1、1 前言沟槽式场效应管 TrenchMOSFET作为一种新型垂直结构器件，是在VDMOS的基础上发展起来的，属于高元胞密度器件，因其具有低导通电阻、低栅漏电荷密度的特点，所以功率损耗低、开关速度快。同时，由于TrenchMOSFET的沟道是垂直的，因此可进一步提高其沟道密度，减小芯片尺寸，使功率场效应管的SMD微型封装成为现实。2 沟槽式场效应管的构造2.1 场效应晶体管的结构特点场效应晶体管与双极型晶体管相比，具有以下优点：场效应管是电压控制型器件，输入阻抗高，可以免去因控制IC 对双极型晶体管的负载能力不够时额外增加的驱动电路，由IC直联场效应晶体管，这是由场效应晶体管的内部结构特点决定的
2、。栅极与漏源之间的沟道通过氧化层绝缘，加在栅极上的控制电压不需要提供电流，而是通过电场的感应在沟道侧积聚电荷形成漏极D与源极S之间的电流通路，因此它又称为绝缘栅场效应晶体管。正是因为这个特性，场效应管可以很好地并联使用。场效应管在设计时采用了元胞结构，即每个场效应管由成千上万个元胞单元并联组成，场效应管导通时由成千上万个元胞单元的沟道并联导电。当然，传统的MOS（金属-氧化物-半导体） 的概念已有发展，随着多晶硅沉积和掺杂工艺的成熟，制造栅极的金属铝已由多晶硅取代。在没有采用Trench沟槽工艺之前，MOS场效应管采用平面工艺制作多晶硅栅极G（如图1所示）。多晶硅栅极G是横向排列的，受技术限制
3、，当时的光刻线宽都比较粗，单位面积内的元胞密度低，元胞间距一般为510um，达到2A工作电流的芯片面积较大，一般为5mm2左右，典型的SMD微型封装的塑封体长宽乘积约4mm2，其中贴芯片的焊区面积不到2mm2，显然平面工艺的场效应管没有办法封装在片式的微型SMD 内。为此，桂林斯壮微电子有限责任公司在2006 年开发了GMA6801和GMC6802的功率三极管产品，以满足客户大电流使用的需求。由于微型SMD封装的散热效果不好，因此耗散功率不能超过300mW，根据公式（1）：PIU （1）当工作电流达到2A时，饱和压降典型值应控制在150mV内，这对生产工艺提出了很高的要求。2.2 沟槽式场效应
4、管的结构特点2.2.1 沟槽工艺缩小芯片面积沟槽式场效应管如图 2所示，其工艺的关键就在挖沟槽，然后在沟槽两边生长氧化层，再沉积和掺杂多晶硅栅极。多【作者简介】彭顺刚，湖南衡阳人，硕士研究生，桂林斯壮微电子有限责任公司总工程师，研究方向：新型电子元器件研发生产。沟槽式场效应管的构造及应用研究彭顺刚（桂林斯壮微电子有限责任公司，广西 桂林 541004）【摘 要】沟槽式场效应管TrenchMOSFET作为一种新型垂直结构器件，是在VDMOS的基础上发展起来的，属于高元胞密度器件，因其具有低导通电阻、低栅漏电荷密度的特点，所以功率损耗低、开关速度很快。文章通过对平面工艺和沟槽工艺2种场效应管结构进
5、行比较，分析了沟槽式场效应管在缩小芯片面积和降低导通电阻方面的优势，并从应用的角度介绍了沟槽式场效应管在低压和开关方面的特点。【关键词】沟槽；沟道；元胞；电阻；开关【中图分类号】TN91 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2013）01-0025-03TheConstructionandApplicationResearchofTrenchMOSFETPengShungang【Abstract】Asanewverticaldevice,TrenchMOSFETisdevelopedonVDMOS.Itbaseonhighcelldensitydevice,andisfeatur
6、edbylowonresistanceandlowgatecharge.Thus,ithaslowpowerdissipationandfastswitchspeed.BycomparingthedifferencesbetweenplanerandTrenchMOSFET,thepaperanalyzestheadvantageonsmalldiesizeandlowonresis-tance,andthenintroducesonlowvoltageandswitchingapplication.【Keywords】trenchchannel;cell;automatamodel;resi
