Cool-MOS原理、結(jié)構(gòu)、制造方法概述

（一）Cool-MOS原理

對于常規(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。所以對于普通VDMOS，兩者矛盾不可調(diào)和。

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

對于常規(guī)VDMOS，反向耐壓，主要靠的是N型EPI與body區(qū)界面的PN結(jié)，對于一個PN結(jié)，耐壓時主要靠的是耗盡區(qū)承受，耗盡區(qū)內(nèi)的電場大小、耗盡區(qū)擴展的寬度的面積，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)擴散，所以此結(jié)構(gòu)下，P body區(qū)域一側(cè)，耗盡區(qū)擴展很小，基本對承壓沒有多大貢獻，承壓主要是P body－－N EPI在N型的一側(cè)區(qū)域，這個區(qū)域的電場強度是逐漸變化的，越是靠近PN結(jié)面（a圖的A結(jié)），電場強度E越大。所以形成的淺綠色面積有呈現(xiàn)梯形。

但是對于COOLMOS結(jié)構(gòu)，由于設(shè)置了相對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)會大大擴展，并且這個區(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，就是把峰值電場Ec由靠近器件表面，向器件內(nèi)部深入的區(qū)域移動了。形成的耐壓（圖中淺綠色的面積）就大了。當COOLMOS正向?qū)〞r，正向電流流通的路徑，并沒有因為設(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

（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，在這個深度中的分布也不會均勻，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，實現(xiàn)Super junction的結(jié)構(gòu)（STM）。

3、開深溝槽后外延生長填充形成P區(qū)

上海華虹NEC電子有限公司的專利：本發(fā)明公開了一種ＣｏｏｌＭＯＳ結(jié)構(gòu)中縱向Ｐ型區(qū)的形成方法，通過在Ｎ型外延上開深溝槽，然后再利用外延工藝在溝槽內(nèi)生長出Ｐ型單晶硅形成在Ｎ型外延上的Ｐ型區(qū)域，然后通過回刻工藝將槽內(nèi)生長的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雜度和加工時間。

Cool-MOS優(yōu)勢與問題

（一）Cool-MOS的優(yōu)勢

1.通態(tài)阻抗小，通態(tài)損耗小。

由于SJ-MOS 的Rdson 遠遠低于VDMOS，在系統(tǒng)電源類產(chǎn)品中SJ-MOS 的導通損耗必然較之VDMOS要減少的多。其大大提高了系統(tǒng)產(chǎn)品上面的單體MOSFET 的導通損耗，提高了系統(tǒng)產(chǎn)品的效率，SJ-MOS的這個優(yōu)點在大功率、大電流類的電源產(chǎn)品產(chǎn)品上，優(yōu)勢表現(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，對于同一規(guī)格的產(chǎn)品，可以封裝出來體積相對較小的產(chǎn)品，有利于電源系統(tǒng)功率密度的提高。

其次，由于SJ-MOS 的導通損耗的降低從而降低了電源類產(chǎn)品的損耗，因為這些損耗都是以熱量的形式散發(fā)出去，我們在實際中往往會增加散熱器來降低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)電源類產(chǎn)品的功率密度。

3.柵電荷小，對電路的驅(qū)動能力要求降低。

傳統(tǒng)VDMOS 的柵電荷相對較大，我們在實際應用中經(jīng)常會遇到由于IC 的驅(qū)動能力不足造成的溫升問題，部分產(chǎn)品在電路設(shè)計中為了增加IC 的驅(qū)動能力，確保MOSFET 的快速導通，我們不得不增加推挽或其它類型的驅(qū)動電路，從而增加了電路的復雜性。SJ-MOS 的柵電容相對比較小，這樣就可以降低其對驅(qū)動能力的要求，提高了系統(tǒng)產(chǎn)品的可靠性。

4.節(jié)電容小，開關(guān)速度加快，開關(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，從而降低了其導通及關(guān)斷過程中的損耗。同時由于SJ-MOS 柵電容也有了響應的減小，電容充電時間變短，大大的提高了SJ-MOS 的開關(guān)速度。對于頻率固定的電源來說，可以有效的降低其開通及關(guān)斷損耗。提高整個電源系統(tǒng)的效率。這一點尤其在頻率相對較高的電源上，效果更加明顯。

（二）Cool-MOS系統(tǒng)應用可能會出現(xiàn)的問題

1.EMI 可能超標。

由于SJ-MOS 擁有較小的寄生電容，造就了超級結(jié)MOSFET 具有極快的開關(guān)特性。因為這種快速開關(guān)特性伴有極高的dv/dt 和di/dt，會通過器件和印刷電路板中的寄生元件而影響開關(guān)性能。對于在現(xiàn)代高頻開關(guān)電源來說，使用了超級結(jié)MOSFET，EMI 干擾肯定會變大，對于本身設(shè)計余量比較小的電源板，在SJ-MOS 在替換VDMOS 的過程中肯定會出現(xiàn)EMI 超標的情況。

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，由于超級結(jié)MOSFET 具有較高的開關(guān)dv/dt。其震蕩現(xiàn)象會更加突出。這種震蕩在啟動狀態(tài)、過載狀況和MOSFET 并聯(lián)工作時，會發(fā)生嚴重問題，導致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 在實際應用推廣替代VDMOS 的過程中，基本都出現(xiàn)過浪涌及耐壓測試不合格的情況。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撲電源，由于本身電路的原因，變壓器的漏感、散熱器接地、以及電源地線的處理等問題，不可避免的要在MOSFET 上產(chǎn)生相應的電壓尖峰。針對這樣的問題，反激電源大多選用RCD SUNBER 電路進行吸收。由于SJ-MOS 擁有較快的開關(guān)速度，勢必會造成更高的VDS 尖峰。如果反壓設(shè)計余量太小及漏感過大，更換SJ-MOS 后，極有可能出現(xiàn)VD 尖峰失效問題。

5.紋波噪音差。

由于SJ-MOS 擁有較高的dv/dt 和di/dt，必然會將MOSFET 的尖峰通過變壓器耦合到次級，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題的產(chǎn)生。
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