。

尤其在反(fan)激的电路(lu)拓扑电源，由于本身电路(lu)的原(yuan)因，变压(ya)器的漏感、散热器接(jie)地(di)、以及电源地(di)线的处理(li)等问题(ti)(ti)，不可避免的要在MOSFET 上产生相应的电压(ya)尖峰(feng)(feng)。针对(dui)这样的问题(ti)(ti)，反(fan)激电源大(da)多选用RCD SUNBER 电路(lu)进行吸收(shou)。由于SJ-MOS 拥有较快的开关速度(du)，势必会造成(cheng)更高(gao)的VDS 尖峰(feng)(feng)。如果反(fan)压(ya)设计余量太小及漏感过大(da)，更换SJ-MOS 后，极有可能出现VD 尖峰(feng)(feng)失效问题(ti)(ti)。

5.纹波噪音差。

由于(yu)SJ-MOS 拥有(you)较高(gao)的(de)(de)dv/dt 和di/dt，必然会(hui)将(jiang)MOSFET 的(de)(de)尖峰通(tong)过变压器耦合到(dao)次级，直接造(zao)(zao)成输出(chu)的(de)(de)电(dian)压及(ji)电(dian)流的(de)(de)纹(wen)波增加。甚至造(zao)(zao)成电(dian)容的(de)(de)温升(sheng)失效问题的(de)(de)产(chan)生(sheng)。

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