7、stance;switch企业科技与发展EnterpriseScienceAndTechnologyDevelopment应用技术AppliedTechnology2013年第1期（总第343期）NO.1,2013（CumulativelyNO.343）25晶硅栅极垂直放置在沟槽内，有效地缩小了元胞的间距，桂林斯壮微电子有限责任公司的产品中有一种在国外流片的沟槽式场效应管，它的元胞间距设计为0.8um，最小光刻线宽0.13um，随着国内流片工艺的进步，该公司正在设计一种元胞间距为1um、最小光刻线宽0.2um且适合国内流片的沟槽式场效应管。以GM3401为例，分析芯片面积：单位面积内的元胞导通
8、电阻 R SP为 0.2mcm2，根据工作电流至少有3A的GM3401的导通电阻RDS（ON）为 60m，可计算出芯片的有效面积为0.33mm2，考虑到有效面积利用率约68%，则芯片面积约0.48mm2，用长和宽表示约0.6mm0.8mm。可见，工作电流增加了0.5倍，而芯片面积反而下降了90%。2.2.2 沟槽工艺降低导通电阻缩小了芯片面积是沟槽工艺的第一个显著优点，第二个显著优点是改善了导通电阻。从场效应管的内部结构图（如图1、图2所示）可以看出，电流从漏极D流到源极S，必须经过芯片衬底重掺杂的N+、外延层轻掺杂的N-、作为沟道的场效应管体区P-在相对于栅极靠近氧化层的界面电荷积聚区（即沟
9、道）、源区重掺杂的N+，每个区域都存在电阻。用RSP表示单位面积内的元胞导通电阻，忽略电阻较小的部分，则近似为：RSPRCHREPIR SUB （2）公式（2）中，RCH 为沟道电阻，R EPI为外延电阻，R SUB为衬底电阻。以 GM3401为例，采用1um元胞间距设计，单位面积内沟道电阻为：RCHLCHW 1滋Cox（VG -VT）（3）沟道长度LCH 为0.6um，沟道宽度W 为40.8um，载流子的迁移率滋为125，栅氧层电容Cox取3.98.8610-14，栅极工作电压VG为10V，栅极阈值电压V T为1.7V，将数值代入公式（3）， 1um2元胞单元的沟道电阻RCH 为 0.026
10、mcm2；利用公式（4）取外延层电阻率籽为0.45cm，可求得 1um2元胞单元的外延层电阻REPI 为 0.126mcm2；当取衬底电阻率籽为 0.003cm，衬底厚度为160um 时，1um2元胞单元的衬底电阻RSUB 为 0.048mcm2。代入公式（2）得出总电阻 R SP为0.2mcm2。总结分析如下：衬底和源区重掺杂的 N+电阻适中，上例中占24%；漏极 D 芯片背面的金属钛镍银及源极S芯片正面的金属铝的接触电阻很小，只占1%2%，可忽略不计；由于沟道中电荷只在靠近栅极的氧化层边缘聚集，如果在栅极加正电压，则在氧化层的对面场效应管体区P-感应出负电荷，从效果上看好像P型半导体反型成
11、了N型半导体，形成N沟道，沟道的电阻较小，上例中占13%。上述这些区域的电阻采用平面工艺和沟槽工艺两者差别不大，只是采用平面工艺的场效应管沟道是水平的，采用沟槽工艺的场效应管沟道是垂直的。关键的差别为外延层N-，上例中占63%，平面工艺的场效应管电流导通时必须绕一个弯经过外延层的瓶颈区到达沟道，而沟槽工艺的场效应管则没有这个瓶颈区，外延层的电阻率比较大，外延层电阻的比例也最大，因此改善这部分电阻效果最明显。2.3 沟槽式场效应管的封装工艺优化为了配合体现沟槽式场效应管在功率方面的优势，封装工艺必须进行相应的优化：譹訛 当 芯 片 面 积 较 大时，共晶贴片的推片后残留硅的比例难以保证，沟槽式场
12、效应管采用点胶固化贴片工艺可减小接触电阻；譺訛 沟 槽 式 场 效 应 管 电 流 能力大，内部焊线也较粗，焊线功率和压力就很难降低，这是场效应管脆弱的栅氧层结构承受不了的，因此必须采用小线经多条线的焊接模式；譻訛 使 用 铜 基 材 引 线 框 架 可 以 改 善 散 热 ，提高耗散功率。3 沟槽式场效应管的应用3.1 沟槽式场效应管的低压应用外延层的电阻率及厚度与场效应管所能承受的反向击穿电压有关，反压越大，电阻率越高，外延层的厚度越厚。但是，无论是增加外延层的电阻率籽，还是加大外延层的厚度l来提高场效应管的反压，都会增大外延层的电阻R，见公式（4）：R 籽 lS （4）其中， S 是元胞
13、的面积，不能太大。图1 平面工艺场效应管SourceGate GateAlP- N+ N+N+N+瓶颈 瓶颈N-N+Drain图2 沟槽工艺场效应管SourceDrainN+N-P-Gate GateN+ N+N+N+Al26采用循环取货方式能够确保零部件齐套准时，提高系统效率。此外，这种方式改变了物流运输策略，大大降低了在制品库存。以前，各个供应商各自执行物流任务，为追求运输经济性，每次运输尽量增加批量，不同零件的经济批量是不一样的，这样就可能给总装厂增加在制品库存。而循环取货方式可以采用齐套的方式取用零件，大大降低了在制品库存。实施这种方式的难度在于根据生产计划确认取货的时间和数量，需要各
14、供应商的生产计划与总装协调。这种策略的推行改变了物流执行主体，原先由各供应商执行，现在由总装厂执行，涉及各方利益的变化，需要在供应链上、下游达成一致。实施方案前后比较如图3所示。4 结语循环取货方式是一个优化的物流系统网络，其特色是多频次、小批量、定时性。通过有效的运输线路规划和物流体系设计，降低运输成本。汽车行业的物流管理对汽车制造厂及供应商的运作成本及效率都具有巨大影响，先进的管理方式可以提高供应链的效率，降低物流成本。参 考 文 献1张勤 基于MilkRun思想的汽车供应物流模式分析J 海峡科学， 2010（9）2张蕾 循环取货方式的实践与应用研究D 北京：对外经济贸易大学，2006责任
15、编辑：蒙 薇图 3 实施方案前后比较点对点 Milkrun从应用的角度看，总的导通电阻受到一定的限制，根据耗散功率见公式（5）：PI2R （5）当工作电流I为2A时，导通电阻R需要控制在80m左右。场效应管所能承受的反向击穿电压与正向工作时的导通电阻成负相关关系，而片式SMD微型封装正是顺应电子产品小型化的要求而诞生的。这类便携手持式电子产品使用电池供电，主要应用于开关、驱动和电池保护等，对元器件的反压要求不高。桂林斯壮微电子有限责任公司开发的沟槽式场效应管GMS2301、GM2301、GMS2302、GM2302 的反压BVDSS为20V，GM3401、GM3402的反压BVDSS为30V。
16、3.2 沟槽式场效应管的开关应用沟槽式场效应管当做开关使用时存在自身功率消耗而发热的问题，当温度超过结温150时，沟槽式场效应管就会失效或者被损坏。根据沟槽式场效应管的工作原理：器件完全关断时虽然承受的反压很大，但是漏电流很小，器件自身的功耗也不会大；而器件完全开通时，虽然工作电流很大，但此时导通电阻却比较小，器件自身的功耗P根据公式（5）也不会太大；沟槽式场效应管从关断到开通，以及由开通到关断的过程中，如果开关延时较大时，自身的功耗会增大，如果频繁开关，功耗会更大。品质优良的沟槽式场效应管必须有小的开关参数。沟槽式场效应管栅漏电荷密度小，从关断到开通及由开通到关断的充、放电速度很快。实例中考
17、虑到栅极开启电压（也称为阈值电压VT）这个因素，栅氧层的厚度一般取200800A，则开通时间和关断时间的典型值为590ns，因此沟槽式场效应管具有导通较低和开关损耗及开关速度较快的特点，即使频繁开关操作，沟槽式场效应管自身的功耗也不会很大。4 结语由于Trench 技术能够有效地降低产品的导通电阻，并且具有较强的电流处理能力和较快的开关速度，所以近年来TrenchMOSFET在计算机、消费电子等领域中得以快速发展。并且，Trench技术在低压应用方面具有较大优势，目前对于低压 MOSFET产品，TrenchMOSFET技术已被市场所接受，且有很高的市场占有率。参 考 文 献1苏延芬，刘英坤 T
18、renchMOSFET的研究与进展J 半导体技术，2007（32）：277-280，2922王卫东 现代模拟集成电路原理及应用M 北京：电子工业出版社，20083刘恩科，朱秉升，罗晋生 半导体物理学M 北京：电子工业出版社，20114孟庆巨，刘海波，孟庆辉 半导体器件物理M 北京：科学出版社，2009责任编辑：蒙 薇（上接第 18页）27沟槽式场效应管的构造及应用研究作者： 彭顺刚作者单位： 桂林斯壮微电子有限责任公司,广西 桂林 541004刊名： 企业科技与发展英文刊名： Enterprise Science And Technology & Development年，卷(期)： 2013(1)本文链接：http:/
